前言 目前,歐美等發達國家約有60%～70%的電解鋁液被直接用來生產鑄錠,特別是生產大型鋁合金扁錠,而我國這一比例只有不到15%,由于扁錠尺寸大、電解鋁液溫度高、氣體和雜質含量高等因素,還存在不少技術難關,因此大多數鋁加工企業仍在采用鋁錠重熔法生產鋁合金扁錠,采用電解液生產大型鋁合金扁錠的企業只有極少數。
我廠是河南分公司下屬的二級單位,是一家鋁電解企業,以前從沒有生產過鋁合金扁錠。從2004年起,我們根據河南分公司的按排,利用電解槽生產的高溫電解鋁液、用豎井鑄造的方式為西南鋁等多家單位生產了3003、5052、1100等多個系列的鋁合金扁錠產品,但在試生產過程中,曾出現偏析瘤、晶粒度偏大、裂紋、氫含量超標等嚴重缺陷,為此,我們對如何用電解鋁液生產鋁合金扁錠進行了大量的生產工藝攻關,最終成功生產出了用戶滿意的產品。本文結合我廠鋁合金扁錠鑄造的實際情況,對電解鋁液生產鋁合金扁錠的工藝技術進行了較為全面的總結和論述。
1 鋁合金扁錠的質量要求
通常用戶對鋁合金扁錠的內部組織、化學成分、 表面質量、規格尺寸等都有明確要求,特別是在晶粒大小、氣孔、夾渣、裂紋、含氫量等方面要求更為嚴格,以西南鋁為例,他們要求:
(1)化學成分:符合其內部標準YF209—2004要求。
(2)內部組織:晶粒度不大于2級;無裂紋、氣孔、夾渣等組織缺陷。
(3)氫含量:不大于118ml/kg。 (4)表面質量:不允許有嚴重的冷隔及偏析瘤。
2 電解鋁液的特性
電解鋁液具有以下特性[1～5]:
(1)熔體溫度高,有效形核率低。
以我廠為例,電解鋁液的溫度一般在930℃以上,是過熱金屬,即便抽至真空包、運至鑄造車間還能保持在880～900℃左右的高溫;
(2)雜質成分復雜,合金元素含量低。電解鋁 液中不但含有Fe、si、Cu、Mg等多種金屬雜質,而且含有氟化鹽、氧化鋁、碳渣、炭化鋁、氮化鋁等各種非金屬雜質,成分復雜。對正常生產的電解槽而言,其電解鋁液的Fe、Si含量比較穩定,基本不含Cu、Mn、Mg等合金元素,以我廠為例,約有93%的電解鋁液屬于Al9917品位,通常W(Fe)=01065%～0117%、W(Si)=01070%～0111%,而Cu、Mn、Mg的含量極低,總是低于01008%。
(3)氣體雜質多,氫含量高。由于鋁電解過程 的特殊性,電解鋁液中不可避免的會含有CO、CO2、H2、CH4、N2等多種氣體,但主要以H2為主,H2約占氣體總量的70%～90%。
3 生產工藝與技術
3.1.1 生產流程
由前面分析可知,電解鋁液所具有的特性是不能滿足生產上述鋁合金扁錠要求的,必須在鑄造前進行降溫、配料(成分調整)、精煉、保溫靜置等一系列操作[1～4],
我廠生產流程如下:
電解鋁液→熔煉爐內降溫→配料→攪拌扒渣→爐前取樣→(爐前調整)→轉靜置爐→爐內精煉→扒渣→靜置→晶粒細化→在線凈化→澆鑄→出井→鋸切→質檢→入庫。
3.1.2 配料與初步凈化
首先根據電解鋁液的預分析結果選擇合適的鋁電解槽進行出鋁,將電解鋁液從電解槽抽至真空抬包中運至鑄造車間倒入熔煉爐內。利用電解鋁液的高溫熱量熔化加入的固體料,一方面可以達到降低鋁液溫度、將電解鋁液中的氣體初步除去的目的,另一方面,還可為扁錠的結晶過程提供晶核,增加形核能力,提高晶粒度,但要注意所加固體料(一級廢料或鋁錠)的多少,以將鋁液的溫度降到比熔煉溫度稍高的為宜(767～770℃),一般控制在15%～20%的比例。然后根據要配的鋁合金扁錠的成分要求進行配料,向爐內加入適量的鋁合金元素添加劑(或Al-Fe、Al-Cu中間合金)、Mg錠等,由于鋁合金元素添加劑中都含有一定量的CCl4、C2Cl6等精煉劑成分,投入鋁液后會發生化學反應,產生大量的Cl2、HCl、AlCl3等氣體,對鋁熔體起到一定精煉作用。待其與鋁液反應結束后,用大耗充分攪拌后將鋁液表面的浮渣扒去,取樣做快速分析,若成分符合所配鋁合金的成分要求,即將鋁液轉入靜置爐中,對其熔體進行精煉處理,否則繼續進行調整。測量數據表明,通過上述的鋁液轉注、降溫、攪拌扒渣等處理,可使鋁液中的氫含量降到615ml/kg左右。
3.1.3 爐內精煉
我廠在靜置爐內采用氣體噴粉法進行爐內精煉。具體操作是這樣的:將粉狀精煉劑(其主要成分為CCl4、C2Cl6等)按110kg/?t的用量裝入噴粉罐,將“T”型精煉器和噴粉罐連接牢靠,然后插入爐內鋁液中,打開氮氣瓶氣閥,操作“T”型精煉器在爐內來回移動,所用氮氣的純度必須在99199%以上,并控制好壓力和流量。精煉時間一般控制在15～20min,精煉溫度控制在730～750℃之間。
我廠實踐證明:這種精煉方法的除氫、除渣效果優于單純的氣體精煉法或熔劑精煉法。這是因為夾粉狀精煉劑的氣泡進入鋁液后,粉狀精煉劑熔化,以液體熔劑膜的形式包圍著氣泡表面,將氣泡表面的氧化膜溶解、吸附,使其瓦解。這時氫從鋁液中經熔劑膜進入氣泡中的速度要比經過氧化膜快得多,同時也防止了鋁液與凈化氣體中水分的直接接觸。
另一方面,由于熔劑膜提高了氣泡表面的活性,加強了吸附除渣的能力,使得除渣效果也顯著提高[5]。 測量數據表明,通過爐內精煉處理,可使鋁液中的氫含量降到315ml/kg左右,氧化夾雜量也大幅度減少,但仍不能滿足澆鑄的需要,于是我們又采用Alpur法對熔體進一步的凈化處理。鋁液在靜置爐內精煉完畢后,須在鋁液表面撒上一層覆蓋劑,靜置10～15min后方可進行在線凈化處理。
3.1.4 在線凈化
在線凈化處理包括在線Alpur法除氫和在線陶瓷過濾兩部分。
采用在線Alpur法除氫時,高純氮氣(大于99199%)通過高速旋轉的石墨轉子噴嘴從熔體底部吹入鋁熔體,并在鋁液表面不發生翻滾的情況下產生大量彌散、高速的細小氣泡。由于旋轉噴頭強烈攪拌作用,強化了氣泡在整個熔池內的擴散,從而有效的增大了氣體和液體接觸界面,促進了氣液接觸界面的更新,顯著改善了浮游法凈化熔體的動力學條件。
同時,由于細小氣泡在鋁熔體中的上升速度繪慢,在離心力和上浮力的聯合作用下,氣泡在熔池中沿螺旋狀路徑上升,延長了氣液接觸作用的時間,從而更有效的除去熔體中的氫,在除氣同時,在浮選原理的作用下,氧化夾雜物也一定程度得到除去[5]。注意熔池溫度保持在(720±5)℃,高純氮氣的壓力應保持012～016MPa之間,流量應控制在5～6m3/h左右。
測量數據表明,采用Alpur法除氫后,鋁液中的氫含量降到119ml/kg左右,其凈化效率約在46%～51%之間。 除去夾雜物的主要手段是進行熔體過濾,熔體過濾的方法有多種,但使用最普通、最有效的方法仍是使用泡沫陶瓷過濾板過濾[5],據有關資料介紹:30ppi的泡沫陶瓷過濾板可將直徑大于20Λm的夾 雜除去約60%,將直徑大于40Λm的夾雜除去約90%;而40ppi的泡沫陶瓷過濾板可將直徑大于20Λm的夾雜除去約85%以上,將直徑大于40Λm的夾雜幾乎去不除盡,因此我們選用40ppi的泡沫陶瓷板對鋁液進行過濾,達到了有效去除熔體夾雜物的目的,注意陶瓷過濾板使用前應加熱到600℃以上。
此外,根據渣氣伴生的原理,在除去雜物的同時,熔體中的氫也會進一步下降,據我們測量和化驗,采用40ppi的泡沫陶瓷過濾板過濾后,鋁液中的氫含量降到113ml/kg左右,生產出鋁合金扁錠沒有發現氧化夾雜和氣孔等缺陷。
3.1.5 在線晶粒細化
在合金成分允許的情況下,可以添加適量的變質劑對鋁熔體做晶粒細化處理,以改善結晶過程。目前生產鋁合金扁錠時主要用Al-Ti-B作用細化劑,Al-Ti-B絲的質量對鋁合金扁錠的晶粒度有重要影響,單位體積內所含晶核的數量和晶核直徑大小是衡量Al-Ti-B絲質量好壞的關鍵指標。單位體積內所含晶核的數量越多、晶核的直徑越小,扁錠的晶粒就越細小。
3.1.6 扁錠的澆鑄
我廠目前采用25噸液壓豎式半連續鑄造機生產鋁合金扁錠。有關研究表明,鋁合金扁鑄錠的內部結晶狀況和表面質量主要取決于澆鑄過程的冷卻強度、澆鑄溫度、澆鑄速度等工藝參數,同時也與結晶器內液面高低及人員操作習慣密切關系,因此生產中工藝參數的設置綜合考慮、合理匹配,具體要根據合金牌號和斷面尺寸在實踐中摸索,目前我廠已摸索出一整套比較完善的工藝技術條件,這里就不再贅述。在不影響表面質量情況下,整個澆鑄過程應盡量保持低溫、低液面和低速度。在澆鑄過程中,還應根據扁錠的表面質量和不同的澆鑄階段,對澆鑄速度和冷卻強度(水量、水壓)等適時做出適當調整。
4 經濟效益分析
用電解鋁液直接生產鋁合金扁錠所取得的經濟效益主要體現在節能和減少鋁的損失兩個方面。首先可省去將鋁液鑄成鋁錠和將鋁錠重熔加熱兩道工序。這一方面可減少鋁液鑄成鋁錠過程中014%～015%鋁的損失和鋁錠二次重熔過程中2%～4%的燒損。另一方面就是鋁錠重熔時需要消耗相當的能量,據測算,將1t鋁錠從室溫加熱到熔煉溫度750℃的液鋁冷卻到室溫,冷卻水系統要消耗電能并補充新水。可見,用電解鋁液直接生產鋁合金扁錠可減少能耗。以目前能源和鋁錠的價格,由前面分析可以推算出,用電解鋁液直接生產鋁合金扁錠節省不少成本。
我廠是河南分公司下屬的二級單位,是一家鋁電解企業,以前從沒有生產過鋁合金扁錠。從2004年起,我們根據河南分公司的按排,利用電解槽生產的高溫電解鋁液、用豎井鑄造的方式為西南鋁等多家單位生產了3003、5052、1100等多個系列的鋁合金扁錠產品,但在試生產過程中,曾出現偏析瘤、晶粒度偏大、裂紋、氫含量超標等嚴重缺陷,為此,我們對如何用電解鋁液生產鋁合金扁錠進行了大量的生產工藝攻關,最終成功生產出了用戶滿意的產品。本文結合我廠鋁合金扁錠鑄造的實際情況,對電解鋁液生產鋁合金扁錠的工藝技術進行了較為全面的總結和論述。
1 鋁合金扁錠的質量要求
通常用戶對鋁合金扁錠的內部組織、化學成分、 表面質量、規格尺寸等都有明確要求,特別是在晶粒大小、氣孔、夾渣、裂紋、含氫量等方面要求更為嚴格,以西南鋁為例,他們要求:
(1)化學成分:符合其內部標準YF209—2004要求。
(2)內部組織:晶粒度不大于2級;無裂紋、氣孔、夾渣等組織缺陷。
(3)氫含量:不大于118ml/kg。 (4)表面質量:不允許有嚴重的冷隔及偏析瘤。
2 電解鋁液的特性
電解鋁液具有以下特性[1～5]:
(1)熔體溫度高,有效形核率低。
以我廠為例,電解鋁液的溫度一般在930℃以上,是過熱金屬,即便抽至真空包、運至鑄造車間還能保持在880～900℃左右的高溫;
(2)雜質成分復雜,合金元素含量低。電解鋁 液中不但含有Fe、si、Cu、Mg等多種金屬雜質,而且含有氟化鹽、氧化鋁、碳渣、炭化鋁、氮化鋁等各種非金屬雜質,成分復雜。對正常生產的電解槽而言,其電解鋁液的Fe、Si含量比較穩定,基本不含Cu、Mn、Mg等合金元素,以我廠為例,約有93%的電解鋁液屬于Al9917品位,通常W(Fe)=01065%～0117%、W(Si)=01070%～0111%,而Cu、Mn、Mg的含量極低,總是低于01008%。
(3)氣體雜質多,氫含量高。由于鋁電解過程 的特殊性,電解鋁液中不可避免的會含有CO、CO2、H2、CH4、N2等多種氣體,但主要以H2為主,H2約占氣體總量的70%～90%。
3 生產工藝與技術
3.1.1 生產流程
由前面分析可知,電解鋁液所具有的特性是不能滿足生產上述鋁合金扁錠要求的,必須在鑄造前進行降溫、配料(成分調整)、精煉、保溫靜置等一系列操作[1～4],
我廠生產流程如下:
電解鋁液→熔煉爐內降溫→配料→攪拌扒渣→爐前取樣→(爐前調整)→轉靜置爐→爐內精煉→扒渣→靜置→晶粒細化→在線凈化→澆鑄→出井→鋸切→質檢→入庫。
3.1.2 配料與初步凈化
首先根據電解鋁液的預分析結果選擇合適的鋁電解槽進行出鋁,將電解鋁液從電解槽抽至真空抬包中運至鑄造車間倒入熔煉爐內。利用電解鋁液的高溫熱量熔化加入的固體料,一方面可以達到降低鋁液溫度、將電解鋁液中的氣體初步除去的目的,另一方面,還可為扁錠的結晶過程提供晶核,增加形核能力,提高晶粒度,但要注意所加固體料(一級廢料或鋁錠)的多少,以將鋁液的溫度降到比熔煉溫度稍高的為宜(767～770℃),一般控制在15%～20%的比例。然后根據要配的鋁合金扁錠的成分要求進行配料,向爐內加入適量的鋁合金元素添加劑(或Al-Fe、Al-Cu中間合金)、Mg錠等,由于鋁合金元素添加劑中都含有一定量的CCl4、C2Cl6等精煉劑成分,投入鋁液后會發生化學反應,產生大量的Cl2、HCl、AlCl3等氣體,對鋁熔體起到一定精煉作用。待其與鋁液反應結束后,用大耗充分攪拌后將鋁液表面的浮渣扒去,取樣做快速分析,若成分符合所配鋁合金的成分要求,即將鋁液轉入靜置爐中,對其熔體進行精煉處理,否則繼續進行調整。測量數據表明,通過上述的鋁液轉注、降溫、攪拌扒渣等處理,可使鋁液中的氫含量降到615ml/kg左右。
3.1.3 爐內精煉
我廠在靜置爐內采用氣體噴粉法進行爐內精煉。具體操作是這樣的:將粉狀精煉劑(其主要成分為CCl4、C2Cl6等)按110kg/?t的用量裝入噴粉罐,將“T”型精煉器和噴粉罐連接牢靠,然后插入爐內鋁液中,打開氮氣瓶氣閥,操作“T”型精煉器在爐內來回移動,所用氮氣的純度必須在99199%以上,并控制好壓力和流量。精煉時間一般控制在15～20min,精煉溫度控制在730～750℃之間。
我廠實踐證明:這種精煉方法的除氫、除渣效果優于單純的氣體精煉法或熔劑精煉法。這是因為夾粉狀精煉劑的氣泡進入鋁液后,粉狀精煉劑熔化,以液體熔劑膜的形式包圍著氣泡表面,將氣泡表面的氧化膜溶解、吸附,使其瓦解。這時氫從鋁液中經熔劑膜進入氣泡中的速度要比經過氧化膜快得多,同時也防止了鋁液與凈化氣體中水分的直接接觸。
另一方面,由于熔劑膜提高了氣泡表面的活性,加強了吸附除渣的能力,使得除渣效果也顯著提高[5]。 測量數據表明,通過爐內精煉處理,可使鋁液中的氫含量降到315ml/kg左右,氧化夾雜量也大幅度減少,但仍不能滿足澆鑄的需要,于是我們又采用Alpur法對熔體進一步的凈化處理。鋁液在靜置爐內精煉完畢后,須在鋁液表面撒上一層覆蓋劑,靜置10～15min后方可進行在線凈化處理。
3.1.4 在線凈化
在線凈化處理包括在線Alpur法除氫和在線陶瓷過濾兩部分。
采用在線Alpur法除氫時,高純氮氣(大于99199%)通過高速旋轉的石墨轉子噴嘴從熔體底部吹入鋁熔體,并在鋁液表面不發生翻滾的情況下產生大量彌散、高速的細小氣泡。由于旋轉噴頭強烈攪拌作用,強化了氣泡在整個熔池內的擴散,從而有效的增大了氣體和液體接觸界面,促進了氣液接觸界面的更新,顯著改善了浮游法凈化熔體的動力學條件。
同時,由于細小氣泡在鋁熔體中的上升速度繪慢,在離心力和上浮力的聯合作用下,氣泡在熔池中沿螺旋狀路徑上升,延長了氣液接觸作用的時間,從而更有效的除去熔體中的氫,在除氣同時,在浮選原理的作用下,氧化夾雜物也一定程度得到除去[5]。注意熔池溫度保持在(720±5)℃,高純氮氣的壓力應保持012～016MPa之間,流量應控制在5～6m3/h左右。
測量數據表明,采用Alpur法除氫后,鋁液中的氫含量降到119ml/kg左右,其凈化效率約在46%～51%之間。 除去夾雜物的主要手段是進行熔體過濾,熔體過濾的方法有多種,但使用最普通、最有效的方法仍是使用泡沫陶瓷過濾板過濾[5],據有關資料介紹:30ppi的泡沫陶瓷過濾板可將直徑大于20Λm的夾 雜除去約60%,將直徑大于40Λm的夾雜除去約90%;而40ppi的泡沫陶瓷過濾板可將直徑大于20Λm的夾雜除去約85%以上,將直徑大于40Λm的夾雜幾乎去不除盡,因此我們選用40ppi的泡沫陶瓷板對鋁液進行過濾,達到了有效去除熔體夾雜物的目的,注意陶瓷過濾板使用前應加熱到600℃以上。
此外,根據渣氣伴生的原理,在除去雜物的同時,熔體中的氫也會進一步下降,據我們測量和化驗,采用40ppi的泡沫陶瓷過濾板過濾后,鋁液中的氫含量降到113ml/kg左右,生產出鋁合金扁錠沒有發現氧化夾雜和氣孔等缺陷。
3.1.5 在線晶粒細化
在合金成分允許的情況下,可以添加適量的變質劑對鋁熔體做晶粒細化處理,以改善結晶過程。目前生產鋁合金扁錠時主要用Al-Ti-B作用細化劑,Al-Ti-B絲的質量對鋁合金扁錠的晶粒度有重要影響,單位體積內所含晶核的數量和晶核直徑大小是衡量Al-Ti-B絲質量好壞的關鍵指標。單位體積內所含晶核的數量越多、晶核的直徑越小,扁錠的晶粒就越細小。
3.1.6 扁錠的澆鑄
我廠目前采用25噸液壓豎式半連續鑄造機生產鋁合金扁錠。有關研究表明,鋁合金扁鑄錠的內部結晶狀況和表面質量主要取決于澆鑄過程的冷卻強度、澆鑄溫度、澆鑄速度等工藝參數,同時也與結晶器內液面高低及人員操作習慣密切關系,因此生產中工藝參數的設置綜合考慮、合理匹配,具體要根據合金牌號和斷面尺寸在實踐中摸索,目前我廠已摸索出一整套比較完善的工藝技術條件,這里就不再贅述。在不影響表面質量情況下,整個澆鑄過程應盡量保持低溫、低液面和低速度。在澆鑄過程中,還應根據扁錠的表面質量和不同的澆鑄階段,對澆鑄速度和冷卻強度(水量、水壓)等適時做出適當調整。
4 經濟效益分析
用電解鋁液直接生產鋁合金扁錠所取得的經濟效益主要體現在節能和減少鋁的損失兩個方面。首先可省去將鋁液鑄成鋁錠和將鋁錠重熔加熱兩道工序。這一方面可減少鋁液鑄成鋁錠過程中014%～015%鋁的損失和鋁錠二次重熔過程中2%～4%的燒損。另一方面就是鋁錠重熔時需要消耗相當的能量,據測算,將1t鋁錠從室溫加熱到熔煉溫度750℃的液鋁冷卻到室溫,冷卻水系統要消耗電能并補充新水。可見,用電解鋁液直接生產鋁合金扁錠可減少能耗。以目前能源和鋁錠的價格,由前面分析可以推算出,用電解鋁液直接生產鋁合金扁錠節省不少成本。
