楊孟剛，文東輝，張 虎
(中國鋁業(yè)貴州分公司電解鋁廠，貴州貴陽550014)
摘要：鋁合金圓鑄錠的氣幕鑄造工藝是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的技術(shù)之一，以其具有生產(chǎn)效率高、勞動強(qiáng)度低、鑄錠質(zhì)量好、成品率高等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。對采用德國VAW公司的Air VeilTM氣幕鑄造技術(shù)生產(chǎn)6005A鋁合金大直徑圓鑄錠時(shí)的熔煉、凈化、鑄造、鑄錠均勻化工藝進(jìn)行了闡述。
關(guān)鍵詞：氣幕鑄造；鋁合金；大直徑圓鑄錠
6005A鋁合金擠壓型材的強(qiáng)度比6063鋁合金的高，工業(yè)的發(fā)展需要這種高性能的材料，它首先在歐洲得到研發(fā)。目前，國內(nèi)生產(chǎn)6005A鋁合金大直徑圓鑄錠的廠家較少。為了生產(chǎn)高質(zhì)量的6005A擠壓型材，我們采用從德國聯(lián)合鋁業(yè)公司引進(jìn)的氣幕鑄造生產(chǎn)線，開發(fā)生產(chǎn)6005A鋁合金Φ380mm圓鑄錠，共給55MN擠壓機(jī)積壓型材。
1 試驗(yàn)研究
1.1合金化學(xué)成分的優(yōu)化
根據(jù)材料介紹的6005A鋁合金成分，結(jié)合市場上對該合金型材性能的要求，我們對6005A合金化學(xué)成分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，列于表1
表1 6005A鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %
| 項(xiàng)目 |
Si |
Fe |
Cu |
Mn |
Mg |
Cr |
Zn |
Pb |
Al |
| 美國標(biāo)準(zhǔn) |
0.6～0.9 |
0.35 |
0.1 |
0.1 |
0.40～0.60 |
0.1 |
0.1 |
0.05 |
余量 |
| 設(shè)計(jì)成分 |
0.62～0.78 |
0.15～0.25 |
0.1 |
0.08～0.20 |
0.42～0.58 |
0.04～0.20 |
0.1 |
0.01 |
余量 |
�。�1）設(shè)計(jì)成分w(Mg)：w(Si)=(0.667～0.744)：1，為Si過剩合金，有利于合金強(qiáng)度的提高。
�。�2）設(shè)計(jì)成分中加入微量的Cr和Mn，主要目的是細(xì)化晶粒，抑制固溶處理時(shí)發(fā)生再結(jié)晶，從而進(jìn)一步強(qiáng)化合金；此外，進(jìn)一步改善合金的韌性，降低應(yīng)力腐蝕開裂敏感性。同時(shí)通過MnCl6添加Mn還能熔解雜質(zhì)發(fā)Fe，以減少Fe的有害作用，進(jìn)一步提高合金的力學(xué)性[1]。
(3)對Fe范圍的控制，主要考慮Fe可減小壓力加工產(chǎn)品的晶粒尺寸，有利于合金強(qiáng)度的提高。但是w(Fe)>0.25后，會使合金產(chǎn)生脆性，因此給出了一個(gè)范圍同。
1.2工藝裝備的設(shè)計(jì)
如圖1所示，氣幕鑄造的工藝裝備是把空氣/油混合物通過油氣分配環(huán)引入結(jié)晶環(huán)的上部，在鑄造過程中對鑄錠實(shí)現(xiàn)連續(xù)潤滑的裝備。這種空氣/油混合物具有很好的絕熱作用，當(dāng)鋁合金熔體迸入結(jié)晶環(huán)后，散熱減少，減輕了鑄錠的一次冷卻，當(dāng)鑄錠離開結(jié)晶器受到直接水冷時(shí)，即加強(qiáng)了軸向冷卻，使鑄錠的液穴變得平坦，生產(chǎn)工藝得到穩(wěn)定，從而獲得優(yōu)良的鑄錠表面和表層組織質(zhì)量。
圖1氣幕鑄造示意圖
主要技術(shù)參數(shù)：采用較低的結(jié)晶環(huán)高度，結(jié)晶器內(nèi)徑為380mm，熱頂帽高度為75mm。圖2為向結(jié)晶器供應(yīng)空氣和潤滑油并帶有相應(yīng)測量控制儀表的工藝示意圖。
圖2空氣、油供應(yīng)工藝流程示意圖
1.3工藝制度設(shè)計(jì)
從熔煉、凈化、鑄造、均勻化四個(gè)方面設(shè)計(jì)其工藝制度。
(1)熔煉工藝制度
熔煉流程：原鋁液加Al-Si中間合金→加Cr添加劑→加Mn添加劑→加Mg錠。熔煉溫度750℃～760℃；熔煉時(shí)間30min。操作要點(diǎn)：充分?jǐn)嚢桎X液，確保合金化學(xué)成分均勻；Cr添加劑、Mn添加劑、Mg錠均用鐘罩壓入鋁液中熔化，確保金屬實(shí)收率高。
采用添加劑的方法加入合金元素，解決了Mn、Cr等高熔點(diǎn)金屬在正常鋁液溫度條件下熔化難的問題，實(shí)現(xiàn)了熔煉快速、金屬液不過熱且化學(xué)成分均勻的目的。
(2)凈化工藝制度
熔體內(nèi)的非金屬夾雜物及氣體(主要是H2)是影響鑄造工藝和鑄錠質(zhì)量的關(guān)鍵因素，給擠壓型材的力學(xué)性能帶來極壞的影響。因此，試驗(yàn)中采用在熔煉爐除渣，在保溫爐N2噴粉精煉除氣、除渣，在線N2除氣，在線陶瓷片過濾等一系列先進(jìn)的凈化技術(shù)凈化鋁液，確保鋁液質(zhì)量。凈化1藝制度如表2。
表2 6005A合金熔體凈化工藝制度
| 設(shè)備 |
凈化物 |
凈化時(shí)間/min |
凈化溫度/℃ |
目的 |
| 熔煉爐 |
造渣劑 |
10 |
750 |
除渣 |
| 保溫爐 |
N2+精煉粉 |
30 |
750 |
除氣、除渣 |
| 除氣爐 |
N2 6 L/h,轉(zhuǎn)子速度250r/min |
鑄造全過程 |
710～720 |
除氣、H2低于0.2mL/100gAL |
| 過濾器 |
過濾板（30ppi） |
鑄造全過程 |
705～710 |
除渣 |
(3)細(xì)化晶粒
用Al-Ti-C線桿在線細(xì)化晶粒，確保鑄錠的晶粒度符合要求，同時(shí)有效抑制鑄錠裂紋傾向。這對大直徑鑄錠的生產(chǎn)十分重要。
(4)鑄造工藝制度
在氣幕鑄造過程中，要確保空氣流量、空氣壓力、潤滑油流量供應(yīng)的穩(wěn)定性。根據(jù)氣幕鑄造Φ380mm6005A合金圓鑄錠的工藝特點(diǎn)，鑄造速度控制在50mm/min~56mm/min，冷卻水里控制在2000L/min~2400L/min，冷卻水溫低于30℃，送晶粒細(xì)化劑線桿的速度控制在100cm/min~l80cm/min。
(5)鑄錠均勻化制度
均勻化處理是改善鑄錠質(zhì)量的措施，可進(jìn)一步改善鑄錠的擠壓特性，提高制品力學(xué)性能和表面質(zhì)量。AI-Mg-Si系合金的過燒溫度為595℃[1]，基于此設(shè)計(jì)的均勻化制度為:溫度(570士10)℃，保溫10h；冷卻方式，風(fēng)+水冷；冷卻速度大于200℃/h；鑄錠終了溫度，外部50℃，心部150℃。
2鑄錠生產(chǎn)實(shí)踐
生產(chǎn)中重點(diǎn)在于控制熔體質(zhì)量，控制現(xiàn)場鑄造參數(shù)，控制鑄錠的晶粒度，避免鑄錠裂紋和改善外觀貢量。
2.1熔鑄工藝流程
ZLDl02合金入爐→原鋁液入爐→攪拌→Mn、Cr添加劑入爐→Mg錠入爐斗→攪拌→造渣劑入爐→攪拌→扒渣→中間分析→轉(zhuǎn)注至保溫爐→N2噴粉精煉→攪拌扒渣→中間分析→靜置→在線加AI-Ti-C線桿細(xì)化晶�！诰�精煉→鑄造鑄錠→均勻化→鋸切。
2.2防止鑄錠裂紋
現(xiàn)場分析認(rèn)為，由于鑄錠直徑大，心部和外部的溫差大，冷卻過程中應(yīng)力增大，裂紋傾向增加，矛盾的焦點(diǎn)在于鑄造速度。因此我們通過適當(dāng)降低鑄造速度，并增加Al-Ti-C線桿送給速度以細(xì)化晶粒，防止了鑄錠裂紋。表3列出現(xiàn)場鑄錠外觀及裂紋的檢查結(jié)果。
表3生產(chǎn)現(xiàn)場對鑄錠外觀和裂紋的檢查結(jié)果
| 熔次號 |
外觀檢查 |
探傷檢查 |
| 6005A-1 |
光滑、無其他缺陷 |
距端部150mm以內(nèi)有裂紋 |
| 6005A-2 |
光滑 |
距端部100mm以內(nèi)有裂紋 |
| 6005A-3 |
光滑 |
距端部120mm以內(nèi)有裂紋 |
由表3可見，鑄錠外觀符合要求，內(nèi)部裂紋在端部正常范圍內(nèi)，按工藝要求鋸切頭、尾后即為無裂紋鑄錠。
2.3化學(xué)成分分析
鑄錠的化學(xué)成分符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，成分分析結(jié)果見表4。
表4化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分析結(jié)果 %
| 熔次號 |
Si |
Fe |
Cu |
Mn |
Mg |
Cr |
Zn |
Ti |
Pb |
Al |
| 6005A-1 |
0.71 |
0.18 |
0 |
0.12 |
0.47 |
0.08 |
0.01 |
0.016 |
﹤0.01 |
余量 |
| 6005A-2 |
0.68 |
0.18 |
0 |
0.11 |
0.52 |
0.09 |
0.01 |
0.016 |
﹤0.01 |
余量 |
| 6005A-3 |
0.68 |
0.18 |
0 |
0.12 |
0.52 |
0.08 |
0.01 |
0.019 |
﹤0.01 |
余量 |
2.3金相檢查情況
單位面積晶粒數(shù)測定值40個(gè)/mm2~75個(gè)/mm2，超過了16個(gè)mm2的要求。
晶粒度評級(按ASTWll2-S1美國國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬平均晶粒度測定的標(biāo)準(zhǔn)方法》評級)：鑄錠縱、橫向晶粒大小基本一致，均為等軸晶粒，未見變形晶粒，晶粒度級別為2.5-3.5級，超過了ASTM1級的要求。
金相檢查未見其他缺陷。
3結(jié)束語
生產(chǎn)的6005A鋁合金Φ380mm，大直徑圓鑄錠化學(xué)成分穩(wěn)定、均勻，外表光滑，晶粒組織致密均勻。鑄錠有優(yōu)良的擠壓特性，擠壓型材的強(qiáng)度、伸長率等力學(xué)性能完全滿足高速列車、汽車、敞車、船舶等對鋁合金材料的要求。生產(chǎn)過程中熔煉快速，凈化工藝和鑄造參數(shù)的控制，防止了6005A鋁合金鑄錠成分易偏析、易裂紋等問題。
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