3A21-H112铝板

3A21-H112 3A21-H112 3A21-H112 3A21-H112 3A21-H112 3A21-H112 3A21-H112 简述了铝合金板坯生产的几种形式，指出了板坯生产过程中应该注意的一些问题，并特别说明了新一代电磁铸造、高能超声铸造、半固态铸造、喷射铸造和铸锭多级均匀化等新技术的应用在改善铸锭组织结构方面的效果。

前言

随着铝加工业的发展，铝材的应用更加广泛，特别是航空航天、轨道交通、新能源车辆、光伏建筑一体化、电缆、LED散热器、军工材料及众多民用产品的开发，为铝材开拓了十分广阔的市场，同时，也对铝材的质量提出了更高的要求。在铝合金材料的生产过程中，熔铸作为第一道关键工序，锭坯的质量对铝制品的质量起着支配作用。由于材料的化学成分和组织结构，包括金属内部纯洁度是其力学性能和其他性能的内部依据，而所有性能则是具有一定化学成分和组织结构的外部表现。所以熔铸作业的好坏对铝材的加工性能和最终使用性能产生决定性的影响。我国铝加工知名学者王祝堂教授曾经指出：铝材的缺陷有70%与熔铸有关联，熔铸是我国从铝工业大国走向铝工业强国的鸿沟。这个论点是否成立我们暂不评述，但从中却使我们认识到熔铸在铝加工业中的重要性和国人希望提高铝熔铸技术水平的强烈紧迫感和责任感。

最近40年，我国铝板带箔先后出现过三种板坯生产和供货方式，第一种是传统的扁铸锭，锭厚从锭模铸造的40mm到现在LHC的约700mm，供热轧。其生产技术从锭模铸造到DC铸造、水平模铸造直至沟槽模铸造、隔热模铸造、电磁铸造(包括低频)和矮液面铸造(即LHC)、复合铸造都有采用；随着社会的不断进步和发展，早先的锭模铸造已经被淘汰，目前，除了供电力部门用扁排采用水平铸造技术和个别企业个别产品采用隔热模和电磁铸造技术外，在工业上得到广泛应用的主要是DC铸造和矮液面铸造(约1200万吨)。第二种是双辊连续铸轧板卷，板坯厚度约在5-10mm之间，供离线冷轧，它出现于上世纪六十年代，经过近二十年的研发，直至八十年代我国才正式投入工业生产使用，目前其生产量约占板坯总产量的30%(500万吨)；在其后二十多年里，我国还开展了诸如超声波铸轧、电磁铸轧、高速薄带铸轧、半固态铸轧和喷射轧制等先进铸轧技术的试制和研究，也取得不少成果，有些已投入工业使用。第三种是连铸板坯，厚度约为16mm——25mm，在线直供热连轧用，这是上世纪八十年代最早出现于美国和瑞士的技术。我国直至本世纪初才由河南豫港公司引进一条哈兹耐特连铸机及三机架热连轧机组成的生产线，产能约为50万吨/年。

从上面的发展历史，我们可以清楚的看到，在铝板坯的铸造方面，出现了四个明显的发展趋势：一是金属结晶由静模向动模发展；二是结晶器由高向矮发展；三是金属冷却速度由慢向快发展；四是借助外力参与凝固过程。信息技术、计算机技术和自动化控制技术的应用，已经全面地提升了我国熔炼铸造的技术水平，辅助材料商品化为稳定和提高熔铸产品的质量创造了有利的条件。但在我国变形铝合金板坯熔铸技术的发展过程中，仍然存在着一些值得关注的问题，本文主要针对这些问题谈谈自己的看法，希望能引起同行们的共同关注。

一 熔炉大型化和设备选择

炉子生产率G=装炉量N/工艺时间τ。很显然，提高炉子容量，既可以提高装炉量，缩短单位产量的辅助作业时间，增大熔化速度，提高炉子生产效率；又可以减少单位产量的热损失，得到更高的热效率；还可以降低吨铝投资，减少用工数量，最终达到节能降耗、增产减人的目的。这是目前炉子为什么向大型化方向发展的基本原因。

在这个思想的指导下，目前国内最大的扁铸锭熔铝炉已达到120吨(天津忠旺、河南中孚)，超过75吨的炉子全国超过150台。这些炉子普遍直供电解铝液，采用了顶装炉技术(固体料)、蓄热式燃烧技术、磁搅拌技术、倾翻出料技术等，取得了节能降耗，提高生产效率，减少用工量，降低生产成本的好效果。但同时也出现了一些不该出现的问题。这些问题归纳起来主要是下面三条：

1)炉子熔化速度偏低。表1是上世纪90年代中期国际上熔铝炉的标准尺寸和熔化速度[1]。与这个表格的数据相比，我国国产熔铝炉的熔化速度明显偏低，以75吨的熔铝为例，我国国产熔铝炉的熔化速度只有这个表格数据的一半左右。这就失去了通过炉子大型化提高生产效率的意义。造成这种现象的原因主要是配套的烧嘴能力过小而致。因此，炉子设计和生产厂家有责任采取措施提高其技术性能。

铝合金板坯熔铸生产过程中值得关注的 一些问题

2)炉型选择与装炉方式不配。造成装炉、出炉辅助时间过长、使生产效率下降。一般讲，以固体料为炉料的企业应采用顶装料的圆形炉、而以电解铝水为主要炉料的企业可以采用矩形炉；而倾翻炉或双流口设计可大大缩短出炉的时间。我们可以看到，国内一些处理得好的企业，如厦顺铝合金板带厂110吨圆形炉，采用25吨蛤式装料桶加料，整个装炉时间约40分钟，采用φ90mm双流口出炉，出炉时间只要20分钟；而有些企业，炉子容量虽然只有75吨，炉型为矩形炉，但加料方式为普通叉车，而不是与炉门等宽的密封式专用加料车，结果仅加料就花费2个多小时，不仅降低了生产效率，也增大了热消耗。

3)炉子容量的确定要与铸造机的产能相匹配。这个问题在铝合金铸轧车间表现比较突出。在我国，通常铸轧车间的标配是1+1+1形式，即1台熔炼炉+1台静置炉+1台铸轧机。按现有技术水平，1台铸轧机的产量一般为1——1.5t/h，1天的产量为24——36吨之间，在这种情况下，把熔铝炉的容量搞得太大，是不利于节能降耗的。一般的容量应以1——2个卷重为宜。

熔炉选择及匹配是否合理，决定了炉子的生产效率、能耗和物耗水平，也就决定了铸锭产品的生产能力和生产成本的高低。

伴随熔炉的大型化，具有导向装置的液压半连续铸造机以实现一炉一光为目的也随之大型化，按YS/T590-2012给出的规格范围，国内现在最大的扁铸锭锭厚可达700mm，宽度2930mm，长度10米，实际锭重也已达到34吨。最近20年内，国产的、引进的60吨以上的液压铸造机近百台，基本都配备了自动铸造系统，使铸造自动化水平大大提高。我国引进的LHC矮液面铸造技术，主要来自Wagstaff、Almex和Novelis，这种技术的应用，大大提高了我国扁铸锭的表面质量和内在结晶组织的质量，但与传统DC铸造相比，一些企业出现了成品率大幅下降的现象。成品率下降主要体现在三

方面，一是枞树组织废品多(特别是用于生产CTP板基的扁铸锭)；二是头(浇口部缩孔120mm)、尾(底部厚差650mm)切除量大；三是裂纹废品多。因此我们在引进新技术的同时，应在消化吸收的基础上进行二次创新，这似乎是我们责无旁贷的责任。

这里应该特别指出，由东北大学崔建忠等人发明的低频(5——30HZ)电磁铸造技术从提高合金抗裂纹能力(提高结晶器内熔体流动速度，强化凝固时的散热，显著细化组织，明显改善偏析)和降低铸锭内由于热收缩产生的应力和应变(改变结晶器内的温度场，减少液穴深度)两个方面使高成分合金铸锭的裂纹得到有效的抑制，是一个值得大家关注的好方法。

二 合金成分优化

合金成分最佳化实际是个化学成分内控标准设计的问题，应该是企业技术部门或者技术老总负责的事，但现在很多企业却放在熔铸车间来做。这个问题之所以重要，是它关系到企业产品性能是否稳定、生产工艺是否稳定、成品率和成本是否稳定的问题。一旦在熔铸环节被做成铸锭，后面的工序都无法解决。一般讲，决定铝制品性能的是成分、工艺（熔铸、压延、表面处理）和热处理三个基本参数，而成分是铝材加工性能和最终使用性能的决定因素。而一定的成分要求一定的加工工艺和热处理条件，并相应于一定的最终性能。合金成分最佳化既能稳定的满足性能要求，又能从比较宽的外标范围内，将成分控制在一个比较窄的区间进行生产，以稳定生产工艺和生产成本。

在成分优化时，我们既要考虑满足铸造性能的要求(裂纹倾向性、产生金属间化合物的倾向性、细结构等)，又要考虑后续加工性能的要求(主要是工艺塑性)，当然最首要的是满足技术条件的要求(即合同规定的力学性能)，还要保证用户的使用要求(对于板材而言，主要是成形性、折弯性、耐蚀性、导电性、导热性、加工条纹等表面质量，这些要求往往在技术标准中没有体现，但却是用户十分关注的，铝材生产厂应该给予满足)，还要满足成分分析误差的要求，并保证符合国家安全法规等。此外，合金成分最佳化还是近年来提高铝材综合性能的重要手段之一，往往能取得意想不到的效果。

成分优化的首要目的是使生产的制品达到其技术条件要求的力学性能指标，这可以通过查找相关系列铝合金的成分-力学性能图表解决。

成分优化的直接目的是解决铸锭裂纹倾向性的问题，作者在2006年9月于广州召开的轻金属分会技术交流会上曾发表过“高强变形铝合金成分对铸锭裂纹倾向性的影响”一文，对2×××、5×××、6×××、7×××合金的裂纹倾向性和成分控制方法进行过系统讨论，大家可以参考。这里不再赘述。

此外，随着高成分合金的产量越来越多，半连续铸造时铸锭中生成金属间化合物的问题也经常出现。一般而论，金属间化合物在铸锭内生成，必须具备三个条件：一是成分条件，即该合金的成分一定位于共晶点或包晶点附近；二是温度条件，即液穴内的熔体温度必须低于该合金液相线温度；三是成核条件，即与金属流动、成核时间有关的条件。在铝合金连续铸造的不平衡结晶条件下，出现金属间化合物一次晶的浓度界限比平衡图中的要低得多。因此，当采用连续铸造法生产含有难熔组元铁、

镍、钒、钛、锰、铬、锑、铬、硼、硅的变形铝合金铸锭时，往往出现金属间化合物，给制品的力学性能及表面性能带来重要的影响。

关于金属间化合物一次晶形成的成分条件，国内外许多文献进行过研究，以下几个公式可提供大家参考：

不形成(Fe、Mn)Al6化合物的临界条件：

对于3003(3A21)：Fe+Mn＜1.8%；

对于3004合金：wt% Fe + 1.07 wt% Mn < (T–587.9)/36,4；

不形成(Zr,Ti)Al3化合物的临界条件：wt% Zr + 0.909 wt% Ti < 0.127(如7№1合金)；

不形成(Cr,X)Al7(X=Mn,Fe,Ti)化合物的临界条件：

对于5083合金：wt% Mn + 3.18 wt% Cr < (T–565.8)/85.9；

对于7075合金：wt% Mn + 3.25 wt% Cr < (T-600.9)/53.7。

三、熔体纯净化

铝合金中的夹杂物很多，有氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、各种氯化物、氟化物等，还有氢气、CO2等气体。这些存在的夹杂物，既增加熔体黏度，降低熔体流动性，促进疏松的形成，还妨碍氢的去除，破坏金属的连续性和致密性，产生集中应力源，为疲劳裂纹的萌生提供核心，夹杂物还在铝合金中形成硬质点，与基体金属电极电位不同时降低耐蚀性，还在后续的加工中形成条纹等缺陷，使成品率大幅降低。总之，影响是负面的。因此，众多科研院所对此展开了研究。