前言 目前,欧美等发达国家约有60%～70%的电解铝液被直接用来生产铸锭,特别是生产大型铝合金扁锭,而我国这一比例只有不到15%,由于扁锭尺寸大、电解铝液温度高、气体和杂质含量高等因素,还存在不少技术难关,因此大多数铝加工企业仍在采用铝锭重熔法生产铝合金扁锭,采用电解液生产大型铝合金扁锭的企业只有极少数。
我厂是河南分公司下属的二级单位,是一家铝电解企业,以前从没有生产过铝合金扁锭。从2004年起,我们根据河南分公司的按排,利用电解槽生产的高温电解铝液、用竖井铸造的方式为西南铝等多家单位生产了3003、5052、1100等多个系列的铝合金扁锭产品,但在试生产过程中,曾出现偏析瘤、晶粒度偏大、裂纹、氢含量超标等严重缺陷,为此,我们对如何用电解铝液生产铝合金扁锭进行了大量的生产工艺攻关,最终成功生产出了用户满意的产品。本文结合我厂铝合金扁锭铸造的实际情况,对电解铝液生产铝合金扁锭的工艺技术进行了较为全面的总结和论述。
1 铝合金扁锭的质量要求
通常用户对铝合金扁锭的内部组织、化学成分、 表面质量、规格尺寸等都有明确要求,特别是在晶粒大小、气孔、夹渣、裂纹、含氢量等方面要求更为严格,以西南铝为例,他们要求:
(1)化学成分:符合其内部标准YF209—2004要求。
(2)内部组织:晶粒度不大于2级;无裂纹、气孔、夹渣等组织缺陷。
(3)氢含量:不大于118ml/kg。 (4)表面质量:不允许有严重的冷隔及偏析瘤。
2 电解铝液的特性
电解铝液具有以下特性[1～5]:
(1)熔体温度高,有效形核率低。
以我厂为例,电解铝液的温度一般在930℃以上,是过热金属,即便抽至真空包、运至铸造车间还能保持在880～900℃左右的高温;
(2)杂质成分复杂,合金元素含量低。电解铝 液中不但含有Fe、si、Cu、Mg等多种金属杂质,而且含有氟化盐、氧化铝、碳渣、炭化铝、氮化铝等各种非金属杂质,成分复杂。对正常生产的电解槽而言,其电解铝液的Fe、Si含量比较稳定,基本不含Cu、Mn、Mg等合金元素,以我厂为例,约有93%的电解铝液属于Al9917品位,通常W(Fe)=01065%～0117%、W(Si)=01070%～0111%,而Cu、Mn、Mg的含量极低,总是低于01008%。
(3)气体杂质多,氢含量高。由于铝电解过程 的特殊性,电解铝液中不可避免的会含有CO、CO2、H2、CH4、N2等多种气体,但主要以H2为主,H2约占气体总量的70%～90%。
3 生产工艺与技术
3.1.1 生产流程
由前面分析可知,电解铝液所具有的特性是不能满足生产上述铝合金扁锭要求的,必须在铸造前进行降温、配料(成分调整)、精炼、保温静置等一系列操作[1～4],
我厂生产流程如下:
电解铝液→熔炼炉内降温→配料→搅拌扒渣→炉前取样→(炉前调整)→转静置炉→炉内精炼→扒渣→静置→晶粒细化→在线净化→浇铸→出井→锯切→质检→入库。
3.1.2 配料与初步净化
首先根据电解铝液的预分析结果选择合适的铝电解槽进行出铝,将电解铝液从电解槽抽至真空抬包中运至铸造车间倒入熔炼炉内。利用电解铝液的高温热量熔化加入的固体料,一方面可以达到降低铝液温度、将电解铝液中的气体初步除去的目的,另一方面,还可为扁锭的结晶过程提供晶核,增加形核能力,提高晶粒度,但要注意所加固体料(一级废料或铝锭)的多少,以将铝液的温度降到比熔炼温度稍高的为宜(767～770℃),一般控制在15%～20%的比例。然后根据要配的铝合金扁锭的成分要求进行配料,向炉内加入适量的铝合金元素添加剂(或Al-Fe、Al-Cu中间合金)、Mg锭等,由于铝合金元素添加剂中都含有一定量的CCl4、C2Cl6等精炼剂成分,投入铝液后会发生化学反应,产生大量的Cl2、HCl、AlCl3等气体,对铝熔体起到一定精炼作用。待其与铝液反应结束后,用大耗充分搅拌后将铝液表面的浮渣扒去,取样做快速分析,若成分符合所配铝合金的成分要求,即将铝液转入静置炉中,对其熔体进行精炼处理,否则继续进行调整。测量数据表明,通过上述的铝液转注、降温、搅拌扒渣等处理,可使铝液中的氢含量降到615ml/kg左右。
3.1.3 炉内精炼
我厂在静置炉内采用气体喷粉法进行炉内精炼。具体操作是这样的:将粉状精炼剂(其主要成分为CCl4、C2Cl6等)按110kg/�t的用量装入喷粉罐,将“T”型精炼器和喷粉罐连接牢靠,然后插入炉内铝液中,打开氮气瓶气阀,操作“T”型精炼器在炉内来回移动,所用氮气的纯度必须在99199%以上,并控制好压力和流量。精炼时间一般控制在15～20min,精炼温度控制在730～750℃之间。
我厂实践证明:这种精炼方法的除氢、除渣效果优于单纯的气体精炼法或熔剂精炼法。这是因为夹粉状精炼剂的气泡进入铝液后,粉状精炼剂熔化,以液体熔剂膜的形式包围着气泡表面,将气泡表面的氧化膜溶解、吸附,使其瓦解。这时氢从铝液中经熔剂膜进入气泡中的速度要比经过氧化膜快得多,同时也防止了铝液与净化气体中水分的直接接触。
另一方面,由于熔剂膜提高了气泡表面的活性,加强了吸附除渣的能力,使得除渣效果也显著提高[5]。 测量数据表明,通过炉内精炼处理,可使铝液中的氢含量降到315ml/kg左右,氧化夹杂量也大幅度减少,但仍不能满足浇铸的需要,于是我们又采用Alpur法对熔体进一步的净化处理。铝液在静置炉内精炼完毕后,须在铝液表面撒上一层覆盖剂,静置10～15min后方可进行在线净化处理。
3.1.4 在线净化
在线净化处理包括在线Alpur法除氢和在线陶瓷过滤两部分。
采用在线Alpur法除氢时,高纯氮气(大于99199%)通过高速旋转的石墨转子喷嘴从熔体底部吹入铝熔体,并在铝液表面不发生翻滚的情况下产生大量弥散、高速的细小气泡。由于旋转喷头强烈搅拌作用,强化了气泡在整个熔池内的扩散,从而有效的增大了气体和液体接触界面,促进了气液接触界面的更新,显著改善了浮游法净化熔体的动力学条件。
同时,由于细小气泡在铝熔体中的上升速度绘慢,在离心力和上浮力的联合作用下,气泡在熔池中沿螺旋状路径上升,延长了气液接触作用的时间,从而更有效的除去熔体中的氢,在除气同时,在浮选原理的作用下,氧化夹杂物也一定程度得到除去[5]。注意熔池温度保持在(720±5)℃,高纯氮气的压力应保持012～016MPa之间,流量应控制在5～6m3/h左右。
测量数据表明,采用Alpur法除氢后,铝液中的氢含量降到119ml/kg左右,其净化效率约在46%～51%之间。 除去夹杂物的主要手段是进行熔体过滤,熔体过滤的方法有多种,但使用最普通、最有效的方法仍是使用泡沫陶瓷过滤板过滤[5],据有关资料介绍:30ppi的泡沫陶瓷过滤板可将直径大于20Λm的夹 杂除去约60%,将直径大于40Λm的夹杂除去约90%;而40ppi的泡沫陶瓷过滤板可将直径大于20Λm的夹杂除去约85%以上,将直径大于40Λm的夹杂几乎去不除尽,因此我们选用40ppi的泡沫陶瓷板对铝液进行过滤,达到了有效去除熔体夹杂物的目的,注意陶瓷过滤板使用前应加热到600℃以上。
此外,根据渣气伴生的原理,在除去杂物的同时,熔体中的氢也会进一步下降,据我们测量和化验,采用40ppi的泡沫陶瓷过滤板过滤后,铝液中的氢含量降到113ml/kg左右,生产出铝合金扁锭没有发现氧化夹杂和气孔等缺陷。
3.1.5 在线晶粒细化
在合金成分允许的情况下,可以添加适量的变质剂对铝熔体做晶粒细化处理,以改善结晶过程。目前生产铝合金扁锭时主要用Al-Ti-B作用细化剂,Al-Ti-B丝的质量对铝合金扁锭的晶粒度有重要影响,单位体积内所含晶核的数量和晶核直径大小是衡量Al-Ti-B丝质量好坏的关键指标。单位体积内所含晶核的数量越多、晶核的直径越小,扁锭的晶粒就越细小。
3.1.6 扁锭的浇铸
我厂目前采用25吨液压竖式半连续铸造机生产铝合金扁锭。有关研究表明,铝合金扁铸锭的内部结晶状况和表面质量主要取决于浇铸过程的冷却强度、浇铸温度、浇铸速度等工艺参数,同时也与结晶器内液面高低及人员操作习惯密切关系,因此生产中工艺参数的设置综合考虑、合理匹配,具体要根据合金牌号和断面尺寸在实践中摸索,目前我厂已摸索出一整套比较完善的工艺技术条件,这里就不再赘述。在不影响表面质量情况下,整个浇铸过程应尽量保持低温、低液面和低速度。在浇铸过程中,还应根据扁锭的表面质量和不同的浇铸阶段,对浇铸速度和冷却强度(水量、水压)等适时做出适当调整。
4 经济效益分析
用电解铝液直接生产铝合金扁锭所取得的经济效益主要体现在节能和减少铝的损失两个方面。首先可省去将铝液铸成铝锭和将铝锭重熔加热两道工序。这一方面可减少铝液铸成铝锭过程中014%～015%铝的损失和铝锭二次重熔过程中2%～4%的烧损。另一方面就是铝锭重熔时需要消耗相当的能量,据测算,将1t铝锭从室温加热到熔炼温度750℃的液铝冷却到室温,冷却水系统要消耗电能并补充新水。可见,用电解铝液直接生产铝合金扁锭可减少能耗。以目前能源和铝锭的价格,由前面分析可以推算出,用电解铝液直接生产铝合金扁锭节省不少成本。
