大規格3104鋁合金扁錠的熔鑄工藝及表面偏析瘤缺陷的預防措施

白世森,劉民章

(青海橋頭鋁電股份有限公司，青海 西寧 810100)

隨著國民經濟的迅速發展和人民生活水平的不斷改善,國內市場對罐裝飲料的需求逐步增加。由于鋁質易拉罐具有質量輕和耐腐蝕等優點,已經成為人們日常生活中不可缺少的飲品包裝形式。目前,用于深沖拉伸加工鋁質易拉罐罐身的材料主要有3104和3004鋁合金。通常,3004鋁合金主要是通過熔煉和鑄軋工序得到6～8 mm厚的鑄軋板,經過壓延加工和熱處理制成易拉罐生產所需的罐身材料;而3104鋁合金則是經過熔煉、DC鑄造、銑面、均勻化熱處理、熱軋開坯加工成6～8 mm厚的熱軋板,然后經過壓延加工和熱處理制成易拉罐生產所需的罐身材料。雖然采用鑄軋板加工易拉罐罐身材料的生產工藝和成本相對較低,但由于其在鑄軋和壓力加工過程中易出現冶金缺陷和加工缺陷,目前國內在加工鋁質易拉罐罐身深沖料時,仍然多采用3104鋁合金扁錠。為了提高加工效率、材料利用效率并降低生產成本,加工廠家對熱軋開坯用3104鋁合金扁錠的規格也逐漸趨于大規格化。某公司熔鑄廠與用戶簽訂了鑄造1800 mm×630 mm×6000 mm 規格3104 鋁合金扁錠的供貨合同,為此進行了大規格3104鋁合金扁錠的熔鑄工藝試驗。

1 3104鋁合金扁錠的化學成分及質量要求

3104鋁合金扁錠的化學成分由用戶提供,詳見表1。3104鋁合金扁錠的質量要求見表2。

表1 3104鋁合金扁錠的化學成分(質量分數/%)

表2 3104鋁合金扁錠的質量要求

2 3104鋁合金扁錠的熔鑄設備

1800 mm×630 mm×6000 mm 大規格3104鋁合金扁錠熔煉和鑄造的主要設備:

(1)裝備電磁攪拌裝置的蓄熱式55 t矩形燃氣熔煉爐;

(2)裝備有爐底透氣磚精煉裝置的55 t矩形燃氣保溫爐;

(3)自動喂絲機;

(4)載氬精煉裝置;

(5)Hycast I-60SIR 在線除氣裝置;

(6)國產深床過濾裝置;

(7)Wagstaff 低液位鑄造機組。

2.1 爐料選擇

由于該企業具有30萬噸電解鋁的年生產能力,為了在節能減排基礎上降低3104鋁合金扁錠的生產成本,采用以電解鋁液直接配料的“短流程”熔鑄工藝。所選用的爐料主要包括:品位為99.70%的電解鋁液;品位為99.70%的重熔鋁錠;本合金(3104)和/或其他Al-Mn合金扁錠優質工藝廢料(干燥、清潔、比表面積小);Al-Mn、Al-Fe、Al-Si中間合金;干燥、清潔并剪切成尺寸為50 mm×50 mm的電解銅板;重熔鎂錠(Mg-1);無鈉無改覆蓋劑;直徑為Ф9 mm的Al-5Ti-1B晶粒細化劑。

2.2 清洗爐、電解鋁液預處理及虹吸管轉注

為了將3104鋁合金熔煉及爐內精煉過程中的合金交叉污染降到最低程度,采取了以下三項措施:

(1)在3104鋁合金熔煉與爐內精煉前,對熔煉爐和保溫爐進行徹底清爐與洗爐:因為在其他合金熔煉和精煉過程中,多使用含鈉精煉劑和覆蓋劑,而堿金屬鈉對爐襯具有極強的腐蝕性能,在熔煉過程中,它們或以離子形式或以蒸汽形式滲入耐火材料爐襯中。而當熔煉3104鋁合金時,因為工藝要求的鈉含量極低,很可能由于Na的濃度梯度原因,造成爐襯中的Na向熔體中擴散,導致3104鋁合金的鈉污染。

(2)電解鋁液預處理,電解鋁液是一種非常“臟”的鋁熔體,因為它含有對鋁合金熔鑄產品十分有害的Na、H2、Al2O3、氮化物、碳化物以及其他雜質[1]。Na的存在不僅會影響鋁合金的鑄造性能[2],造成鋁合金(尤其是高鎂鋁合金)鑄錠開裂[3],而且還會降低鋁合金的壓延性能,造成鋁合金板材的軋制裂邊缺陷[4-5],導致產品成材率降低,甚至導致壓延產品報廢。雖然在其他系列鋁合金加工中,Na對鑄錠和壓延加工產品開裂的影響沒有那么明顯,但對熱軋+冷軋+深沖拉伸罐體用3104鋁合金扁錠的負面影響不容忽視,如果控制不當,也會造成軋制裂邊[6],影響罐體的深沖拉伸性能。而電解鋁液中的氫含量也很高,如果在后續處理不當,將會使其通過鑄造過程遺傳到鋁合金扁錠中,在扁錠中形成氣孔或氣體性疏松,并在后續軋制過程中形成孔洞,增加罐體料的斷帶幾率。電解鋁液中的各種夾雜物含量很高(主要是Al2O3),如果處理不當,將會在鑄錠中形成夾雜物,而夾雜物與合金基體的彈性模量相差很大,從而造成在后續軋制中夾雜物與基體界面因應力集中而出現裂紋,裂紋的出現嚴重破壞了鋁基體的連續性[7],導致深沖拉伸過程中斷罐率增加。鑒于電解鋁液存在上述嚴重影響3104鋁合金扁錠冶金質量的問題,為確保3104鋁合金扁錠的冶金質量,在電解鋁液注入熔煉爐之前,對電解鋁液進行預處理十分必要。目前較為有效的電解鋁液預處理是在電解鋁液預處理裝置中進行[8-9]。通過電解鋁液預處理,不僅可以大大降低熔體中的夾雜物和溶解氫含量,而且還可以將電解鋁液中的Na、K、Li等堿金屬質量分數控制3×10-6以下,從而有效提高電解鋁液的清潔度。

(3)虹吸管轉注,通過預處理可以提高電解鋁液的純凈度,但是如果轉注方式不當(即采用小瀑布轉注法),不僅會大大降低預處理效果,而且還會使熔體中的氫含量和夾雜物含量升高,為后續熔體處理帶來極大困難。因此,在3104鋁合金熔鑄過程中,對于經過預處理的電解鋁液,應采用虹吸管將電解鋁液由真空抬包轉注入熔煉爐中,從而有效抑制轉注過程中因“小瀑布”形成而導致大量氧化鋁膜的形成和氫氣卷入[10]。

2.3 爐料添加順序及方式

2.3.1 爐料添加順序

為了縮短3104鋁合金熔煉時間,減少金屬氧化燒損和降低氫、渣含量,采取合理的爐料添加順序和方式十分必要。具體添加順序如下:固體料(重熔鋁錠+工藝廢料+電解銅板)→中間合金(放置在固體料上方)→電解鋁液→金屬鎂錠。

需要說明的兩點是:一是因為中間合金的熔點相對比較高(Al-Fe中間合金:860～920 ℃,Al-Mn中間合金770～820 ℃,Al-Si中間合金630～770 ℃)[7],將它們放置在固體爐料上方,是因為燃氣燃燒時,火焰是以一定角度的射流方式由燃燒器中噴出,高溫火焰與上方爐料發生激烈碰撞,可加速高熔點中間合金熔化;二是最后加入金屬鎂錠,是因為金屬鎂極為活潑,在空氣中極易氧化而形成具有多孔性質的MgO膜,而MgO膜不僅對鋁熔體沒有保護作用,而且還會破壞熔體表面Al2O3膜的致密性,加速鋁熔體的氧化。

2.3.2 金屬鎂錠的添加方式

3104鋁合金熔煉時,除了金屬鎂錠外,其他爐料的添加方式對熔體質量并無大的影響。在所有爐料中金屬鎂錠的密度最小,如果直接加入鋁液中,必然會漂浮于熔體表面,造成Mg大量氧化燒損,不僅影響Mg元素含量的穩定控制,而且還會因為夾雜物和氫含量升高而惡化熔體質量。因此,在3104鋁合金熔煉中,鎂錠要用鋁帶材包裹后,才能投入熔體中,并用涂刷了鈦白粉的鋼制工具將其壓入熔體中,直至其完全熔化[11]。由于3104鋁合金中的鎂含量較低,平均含量1.20%(質量分數),這種添加方式的效果良好;但當鋁合金中的鎂含量較高時,這種方式則不可取,因為它費時、費料、勞動強度大且操作環境差。

2.4 熔 煉

在裝備有電磁攪拌裝置的55 t蓄熱式矩形燃氣爐中進行3104鋁合金熔煉。當所有固體爐料全部熔化后,啟動電磁攪拌裝置對熔體進行15～20 min攪拌,使熔體溫度和化學成分均勻化。然后將事先用薄鋁板帶包裹的金屬鎂錠投入熔體,并用涂刷了鈦白粉的鋼制工具將其壓入熔體中直至完全熔化。再次啟動電磁攪拌裝置進行攪拌,攪拌時間不少于15～20 min。將用四氯化碳浸泡的耐火磚八塊均勻放置于熔池底部的不同位置,在熔煉爐內對3104鋁合金熔體進行預精煉,直至熔體表面再無氣泡逸出為止。對熔體進行不少于15 min的靜置處理,以使熔體中的氫和夾雜物有充分的時間上浮和逸出熔體表面,隨后進行扒渣并用無鈉無鈣覆蓋劑進行覆蓋。取樣進行爐前快速分析,確認化學成分合格后進行轉爐作業。在整個熔煉過程中,控制熔煉溫度在730～740 ℃。

2.5 熔體的爐內精煉

3104鋁合金熔體轉入保溫爐內,在確保熔體溫度不低于735 ℃前提下進行爐內精煉。爐內精煉分兩步同時進行。首先將爐底透氣磚開啟至精煉模式,利用由爐底通入的高純氬氣對3104鋁合金熔體進行物理精煉,其主要原理是吸附原理和分壓差原理。透氣磚精煉可以除去熔體中的大部分溶解氫和尺寸較大的夾雜物。與此同時,利用精煉罐以高純氬氣為載體向熔體中通入四氯化碳(液體),對熔體進行物理和化學精煉。化學精煉主要是利用熔體中堿金屬元素及氫元素的化學活性,與四氯化碳分解所產生的Cl2進行反應生成堿金屬氯鹽和氯化氫氣體,從而達到除氫、除堿、除雜的熔體凈化目的。精煉完成后,靜置10 min左右,扒去熔體表面浮渣,并進行覆蓋,同時取樣分析,成分符合要求后放流鑄造。

在3104鋁合金熔體精煉過程中,有幾點應引起高度重視:一是為避免精煉罐精煉時造成熔體劇烈氧化和吸氫,要嚴格掌控精煉槍在熔體中的浸入深度,同時注意調整氬氣的輸送壓力,保證液面上熔體的翻騰高度控制在50～60 mm;二是由于3104鋁合金中含有1.16%～1.24%(質量分數)的Mg元素,而Mg元素具有極強的化學活性,必然會與Cl2發生反應生成MgCl2,造成一定的Mg元素損失,因此,在實際配料操作時,為確保3104鋁合金扁錠的成分與性能符合要求,Mg元素應按中上限配料;三是之所以不采用粉狀精煉劑進行精煉,主要是由于精煉劑中含有一定量的發泡劑。

2.6 熔體的在線凈化處理

在線凈化處理是實現鋁合金熔體凈化的重要手段。由于3104鋁合金罐體深沖拉伸料對氫含量和夾雜物含量的要求極為嚴格,采用常規產品的凈化方式必然不能滿足罐體料的加工要求。因此,在對3104鋁合金熔體進行在線凈化處理時,須采取以下措施:

(1)提前做好各項生產準備工作。首先,對鋁液轉注溜槽、在線除氣和除渣裝置的耐火材料內襯進行仔細清理和修補,并按工藝規定的時間和溫度對其它們進行烘干處理,涂刷氮化硼涂料備用。

(2)為了減緩放流鑄造過程種溜槽中鋁合金熔體波動所引起湍流流動造成的熔體氧化和吸氫,在溜槽中加裝孔目尺寸較大的泡沫陶瓷過濾板,不僅可以減緩鋁液流動速度,而且還可以攔截熔體中尺寸較大的夾雜物,從而減輕后續在線處理的壓力。

(3)為了達到用戶提出的晶粒度,采用喂絲機以逆流方式將Ф9 mm的Al-5Ti-1B晶粒細化劑添加在保溫爐出鋁口與在線除氣箱中間的鋁液溜槽中。因為在這一段溜槽中,鋁熔體的溫度比較高,加之逆流添加,鋁液對晶粒細化劑的沖刷力較大,有利于晶粒細化劑溶解;另一方面,溶解后的細化劑在很短的時間內進入在線除氣箱中,而除氣相中的石墨轉子以一定的速度旋轉,對鋁熔體施加了攪拌作用,可有效防止細化劑中TiAl3和TiB2粒子的沉淀與聚集,達到提高晶粒細化效果的目的。

(4)采用Hycast I-60SIR 在線除氣裝置對3104鋁合金熔體進行在線除氣,這是因為該裝置不僅除氣效率高,而且兼具良好的除渣效果。該裝置對于尺寸大于40 μm的夾雜物,除渣效率為98%,對于尺寸大于20 μm的夾雜物,除渣效率為50%;而對于初始氫含量大于0.4 mL/(100g-Al)的鋁熔體,除氣效率可達70%,保證值為0.11 mL/(100g-Al)。因此,這種裝置非常適合于3104鋁合金罐體料的在線處理[12]。

(5)由于3104鋁合金罐體料對斷罐率的要求比較高,而夾雜物是影響其斷罐率的主要因素之一[13-14]。因此,在線除渣工序質量控制極為重要。在陶瓷泡沫過濾板、管式過濾和深床過濾這三種主要過濾方式中,由于深床過濾具有過濾面積大、過濾效率高的特點,對尺寸大于 5 μm 的夾雜物,過濾效率超過90%,且鋁熔體通過量大,適合于大批量生產等優點[15],因此,在3104鋁合金扁錠工藝試驗中選擇了深床過濾方試。

2.7 大規格3104鋁合金扁錠的低液位鑄造工藝

選擇低液位鑄造工藝進行大規格3104鋁合金扁錠鑄造,是因為低液位鑄造結晶器內金屬液面遠低于傳統DC鑄造的金屬液位,結晶器有兩套獨立的噴水裝置,在鑄造過程中可以通過計算機自動控制結晶器內的液位水平、石墨襯板潤滑、冷卻水流量與強度等鑄造工藝參數。低液位鑄造具有鑄造過程穩定,工藝參數波動小,所生產的鑄錠組織致密,表面光滑,粗晶層和表面偏析層厚度薄,鑄錠底部翹曲量小等優點[16],因此適合高品質的大規格制罐用3104鋁合金扁錠生產。

低液位鑄造結晶器有兩種主要形式,即固定式結晶器和可調式(組合式)結晶器。可調式結晶器因其尺寸可以靈活調整、同一個結晶器可以生產多種規格鑄錠而在DC鑄造中得到廣泛應用。但是,由于這種結晶器是由幾部分組合裝配而成,其四個角部均鑲嵌了鋁合金材料,鋁合金材料與石墨質材料之間存在明顯的組裝接縫,加之長時間使用而產生的熱應力變形,用手觸摸可以感覺到材質的不同和鑲嵌的感覺。在鑄造過程中可能會因為角部接縫對扁錠的刮擦造成漏鋁而導致鑄造過程失敗;而且,在鑄造過程中,由于冷卻水與高溫鋁錠接觸,要產生大量的水蒸氣盤旋于鑄井上方,當水蒸氣進入結晶器角部縫隙中時,便會以汽膜的形式存在,這種汽膜會降低結晶器壁的熱傳導效果。固定式結晶器的四面均為石墨質材料,四塊石墨質材料之間結合緊密,因此,鑄造過程中傳熱性能較好,而且傳熱比較均勻;結晶器四個角部不會因為接縫造成鑄造初期因刮擦鑄錠造成漏鋁而導致鑄造過程失敗。考慮到上述影響,在大規格3104鋁合金扁錠鑄造時,選用固定式結晶器。

在本工藝試驗中,3104鋁合金扁錠的鑄造參數是以同規格3003鋁合金扁錠工藝參數為基礎,考慮Mg元素影響而確定的。在確保鑄錠成形性的前提下,經過多次試制和調整,確定3104鋁合金扁錠的低液位鑄造工藝參數,如表3所示。

表3 3104鋁合金扁錠的鑄造工藝參數

對低液位工藝所生產1800 mm×630 mm×6000 mm 規格3104鋁合金扁錠進行了低倍分析,結果見表4。

表4 3104鋁合金扁錠的低倍分析結果

由表4可以看出,上述指標均符合用戶要求。所生產1800 mm×630 mm×6000 mm 規格3104鋁合金扁錠的外觀如圖1所示。可以看出,該鑄錠具有良好的外觀質量。

圖1 表面質量良好的3104鋁合金扁錠

對3104鋁合金中各元素含量進行了化學分析,結果如表5所示。

表5 3104鋁合金扁錠化學成分分析結果(質量分數/%)

由表5可以看出,3104鋁合金扁錠中各元素含量均符合用戶提出的化學成分要求(有害元素含量檢測是委托通標標準技術服務有限公司進行的)。

為了確定3104鋁合金扁錠截面上不同部位的元素分布(偏析)情況,取鑄錠截面的1/4進行分析檢測。所有檢測點均處于鑄錠截面上厚度和寬度的中心線上,各檢測點分別為扁錠截面中心點(O點)、寬度W方向1/4處(B點)及表層下方20 mm(A點)和厚度方向1/4處(C點)和表層下方20 mm處(D點),各檢測點分布如圖2所示。各部位Fe、Si元素含量分布情況如表6所示。

圖2 3104鋁合金扁錠橫截面上各元素分布檢測點

由表6可以看出,各檢測點的Fe、Si、Cu、Mn、Mg元素含量分布是比較均勻的,其最大偏差分別為0.04%、0.03%、0.02%、0.04%和0.02%。其原因可能有以下三點:一是在熔煉過程中電磁攪拌發揮了有利作用;二是在鑄造過程中,高純氬氣一直通過爐底透氣磚對熔池內的熔體實施攪拌;三是由于鑄錠規格比較大,能夠在較短的時間內完成合金鑄錠的半連續鑄造。它們的共同作用,使得鑄錠中各元素具有較為理想的分布均勻性。

表6 8079鋁合金扁錠斷面上不同部位各元素含量(質量分數/%)

上述分析結果表明,在1800mm×630 mm×6000 mm 規格3104鋁合金扁錠熔鑄過程中,所采用的熔煉、精煉和鑄造工藝是合適的。

3 3104鋁合金扁錠表面偏析瘤產生的原因及其控制措施

在1800 mm×630 mm×6000 mm 規格3104鋁合金扁錠熔鑄工藝試驗中,在鑄錠表面出現了較為嚴重的偏析瘤缺陷,偏析瘤分布在鑄錠的整個大面上(小面上的偏析瘤較輕),其高度在3～6 mm,如圖3所示。偏析瘤的出現,不僅對扁錠的化學成分造成一定影響,而且可能會影響扁錠的銑面深度,降低材料利用率,增加生產成本,因此必須認真分析其產生的原因,并制訂切實可行的工藝措施加以控制。

圖3 3104鋁合金扁錠表面偏析瘤缺陷

3.1 扁錠表面偏析瘤缺陷形成的原因

3.1.1 表面偏析瘤的形成機理

放流鑄造后,當鋁合金熔體進入結晶器并與結晶器壁(石墨片)接觸后,由于激冷作用而形成凝殼。液體凝固成固體后會發生體積收縮,在結晶器壁與鑄錠表面之間形成間隙。隨著該間隙的形成,結晶器壁對鑄錠的冷卻強度降低,而金屬內部的熱量通過熱傳導方式使鑄錠表面凝殼溫度升高,當鑄錠表面凝殼溫度升高至導致凝殼熔化的溫度時,凝殼就會發生重熔現象,造成局部軟化或熔化。而低液位鑄造是在大氣壓條件下進行的,這時,在大氣壓和熔體靜壓力的聯合作用下,含有大量低熔點共晶的熔體,會沿著晶間及枝晶間的縫隙,沖破凝殼的軟化或熔化部位擠入鑄錠表面與結晶器壁之間的間隙中,并凝結成偏析瘤[17]。偏析瘤的存在嚴重影響鑄錠的表面質量及表層金屬的內在結晶質量,在軋制時容易產生開裂。增加了軋制前銑面時的銑面厚度,造成用戶的金屬損失及生產成本增加。

3.1.2 扁錠表面偏析瘤的形成原因

一般來說,鋁合金DC鑄造扁錠表面偏析瘤的產生主要與結晶器高度、結晶器形狀、結晶器內液面高度、鑄錠冷卻強度等因素有關[18]。在傳統DC鑄造中,由于結晶器的高度比較大,結晶器內的熔體液面比較高,即使在與低液位鑄造相同的冷卻強度下,也極易出現較為嚴重的表面偏析瘤缺陷。本工藝試驗采用的是低液位鑄造技術及低液位結晶器,結晶器內的液面高度(35 mm)比傳統DC鑄造的液面高度(60 mm)小得多,因此可以排除結晶器高度和液位高度因素。那么,在結晶器結構、形狀和液位高度確定的情況下,造成鑄錠表面偏析瘤缺陷的原因應重點放在冷卻強度的分析上。

通常,在鋁合金DC鑄造過程中,在工藝允許并保證鑄錠質量的前提下,盡可能采用較大的冷卻強度。因為冷卻強度越大,鑄錠的內在阻止越好,晶粒度越小。在鋁合金扁錠鑄造過程中,冷卻水的水溫與流量、結晶器水套噴水孔的設計及供水均勻性、水質等都會影響結晶器與鑄錠之間的熱交換,進而影響鑄錠的表面質量。如果在扁錠鑄造中存在局部冷卻不足現象,則金屬結晶速度就會減慢,晶粒生長過程延長,結晶器內已凝固金屬表面的凝固收縮與結晶器內壁之間間隙中的溫度就會升高,造成液穴溫度的較快回升,從而使得凝殼產生局部軟化和熔化的速度加快,進而導致鑄錠表面出現嚴重的偏析瘤缺陷。

根據上述分析,對3104鋁合金扁錠鑄造中所使用冷卻水的水質(Mg2+和Ca2+濃度及含油量)進行了分析。分析結果表明,所使用冷卻水的水質完全符合wagstaff低液位鑄造工藝要求;同時對冷卻水的水溫進行了監控,水溫較為穩定地保持在21～23 ℃,符合工藝要求;按照正常鑄造階段工藝規定的冷卻水流量220 m3/h對水幕的均勻性進行了測試,測試結果表明,水幕分布均勻,這說明鑄造過程中對鑄錠的冷卻是均勻的。查閱試制過程的公益記錄發現,并非所有鑄錠表面都有較嚴重的偏析瘤缺陷,有些鑄次所鑄造鑄錠的偏析瘤較輕,有些表面質量良好。由此,排除了水質、水溫、水流量和水幕分布因素對3104鋁合金扁錠偏析瘤缺陷的影響。

除了上述因素外,低液位結晶器石墨襯板與結晶器主體之間的接觸也是影響結晶器對鑄錠冷卻強度的一個因素,但在實際生產中,這一因素往往被人們所忽視。為了探查這一判斷是否正確,對3104鋁合金扁錠低液位鑄造結晶器進行了拆卸檢修。檢修結果表明,鑄造3104鋁合金扁錠所使用的低液位結晶器,石墨板背面及結晶器主體表面清潔度不高,存在一些尺寸較小的雜物。這些雜物的存在造成石墨襯板與結晶器主體的貼合度不高,這種現象的出現完全是由于設備檢修人員責任心不強造成的。

低液位結晶器主要是由石墨襯板與鋁質結晶器主體(水套)組成,石墨襯板緊密貼合在鋁質主體上。石墨襯板為鑄造鋁合金扁錠時與扁錠接觸的工作面。在鑄造過程中,石墨襯板與高溫鋁熔體接觸,石墨襯板的微孔內儲存的油脂自動滲出實現自潤滑功能。石墨襯板緊密貼合在鋁質主體上,而主體又是冷卻水的流動通道。在冷卻水流動過程中,通過鋁主體-石墨襯板-鑄錠之間的熱傳導,對鑄錠進行冷卻,促使鑄錠表面凝殼的形成。當石墨襯板與結晶器鋁質主體貼合不嚴時,就會在主體與石墨襯板之間產生氣隙,使得二者之間的換熱系數極大減小,從而大大減小了二者之間的熱交換,導致石墨襯板因得不到充分冷卻而使其表面溫度升高。劉金炎等人[19]研究了3104鋁合金扁錠低液位鑄造質量,他們的試驗表明采用石墨內襯結晶器進行鑄造時,必須確保石墨內襯與結晶器壁貼合嚴密,從而將石墨內襯的溫度控制在200 ℃以下,才能獲得具有高表面質量的3104鋁合金扁錠;一旦石墨內襯與結晶器壁之間存在氣隙,就會造成石墨內襯冷卻不足,其表面溫度就會升高。而石墨襯板表面溫度升高的直接結果,是造成鑄錠表面與石墨襯板之間更大氣隙的形成,較大氣隙的形成反過來使鑄錠液穴溫度升高,加劇鑄錠表面凝殼的軟化和熔化,最終導致鑄錠表面偏析瘤的形成。

根據上述分析可以得出結論,造成1800 mm×630 mm×6000 mm 規格3104鋁合金扁錠表面偏析瘤缺陷的主要原因是低液位結晶器的石墨襯板與鋁質主體貼合不嚴密所致。

3.2 控制扁錠表面偏析瘤缺陷的措施

(1)加強冷卻水水質檢查與控制。定期對冷卻水進行硬度和雜質含量分析,一旦出現硬度升高和雜質含量超標現象,應及時進行軟化處理,必要時對冷卻水進行更換。

(2)定期對冷卻塔水池和管道進行清理,及時處理沉積物和結垢問題。

(3)定期對低液位鑄造結晶器進行檢修,確保石墨襯板與結晶器鋁質主體貼合緊密,消除或將二者之間的氣隙控制在最小程度,以確保鑄造過程中二者之間的有效傳熱。

(4)定期對低液位鑄造結晶器的水道和噴水孔進行檢查和疏通,及時調節循環冷卻水的水溫,確保工藝規定的冷卻強度的實現。

(5)低液位鑄造前,對空載運行的冷卻水水幕分布進行測試,通過水幕分布的均勻性來確保鑄錠冷卻均勻性。

通過上述措施的實施,有效控制了3104鋁合金扁錠表面的偏析瘤缺陷,所生產3104鋁合金扁錠的表面質量良好,偏析瘤高度穩定保持在0.5～ 1 mm(見圖1),滿足用戶的質量要求。

4 結 論

(1)電解鋁液預處理、用虹吸管進行電解鋁液轉注、熔煉爐內預精煉和保溫爐內兩步式精煉以及可靠的熔體在線處理工藝,是確保短流程3104鋁合金熔體質量的關鍵。

(2)1800 mm×630 mm×6000 mm 規格3104鋁合金扁錠合適的低液位熔鑄工藝參數為:澆注溫度695～700 ℃;正常鑄造速度55 mm/min;正常冷卻水流量220 m3/h;正常鑄造階段結晶器內液面高度35 mm;冷卻水溫22～25 ℃。

(3)造成3104鋁合金表面偏析瘤缺陷的主要原因是由于低液位鑄造結晶器石墨襯板與鋁質主體貼合不嚴密而導致的冷卻強度下降所致。通過提高檢修質量、對冷卻水進行軟化處理和水幕測試等一系列手段,可以改善冷卻強度及其均勻性,將鑄錠表面偏析瘤缺陷控制在最小程度。