系鋁合金鋁熔體在線凈化系統研究

侯經韜

摘 要：1系鋁合金因其質輕、綜合性能優良已成為高速列車車體的首選材料。隨著科學技術的發展，對鋁材的質量要求越來越高，對材料內部冶金質量、綜合性能要求也極其嚴格，尤其是牽引梁，要求具有極高的斷裂韌性和疲勞性能。而決定鋁材優劣的先決條件是鑄錠的冶金質量，所以，如何提高鑄錠的冶金質量是搶得先機的關鍵。

關鍵詞：1系鋁合金;鋁熔體;在線凈化系統;氫含量

1、1系鋁熔體中氫含量的影響因素

A.熔體溫度。溫度越高，熔體越容易吸氣，吸氣的動力越強，氫的溶解度越高。但溫度太低渣不好分離，所以熔體溫度要控制在720℃～740℃。對于7系超高強度高韌性難成型的合金可放寬到760℃，超過760℃氫含量很難達標。

B.熔體停留時間。時間越長，吸氣的時間也越長，即使對熔體進行了覆蓋，熔體中的含氣量仍會增加，所以要盡量控制熔體的停留時間。

C.加熱方式。所有燃燒方式加熱的最終產物都有水，水增加了熔體氫的含量。所有的加熱設備中，電加熱對熔體氫含量控制效果最好，所以生產高端鋁材盡量采用電爐。

D.耐火材料。爐體、流槽、除氣過濾設備、模盤等盡量選用質輕、透氣性好、易烘烤的耐火材料，以防止耐火材料吸潮。

E.鑄造速度。速度快可減少吸氣，但除氣率會下降，所以在設計工藝時要綜合考慮。

F.合金元素。合金元素的影響主要分兩種情況：第1種與氫的親和力增大，如鎂;第二種破壞保護膜，如硅等。因熔煉過程中合金元素不可改變，所以要加強其他方面的工作，如覆蓋、烘烤、除氣過濾和減少二次污染等。

G.氣候環境。選擇干燥的季節，避開潮濕多雨季節。還可選擇一些干旱的地區生產高端鋁材，如西北地區等。

H.精煉氣體。效果最好的是氯氣，因為氯和氫的親和力非常強。但氯氣屬有毒有害氣體，國家控制非常嚴格。其次是氬氣，效果最差的是氮氣。目前應用最多的是氬氣。

I.其他。如精煉、除氣用熔劑、氣體純度、覆蓋劑質量等。

2、1系鋁合金熔鑄工藝過程控制

2.1 爐料質量控制

2.1.1 電解鋁液入爐方式控制

如何將經過預處理的電解鋁液轉入熔煉爐，即電解鋁液的轉注方式對于有效減少合金熔體中夾雜物（主要是Al2O3）含量和氫含量以及改善熔體質量很重要。常用的“小瀑布”轉注方式不僅在轉注過程中會產生大量的Al2O3夾雜物，而且會將大量氫卷入熔體中。因此，在1系鋁合金熔鑄生產中，理想的電解鋁液轉注方式應該是采用虹吸管裝置進行轉注。采用這種方式，在轉注過程中，電解鋁液將會在熔池內鋁液的次表層下流動，避免電解鋁液與熔池底部及熔體表面發生強烈 碰撞而造成鋁液氧化和強烈吸氫。

2.1.2 固體爐料的質量控制

固體爐料主要包括重熔鋁錠和回爐料。在1系鋁合金熔鑄過程中添加固體爐料，不僅可以使高溫電解鋁液降溫，而且還可以增加合金熔體中非自發晶核數量，有利于合金坯料獲得細小的等軸晶粒。固體爐料的質量控制應從以下幾個方面入手：

1）固體爐料存儲時應用篷布遮蓋，避免爐料長期暴露于空氣中產生比較厚的氧化層并吸附較多的水分，減少粉塵對爐料的污染，因為粉塵通常含有較多的SiO2，而SiO2進入熔體中，勢必會造成熔體中硅含量增加，不利于熔體化學成分的準確控制;

2）在配料時，應控制帶氣孔、疏松、裂紋以及含粗晶組織（包括粗大晶粒、羽毛晶和光亮晶）爐料的添加量，因為1系鋁合金爐料具有純度遺傳和組織遺傳效應。

2.2化學成分控制

化學成分控制對于高品質1系鋁合金的熔鑄十分關鍵。1系鋁合金的化學成分控制主要是合金熔體中Fe、Si含量控制。合適的Fe、Si含量及Fe、Si相對含量對于優化合金組織中金屬間化合物的組成、改善鑄造性能、降低鋁箔坯料的裂紋和疏松傾向非常關鍵。通常，應控制ω（Fe）>ω（Si），且ω（Fe）/ω（Si）>1，才能避免在合金凝固過程中生成有害作用更大的β-Fe相（Fe2Si2Al9），而變為生成有害作用較小的α-Fe相（Al12Fe3Si）。β-Fe相在鋁合金中呈粗大針片狀，在凝固過程中可以長得很長，具有很大的脆性，對鋁基體有嚴重的割裂作用，是鑄造和后續壓力加工過程中的裂紋源。它們的存在會迅速降低鋁合金的塑性和強度。此外，粗大針片狀β-Fe相在凝固過程中會堵塞枝晶間的補縮通道，從而導致鋁合金組織產生顯微疏松缺陷，并在后續壓力加工過程中造成箔材針孔、裂紋甚至斷裂缺陷的增加。因此，通過控制Fe、Si含量及ω（Fe）/ω（Si）比值改變合金中的相組成，以達到減少有害相的產生，是高品質箔材坯料生產的有效工藝途徑。

2.3 在線除氣工藝控制

國內外各大廠家及研究機構就如何減少鋁液中的氫含量投入了大量的資源進行研究，因此市場上出現了許多新的工藝及設備。

目前，市面上的在線除氣工藝多采用浮游法，主要是將惰性氣體通入鋁液后，形成許多細小的氣泡。鋁液中的氣體在惰性氣體上升的過程中不斷滲透進入氣泡，并且將夾雜物被吸附在氣泡表面，隨著氣體一起逸出并停留于熔體表面。使用浮游法時，向鋁液通入惰性氣體的方式對除氣工藝效果影響很大。

2.4 過濾除渣工藝控制

1系鋁熔體中夾雜物主要一部分直接來自廢料，而大部分則是在熔化過程中所形成的，在鑄造前的所有夾雜物稱為一次氧化夾雜，根據尺寸大小可分為兩類：一類是宏觀組織中分布不均勻的大塊夾雜物，它使合金組織不連續，降低鑄件的致密性，成為腐蝕的根源和裂紋源，從而明顯降低合金的強度和塑性;另一類是細小的彌散夾雜，這類夾雜物經過精煉也不能完全去除，它使熔體粘度增大，降低凝固時鋁液的補縮能力。

2.5 鑄造工藝控制

鑄造工藝參數對1系鋁合金鑄錠質量的影響很大，其核心是在熔體成分和工藝裝備確定的條件下，通過合理搭配鑄造溫度、鑄造速度和冷卻強度，生產出表面質量和內在質量優良的鑄錠。在鑄造過程中最重要一項關鍵要求是不允許有熱裂紋。由于1系鋁熔體未添加細化劑，導致細化元素Ti含量很低，僅僅依靠微量Ti的添加，要想獲得具有合格無缺陷的產品非常困難。因此，在鑄造起頭時，采用低的鑄造速度和小的水流量，即要有較緩的梯度。

3、結語

本文著重討論了影響1系鋁合金熔體質量的因素，以及從各工序角度上探究了工藝控制的某些關鍵問題，最大程度地降低凈化后熔體被污染的程度。確保鋁液純凈度，最終實現可大批量生產高凈化度的1系鋁合金類產品。

參考文獻

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