3102鋁合金鑄軋板高固液比配料生產(chǎn)工藝研究

魏振鵬，王生寧，周建榮，張開寶

(酒泉鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

利用電解鋁液生產(chǎn)鑄軋板具有生產(chǎn)成本低、工藝流程短、能耗低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)3102鋁合金空調(diào)器箔板坯。然而，電解鋁液中含有大量的金屬雜質(zhì)、非金屬夾雜物以及氫，同時，電解鋁液的溫度高達(dá)900 ℃，導(dǎo)致生產(chǎn)3102鋁合金空調(diào)箔板坯的難度增加[1]，容易導(dǎo)致下游用戶對板坯晶粒粗大、板面質(zhì)量提出異議和投訴。本項目探討我公司通過優(yōu)化電解鋁液與加入固體料的比例，生產(chǎn)3102鋁合金空調(diào)箔板坯的生產(chǎn)工藝。

1 鑄軋板的技術(shù)要求

我公司與某下游軋制企業(yè)簽訂3102鋁合金空調(diào)器箔鑄軋板坯技術(shù)協(xié)議，其技術(shù)要求如下：

1)3102鋁合金鑄軋卷狀態(tài)H26。

3)鑄軋板晶粒度1級。

4)化學(xué)成分要求：合金元素在鑄軋卷內(nèi)均勻分布，合金成分范圍符合表1中的規(guī)定。

5)氫含量要求不大于0.13 mL/(100 g Al)。

6)帶材表面潔凈、平整，不允許有影響使用的邊部缺鋁、塌邊、飛邊等缺陷。

7)在線鋁-鈦-硼絲加入量必須保證鈦含量增量w(Ti)≥0.0080%。

8)鑄軋板邊部質(zhì)量要求：工藝裂邊不大于3 mm，邊部缺損不大于3 mm。

9)鑄軋板材組織：低倍晶粒度應(yīng)均勻，鑄軋板上下表面均為一級，且經(jīng)低倍腐蝕后目視不得有明顯線條、魚鱗狀花紋、水波紋等異常缺陷。將定期檢測評價供貨方鑄軋板樣的高倍組織是否穩(wěn)定、是否符合需方特定的技術(shù)要求。

表1 3102鋁合金主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Main chemical composition of 3102 Al alloy(wt/%)

2 試 驗

2.1 試驗方案

為了避免鑄軋板材組織不均勻、晶粒粗大等缺點，根據(jù)我公司現(xiàn)場生產(chǎn)實際，調(diào)整每爐配料中電解鋁液與固體料加入量的比例進(jìn)行試驗，找出最佳固體料的配比，通過高倍組織檢查來驗證不同固體料加入量對晶粒細(xì)化效果的影響。

試驗方案如下：方案一，配料中固體料占比26%；方案二，配料中固體料占比29%；方案三，配料中固體料占比32%；方案四，配料中固體料占比35%。實際配料情況如表2所示。將爐料熔煉后鑄軋成厚度6.5 mm的板帶材。

2.2 設(shè)備與參數(shù)

25 t級矩形電磁攪拌蓄熱式熔煉爐，25 t級矩形燃?xì)獗貭t。中下薄壁鑄軋輥徑φ814.98 mm/815.18 mm，鑄軋區(qū)長度64 mm～66 mm，循環(huán)冷卻水入口水溫25 ℃～30 ℃，出口水溫升0～2 ℃，鑄軋速度不小于950 mm/min。

2.3 熔煉工序

在熔煉爐爐料熔化后分兩次進(jìn)行精煉，第一次精煉用二合一精煉劑[用量0.8 kg/(t Al)～1.0 kg/(t Al)]，第二次精煉所用精煉劑為四氯化碳(用量2 000 mL/次)。載流氣體均為氮氣。

表2 熔煉爐配料Table 2 Burden of smelting furnace

在保溫爐內(nèi)每爐料精煉頻次為間隔4 h精煉一次，每次精煉時間為24 min(每個爐門12 min)；第一、二次精煉采用氮氣+二氯甲烷(2 000 mL/次)精煉，其后精煉時僅用氮氣進(jìn)行精煉。

2.4 鑄軋工序主要參數(shù)

1)鋁-鈦-硼絲在除氣箱入口與過濾箱出口兩個位置進(jìn)行添加，過濾箱出口安裝搖擺式鋁-鈦-硼絲加入機(jī)，絲的加入速度195 mm/min，實際加入量2.087 kg/(t Al)。

2)儀表顯示鑄軋速度為1 000 mm/min，實測鑄軋速度1 160 mm/min；在線帶板規(guī)格為厚6.42 mm×寬980 mm。

3)循環(huán)水溫28 ℃～29 ℃；水壓0.45 MPa。

4)三箱溫度697 ℃、721 ℃、710 ℃；石墨轉(zhuǎn)子速度300 r/min。

5)帶板卷取張力32 kN。

3 鑄軋板質(zhì)量檢測分析

3.1 鑄軋板成分檢測

對制得的鑄軋板取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測，其結(jié)果列于表3。數(shù)據(jù)表明試驗鑄軋板化學(xué)成分穩(wěn)定，且均符合技術(shù)協(xié)議要求。表面質(zhì)量也無缺陷、無裂邊。

表3 3102鋁合金鑄軋板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 3 Chemical composition of 3102 aluminum alloy cast-rolled sheet(wt/%)

3.2微觀組織檢測

圖1、圖2分別為3102鋁合金鑄軋板橫、縱截面顯微組織。由圖1、圖2可知，顯微組織均為沿鑄軋方向延伸的柱狀晶，同時晶粒具有明顯的定向凝固特征；沿板厚度方向，鑄軋板表面的晶粒比1/2厚度處的更細(xì)小一些。

圖1 3102鋁合金鑄軋板坯橫截面顯微組織Fig.1 Cross-section microstructure of 3102 Al alloy cast-rolled slab

圖2 3102鋁合金鑄軋板坯縱截面顯微組織Fig.2 Microstructure of longitudinal section of 3102 Al alloy cast-rolled slab

鑄軋區(qū)按金屬不同狀態(tài)則可分為以下三個區(qū)域：液相區(qū)、固/液兩相區(qū)、固相區(qū)。而鋁熔體在鑄軋過程中快速凝固僅需要不到10 s，起到結(jié)晶器作用的鑄軋輥中通有冷卻水，較大的冷卻強(qiáng)度亦致使鑄軋區(qū)內(nèi)鋁熔體在較大的溫度梯度下結(jié)晶成型；晶粒在此過程中經(jīng)歷了晶粒形核、晶粒生長、軋制變形的三個階段[2]。3102鋁合金液相線溫度達(dá)659 ℃，而固相線溫度646 ℃，當(dāng)鋁液與通有冷卻水的鑄軋輥表面相接觸則受到強(qiáng)烈激冷，強(qiáng)烈的過冷隨之產(chǎn)生，位于鑄軋輥表層的鋁熔體在強(qiáng)烈激冷作用下迅速大量形核，同時向不同方向生長，因此在表層區(qū)域迅速形成細(xì)小的晶粒組織，即表層細(xì)晶區(qū)[3]。

鑄軋板隨快速轉(zhuǎn)動的鑄軋輥而迅速通過，與此同時在板帶內(nèi)部形成固/液兩相區(qū)，且液相比例隨著靠近板帶中心而增大，從而在板內(nèi)部形成一個較大的溫度梯度。在此溫度梯度的影響下，鋁液隨著固/液界面前沿不斷向板帶中心推移，從而逐漸形成柱狀晶區(qū)，這部分柱狀晶區(qū)是沿散熱最快的方向長大而形成的，同時長大需在表層等軸細(xì)晶區(qū)的基礎(chǔ)上完成[4-5]。

提高熔煉過程中固體料占比，有利于降低鋁熔體的溫度，提高鋁熔體的過冷度，增加電解鋁液的非自發(fā)形核數(shù)量，有利于晶粒細(xì)化，且固體料利用電解鋁液的熱量進(jìn)行熔化，加快了熔化速度。但是若添加過量的固體料，則反作用凸顯，致使鋁液溫度偏低，使得鋁-鈦-硼晶粒細(xì)化劑無法充分反應(yīng)溶解于鋁液中，其主要產(chǎn)物第二相粒子TiAl3、TiB2等發(fā)生聚集和沉淀，即第二相粒子無法在鋁液中均勻分布，從而導(dǎo)致鋁-鈦-硼的細(xì)化作用衰退。因此，利用電解液為主要原料生產(chǎn)3102鋁合金鑄軋板時，熔煉配料中所加固體料占比應(yīng)合理。

從圖1和圖2可以看出，隨著固體料占比的增加，鑄軋板晶粒呈現(xiàn)明顯的細(xì)小化、均勻化趨向。當(dāng)固體料加入量為26%時，其平均晶粒尺寸約為153.8 μm。隨著固體料的逐漸增加，鑄軋板晶粒組織更加均勻、細(xì)小，同時晶粒尺寸差距顯著減小。當(dāng)電解鋁液中加入35%的固體料后，其平均晶粒尺寸減小至約123.6 μm，其均勻度大幅提高。綜合上述試驗結(jié)果的分析可知，3102鋁合金鑄軋生產(chǎn)中固、液料比例達(dá)到3.5∶6.5時，可有效增加結(jié)晶過程中的非均勻形核核心，更好地實現(xiàn)細(xì)化晶粒，從而降低產(chǎn)品軋制斷帶的風(fēng)險。電解鋁液中加入固體料生產(chǎn)的鑄軋板坯，可以極大地提高鋁箔軋制的成品率，對鋁箔的軋制生產(chǎn)極為有利。

3.3 力學(xué)性能檢測

不同試驗方案的3102鋁合金鑄軋板的室溫力學(xué)性能檢測結(jié)果如表4所示。

表4 3102鋁合金鑄軋板的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of 3102 aluminum alloy cast-rolled sheet

鑄軋板晶粒愈細(xì)小、均勻，則晶界呈現(xiàn)出對應(yīng)的增加現(xiàn)象，鑄軋板的強(qiáng)度隨之提高。根據(jù)Hall-Petch[6]公式，晶粒尺寸愈細(xì)小則金屬的屈服強(qiáng)度越高，即細(xì)晶強(qiáng)化。

4 結(jié) 論

1)通過對3102鋁合金化學(xué)成分和鑄軋工藝的控制，在配料中對電解鋁液和固體料的比例進(jìn)行調(diào)整，生產(chǎn)出的鑄軋板完全符合用戶的技術(shù)要求。

2)用電解鋁液鑄軋3102鋁箔坯料時加入一定量的固體料配料，有助于降低鋁合金熔體中的氫含量，并增加鋁合金液的結(jié)晶形核數(shù)量，有利于晶粒細(xì)化。試驗結(jié)果表明，在電解鋁液中加入35%的固體料配料，其綜合效果較佳。

3)隨著配料中固體料比例提高，3102鋁合金鑄軋板的力學(xué)性能有所提高。固體料比例從26%提升到35%，鑄軋板的抗拉強(qiáng)度從223.21 N/mm2提高到了227.41 N/mm2，提升了1.3%；斷后伸長率也從3.14%提高到3.51%，提升了11.8%。