系鋁合金鋁熔體在線凈化系統(tǒng)研究

侯經(jīng)韜

摘 要：1系鋁合金因其質(zhì)輕、綜合性能優(yōu)良已成為高速列車車體的首選材料。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對鋁材的質(zhì)量要求越來越高，對材料內(nèi)部冶金質(zhì)量、綜合性能要求也極其嚴(yán)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(yōu)劣的先決條件是鑄錠的冶金質(zhì)量，所以，如何提高鑄錠的冶金質(zhì)量是搶得先機的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：1系鋁合金;鋁熔體;在線凈化系統(tǒng);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(dá)標(biāo)。

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(jìn)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(chǎn)物都有水，水增加了熔體氫的含量。所有的加熱設(shè)備中，電加熱對熔體氫含量控制效果最好，所以生產(chǎn)高端鋁材盡量采用電爐。

D.耐火材料。爐體、流槽、除氣過濾設(shè)備、模盤等盡量選用質(zhì)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(shè)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(hù)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(huán)境。選擇干燥的季節(jié)，避開潮濕多雨季節(jié)。還可選擇一些干旱的地區(qū)生產(chǎn)高端鋁材，如西北地區(qū)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(yán)格。其次是氬氣，效果最差的是氮氣。目前應(yīng)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(zhì)量等。

2、1系鋁合金熔鑄工藝過程控制

2.1 爐料質(zhì)量控制

2.1.1 電解鋁液入爐方式控制

如何將經(jīng)過預(yù)處理的電解鋁液轉(zhuǎn)入熔煉爐，即電解鋁液的轉(zhuǎn)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(zhì)量很重要。常用的“小瀑布”轉(zhuǎn)注方式不僅在轉(zhuǎn)注過程中會產(chǎn)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(chǎn)中，理想的電解鋁液轉(zhuǎn)注方式應(yīng)該是采用虹吸管裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)注。采用這種方式，在轉(zhuǎn)注過程中，電解鋁液將會在熔池內(nèi)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(fā)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(zhì)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(fā)晶核數(shù)量，有利于合金坯料獲得細(xì)小的等軸晶粒。固體爐料的質(zhì)量控制應(yīng)從以下幾個方面入手：

1）固體爐料存儲時應(yīng)用篷布遮蓋，避免爐料長期暴露于空氣中產(chǎn)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(jìn)入熔體中，勢必會造成熔體中硅含量增加，不利于熔體化學(xué)成分的準(zhǔn)確控制;

2）在配料時，應(yīng)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(yīng)。

2.2化學(xué)成分控制

化學(xué)成分控制對于高品質(zhì)1系鋁合金的熔鑄十分關(guān)鍵。1系鋁合金的化學(xué)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(yōu)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(guān)鍵。通常，應(yīng)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?yōu)樯捎泻ψ饔幂^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(yán)重的割裂作用，是鑄造和后續(xù)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(dǎo)致鋁合金組織產(chǎn)生顯微疏松缺陷，并在后續(xù)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(dá)到減少有害相的產(chǎn)生，是高品質(zhì)箔材坯料生產(chǎn)的有效工藝途徑。

2.3 在線除氣工藝控制

國內(nèi)外各大廠家及研究機構(gòu)就如何減少鋁液中的氫含量投入了大量的資源進(jìn)行研究，因此市場上出現(xiàn)了許多新的工藝及設(shè)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(xì)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(jìn)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(jù)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(xù)，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(xì)小的彌散夾雜，這類夾雜物經(jīng)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(shù)對1系鋁合金鑄錠質(zhì)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(chǎn)出表面質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量優(yōu)良的鑄錠。在鑄造過程中最重要一項關(guān)鍵要求是不允許有熱裂紋。由于1系鋁熔體未添加細(xì)化劑，導(dǎo)致細(xì)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(chǎn)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(jié)語

本文著重討論了影響1系鋁合金熔體質(zhì)量的因素，以及從各工序角度上探究了工藝控制的某些關(guān)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(xiàn)可大批量生產(chǎn)高凈化度的1系鋁合金類產(chǎn)品。

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