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        3102鋁合金鑄軋板高固液比配料生產(chǎn)工藝研究

        2021-03-13 01:51:06魏振鵬王生寧周建榮張開寶
        輕合金加工技術(shù) 2021年10期
        關(guān)鍵詞:形核鋁液電解鋁

        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(diǎn),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(shí),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(duì)板坯晶粒粗大、板面質(zhì)量提出異議和投訴。本項(xiàng)目探討我公司通過(guò)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(jí)。

        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(jí),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(cè)評(píng)價(jià)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(yàn)

        2.1 試驗(yàn)方案

        為了避免鑄軋板材組織不均勻、晶粒粗大等缺點(diǎn),根據(jù)我公司現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)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(yàn),找出最佳固體料的配比,通過(guò)高倍組織檢查來(lái)驗(yàn)證不同固體料加入量對(duì)晶粒細(xì)化效果的影響。

        試驗(yàn)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(shí)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(jí)矩形電磁攪拌蓄熱式熔煉爐,25 t級(jí)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(zhǎng)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?dú)狻?/p>

        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(shí)間為24 min(每個(gè)爐門12 min);第一、二次精煉采用氮?dú)?二氯甲烷(2 000 mL/次)精煉,其后精煉時(shí)僅用氮?dú)膺M(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(guò)濾箱出口兩個(gè)位置進(jìn)行添加,過(guò)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(shí)際加入量2.087 kg/(t Al)。

        2)儀表顯示鑄軋速度為1 000 mm/min,實(shí)測(cè)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(cè)分析

        3.1 鑄軋板成分檢測(cè)

        對(duì)制得的鑄軋板取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè),其結(jié)果列于表3。數(shù)據(jù)表明試驗(yàn)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(wú)缺陷、無(wú)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(cè)

        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(shí)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(gè)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(guò)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(guò)程中經(jīng)歷了晶粒形核、晶粒生長(zhǎng)、軋制變形的三個(gè)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(guò)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(shí)向不同方向生長(zhǎng),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(dòng)的鑄軋輥而迅速通過(guò),與此同時(shí)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(gè)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(zhǎng)大而形成的,同時(shí)長(zhǎng)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(wú)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(shí),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(shí),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(shí)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(yàn)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(shí),可有效增加結(jié)晶過(guò)程中的非均勻形核核心,更好地實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒,從而降低產(chǎn)品軋制斷帶的風(fēng)險(xiǎn)。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(duì)鋁箔的軋制生產(chǎn)極為有利。

        3.3 力學(xué)性能檢測(cè)

        不同試驗(yàn)方案的3102鋁合金鑄軋板的室溫力學(xué)性能檢測(cè)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(duì)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(guò)對(duì)3102鋁合金化學(xué)成分和鑄軋工藝的控制,在配料中對(duì)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(shí)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(yàn)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(zhǎng)率也從3.14%提高到3.51%,提升了11.8%。

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