劉建興，周建榮，王生寧，張宏強(qiáng)

(甘肅酒鋼天成彩鋁有限責(zé)任公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

3105鋁合金屬于Al-Mn-Mg系鋁合金，有較高的強(qiáng)度和良好的塑性及抗蝕性，是一種應(yīng)用廣泛的通用合金，主要用于制造房間隔斷、擋板、活動(dòng)房板、檐槽和落水管，生產(chǎn)瓶蓋、瓶塞、洗衣機(jī)外殼、廚房用品等[1]。相對(duì)熱軋法，連續(xù)鑄軋工藝生產(chǎn)3105鋁合金具有工藝簡(jiǎn)化、周期短、生產(chǎn)靈活、成本低、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)[2]。

為增加公司產(chǎn)品的多樣性、填補(bǔ)公司含鎂鋁合金板帶的空白，滿足市場(chǎng)對(duì)高質(zhì)量合金產(chǎn)品的需求，利用現(xiàn)有的60條連續(xù)鑄軋機(jī)組、干燥的氣候及穩(wěn)定的電解鋁液就地轉(zhuǎn)化等優(yōu)勢(shì)，嘗試生產(chǎn)高級(jí)裝飾用3105鋁合金鑄軋坯料，取代附加值較低的3003鋁合金鑄軋坯料。然而由于3105鋁合金較3003鋁合金合金化程度高、結(jié)晶溫度區(qū)間寬，導(dǎo)致鑄軋生產(chǎn)過(guò)程中熔體在鑄嘴型腔內(nèi)部流動(dòng)性相對(duì)較差，加之電解鋁液雜質(zhì)含量高，在使用電解鋁液直接鑄軋生產(chǎn)3105鋁合金坯料時(shí)容易出現(xiàn)鑄嘴堵塞問(wèn)題，工藝控制難度較大。為此，通過(guò)大量的生產(chǎn)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)跟蹤，采取提高熔體潔凈度，重新設(shè)計(jì)3105鋁合金板帶材專用鑄嘴分流結(jié)構(gòu)等措施，解決了鑄嘴內(nèi)腔結(jié)渣難題。

1 試驗(yàn)材料及生產(chǎn)工藝

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為典型的3105鋁合金，化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用電解鋁液直接鑄軋規(guī)格為6.5 mm×1 360 mm裝飾用3105鋁合金板帶材的坯料。

表1 3105鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of 3105 aluminum alloy (wt/%)

1.2 熔煉過(guò)程控制

熔煉爐電解鋁液分兩次進(jìn)行精煉，第一次精煉使用氬氣+固體精煉劑(無(wú)鈉精煉劑)進(jìn)行噴粉精煉；第二次精煉采用氬氣+液體精煉劑精煉。保溫爐內(nèi)每爐精煉4次：第一次精煉采用無(wú)鈉精煉劑，第二次、第三次精煉采用氬氣+液體精煉劑進(jìn)行精煉，第四次精煉只采用氬氣，同時(shí)加入鑄軋生產(chǎn)過(guò)程中切下來(lái)的工藝廢料。每4 h精煉一次，每次精煉時(shí)間24 min。

1.3 鑄軋機(jī)

鑄軋?jiān)O(shè)備選用Ф1 010 mm×1 900 mm傾斜式雙輥連續(xù)鑄軋機(jī)，液壓伺服參數(shù)、軋制力和電機(jī)轉(zhuǎn)矩等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)均采用液晶顯示，設(shè)備總體水平先進(jìn)，運(yùn)行狀況良好，鑄軋機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 Ф1 010 mm×1 900 mm傾斜式雙輥連續(xù)鑄軋機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main technical parameters of inclined twin-roll continuous casting mill(Ф1 010 mm×1 900 mm)

1.4 鑄軋參數(shù)

考慮到3105鋁合金合金化程度高、結(jié)晶溫度區(qū)間大等特點(diǎn)，此次鑄軋生產(chǎn)采用大輥徑、大凸度的輥套，以達(dá)到擴(kuò)大鑄軋區(qū)面積強(qiáng)化冷卻、防止粘輥的目的。

1)鑄軋輥：輥徑960 mm～990 mm，粗糙度Ra0.7 μm～0.9 μm；

2)初設(shè)鑄軋區(qū)長(zhǎng)度：60 mm～65 mm；

3)預(yù)設(shè)輥縫：4.0 mm～4.1 mm；

4)鑄嘴與鑄軋輥間隙：0.2 mm～0.3 mm；

5)鑄嘴開口度：10 mm～11 mm；

6)鑄嘴設(shè)計(jì)采用一級(jí)新型分流結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用傳統(tǒng)鑄嘴結(jié)構(gòu)和鑄軋工藝，在立板過(guò)程中板面出現(xiàn)嚴(yán)重的色差條紋(如圖1所示)，最終徹底阻礙熔體結(jié)晶，調(diào)試后效果不佳。按照計(jì)劃停機(jī),停機(jī)后發(fā)現(xiàn)鑄嘴結(jié)渣嚴(yán)重，如圖2所示。

2.1 鑄嘴分流結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在鋁合金鑄軋生產(chǎn)中，鑄嘴是輸送鋁液的關(guān)鍵部分，鑄嘴結(jié)構(gòu)將直接影響熔體能否均勻、穩(wěn)定地從鑄嘴型腔進(jìn)入鑄軋區(qū)。因此，鑄嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受到廣泛關(guān)注[4]。常規(guī)傳統(tǒng)一級(jí)分流鑄嘴結(jié)構(gòu)在相同的靜壓力下，中間部位流速大，流量卻小；邊部流速小，流量大；鑄嘴開口度小。形成向中間包圍的趨勢(shì)，從而導(dǎo)致易在嘴腔前沿中部位置形成結(jié)渣，進(jìn)而產(chǎn)生熱帶。為此，利用ANSYS軟件對(duì)常規(guī)鑄嘴結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)進(jìn)行模擬分析。

圖1 在線板面色差條紋及熱帶Fig.1 Color difference stripes and hot stripes on the on-line sheet surface

圖2 3105鋁合金鑄嘴結(jié)渣Fig.2 Slagging of 3105 aluminum alloy casting nozzle

由圖3a看出，邊部分流塊間隙流量多、流速快，鑄嘴型腔內(nèi)部鋁熔體流速自中心分流塊間隙至邊部分流塊間隙呈遞增趨勢(shì)，且流速較快區(qū)域總是緊靠分流塊邊部一側(cè)，導(dǎo)致分流塊間隙中總是在靠近入口一側(cè)的區(qū)域出現(xiàn)大面積低速區(qū)(流速0～0.036 m/s)。

圖3b表明，高速鋁熔體總是緊貼遠(yuǎn)離入口一側(cè)的分流塊輪廓通過(guò)，從而造成靠近分流塊間隙入口一側(cè)出現(xiàn)流量“真空”，在壓力差的作用下流體將從流速快的區(qū)域流向低速區(qū)，來(lái)彌補(bǔ)“真空”區(qū)的空缺，最終“真空”區(qū)出現(xiàn)回流現(xiàn)象。

圖3c可知，鑄嘴型腔邊部出口熔體流速最大為0.0663m/s，中心分流塊處正對(duì)入口，熔體速度方向發(fā)生了改變，熔體流速最低。由于分流塊大小沿板寬方向是依次降低，而分流塊間隙是沿板寬方向依次增加，在前箱內(nèi)鋁熔體壓力的作用下鋁熔體沿橫流道充滿整個(gè)鑄嘴型腔，保證了邊部鋁熔體的充型能力，但也造成了鋁熔體流速和溫度在板寬方向上的分布不均勻現(xiàn)象。

在上述模擬結(jié)果及分析的基礎(chǔ)上對(duì)鑄嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，鑄嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用新型一級(jí)分流的形式，把最中間分流塊后移30 mm，入鋁口寬度由100 mm變?yōu)?20 mm，與正對(duì)分流塊的寬度相同，增大分流塊之間的距離(X)，減小三角塊與分流塊的間距(Y)。分流塊前端距離鑄嘴開口邊部的長(zhǎng)度由150 mm縮至130 mm，使鑄嘴入口處的鋁液壓強(qiáng)增大，進(jìn)而加速鋁液在嘴腔中的流動(dòng)速度，縮短鋁液在鑄嘴內(nèi)腔中的停滯時(shí)間，從而減少鋁液中殘?jiān)某练e，最終避免了鑄嘴堵塞。成功設(shè)計(jì)出如圖4所示的生產(chǎn)3105鋁合金板帶材專用鑄嘴分流結(jié)構(gòu)。

圖3 普通鑄嘴結(jié)構(gòu)中心平面速度Fig.3 Velocity at central plane of ordinary nozzle structure

2.2 鑄嘴結(jié)渣分析

第一次試生產(chǎn)停機(jī)后選取鑄嘴前沿下鑄嘴面的塊狀結(jié)渣物作為研究對(duì)象，接觸鑄嘴料的一面稱為下表面，對(duì)應(yīng)的另一面稱為上表面,通過(guò)分析結(jié)渣物中各物相的來(lái)源以確定3105鋁合金鑄軋工藝的改進(jìn)方向。

圖4 3105鋁合金特制鑄嘴結(jié)構(gòu)Fig.4 Special nozzle structure for 3105 aluminum alloy

2.2.1 鑄嘴前沿結(jié)渣物物相分析

1)鑄嘴結(jié)渣物上表面物相分析

鑄嘴前沿結(jié)渣物上表面XRD分析結(jié)果如圖5所示。通過(guò)圖5可以得出，剔除金屬鋁后，鑄嘴結(jié)渣物上表面雜質(zhì)占比為4.23%。運(yùn)用歸一法分析鑄嘴結(jié)渣物中各物相的分布，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖5 鑄嘴前沿結(jié)渣物上表面XRD分析Fig.5 XRD analysis on the upper surface of slags at the front of casting nozzle

表3 歸一法分析鑄嘴前沿結(jié)渣物上表面物中各物相的分布結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 3 Analysis of the distribution results of various phases in the upper surface of slags at the front of casting nozzle by normalization method(wt/%)

2)鑄嘴前沿結(jié)渣物下表面物相分析

圖6為鑄嘴前沿結(jié)渣物下表面XRD分析結(jié)果。剔除金屬鋁后，鑄嘴結(jié)渣物下表面雜質(zhì)占比為7.35%，高于上表面的。運(yùn)用歸一法分析鑄嘴結(jié)渣物中各物相的分布，結(jié)果如表4所示。

橫向?qū)Ρ辱T嘴前沿結(jié)渣物上、下表面夾雜物的分布特點(diǎn)，下表面夾雜物含量高于上表面的，上表面夾雜物種類多于下表面的，共有的夾雜物有Al2O3和Li0.02Mg0.98O0.98F0.02，其他夾雜物在上、下表面的分布存在差異。根據(jù)鑄嘴結(jié)渣速度以及XRD分析結(jié)果，

表4 歸一法分析鑄嘴前沿結(jié)渣物下表面物中各物相的分布結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 4 Analysis of the distribution results of various phases on the lower surface of slags at the front of casting nozzle by normalization method(wt/%)

此次3105鋁合金生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)入鑄嘴的熔體中Al2O3和Na3AlF6等夾雜物含量較高，這是導(dǎo)致鑄嘴在短時(shí)間內(nèi)大量結(jié)渣的主要原因。綜合分析，造成鑄嘴結(jié)渣堵塞的另一原因應(yīng)該是電解鋁液中攜帶的夾雜物在爐內(nèi)精煉和在線處理過(guò)程中并未得到有效處理，最終進(jìn)入鑄嘴后造成了鑄嘴前沿的快速結(jié)渣堵塞。

圖6 鑄嘴前沿結(jié)渣物下表面XRD分析Fig.6 XRD analysis on the lower surface of slags at the front of casting nozzle

2.2.2 改進(jìn)措施

針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，在原有工藝方案上進(jìn)行如下調(diào)整：

1)精煉劑由之前的無(wú)鈉粉末精煉劑調(diào)整為無(wú)鈉顆粒精煉劑，每噸鋁無(wú)鈉顆粒精煉劑總量控制在2.5 kg～2.8 kg；

2)熔煉爐內(nèi)的人工攪拌方式替換為電磁攪拌；

3)放流溫度由之前的800 ℃提升至830 ℃～850 ℃；

4)除氣箱扒渣頻次由120 min/次縮短至60 min/次，且鋁渣嚴(yán)禁直接返回熔煉爐，留到最后集中處置；

5)除氣箱通過(guò)氮化硅轉(zhuǎn)子向鋁液中旋轉(zhuǎn)噴入高純氬氣，工作流量1.0 m3/h～1.5 m3/h，工作壓力0.2 MPa～0.3 MPa。

2.2.3 改進(jìn)效果

采取上述改進(jìn)措施后進(jìn)行了數(shù)次立板生產(chǎn)，單次立板生產(chǎn)周期可穩(wěn)定生產(chǎn)10 d左右，鑄嘴前沿熔體流場(chǎng)及溫度場(chǎng)基本穩(wěn)定一致，結(jié)渣問(wèn)題得到明顯改善。生產(chǎn)的3105鋁合金鑄軋坯料表面質(zhì)量穩(wěn)定、板形良好、化學(xué)成分穩(wěn)定、內(nèi)部組織優(yōu)良，單次立板產(chǎn)量基本穩(wěn)定在300 t左右，能滿足后續(xù)冷軋生產(chǎn)的要求，經(jīng)終端客戶驗(yàn)證產(chǎn)品質(zhì)量完全合格。

3 結(jié) 論

利用電解鋁液直接鑄軋?jiān)嚿a(chǎn)高級(jí)建筑裝飾用3105鋁合金鑄軋坯料得出的主要結(jié)論如下：

1)鑄嘴結(jié)構(gòu)采用新型一級(jí)分流的形式，中間分流塊后移30 mm，使分流塊產(chǎn)生一定梯度；入鋁口寬度由100 mm調(diào)整為120 mm，與正中的分流塊寬度保持一致；增大分流塊間隙，減小邊部流道間隙，以減輕兩肋部結(jié)渣情況；減小分流塊前端到鑄嘴開口邊部的寬度，縮短鋁液在鑄嘴內(nèi)腔中的經(jīng)過(guò)時(shí)間，進(jìn)而減少鋁液中殘?jiān)某练e，降低鑄嘴內(nèi)腔堵塞的頻率。

2)改進(jìn)熔煉除渣工藝，爐內(nèi)熔體凈化工藝精煉劑類型選用性價(jià)比更高的無(wú)鈉顆粒精煉劑，每噸鋁的無(wú)鈉顆粒精煉劑總量控制在2.5 kg～2.8 kg，最大程度降低電解鋁液自帶的雜質(zhì)；提升除氣箱扒渣頻次，除氣箱扒渣頻次由120 min/次縮短至60 min/次；嚴(yán)禁鋁渣直接回爐重復(fù)使用，留置最后集中處置。改進(jìn)后可有效改善鑄嘴內(nèi)腔結(jié)渣問(wèn)題。