用电解铝液直接生产铝材坯料的晶粒度控制

何正夫，王荣莉

(云南铝业股份有限公司,云南 昆明 650502)

2010年中国电解铝产量达到1619.45万吨，铝材产量达到2026.05万吨(1)。中国已经成为世界最大的电解铝生产国和铝材加工大国。许多电解铝企业充分利用资源优势，用电解铝液直接生产铝材坯料，达到了节能降耗、降本增效的良好效果。但用电解铝液直接生产铝材坯料时容易出现粗大晶粒，甚至造成晶粒度超标而成为废品。有时虽然晶粒度符合要求，但是晶粒不细小弥散、均匀一致，下游工序生产时也会出现产品表面缺陷，影响产品品质。

1 生产工艺流程

配料→装炉→熔炼→炉内精炼→转炉→静置炉内精炼→静置→在线添加铝钛硼杆→在线除气→在线过滤→铸造。

2 粗大晶粒产生的原因分析

2.1 电解铝液过热，非自发晶核十分少

用电解铝液直接生产铝材坯料时，由于电解铝液温度在900℃左右，处于高温状态，熔体中非自发晶核十分少，其结晶晶粒尺寸较大，而枝晶网间距尺寸较小。

2.2 熔炼温度高、时间长、熔池表面熔体温度局部过高

熔炼温度过高，熔炼时间过长，熔池表面熔体温度局部过高等也会造成熔体过热，减少熔体中非自发晶核的数量，从而造成晶粒粗大。

2.3 晶粒细化剂质量差，添加不规范

晶粒细化剂细化效果，一方面取决于细化杆料质量，即细化杆料内部要有均匀细小的TiB2粒子和均匀分布的块状TiAl3相，使铝液凝固结晶时有足够多的形核核心。否则细化作用就不大。另一方面选择合适的添加点，保证添加温度、保持时间、均匀性等符合要求。如果添加点铝液温度低，杆料难于熔化、分散，就容易造成沉积失效，同时引起Ti含量波动。如果添加点流程长，就容易造成保持时间长而使细化剂失效。如果添加量不够、不稳定，Ti含量少、Ti含量波动等，细化效果也就不稳定。

2.4 铸造工艺的不平衡不稳定

铸造的重要工艺参数：铸造温度、铸造速度、冷却强度等，在铸造过程中不平衡、不稳定，组合不佳，造成结晶效果差，引起晶粒粗大和不均匀。

3 晶粒度控制措施

3.1 添加固体料

针对电解铝液处于高温状态，熔体过热，熔体中非自发晶核十分少的实际,配料时应考虑有炉料总量20%以上的固体料，增加熔体中非自发晶核的数量，增大形核率，促进晶粒细化，防止粗大晶粒的产生。同时，使电解铝液温度降到760℃以下。固体料可以是工艺废料及其它成分合格无污染的冷料。

3.2 控制熔炼温度和时间

装炉过程中，应协调好电解铝液转运，尽量缩短装炉时间；炉料装完再进行加热，熔炼炉升温速度要合适，保证生产连续性和熔炼时间不超过6小时。

在熔炼过程中，熔体温度应控制在760℃以内。熔炼过程中应加强熔体搅拌，固体料完全熔化后，每隔30分钟搅拌一次，每次搅拌10-30分钟，促进成分和温度均匀。熔体温度达到要求即可进行炉内精炼，扒渣、静置后转入静置炉。

根据生产实际，生产过程中对静置炉铝液定时进行搅拌，防止表层熔体局部过热。静置超过4小时未生产，应重新搅拌、精炼熔体。

3.3 控制Al-5Ti-1B杆料质量及添加工艺

① 选择质量优良的Al-5Ti-1B杆料

20世纪40年代,铝合金晶粒细化剂的研制开发就已经开始了。70年代中期,美国研制出Al-5Ti-1B中间合金杆料,用喂丝机连续加入到流槽中。经过挤压或轧制的Al-5Ti-1B杆料,第二相变得非常细小,分布均匀,因此细化作用快,细化能力强；而且钛和硼利用率高,细化效果均匀、稳定,易实现自动化。此后10余年中,美国的KBA公司、英国的LSM公司、SMC公司和荷兰的KBM公司等,以及国内的一些研发机构都陆续开发出直径为9-10mm的中间合金杆料,目前世界铝工业75%以上使用此类产品[2]。

在杆料中包含着分布均匀的细小的TiB2粒子和均匀地分布于铝基体中较大的块状TiAl3相。TiB2粒子的平均尺寸为0.8μm，90%在1μm以下；而TiAl3粒子的长度一般达80μm[3]。添加Al-5Ti-1B晶粒细化杆料是细化铝材坯料最有效的措施之一。

选择质量优良的Al-5Ti-1B杆料，对保证细化效果非常重要。目前国内部分厂商生产的Al-5Ti-1B合金杆料已与国际水平相近。

表1 国际某知名公司与国内某知名产商的细化杆化学成分对比表

图1 国际某知名公司的细化杆显微结构

图2 国内某知名产商的细化杆显微结构

从表1可以开出，国内某知名产商的细化杆Ti、B含量均比国际某知名公司的高，同时杂质元素Si、Fe含量也高些。化学成分均符合YS/T447.1-2002：铝及铝合金晶粒细化剂第1部分：铝-钛-硼合金线材的规定。图1为国际某知名公司的细化杆显微结构，TiAl3粒子不均匀，有局部大于100μm的TiAl3粒子聚集团。图2为国内某知名产商的细化杆显微，TiAl3粒子小于50μm，尺寸均匀。从生产的铝材坯料来看，国内某知名产商的Al-5Ti-1B杆料细化效果要好一些，晶粒尺寸<350μm。

② 控制添加工艺，保证细化效果

Al-5Ti-1B杆料的细化效果除了取决于其质量外，还与添加工艺有非常大的关系。选择合适的添加点，保证保持时间在10-15min,添加点铝液温度在720℃左右，同时连续、稳定、均匀的添加0.02%Ti对Al-5Ti-1B杆料的细化效果也十分重要。因此，选择添加点要综合考虑。

(1)根据保持时间，选择合适的添加点。保持时间，是指细化杆料加入熔体中后至最佳细化效果的时间。一般控制在10-15min,超过30min细化效果将衰减。

在确定添加点时，要充分考虑合适的保持时间。可以根据铸造速度、浇注系统中各段储蓄铝液的量来计算、选择添加位置。一般在除气箱或过滤器入口处添加。

(2)控制添加温度。Al-5Ti-1B杆料加入时造成熔体局部温度降低，导致加入点附近变得黏稠，流动性差，使TiB2粒子更容易聚集形成夹杂，影响净化、细化效果。为使Al-5Ti-1B杆料能够充分熔化并且在铝液中均匀分布，将添加点的温度控制在720℃左右是十分必要的。

(3)控制添加量。当添加钛含量分别为0.005%、0.01%、0.015%、0.02%和0.03%时，在730℃向99.7%Al中加入Al-5Ti-1B细化剂的结果表明，添加0.005%Ti就起细化作用，随钛含量增加细化效果提高，添加0.02% Ti时细化效果最好, 添加0.03% Ti时细化效果提高不大[3]。Al-5Ti-1B杆料可以使用喂丝机连续加入流槽中，添加速度根据铸造速度、杆料含Ti量及直径、Ti的目标含量等进行计算确定。如果需要添加的量大，可以考虑用一台或两台喂丝机同时在两段流槽分别加入，以便杆料能快速熔入铝液中，防止杆料熔化不充分而富集在流槽底部造成损失，影响细化效果。

实践经验表明，在生产开始时，向接近浇注点的尾部流槽中额外加入一定量的杆料，有助于整个生产过程的顺利细化。因为，如果生产一开始就出现粗大晶粒，以后加大喂杆量也难于克服，甚至整批无法扭转。

(4)保证杆料添加的均匀性，减小沉积和损失。添加时杆料对准流槽金属流的中心，与金属表面成45°圆锥角的范围内进入熔体，最好逆着金属流向引入。以利用这里的最大紊流取得良好的混合效果[4]。

流槽中适当而且稳定的铝液深度和流速可以保持铝液温度稳定，减少铝液中Ti含量波动。可以采用自动控流装置控制流槽中铝液面高度。同时可在流槽中设置局部挡流坝，以提高金属流速，避免在杆料进入点由于金属缓慢流动而带来的分散不佳。

TiB2颗粒对氧化铝有很大的亲合力，阻碍其发挥细化作用，因此杆料必须插入不含表面氧化膜的洁净金属流中。可以安装一个简单的挡板挡住氧化膜[4]。

3.4 控制铸造工艺的平衡稳定

铸造温度、铸造速度、冷却强度是铸造的三个重要工艺参数，在铸造过程中要保持三者的平衡和稳定，严格按工艺操作规程进行操作，认真控制铸造工艺参数。稳定的铸锭质量是铸造工艺参数最佳组合的结果。

铸造温度通常是指浇包内铝液的温度，即注入结晶器内的液体温度。应考虑铝液具有良好流动性所需要达到的温度和铝液体在结晶器内的气体析出情况。1×××系合金在铸造过程中过渡带较窄，铸造温度宜偏高[5]，铸造温度比实际结晶温度高30℃～50℃，实际生产中铸造温度控制在690℃～710℃。

铸造速度的快慢对铸锭裂纹、铸锭表面质量、铸锭组织和性能有很大影响。在保证铸锭质量的前提下，应采用最高的铸造速度。

冷却强度取决于冷却水的流量、压力、温度。冷却强度对铸锭的组织影响较大，应根据铸造工艺、铸造速度，综合考虑冷却水流量、压力、温度的控制，以期最佳冷却效果，获得较好的结晶组织。

4 结束语

用电解铝液直接生产铝材坯料，熔炼时添加总炉料20%以上的固体料；控制熔炼温度在760℃以下和熔炼时间不超过6小时，静置时防止熔体局部过热；铸造时在浇注溜槽中在线连续添加质量稳定良好Al-5Ti-1B杆料，控制添加量、添加温度、保持时间和均匀性；严格控制铸造温度、铸造速度、冷却强度等工艺参数。通过优化生产工艺控制，坯料内部组织得到改善，坯料晶粒度可以优于2级。

[1] 郎大展.2010年中国铝冶炼行业回顾及2011年展望[J].中国铝业，2011，(2)：2-6.

[2]陈亚军,许庆彦,黄天佑.铝合金晶粒细化剂研究进展[J].材料导报，2006，20(12)：57-61.

[3]向凌霄.原铝及其合金的熔炼与铸造[M].北京：冶金工业出版社，2005，182-191.

[4]高泽生编译. 线状中间合金的加入方法和计算[J]. 轻合金加工技术，1987，(5)：5-10，40.

[5]邵正荣，邵海霞，吕让涛，谢一舟，高鑫等. 铝合金铸造工艺与铸锭质量的关系[J].轻合金加工技术,2006,(4):16～17.