铝合金熔体氢含量控制研究

刘勇纯，杨 杨，周思根

(佛山三水凤铝铝业，广东 佛山 528133)

0 引言

铝合金因其质轻、综合性能优良已成为高速列车车体的首选材料。随着科学技术的发展，对铝材的质量要求越来越高，对材料内部冶金质量、综合性能要求也极其严格，尤其是牵引梁，要求具有极高的断裂韧性和疲劳性能。而决定铝材优劣的先决条件是铸锭的冶金质量，所以，如何提高铸锭的冶金质量是抢得先机的关键。

铝合金生产的控制指标中，最难降低的是氢含量和渣含量指标。铝材中氢含量和渣含量高代表着疲劳裂纹源多，在周期应力作用下容易产生疲劳裂纹，降低合金的断裂韧性和疲劳性能，对加工制品的使用寿命产生影响。要想获得氢含量和渣含量低的高质量产品，可通过优化工艺、改进设备等措施，在铸锭熔铸阶段消除这些冶金缺陷，提高熔体的纯净度。

目前，国内各生产企业要生产出氢含量低于0.12 ml/100 g的铸锭非常困难。而要进一步降低氢含量，使其低于0.10 ml/100 g则更加困难。即使偶尔能够生产出来，但工艺参数不稳定，无法实现量产化，原因是在熔铸过程中很多问题没有得到根本解决。例如，由水引起的铸锭中氢含量的增加，炉体的含水仅靠烘炉无法解决，必须连续生产几十炉才能将炉体的水分除去；流槽的水分只能通过尽量缩短流槽的长度和加强烘烤去除；空气的湿度无法控制，等等。这些不利因素都会对铝熔体造成二次污染，从而增加了铸锭氢的含量。

1 熔体中氢含量的影响因素

A.熔体温度。温度越高，熔体越容易吸气，吸气的动力越强，氢的溶解度越高。但温度太低渣不好分离，所以熔体温度要控制在720℃～750℃(方锭可控制在700℃左右)。对于7系超高强度高韧性难成型的合金可放宽到760℃，超过760℃氢含量很难达标。B.熔体停留时间。时间越长，吸气的时间也越长，即使对熔体进行了覆盖，熔体中的含气量仍会增加，所以要尽量控制熔体的停留时间。C.加热方式。所有燃烧方式加热的最终产物都有水，水增加了熔体氢的含量。所有的加热设备中，电加热对熔体氢含量控制效果最好，所以生产高端铝材尽量采用电炉。D.耐火材料。炉体、流槽、除气过滤设备、模盘等尽量选用质轻、透气性好、易烘烤的耐火材料，以防止耐火材料吸潮。现在有部分企业在选择耐火材料时图省事而选择强度高、透气性不好的耐火材料，这种材料虽然寿命长，但里面的水分很难扩散出来。有些熔铸设备厂商也会选择强度高、寿命长的耐火材料，致使有些模盘用了一个月还在冒泡，这种模盘仅靠烘烤是不行的，必须用熔体将水分吸出来。E.铸造速度。速度快可减少吸气，但除气率会下降，所以在设计工艺时要综合考虑。F.合金元素。合金元素的影响主要分两种情况：第1种与氢的亲和力增大，如镁；第二种破坏保护膜，如硅等。因熔炼过程中合金元素不可改变，所以要加强其他方面的工作，如覆盖、烘烤、除气过滤和减少二次污染等。G.气候环境。选择干燥的季节，避开潮湿多雨季节。还可选择一些干旱的地区生产高端铝材，如大西北等。H.精炼气体。效果最好的是氯气，因为氯和氢的亲和力非常强。但氯气属有毒有害气体，国家控制非常严格。其次是氩气，效果最差的是氮气。目前应用最多的是氩气。I.其他。如精炼、除气用熔剂、气体纯度、覆盖剂质量等。

2 生产高质量铸锭的措施

2.1 炉体结构

熔炼炉在建造时一定要脱离地面，防止地下的水汽通过毛细现象渗入炉体。工字钢上面是钢板，在其上建造熔炼炉，如图1所示。

图1 炉体结构示意图Fig.1 Schematic diagram of furnace structure

2.2 炉体水含量

要生产0.12 ml/100 g以下的铸锭，炉内精炼必须达到0.2 ml/100 g以下。一台新炉炉体的水分靠烘炉无法去除，必须靠洗炉将炉体的水分洗掉。洗炉的数量与氢含量的关系是双曲线，拐点在5～6炉之间，所以要想生产高质量的铸锭，必须将熔炼炉炉体的水分处理掉，如图2所示。

图2 炉数与氢含量关系图Fig.2 Relationship between furnace quantity and hydrogen content

2.3 除气箱和过滤箱的箱体水含量

理论上，除气箱和过滤箱箱体的水含量符合熔炼炉的洗炉数据规则。但实际上，过滤箱和除气箱因外界因素的影响，水含量会增加。所以，在生产高端铝材时，也要将过滤箱和除气箱的水分处理掉。所有流槽要采用轻质材料，使用一段时间后再用于生产高端铝材，并且生产前要使用专用的烘烤设备烘烤12 h以上。

2.4 合理布局

空气中有大量的水蒸气，熔体温度越高，流道越长，吸气越严重。因此，设备布局要紧凑，除气炉和过滤炉必须设计在一个炉子中。高端铝材大多是7系高强高韧和2系硬铝合金，这些合金流量非常小，如果流道过长，铸造时就要提高浇铸温度，而熔体温度不能超过760℃。由于流道过长，很多生产线不能生产高端铝材，这是很多企业的通病。

生产高端铝材的设备结构必须紧凑，整个流道长度热顶铸造不超过2 m，浮漂漏斗铸造不超过1 m。过滤箱要和除气箱组合在一起减少流槽的有效长度。东北某科研所曾设计的电加热流槽、双转子除气等设备，因为流槽过长，最终铸造温度要800℃以上才可以生产出7075铸棒，但温度过高会影响铝棒的质量。

2.5 铸造方式与二次污染的控制

变形铝合金的铸造方式有两种：一种是浮漂漏斗式半连续铸造，一种是热顶同水平半连续铸造。前者生产效率低但冶金质量易控制，后者生产效率高但冶金质量难以控制。

二次污染是指铝液流出除气设备后，进入结晶器前吸气的过程。如果二次污染得不到控制，则很难生产出高冶金质量的铸锭。缩短流槽的长度可减少熔体二次污染。如果流槽的长度过长，则二次污染不可避免。

模盘、流槽需采用轻质、透气性好的耐火材料。用专用烘烤工具烘烤，时间大于12 h。如果耐火材料透气性差，要延长使用和烘烤时间。

2.6 精炼剂、覆盖剂的使用

熔炉内精炼时，要按规定使用精炼剂，精炼要彻底不留死角。所有暴露在空气中的熔体表面都要使用覆盖剂覆盖，熔炼炉内也要覆盖。覆盖剂可延缓熔体吸气，减少熔体的氢含量。使用覆盖剂时要注意，在有透气砖的地方要减少覆盖剂的用量，避免铸造过程中黏液流入透气砖中。

3 结语

如果要生产出符合要求的氢含量低的高端铝材，就要对设备合理布局，缩短流槽长度。炉衬、流槽、模盘要选用质轻、透气性好、易烘烤的耐火材料。所有的工序及所用的原辅材料都要严格按照工艺要求执行。