大规格3003 铝合金扁锭的熔铸工艺及裂纹缺陷控制

(青海桥头铝电股份有限公司，青海 西宁 810100)

0 前言

某公司根据用户需要，生产了一批规格为2 130 mm×630 mm×6 000 mm 的3003 铝合金扁锭。在生产初期的几个炉次中，3003 铝合金扁锭的大面出现了严重的裂纹缺陷，甚至出现了通裂缺陷，从而导致合金扁锭成批报废，给企业造成一定的经济损失。为此，公司组织技术人员对裂纹缺陷产生的原因进行分析，并采取措施控制裂纹缺陷的产生。经过多次生产试验，终于解决了裂纹缺陷产生的问题，生产出用户满意的大规格3003 铝合金扁锭。

1 3003 铝合金扁锭的化学成分

3003 铝合金扁锭的化学成分见表1。

从表1 可以看出，3003 铝合金是Al-Mn-Cu 铝合金。除了Mn 和Cu 是主要合金化元素外，Si、Fe和Zn 元素均以杂质元素的形式存在。

表1 3003 铝合金的化学成分 %

2 3003 铝合金扁锭的熔铸工艺

2.1 3003 铝合金的化学成分优化

3003 铝合金中的Mn 含量较高(1.0%～1.5%)，容易导致后续轧制退火板材中出现FeMnAl6金属间化合物一次晶缺陷；而Fe、Si 的含量及其相对含量(ω(Fe)/ω(Si))则关系到合金凝固过程β-Fe 相、α-Fe相以及游离Si 的产生。Fe、Mn 的含量及Fe +Mn 的总量则影响FeMnAl6金属间化合物的生成。β-Fe 相、α-Fe 相以及FeMnAl6均为硬脆性金属间化合物，游离Si 为初生硅，它们对合金凝固过程中裂纹的形成有很大的影响[1]。因此，为避免大规格3003 铝合金扁锭产生裂纹和通裂缺陷，在配料熔炼之前对3003铝合金进行化学成分优化很有必要。优化后的3003 铝合金化学成分见表2。

表2 优化后的3003 铝合金化学成分 %

2.2 3003 铝合金熔炼控制

3003 铝合金的熔炼在安装有电磁搅拌装置的25 t 矩形燃气炉中进行。熔炼用炉料包括电解铝液、品位为99.70%的重熔铝锭、3003 合金工艺废料、电解铜板和Al-Mn 中间合金。装料顺序为:先将剪切尺寸为100 mm×100 mm 的电解铜板铺于熔炼炉的熔池底部，再将重熔铝锭和工艺废料放置在电解铜板上方。由于Al-Mn 中间合金的熔化速度很慢，将其放置于所有固体料的最上方，最后用虹吸管装置将电解铝液转注到熔炼炉内。熔铸时，采用的固液比为3∶7，熔炼温度控制在720～740 ℃。在固体料全部熔化后，启动电磁搅拌装置对熔体进行搅拌。为确保3003 合金熔体化学成分和温度的均匀性，搅拌温度不得低于720 ℃[2]，搅拌时间不得小于15 min。然后静置10 min，扒去熔体表面浮渣，取样进行炉前成分分析。成分达到规定要求后，即可将3003 合金熔体转入安装有炉底透气砖精炼装置的25 t 矩形燃气保温炉。

2.3 3003 铝合金熔体炉内精炼

炉内精炼的目的是去除3003 合金熔体中的溶解氢和夹杂物，因为熔体中的溶解氢和夹杂物在铸锭凝固过程中会成为气孔、疏松和夹渣缺陷的起源，增加铸锭的裂纹产生倾向。炉内精炼分两步进行。首先，当3003 合金熔体转入保温炉内且温度达到720～730 ℃后，将炉底透气砖精炼装置开启至常开状态。从保温炉底部将高纯氩气通入透气砖，利用透气砖喷射出的氩气气泡对熔体进行精炼。透气砖精炼装置不仅可以将熔体中的溶解氢和一部分氧化夹杂物带出液面，而且还可以通过一直对熔体实施搅拌作用，防止3003 合金熔体中比重较大的金属元素(如Fe 和Mn)发生沉降，从而改善熔体的化学成分均匀性，防止3003 合金在铸造后期发生成分偏析。与此同时，采用精炼罐装置，以高纯氩气为载体将精炼剂通入熔体中，精炼管在熔体不同部位和不同深度游弋，通过调整氩气的压力和流量，使精炼剂均匀分布于熔体中，然后利用精炼剂与熔体发生的化学反应与物理反应达到精炼目的。应当注意的是，精炼过程中要尽量控制熔体液面翻腾高度小于80 mm，尽量减少精炼过程中熔体的吸氢量和造渣量。炉内精炼完成后，对熔体进行10～15 min 的静置处理，然后即可进行放流铸造。

2.4 3003 铝合金熔体在线处理

2.4.1 在线添加晶粒细化剂

采用大容量熔炼炉熔炼3003 铝合金时，需要的时间比较长，在静置炉内调整熔体温度和成分也要花费较长的时间，因此，熔体在静置炉内停留的时间也相对较长，而较长的停留时间必将造成熔体过热。如果不对合金进行细化处理，那么铸造成锭后，其结晶组织中的晶粒必然粗大，导致晶粒间结合力减小，在铸造应力作用下铸锭的裂纹产生倾向会增大。因此，添加晶粒细化剂是降低3003 铝合金铸锭裂纹倾向的重要途径。

在其他铸造工艺参数一定的情况下，通过添加晶粒细化剂，可获得细小、均匀、致密的铸锭凝固组织，从而增强铸锭抵抗裂纹产生的能力。由于铸锭规格很大，铸造过程需要的时间很长(2 h 左右)，为避免晶粒细化效果减弱，不宜在保温炉内添加晶粒细化剂。采用在在线除气箱入口前通过喂丝机将Φ9 mm 的Al-5Ti-1B 丝逆流加入溜槽的方式添加细化剂。要控制Al-5Ti-1B 丝的添加量，通常以ω(Ti)=0.03%为宜。否则，过量添加细化剂可能会造成熔体中TiB2粒子富集，形成TiB2夹杂物，反而增大铸锭的裂纹产生倾向。

2.4.2 在线除气

在线除气是3003 铝合金扁锭熔铸过程中的重要工序之一。通过双石墨转子在线除气装置，利用分压差原理可以将炉内精炼后的熔体中的残留溶解氢降至0.15 mL/100 g-Al 以下，同时利用吸附原理可以除去一部分悬浮于熔体中的夹杂物。为确保除气效果，除气介质采用高纯氩气，氩气纯度不低于99.996%[3]，氩气流量为1.5～2 m3/h，工作压力为0.15 MPa，石墨转子转速为340 r/min。如果能够在氩气通入之前对其进行预热处理，则会取得更好的除气效果[4]。

2.4.3 在线除渣

由于炉内精炼只能除去尺寸大于30 μm 的夹杂物[5]，在铸造前必须对3003 铝合金熔体进行在线过滤。选择30ppi/50ppi 孔目配置的双级泡沫陶瓷过滤板，可以除去悬浮于熔体50%以上的尺寸为5 μm的夹杂物和吸附在夹杂物上的氢，因为在铝熔体中，氢和夹杂物存在寄生关系[6]，夹杂物含量减少了，氢含量就会相应降低。

在线处理不仅使铝合金铸锭的晶粒组织得到细化，而且大大降低了熔体中的夹杂物含量和氢含量，从而有效降低了大规格3003 铝合金铸锭的裂纹产生倾向。

2.5 大规格3003 铝合金扁锭的铸造工艺参数研究

大规格3003 铝合金扁锭在Wagstaff 低液位铸造机上进行铸造，其铸造工艺参数主要包括铸造温度、铸造速度和冷却强度。在合金种类确定的情况下，只有合理匹配铸造温度、铸造速度和冷却强度三者，才能获得外观质量优良、晶粒尺寸细小、无冶金缺陷和裂纹产生倾向小的3003 合金扁锭。

2.5.1 铸造温度

铸造温度对大规格3003 合金铸锭的成形性、晶粒度和裂纹产生倾向都有很大的影响。较低的铸造温度有利于形成细小的晶粒组织；而较高的铸造温度则容易形成粗大晶粒。晶粒尺寸越大，晶粒间的接触面积越小，铸锭的抗裂能力就越低，其裂纹产生倾向就越大。同时，如果铸造温度较高，铸锭内部的温度梯度增加，会导致铸锭的抗裂能力降低，裂纹产生倾向增大。但是由于3003 合金中含有约1.4%的Mn，其铸造温度也不能过低，否则，会使3003 合金熔体的流动性下降，容易造成夹渣等铸造缺陷。生产实践表明，铸造温度控制在710～720 ℃时，大规格3003 铝合金扁锭的裂纹产生倾向极小。

2.5.2 铸造速度

铸造速度的快慢直接影响3003 铝合金扁锭的凝固结晶速度、液穴深度及过渡带的宽窄，是决定铸锭质量的重要参数。如果铸造速度慢，铸锭的液穴深度小，液穴相对比较平坦，铸锭自下而上冷却的方向性就强，易于获得致密细小的结晶组织；如果铸造速度快，铸锭的液穴就会变深，铸造凝固过程中铸锭中心部位的温度相对周边部位要高得多，会使结晶组织变得粗大，从而导致铸锭抵抗裂纹的能力大大降低，这对于大规格铸锭尤为突出。采用Wagstaff低液位铸造技术可以有效降低铸锭的液穴深度，从而有效减小大规格3003 铝合金扁锭的裂纹产生倾向。铸造速度的控制分为三个阶段:1)铸造初期(启车阶段，铸造长度200～400 mm)，以相对较小的铸造速度为宜，速度通常控制在40～45 mm/min；2)正常铸造阶段，铸造速度相对较高，一般控制在50～60 mm/min；3)铸造结束前的收尾阶段，相比正常铸造阶段，收尾阶段的铸造速度有所下降，通常控制在45～50 mm/min。

2.5.3 冷却强度

冷却强度较小时，铸锭的晶粒度会变大，晶粒间的结合力就会变小，铸锭的裂纹产生倾向会增大；冷却强度较高时，凝固过程中铸锭内外层的热应力会增大，使铸锭的裂纹产生倾向增大。正常情况(冷却水温控制在25～30 ℃)下，保证大规格3003 铝合金铸锭正常成形的冷却强度应控制在240～320 m3/h，冷却水压应控制在0.015～0.035 MPa。由于铸造过程中冷却水的水温处于由低向高的动态变化过程之中(通常，铸造中后期水温会升高3～5 ℃)，铸锭的冷却强度也会由大变小，最终有所降低，此时应适当加大冷却水压和流量。此外，经过一段时间的使用，冷却水中的杂质(钙离子、镁离子及油脂)含量会明显增加，大大降低冷却水的冷却能力，因此，要定期清理冷却塔的蓄水池，并对冷却水进行净化处理或更换冷却水，以确保达到大规格铝合金铸锭所需要的冷却强度。

3 结束语

通过对3003 合金进行成分优化、熔炼工艺过程控制、炉内精炼处理和在线熔体净化，以及低液位铸造工艺参数研究与控制，消除了规格为2 130 mm ×630 mm×6 000 mm 的3003 铝合金扁锭的裂纹缺陷(尤其是通裂缺陷)，大幅提高铸锭的表面质量，表面偏析层厚度仅为3～5 mm。经过后续铣面和压延加工，板材质量优良，获得用户好评。