铝合金扁锭熔铸生产过程中合金转组工艺的研究

2023-04-20吴超峰曹磊磊

有色金属加工 2023年6期

吴超峰,曹磊磊

(河南中孚实业股份有限公司,河南巩义 451200)

铝合金产品由于其轻量化等诸多优点被广泛运用于人们生活的各个领域,铝合金产品根据其合金特性可分为1xxx～8xxx系,每种系别产品使用的合金比例差异较大。为了适应市场需求的多样性,在熔铸生产过程中不可避免的要频繁切换合金牌号,如何用最短的时间,最少的工艺废料实现合金牌号的切换是制约各个熔铸生产线产能释放的关键因素。切换合金牌号主要考虑的是旧成分和目标成分如何最快最好的过渡,这就需要我们对合金转组工艺进行深入的研究,探索出最合理的生产工艺,以实现最优化目标。

目前民用产品比例最高的铝合金牌号系别为1xxx、3xxx、5xxx、8xxx四个系别,我们主要针对这4个系别的相互切换进行工艺研究。

1 合金转组顺序工艺的研究

通过对合金成分的对比发现,镁成分的高低要求对于合金转组来说最为关键,含量差异大,基本上镁成分能够顺利切换就能实现正常转组,其中1xxx、8xxx系属于不含镁系列产品,3xxx系有的含镁有的不含镁,5xxx系均含镁。由于每种系别产品的目标要求及生产特点对镁的要求不一样,有的严格,有的宽松,比如8xxx系产品对镁含量要求较为严格,镁含量要求小于0.0003%,1xxx系及不含镁的3xxx系产品稍微宽松点,只要求小于0.05%即可,因此需要根据镁的含量来研究最佳的合金生产转组顺序。

经过大量的生产实践及合金工艺探索发现[1],最好的生产顺序是低成分往高成分转组,比如1xxx、3xxx、5xxx、8xxx系都生产的话,最佳的生产先后顺序为1xxx系、8xxx系、3xxx系(不含镁)、3xxx系(含镁)、5xxx系。按照这样的顺序,不仅能够实现最小的工艺废料安全转组,还能提高转组效率,并且可以循环式转组,即从5xxx系重新转组回到1xxx系,如果中间缺少某个系别可以直接过渡转组。

2 熔保炉合金转组工艺的研究

合金成分的过渡,首先必须从熔化炉内部余留的铝液及炉体内衬残留的成分入手,将里面的成分充分稀释才能实现。一般都是尽可能的减少炉内上一炉合金产品残留的铝量,然后大量使用铝锭或者铝液填充,但是怎么用最少的铝液或铝锭以最短的转组时间实现,这就是我们研究的关键。

首先为了避免炉体内衬上粘附的合金元素对新产品成分的影响,需要倒炉或铸空后清炉,将炉体上的粘附杂质清理下来扒出炉子,清理务必做到炉体内衬覆盖到位,尽可能的清理干净炉体上粘附的铝渣。其次就是稀释炉内余铝的成分,稀释余铝成分首先需要控制余铝中含有的高合金成分的总合金量。为了最少的原铝冲淡和放废,也为了提高转组效率,需要提前两炉控制余铝量,最后两炉必须尽可能的倒空熔化炉,最后一炉必须在熔化炉添加原铝及铝锭,不添加含有高合金成分的废料。同时在保温炉炉内调配高合金的成分,通过正常的投料稀释高合金成分含量,一般同种合金转组可以通过这种方法实现。不同合金,合金成分差异较大,通过正常的投料无法稀释的,需要洗炉。

洗炉分两种洗炉方法[2],一种是熔化炉入铝,然后倒到保温炉,然后放废;一种是直接在保温炉入炉稀释余铝放废。依据实际的余铝量以及切换合金的成分差异来调整洗炉的办法,比如5052合金转组1100合金,镁成分差距50倍,需要入铝保温炉然后再放废;5052合金转组8079合金镁成分差距800倍,需要熔化炉洗炉后,倒入保温炉洗炉,然后放废。洗炉料少的可以直接通过在线渣箱放废,但是多的,放废就会造成很多问题,需要想办法铸造出来,这样的话省时省力,但是铸造的话,由于成分过渡,以及保温炉内铝液较少温度不易控制,需要有针对性开发铸造工艺参数,才能安全的生产出来。

洗炉废料的工艺参数一般采用在线箱体内成分相对应的参数,然后经过简单优化后使用,由于洗炉料较少,升温降温都快。其次生产过程是成分过渡的过程,起始阶段液穴不稳定,成分过渡更容易导致异常失败。所以洗炉料铸造生产时需要首先控制保温炉余铝温度,温度适当高一点,最好按照工艺要求的上线控制,同时优化开头的铸造参数斜线,尽可能的减少开机冷漏失败。

3 在线箱体合金转组工艺的研究

转组除了洗炉外,还要考虑在线箱体内的铝熔体怎么稀释过渡,如果成分差异大,铸造长度不能满足成分的过渡,需要采取两次铸造的方法,第一次铸造将在线箱体内的成分调整成目标成分,第二次铸造按照新合金的生产工艺铸造。如果成分差异没有那么大,铸造长度也允许情况下,最好一次性直接铸造出来,这样效率更高。

在线箱体稀释一般最好最直接的办法就是直接将在线箱体内的铝熔体放掉,但是随着社会的发展,铝精深加工产品越来越多,对铝熔体的要求也越来越高。铝熔体的高洁净度就需要更加精细的过滤装置,精过滤目前世界上应用最广泛的有管式过滤和深床过滤,由于精过滤精度高,过滤介质成本较高,需要通过一定量的铝熔体才能报废,提前报废浪费极大。一般精过滤转组还不能直接放铝,那样会损坏过滤介质,也会加快过滤介质堵塞,降低使用寿命,最佳的方法是使用铝熔体冲刷或铸造出来。

冲刷后在线箱体内成分就会变得比较复杂,开机铸造给工艺参数[3]设定造成很大障碍,同时铸造起始阶段是成分过渡阶段,成分在铸造时动态变化,造成铸造过程中液穴变化更难控制,容易出现意想不到的问题,造成铸造失败。因此一般采用的方式就是直接铸造,不再冲刷,充分利用在线箱体内残留的铝熔体成分的稳定性在稳态前实现平稳过渡。这样能够充分利用在线箱体的铸造工艺参数,确保平稳过渡,稳态后液穴趋于稳定,微调铸造速度或结晶器液位就能确保后续生产正常。

4 特殊合金的转组工艺

便于生产的合金一般采用的转组工艺尽量稀释熔炉和在线箱体内成分,以最快的速度,最少的铝熔体转组。但是对于难于生产,失败率高的合金需要充分利用转组前的合金熔体铺底生产,减少出现报废或失败概率,用以提高生产效率,这也就是我们经常说的铺底铸造法。

一般铺底铸造的合金都是铸造生产时不容易控制锭尾裂纹和翘曲量,找不到完美契合点的产品,如果常规生产,很容易出现各种问题,无法确保开机成功率和成品率,需要借用容易生产的合金工艺铺底生产。当然铺底生产的工艺也需要考虑成分过渡,铺底料如何流入在线箱体,用什么样的铺底料生产等。目前为止,1xxx、3xxx、5xxx、6xxx、8xxx系合金中我们经常生产比较困难的合金有1A50、5083、6061等合金。1A50合金由于纯度高,铜含量高,形核核心少,易出现内应力,铸造生产过程中很容易出现裂纹,通过大量的生产实践研究发现, 我们把在线箱体内的成分增加高铁的合金成分,提高形核核心后,形核能力增强,能有效的降低裂纹倾向。5083[4]合金、6061[5]合金由于固液相过渡区域大,在凝固过程中极易出现应力集中点,同时5083属于高镁合金,翘曲非常敏感,很容易出现翘曲过渡漏铝情况。我们试验了很多方法,发现用最简单的1xxx、3xxx合金铺底,由于成分过渡太快,成分不容易控制,经常出现突然的莫名裂纹和漏铝现象。后期我们尝试用5xxx系中比较容易生产的5052合金铺底,发现成分过渡受到了限制,过渡过程中铸锭出现缺陷的概率明显降低,所以对于这两种合金我们采用5052合金铺底生产取得了较好的结果。