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电解铝液铸造铝合金的工艺技术分析
2018-06-20

  1工艺流程及特点

  1.1工艺流程

  根据合金化学成分的要求,用电解原铝液,重熔用铝锭,返回废料和中间合金进行配料后,在熔炼炉中进行熔炼,除气除渣精炼,搅拌,扒渣和取样分析,经调整成分合格后将铝液转入静置炉,进行炉内除气精炼和保温静置,然后在流槽中连续加入铝钛硼丝晶粒细化剂,进行在线细化晶粒,通过ALPUR旋转除气装置进行在线除气,采用CFF双级泡沫陶瓷过滤装置在线过滤除渣,经过处理的铝液流入扁锭铸造设备的结晶器,按照全自动铸造工艺生产出铸锭,铸锭在扁锭锯床上锯切头尾,经检查合格后进行包装入库。

  1.2工艺特点

  (1)用电解铝液直接配料生产扁锭,与传统的用重熔铝锭生产扁锭相比,不但省去重熔工序,节约了能源,而且减少金属烧损,减少环境污染,降低生产成本。

  (2)采用低液位组合结晶器全自动铸造技术,金属液面高度远低于传统的DC铸造结晶器内金属液面,液面高度在35~65mm之间,其结晶器在传统的DC铸造结晶器内壁镶衬一层石墨环,石墨环采用连续渗透式润滑或在铸造前涂油脂,起着光滑铸锭表面的作用。LHC应用了两套独立控制的冷却水喷射装置,可以优化铸造开始阶段和稳定铸造阶段的工艺。

  用电解铝液铸造铝合金热轧锭坯的关键技术铸造过程由计算机自动控制铸造工艺参数,生产过程稳定,工艺参数波动小。

  (3)低金属液位条件和石墨环光滑表面铸造,以及**率的冷却水控制,使得LHC比传统的DC铸造技术生产的铸锭组织更加致密,表面光滑,粗晶层和偏析区(壳区)减薄,减少铸锭底部翘曲。因此,可以减少铣面量50%以上,减少热轧切边量15%以上。

  2铝合金熔体的配制,净化和晶粒细化

  2.1配料及成分控制

  生产中一般加入20%~30%固体冷料(包括重熔用铝锭或本合金的一级废料和中间合金)进行配料,首先加入重熔用铝锭或本合金的一级废料,再加入中间合金,**才注入电解铝液。利用电解铝液的高温热量使加入炉内的固体料迅速熔化,并使电解铝液温度得以降低,同时增加熔融金属的形核率。

  合金化学成分执行国家标准或按供货协议控制。

  2.2温度控制熔炼温度:正常熔炼温度控制在740~780#.精炼温度:除气除渣控制在740~760#.转炉温度:熔炼炉内铝液温度保持在740~760#范围内,才能开始转炉。

  浇铸温度:通常控制在690~740#范围内。

  2.3熔体的净化电解铝液温度高达950#,含有硅,铁,钠,钙,磷,硼,钛,钒,锌等金属杂质和氧化铝,氟化铝,碳化铝,氮化铝等非金属夹杂物<1>。气体含量高,抬包内电解铝液温度在760~840#时,氢含量可达0.60~1.29 mL/(100gAl)。熔体中的气体以及各种金属和非金属夹杂物的存在,会使铸锭产生组织缺陷,进而影响加工制品的组织和性能,因此,用电解铝液配料生产铝合金扁铸锭时,必须对铝熔体采取更加严格的净化处理工艺,以确保铝熔体的纯洁度。在生产中,通过六次净化除渣除气,以确保熔体净化效果<3>。

  2.3.1一次净化熔炼炉内熔体预处理电解铝液注入熔炼炉满炉后,按熔体重量的0.1%~0.2%向熔体表面撒入粉状除渣剂,电磁搅拌12min并静置20min后,扒去铝液表面浮渣。通过熔体预处理,可以初步除去从电解槽带来的氧化铝夹渣,并减少炉壁挂渣。

  2.3.2二次净化熔炼炉内除渣除气精炼待炉料全部熔化且铝液温度达到740~760#后,电磁搅拌10~15min,使铝液上下表面的温度和炉内合金化学成分均匀,再次扒去熔体表面浮渣后进行取样分析,成分调整合格后加入氯盐精炼剂精炼,精炼剂用量为熔体重量的0.2%~0.3%,再次对熔体进行电磁搅拌12~24min.通过电磁搅拌,使铝液上下表面的温度及炉内合金化学成分均匀的同时,可使熔体在电磁搅拌力的作用下运动,与熔剂能够充分接触,从而可以提高精炼效果。精炼完毕,向熔体表面均匀撒上一层除渣剂,静置20min后扒净熔体表面浮渣。

  由于氯盐精炼剂与铝熔体发生反应生成气态AlCl3(沸点为183#),不溶于铝液,能起到除氢精炼作用,因此,在熔炼炉内进行除渣精炼的同时也除去部分氢。通过二次净化,实现了第二次除渣和第一次除气的目的。

  2.3.3三次净化静置炉内惰性气体吹洗精炼在静置炉内,通过炉底的透气砖向熔体均匀地吹入氮气(高镁合金用氩气)对熔体进行精炼,氮气吹入量为每个透气砖45L/min,精炼时间30min.精炼完毕后,按熔体重量的0.15%撒入除渣剂,静置20min,然后扒出表面浮渣。

  通过惰性气体吹洗精炼,可以同时实现除渣和脱氢:利用气体分压差作用实现脱氢,利用吸附作用除去夹渣。

  2.3.4四次净化在线除气精炼采用Alpur旋转除气装置进行在线处理,精炼气体为氮气(或氩气),纯度不低于99.99%;熔体温度720~740#;转子速度为180~230r/min.Alpur在线除气装置可以产生两个方面的熔体净化效果:

  (1)除氢:利用气泡内外氢分压差将氢吸附到气泡中,并带出铝合金熔体液面而除去氢。

  (2)除渣:Alpur装置通过散射的气泡捕捉夹渣,并将夹渣带到熔体表面而除去。

  2.3.5五次净化在线过滤除渣生产线

  采用CFF双级泡沫陶瓷过滤板过滤,过滤箱安装2套平行过滤板,处理流速为55t/h.过滤板为双层30/50目复合泡沫陶瓷过滤板,上层过滤板的孔隙度为30目,底层过滤板的孔隙度为50目。上层孔隙度少的过滤板截住较大尺寸杂质,下层孔隙度多的过滤板进一步提高过滤效果,夹渣物被隔离在过滤板上部。CFF泡沫陶瓷过滤装置可以有效除去直径大于20m的夹渣物,过滤效率可达75%.

  2.3.6六次净化铸锭前的过滤除渣浇注口前端采用100目玻璃纤维过滤网过滤除渣,在结晶器内用专用的金属分配过滤袋进行**一道除渣净化处理,以除去铝熔体在分配流槽和进入结晶器时所产生的氧化铝膜。

  经过以上六道净化工序后,除气除渣效果明显:氢含量低于0.15mL/(100gAl),取试样做金相低倍试验,未发现夹渣。

  2.4晶粒细化

  采用炉外在线添加铝钛硼丝来细化晶粒,细化剂的添加位置位于静置炉出口与Alpur旋转除气装置金属入口之间的流槽中。此处熔体温度较高,细化剂易于充分溶解,并在除气箱中受到充分搅拌,使异质晶核在整个熔体中分布更均匀,细化效果好。

  3铸造工艺参数设定和控制

  低液位铸造技术采用%菜单&式生产工艺,不同的合金,不同的铸造条件需要制定不同的工艺菜单,一旦菜单选定,铸造过程便由计算机全自动控制。主要铸造工艺参数包括:结晶器填充速度,金属流量控制销开口度,结晶器金属液面高度,冷却水流量,铸造速度等。

  3.1结晶器填充速度结晶器填充速度即金属液面填充速度,它与金属液位高度和金属流量控制销开口度相对应,主要用于铸造开始前引锭头的铝液填充控制。一个良好的铸造开头,需要根据浇注温度,合金特性和预设定液面高度来设定结晶器填充速度参数。

  当铝液填充达到预设定开始液面高度时,铸造便开始。预设定液面高度一定时,结晶器填充速度越快,则填充时间越短,结晶器内熔体温度越高,金属来不及在LHC引锭头中形成一个固体凝壳,因此,快速填充可能会造成铸锭底部开裂,底部翘曲过大或金属重新熔化。缓慢均匀的金属填充,可以在引锭头形成较厚的凝壳,较厚的凝壳能抵制翘曲和重新熔化。但是,填充时间过长会导致冷隔。

  3.2金属流量控制销开口度预设定控制销开口度,通常是从第一个到**一个逐渐增加,使金属从第一个结晶器到**一个结晶器的填充速度均匀,保证各结晶器液面高度一致,结晶均匀,防止金属泄漏。

  3.3结晶器金属液面高度金属液面高度,是指从结晶器大角度冷却水喷射孔的底部量起的金属液面高度。铸造生产中需要设定铸造开始液面高度,底部翘曲阶段的液面高度和稳定铸造阶段的液面高度。

  当金属填充达到预设定铸造开始液面高度时,铸造开始。当铸造长度到达25~30mm时,液面高度曲线快速向上倾斜大约12~30mm,这是因为在刚刚发生底部翘曲时通过提高液面高度,以防止窄面金属凝固过快而产生过量翘曲。接着液面逐渐提高,并在二次翘曲阶段保持**水平,以防止底部冷隔。铸造长度达到125~200mm后,金属液面高度缓慢地向下降低到稳定铸造阶段液面高度。

  在铸造开始期间的金属液面,比稳定铸造状态期间的高一些。这是因为较高的金属液面,可使铸造开头更容易成功,不易产生金属泄漏,防止铸造*初几分钟里扁锭小面产生冷隔,并可有效控制翘曲。

  液面高度的设定与铸造速度有关,铸造速度越快,则金属液面应越低,以保证获得良好的表面质量;铸造速度越慢,则应提高金属液面以防止金属凝结过快。

  液面高度参数设定还与合金性质,冷却水温度有关。

  3.4冷却水控制LHC低液位组合结晶器具有对称的上下两个水腔,每个水腔都有自己的成套喷水孔,高冲击角喷孔与低冲击角喷孔独立控制,窄面与宽面的冷却水也独立控制。冷却水控制与引锭头填充和液面高度配合,可以取代传统DC铸造扁锭时的铺底工艺,结晶器的窄面也不需要带缺口。

  针对不同的合金,可以为铸造开始设定不同的冷却水喷射方式。对于软合金,在铸造开始时只打开宽面上的二次水喷嘴,使用低水流量喷射冷却,这可有效控制铸锭底部翘曲量。对于裂纹倾向大的合金,铸造开始时,应同时打开大面和小面的两套水喷嘴,这样既能较好地控制底部翘曲,又可防止底部开裂。

  铸造开始的水流量控制,对于能否成功铸造和铸锭质量非常重要,如果流量太低,表面就会太热,导致过量的熔析,开裂和金属泄漏;如果流量太高,则导致过多的翘曲。

  3.5铸造速度铸造速度与合金的性质,扁锭规格,金属液面高度和金属填充速度以及冷却水控制有关。设定铸造速度参数的关键是确定开始速度,速度提升斜线和稳定铸造速度。不同的合金采用不同的开始速度,一般开始速度在32~40mm/min.较高的开始速度可以防止冷隔的产生,但是较高的开始速度会提高结晶器内熔体温度,液穴加深,凝壳减薄,容易引起开裂。而较慢的开始速度可能增加翘曲量。开始速度在铸造长度为0~75mm通常保持恒定,从铸造长度75mm开始到400mm作线性增加,**进入稳定状态。速度斜线的长度一般随着合金不同和水的温度而变化:裂纹倾向大的合金或者冷却水温度较高时速度斜线则较长,裂纹倾向小的合金或者冷却水温度较低时则速度斜线较短。图3是典型的铸造速度曲线。

  4结语

低液位组合结晶器全自动铸造技术比传统的DC铸造技术生产的铸锭组织更加致密,表面光滑,偏析区图3典型的铸造速度曲线Fig.3Typicalcurveofcastingspeed(壳区)减薄,铸锭厚差和底部翘曲可以有效控制,在热轧时可减少扁锭铣和热轧切边量。用电解铝液与固体冷料合理配料,通过6道净化工序后,可为低液位铸造高精度铝板带生产用扁锭准备纯洁度高的铝合金熔体。浇注温度,引锭头填充速度,金属流量控制销开口度,结晶器金属液面高度,冷却水流量,铸造速度等主要铸造工艺参数互相影响,生产中应根据合金性质,铸锭规格和铸造条件等,设定*佳铸造工艺参数,才能生产出优质的铝板带热轧锭坯。

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