用电解铝液生产3104铝合金扁锭熔铸工艺技术研究

刘民章，梁鲁清，张志超，李 莉

（青海桥头铝电股份有限公司技术中心，青海 西宁 810100）

0 前言

随着国民经济的发展和国民生活质量的提高，铝合金材料饮品包装的需求量不断增长。目前，市场上广泛使用的碳酸饮料包装罐材质主要以3104铝合金为主。在美国、日本等发达国家，以3104铝合金作为啤酒、可乐等饮料的包装罐已经有很长的时间，而在中国使用铝合金材料作为包装罐的历史则相对很短。近十几年来，国内相关研究机构、学院和企业相继进行了3104罐用合金的研究，并取得了一定进展。但是，这方面的研究大多集中于理论方面（如轧制织构等）以及均热处理对合金基体中第二相形貌、制耳率及断罐率的影响方面，而关于用电解铝液生产高品质罐用3104铝合金扁锭的研究却鲜见报道。在目前电解原铝产能过剩的情况下，研究用电解铝液直接生产高品质3104罐用铝合金扁锭的生产工艺，对于高品质罐料的轧制有着重要的意义。

1 轧制对3104铝合金扁锭的基本要求

1.1 罐用3104铝合金扁锭的化学成分

罐用3104铝合金扁锭的化学成分要求见表1。

表1 罐用3104铝合金扁锭的化学成分（质量分数/%）

1.2 罐用3104铝合金扁锭的质量要求

（1）铸锭氢含量小于0.12 ml/t.Al;（2）铸锭内部晶粒度1级;（3）铸锭内部疏松缺陷1级；（4）铸锭不允许有裂纹、气孔、羽毛晶及夹渣缺陷。

2 罐用3104铝合金扁锭的生产工艺

2.1 生产设备

3104铝合金扁锭的主要生产设备包括德国Loi公司制造的55T熔铝炉、55T液压倾翻式保温静置炉、阿尔泰科公司生产的石墨转子在线除气装置和双级陶瓷泡沫过滤装置、保温炉炉内熔体精炼载氩喷粉精炼装置以及美国wagstaff公司制造的低液位铝合金扁锭铸造机。

2.2 生产用原辅材料

电解铝液、99.70%重熔铝锭、Al-Mn、Al-Fe、Al-Si、Al-Cu中间合金、重熔镁锭。

2.3 3104铝合金熔炼

（1）固液比：根据产品规格所需装炉量，规定了固液比为40%的固体料+60%的电解铝液[1]。

（2）装炉顺序：当炉温达到800℃以上时开始加料，先加固体料，然后加电解铝液。

（3）熔炼要求：电解铝液加完后启动电磁搅拌器进行搅拌，时间20 min，待铝液全部熔化后，再启动电磁搅拌器搅拌20 min，确保合金熔体成分和温度均匀性；铝液温度升至730℃以上时，进行人工搅拌，扒渣取原始样进行分析，根据分析结果进行成分调整。

（4）熔炼炉内熔体的预精炼：由于配料使用了60%的电解铝液，而电解铝液又具有温度高、杂质含量高以及氢含量高的特点[2]，为了确保保温静置炉内熔体精炼以及在线处理效果，在熔炼炉内用四氯化碳对熔体进行预精炼，降低熔体中渣含量、氢含量和碱金属（尤其是钠）含量。

（5）取样分析及转炉：预精炼完成后静置20min取样分析，待成分合适且温度达到740℃时转炉，转炉时保温炉炉膛温度必须要保证在800℃。

（6）保温静置炉内铝液的精炼：采用高纯氩气载六氯乙烷与无钠精炼剂混合粉末对铝合金熔体进行喷粉精炼，精炼时间不少于20min。精炼完成后静置20min并扒渣、取样，对熔体化学成分进行炉前快速检测，成分合格后开始铸造。

2.4 3104铝合金熔体的在线处理

在线除气：通过在线除气箱对铝熔体进行在线除气。使用前对在线除气箱用天然气进行烘烤，以确保除气箱耐火材料内衬温度不低于700℃，并使吸附于内衬中的水分排出干净。由于3104铝合金中含有一定量的Mg，为了避免熔体处理过程中铝与氮发生反应生成氮化镁，恶化熔体的流动性能，因此，在线除气过程中使用氩气而非氮气。要求氩气压力在550kPa～760kPa，纯度在99.99%以上[1]。

在线除渣：使用40/60ppi配置的陶瓷过滤板进行除渣。使用前对除渣箱用天然气进行烘烤，除渣箱耐火材料内衬温度不低于700℃，内衬烘烤时间不得少于2h。

2.5 晶粒细化

铸造过程中，采用国产φ9mm Al-5Ti-1B中间合金杆，以逆流加入方式对熔体进行处理。

2.6 3104铝合金扁锭的DC铸造

结晶器的选择及其要求：在3104铝合金扁锭铸造中，采用固定式结晶器。对结晶器的基本要求如下：

（1）铸造前，必须要用细砂纸对结晶器内壁进行打磨，必须纵向打磨，不允许横向进行打磨，要求内壁必须平整光滑无腐蚀和硬划伤等缺陷并涂油。

（2）在铸造之前必须对结晶器的水套进行清理，保证水套内无杂物，防止水孔堵塞，使冷却不均匀。

（3）为了调整铸锭大小面的冷却强度，铸造前安装、检查结晶器时，按照工艺规定对部分喷水孔用橡胶孔塞进行封堵。

铸造工艺参数的选择：铸造工艺参数的最佳搭配是确保铝合金扁锭具有良好的成形性和符合内在质量要求的保证。生产高品质3104铝合金扁锭的最佳工艺参数，见表2。

表2 生产3104铝合金扁锭的铸造工艺参数

3 3104铝合金扁锭DC铸造常见的质量缺陷及其控制

3.1 3104铝合金扁锭DC铸造常见的质量缺陷及其形成原因

3.1.1 粗大晶粒

粗大晶粒的出现多与熔体长时间过热、晶粒细化剂使用不当、合金熔炼过程中使用了过量具有粗大晶粒的工艺废料（组织遗传）或铸造工艺参数不当有关。

3.1.2 夹杂

3104铝合金扁锭组织中最常见的夹杂形式为氧化膜，见图1。

图1 铸态3104铝合金扁锭中的氧化膜夹杂

其原因有以下几个方面：

（1）来自电解铝液、炉料和各种加剂中的杂质，铸造后在铸锭中则会产生夹杂。

（2）熔体精炼静置时间不够。使用高纯氩气载六氯乙烷喷粉精炼，从理论和实践经验方面来讲，应该具有理想的精炼效果。但是，如果精炼后的静置时间过短，那么，溶解和悬浮于熔体中的氧化渣就不能随精炼气泡充分上浮于熔体表面，可能有一部分气和渣存在于熔体中，并在浇铸过程中进入铸锭。

（3）晶粒细化剂质量及加入量。晶粒细化剂杆溶解性能不理想或晶粒细化剂加入过量，造成扁锭中硼化钛粒子富集，形成夹杂。

（4）源于耐火材料的夹杂。

（5）在线除渣箱使用的陶瓷过滤板目数选用不当，没有充分发挥挡渣功能，致使悬浮于熔体中部分尺寸较小的氧化膜随液流进入结晶器，最终在铸锭中形成夹杂。

3.1.3 疏松

通常，在大截面3104铝合金扁锭DC铸造中不可避免地会出现疏松缺陷，但是，对疏松程度有着严格的限制，罐料轧制厂家允许3104扁锭中存在轻微疏松（如图2），因为轻微疏松可以通过高速轧制得到焊合，对3104罐料的轧制及深冲拉伸断罐率没有明显的影响。

造成3104铝合金疏松缺陷形成的原因有以下几个方面：

（1）合金熔体净化程度不高。合金熔体中存在大量的电解质、炭渣、氧化物等杂物，会引起夹杂性疏松。

图2 铸态3104铝合金扁锭中的轻微疏松

（2）保温炉内熔体静置时间不够。合金熔体精炼后，熔体中的杂质需要一定时间随精炼气泡向上漂浮，静置时间过短会导致夹杂不能充分上浮，会产生夹杂性疏松。

（3）生产环境相对湿度大。经测试分析表明，当环境相对湿度大于85%时，极易引起夹杂性疏松[4]。

3.1.4 裂纹

罐用3104铝合金扁锭中不允许出现裂纹。在高度自动化罐身料的深冲拉伸过程中，裂纹直接影响罐料的断罐率。

（1）冷却强度大小决定着单位时间内的降温速度。冷却强度提高，铸造液穴变浅，过渡带缩小，金属的补缩条件得到改善，有利于减小铸锭中的疏松、气孔等缺陷，铸锭的致密度提高，晶内结构更细化。但是，随着冷却强度的提高，铸锭内的温度梯度增大，热应力值相应提高，铸锭的裂纹倾向增大。

（2）化学成分决定着3104合金扁锭凝固过程中第二相金属化合物的类型和形貌。3104合金是添加了一定Mg含量的Al-Mn合金。凝固过程中形成种类繁多的第二相，如MnAl6、（FeMn）Al6、β-Al6(FeMn)、β-（FeMnSi）Al、α-Al12(FeMn)3Si相等[5～11]。在众多第二相中，α相以钝化圆润的形貌分布于基体组织中，在强冷却条件下不会产生应力集中割裂基体组织；而β相多呈骨骼状、大片状以及有尖角的的块状，具有小面特征，割裂基体，在强烈冷却条件下，极易产生应力集中，而产生裂纹，如图3所示。

图3 铸态3104铝合金扁锭中的裂纹

3.2 DC铸造3104铝合金扁锭质量缺陷的控制措施

3.2.1 粗大晶粒控制

（1）控制电解铝液的配料比例。电解槽内铝液的温度在930℃左右，用真空抬包吸出并运输到铸造车间后，铝液的温度仍然保持在860℃～900℃[2]，属于过热熔体。在实际生产中，电解铝液的配料量控制在60%以内。

（2）尽可能实现快速熔炼与炉内精炼处理。熔化、精炼时间长，必定造成熔体过热，导致粗大晶粒产生。因此，控制熔炼和精炼时间是消除粗大晶粒的重要途径。

（3）控制具有粗大晶粒组织的炉料用量。金属炉料具有组织遗传性[5]。实践证明，在3104合金熔炼中，具有组织遗传炉料的添加量不能超过15%。

（4）铸造工艺参数控制。在3104铝合金扁锭DC铸造时，在确保合金扁锭具有良好的成形性的前提下，采用较大的冷却强度控制粗大晶粒很有必要。

（5）添加晶粒细化剂。添加晶粒细化剂要保证细化剂有效化学元素的含量和良好的溶解性能。因为有效元素的溶解性能好，则实收率高，细化效果就好。实践证明，在溜槽中通过自动喂丝机逆流添加晶粒细化剂杆细化效果好。

3.2.2 夹杂缺陷控制

（1）加强炉料管理，防止炉料污染。

（2）尽可能不要采用人工搅拌或机械搅拌，最大程度利用电磁搅拌、永磁搅拌或炉底透气砖搅拌。

（3）采用虹吸装置从真空抬包向熔炼炉转注铝液，将铝液转注过程中氧化膜形成的可能性降低到最低程度。

（4）选择最佳的固液比，减小高杂质含量电解铝液对夹杂形成的不利影响。

（5）确保合适的精炼温度和静置时间，使夹杂有充足的时间随精炼气体上浮至熔体表面。

（6）确保精炼用气纯度不小于99.90%。

（7）采用高质量双级或复合过滤板。

3.2.3 疏松缺陷控制

（1）电解铝液的净化处理：将原铝液用虹吸管转入熔炼炉转注入熔炼炉，添加适量的除渣剂，电磁搅拌20～30 min，将液面浮起的渣子扒干净；静置炉内的熔体净化，用气体（Cl、 Ar、N或两种气体的混合）精炼为宜。在线净化采用三级在线除渣系统，过滤板以40/60ppi为宜。

（2）严格控制保温炉内熔体的静置时间：确保熔体静置不少于30 ～40 min；

（3）降低环境湿度： 在铸造平台侧旁增设抽风机，消除铸造平台上方聚集的水蒸汽，使生产环境相对湿度小于40%；

（4）控制炉内合金液温度 ：炉内温度达到工艺要求(733～742℃)。

3.2.4 裂纹控制

（1）在3104合金化学成分给定的情况下，通过在成分范围内调整Fe、Si含量和Fe/Si比值，使铸态3104铝合金中出现尽可能多的α相和尽可能少的β相，减小β相对合金基体割裂。

（2）选用更加有效地晶粒细化剂，以改善合金组织中第二相的尺寸和形貌。目前3系铝合金扁锭生产通常采用Al-5Ti-1B中间合金杆作为晶粒细化剂，虽然细化效果较好，但是对于第二相的形貌和尺寸没有明显的作用。使用Al-5Ti-0.25C-2RE[13～15]增加碳原子与熔体的润湿性，增加TiC粒子的生成量，为细化过程提供更多的异质形核粒子，提高TiC粒子的表面活性，细化晶粒，并使富铁相呈短小骨骼状、小球状、短杆状、颗粒状，降低由于第二相形貌原因造成的应力集中，减小合金凝固过程中产生热裂纹的倾向。

（3）根据铸锭规格选择合适的铸锭冷却强度，适当调整铸锭大小面的冷却水流量，消除凝固过程中由于冷却不均匀所造成的应力集中。

4 结束语

用电解铝液生产高品质罐用3104铝合金扁锭在工艺操作上存在很大难度，广大铝合金熔铸技术人员面临机遇也面临挑战。作者认为，只要我们认真研究3104合金的特性、电解铝液的特点，从理论和实践上研究探索适合于罐用3104合金扁锭生产的熔体处理工艺和铸造工艺参数的合理配置，就一定能生产出满足罐体日益减薄所需要的高品质合金扁锭，从而摆脱我国罐料长期依赖进口的困局，开创中国铝加工行业的新局面。

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