宽幅3102铝合金铸轧板生产工艺研究

1124 编辑：中冶有色技术网来源：青海桥头铝电股份有限公司

2023-06-16 11:59:15

0 前言

3102铝合金属于Al-Mn系变形合金，广泛用于生产空调箔[1,2]。由于采用铸轧板轧制比采用热轧法轧制具有工艺流程短、生产成本低、能耗低等一系列优点，因此，目前在3102铝合金空调箔生产中普遍以铸轧板为坯料进行箔材轧制。而3102铸轧板的生产多以电解铝液为主要原料进行生产，但由于电解铝液具有金属杂质含量多、氢含量高、非金属夹杂物含量多以及温度高等一系列缺点[3]，容易导致铸轧板产生晶粒粗大、气和渣含量高等铸造缺陷，直接影响铸轧板的组织均匀性和后续轧制产品的性能，因此，用电解铝液生产3102合金铸轧板在工艺控制上难度较大。从现有资料来看[1,2]，目前国内用电解铝液生产3102合金铸轧板的板宽均在1500mm左右，而对于宽幅大于1500mm铸轧板的生产工艺研究探讨的比较少。本文将重点探讨利用电解铝液生产宽板幅3102铝合金铸轧板的生产工艺。

1 3102合金的化学成分及合金特性

1)3102合金铸轧板的化学成分

某公司与下游轧制企业签订了生产箔用3102合金铸轧板的技术协议，其化学成分要求见表1。

表1 3102铝合金的化学成分(wt.%)

Table 1 Chemical composition of 3102 aluminium alloy

3102铝合金的化学成分

2)3102合金的特点

3102合金属于Al-Mn系热热处理不可强化铝合金，室温时主要相组成为α(Al)相和MnAl6相，其共晶体中含有较大的金属间化合物，这些化合物呈骨骼状、块状和片状等形态[4]。Mn 是主要的合金化元素，具有一定的固溶强化作用，MnAl6具有一定的弥散强化作用。合金的显著特点在于融融状态下流动性较差，这就决定了合金在铸轧过程中，如果温度控制和熔体处理不当，易出现铸嘴内部堵塞，极易出现粘辊缺陷。此外，由于宽板幅铸轧板的宽度幅面大，从而造成铸轧板的板形控制比较困难。

2 下游用户对3102铝合金铸轧板的质量要求

1)铸轧卷外形尺寸：规格7.0 mm×1800 mm，卷外径1860 mm±10 mm，铸轧卷厚度允差±0.3 mm，板宽允差0 ～12 mm，中凸度0.1%

2)铸轧板晶粒度为1级;

3)化学成分：合金元素分布均匀，合金成分范围符合表1规定;

4)氢含量：不大于0.13ml/100g-Al;

5)外观质量：铸轧带坯断面整齐，断面错层宽度不得超过5mm，头尾5圈不得超过15mm。表面不允许出现热带、孔洞、气泡、裂纹、腐蚀及非金属压入等缺陷;

6)边部质量：工艺裂边≤5mm，边部缺损≤5mm。

3 铸轧生产线主要设备及其参数

主要生产设备包括1台带电磁搅拌装置的50t矩形燃气蓄热式熔炼炉和2台25t倾动式矩形燃气保温炉，在线精炼设备采用ALPUR在线除气箱和FBB串联式双级过滤箱。铸轧机为涿神公司制造的水平双辊式铸轧机，其主要工艺参数见表2。

表2 水平双辊铸轧机的主要技术参数

Table 2 The main technical parameters for the horizontal double roller casting-rolling machine

水平双辊铸轧机的主要技术参数

4 宽板幅3102铝合金铸轧板生产工艺

宽板幅3102铸轧板的生产工艺流程如下：

配料 → 装炉 → 升温熔化 → 搅拌 → 取样 → 预精炼 → 扒渣 →添加中间合金 → 取样分析 → 转炉 → 炉内精炼 → 扒渣 → 在线除气 →在线过滤 →铸轧 → 取卷

1)配料：电解铝液70% + 30%重熔铝锭(或工艺废料)。由于电解铝液温度高于800℃，属于过热熔体，熔体中的非自发形核质点数量少，全部用电解铝液为炉料，很容易使得铸轧板产生粗大晶粒组织。因此，加入固体炉料的目的是，一方面降低电解铝液温度，另一方面可以增加铝熔体中的非自发形核质点数量，有利于促进晶粒细化。此外，在3102合金铸轧板生产中，调整合金成分时，不使用各种金属添加剂而使用各种中间合金(Al-Si、Al-Fe、Al-Mn和Al-Cu)，一方面是因为各种金属添加剂中的杂质含量要比中间合金高得多，而且金属添加剂中的助溶剂在铝熔体中发生反应后发生局部放热反应，可以引燃铝熔体周围氧化铝烧渣，而铝烧渣的温度可达2204℃[5]，会造成铝熔体的局部严重过热，对合金成分的精确控制和晶粒度控制都有负面影响;另一方面，中间合金锭的加入也有利于降低铝液温度和促进晶粒细化。

2)熔炼炉内3102合金熔体的预精炼

为了为保温炉内提供纯洁度较高的合金熔体并减少对保温炉的污染，在炉料熔化完成后，将8块用四氯化碳浸泡的耐火砖分别用工具放置在熔炼炉的不同位置，利用四氯化碳在高温下分解所产生的氯气对铝液进行预精炼，以除去熔体中的部分夹杂、溶解氢和电解铝液中的碱(土)金属Na和Ca。

3)保温炉内熔体的精炼和除碱(土)金属

转炉后，对保温炉内铝熔体进行精炼处理。以高纯氩气微载体向熔体中通入四氯化碳的

方式精炼。采用这种方式，利用四氯化碳分解产生的氯气与碱(土)金属Na和Ca以及溶解氢的反应除去碱金属和氢，反应生成的氯盐随氩气泡上浮至熔体表面，通过扒渣而除去。如此，熔体中的Na和Ca含量可以控制在低于3×10-4%[6]。

4)铸轧过程中转炉铝液的精炼

在3102铝合金铸轧板生产过程中，当保温炉中的停留铝液尚有约10t左右时，要将熔炼炉铝液转入保温炉中，在这种情况下，对保温炉中的铝液要进行过流精炼[7]，来降低铝熔体中的氢含量和夹杂物。

4)在线除气：使用深圳阿尔泰科公司制造的ALPUR在线除气箱进行3102熔体除气，除气介质为高纯氩气，控制石墨转子转速，既保证能够产生均匀细小且弥散的氩气泡的除气效果，同时又保证转子旋转过程中不发生铝液飞溅，造成铝液氧化造渣。经检测，在线除气效果达到0.11ml/100g-Al～0.13ml/100g-Al。

5)在线除渣：使用FBB串联式双级过滤箱，过滤板的目数配置为30/50ppi。对铸轧板进行低倍分析，未发现有夹杂物的存在，下游轧制结果也表明了这一点。

6)晶粒细化：电解铝液对铝合金铸轧板质量的主要影响之一，是由于熔体过热易产生粗大晶粒。虽然在合金熔炼中添加约30%的固体料来降温和增加非自发形核质点数量，但由于铸轧速度较慢，熔体在保温炉内停留的时间过长，铸轧板产生粗大晶粒的倾向仍然很大。为此，采取以下几方面措施来控制铸轧板的晶粒度：① 控制前箱铝液温度在695～700℃;② 确保轧辊冷却强度，控制冷却水压不小于0.25Mpa;③ 在冷却强度一定的情况下，控制铸轧速度适当低一些，将铸轧速度控制在800～850℃;④ 选用品质优良的Al-Ti-B现状晶粒细化剂通过喂丝机在除气箱上游进行逆流在线添加，并确保合适的速度与添加量。Ti添加量以不超过铝熔体量的0.05%为准。对采取上述措施生产的3102合金铸轧板进行低倍分析，结果表明，铸轧板的晶粒大小均匀，均达到1级标准。

7)铸嘴结构的选择：按铝熔体的分配级别，铸嘴结构可分为一级分配、二级分配和三级分配三种。铸嘴的分配级别决定着铝熔体的分配效果，对铸嘴内合金化学成分、流场和温度场的均匀性起着决定性的作用。由于3102铝合金铸轧板宽度大，温度场和流场对于铸嘴的均匀填充非常重要，因此，在宽板幅3102合金铸轧时，选用三级铸嘴结构。三级分配的铸嘴，其整个嘴腔内的铝液温度、铝液分配和铝液流动比一级和二级均匀得多，流入铸嘴内的铝液受到近乎相同的静压力作用，流动速度一致，能够较快并且均匀地充满整个铸嘴[8]。3102铝合金铸轧所采用的三级铸嘴结构如图1所示。

图1 3102铝合金铸轧板生产用的三级分配铸嘴

Figure 1 Level 3 distribution casting nozzle used for production of 3102 aluminium alloy plate

3102铝合金铸轧板生产用的三级分配铸嘴

8)前箱液位控制：在3102铝合金铸轧过程中，对前箱液位控制采取了两个主要措施。一是在溜槽中加装了数道30ppi陶瓷泡沫过滤板，不仅可以减缓铝液液面波动，有利于前箱液面稳定，还可以拦截较大尺寸的非金属氧化物和其他外来杂物，从而改善在线过滤装置的运行效果;二是采用自行设计的丝杠式前箱液位控制装置，将前箱液位精确控制在40±0.5mm。丝杠式前箱液位控制装置如图2所示。

图2 丝杠式前箱液位控制装置

Figure 2 Headbox liquid level control device with screw rod

丝杠式前箱液位控制装置

9)铸轧板板形控制：铸轧板的板形对于后续箔材轧制有着至关重要的影响。铸轧板的板形主要包括纵向厚差、中凸度、相邻两点差、两边厚差和同板差。而影响铸轧板板形的因素很多，如铸轧辊凸度、辊套装配与安装精度以及铸轧工艺参数设置等[8]。在宽板幅3102铝合金铸轧板生产过程中，通过以下板形控制措施获得了良好的铸轧板板形：

a 尽可能选用新铸轧辊或加工去除表面龟裂少的铸轧辊生产宽板幅铸轧板，因为辊径越大，板坯尺寸精度越好，板形越好。在宽板3102合金铸轧时，铸轧辊的辊径不得小于998mm;

b 定期清理铸轧辊辊芯冷却水槽，确保铸轧过程中的冷却强度。某公司地处青藏高原，铸轧所使用的冷却水水质较硬，矿物质含量很高，在铸轧温度下水槽极易形成结垢，使得冷却水槽局部堵塞，导致不良的铸轧辊热传导，严重影响铸轧板的板形控制。通过采用以少量稀盐酸、缓蚀剂和钝化剂配置的清洗液对辊芯水槽进行清洗，消除了辊芯水槽结构问题，改善了铸轧辊的热传导，使得铸轧辊进出口循环冷却水温度稳定控制在23～25℃，从而确保了铸轧板板形的稳定控制;

c 合理选择铸轧工艺参数。在铸轧辊辊型确定的前提下，铸轧工艺参数的调整与控制对铸轧板板形的控制尤为重要。在宽板幅3102合金铸轧板生产中，通过溜槽保温改造和自制丝杠式液位控制器的应用，前箱液位稳定稳定控制在40±0.5mm;前箱铝液温度稳定控制在695～700℃;控制铸轧区长度在55～60mm;辊嘴间隙控制范围为0.45～0.50mm;铸轧辊的辊凸度和表面粗糙度分别为0.48mm和0.80μm。

d 板形控制效果：板凸度0～1%(即0～0.07mm);同板差≤0.04mm;纵向厚差≤0.08mm;相邻两点差≤0.04mm;两边厚差≤0.04mm。

5 宽板幅3102铸轧板的质量检测结果

用上述措施和工艺参数生产的宽板幅3102铝合金铸轧板的质量检测结果如下：

1)3102铸轧板化学成分均匀，内部组织优良，无夹杂和气孔出现;

2)铸轧板上下表面的晶粒度均达到一级，且晶粒度大小均匀;

3)氢含量稳定控制在0.12ml/100g-Al以下;

4)下游轧制结果反馈验证了上述检测结果，且轧制板形良好，轧制工艺裂边稳定控制在≤5mm。

6 结论

1)用电解铝液生产宽板幅3102铝合金铸轧板的固液比为3:7;

2)为了会的良好的3102铝合金熔体质量，采用熔炼炉内四氯化碳浸泡砖预精炼、以高纯氩气为载体向保温炉内铝熔体中通入四氯化碳进行炉内精炼、以高纯氩气为除气介质的在线FBB除气以及采用30/50ppi目数配置的在线除渣措施，可以获得良好的3102铝合金熔体冶金质量;

3)通过选择合适的铸轧辊辊型、清理铸轧辊辊芯以确保铸轧过程中的冷却强度以及合理的铸轧工艺参数搭配，可以获得良好的铸轧板板形;

4)宽板幅3102铝合金铸轧板生产的最佳工艺参数配置：铸轧辊的凸度及表面粗糙度分别为0.48mm和0.80μm;铸轧区长度为55～60mm;铸轧温度为695～700℃;前箱液面高度为40±0.5mm;铸嘴结构为三级分配;辊嘴间隙控制范围为0.45～0.50mm。