1前言
3004為AL-Mn-Mg系合金，是應用最廣的一種防銹鋁，3004鋁板成形性、溶接性、耐蝕性均良好。主要應用于加工需要有良好的成形性能、高的抗蝕性、可焊性好的零部件，在化工產(chǎn)品生產(chǎn)與儲存裝置，薄板加工件，建筑擋板，電纜管道，下水道，各種燈具零部件、飲料罐、彩色鋁板等領域應用廣泛。
國內(nèi)3004鋁合金的生產(chǎn)有熱軋法和鑄軋法兩種，隨著連續(xù)鑄軋法生產(chǎn)鋁合金帶材的工藝的日益成熟，越來越多的企業(yè)選擇用連續(xù)鑄軋法生產(chǎn)3004鋁合金坯料，鑄軋法生產(chǎn)相對與熱軋法生產(chǎn)，具有投資小、能耗低、生產(chǎn)流程短等優(yōu)點，既能為企業(yè)創(chuàng)造效益，又能達到節(jié)能降耗，節(jié)約成本的目的。但是用鑄軋法生產(chǎn)強度較高的3004鋁合金坯料，在成分配制、鋁合金熔體凈化、內(nèi)部結晶組織和板型控制方面存在一些技術難點，基于此，我們對鑄軋法生產(chǎn)3004鋁合金板材的工藝進行了研究。
2主要技術難點
鑄軋3004鋁合金的研制，化學成分是關鍵，在國家標準范圍內(nèi)對化學成分進行調(diào)整，選擇合適的成分配比，是生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)3004鋁合金板的首要條件。因為3004鋁合金的主要合金元素為Mn和Mg，通過對這兩個元素的多次試驗，最終確定了我公司鑄軋生產(chǎn)的3004鋁合金各合金元素成分百分含量如表1所示
表1：3004合金成分百分含量
由表1 3004合金主要合金成分為Mn和Mg含量較高，易出現(xiàn)成分偏析現(xiàn)象，Mg元素性質(zhì)活潑，容易出現(xiàn)氧化燒損，同時因3004合金中的Fe、Mn和Mg的含量高造成其結晶溫度區(qū)間高達20℃，高于1XXX系、8011和3003合金，不同合金結晶區(qū)間如表2，采用鑄軋法生產(chǎn)3004合金時在鑄軋區(qū)內(nèi)結晶不均勻，導致板坯組織差異，易出現(xiàn)晶粒組織缺陷。以上合金特點決定了3004合金產(chǎn)品質(zhì)量較難控制且鋁液流動性較差，易出現(xiàn)邊部大豁邊、鑄咀內(nèi)腔易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，生產(chǎn)連續(xù)性、穩(wěn)定性較差。⑴鑄軋法生產(chǎn)3004合金板坯的工藝控制中的難點主要就是控制Mg元素的氧化燒損，成分穩(wěn)定和鋁液在鑄軋區(qū)內(nèi)的結晶的均勻性。
表2：不同合金結晶溫度區(qū)間
3鑄軋生產(chǎn)工藝研究內(nèi)容
3.1化學成分配制
在3004合金的熔煉中，關鍵是如何控制鎂元素的燒損較大這一問題，因此，在熔煉3004合金時為了減少燒損，在熔煉過程中要使用溶劑覆蓋，同時，鎂元素應以純鎂錠形式加入爐內(nèi)，而鎂的比重小于鋁，而且在高溫下一遇空氣就會燃燒，不容易加入。因此，加鎂時一般是將鎂錠放在特制的加料器內(nèi)，迅速侵入鋁水液面之下，往返攪動使鎂錠逐漸熔化于熔體中，加入之后并應立即散上一層粉狀溶劑。另外，熔體中鈉的存在可使3004合金產(chǎn)生鈉脆性，熔煉時嚴禁使用含鈉離子的溶劑覆蓋或精煉。為了杜絕鈉的污染，必須使用以MgCl2和 KCl為主要成分的溶劑精煉和覆蓋。配制3004合金時，由于Mn在鋁中的溶解度很低，為此在熔煉3004合金時，當熔體溫度達到720℃以上時，應多次攪拌熔體，以加速錳的溶解和擴散。否則，如攪動熔體時溫度過低，取樣分析的錳含量往往要比實際含量偏低，補料后將可能造成錳超標⑵。
針對以上各合金元素特性，在我公司實際生產(chǎn)中Fe、Mn和Ti元素均采用合金添加劑配制，吸收快，燒損小，但因Mg元素性質(zhì)活潑，高溫下很容易氧化燒損，為防止Mg的燒損，保證成分均勻穩(wěn)定，待所有合金成分添加完畢后，導爐前30分鐘添加Mg，配制時采用含量99.9﹪的鎂錠，按控制上限配制，制作專用 配料筐把鎂錠裝入配料筐內(nèi)，快速推入鋁液底部，“N”字形移動，充分攪拌使成分均勻，精煉后快速導入靜置爐并在靜置爐鋁液表面散溶劑進行覆蓋。
3.2 3004鋁合金熔體質(zhì)量控制
在鋁合金熔煉中，始終存在各種形式的夾雜物和一定的氫。而3004合金板坯的高質(zhì)量要求，使熔體的純凈度變得尤為重要，熔體中即使有很小的夾雜物(<50μm直徑)例如利用3004合金深沖兩片式飲料罐的罐體材料，其夾雜物的存在，首先表現(xiàn)在開裂的凸邊。如果夾雜物處于凸邊的邊部，就會引起開裂。因此必須把直徑大于20μm的夾雜物從鋁液中除去，對鋁合金熔體進行加強精煉除氣、過濾，除去可溶的和不可溶的雜質(zhì)，減少氫含量，從而充分保證內(nèi)部組織質(zhì)量。由于3004鋁合金中含鎂較高，鎂比鋁更活潑，更容易氧化造渣吸氫，促使3004合金中的氫含量大大提高，在生產(chǎn)純鋁及8011合金時，除氣一般采用氮氣，氮是一種惰性氣體元素,它在鋁中的溶解度很小,幾乎不溶與鋁,但生產(chǎn)3004合金時,在較高溫度時,氮能與鎂結合生成氮化鎂,形成非金屬夾渣,影響金屬熔體的純凈度，使鋁液粘稠度增加，流動性變差，因此對3004合金的除氣凈化不能用氮氣，而應采用惰性氣體氬氣加四氯化碳混合精煉，在線除氣采用石墨轉子，將氬氣通過四氯化碳罐內(nèi)，通過旋轉噴頭通入鋁液底部，以達到良好的除氣效果。在整個澆注系統(tǒng)中針對3004含鎂較多，其熔體表面的氧化膜是由疏松的氧化鎂組成的，不能阻止金屬與氣體的反應，故在熔煉這些合金時，除采用氬氣、四氯化碳和精煉劑加強精煉外還應對鋁液進行保護，采用的方法是在表面撒覆蓋溶劑，使之形成一層連續(xù)的覆蓋層，他不僅能防止鋁液氧化和吸氫，同時還具有排氫的作用。這是因為覆蓋劑的熔點都比鋁液的熔點低，密度都比熔體小，在液體表面能夠形成一層連續(xù)的覆蓋膜，將熔體和氣體隔開;避免了在澆注過程中的二次吸氫⑷。
3.3鑄軋設備選擇
選擇合適的鑄軋設備是成功出板的首要條件，我公司現(xiàn)有?690*1600和?1000*1850雙輥水平式鑄軋機各兩臺，3004合金相對與其它合金而言，材質(zhì)較硬，鑄軋時所需軋制力較大，所以應采用?1000*1850雙輥水平式鑄軋機，此軋機能提供較大的軋制壓力，保證鑄軋板坯的軋制成型。另外生產(chǎn)3004鋁合金板坯時，因為其結晶溫度區(qū)間大，鋁液凝固較慢，要滿足快速冷卻，對輥套材料的導熱能力和輥套的厚度提出了更高的要求，厚輥套能滿足軋制時板型要求，但輥套厚，導熱不良，易出現(xiàn)粘輥現(xiàn)象;薄輥套導熱快，輥面溫度相應低一些，但過薄的輥套板型不宜控制;因此在實際生產(chǎn)中，一般選擇輥套直徑在?970mm--- ?980mm之間，兼顧板型控制和輥面散熱。
3.4鑄軋工藝參數(shù)優(yōu)化
由于3004鋁合金結晶溫度區(qū)間大，研究合理的鑄軋區(qū)、冷卻強度、鑄軋溫度、前箱液面高度以及軋制速度等工藝參數(shù)，才能保證成功出板的同時，提高鑄軋3004鋁合金板坯的質(zhì)量。在研制過程中，我們主要從上述幾個方面著手，對各個方面進行深入的研究并與理論相結合。在靜置爐內(nèi)經(jīng)過精煉處理后的液態(tài)金屬，通過流槽進入在線除氣、過濾系統(tǒng)，液態(tài)金屬依靠本身的靜壓力作用，從供料嘴出口端面涌出，與被冷卻的旋轉軋輥相遇，溫度急劇下降，從而形成一層很薄的凝固殼。隨著鑄軋輥的轉動、減速，金屬的熱量不斷地被鑄軋輥大量導出，凝固層增厚并繼續(xù)結晶，當上下兩凝固層在中間某點相遇時，進入完全軋制狀態(tài)，此時金屬受到軋輥的壓力作用，產(chǎn)生塑性變形而軋成板帶坯料。當金屬被軋至兩輥中心線時，鑄軋過程結束，即形成鑄軋區(qū)。澆注系統(tǒng)是鋁液流過的通道，必須具備良好的保溫性能，使鋁液盡可能少地的散失熱量，才能保證鑄軋的正常進行。如果澆注系統(tǒng)預熱不好，不僅使鋁液失熱過多，正常鑄軋不能進行，甚至供料嘴內(nèi)有冷凝塊存在而中斷鑄軋。因此，在做3004鋁合金坯料時，澆注系統(tǒng)主要部分均采用保溫棉覆蓋，必要時增加液化氣加熱，確保開機前前箱溫度不低于750℃。前箱液面高度對水平式鑄軋機而言，是指輥縫中點水平線以上液態(tài)金屬的高度。在鑄造區(qū)內(nèi)結晶瞬間的液態(tài)鋁供給量和保持的壓力，都需要靠前箱液面高度產(chǎn)生的靜壓力來控制。位于供料嘴出口與鑄軋輥表面間隙處的液體金屬，形成一層氧化膜，在氧化膜表面張力的作用下，將液態(tài)金屬包攏而不外流，且呈弧形狀，并逐漸冷凝成固態(tài)，完成鑄軋過程。因此，前箱金屬液面高度所形成的靜壓力FP作用在氧化膜上的壓強，必須與鑄軋過程氧化膜的表面張力FM施加給金屬液的壓強相等，才能使氧化膜處于平衡狀態(tài)。即當FP=FM氧化膜不會被沖破，鑄軋可連續(xù)進行;當FP﹤FM，金屬液面低，氧化膜被拉長，氧化膜本身受壓力較小，不易破壞，此時板面質(zhì)量較好，但金屬液面低到一定限度，則供液不足板面易產(chǎn)生空洞缺陷;FP﹥FM，金屬液面高，壓力增加，使氧化膜變薄，容易被破壞而失去包攏作用，輕則板面出現(xiàn)氧化黑皮，嚴重時使液體金屬流入嘴、輥間隙，造成鑄軋中斷⑴。
針對3004合金的特性，在實際研制過程中，我們對前箱液面高度進行了控制，使其高度不得高于上嘴唇的1/3至1/2中線。
在其它軋制條件一定情況下，冷卻強度主要由循環(huán)水水壓、水溫決定，生產(chǎn)3004合金時應采用較低的冷卻水進水水溫，縮短熔體出鑄嘴口溫度與結晶溫度差，提高熔體結晶的均勻性，避免晶粒組織缺陷和粘輥現(xiàn)象。實際生產(chǎn)中水壓應控制在0.4-0.5MPa,冷卻水溫控制在22℃---26℃。
鑄軋板的出口速度應考慮前滑量(6.5%左右)。鑄軋速度與其他工藝參數(shù)的關系最密切，而且調(diào)整方便。調(diào)整鑄軋速度與鋁液在鑄軋區(qū)內(nèi)的凝固速度一致才能保證鑄軋過程的穩(wěn)定性。如果鑄軋速度大于合金的凝固速度，鑄軋板冷卻不足，甚至板坯中心尚未完全凝固就離開軋輥，板坯出現(xiàn)熱帶，破壞鑄軋過程。相反，若鑄軋速度小于合金的凝固速度，鋁液在鑄軋區(qū)內(nèi)停留時間過長，造成過度冷卻，致使鋁液在供料嘴內(nèi)即凝固，堵死供料嘴，同樣破壞鑄軋過程⑶。因此，在實際生產(chǎn)過程中，參照同系其它合金的鑄軋工藝，并結合3004鋁合金自身的特性，我們要求鑄軋速度必須控制在0.70-0.85m/min。
鑄軋3004鋁合金的金相組織及表面質(zhì)量也是我們研究的重點，對于表面要求不能有明顯的橫紋、裂紋，成品縱橫向90度折彎均不能有裂紋。鑄軋卷晶粒度上下表面都應為一級。另外，對鑄軋板形的要求，我們力爭其橫向同板差小于0.03mm，一周縱向差不得超過0.15mm，且中凸度為0.3%-0.6%.
4結束語
通過對3004鋁合金自身特性的研究，對鑄軋工藝的理論研究，并在實踐中對鑄軋各項工藝參數(shù)進行改進和優(yōu)化，我公司不但成功的立板，并且出板后的鑄軋板形各項指標均達到了我們的預期目標，在后續(xù)的冷軋工序，其板面、板形包括力學性能也都基本符合我們的預期值，但還需進一步研究提高3004合金鑄軋生產(chǎn)效率的問題。
參考文獻
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[3] 孫斌煜，板帶鑄軋理論與技術，冶金工業(yè)出版社 2002
[4] 王祝堂，田榮璋，鋁合金及其加工手冊，中南大學出版社 2000
聲明：
“3004鋁合金鑄軋板坯生產(chǎn)工藝研究” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
1007
編輯：中冶有色技術網(wǎng)
來源：河南永登鋁業(yè)有限公司
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