7A52铝合金熔铸工艺要素控制

刘胤翔

（西南铝业(集团)有限责任公司，重庆 401326）

目前公司熔铸厂生产的厚度500mm以上大规格扁锭的现场成型率低，主要表现为铸造开头铸锭底部裂纹引起的通裂，铸造开头阶段大、小面由于冷隔、夹渣等缺陷产生应力集中后造成开裂。本文根据7A52合金扁锭的熔铸特点，结合现场成型和后部工序的缺陷反馈，通过熔铸工艺的优化，最终解决了520mm×1600mm规格铸锭的熔铸成型问题。

1 试制原材料和设备

熔炼采用的原料有：纯度为99.7%的原铝锭、Al-40%Cu中间合金、Al-4%Cr中间合金、AL-4%Zr中间合金、Al-4%Ti中间合金、Al-15%Mn、Zn锭、Mg锭。

本次7A52试验使用的熔炼炉为熔保一体炉，炉子容量为50吨，炉子承担熔炼和净置的双重任务，炉内采用IRMA精炼[1,2]。在线精炼采用Alpur双转子除气，在线过滤使用PDBF深床过滤。

2 成分设计

7A52合金化学成分如表1。

表1 7A52合金化学成分范围

控制和调整化学成分的目的，主要是改善合金的铸造性能，预防产生铸造裂纹。在国标范围内，借鉴小规格铸锭成型和内部冶金质量，摸索出适合520mm×1600mm大规格铸锭的内控成分。在成分控制方面主要应注意以下几点：①严格控制Mn含量，当Mn含量增加时，会与Fe元素形成硬脆而难容的化合物，使合金的抗裂纹能力和固-液两相区塑性降低。②控制Fe＞Si+0.06%～0.08%，抑制有害针状β相（Fe2Si2Al2）的产生，从而改善热裂纹倾向，提高合金铸造性能；③用Al-Ti杆代替传统Al-Ti块,实验证明Al-Ti杆比Al-Ti块携带的难熔化合物尺寸更小，可改善铝液的铸造性能。

3 熔铸工艺流程

整个熔铸工艺的流程为：准备炉料→装炉→熔化→加Zn→熔化后扒渣→加Mg→搅拌→取样分析→成分调整→炉内精炼→扒渣→在线除气除渣→在线过虑→铸造。

当炉料表面有一层金属熔化后，加入Zn锭，炉料熔化以后，及时测量熔体温度，并在熔体温度控制范围内及时进行扒渣，扒渣前向炉内均匀撒入熔剂粉，扒渣要求平稳，不能使熔体浪推浪，扒渣后要求表面目视不可见大块浮渣。扒渣后加入Mg锭，并保温一段时间[3]。保温结束后需对熔体进行一次搅拌，当Mg锭加入量超过一定量时，需增加一次搅拌。充分搅拌后进行炉前取样，取样后开始成分调整，之后便可开始炉内精炼，精炼时间完成后即可开始铸造。

3.1 熔炼工艺

熔炼过程应尽可能缩短时间，以免熔体长期停留在炉内，造成氧化、吸氢，但也不能把烧嘴天然气流量调得过大，造成熔体局部过热[4]。

熔炼过程中根据熔体的熔化情况，及时扒渣可以使熔体的温度和成分均匀，从而缩短炉内停留时间，这样既能提高熔体质量，又可节约能耗。

（1）准备炉料和装炉。需要准备的炉料有：纯度为99.7%的铝锭,Al-Zr中间合金，Al-Cu中间合金，Al-Cr中间合金，Al-Mn中间合金，Al-Ti中间合金，纯Mg锭，纯Zn锭。按照所需铸锭重量和各元素配料值，计算得出每种原料所需的重量。铝锭，Al-Zr中间合金，Al-Cu中间合金，Al-Cr中间合金随炉一起加入，Al-Zr中间合金均匀加在中下层，Al-Cu中间合金，Al-Cr中间合金均匀加在中上层。Zn锭在炉料熔化后有一层金属液面时加入，Mg锭在炉料完全熔化后加入，Al-Ti中间合金在取样前30min加入。

（2）熔体质量的控制。熔炼的目的就是为了获得干净纯洁且成分均匀的熔体，熔体的氢含量和渣含量的高低均会影响铸锭的质量，因此我们采取下列措施来提高熔炼质量：①熔炼过程中控制熔体温度在720℃～760℃，炉膛温度控制≤1150℃。当炉料熔化以后，及时测量熔体温度，并在熔体温度控制范围内及时进行扒渣。防止熔体因渣子阻碍正常热辐射，引起局部过热。②扒渣前向炉内均匀撒入熔剂粉，扒渣要求平稳，不能使熔体浪推浪，扒渣后要求表面目视不可见大块浮渣。扒渣后加入Mg锭，Mg锭加入温度控制在730℃～750℃，减少熔体的氧化和吸气的机会。③加入Mg锭的同时加入2#熔剂覆盖，防止Mg锭烧损。Mg锭加入后需保温30min,保温结束后需对熔体进行一次搅拌，搅拌时间5～10分钟，当Mg锭加入量≥50Kg时，需增加一次搅拌，两次搅拌间隔时间不少于15min，确保获得成分均匀的熔体。

（3）取样和炉内精炼。现场取样必须具有代表性，否则将会造成铸锭因成分不合格而报废回炉，取样时，取样勺需充分干燥，并将试样模刷均匀刷一层氮化硼涂料，取样前先用金属熔体清洗取样勺后再在进行取样，取样位置为炉子长方向1/4对称区域的熔体中间深度部分。炉内采用IRMA转子精炼，转子转速为200rpm～300rpm，单根通道氩气流量为8～10m³/h，氩气工作压力为2Bar。要求熔体表面的精炼气泡高度控制＜80mm，以确保熔体不被氧化。

（4）在线除气和过滤。采用Alpur装置除气除渣，双转子除气，转子速度设定250rmp/根，转子使用气体为氩气和氯气两种气体，氩气流量：4.2Nm³/h/根，氯气流量：45L/h/根。

铸造过程中需通过气体压力判断转子气孔是否畅通.尤其需要检查Alpur装置气体锁扣是否正常，损坏会造成大量空气进入型腔内，使得熔体氧化造渣。铝液过滤使用PDBF深床过滤。氧化铝介质填充，上下两层分别用3/4＂和1/2＂氧化铝球填充，中间是一层3～6目氧化铝颗粒层。深床过滤应注意以下两点：①避免铝液在床内停留时间超过8h，如果停留时间过长，则需放掉约1/3床内铝液，实践表明铝液在深床停留时间过长会造成床内金属局部金属过热，铸造性能变差，并使得铝液结晶后内部化合物尺寸增大，影响铸锭内部冶金质量;②铸造过程中随时检查深床进出口液位差，如果液位差超过35mm或估算过滤金属总量超过6000吨，则需更换介质。

3.2 铸造工艺

铝合金铸造的首要任务的保证铸锭铸造成型，7A52合金成分的特点决定了虽然裂纹倾向性不如7050等合金大，但该合金对铸造温度范围极其敏感，工艺窗口很窄，再加上为保证内部冶金质量，铸造过程中不使用刮水器对底部进行回火处理，因此7A52合金铸造时的主要解决的问题是开头到稳态阶段，底部缺陷造成的铸锭通裂。

3.2.1 铸造温度的控制

在现场生产由于每条生产的流线长度不同，流槽的保温性能也不尽相同，造成炉内金属温度到结晶器内温差不同，因此在流盘下注管附近插入电偶测量的流盘温度，作为铸造温度的表征最为准确。

温度过高会使结晶器内液穴变深，一次水冷脱模困难，产生拉痕，甚至是拉裂；温度过低又会使金属流动性变差，易产生冷隔，并从缺陷源开始通裂。

综上分析，7A52的铸造温度应控制在一个小范围的区间内，结合现场铸造经验，控制其铸造温度为705℃～715℃为宜。

3.2.2 冷却水流量的控制

7A52合金扁铸锭在半连续铸造时，要根据当前水温来调整水流量和铸造速度，采用循环水铸造时，水温一般比较高，容易因冷却强度不足而产生热裂纹，因此需要适当加大水流量，当水温达到30℃以上时，就应考虑使用新水铸造。现场根据生产经验数据，得出水温与水流量的匹配关系。

表2 7A52合金铸造水温、水流量对应关系表

3.2.3 铸造速度的控制

铸造速度过快会使得结晶器内液穴变深，易形成曲率半径很小的区段，增加产生铸锭大面裂纹的机会，因此生产大宽厚比铸锭时，铸造速度不宜过快。但铸造速度过慢也会令结晶器内液穴的壁厚增加，从而导致外层收缩时，因阻力增加而使得铸锭产生小面裂纹。借鉴同合金其他规格铸造速度参数，把铸造速度控制在45～55mm/min时，铸锭成型情况较好。

4 结论

（1）在控制Fe＞Si+0.06%～0.08%的同时，Mn元素的含量控制在中下限，其他合金元素在内控范围内，得到的铝液合金铸造性能较好；

（2）当冷却水温过高时，应及时采用新水铸造，防止铸锭产生热裂纹；

（3）7A52合金520×1600mm大规格扁锭铸造工艺参数：铸造温度705℃～715℃，铸造速度45～55mm/min，铸造水流量为28-32m³/h/根。