系铝合金铝熔体在线净化系统研究

侯经韬

摘 要：1系铝合金因其质轻、综合性能优良已成为高速列车车体的首选材料。随着科学技术的发展，对铝材的质量要求越来越高，对材料内部冶金质量、综合性能要求也极其严格，尤其是牵引梁，要求具有极高的断裂韧性和疲劳性能。而决定铝材优劣的先决条件是铸锭的冶金质量，所以，如何提高铸锭的冶金质量是抢得先机的关键。

关键词：1系铝合金;铝熔体;在线净化系统;氢含量

1、1系铝熔体中氢含量的影响因素

A.熔体温度。温度越高，熔体越容易吸气，吸气的动力越强，氢的溶解度越高。但温度太低渣不好分离，所以熔体温度要控制在720℃～740℃。对于7系超高强度高韧性难成型的合金可放宽到760℃，超过760℃氢含量很难达标。

B.熔体停留时间。时间越长，吸气的时间也越长，即使对熔体进行了覆盖，熔体中的含气量仍会增加，所以要尽量控制熔体的停留时间。

C.加热方式。所有燃烧方式加热的最终产物都有水，水增加了熔体氢的含量。所有的加热设备中，电加热对熔体氢含量控制效果最好，所以生产高端铝材尽量采用电炉。

D.耐火材料。炉体、流槽、除气过滤设备、模盘等尽量选用质轻、透气性好、易烘烤的耐火材料，以防止耐火材料吸潮。

E.铸造速度。速度快可减少吸气，但除气率会下降，所以在设计工艺时要综合考虑。

F.合金元素。合金元素的影响主要分两种情况：第1种与氢的亲和力增大，如镁;第二种破坏保护膜，如硅等。因熔炼过程中合金元素不可改变，所以要加强其他方面的工作，如覆盖、烘烤、除气过滤和减少二次污染等。

G.气候环境。选择干燥的季节，避开潮湿多雨季节。还可选择一些干旱的地区生产高端铝材，如西北地区等。

H.精炼气体。效果最好的是氯气，因为氯和氢的亲和力非常强。但氯气属有毒有害气体，国家控制非常严格。其次是氩气，效果最差的是氮气。目前应用最多的是氩气。

I.其他。如精炼、除气用熔剂、气体纯度、覆盖剂质量等。

2、1系铝合金熔铸工艺过程控制

2.1 炉料质量控制

2.1.1 电解铝液入炉方式控制

如何将经过预处理的电解铝液转入熔炼炉，即电解铝液的转注方式对于有效减少合金熔体中夹杂物（主要是Al2O3）含量和氢含量以及改善熔体质量很重要。常用的“小瀑布”转注方式不仅在转注过程中会产生大量的Al2O3夹杂物，而且会将大量氢卷入熔体中。因此，在1系铝合金熔铸生产中，理想的电解铝液转注方式应该是采用虹吸管装置进行转注。采用这种方式，在转注过程中，电解铝液将会在熔池内铝液的次表层下流动，避免电解铝液与熔池底部及熔体表面发生强烈 碰撞而造成铝液氧化和强烈吸氢。

2.1.2 固体炉料的质量控制

固体炉料主要包括重熔铝锭和回炉料。在1系铝合金熔铸过程中添加固体炉料，不仅可以使高温电解铝液降温，而且还可以增加合金熔体中非自发晶核数量，有利于合金坯料获得细小的等轴晶粒。固体炉料的质量控制应从以下几个方面入手：

1）固体炉料存储时应用篷布遮盖，避免炉料长期暴露于空气中产生比较厚的氧化层并吸附较多的水分，减少粉尘对炉料的污染，因為粉尘通常含有较多的SiO2，而SiO2进入熔体中，势必会造成熔体中硅含量增加，不利于熔体化学成分的准确控制;

2）在配料时，应控制带气孔、疏松、裂纹以及含粗晶组织（包括粗大晶粒、羽毛晶和光亮晶）炉料的添加量，因为1系铝合金炉料具有纯度遗传和组织遗传效应。

2.2化学成分控制

化学成分控制对于高品质1系铝合金的熔铸十分关键。1系铝合金的化学成分控制主要是合金熔体中Fe、Si含量控制。合适的Fe、Si含量及Fe、Si相对含量对于优化合金组织中金属间化合物的组成、改善铸造性能、降低铝箔坯料的裂纹和疏松倾向非常关键。通常，应控制ω（Fe）>ω（Si），且ω（Fe）/ω（Si）>1，才能避免在合金凝固过程中生成有害作用更大的β-Fe相（Fe2Si2Al9），而变为生成有害作用较小的α-Fe相（Al12Fe3Si）。β-Fe相在铝合金中呈粗大针片状，在凝固过程中可以长得很长，具有很大的脆性，对铝基体有严重的割裂作用，是铸造和后续压力加工过程中的裂纹源。它们的存在会迅速降低铝合金的塑性和强度。此外，粗大针片状β-Fe相在凝固过程中会堵塞枝晶间的补缩通道，从而导致铝合金组织产生显微疏松缺陷，并在后续压力加工过程中造成箔材针孔、裂纹甚至断裂缺陷的增加。因此，通过控制Fe、Si含量及ω（Fe）/ω（Si）比值改变合金中的相组成，以达到减少有害相的产生，是高品质箔材坯料生产的有效工艺途径。

2.3 在线除气工艺控制

国内外各大厂家及研究机构就如何减少铝液中的氢含量投入了大量的资源进行研究，因此市场上出现了许多新的工艺及设备。

目前，市面上的在线除气工艺多采用浮游法，主要是将惰性气体通入铝液后，形成许多细小的气泡。铝液中的气体在惰性气体上升的过程中不断渗透进入气泡，并且将夹杂物被吸附在气泡表面，随着气体一起逸出并停留于熔体表面。使用浮游法时，向铝液通入惰性气体的方式对除气工艺效果影响很大。

2.4 过滤除渣工艺控制

1系铝熔体中夹杂物主要一部分直接来自废料，而大部分则是在熔化过程中所形成的，在铸造前的所有夹杂物称为一次氧化夹杂，根据尺寸大小可分为两类：一类是宏观组织中分布不均匀的大块夹杂物，它使合金组织不连续，降低铸件的致密性，成为腐蚀的根源和裂纹源，从而明显降低合金的强度和塑性;另一类是细小的弥散夹杂，这类夹杂物经过精炼也不能完全去除，它使熔体粘度增大，降低凝固时铝液的补缩能力。

2.5 铸造工艺控制

铸造工艺参数对1系铝合金铸锭质量的影响很大，其核心是在熔体成分和工艺装备确定的条件下，通过合理搭配铸造温度、铸造速度和冷却强度，生产出表面质量和内在质量优良的铸锭。在铸造过程中最重要一项关键要求是不允许有热裂纹。由于1系铝熔体未添加细化剂，导致细化元素Ti含量很低，仅仅依靠微量Ti的添加，要想获得具有合格无缺陷的产品非常困难。因此，在铸造起头时，采用低的铸造速度和小的水流量，即要有较缓的梯度。

3、结语

本文着重讨论了影响1系铝合金熔体质量的因素，以及从各工序角度上探究了工艺控制的某些关键问题，最大程度地降低净化后熔体被污染的程度。确保铝液纯净度，最终实现可大批量生产高净化度的1系铝合金类产品。

参考文献

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