铝合金熔铸技术的发展现状

铝合金熔铸技术的发展现状近年米，我国铝材的需求量持续快速增长，到2000年达到200万t以上。铝材被广泛应用于航天、航空、建筑、交通、运输、包装、电子、印刷、装饰等国防和民用领域。我国的铝加工技术得到了迅速的发展和提高，西南铝业(集团)有限责任公司等大型企业开发出PS版基、制罐料、电解电容器用高压箔、波音飞机锻件等技术含量和附加值较高的产品，替代进口产品。然而，由于我国铝加工业技术仍然比较落后随着加入wT0．铝加工业不仅要面临国内竞争，而且还要与国外发达国家的大企业进行更激烈的竞争，这就要求我国铝加工企业不断加大投入，加快铝加工技术的发展，缩小与国外先进水平的差距．在竞争中求生存和发展。熔铸是铝加工第一道工序，为轧制、锻造、挤压等生产提供合格的锭坯．铸锭质量的高低直接与各种铝材的最终质量密切相关。20世纪90年代以来，国内熔熔铸技术有了较大的提高，某些方面甚至达到了国际先进水平，例如西南铝业(集团)有限责任公司的在线除气和氢含量检测等技术。但在整体上，我国铝熔铸技术水平同国际先进水平相比，还有较大差距。本文对国内外铝合金熔铸装备、晶粒细化、熔体净化等技术及发展趋势和最新成就做简要介绍，为国内企业缩小与发达国家的差距赶超国外先进水平提供参考。1熔铸设备熔铸设备的发展多年来一直追求大型、节能、高效和自动化。在国外，大型顶开形炉和倾动式静止炉得到广泛应用，容量一般达30－50t，多得达100t以上，熔铝炉装料完全实现机械化。铸造机通常使用液压铸造机，大型液压铸造机可铸100t/次以上．最大铸锭重量达30t熔炼炉燃烧系统一般采用中、高速烧嘴，加快炉内燃气和炉料的对流传热，燃烧尾气通过换热器将助燃空气加热到350～400．从而将熔炼炉的热效率提高到50％以上。燃烧系统的新发展是使用快速切换蓄热式燃烧技术．即所谓的“第二代再生燃烧技术”，它采用机械性能可靠，迅速频繁切换的匹通换向阀和压力损失小、比表面积大且维护简便的蜂窝型蓄热体．实现了极限余热回收和超低no2排放。此外，用计算机控制熔铸生产全过程已较为普遍。国内西南铝业(集团)有限责任公司从1989年起，先后从英国引进了4台35t顶开式圆形炉和配套的4台35L倾动式静置炉，2台前苏联制造的60t液压铸造机，以及1台50t顶开式圆形炉及配套的静置炉，60t内导式液压铸造机。35t熔炼炉燃烧系统为2个中速烧嘴和1个高速烧嘴，35t熔化炉和静置炉的燃烧实现计算机控制，50t炉的燃烧系统是2组再生式烧嘴，该机组从熔炼到铸造全过程均由计算机控制。另外，为了使熔化炉内铝熔体的化学成分更均匀，减少劳动强度，发达国家通常都在炉底安装电磁搅拌器。国内在“七五”期间研制成了“炉底平板式”电磁搅拌装置，现在该技术在国内应用不太多，是“八五”期间新技术推广项目。2晶粒细化在铝液中加入晶粒细化剂可以明显改善铸锭的组织．最广泛使用的是A1-Ti二元合金和al－ti－b三元合金。国内产品主要有A1—4Ti和Al一5Ti一1B块状细化剂，在调整好铝熔体成分后加入；而国外多将细化剂做成棒状，在铸造流槽中加人，细化效率显著提高。产品有Al一-5Ti—lB、Al一5Ti一02B、Al一3Ti一1B、Al一6Ti等；国内很多厂家在生产高质量产品时，。使用进口的棒状细化剂。今年来，细化剂的研究集中在降低使用成本和减少添加细化剂对熔体质量的影响上，针对不同合金采用不同的细化剂，如在某些铝箔和特薄板中使用A1—6T；或低硼细化剂AL-5TI-0.2B以减少FiB2粒子对产品质量的影响．使用新的高浓度产品．AL-10TI-0.48和AL-10Ti，在添加等量Ti的情况下与A1—5Ti一-0．2B或Al一6Ti有同等细化效果，但使用成本却显著下降。另外，1996年美国铝业公司研制出了新的细化剂AL-TI-C,先后应用在：lxxx、2xxx、3xxx、4xxx、5xxx、6xxx、7xxx系合金中．显示出很多优点，我国AL-TI-C细化剂也正在进行研究。3熔体净化和检测多年来，铝合金制品对铸锭的内部质量尤其是清洁度的要求不断提高，而熔体净化是提高铝熔体纯洁度的主要手段．熔体净化可分为炉内处理和在线净化两种方式。3.1炉内处理炉内熔体处理主要有气体精炼，熔剂精炼和喷射精炼等方式。炉内处理技术的发展较慢，国内只有90年代中期出现的喷粉精炼相对较新，其除气除渣效果较气体精炼和熔剂精炼稍好，但因精炼杆靠人工移动，精炼效果波动较大。2004-09-1112:38AMzcf版主注册日期:2003年04月来自:平均每天发表:0.05发表数量:39国外先进的炉内净化处理都采用自动控制。较有代表性的有两种：一种是从炉顶或炉墙向炉内熔体中插入多根喷枪进行喷粉或气体精炼，但该技术存在喷枪易碎和密封蹦难等缺点而未广泛应用；另一种是在炉底均匀安装多个可更换的透气塞，由计算机控制精炼气流和精炼时间。该方法是比较有效的炉内处理方法。3．2在线净化一般说来，炉内处理对铝合金熔体的净化效果是有限的．要进一步提高熔体纯洁度，进一步降低氢含量和去除非金属夹杂物，必须采用高效的在线净化技术，在线净化有除气和过滤之分。(1)在线除氢在线除氢装置是各大铝熔铸厂重点研究和发展的对象．种类繁多．典型的有MINT等采用固定喷嘴的装置和SNIF、Alpur等采用旋转喷头的设备。我国从80年代末一些厂家先后从国外购买了MINT、SNIF、Alpm等装置，此后，在引进装备的基础上。也自行开发了多种除气设备．如西南铝业(集团)有限责任公司的SAMRU、DFU、DDF等等。这些除气装置采用N２或Ar作为精炼气体，能有效去除铝熔体中的氢。如在精炼气体里加入少量的cl2cCI4或sF6等物质，还能很好地除去熔体中碱金属和碱土金属。然而，上述除气装置的体积都较大，铸次间放干料多或需加热保温，运行费用昂贵。除气装置新的发展方向是在不断提高除气效率的同时，通过减小金属容积．消除或减少铸次间金属的放干，取消加热系统来降低运行费用，如Ajcan公司开发的紧凑型除气装置ACD．该装置是在一般流槽上用多个小转子进行精炼，转子间用隔板分隔。该装置在铸次之间无金属存留，无需加热保温，运行费用大幅度下降，除气效果与传统装置相当或更好。另一种有前途的装置是加拿大casthousetechnologyIit研制的流槽除气装置．该装置的宽度和高度与流槽接近，在侧面下部安装固定喷嘴供气。该装置占地极少，只有极少放干料，操作简单．除气效率高。国内西南铝业(集团)有限责任公司2000年研制成了类似的紧凑型除气装置cdu。该装置在仅使用氯或氮气的情况下除气率达到50％以上．占地只有lmxO．5m．无需加热保温．放干料约30kg．而造价仅为传统除气装置的1／4—1／3，运行费用降低百分之30以上．是一种极具推广应用价值的除气装置。(2)熔体过滤过滤是去除铝熔体中非金属夹杂物最有效和最可靠的手段．过滤方式有多钟，效果最好的有过滤管和泡洙陶瓷过滤板。床式过虑器体积大．安装和更换过滤介质费时费力．仅适用于大批量单一合金的生产，因而使用的厂家较少，在我国目前还没有应用。其最新的进展是挪威科技大学等正在研制的紧凑深床过滤器。该装置中，铝液向下流动，装置底部中央有一透气塞加入惰性气体，与透气塞上方的铝液上升管形成一个气体提升泵，可调节出口金属水平，目的是在提高过滤效率的同时．更有效的利用过滤球，此装置小巧紧凑，易于装填、清空和移动。刚玉管过滤器过滤效率高，但价格较昂贵、使用不方便，在日本应用较多。西南铝业（集团）有限责任公司曾在80年代研制成了刚玉管过滤器，但因装配质量等原因过虑效果不稳定，在90年代已不再使用。泡沫陶瓷过滤板使用方便，过滤效果好，价格低，在全世界广泛使用。在发达国家百分之50以上的铝合金熔体都采用泡沫陶瓷过滤板过滤。该技术发展迅速．为满足高质量产品对熔体质量的要求．过滤板的孔径越来越细．国外产品已从15、20、30、40、50ppi发展到60、70ppi，同时还有不少新品种面世。较有前途的一是Selee公司的复合过虑板，该过滤板分为上下两层，上面一英寸厚的孔径较大，下而一英寸厚的孔径较小，品种有30／50、30／60、30／70ppi等。复合过滤板比普通过滤板的效率高．通过的金属量更大。另一种是VesuviusHi—TeCHhCeramics生产的新型波浪高表面过滤板，此种过虑板的表面积比传统过滤板的多30％，金属通过量有所增加。国内在90年代初开始研制生产泡沫陶瓷过滤板．目前生产厂家众多，规模都较小。由于基础差．技术较落后，还基本未生产出好于40ppi的产品，而且普遍存在肓孔、通孔较多等缺点，有待进一步提高质量。对于较高质量要求的制品，发达国家普遍采用双级泡沫陶瓷过滤板过滤，其前而一级过虑板孔径较粗，后一级过滤板孔径较细，如30／50、3060ppi．甚至40／70配置等，国内西南铝业(集团)有限责任公司对双零铝箔、Ps版基、制罐料等产品的熔体也采用30/50ppi双级泡沫陶瓷过滤板过滤，自行设计制造的双级保温过滤箱．实现了安装一次过滤板可连续生产7熔次，大幅度降低了过滤成本。3.3检测技术铝熔体和铸锭内部纯洁度的检测有测氢和测夹杂物两种，前者的种类很多，目前世界上使用的测氢技术有20多种．例如减压凝固法，热真空抽提法，载气熔融法等，但应用最广泛的是以Tele-gas和Alscan为代表的闭路循环法，该法数据可靠，是目前唯一适合铸造车间使用的检测方法。国内西南铝业(集团)有限责任公司熔炼厂在telegas和telegasⅡ的基础上开发的便携式HAD测氢仪．经过了多次改进，仪器用的测氢探头实现了国产化，不但价格远远低于进口产品．而且寿命比进口产品长的多。这种测氢仪操作简便、维护容易、价格便宜．而且重量轻，携带方便，国内许多厂家都在使用HAD测氢仪。在我国，对铝合金夹杂物检测的研究较少．使用的方法仅限于铸锭的低倍和氧化膜检查两种，对铝熔体的非金属夹杂物检测几乎是空白。而国外对铝熔体的夹杂物检测研究很多，比较成熟的方法有PoDFA、LAlS和LiMCA。2004-09-1112:39AMzcf版主注册日期:2003年04月来自:平均每天发表:0.05发表数量:39其中前两种都是以过滤定量金属后，过滤片上的夹杂物面积除以过滤的金属量作为指标，不能连续测量：后一种是定量测量方法，其第二代产品LiMCAⅡ可同时测量过滤前后的夹杂物含量，过滤前使用硅酸铝取样头，过滤后使用带伸长管的硼硅玻璃取样头，伸长管可减少除气装置产生的悬浮气泡对测量结果的影响。LiMCA可连续检测熔体中的300чm的夹杂物-是目前最先进的，测量速度最快，测量结果最直观的夹杂物检测仪，但价格很高。通过氢含量和夹杂物含量检测可有效地监控铝熔体净化处理的效果，为提高和改进工艺措施提供依据，对提高铝材质量有很大意义。4铸造技术半连续铸造是世界上应用最普遍、历史最悠久的铝合金铸造技术，我国在50年代初从前苏联引进了此技术。各铝加工企业和研究机构一直致力于提高铸锭表面质量，即尽可能平整光滑，减少或消除粗品层偏析瘤等表面缺陷，减少铸锭厚差及底部翘曲和肿胀等等，使铸锭在热轧前尽可能少铣面或不铣面，提高成材率。铸造技术的新进展和有前途的技术有：脉冲水和加气铸造、电磁铸造、气滑铸造、可调结晶器、低液位铸造(LHC)、ASM新式扁锭结晶器等。4．1脉冲水和加气铸造在铸造开头阶段，采用脉冲水冷却，降低直接水冷强度，可减少铸锭底郝翘曲和缩颈，该技术产生于20世纪60年代中期，当今的脉冲水，采用自动化控制和最新旋转脉冲阀，具有快的脉冲速度而无水锤现象。加气铸造与脉冲水铸造具有同样的效果，即在铸造开头阶段，在冷却水中加入二氧化碳或空气、氮气，将这种加气冷却水喷到铸锭表面时，在铸锭表面形成一层气体隔热膜，从而减缓了冷却强度，之后再逐步减少气体量，不断增加冷却效率。这两项技术在国外应用普遍，在我国目前还没采用。4．2电磁铸造(EMCl电磁铸造最早是前苏联研究成功的，它采用电磁结晶器取代传统的直冷式结晶器。由于电磁铸造的结晶器壁不与熔融金属直接接触，铸锭表面极为光滑、内部组织非常均