7A52鋁合金熔鑄工藝要素控制

劉胤翔

（西南鋁業(集團)有限責任公司，重慶 401326）

目前公司熔鑄廠生產的厚度500mm以上大規格扁錠的現場成型率低，主要表現為鑄造開頭鑄錠底部裂紋引起的通裂，鑄造開頭階段大、小面由于冷隔、夾渣等缺陷產生應力集中后造成開裂。本文根據7A52合金扁錠的熔鑄特點，結合現場成型和后部工序的缺陷反饋，通過熔鑄工藝的優化，最終解決了520mm×1600mm規格鑄錠的熔鑄成型問題。

1 試制原材料和設備

熔煉采用的原料有：純度為99.7%的原鋁錠、Al-40%Cu中間合金、Al-4%Cr中間合金、AL-4%Zr中間合金、Al-4%Ti中間合金、Al-15%Mn、Zn錠、Mg錠。

本次7A52試驗使用的熔煉爐為熔保一體爐，爐子容量為50噸，爐子承擔熔煉和凈置的雙重任務，爐內采用IRMA精煉[1,2]。在線精煉采用Alpur雙轉子除氣，在線過濾使用PDBF深床過濾。

2 成分設計

7A52合金化學成分如表1。

表1 7A52合金化學成分范圍

控制和調整化學成分的目的，主要是改善合金的鑄造性能，預防產生鑄造裂紋。在國標范圍內，借鑒小規格鑄錠成型和內部冶金質量，摸索出適合520mm×1600mm大規格鑄錠的內控成分。在成分控制方面主要應注意以下幾點：①嚴格控制Mn含量，當Mn含量增加時，會與Fe元素形成硬脆而難容的化合物，使合金的抗裂紋能力和固-液兩相區塑性降低。②控制Fe＞Si+0.06%～0.08%，抑制有害針狀β相（Fe2Si2Al2）的產生，從而改善熱裂紋傾向，提高合金鑄造性能；③用Al-Ti桿代替傳統Al-Ti塊,實驗證明Al-Ti桿比Al-Ti塊攜帶的難熔化合物尺寸更小，可改善鋁液的鑄造性能。

3 熔鑄工藝流程

整個熔鑄工藝的流程為：準備爐料→裝爐→熔化→加Zn→熔化后扒渣→加Mg→攪拌→取樣分析→成分調整→爐內精煉→扒渣→在線除氣除渣→在線過慮→鑄造。

當爐料表面有一層金屬熔化后，加入Zn錠，爐料熔化以后，及時測量熔體溫度，并在熔體溫度控制范圍內及時進行扒渣，扒渣前向爐內均勻撒入熔劑粉，扒渣要求平穩，不能使熔體浪推浪，扒渣后要求表面目視不可見大塊浮渣。扒渣后加入Mg錠，并保溫一段時間[3]。保溫結束后需對熔體進行一次攪拌，當Mg錠加入量超過一定量時，需增加一次攪拌。充分攪拌后進行爐前取樣，取樣后開始成分調整，之后便可開始爐內精煉，精煉時間完成后即可開始鑄造。

3.1 熔煉工藝

熔煉過程應盡可能縮短時間，以免熔體長期停留在爐內，造成氧化、吸氫，但也不能把燒嘴天然氣流量調得過大，造成熔體局部過熱[4]。

熔煉過程中根據熔體的熔化情況，及時扒渣可以使熔體的溫度和成分均勻，從而縮短爐內停留時間，這樣既能提高熔體質量，又可節約能耗。

（1）準備爐料和裝爐。需要準備的爐料有：純度為99.7%的鋁錠,Al-Zr中間合金，Al-Cu中間合金，Al-Cr中間合金，Al-Mn中間合金，Al-Ti中間合金，純Mg錠，純Zn錠。按照所需鑄錠重量和各元素配料值，計算得出每種原料所需的重量。鋁錠，Al-Zr中間合金，Al-Cu中間合金，Al-Cr中間合金隨爐一起加入，Al-Zr中間合金均勻加在中下層，Al-Cu中間合金，Al-Cr中間合金均勻加在中上層。Zn錠在爐料熔化后有一層金屬液面時加入，Mg錠在爐料完全熔化后加入，Al-Ti中間合金在取樣前30min加入。

（2）熔體質量的控制。熔煉的目的就是為了獲得干凈純潔且成分均勻的熔體，熔體的氫含量和渣含量的高低均會影響鑄錠的質量，因此我們采取下列措施來提高熔煉質量：①熔煉過程中控制熔體溫度在720℃～760℃，爐膛溫度控制≤1150℃。當爐料熔化以后，及時測量熔體溫度，并在熔體溫度控制范圍內及時進行扒渣。防止熔體因渣子阻礙正常熱輻射，引起局部過熱。②扒渣前向爐內均勻撒入熔劑粉，扒渣要求平穩，不能使熔體浪推浪，扒渣后要求表面目視不可見大塊浮渣。扒渣后加入Mg錠，Mg錠加入溫度控制在730℃～750℃，減少熔體的氧化和吸氣的機會。③加入Mg錠的同時加入2#熔劑覆蓋，防止Mg錠燒損。Mg錠加入后需保溫30min,保溫結束后需對熔體進行一次攪拌，攪拌時間5～10分鐘，當Mg錠加入量≥50Kg時，需增加一次攪拌，兩次攪拌間隔時間不少于15min，確保獲得成分均勻的熔體。

（3）取樣和爐內精煉。現場取樣必須具有代表性，否則將會造成鑄錠因成分不合格而報廢回爐，取樣時，取樣勺需充分干燥，并將試樣模刷均勻刷一層氮化硼涂料，取樣前先用金屬熔體清洗取樣勺后再在進行取樣，取樣位置為爐子長方向1/4對稱區域的熔體中間深度部分。爐內采用IRMA轉子精煉，轉子轉速為200rpm～300rpm，單根通道氬氣流量為8～10m3/h，氬氣工作壓力為2Bar。要求熔體表面的精煉氣泡高度控制＜80mm，以確保熔體不被氧化。

（4）在線除氣和過濾。采用Alpur裝置除氣除渣，雙轉子除氣，轉子速度設定250rmp/根，轉子使用氣體為氬氣和氯氣兩種氣體，氬氣流量：4.2Nm3/h/根，氯氣流量：45L/h/根。

鑄造過程中需通過氣體壓力判斷轉子氣孔是否暢通.尤其需要檢查Alpur裝置氣體鎖扣是否正常，損壞會造成大量空氣進入型腔內，使得熔體氧化造渣。鋁液過濾使用PDBF深床過濾。氧化鋁介質填充，上下兩層分別用3/4＂和1/2＂氧化鋁球填充，中間是一層3～6目氧化鋁顆粒層。深床過濾應注意以下兩點：①避免鋁液在床內停留時間超過8h，如果停留時間過長，則需放掉約1/3床內鋁液，實踐表明鋁液在深床停留時間過長會造成床內金屬局部金屬過熱，鑄造性能變差，并使得鋁液結晶后內部化合物尺寸增大，影響鑄錠內部冶金質量;②鑄造過程中隨時檢查深床進出口液位差，如果液位差超過35mm或估算過濾金屬總量超過6000噸，則需更換介質。

3.2 鑄造工藝

鋁合金鑄造的首要任務的保證鑄錠鑄造成型，7A52合金成分的特點決定了雖然裂紋傾向性不如7050等合金大，但該合金對鑄造溫度范圍極其敏感，工藝窗口很窄，再加上為保證內部冶金質量，鑄造過程中不使用刮水器對底部進行回火處理，因此7A52合金鑄造時的主要解決的問題是開頭到穩態階段，底部缺陷造成的鑄錠通裂。

3.2.1 鑄造溫度的控制

在現場生產由于每條生產的流線長度不同，流槽的保溫性能也不盡相同，造成爐內金屬溫度到結晶器內溫差不同，因此在流盤下注管附近插入電偶測量的流盤溫度，作為鑄造溫度的表征最為準確。

溫度過高會使結晶器內液穴變深，一次水冷脫模困難，產生拉痕，甚至是拉裂；溫度過低又會使金屬流動性變差，易產生冷隔，并從缺陷源開始通裂。

綜上分析，7A52的鑄造溫度應控制在一個小范圍的區間內，結合現場鑄造經驗，控制其鑄造溫度為705℃～715℃為宜。

3.2.2 冷卻水流量的控制

7A52合金扁鑄錠在半連續鑄造時，要根據當前水溫來調整水流量和鑄造速度，采用循環水鑄造時，水溫一般比較高，容易因冷卻強度不足而產生熱裂紋，因此需要適當加大水流量，當水溫達到30℃以上時，就應考慮使用新水鑄造。現場根據生產經驗數據，得出水溫與水流量的匹配關系。

表2 7A52合金鑄造水溫、水流量對應關系表

3.2.3 鑄造速度的控制

鑄造速度過快會使得結晶器內液穴變深，易形成曲率半徑很小的區段，增加產生鑄錠大面裂紋的機會，因此生產大寬厚比鑄錠時，鑄造速度不宜過快。但鑄造速度過慢也會令結晶器內液穴的壁厚增加，從而導致外層收縮時，因阻力增加而使得鑄錠產生小面裂紋。借鑒同合金其他規格鑄造速度參數，把鑄造速度控制在45～55mm/min時，鑄錠成型情況較好。

4 結論

（1）在控制Fe＞Si+0.06%～0.08%的同時，Mn元素的含量控制在中下限，其他合金元素在內控范圍內，得到的鋁液合金鑄造性能較好；

（2）當冷卻水溫過高時，應及時采用新水鑄造，防止鑄錠產生熱裂紋；

（3）7A52合金520×1600mm大規格扁錠鑄造工藝參數：鑄造溫度705℃～715℃，鑄造速度45～55mm/min，鑄造水流量為28-32m3/h/根。