3003鋁合金大輥徑連續鑄軋工藝研究

張宏強

（酒鋼集團，甘肅 嘉峪關 735100）

3003鋁合金屬于Al-Mn系，熱處理不可強化鋁合金，它具有中等強度，耐蝕性、焊接性、塑性和工藝性能良好等優點。基于這些優點，3003鋁合金主要用于加工壓力罐、熱交換器、油箱、油路導管、洗衣機缸體、幕墻板等零部件[1]。目前，國內3003鋁合金生產大多采用半連續鑄錠，經熱軋開坯后再冷軋出成品，工序復雜，成本高昂。針對這種現況，通過采用大輥徑雙輥傾斜式連續鑄軋法生產3003鋁合金，具有板幅寬、精度高、流程短、投資低、效率高、節能環保等優點。

1 3003鋁合金的組織特點及質量要求

1.1 鑄軋板的材料組織特點

在3003鋁合金中，Mn是主要合金元素，起到提高強度，細化晶粒，改善深沖性能的作用，但Mn含量過高會形成大量的脆性化合物MnAl6，合金變形時容易發生開裂。在合金中加入ω（Fe）=0.4%～0.7%的鐵，形成（FeMn）Al6化合物，可以降低錳在鋁中的溶解度，有效地細化板帶材退火后的晶粒度。其次，對其進行均勻化處理，可消除偏析，去除應力，調整化合物相的結構和溶質元素沉淀析出分布狀態。

表1 3003鋁合金的化學成分(質量分數/%)

1.2 生產質量要求

生產要求：規格6.5mm×1680mm，卷重9.8t～10t，氫含量≤0.15ml/100gAl，晶粒度1級，錯層≤5mm，整卷塔型≤10mm，工藝裂邊≤5mm。表面無熱帶、氣道、裂紋、嚴重粘板、劃傷、腐蝕、偏析條紋、氧化皮印、雜質壓入等缺陷。

2 鑄軋設備和生產工藝

2.1 鑄軋生產線主要設備及其參數

熔煉過程采用30t矩形燃氣蓄熱式熔煉爐和30t矩形電阻加熱保溫爐，攪拌方式為電磁攪拌。在線精煉設備采用石墨轉子在線除氣箱和泡沫陶瓷過濾板雙級過濾箱。

傾斜式雙輥鑄軋機主要技術參數：軋輥規格?1200×2350mm，成品帶材帶寬1400mm～2200mm，最大卷材重量35000Kg，壓上油缸直徑?900mm，最大預載力24000KN，單輥最大扭矩700KN.m，軋輥最大線速度2000mm/min。

2.2 熔煉生產的工藝流程

配料→裝爐→升溫熔化→攪拌扒渣→取樣→投入中間合金→取樣→噴粉精煉、扒渣→成分調整（合格）→向保溫爐倒爐→撒打渣劑、扒渣→氮氣精煉、扒渣→取樣。

（1）配料：熔煉爐中固液投料比為2：8。熔體過熱會導致熔體中活性結晶核心減少，造成鑄軋帶坯的晶粒粗大，影響其組織和質量。因此，用加入固體冷料來降低鋁液溫度，增加形核數量，細化晶粒，確保帶坯質量并節約成本。

（2）噴粉精煉：精煉溫度745℃～750℃左右，以氮氣為載體噴粉精煉，每次精煉18min。精煉時氣量適中，氣泡不能高于20cm，見到氫閃即可。精煉的機理是液體內分散的氧化物顆粒碰到氮氣泡時，被吸附在氣泡上，并隨氣泡一起上浮到液面，達到除渣的目的。

2.3 鑄軋生產的工藝流程

鋁溶體從保溫爐爐眼流出后經過自動控流→在線除氣→鈦絲添加→在線過濾→溜槽一級控流→前箱二級控流→鑄軋→取卷，完成整個鑄軋生產的工藝流程。

（1）在線除氣：使用石墨轉子在線除氣箱，除氣介質為高純氮氣。為產生細小均勻、彌散的氮氣泡且轉子旋轉時不使鋁液飛濺，產生氧化渣，氮氣壓力設為0.2MPa～0.3MPa，流量0.5m3/h～1.5m3/h，轉子轉速300r/min。經檢測，在線除氣效果達到0.07～0.12ml/100gA1，除氣箱溫度控制到720±2℃。

（2）在線過濾：配置二級過濾箱，使用30+50ppi的雙級泡沫陶瓷過濾板，除雜更徹底。對鑄軋板取樣低倍分析，沒有發現有夾雜物的存在。

（3）晶粒細化：晶粒度是衡量鑄軋板質量的重要指標，晶粒度越小，力學性能和加工性能越好。晶粒度的大小可以通過以下幾個方面來控制：①采用晶粒細化劑，通過喂絲機在線添加品質優良的Al-5Ti-1B絲，按生產需求選擇恰當的速度與添加量。②避免溶體溫度過高，減少溶體融化和靜置時間，保溫爐內溶體溫度控制在720℃～740℃，溶體在前箱的溫度控制在700℃～705℃。③降低軋輥冷卻水進水溫度，提高冷卻強度，以增加形核率。

通過以上措施，對生產出的3003鋁合金鑄軋板進行低倍檢測，發現晶粒度細小均勻，均達到1級標準，檢測結果如圖1、圖2所示。

圖1 3003鋁合金鑄軋板光學顯微組織相圖

圖2 3003鋁合金鑄軋板掃描電鏡圖像

（4）前箱液位控制：在3003鋁合金鑄軋過程中，為了使鑄軋供流穩定，采用杠桿式控流裝置，過濾箱出口一級控流和前箱二級液位控流方式，將前箱液位精確控制在液面上下波動0.5mm之內。

（5）供料嘴結構：供料嘴結構按鋁熔體的分配級別可分為一級分配、二級分配和三級分配。由于3003鋁合金鑄軋板寬度大，靜壓力場、溫度場和流場對于供料嘴的均勻填充非常重要，一級分配阻礙小，流速快，不易出現阻滯現象，但分流不均勻，板型難以控制。三級分配各流口所受靜壓力、流速、溫度幾乎相同，溶體流動平穩、整齊，但分流塊過多，過散，制作排列不易控制，流體阻力大，易出現阻滯現象。在3003鋁合金鑄軋時，為了保證溶體在嘴腔中流動較平穩，又不能出現阻滯現象，供料嘴選用二級分配結構，如圖3所示。

圖3 3003鋁合金鑄軋板生產用的二級分配供料嘴

（6）鑄軋板板形控制：衡量鑄軋板板形的指標主要有縱向厚差、中凸度、相鄰兩點差、兩邊厚差、同板差。影響鑄軋板形的因素及控制措施主要有以下幾點。①鑄軋輥輥形對鑄軋板形的影響：輥徑的大小、軋輥的中凸度、表面粗糙度、兩輥輥徑差直接影響板坯的板形。輥徑越大，板坯尺寸精度越高，板形越好；軋輥的凸度可以抵消軋輥彎曲，控制板坯橫向厚差；適中的軋輥表面粗糙度有助于火焰噴涂炭層的附著，防止粘板，若粗糙度太小，鑄軋板會產生大的滑移。②鑄軋工藝參數對鑄軋板形的影響：在鑄軋輥輥形、冷卻水強度確定的前提下，鑄軋工藝參數的調整與控制對鑄軋板板形的控制尤為重要。

3 3003鋁合金鑄軋板的質量檢測結果

用上述設備和工藝生產的3003鋁合金鑄軋板化學成分均勻，內部組織優良，無偏析，晶粒細小均勻，無夾雜和氣孔出現。

表2 3003鋁合金鑄軋板質量檢測結果

4 結論

（1）熔煉爐每次裝爐固液投料比為2：8。達到冷料降溫，增加形核數量，細化晶粒，并基本達到爐內精煉溫度，有效利用多余熱量，降低加熱能耗。

（2）為獲得尺寸精度更高、板形更好的坯料，采用?1200×2350mm的大鑄軋輥并優化輥形。軋輥中凸度為0.42mm～0.44mm，粗糙度0.7um～0.8um，兩輥徑差小于5mm。

（3）使用二級分流供料嘴，制作方便，分流塊排布合理，供流均勻穩定，再在過濾箱中配合使用雙級泡沫陶瓷過濾板，獲得更加純凈的溶體，供流更加穩定流暢，不易出現阻滯現象。

（4）3003鋁合金大輥徑鑄軋生產工藝參數得到優化匹配，鑄軋區長度56mm～60mm，輥縫寬度4.70mm～4.75mm，鑄軋溫度700℃～705℃，鑄軋速度900mm/min～1000mm/min，卷取張力50KN～55KN,冷卻水壓控制在0.45MPa～0.55MPa，入口水溫20℃～25℃。按照該工藝技術參數生產的鑄軋板，其質量達到客戶的各項要求。