鋁合金熔體氫含量控制研究

劉勇純，楊 楊，周思根

(佛山三水鳳鋁鋁業，廣東 佛山 528133)

0 引言

鋁合金因其質輕、綜合性能優良已成為高速列車車體的首選材料。隨著科學技術的發展，對鋁材的質量要求越來越高，對材料內部冶金質量、綜合性能要求也極其嚴格，尤其是牽引梁，要求具有極高的斷裂韌性和疲勞性能。而決定鋁材優劣的先決條件是鑄錠的冶金質量，所以，如何提高鑄錠的冶金質量是搶得先機的關鍵。

鋁合金生產的控制指標中，最難降低的是氫含量和渣含量指標。鋁材中氫含量和渣含量高代表著疲勞裂紋源多，在周期應力作用下容易產生疲勞裂紋，降低合金的斷裂韌性和疲勞性能，對加工制品的使用壽命產生影響。要想獲得氫含量和渣含量低的高質量產品，可通過優化工藝、改進設備等措施，在鑄錠熔鑄階段消除這些冶金缺陷，提高熔體的純凈度。

目前，國內各生產企業要生產出氫含量低于0.12 ml/100 g的鑄錠非常困難。而要進一步降低氫含量，使其低于0.10 ml/100 g則更加困難。即使偶爾能夠生產出來，但工藝參數不穩定，無法實現量產化，原因是在熔鑄過程中很多問題沒有得到根本解決。例如，由水引起的鑄錠中氫含量的增加，爐體的含水僅靠烘爐無法解決，必須連續生產幾十爐才能將爐體的水分除去；流槽的水分只能通過盡量縮短流槽的長度和加強烘烤去除；空氣的濕度無法控制，等等。這些不利因素都會對鋁熔體造成二次污染，從而增加了鑄錠氫的含量。

1 熔體中氫含量的影響因素

A.熔體溫度。溫度越高，熔體越容易吸氣，吸氣的動力越強，氫的溶解度越高。但溫度太低渣不好分離，所以熔體溫度要控制在720℃～750℃(方錠可控制在700℃左右)。對于7系超高強度高韌性難成型的合金可放寬到760℃，超過760℃氫含量很難達標。B.熔體停留時間。時間越長，吸氣的時間也越長，即使對熔體進行了覆蓋，熔體中的含氣量仍會增加，所以要盡量控制熔體的停留時間。C.加熱方式。所有燃燒方式加熱的最終產物都有水，水增加了熔體氫的含量。所有的加熱設備中，電加熱對熔體氫含量控制效果最好，所以生產高端鋁材盡量采用電爐。D.耐火材料。爐體、流槽、除氣過濾設備、模盤等盡量選用質輕、透氣性好、易烘烤的耐火材料，以防止耐火材料吸潮。現在有部分企業在選擇耐火材料時圖省事而選擇強度高、透氣性不好的耐火材料，這種材料雖然壽命長，但里面的水分很難擴散出來。有些熔鑄設備廠商也會選擇強度高、壽命長的耐火材料，致使有些模盤用了一個月還在冒泡，這種模盤僅靠烘烤是不行的，必須用熔體將水分吸出來。E.鑄造速度。速度快可減少吸氣，但除氣率會下降，所以在設計工藝時要綜合考慮。F.合金元素。合金元素的影響主要分兩種情況：第1種與氫的親和力增大，如鎂；第二種破壞保護膜，如硅等。因熔煉過程中合金元素不可改變，所以要加強其他方面的工作，如覆蓋、烘烤、除氣過濾和減少二次污染等。G.氣候環境。選擇干燥的季節，避開潮濕多雨季節。還可選擇一些干旱的地區生產高端鋁材，如大西北等。H.精煉氣體。效果最好的是氯氣，因為氯和氫的親和力非常強。但氯氣屬有毒有害氣體，國家控制非常嚴格。其次是氬氣，效果最差的是氮氣。目前應用最多的是氬氣。I.其他。如精煉、除氣用熔劑、氣體純度、覆蓋劑質量等。

2 生產高質量鑄錠的措施

2.1 爐體結構

熔煉爐在建造時一定要脫離地面，防止地下的水汽通過毛細現象滲入爐體。工字鋼上面是鋼板，在其上建造熔煉爐，如圖1所示。

圖1 爐體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of furnace structure

2.2 爐體水含量

要生產0.12 ml/100 g以下的鑄錠，爐內精煉必須達到0.2 ml/100 g以下。一臺新爐爐體的水分靠烘爐無法去除，必須靠洗爐將爐體的水分洗掉。洗爐的數量與氫含量的關系是雙曲線，拐點在5～6爐之間，所以要想生產高質量的鑄錠，必須將熔煉爐爐體的水分處理掉，如圖2所示。

圖2 爐數與氫含量關系圖Fig.2 Relationship between furnace quantity and hydrogen content

2.3 除氣箱和過濾箱的箱體水含量

理論上，除氣箱和過濾箱箱體的水含量符合熔煉爐的洗爐數據規則。但實際上，過濾箱和除氣箱因外界因素的影響，水含量會增加。所以，在生產高端鋁材時，也要將過濾箱和除氣箱的水分處理掉。所有流槽要采用輕質材料，使用一段時間后再用于生產高端鋁材，并且生產前要使用專用的烘烤設備烘烤12 h以上。

2.4 合理布局

空氣中有大量的水蒸氣，熔體溫度越高，流道越長，吸氣越嚴重。因此，設備布局要緊湊，除氣爐和過濾爐必須設計在一個爐子中。高端鋁材大多是7系高強高韌和2系硬鋁合金，這些合金流量非常小，如果流道過長，鑄造時就要提高澆鑄溫度，而熔體溫度不能超過760℃。由于流道過長，很多生產線不能生產高端鋁材，這是很多企業的通病。

生產高端鋁材的設備結構必須緊湊，整個流道長度熱頂鑄造不超過2 m，浮漂漏斗鑄造不超過1 m。過濾箱要和除氣箱組合在一起減少流槽的有效長度。東北某科研所曾設計的電加熱流槽、雙轉子除氣等設備，因為流槽過長，最終鑄造溫度要800℃以上才可以生產出7075鑄棒，但溫度過高會影響鋁棒的質量。

2.5 鑄造方式與二次污染的控制

變形鋁合金的鑄造方式有兩種：一種是浮漂漏斗式半連續鑄造，一種是熱頂同水平半連續鑄造。前者生產效率低但冶金質量易控制，后者生產效率高但冶金質量難以控制。

二次污染是指鋁液流出除氣設備后，進入結晶器前吸氣的過程。如果二次污染得不到控制，則很難生產出高冶金質量的鑄錠?？s短流槽的長度可減少熔體二次污染。如果流槽的長度過長，則二次污染不可避免。

模盤、流槽需采用輕質、透氣性好的耐火材料。用專用烘烤工具烘烤，時間大于12 h。如果耐火材料透氣性差，要延長使用和烘烤時間。

2.6 精煉劑、覆蓋劑的使用

熔爐內精煉時，要按規定使用精煉劑，精煉要徹底不留死角。所有暴露在空氣中的熔體表面都要使用覆蓋劑覆蓋，熔煉爐內也要覆蓋。覆蓋劑可延緩熔體吸氣，減少熔體的氫含量。使用覆蓋劑時要注意，在有透氣磚的地方要減少覆蓋劑的用量，避免鑄造過程中黏液流入透氣磚中。

3 結語

如果要生產出符合要求的氫含量低的高端鋁材，就要對設備合理布局，縮短流槽長度。爐襯、流槽、模盤要選用質輕、透氣性好、易烘烤的耐火材料。所有的工序及所用的原輔材料都要嚴格按照工藝要求執行。