3104合金熔體渣含量及其影響因素研究

徐正權

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326）

0 前言

在熔鑄過程中，鋁合金熔體中不同程度地存在氣體、各種非金屬夾雜物和其他有害金屬等，往往使鑄錠產生疏松、氣孔、夾渣等缺陷，對其后鋁材的力學性能、加工性能、抗蝕性、陽極氧化性和鋁材的外觀質量都有顯著影響[1]。因此，鋁合金熔體的純凈度必須通過除氣、除渣等措施進行嚴格控制。

3104鋁合金屬Al-Mn-Mg系不可熱處理強化鋁合金，具有密度小、強度高、耐腐蝕性強、易深沖成形等優點，是用作易拉罐罐體的理想鋁合金材料[2]。該合金制品的常見缺陷為針孔和斷罐，而引起針孔和斷罐缺陷的主要原因是鑄錠中含有較多且尺寸偏大的非金屬夾雜物，這些非金屬夾雜嚴重破壞了金屬的連續性。

目前，檢測熔體渣含量的主要手段有壓濾法（PoDFA、Prefil）和電敏感區法（LIMCA）。前者主要為定性分析，取樣復雜，樣品分析結果滯后；后者主要為定量分析，由于價格昂貴，在國內應用較少。該方法為在線連續實時監測，對鋁合金熔體質量的評判更具及時性、準確性和有效性。本文以3104鋁合金為研究對象，通過對熔體渣含量及其影響因素的研究，為該合金熔體的質量控制提供了參考依據和方向。

1 試驗方法及過程

1.1 試驗方法

試驗采用ABB LiMCAIII移動式測渣儀對熔體中的渣含量進行在線檢測，檢測結果用N20avg表示，其含義為熔體中尺寸大于20μm渣子的個數平均值。

LiMCA根據電敏感區原理工作，在電敏感區兩個浸于金屬液中的電極間通有恒定的電流，兩個電極被一個絕緣試樣管所分開，其工作原理如圖1所示。管壁開有一個小孔允許鋁液出入。當絕緣性的夾雜通過這個敏感區小孔時，由于電阻改變產生電壓脈沖信號，通過對電壓脈沖信號進行分析處理，得到相應渣子的尺寸。電壓變化可用下式表達：

圖1 LiMCAi測渣儀工作原理示意圖

式中，ΔV=孔洞電壓變化；ρ=金屬電阻率（Al=25×10-8Ωm）；d=等效球形顆粒直徑；D=電感應區直徑；π=3.1416；I=電流（典型值40 A）。

1.2 試驗過程

在單一變量條件下，于不同流速、不同深床過濾量、不同細化劑用量以及不同廢料使用率的條件下對3104合金熔體分別進行測渣，結果如表1所示。

表1 3104合金熔體測渣結果

2 試驗結果及分析

2.1 熔體流速

從表2的試驗結果可知，隨著熔體流速的增加，熔體中的渣含量隨之增加。在深床過濾中，夾雜物主要以直接攔截、布朗運動、慣性力、重力沉淀等4種方式被吸附于介質表面，隨著熔體流速的增加，深床過濾介質對熔體中渣子的吸附和攔截變得更加困難[3]。但在實際生產中，鑄錠規格的不同和鑄造速度的差異會導致熔體流速的差異，但此差異是在過濾裝置允許的處理能力內，所以熔體渣含量是可控的。

表2 渣含量與流速的關系

2.2 深床過濾量

從表3的試驗結果可知，隨著深床過濾量的增加，熔體中渣含量隨之增加，且在深床過濾后期會變得特別明顯。隨著深床過濾量的增加，過濾介質中吸附殘留的渣子會越來越多，當達到其過濾極限時，介質通道中吸附殘留的渣子（氧化膜、尖晶石、細化劑顆粒等）會在壓差下被擠出過濾介質通道，而使熔體中的渣子增多，故必須對深床過濾量進行嚴格控制。

表3 渣含量與深床過濾量的關系

2.3 細化劑用量

從表4的試驗結果可知，隨著細化劑用量的增加，熔體中渣含量隨之增加。鋁鈦硼晶粒細化劑包含兩種類型的金屬間化合物顆粒：TiB2和TiAl3。TiB2顆粒為微米級，不溶于鋁，而TiAl3顆粒通常為30~50μm，加入后幾秒鐘內溶解[4]。細化劑用量越大，熔體中的TiB2數量越多，聚集的可能性就越大，故造成熔體中的渣含量隨細化劑用量的增加而增加。在兼顧晶粒細化效果的同時，應控制細化劑的用量。

表4 渣含量與細化劑用量的關系

2.4 廢料使用率

從表5所示的試驗結果可知，廢料使用率的多少和熔體中的渣含量無明顯對應關系。廢料使用率的增加對降成本優勢明顯，只要熔體精煉、靜置、在線除氣、過濾等處理到位，熔體中的渣含量能夠得到較好的控制。

表5 渣含量與廢料使用率的關系

3 結論

研究了熔體流速、深床過濾量、細化劑用量以及廢料使用率對3104鋁合金熔體中渣含量的影響，得出以下結論：

（1）隨著熔體流速的增加，熔體中渣含量隨之增加。

（2）隨著深床過濾量的增加，熔體中渣含量隨之增加，且在過濾后期變化明顯。

（3）隨著細化劑用量的增加，熔體中渣含量隨之增加。

（4）廢料使用率的多少和熔體中的渣含量無明顯對應關系。