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鋁合金熔鑄技術的現狀及發展趨勢

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鋁合金熔鑄技術的現狀及發展趨勢

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前 言
近年來,我國鋁材的需求量持續快速增長,到2000年,達到了約200萬噸以上,鋁材被廣泛應用于航天、航空、建築、交通、運輸、包裝、電子、印刷、裝飾等衆多國防和民用領域。我國的鋁加工技術得到了迅速的發展和提高,以西南鋁為龍頭的國内企業開發出了PS闆基、制罐料、高壓電子箔、波音飛機鍛件等技術含量和附加值較高的産品,填補了國内空白,替代了進口。然而,由于我國鋁加工業起步晚,規模小,技術落後,随着我國加入WTO,鋁加工業不僅要面臨國内競争,而且還要與國外發達國家的大企業進行更激烈的競争,這就要求國内鋁加工企業不斷加大投入,推動鋁加工技術迅速向前發展,縮小與國外先進水平的差距,在競争中生存和發展。
熔鑄是鋁加工的第一道工序,為軋制、鍛造、擠壓等生産提供合格的錠坯,鑄錠質量的高低直接與各種鋁材的最終質量密切相關,90年代以來,國内熔鑄技術得到了迅速的發展和提高,某些方面甚至達到了國際先進水平,如西南鋁的在線除氣和氫含量檢測等。但在整體上,我國的熔鑄技術水平同國際先進水平相比,還有較大的差距。本文對國内外鋁合金熔鑄技術在裝備、晶粒細化、熔體淨化及發展趨勢和最新成就做一簡要介紹,供同行參考。

1熔鑄設備

多年來熔鑄設備的發展一直追求大型、節能、高效和自動化。在國外,大型頂開圓形爐和傾動式靜置爐得到廣泛應用,容量一般達30—50噸,多的達100噸以上,熔鋁爐裝料完全實現機械化。鑄造機通常使用液壓鑄造機,大型液壓鑄造機可鑄100噸/次以上,最大鑄錠重量達30噸。熔煉爐燃燒系統一般采用中、高速燒嘴,加快爐内燃氣和爐料的對流傳熱,燃燒尾氣通過換熱器将助燃空氣加熱到350—400℃,從而将熔煉爐的熱效率提高到50%以上。燃燒系統的新發展是使用快速切換蓄熱式燃燒技術,即所謂的“第二代再生燃燒技術”,它采用機械性能可靠,迅速頻繁切換的四通換向閥和壓力損失小,比表面積大且維護簡單方便的蜂窩型蓄熱體,實現了極限餘熱回收和超低NOX排放,同時,用計算機控制熔鑄生産全過程已較為普遍。
西南鋁從1989年起,先後從英國引進了四台35噸頂開式圓型爐和配套的四台35噸傾動式靜置爐,兩台前蘇聯造的60噸液壓鑄造機,以及一台50噸頂開式圓形爐及配套的靜置爐和60噸内導式液壓鑄造機。35噸熔煉爐燃燒系統為兩個中速燒嘴和一個高速燒嘴,35噸熔化爐和靜置爐的燃燒實現計算機控制。50噸爐的燃燒系統是兩組再生式燒嘴,該機組從熔煉到鑄造全過程均由計算機控制。
另外,為了使熔化爐内鋁熔體的化學成份更均勻,減少勞動強度等原因,發達國家通常都在爐底安裝電磁攪拌器。國内在“七五”期間才研制成了“爐底平闆式”電磁攪拌裝置,現在該技術在國内應用不太多,是“八五”期間新技術推廣項目。

2 晶粒細化
衆所周知,在鋁液中加入晶粒細化劑,可以明顯改善鑄錠的組織,晶粒細化的方法有多種,使用最廣泛的是二元合金Al-Ti和三元合金Al-Ti-B,國内産品主要有Al-4Ti和Al-5Ti-1B塊狀細化劑,在調整好鋁熔體成份後加入,而國外多将細化劑做成棒狀,在鑄造流槽中加入,細化效果顯著提高,産品有Al-5Ti-1B、Al-5Ti-0.2B、Al-3Ti-1B、Al-6Ti等,國内很多廠家在生産高質量産品時,都使用進口的棒狀細化劑。
近年來,細化劑的研究集中在降低使用成本和減少添加細化劑對熔體質量的影響上,針對不同合金應采用不同的細化劑,如在某些鋁箔和特薄闆中應使用Al-6Ti或低硼細化劑Al-5Ti-0.2B,以減少TiB2粒子對産品質量的影響,而使用新的高濃度産品Al-10Ti-0.4B和Al-10Ti,在添加等量Ti的情況下與Al-5Ti-0.2B、或Al-6Ti有同等細化效果,但使用成本卻顯著下降。另外,1996年美鋁研制出新的細化劑Al-Ti-C,先後應用在1×××、2×××、3×××、5×××、6×××、7×××系合金中,顯示了其優點,而我國對Al-Ti-C的研究剛起步。


3 熔體淨化和檢測
多年來,鋁合金制品對鑄錠的内部質量尤其是清潔度的要求不斷提高,而熔體淨化是提高鋁熔體純潔度的主要手段,熔體淨化可分為爐内處理和在線淨化兩種方式。
3.1 爐内處理
爐内熔體處理主要有氣體精煉,熔劑精煉和噴粉精煉等方式。爐内處理技術的發展較慢,國内隻有90年代中期出現的噴粉精煉相對較新,其除氣除渣效果較氣體精煉和熔劑精煉稍好,但因精煉杆靠人工移動,精煉效果波動較大。
國外先進的爐内淨化處理都采用了自動控制,較有代表性的有兩種,一種是從爐頂或爐牆向爐内熔體中插入多根噴槍進行噴粉或氣體精煉,但由于該技術存在噴槍易碎和密封困難的缺點未廣泛應用。另一種是在爐底均勻安裝多個可更換的透氣塞,由計算機控制精煉氣流和精煉時間,該方法是比較有效的爐内處理方法。
3.2在線淨化
爐内處理對鋁合金熔體的淨化效果是有限的,要進一步提高熔體純潔度,尤其是進一步降低氫含量和去除非金屬夾渣物,必須采用高效的在線淨化技術。
3.2.1在線除氣
在線除氣裝置是各大鋁熔鑄廠重點研究和發展對象,種類繁多,典型的有MINT等采用固定噴嘴的裝置和SNIF、Alpur等采用旋轉噴頭的設備。我國從80年末有不少廠家先後從國外購買了一些MINT、SNIF、Alpur等裝置,此後,在引進裝備的基礎上,也自行開發了多種除氣設備,如西南鋁的SAMRU、DFU、DDF等等。這些除氣裝置都采用N2-或Ar作為精煉氣體,能有效去除鋁熔體中的氫。如在精煉氣體裡加入少量的Cl2、CCl4或SF6等物質,還能很好地除去熔體中堿金屬和堿土金屬。然而,上述除氣裝置的體積都較大,鑄次間放幹料多或需加熱保溫,運行費用高昂。除氣裝置新的發展方向是在不斷提高除氣效率的同時,通過減小金屬容積,消除或減少鑄次間金屬的放幹,取消加熱系統來降低運行費用,如ALCAN開發的緊湊型除氣裝置ACD,該裝置是在一般流槽上用多個小轉子進行精煉,轉子間用隔闆分隔。該裝置在鑄次間無金屬存留,無需加熱保溫,運行費用有大幅下降,除氣效果較傳統裝置相當或更好。另一種有前途的裝置是加拿大Casthouse technology lit研制的流槽除氣裝置,該裝置的寬度和高度與流槽接近,在側面下部安裝固定噴嘴供氣,該裝置占地極少,有極少放幹料,操作簡單,除氣效率高。國内西南鋁2000年也研制成了類似的緊湊型除氣裝置CDU,該裝置在僅使用氩或氮氣的情況下除氣率達到50%以上,占地隻有1×0.5米,無加熱保溫,放幹料約30Kg,而造價僅為傳統除氣裝置的1/4-1/3,運行費用降低30%以上,是一種極具推廣應用價值的除氣裝置。

材料網http://www.52cailiao.cn


3.2.2熔體過濾
過濾是去除鋁熔體中非金屬夾雜物最有效和最可靠的手段,從原理上講有餅過濾和深過濾之分。過濾方式有多種,效果最好的有過濾管和泡沫陶瓷過濾闆。
床式過濾器體積大,安裝和更換過濾介質費時費力,僅适用于大批量單一合金的生産,因而使用的廠家較少,在我國目前還未有應用,其最新的進展是挪威科技大學等正研制的緊湊深床過濾器。該裝置中,鋁液向下流動,裝置底部中央有一透氣塞加入惰性氣體,與透氣塞上方的鋁液上升管形成一個氣體提升泵,可調節出口金屬水平,目的是在提高過濾效率的同時,更有效的利用過濾球,此裝置小巧緊湊,易于裝填、清空和移動。
剛玉管過濾器過濾效率高,但價格較昂貴、使用不方便,在日本應用較多。西南鋁曾在八十年代研制成了剛玉管過濾器,但因裝配質量等原因過濾效果不穩定,在九十年代已不再使用。該技術近年來末見有進一步發展。
相反,泡沫陶瓷過濾闆因使用方便,過濾效果好、價格低,在全世界廣泛使用。發達國家50%以上的鋁合金熔體都采用泡沫陶瓷過濾闆過濾。該技術發展迅速,為滿足高質量産品對熔體質量的要求,過濾闆的孔徑越來越細,國外産品已從15、20、30、40、50ppi發展到60、70ppi,同時還有不少新品種面世,較有前途的一是Selee公司的複合過濾闆,該過濾闆分為上下兩層,上面一英寸厚的孔徑較大,下面一英寸厚的孔徑較小,品種有30/50、30/60、30/70ppi等,複合過濾較普通過濾闆效率高,通過的金屬量更大;另一種是Vesuvius Hi- Tech Ceramics生産的新型波浪高表面過濾闆,此種過濾闆的表面積比傳統過濾闆多30%,金屬通過量有所增加。國内在九十年代初才開始研制生産泡沫陶瓷過濾闆,目前生産廠家衆多,規模都較小,由于工業基礎差,技術較落後等原因,還基本未生産出小于40ppi的産品,而且普遍存在肓孔、通孔較多等缺點,有待進一步提高質量。
對于較高質量要求的制品,發達國家普遍采用雙級泡沫陶瓷過濾闆過
濾,其前面一級過濾闆孔徑較粗,後一級過濾闆孔徑較細,如30/50、30/60ppi,甚至40/70配置等,國内西南鋁對雙零鋁薄、PS闆基、制罐料等産品的熔體也采用30/50ppi雙級泡沫陶瓷過濾闆過濾,自行設計制造的雙級保溫過濾箱實現了安裝一次過濾闆可連續生産7熔次,大幅度降低了過濾成本。
3.3檢測技術
鋁熔體和鑄錠内部純潔度的檢測有測氫和夾雜物兩種,前者的種類很多,目前世界上使用的測氫技術有二十多種,如減壓凝固法,熱真空抽提法,載氣熔融法等,但應用最廣泛的是以Telegas和ASCAN為代表的閉路循環法,該法數據可靠,是目前唯一适合鑄造車間使用的檢測方法。國内西南鋁業集團公司熔鑄廠在Telegas和TelegasⅡ的基礎上開發的便攜式HDA測氫儀,經過了多次改進,儀器用測氫探頭實現了國産化,不但價格遠遠低于進口産品,而且壽命比進口産品長得多,這種測氫儀操作簡便、維護容易、價格便宜,而且重量輕,攜帶方便,國内許多廠家都使用HDA測氫儀。
在我國,對鋁合金夾雜物檢測的研究較少,使用的方法僅限于鑄錠的低倍和氧化膜檢查兩種,對鋁熔體的非金屬夾雜物檢測幾乎是空白,而國外對鋁熔體的夾雜物檢測研究很多,比較成熟的方法有POPFA、LAIS和LiMCA。其中前兩種都是以過濾定量金屬後,過濾片上的夾雜物面積除以過濾的金屬量作為指标,不能連續測量,LiMCA是一種定量測量方法,其第二代産品LiMCAⅡ可同時測量過濾前後的夾雜物含量,過濾前使用矽酸鋁取樣頭,過濾後使用帶伸長管的硼矽玻璃取樣頭,伸長管可減少除氣裝置産生的懸浮氣泡對測量結果的影響,LiMCA可連續檢測熔體中的20—300μm的夾雜物,是目前最先進的,測量速度最快,測量結果最直觀的夾雜物檢測儀,但價格昂貴。

氫含量和夾雜物含量檢測可有效監控鋁熔體淨化處理的效果,為提高和改進工藝措施提供依據,對提高鋁材質量意義重大。
4 鑄造技術
半連續鑄造是世界上應用最普遍,曆史最悠久的鋁合金鑄造技術,我國從50年代初從前蘇聯引進了此技術。對于鋁合金鑄造,除達到鑄錠成形的基本目的之外,各鋁加工企業和研究機構,一直緻力于提高鑄錠表面質量,即使鑄錠表面盡可能平整光滑,減少或消除粗晶層偏析瘤等表面缺陷,減少鑄錠厚差及底部翹曲和腫脹等等,使鑄錠在熱軋前盡可能少銑或不銑面,提高成材率。
鑄造技術的新進展和有前途的技術有:脈沖水和加氣鑄造、電磁鑄造、氣滑鑄造、可調結晶器、低液位鑄造(LHC)、ASM新式扁錠結晶器等。
4.1脈沖水和加氣鑄造
在鑄造開始階段,采用脈沖水冷卻,降低直接水冷強度,可減少鑄錠底部翹曲和縮頸,該技術産生于上世紀六十年代中期,當今的脈沖水,采用自動化控制和最新旋轉脈沖閥,具有快的脈沖速度而無水錘現象。


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