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铝合金熔铸技术的现状及发展趋势

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铝合金熔铸技术的现状及发展趋势

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前 言
近年来,我国铝材的需求量持续快速增长,到2000年,达到了约200万吨以上,铝材被广泛应用于航天、航空、建筑、交通、运输、包装、电子、印刷、装饰等众多国防和民用领域。我国的铝加工技术得到了迅速的发展和提高,以西南铝为龙头的国内企业开发出了PS板基、制罐料、高压电子箔、波音飞机锻件等技术含量和附加值较高的产品,填补了国内空白,替代了进口。然而,由于我国铝加工业起步晚,规模小,技术落后,随着我国加入WTO,铝加工业不仅要面临国内竞争,而且还要与国外发达国家的大企业进行更激烈的竞争,这就要求国内铝加工企业不断加大投入,推动铝加工技术迅速向前发展,缩小与国外先进水平的差距,在竞争中生存和发展。
熔铸是铝加工的第一道工序,为轧制、锻造、挤压等生产提供合格的锭坯,铸锭质量的高低直接与各种铝材的最终质量密切相关,90年代以来,国内熔铸技术得到了迅速的发展和提高,某些方面甚至达到了国际先进水平,如西南铝的在线除气和氢含量检测等。但在整体上,我国的熔铸技术水平同国际先进水平相比,还有较大的差距。本文对国内外铝合金熔铸技术在装备、晶粒细化、熔体净化及发展趋势和最新成就做一简要介绍,供同行参考。

1熔铸设备

多年来熔铸设备的发展一直追求大型、节能、高效和自动化。在国外,大型顶开圆形炉和倾动式静置炉得到广泛应用,容量一般达30—50吨,多的达100吨以上,熔铝炉装料完全实现机械化。铸造机通常使用液压铸造机,大型液压铸造机可铸100吨/次以上,最大铸锭重量达30吨。熔炼炉燃烧系统一般采用中、高速烧嘴,加快炉内燃气和炉料的对流传热,燃烧尾气通过换热器将助燃空气加热到350—400℃,从而将熔炼炉的热效率提高到50%以上。燃烧系统的新发展是使用快速切换蓄热式燃烧技术,即所谓的“第二代再生燃烧技术”,它采用机械性能可靠,迅速频繁切换的四通换向阀和压力损失小,比表面积大且维护简单方便的蜂窝型蓄热体,实现了极限余热回收和超低NOX排放,同时,用计算机控制熔铸生产全过程已较为普遍。
西南铝从1989年起,先后从英国引进了四台35吨顶开式圆型炉和配套的四台35吨倾动式静置炉,两台前苏联造的60吨液压铸造机,以及一台50吨顶开式圆形炉及配套的静置炉和60吨内导式液压铸造机。35吨熔炼炉燃烧系统为两个中速烧嘴和一个高速烧嘴,35吨熔化炉和静置炉的燃烧实现计算机控制。50吨炉的燃烧系统是两组再生式烧嘴,该机组从熔炼到铸造全过程均由计算机控制。
另外,为了使熔化炉内铝熔体的化学成份更均匀,减少劳动强度等原因,发达国家通常都在炉底安装电磁搅拌器。国内在“七五”期间才研制成了“炉底平板式”电磁搅拌装置,现在该技术在国内应用不太多,是“八五”期间新技术推广项目。

2 晶粒细化
众所周知,在铝液中加入晶粒细化剂,可以明显改善铸锭的组织,晶粒细化的方法有多种,使用最广泛的是二元合金Al-Ti和三元合金Al-Ti-B,国内产品主要有Al-4Ti和Al-5Ti-1B块状细化剂,在调整好铝熔体成份后加入,而国外多将细化剂做成棒状,在铸造流槽中加入,细化效果显著提高,产品有Al-5Ti-1B、Al-5Ti-0.2B、Al-3Ti-1B、Al-6Ti等,国内很多厂家在生产高质量产品时,都使用进口的棒状细化剂。
近年来,细化剂的研究集中在降低使用成本和减少添加细化剂对熔体质量的影响上,针对不同合金应采用不同的细化剂,如在某些铝箔和特薄板中应使用Al-6Ti或低硼细化剂Al-5Ti-0.2B,以减少TiB2粒子对产品质量的影响,而使用新的高浓度产品Al-10Ti-0.4B和Al-10Ti,在添加等量Ti的情况下与Al-5Ti-0.2B、或Al-6Ti有同等细化效果,但使用成本却显著下降。另外,1996年美铝研制出新的细化剂Al-Ti-C,先后应用在1×××、2×××、3×××、5×××、6×××、7×××系合金中,显示了其优点,而我国对Al-Ti-C的研究刚起步。


3 熔体净化和检测
多年来,铝合金制品对铸锭的内部质量尤其是清洁度的要求不断提高,而熔体净化是提高铝熔体纯洁度的主要手段,熔体净化可分为炉内处理和在线净化两种方式。
3.1 炉内处理
炉内熔体处理主要有气体精炼,熔剂精炼和喷粉精炼等方式。炉内处理技术的发展较慢,国内只有90年代中期出现的喷粉精炼相对较新,其除气除渣效果较气体精炼和熔剂精炼稍好,但因精炼杆靠人工移动,精炼效果波动较大。
国外先进的炉内净化处理都采用了自动控制,较有代表性的有两种,一种是从炉顶或炉墙向炉内熔体中插入多根喷枪进行喷粉或气体精炼,但由于该技术存在喷枪易碎和密封困难的缺点未广泛应用。另一种是在炉底均匀安装多个可更换的透气塞,由计算机控制精炼气流和精炼时间,该方法是比较有效的炉内处理方法。
3.2在线净化
炉内处理对铝合金熔体的净化效果是有限的,要进一步提高熔体纯洁度,尤其是进一步降低氢含量和去除非金属夹渣物,必须采用高效的在线净化技术。
3.2.1在线除气
在线除气装置是各大铝熔铸厂重点研究和发展对象,种类繁多,典型的有MINT等采用固定喷嘴的装置和SNIF、Alpur等采用旋转喷头的设备。我国从80年末有不少厂家先后从国外购买了一些MINT、SNIF、Alpur等装置,此后,在引进装备的基础上,也自行开发了多种除气设备,如西南铝的SAMRU、DFU、DDF等等。这些除气装置都采用N2-或Ar作为精炼气体,能有效去除铝熔体中的氢。如在精炼气体里加入少量的Cl2、CCl4或SF6等物质,还能很好地除去熔体中碱金属和碱土金属。然而,上述除气装置的体积都较大,铸次间放干料多或需加热保温,运行费用高昂。除气装置新的发展方向是在不断提高除气效率的同时,通过减小金属容积,消除或减少铸次间金属的放干,取消加热系统来降低运行费用,如ALCAN开发的紧凑型除气装置ACD,该装置是在一般流槽上用多个小转子进行精炼,转子间用隔板分隔。该装置在铸次间无金属存留,无需加热保温,运行费用有大幅下降,除气效果较传统装置相当或更好。另一种有前途的装置是加拿大Casthouse technology lit研制的流槽除气装置,该装置的宽度和高度与流槽接近,在侧面下部安装固定喷嘴供气,该装置占地极少,有极少放干料,操作简单,除气效率高。国内西南铝2000年也研制成了类似的紧凑型除气装置CDU,该装置在仅使用氩或氮气的情况下除气率达到50%以上,占地只有1×0.5米,无加热保温,放干料约30Kg,而造价仅为传统除气装置的1/4-1/3,运行费用降低30%以上,是一种极具推广应用价值的除气装置。

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3.2.2熔体过滤
过滤是去除铝熔体中非金属夹杂物最有效和最可靠的手段,从原理上讲有饼过滤和深过滤之分。过滤方式有多种,效果最好的有过滤管和泡沫陶瓷过滤板。
床式过滤器体积大,安装和更换过滤介质费时费力,仅适用于大批量单一合金的生产,因而使用的厂家较少,在我国目前还未有应用,其最新的进展是挪威科技大学等正研制的紧凑深床过滤器。该装置中,铝液向下流动,装置底部中央有一透气塞加入惰性气体,与透气塞上方的铝液上升管形成一个气体提升泵,可调节出口金属水平,目的是在提高过滤效率的同时,更有效的利用过滤球,此装置小巧紧凑,易于装填、清空和移动。
刚玉管过滤器过滤效率高,但价格较昂贵、使用不方便,在日本应用较多。西南铝曾在八十年代研制成了刚玉管过滤器,但因装配质量等原因过滤效果不稳定,在九十年代已不再使用。该技术近年来末见有进一步发展。
相反,泡沫陶瓷过滤板因使用方便,过滤效果好、价格低,在全世界广泛使用。发达国家50%以上的铝合金熔体都采用泡沫陶瓷过滤板过滤。该技术发展迅速,为满足高质量产品对熔体质量的要求,过滤板的孔径越来越细,国外产品已从15、20、30、40、50ppi发展到60、70ppi,同时还有不少新品种面世,较有前途的一是Selee公司的复合过滤板,该过滤板分为上下两层,上面一英寸厚的孔径较大,下面一英寸厚的孔径较小,品种有30/50、30/60、30/70ppi等,复合过滤较普通过滤板效率高,通过的金属量更大;另一种是Vesuvius Hi- Tech Ceramics生产的新型波浪高表面过滤板,此种过滤板的表面积比传统过滤板多30%,金属通过量有所增加。国内在九十年代初才开始研制生产泡沫陶瓷过滤板,目前生产厂家众多,规模都较小,由于工业基础差,技术较落后等原因,还基本未生产出小于40ppi的产品,而且普遍存在肓孔、通孔较多等缺点,有待进一步提高质量。
对于较高质量要求的制品,发达国家普遍采用双级泡沫陶瓷过滤板过
滤,其前面一级过滤板孔径较粗,后一级过滤板孔径较细,如30/50、30/60ppi,甚至40/70配置等,国内西南铝对双零铝薄、PS板基、制罐料等产品的熔体也采用30/50ppi双级泡沫陶瓷过滤板过滤,自行设计制造的双级保温过滤箱实现了安装一次过滤板可连续生产7熔次,大幅度降低了过滤成本。
3.3检测技术
铝熔体和铸锭内部纯洁度的检测有测氢和夹杂物两种,前者的种类很多,目前世界上使用的测氢技术有二十多种,如减压凝固法,热真空抽提法,载气熔融法等,但应用最广泛的是以Telegas和ASCAN为代表的闭路循环法,该法数据可靠,是目前唯一适合铸造车间使用的检测方法。国内西南铝业集团公司熔铸厂在Telegas和TelegasⅡ的基础上开发的便携式HDA测氢仪,经过了多次改进,仪器用测氢探头实现了国产化,不但价格远远低于进口产品,而且寿命比进口产品长得多,这种测氢仪操作简便、维护容易、价格便宜,而且重量轻,携带方便,国内许多厂家都使用HDA测氢仪。
在我国,对铝合金夹杂物检测的研究较少,使用的方法仅限于铸锭的低倍和氧化膜检查两种,对铝熔体的非金属夹杂物检测几乎是空白,而国外对铝熔体的夹杂物检测研究很多,比较成熟的方法有POPFA、LAIS和LiMCA。其中前两种都是以过滤定量金属后,过滤片上的夹杂物面积除以过滤的金属量作为指标,不能连续测量,LiMCA是一种定量测量方法,其第二代产品LiMCAⅡ可同时测量过滤前后的夹杂物含量,过滤前使用硅酸铝取样头,过滤后使用带伸长管的硼硅玻璃取样头,伸长管可减少除气装置产生的悬浮气泡对测量结果的影响,LiMCA可连续检测熔体中的20—300μm的夹杂物,是目前最先进的,测量速度最快,测量结果最直观的夹杂物检测仪,但价格昂贵。

氢含量和夹杂物含量检测可有效监控铝熔体净化处理的效果,为提高和改进工艺措施提供依据,对提高铝材质量意义重大。
4 铸造技术
半连续铸造是世界上应用最普遍,历史最悠久的铝合金铸造技术,我国从50年代初从前苏联引进了此技术。对于铝合金铸造,除达到铸锭成形的基本目的之外,各铝加工企业和研究机构,一直致力于提高铸锭表面质量,即使铸锭表面尽可能平整光滑,减少或消除粗晶层偏析瘤等表面缺陷,减少铸锭厚差及底部翘曲和肿胀等等,使铸锭在热轧前尽可能少铣或不铣面,提高成材率。
铸造技术的新进展和有前途的技术有:脉冲水和加气铸造、电磁铸造、气滑铸造、可调结晶器、低液位铸造(LHC)、ASM新式扁锭结晶器等。
4.1脉冲水和加气铸造
在铸造开始阶段,采用脉冲水冷却,降低直接水冷强度,可减少铸锭底部翘曲和缩颈,该技术产生于上世纪六十年代中期,当今的脉冲水,采用自动化控制和最新旋转脉冲阀,具有快的脉冲速度而无水锤现象。


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