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      高性能錳鋁合金添加劑產(chǎn)品及生產(chǎn)工藝

      2011-12-31 13:13:48王國(guó)寧王兆兵
      中國(guó)錳業(yè) 2011年2期
      關(guān)鍵詞:錳業(yè)熔劑高性能

      王國(guó)寧,王兆兵

      (湖南三鑫錳業(yè)科技有限公司,湖南吉首 416000)

      0 前言

      隨著鋁加工及鋁合金工業(yè)不斷發(fā)展,鋁合金的研制被列為重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù),合金化是鋁合金生產(chǎn)工藝流程中重要的一環(huán)。鋁合金常用的合金元素有 :硅、鐵、銅、錳、鎂、鉻、鎳、鋅、釩、鈦等。一些低熔點(diǎn)或溶解度大的合金元素如鎂、銅等可以直接加入鋁熔體中,而大部分熔點(diǎn)高的合金元素如鐵、鎳、錳等,需要制成 Al-Fe、A l-Ni、Al-M n 等中間合金添加劑。目前,國(guó)內(nèi)外普遍以金屬添加劑的形式向鋁液中添加合金元素,因此鋁合金添加劑的研制開發(fā)也成為鋁工業(yè)研究的重點(diǎn)[1]。

      1 錳在鋁合金中的作用及加入方式

      錳是一種主要的鋁合金添加元素,在鋁—錳系合金中,如3003合金,錳是其強(qiáng)化元素。它與鋁形成M nAl6等強(qiáng)化質(zhì)點(diǎn),起固溶強(qiáng)化作用。又如在很多硬鋁和壓鑄鋁合金中,錳也是其主要組元。而在3004,3104,3A21等合金中,錳是必不可少的元素[2]。

      現(xiàn)在常用的在鋁中加錳合金的方法為錳鋁合金添加劑法。這是因?yàn)殄i的熔點(diǎn)高,達(dá)到1 244℃,而鋁的熔點(diǎn)低,為660℃,而正常的鋁合金熔鑄溫度也只有710~750℃,若直接將電解金屬錳片加入,這樣錳很難在鋁的正常熔鑄溫度下進(jìn)入鋁液中,鋁合金錳添加劑則能克服以上弊端。

      目前,國(guó)內(nèi)有多種錳添加劑,主要由金屬粉末和助熔劑組成,普遍使用助熔劑為鹵化物鹽類的傳統(tǒng)添加劑。大致分為以下幾類:氯鹽(NaCl、KCl、Mg-Cl2等)、氟鹽(NaF、KF、M gF2、Na3AlF6等)、碳酸鹽(Na2CO3、K2CO3、CaCO3等)、硫酸鹽 (Na2SO4、K2SO4等)、硝酸鹽(NaNO3、KNO3等)等[3]。它雖然解決了以鋁基中間合金方式添加的問題,但含有鈉、氯、氟等元素,不僅給環(huán)境帶來污染,還會(huì)影響人體健康,另外還普遍存在實(shí)收率低,熔化時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn),限制了在某些鋁合金中的應(yīng)用。現(xiàn)在,歐洲和北美、巴西的一些產(chǎn)鋁大國(guó)在添加劑的制備及生產(chǎn)工藝上進(jìn)行技術(shù)調(diào)整,目前研發(fā)生產(chǎn)出多種含少量、新型助熔劑或無助熔劑的新型添加劑。本文提及的高性能錳鋁合金添加劑產(chǎn)品就是一種自主研發(fā)并與巴西開展國(guó)際科技合作、開發(fā)的高效速熔、不含鈉、氯、氟的高性能錳鋁合金添加劑。

      2 高性能錳鋁合金添加劑生產(chǎn)工藝

      2.1 工藝特點(diǎn)

      高性能錳鋁合金添加劑生產(chǎn)工藝是采用粒度適宜的高純電解金屬錳粉和高純金屬鋁粉,添加自行研制的高效、環(huán)保助熔劑和一定量的粘結(jié)劑,密閉混合均勻,經(jīng)鍛壓成型、成品處理,計(jì)量包裝,可制得深受用戶好評(píng)的錳添加劑。

      生產(chǎn)工藝中選用高效環(huán)保的助熔劑和適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑是其重要核心技術(shù)之一。工藝研發(fā)初期,采用與巴西Jining Maxtrel公司合作,共同研發(fā)出以巴西公司原有技術(shù)為原型的WFM型助熔劑,雖然生產(chǎn)出來的是一種環(huán)保型產(chǎn)品,客戶使用效果好。但助熔劑輔助材料從巴西采購(gòu),價(jià)格較貴,且不便采購(gòu)。后經(jīng)與國(guó)內(nèi)一些大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)共同研發(fā),終于將助熔劑助材國(guó)產(chǎn)化,研發(fā)出高效新型助熔劑WFM-S。這種高效新型助熔劑WFM與WFM-S有同等的品質(zhì),價(jià)格只到原助熔劑價(jià)格的1半。

      鍛壓成型是制取錳添加劑產(chǎn)品的關(guān)鍵工序,選用先進(jìn)的鍛壓設(shè)備也是本工藝核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。產(chǎn)品形式按客戶需求可壓制成圓餅狀或球形。圓餅狀產(chǎn)品采用巴西引進(jìn)的高效四柱液壓鍛壓機(jī)生產(chǎn)。該設(shè)備適用于可塑性差的材料壓制工藝,特別是粉末冶金成型、冷(熱)壓金屬成型,可實(shí)現(xiàn)調(diào)整、手動(dòng)及自動(dòng)各種工作方式,機(jī)器的工作壓力、壓制速度、保壓,均可根據(jù)工藝進(jìn)行調(diào)整。球形產(chǎn)品采用另一種成型設(shè)備:輥式壓球機(jī),它是湖南三鑫錳業(yè)科技有限公司與國(guó)內(nèi)知名液壓鍛軋?jiān)O(shè)備企業(yè)結(jié)合產(chǎn)品的粉末鍛特點(diǎn),共同研究開發(fā)、定制的設(shè)備。

      鍛軋?jiān)O(shè)備的關(guān)鍵部件是壓模,它的設(shè)計(jì)與質(zhì)量好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品成型的效果與效率。湖南三鑫錳業(yè)科技有限公司與國(guó)內(nèi)知名的研究機(jī)構(gòu)共同研究,開發(fā)出一模多出,上下分模組合式高效耐磨合金系列鍛模,壓模的具體形狀可根據(jù)客戶需要定制,例如球形、橢球形、餅狀,等等。

      2.2 工藝生產(chǎn)流程

      2.2.1 產(chǎn)品原材料控制

      采用本地合作的電解金屬錳廠家生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)電解金屬錳片:DJM nC、DJM nD(標(biāo)準(zhǔn):YB/T051-2003),也可根據(jù)客戶的要求,選用無硒或高純錳片),將其粉碎到0.212 mm(70目),粒度分布要求如表1。

      金屬鋁粉選用純度99.7%的鋁(GB/T 1196-2008),粒度為0.3 mm(50目),具體分布要求如表2所示。

      表1 金屬錳粉末粒度分布

      表2 金屬鋁粉末粒度分布

      助熔劑選用的是一種有機(jī)混合物,粒度為200目。當(dāng)錳添加劑使用時(shí),在沉入鋁液中后,助熔劑迅速爆炸式反應(yīng),并放出一定熱量,將錳粒子立刻分散,完全溶解在鋁液中,且能夠在較低的鋁液溫度下(680~700℃),15 min內(nèi)達(dá)到98.8%以上的回收率。

      本工藝主要采用自主研發(fā)的高效新型助熔劑W FM-S進(jìn)行配料,其主要性能指標(biāo)如表3。

      表3 助熔劑 WFM-S性能指標(biāo)

      現(xiàn)有一些廠家的助熔劑普遍含有F、K等對(duì)環(huán)境有影響的成份,雜質(zhì)也較多,使用率不太高,表4是一種常用的助熔劑成分[2]。

      表4 助熔劑成分組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

      2.2.2 配料與混合

      選用自動(dòng)化稱重配料系統(tǒng),將各種檢驗(yàn)合格的原料精確計(jì)量,嚴(yán)格按生產(chǎn)配方投料制成混料單元,編號(hào)并詳細(xì)記錄:日期,操作單元號(hào),混合攪拌時(shí)間,操作人等參數(shù)。混合采用自行研制的高效攪拌設(shè)備,其特點(diǎn)是能將多組元固體粉末充分混合均勻。物料充分混合時(shí)間應(yīng)在10~25 min。

      本工藝的物料配比方案會(huì)應(yīng)客戶需求不同而有各種產(chǎn)品的比例差異,總得配比范圍如表5。

      表5 物料配比方案 %

      2.2.3 成型和包裝

      將混合均勻的物料用自動(dòng)輸送裝置送入先進(jìn)的鍛壓設(shè)備進(jìn)行鍛壓成型。生產(chǎn)球形產(chǎn)品使用輥式壓球機(jī),圓餅狀產(chǎn)品使用高效四柱液壓設(shè)備。此工序的工藝控制是產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵,其最主要的是對(duì)設(shè)備作用于物料上壓強(qiáng)的控制。設(shè)備作用于物料上的壓強(qiáng)大小,直接影響產(chǎn)品的密度與硬度。根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求,產(chǎn)品密度與硬度是產(chǎn)品使用效率的關(guān)鍵,這兩項(xiàng)參數(shù)的值必須在一定范圍內(nèi),太大或太小均不能為客戶接受。產(chǎn)品密度一般在:3.8~4.5 g/cm3之間,產(chǎn)品硬度在0.1~1.5(相對(duì)值)之間。此外,高性能錳鋁合金添加劑在使用時(shí)是嚴(yán)格定量加入的,因此產(chǎn)品的物料單個(gè)重量、形狀尺寸也都進(jìn)行了系列規(guī)格化的標(biāo)準(zhǔn)定制生產(chǎn)。本工藝的球狀產(chǎn)品一般采用45 mm×30 mm×25 mm規(guī)格,重量控制在100~200 g之間的某一規(guī)格值,餅狀產(chǎn)品的直徑系列有 φ45、φ60、φ75、φ85 mm 等,厚度取在 25~60 mm之間的系列值,這樣產(chǎn)品的重量也相應(yīng)產(chǎn)生出一系列值,在500~1 200 g之間。

      本工藝生產(chǎn)設(shè)備每小時(shí)處理量均在3~5 t以上,成球率高,產(chǎn)量大,在成品進(jìn)行處理后,取樣檢驗(yàn),編好批次,便可計(jì)量包裝。按照客戶要求,通常做成25磅每箱或10 kg一紙袋進(jìn)行包裝。

      2.3 工藝流程圖

      高性能錳鋁合金添加劑生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

      圖1 高性能錳鋁合金添加劑生產(chǎn)工藝流程

      3 高性能錳鋁合金添加劑產(chǎn)品性能指標(biāo)

      本工藝生產(chǎn)的高性能錳鋁合金添加劑產(chǎn)品指標(biāo)如表6所示。

      表6 高性能錳鋁合金添加劑產(chǎn)品指標(biāo)

      目前國(guó)內(nèi)一些鋁合金錳添加劑主要的性能指標(biāo)如表7[2]。

      表7 鋁合金錳添加劑主要成分與性狀

      可以看出,本工藝生產(chǎn)的高性能錳鋁合金添加劑產(chǎn)品,比其它同類產(chǎn)品中助熔劑成分要少,水分低,實(shí)收率要好。

      4 結(jié)論

      1)高性能錳鋁合金添加劑生產(chǎn)工藝項(xiàng)目是湖南三鑫錳業(yè)科有限公司科研人員運(yùn)用、吸收國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的工藝?yán)碚摚_展和巴西進(jìn)行國(guó)際科技合作,引進(jìn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的設(shè)備,研發(fā)、生產(chǎn)的一種鋁合金行業(yè)新產(chǎn)品。

      2)高性能錳鋁合金添加劑性能遠(yuǎn)優(yōu)于其它錳鋁合金添加劑產(chǎn)品。該項(xiàng)目到現(xiàn)在共生產(chǎn)和銷售錳添加劑6 000多t,取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。此新型錳鋁合金添加劑主要銷往美洲和歐洲,客戶有美鋁(ALCOA),Nichols,CMC等廠家和經(jīng)銷商,使用證明此錳鋁合金添加劑新產(chǎn)品為全球市場(chǎng)所廣泛接受,產(chǎn)品實(shí)收率高又環(huán)保、節(jié)能,而且生產(chǎn)效率高,產(chǎn)量大,交貨期短,將是往后市場(chǎng)的發(fā)展方向,原有的以鹵化物鹽類等為助熔劑的產(chǎn)品將越來越多的被此新產(chǎn)品所取代。

      3)此工藝技術(shù)已經(jīng)在湖南三鑫錳業(yè)科有限公司實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)1萬t的產(chǎn)能,項(xiàng)目獲得2008年度國(guó)家科技部“國(guó)際科技合作與交流專項(xiàng)”基金項(xiàng)目支持:項(xiàng)目名稱:中日巴西合作開發(fā)高性能錳鋁合金材料,項(xiàng)目編號(hào):2008DFA 51480。

      [1]張淑婷,沈光偉,肖寧,等.鋁合金用添加劑的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].礦冶,2009,18(4):50-52.

      [2]劉亮,劉國(guó)凡.新型高效速熔錳添加劑應(yīng)用前景[J].中國(guó)錳業(yè),2004,22(2) :13-16.

      [3]谷蘭成,邵際平,鄭林薄.鋁合金用高效速熔添加劑的研制與應(yīng)用[J].輕合金加工技術(shù),2003,31(4):9-11.

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