3104合金熔體渣含量及其影響因素研究

徐正權(quán)

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 前言

在熔鑄過(guò)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(chǎn)生疏松、氣孔、夾渣等缺陷，對(duì)其后鋁材的力學(xué)性能、加工性能、抗蝕性、陽(yáng)極氧化性和鋁材的外觀質(zhì)量都有顯著影響[1]。因此，鋁合金熔體的純凈度必須通過(guò)除氣、除渣等措施進(jìn)行嚴(yán)格控制。

3104鋁合金屬Al-Mn-Mg系不可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、易深沖成形等優(yōu)點(diǎn)，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(jiàn)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(yán)重破壞了金屬的連續(xù)性。

目前，檢測(cè)熔體渣含量的主要手段有壓濾法（PoDFA、Prefil）和電敏感區(qū)法（LIMCA）。前者主要為定性分析，取樣復(fù)雜，樣品分析結(jié)果滯后；后者主要為定量分析，由于價(jià)格昂貴，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。該方法為在線連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)鋁合金熔體質(zhì)量的評(píng)判更具及時(shí)性、準(zhǔn)確性和有效性。本文以3104鋁合金為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)熔體渣含量及其影響因素的研究，為該合金熔體的質(zhì)量控制提供了參考依據(jù)和方向。

1 試驗(yàn)方法及過(guò)程

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用ABB LiMCAIII移動(dòng)式測(cè)渣儀對(duì)熔體中的渣含量進(jìn)行在線檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果用N20avg表示，其含義為熔體中尺寸大于20μm渣子的個(gè)數(shù)平均值。

LiMCA根據(jù)電敏感區(qū)原理工作，在電敏感區(qū)兩個(gè)浸于金屬液中的電極間通有恒定的電流，兩個(gè)電極被一個(gè)絕緣試樣管所分開(kāi)，其工作原理如圖1所示。管壁開(kāi)有一個(gè)小孔允許鋁液出入。當(dāng)絕緣性的夾雜通過(guò)這個(gè)敏感區(qū)小孔時(shí)，由于電阻改變產(chǎn)生電壓脈沖信號(hào)，通過(guò)對(duì)電壓脈沖信號(hào)進(jìn)行分析處理，得到相應(yīng)渣子的尺寸。電壓變化可用下式表達(dá)：

圖1 LiMCAi測(cè)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(yīng)區(qū)直徑；π=3.1416；I=電流（典型值40 A）。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

在單一變量條件下，于不同流速、不同深床過(guò)濾量、不同細(xì)化劑用量以及不同廢料使用率的條件下對(duì)3104合金熔體分別進(jìn)行測(cè)渣，結(jié)果如表1所示。

表1 3104合金熔體測(cè)渣結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 熔體流速

從表2的試驗(yàn)結(jié)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(guò)濾中，夾雜物主要以直接攔截、布朗運(yùn)動(dòng)、慣性力、重力沉淀等4種方式被吸附于介質(zhì)表面，隨著熔體流速的增加，深床過(guò)濾介質(zhì)對(duì)熔體中渣子的吸附和攔截變得更加困難[3]。但在實(shí)際生產(chǎn)中，鑄錠規(guī)格的不同和鑄造速度的差異會(huì)導(dǎo)致熔體流速的差異，但此差異是在過(guò)濾裝置允許的處理能力內(nèi)，所以熔體渣含量是可控的。

表2 渣含量與流速的關(guān)系

2.2 深床過(guò)濾量

從表3的試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著深床過(guò)濾量的增加，熔體中渣含量隨之增加，且在深床過(guò)濾后期會(huì)變得特別明顯。隨著深床過(guò)濾量的增加，過(guò)濾介質(zhì)中吸附殘留的渣子會(huì)越來(lái)越多，當(dāng)達(dá)到其過(guò)濾極限時(shí)，介質(zhì)通道中吸附殘留的渣子（氧化膜、尖晶石、細(xì)化劑顆粒等）會(huì)在壓差下被擠出過(guò)濾介質(zhì)通道，而使熔體中的渣子增多，故必須對(duì)深床過(guò)濾量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

表3 渣含量與深床過(guò)濾量的關(guān)系

2.3 細(xì)化劑用量

從表4的試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著細(xì)化劑用量的增加，熔體中渣含量隨之增加。鋁鈦硼晶粒細(xì)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(jí)，不溶于鋁，而TiAl3顆粒通常為30~50μm，加入后幾秒鐘內(nèi)溶解[4]。細(xì)化劑用量越大，熔體中的TiB2數(shù)量越多，聚集的可能性就越大，故造成熔體中的渣含量隨細(xì)化劑用量的增加而增加。在兼顧晶粒細(xì)化效果的同時(shí)，應(yīng)控制細(xì)化劑的用量。

表4 渣含量與細(xì)化劑用量的關(guān)系

2.4 廢料使用率

從表5所示的試驗(yàn)結(jié)果可知，廢料使用率的多少和熔體中的渣含量無(wú)明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。廢料使用率的增加對(duì)降成本優(yōu)勢(shì)明顯，只要熔體精煉、靜置、在線除氣、過(guò)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(guān)系

3 結(jié)論

研究了熔體流速、深床過(guò)濾量、細(xì)化劑用量以及廢料使用率對(duì)3104鋁合金熔體中渣含量的影響，得出以下結(jié)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(guò)濾量的增加，熔體中渣含量隨之增加，且在過(guò)濾后期變化明顯。

（3）隨著細(xì)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(wú)明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。