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6系鋁棒在熔鑄生產(chǎn)過程中硅、鎂元素的損耗分析
熔鑄生產(chǎn)是鋁材加工的一道工序，熔鑄產(chǎn)品的質(zhì)量與擠壓型材的質(zhì)量密切相關(guān)。擠壓型材的各項性能，除了工藝條件的影響外更需要靠合金成份的穩(wěn)定及均勻性來保證。金屬材料的性能取決于它的組織和結(jié)構(gòu)，組織與結(jié)構(gòu)又是由化學(xué)成份、雜質(zhì)含量、加工方法、熱處理工藝決定的，其中化學(xué)成份是決定材料性能的基本因素。在6系鋁合金中，Si和Mg是主要合金元素，鎂硅組成的Mg2Si（β）相是該系合金的主要強(qiáng)化相，這兩種合金元素，其中硅元素屬于相對難熔元素，合金化的彌散及吸收對熔煉溫度和攪拌的要求較高（金屬硅的熔點為1414℃，密度2.33 g/cm3），所以為了提高硅的吸收和彌散效果，在熔煉6系鋁合金時一般采用加中間硅（102合金）的形式進(jìn)行合金化操作。鎂元素由于其熔點低密度輕（金屬鎂密度：1.738 g/cm3 ；金屬鎂熔點：650 ℃），屬于易燒損合金，而在熔煉6系列合金的過程中一般采用加高純鎂錠的方式進(jìn)行合金化操作。該兩種合金元素在熔煉合金化過程中均存在一定的不穩(wěn)定因素，因此，研究該系合金在熔鑄過程中硅鎂的變化，對精確控制6系合金中的硅鎂含量具有重要的意義。目前論述鋁合金熔煉過程中鎂燒損的文獻(xiàn)有一些介紹，但是論述6系列合金在熔鑄過程中硅鎂元素的量化損耗，介紹的文獻(xiàn)較少。本文在生產(chǎn)實踐的基礎(chǔ)上，總結(jié)了幾種不同硅鎂含量的6系列合金，在熔鑄生產(chǎn)各環(huán)節(jié)硅和鎂元素的損耗情況，并提出相應(yīng)的控制方法。
1 試驗方法
1.1 工藝流程簡介：
采用以下工藝流程進(jìn)行合金鋁棒的生產(chǎn)：投料→熔化→控溫→扒渣→合金化→精煉→加覆蓋劑→靜置→鑄造（深井熱頂鑄造）。合金化工序加入的硅為中間硅合金，加入的鎂為高純鎂錠。整個熔鑄生產(chǎn)過程中，重點驗證精煉、靜置和鑄造前、后期硅鎂含量的變化。
1.2 取樣要求：
1）取樣次序要求：每爐次分別在以下四個環(huán)節(jié)取樣：
①精煉前在爐內(nèi)取樣作分析；
②精煉后在爐內(nèi)取樣作分析；
③鑄造1米時在流槽處取樣作分析；
④鑄造8米時在流槽處取樣作分析。
2）爐內(nèi)取樣要求：采用特制的樣勺在爐膛的中間勺取鋁液，倒入樣模制成試樣，要求每批次取兩塊試樣；取樣溫度控制在720-750℃。
3）流槽取樣要求：采用特制的樣勺在流槽勺取鋁液，倒入樣模制成試樣，要求每批次取兩塊試樣。
1.3 檢測手段：
采用德國SPECTRO MAXx直讀光譜儀對所取試樣進(jìn)行成份檢測。采用西南鋁熔鑄廠制備的鋁合金標(biāo)準(zhǔn)試樣校準(zhǔn)光譜儀。要求每個試樣檢測三個點，每批次取樣兩塊，化驗結(jié)果取6個點的平均值，記錄下檢測結(jié)果。
1.4 實驗合金的選擇及熔煉生產(chǎn)的控制
變形鋁及鋁合金化學(xué)成份國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 3190—2008）中，6系列合金Mg含量變化范圍大概在0.25%-1.2%之間，Si含量變化范圍大概在0.3%-1.7%之間。為了使得實驗數(shù)據(jù)具有代表性，分別選取四種不同成份的合金進(jìn)行驗證，選取的6060合金在6系鋁合金中屬于低硅鎂含量的合金；6061合金在6系鋁合金中屬于高硅鎂含量的合金；6063合金在6系鋁合金中屬于中等硅鎂含量合金；6082合金在6系鋁合金中屬于高硅鎂含量的合金。
為了驗證不同工藝對元素?fù)p耗的影響，嚴(yán)格控制四種不同硅鎂含量的6系列合金，按照表2-1中的工藝進(jìn)行熔煉生產(chǎn)。其中6060合金生產(chǎn)2爐次，6061合金生產(chǎn)2爐次，6063合金生產(chǎn)4爐次，6082合金生產(chǎn)2爐次。分別按照5個不同工藝方案進(jìn)行熔煉生產(chǎn)。方案1、2、4、5對比不同精煉工藝對硅鎂損耗的影響；方案3、4對比不同靜置時間對硅鎂損耗的影響。
表2-1：實驗方案及工藝參數(shù)控制表
3 實驗結(jié)果及分析
3.1 按照以上實驗方案，記錄并整理精煉前、精煉后、鑄造1米及鑄造8米鎂含量的數(shù)據(jù)如表3-1和圖3-1所示。
表3-1 Mg含量在熔鑄各階段的變化
圖3-1 Mg含量在熔鑄各階段的變化趨勢圖
從實驗數(shù)據(jù)來看，兩種不同靜置工藝（方案3靜置100分鐘與方案4靜置20分鐘），在725℃-745℃的溫度范圍內(nèi)靜置，對6系合金中Mg的損耗影響輕微，差異不大。分析原因：鋁液表面氧化后會形成較為致密的氧化膜，該氧化膜能夠有效的阻止下層金屬繼續(xù)氧化，靜置期間表層氧化膜穩(wěn)定未遭到破壞，并且6系列鋁合金中含鎂量不高，鎂在鋁中的溶解度較大，在這種狀態(tài)下即使發(fā)生氧化也是非常緩慢的。
鑄造過程鎂含量的變化量在0.5%左右，對成份穩(wěn)定性的影響非常輕微。
精煉工序是6系列合金Mg損耗的主要環(huán)節(jié)，從方案4對比方案5的結(jié)果來看，合金中Mg含量越高，在相同的精煉條件下，鎂元素的損耗量越大，尤其是在較長的精煉時間下差異更顯著。 從方案1、2對比方案4、5來看，精煉劑的用量及精煉時間是精煉環(huán)節(jié)影響Mg損耗的主要因素，隨著精煉劑用量的加大和精煉時間的延長，Mg元素的損耗量加大。從綜合數(shù)據(jù)來看6系列鋁合金精煉環(huán)節(jié)Mg的損耗量在4%-8%之間。分析精煉環(huán)節(jié)Mg元素的損耗主要有以下兩個因素：
①由于采用的精煉劑為發(fā)熱型精煉劑，精煉粉與熔體反應(yīng)局部放熱，又由于噴粉的方式為以氮氣為載體把粉末狀精煉劑吹進(jìn)入熔體內(nèi)，期間伴隨著熔體的攪動和液面的翻滾，破壞了表層的氧化鋁保護(hù)膜，從而增加了Mg的接觸燒損。
②精煉劑主要成份為氯鹽及冰晶石，國內(nèi)生產(chǎn)精煉劑時為了提高精煉除氣除渣的效果，普遍的會在精煉劑中加入六氯乙烷C2Cl6。而Mg元素在鋁合金熔體中化學(xué)性質(zhì)相對較為活潑，因此Mg會優(yōu)先與精煉劑中的這些氯化物反應(yīng)生成MgCl2 ，從而導(dǎo)致熔體中Mg的損耗。
2Al+3C2Cl6→2AlCl3+3C2Cl4
3Mg+2AlCl3→2Al+3MgCl2（損耗）
Mg+C2Cl6→MgCl2（損耗）+C2Cl4（C2Cl6優(yōu)先與Mg反應(yīng)）
3.2 按照以上實驗方案，記錄并整理精煉前、精煉后、鑄造1米及鑄造8米硅含量的數(shù)據(jù)如表3-2和圖3-2所示。
表3-2 Si含量在熔鑄各階段的變化
圖3-2 Si含量在熔鑄各階段的變化趨勢圖
從實驗數(shù)據(jù)來看，Si元素在整個熔鑄生產(chǎn)過程中，成份波動不穩(wěn)定，整體波動范圍不大，在-2%-3%之間，出現(xiàn)負(fù)值反映出Si在熔煉生產(chǎn)的過程中擴(kuò)散的不理想，因此熔鑄生產(chǎn)的過程中Si的精確控制，關(guān)鍵在于加強(qiáng)合金化的攪拌操作和采取合理的加硅方式。
硅含量波動原因分析：生產(chǎn)過程中102的加入階段是在爐料*熔化，熔體溫度控制在一定范圍之后，把固態(tài)的102合金加入到高溫熔體內(nèi)進(jìn)行合金化操作。由于102合金中Si的含量不高ω（Si）=10%-22%，根據(jù)6系鋁合金中Si的含量要求，整個合金化過程中加入的102合金的量將在幾百到上千公斤之間。大量的102加入熔體內(nèi)不但增加了攪拌難度，并且使得爐內(nèi)熔體溫度迅速下降20℃-60℃。由于合金化溫度佳范圍是在720-750℃之間（過高的熔體溫度增加吸氣和燒損）。又根據(jù)Al-Si二元相圖分析（圖3-3），ω（Si）=10%-22%的102合金熔化溫度應(yīng)控制在700-730℃。以上102合金熔化溫度范圍的要求與合金化導(dǎo)致降溫幅度過大之間的矛盾，使得Si在吸收的過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定因素，影響了Si在熔體內(nèi)的均勻分布從而出現(xiàn)了各階段Si含量不穩(wěn)定波動的現(xiàn)象。
圖3-3：Al-Si二元相圖
4 結(jié)論及控制措施
通過實驗在6系鋁合金熔鑄生產(chǎn)過程中分階段取樣，并采用德國SPECTRO MAXx直讀光譜儀對所取試樣進(jìn)行成份檢測。分析了四種不同硅鎂成份的6系列合金鋁棒在精煉、靜置、鑄造工序硅、鎂元素的損耗情況。總結(jié)了6系列合金鋁棒在熔鑄生產(chǎn)過程中硅、鎂的主要損耗環(huán)節(jié)，以及各環(huán)節(jié)硅、鎂元素的損耗量。針對6系鋁合金Mg、Si成份的精確控制，提出一些控制措施，從而保證了產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性。通過對6系鋁合金熔鑄生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)Si、Mg的損耗情況的驗證，得出如下結(jié)論并提出控制措施：
（1）、Si元素在6系鋁合金熔鑄生產(chǎn)過程中，成份波動不穩(wěn)定，但是整體波動范圍不大，在熔煉的合金化環(huán)節(jié)應(yīng)加強(qiáng)攪拌。為了改善Si的吸收，合金化加入硅的形態(tài)應(yīng)以102合金為宜，并在裝爐料的時候把102合金裝在爐底同爐料一起熔化，這樣能充分的利用熔煉過程中的升溫和攪拌操作提高硅在熔體內(nèi)的均勻分布。為了提高Si的吸收，102合金中Si的含量應(yīng)控制在10%-14%。
（2）、在正常的靜置溫度內(nèi)（725℃-745℃），靜置時間對6系鋁合金Mg元素?fù)p耗影響非常小，可以不計。
（3）、6系列合金熔鑄生產(chǎn)過程中，鎂元素的損耗主要發(fā)生在精煉環(huán)節(jié)，其損耗量隨精煉時間和精煉劑用量的增加而增大。
（4）、6系鋁合金中Mg含量越高，在相同的精煉條件下，鎂元素的損耗量越大。
（5）、6系列鋁合金在精煉環(huán)節(jié)Mg的損耗量在4%-8%之間，實踐生產(chǎn)的過程中可參照以上損耗量進(jìn)行控制，合金化的過程中Mg應(yīng)該盡量走上限值，或按照目標(biāo)加入量的104%-106%進(jìn)行加鎂操作，終把鎂含量控制在理想范圍內(nèi)。
本文作者：劉一崢、劉智杰、楊翠顏、李干希、周超彥
作者單位：臺山市金橋鋁型材廠有限公司