摘要：本文针对电解铝厂铸造车间铝扁坯的生产实践，分析了铝扁坯产品生产过程中常见缺陷产生的原因，提出了防止或减少铝扁坯铝产品的生产过程中产生质量缺陷的对策措施。
关键词：铝扁坯；水平连铸；缺陷；对策
1、前言
铝扁坯采用水平铸机连铸生产工艺进行生产，而水平铸机是我公司1998年新配置安装铸造设备。在电解厂组织GP-320工程铝母线（铝扁坯）的生产初期，由于操作者对水平连铸生产工艺和设备性能的掌握水平有限，缺乏实际的生产经验，因此产生的废品也较多，生产初期的废品率高达30～40％，其中约有80%的废品是与铸锭中存在的缺陷有关。因此，如何识别和分析铝扁坯铸锭中的缺陷及其成因，寻求防止或减少缺陷的方法，对提高铝扁坯铸锭和加工产品的质量，具有很现实的意义。
2、铝扁坯铸锭质量缺陷的主要形式及缺陷分析
铝扁坯水平连铸的铸锭缺陷有数十种，在GP-320工程铝母线（铝扁坯）的生产过程中常产生的质量缺陷主要有：化学成份不合格、裂纹、气孔、弯曲、翘曲、非金属夹杂物、跑瘤和冷隔等等。
2.1化学成分不合格
我们知道，金属材料的组织和性能，除了工艺因素的影响外，主要依靠化学成分来保证。因此准确控制好熔体的化学成分，是保证熔体质量的首要任务。金属材料的化学成分包括主要成分和杂质两部分。铸锭的某一成分一旦超出标准，则按化学废品来处理，造成很大的损失。造成熔体化学成分不合格的原因是多方面的.在实际生产过程中，主要有以下几个方面：管理不善造成的混料，（原铝）配料计算失误，称量及化学分析工作的失误等。
2.2裂纹:
从这次生产PG-320工程母线来看，裂纹的位置主要分布于扁锭的側部。裂纹是水平连铸过程中最常见的一种质量缺陷，可分为热裂及冷裂两种。在凝固过程中产生的裂纹称为热裂纹，凝固后冷却过程中产生的裂纹成为冷裂纹，两种裂纹各有其特点，热裂纹多为沿晶界扩展，曲折而不规则，常出现分枝，表面略呈氧化色穿晶裂纹，多呈直线扩展且较规则，裂纹表面较光洁，铸锭中有且裂纹既有热裂纹特征又具有冷裂纹特征，，这是铸坯先热裂后发展成冷裂所致.而产生裂纹最直接的原因是铸造应力的破坏作用，而铸造应力又是如何形成的呢?
铸锭在凝固和冷却过程中收缩受到阻碍而产生的应力即是铸造应力，按其形成的原因可分为热应力，相变应力和机械应力
图2-1连铸圆锭中温度和应力分布示意图
热应力是铸锭凝固过程中温度变化引起的.凝固开始时，铸锭外部冷得快，温度低，收缩量大；内部温度高，冷得慢，收缩量小，由于收缩量与收缩速率不同，铸锭内、外层之间便会互相阻碍收缩而产生应力，在整个凝固过程中，热应力的大小和分布将随铸锭断面的温度梯度而变化.以最简单的圆锭为例，在浇速一定的情况下，铸锭拉出结晶器后，外层受二次水冷而强烈收缩，但此时内层的温度高收缩量小，阻碍外层收缩并使之受拉应力，内层则受压应力，如图2-1（a）所示，当经过时间T1和T2以后，铸锭外部温度已经相当低，冷却速率小，中部温度高冷却速率大，收缩量大，会受外部阻碍而受拉应力，外部则受压应力，此时应力分布与铸锭刚拉出结晶器的情况相反，如图2-1（b）所示。铸锭在以后的冷却过程中，中部冷却速率降低，但仍大于外部，故铸锭断面的应力符号不变，只是应力有所增大，如图2-1（c）所示。扁锭的应力分布与圆锭有所不同，一般来说大面的冷却速度低于小面，大面中部冷却得慢受压应力，小面、棱角及底部冷却得快受拉应力。同时扁锭的应力分布还与其厚度比有关，宽厚比大，小面所受的拉应力也大；当宽厚比不变而铸锭尺寸增大时应力分布不变，只是总的应力会增大。当宽厚比趋近一致时，则与圆锭基本相同。
图2-2 扁锭产生裂纹的倾向与锭厚、宽厚比及浇速的关系
当金属的强度和塑性较低时，在铸造应力的作用下，就很容易热裂。而冷裂一般是铸锭冷却到温度较低的弹性状态时，因铸锭内外温差大，铸造应力超过合金的强度极限而产生的，而且往往由热裂扩展而成。热裂和冷裂的产生与金属性质、浇铸温度及铸锭结构有关，其变化的相互关系见如图2-2所示
如图2-2所示。当锭厚一定时（即产品规格一定），热裂倾向随浇速增加而增大，例如锭厚为b3、浇速为V1时，可能产生冷裂而不产生热裂；V2时则可能产生冷裂也可能产生热裂；V3时只产生热裂。
2.3.气孔
铝扁坯水平连续铸造时产生的气孔多为皮下气孔，金属铸锭产生的气孔可分为析出型气孔和反应型气孔
2.3.1析出型气孔
溶解于金属中的气体，其溶解度一般随温度降低而减少因而会随温度降低逐渐析出来，一般金属在温度低的时候，粘度增大。当凝固较快时。熔体内形成的气孔来不及上浮逸出，便留在铸锭内部，成为气孔。
2.3.2反应型气孔
金属在凝固过程中与模壁表面水分、涂料及润滑剂之间或金属液内部发生化学反应，产生的气体形成气泡后来不及上浮逸出而形成的气孔，称反应型气孔。在纯铝液中主要产生的反应式为：
3Al+2H2O＝Al3O2+2H2
同时二次冷却水的水蒸气、涂料和润滑油挥发的气体，也是产生气孔的重要来源，凝固初期，反应生成的氢气和水蒸气等填充于气缝，当气压增大到超过凝壳强度及某处的液体静压力时，气体便突破凝壳而进入凝固区，由于凝固速度较大，气泡往往来不及上浮逸出而就被凝固，形成气孔。一般来说，结晶器有凹坑、裂缝、结晶器变形导致局部气隙过大，或者浇温浇速过高等情况下，都易产生反应型气孔。
2.4弯曲、翘曲
产生弯曲、翘曲的主要原因是冷却时上、下面或者左右面冷却不均匀，冷却大的面收缩快、收缩量大，而冷却小的面收缩较慢、收缩量小，收缩大的面拉收缩小的面而产生的。在生产截面为550×150规格的母线时，该规格的母线很多出现弯曲、翘曲的现象较为明显。
2.5非金属夹杂物
铸锭中的氧化物、硫化物、硅酸盐、炉衬剥落物，以及润滑剂残焦等非金属夹杂物，通称为夹渣。夹渣对铸锭的机械性能、导电性能影响很大，是铝母线、铝加工水平连续铸锭中不可忽视的一个影响。
非金属夹渣物一般有四个来源：①原铝中带来；②在保持炉内停留时混入；③在熔体转注过程中混入；④工艺不当形成。
2.6跑瘤、冷隔
跑瘤与冷隔是水平连铸常见的两个缺陷，都是工艺控制不当时造成的。
一般在连铸时，当温度过高而且水压相对又低，速度又快时，则凝固处的液穴加深加长，造成一些凝壳变薄，强度不够，熔体从此处跑出来，则形成跑瘤。相反，温度过低或水压偏高而速度太慢时，使熔体凝固速度大于拉铸速度，即结晶器内铸锭表面已经凝固了，而拉铸速度太慢，没有拉出来，造成二次凝固，则形成冷隔。
3、防止或减少铝扁坯水平连铸产生质量缺陷的对策措施
3.1防止化学成分不合格的方法
根据生产实践，防止化学成分不合格的方法有：
3.1.1从冷材回炉的严格管理，对现场物料进行挂牌标识，特别是现场的高铁大块铝一定要标明相应的主要化学成份的含量，避免混料导致配料失误；
3.1.2正确的进行配料和计算，严格按电解槽的原铝预分析报告单和预定的配料标准进行配料，并填写好配料计算卡；
3.1.3严格执行相关的工艺技术规程，及时做好炉前成分检验，若发现化学成份的分析结果不合格则必须重新配料直至分析合格才能进行浇铸生产。
3.2防止裂纹产生的措施
一工艺上主要是控制金属化学成份、限制杂质量以及选择合适的工艺相配合等办法来防止铸锭产生裂纹。
3.2.1合理控制成份，限制杂质量
由于一些金属在凝固时发生相变反应，易产生相变反应使其在凝固时发生热裂，进而产生冷裂。而金属的化学成分是其在凝固时发生相变反应的主要原因。实践证明，对工业纯铝，当杂质中的Si>Fe时，凝固时就会生成熔点为574.5℃的α（AL）+Si+β（ALFeSi）三元共晶分布于晶界而易热裂，但若是Fe>Si时，因在629℃产生包晶反应：FeAl3+L=α（Al）+ β（ALFeSi）而完成凝固，提高了凝固脆性区的下线温度，故故不易产生热裂。对于纯铝的大型连续铸造，一般来说，Fe含量要比Si含量高0.01～0.05％为好。
3.2.2选择合理的工艺措施
对于不同形状的热裂、冷裂，一般采取不同的工艺措施，主要有：
3.2.2.1采用低浇铸温度、低浇铸速度、低金属液水平、均匀供流及冷却等措施，能有效的防止产生通心裂纹。GP-320工程的大截面铝母线的生产工艺技术按表一所示控制：
3.2.2.2采用短结晶、低金属水平、高浇铸速度和均匀水冷，可使铸锭外层在水冷收缩时内部具有较好的塑性，以减少对外层的阻力，可防止放射性裂纹。
3.3防止气孔产生的措施
3.3.1防止析出型气孔最有效的方法是搞好精练除气除渣，处理好熔体的浇铸过程，同时可在浇铸时加大冷却强度。在原铝经配铝后，必须进行严格的精练工作。一般来采用较好的精练剂，精练时间30分钟以上，精练后澄清时间30分钟以上，以便熔体中的气体上浮排出，同时铝液温度不许过高，如果铝液温度过高，造成铝液过烧，氧化模被破坏，就滋生加速金属吸气，正常时保持炉铝液温度控制在730～760℃范围为宜。同理熔体的浇铸一般应在氧化模的保护下平移流动严禁有敞露的落差和液流冲击，防止氧化模破裂混入及气体的混入。
3.3.2防止反应型气孔的主要方法是：涂料、润滑油、流槽、中间包、引锭插等要注意干燥，供流要均匀，可以适当减少结晶器喷水角以免水气侵入。对纯铝而言，可采用短结晶器和加大冷却强度的办法降低气孔。
3.4、防止或减少弯曲、翘曲缺陷产生的措施
3.4.1定期清理结晶器的周边水孔，确保各个孔眼保持畅通，避免因结晶器水孔的堵塞而导致冷却不均匀
3.4.2调整好结晶器四周的进水管的供水压力，使各个进水点压力趋于一致，确保供水均匀。
3.5防止非金属夹杂措施
3.5.1对原铝中带来以及保持炉停留时混入的夹渣，可采取彻底地精炼去渣、增加澄清时间（利于夹渣上浮）等办法来解决；
3.5.2对于熔体转注过程中造成的夹渣，可在转注过程中设立过滤网，均匀供流尽可能避免供流过程出现熔体落差和液流冲击，以防止氧化膜的撕裂混入熔体内部。一般来说，转注过程的熔体在氧化膜下保持平缓流动，不应过多搅拌以撕裂其氧化膜。
3.5.3对工艺因素造成的夹渣，可通过适当提浇铸温度、降低浇铸速度措施来解决。因为连铸时，凝固处液池过深，不利于夹渣上浮，会使夹渣增多，而提高高浇温虽然会增加二次氧化，但有利于夹渣物的聚集和上浮，因而有利于减少铸锭中夹渣物。
生产过程中密切注视铸坯表面质量情况变化，当铸坯表面出现跑瘤时，则适当降低浇铸温度，增大冷却水压或者降低浇铸速度，使好浇铸温度、冷却水压和浇铸速度这三者工艺参数相匹配；当当铸坯表面出现冷隔时，参数的调整则相反。浇铸温度、冷却水压和浇铸速度这三者工艺参数控制按表一控制。
4、结束语
自1998年开始进行铝母线生产以来，我们不断的对水平连铸的生产工艺和操作方法进行探索分析和总结，积累了比较丰富的生产管理经验，有效地防止或减少了铝扁坯生产过程出现的缺陷，使铝扁坯的废品率降低到了15％以下，取得了良好的技术经济效果。
参考文献
[1]陈存中.有色金属熔炼与铸锭.冶金工业出版社.
论文作者:黄荣燕
论文发表刊物:《基层建设》2018年第3期
论文发表时间:2018/5/18
标签：铸锭论文; 气孔论文; 应力论文; 裂纹论文; 温度论文; 缺陷论文; 过程中论文; 《基层建设》2018年第3期论文;