短流程工藝製備5182高性能大扁錠的方法
2023-04-30 19:38:11 1
專利名稱：短流程工藝製備5182高性能大扁錠的方法
技術領域：
本發明涉及有色金屬新材料熔煉鑄造領域，是針對採用電解鋁液直接鑄造5182 鋁合金高性能大扁錠的工藝流程和製備方法。
背景技術：
5182屬於Al-Mg系合金，該合金由於具有良好的強度、伸長率和深衝性能，特別 易拉罐蓋用5182合金扁錠的要求更高。該合金扁錠的傳統生產工藝流程如下1電解鋁 液——2精煉——3鑄造成重熔鋁錠——4 二次熔化——5精煉——6在線處理——7鑄造 成扁錠——8後續加工和處理。該工藝流程比較成熟，其優點是產品質量較穩定；其缺點是 工序多，生產周期長，成本高。如能將工藝流程中的2至4道工序去掉，直接採用電解鋁液 經過精煉和在線處理就鑄造成鋁扁錠(下簡稱「鑄錠」)，不但可以減少工序、減少二次熔化 過程中的金屬燒損、降低能耗和節約成本，而且可以減少C02、S02等廢氣和Al203、KCl、NaCl 等廢渣排放。然而與傳統工藝技術相比，電解鋁液具有以下天生的缺點
①鋁液熔體溫度高，有效形核率低，易造成扁錠晶粒粗大；
②其非金屬夾雜物主要有氧化鋁、氟化鹽、碳粉碳粒、氮化鋁等各種複雜的非金屬夾 渣，這些夾渣在鑄造過程中很容易被包裹在鋁扁錠內部，形成夾雜和孔洞；
③電解鋁液中不可避免地含有CO、CO2,SO2, H2、CH4, N2等多種氣體，其中以危害性最大 的H2為主，佔氣體總量的70 90% ；
④電解過程中添加Na3AlF6和NaF等介質中含有大量Na，且Na+的活性比Al+高，致使 鋁液中的Na含量高達0. 002 0. 006%,高出正常要求的10倍左右，這給除Na帶來了很大 的技術難度。因此，採用電解鋁液直接鑄造高性能大規格5182鋁扁錠要達到傳統工藝的技術 指標，必須採取獨有的技術措施來努力攻克前面所提到的技術障礙。
發明內容
本發明的目的在於提供一種工藝流程更短、生產成本更低、環保節能的易拉罐蓋 用高性能5182合金大扁錠的短流程生產方法。其特徵在於，採用電解鋁液替代部份電解重熔鋁錠來直接製備易拉罐蓋用高性能 5182合金大扁錠，所述短流程工藝包括熔煉過程配料化學成份的確定、添加電解鋁液的比 例、裝爐順序、熔體精煉和在線處理方法、扁錠尺寸等工藝過程和製備方法。本發明包括以下工藝步驟
(1)電解鋁液所述電解鋁液的重量比例40 70%，餘量為電解重熔鋁錠、中間合金或 相關合金一二級廢料等固體原料。在固體原料中，一二級廢料添加比例< 30%固體原料，中 間合金必需添加，添加量依據化學成份而定，電解重熔鋁錠為餘量；
(2)熔體精煉；
3(3)在線處理；
(4)鑄造成扁錠；
(5)後續加工和處理
所得到的5182合金大扁錠的主要化學成份滿足GB/T3190 — 2008，成分範圍 Mg 4. 35 4. 65 % ；MnO. 30^0. 38 % ；FeO. 20^0. 33 % ； CuO. 03 0. 07 % ；SiO. 05^0. 20 % ； CrO. 03 0. 06 % ；Ti ( 0. 10 % ；Zn ( 0. 10 % ；Na ( 0. 0003 % ；餘量為 Al。所述高性能大扁錠5182合金的尺寸規格是指長度不低於2000mm、寬度不低於 1000mm、厚度不低於300mm的長方體或類長方體，所述類長方體是指在扁錠長度方向的小 截面邊部帶有一定的弧形。本發明中，電解鋁液的具體添加比例視電解鋁液入爐溫度和環境溫度而定，電解 鋁液溫度高、環境溫度高則取下限，反之則取上限。相關合金廢料的比例<30%固體料。當 電解鋁液比例 70%時，增加鋁的燒損量，同時產生的氧化夾渣 可能性增加，增加操作過程的難度，降低生產效率，而且產品質量缺陷增多，有些缺陷要經 過熱軋和冷軋到1. 3mm以下才能發現，並且要在掃描電鏡下才能觀察到，如圖1所示。所述相關合金廢料的合金的牌號包括鋁含量> 99. 5%的1000系鋁合金、5052、 5082和5182。一二級廢料主要指上述合金生產過程中產生的技術廢品料、正常切邊料和切 頭切尾產生的廢料，不包括刨邊廢品和其它情況產生的廢品料，前述廢料不能和其它合金 混料，也不能被汙染。所述5182合金大扁錠熔煉的加料順按先加入相關合金一二級廢料、重熔鋁錠、中 間合金(先加一半)等固體料，然後加入電解鋁液，待固體料熔化後再精煉，剩餘中間合金於 爐前分析後調整成份時加入。固體料由於吸熱熔化而降溫，降溫的程度隨固體料的多少、狀 況和環境氣溫度而異，在熔化過程中根據鋁液溫度情況應適當地開動燒咀，以加速熔化，這 樣可以節能並減少金屬燒損，提高效率。所述5182合金大扁錠的精煉過程需採用無Na粉狀除渣劑對鋁熔體進行預處理， 攪拌均勻、扒去鋁液表面浮渣，然後採用N2_ci2混合氣體(Cl2含量5 10%)加上少部份 粉末精煉劑在鋁液中噴霧精煉。精煉過程注意控制爐壁掛渣，精煉時間15 45分鐘，電解 鋁液比例越高，精煉時間越長，有利於降低電解鋁液中的Na含量。所述5182合金大扁錠的熔體在線處理用Ar氣在DDF (雙轉子除氣熔體處理系統) 或Mint (美國鋁熔體在線處理系統)裝置上除氣；所述熔體過濾方式為管式過濾+陶瓷板 雙重過濾、或陶瓷球過濾+陶瓷板雙重過濾、或兩套陶瓷板雙重過濾；所述熔體鑄造前的在 線晶粒細化方式為Al-Ti-B或Al-Ti-C絲在線連續餵絲。所謂配料化學成份是指依據國家標準GB/T3190 — 2008確定的目標化學成分，考 慮原料中已有的合金元素含量和熔煉過程中工具產生的合金元素增量和某些元素氧化帶 來的減量等影響因素來確定的原輔材料配比成份。Fe 扣除電解鋁液和電解重熔鋁錠中加 權含量後，絕對含量再下浮0. 02% ；Si扣除電解鋁液和電解重熔鋁錠中加權含量；Mg 相對 含量增加10% ；其它元素無增減。所述5182合金大扁錠的其它工藝與採用重熔鋁錠製備5182合金扁錠相同，但要 注意控制大扁錠的組織晶粒細小，晶粒度達到一級，無裂紋、氣孔、光亮晶粒、非金屬夾雜等
4缺陷存在。採用本發明的工藝方法與傳統工藝方法相比，每製備一噸高性能5182合金大扁 錠可省去重熔鋁錠鑄造過程所需要的一整套設備、原輔材料、相關的人力和能源消耗；至少 可節省0. 7%的金屬鋁燒損，減少25度電耗、8噸生產用水和25kg燃油，節約原輔材料25 元。按當前市價保守計算，每噸產品可節約成本約280元以上。同時減少了大量的CO2和 SO2等廢氣、廢水、粉塵和廢渣的排放。
圖1 (a)和圖1 (b)分別是在試驗過程中使用80%電解鋁液製備的5182大扁錠， 經過銑面、加熱、冷軋至1. 3mm發現表面有印痕，將該印痕清洗後，進行金相觀察和掃描電 鏡觀察得到的金相照片和掃描電鏡照片。圖2 (a)和圖2 (b)是實施例1中大扁錠的晶粒組織照片。圖3 (a)和圖3 (b)是實施例1中第二相組織的照片。
具體實施例方式實施例1 電解鋁液和電解重熔鋁錠中Fe和Si元素的加權含量分別為0. 12%和 0. 07%。配料化學成份為Mg4. 9 % ；MnO. 36 % ；FeO. 17 % ； CuO. 05 % ；SiO. 03 % ；CrO. 04 % ； Ti在線以Α15 1Β形式在線加入，加入量按1. 5Kg/噸左右控制，ZnO. 02 % ；電解鋁液比例 40%, 5052 一級廢料15%，Fe、Si、Mn和Cu以中間合金形式加入，加入量依據配料化學成份而 定，餘量為電解重熔鋁錠。加料順序先加入一級廢料、然後是電解重熔鋁錠、Al-Cu中間合 金、Al-Mn中間合金、Al-Si (先加一半)和Al-Fe (先加一半)中間合金、電解鋁液；餘下部 份中間合金在精煉過程爐前化學在線分析後加入，Mg在線精煉過程中加入。由於電解鋁液 比例低，固體料的吸熱熔化而降溫，在熔化過程中應適當地開動燒咀，以加速熔化，這樣可 以節能並減少金屬燒損，提高效率。在精煉過程中需採用無Na粉狀除渣劑對鋁熔體進行預處理，攪拌均勻、扒去鋁液 表面浮渣，然後採用N2_10%C12混合氣體加上少部份粉末精煉劑在鋁液中噴霧精煉。精煉 過程注意控制爐壁掛渣，精煉時間20 30分鐘，有利於降低電解鋁液中的Na含量。熔體 在線處理用Ar氣在DDF旋轉除氣裝置除氣，管式過濾+陶瓷板雙重濾，Al-Ti-B絲在線連 續喂。鑄錠鑄造規格510X 1280 X 5000mm。該大規格5182鋁扁錠的最終化學成份為Mg4. 42 % ；MnO. 36 % ；FeO. 31 % ； CuO. 05 % ；SiO. 11 % ；CrO. 04 % ；TiO. 01 % ；Zn 彡 0. 10 % ；NaO. 0002 % ；餘量為 Al。氣體含量([H] ) 0. 147ml/100g,優於目標值([H])彡0. 18ml/100g ；在扁錠底部 (200 300mm)處切取2塊厚約15 20mm的低倍試片分析，鑄錠內部無裂紋、氣孔、光亮晶
粒、非金屬夾雜等缺陷，晶粒度均為一級。表面質量良好，沒有明顯的冷隔和偏析瘤。扁錠的軋制面的彎曲度，在5m長度內， 彎曲小於4mm，軋制面的凹凸度< 3mm。顯微組織如圖2所示，圖2(a)是採用電解鋁液直接生產的5182合金扁錠的金相 照片，圖2(b)是採用重熔鋁錠生產的5182合金扁錠的金相照片，由此可見兩者晶粒接近。
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對於易拉罐蓋來說，鋁扁錠中第二相的大小，分布和形貌對其性能影響很大。圖3(a)是採用電解鋁液直接鑄造出的易拉罐蓋板用5182合金扁錠第二相顯微組 織照片，從中可見第二相較彌散，分布較均勻。圖3(b)是採用傳統工藝生產的5182扁錠的 第二相照片情況，兩者基本相近。與傳統工藝相比，採用本實施方案每製備一噸5182鋁扁錠，可節省0. 7%的金屬 鋁燒損，減少25度電耗、8噸生產用水和25kg燃油，節約原輔材料25元。按當前市價保守 計算，每噸產品可節約成本約280元以上。同時減少了大量的CO2和SO2廢氣、廢水、粉塵和 廢渣的排放。實施例2 電解鋁液和電解重熔鋁錠中Fe和Si元素的加權含量分別為0. 11% 和 0. 08%ο 配料化學成份為Mg5. 0 % ；MnO. 35 % ；FeO. 19 % ； CuO. 05 % ；SiO. 05 % ；CrO. 04 % ；Ti在線以Α15 1Β形式在線加入，加入量按1. 5Kg/噸左右控制，ZnO. 02 % ；電解鋁液比 例68%，5052 —級廢料8%，Fe、Si、Mn和Cu以中間合金形式加入，加入量依據配料化學成份 而定，餘量為電解重熔鋁錠。加料順序先加入一級廢料、然後是電解重熔鋁錠、Al-Cu中間 合金、Al-Mn中間合金、Al-Si (先加一半)和Al-Fe (先加一半)中間合金、電解鋁液；餘下 部份中間合金在精煉過程爐前化學在線分析後加入，中間電解鋁液；Mg在線精煉過程中加 入。精煉時間35 45分鐘，在精煉化過程中應開動燒咀保溫。其它工藝同實施舉例1。鑄錠鑄造規格510X 1580 X 3500mm。該大規格5182鋁扁錠的最終化學成份為Mg4. 46 % ；MnO. 35% ；FeO. 31 % ； CuO. 06 % ；SiO. 14 % ；CrO. 04 % ；Ti ^ 0. 011 % ；Zn ( 0. 10 % ；NaO. 0003 % ；餘量為 Al。氣體含量([H] ) 0. 153ml/100g,優於目標值([H] ) ( 0. 18ml/100g ；在扁錠底部 (200 300mm)處切取2塊厚約15 20mm的低倍試片分析，鑄錠內部無裂紋、氣孔、光亮晶
粒、非金屬夾雜等缺陷，晶粒度均為一級。表面質量和外觀質量、顯微組織和第二相的大小、分布和形貌都與實施例1相近。與傳統工藝相比，採用本實施方案每製備一噸5182鋁扁錠，可節省1. 2%的金屬 鋁燒損，減少38度電耗、12噸生產用水和35kg燃油，節約原輔材料42元。按當前市價保守 計算，每噸產品可節約成本約390元以上。同時減少了大量的CO2和SO2廢氣、廢水、粉塵和 廢渣的排放。實施例3 電解鋁液和電解重熔鋁錠中Fe和Si元素的加權含量分別為0. 12%和 0. 09%ο 配料化學成份為Mg4. 8 % ；MnO. 34 % ；FeO. 19 % ； CuO. 05 % ；SiO. 03 % ；CrO. 04 % ； Ti在線以Α15 1Β形式在線加入，加入量按1. 5Kg/噸左右控制，ZnO. 02 % ；電解鋁液比例 49. 5%, 5052 一級廢料12%，Fe、Si、Mn和Cu以中間合金形式加入，加入量依據配料化學成份 而定，餘量為電解重熔鋁錠。加料順序先加入一級廢料、然後是電解重熔鋁錠、Al-Cu中間 合金、Al-Mn中間合金、Al-Si (先加一半)和Al-Fe (先加一半)中間合金、電解鋁液；餘下 部份中間合金在精煉過程爐前化學在線分析後加入，中間電解鋁液；Mg在線精煉過程中加 入。精煉時間25 40分鐘，在精煉化過程中應開動燒咀保溫。其它工藝同實施例1。鑄錠鑄造規格510X 1070 X 5500mm
該大規格5182鋁扁錠的最終化學成份為Mg4. 35 % ；MnO. 34% ；FeO. 33 % ； CuO. 06 % ； SiO. 12 % ；CrO. 04 % ；Ti ^ 0. 011 % ；Zn ( 0. 10 % ；NaO. 0002 % ；餘量為 Al。氣體含量([H] ) 0. 145ml/100g,優於目標值([H])彡0. 18ml/100g ；在扁錠底部
6(200 300mm)處切取2塊厚約15 20mm的低倍試片分析，鑄錠內部無裂紋、氣孔、光亮晶
粒、非金屬夾雜等缺陷，晶粒度均為一級。表面質量和外觀質量、顯微組織和第二相的大小、分布和形貌都與實施舉例1相 近。與傳統工藝相比，採用本實施方案每製備一噸5182鋁扁錠，可節省0.9%的金屬 鋁燒損，減少33度電耗、10噸生產用水和31kg燃油，節約原輔材料37元。按當前市價保守 計算，每噸產品可節約成本約350元以上。同時減少了大量的CO2和SO2廢氣、廢水、粉塵和 廢渣的排放。實施例4 電解鋁液和電解重熔鋁錠中Fe和Si元素的加權含量分別為0. 12%和 0. 07%。配料化學成份為Mg4. 9 % ；MnO. 35 % ；FeO. 18 % ； CuO. 05 % ；SiO. 06 % ；CrO. 04 % ； Ti在線以Α15 1Β形式在線加入，加入量按1. 5Kg/噸左右控制，ZnO. 02 % ；電解鋁液比例 61%，不加廢料，Fe、Si、Mn和Cu以中間合金形式加入，加入量依據配料化學成份而定，餘 量為電解重熔鋁錠。加料順序先加入一級廢料、然後是電解重熔鋁錠、Al-Cu中間合金、 Al-Mn中間合金、Al-Si (先加一半)和Al-Fe (先加一半)中間合金、電解鋁液；餘下部份中 間合金在精煉過程爐前化學在線分析後加入，中間電解鋁液；Mg在線精煉過程中加入。精 煉時間30 45分鐘，在精煉化過程中應開動燒咀保溫。其它工藝同實施例1。鑄錠鑄造規格510X 1280 X 5500mm
該大規格5182鋁扁錠的最終化學成份為Mg4. 51 % ；MnO. 35% ；FeO. 31 % ； CuO. 06 % ； SiO. 13 % ；CrO. 04 % ；Ti ^ 0. 011 % ；Zn ( 0. 10 % ；NaO. 0003 % ；餘量為 Al。氣體含量([H] ) 0. 151ml/100g,優於目標值([H] ) ^ 0. 18ml/100g ；在扁錠底部 (200 300mm)處切取2塊厚約15 20mm的低倍試片分析，鑄錠內部無裂紋、氣孔、光亮晶 粒、非金屬夾雜等缺陷，晶粒度均為一級。表面質量和外觀質量、顯微組織和第二相的大小、分布和形貌都與實施舉例1相 近。與傳統工藝相比，採用本實施方案每製備一噸5182鋁扁錠，可節省1. 03%的金屬 鋁燒損，減少36度電耗、11噸生產用水和33kg燃油，節約原輔材料39元。按當前市價保守 計算，每噸產品可節約成本約370元以上。同時減少了大量的CO2和SO2廢氣、廢水、粉塵和 廢渣的排放。
權利要求
一種短流程工藝製備5182高性能大扁錠的方法，其特徵在於，所述方法包括以下工藝步驟(1)電解鋁液所述電解鋁液的重量比例40～70%，餘量做為固體原料的電解重熔鋁錠、中間合金或相關合金一二級廢料；在固體原料中，一二級廢料添加比例≤30%固體原料，中間合金必需添加，添加量依據配料化學成份而定，電解重熔鋁錠為餘量；原料裝爐順序按先加入一二級廢料、重熔鋁錠、一半量的中間合金，然後加入電解鋁液，待固體原料熔化後再精煉，剩餘中間合金用於爐前分析後調整成份時加入；(2) 熔體精煉採用無Na粉狀除渣劑對步驟(1)所得的鋁熔體進行預處理，攪拌均勻、扒去鋁液表面浮渣，然後採用N2—Cl2混合氣體加上粉末精煉劑在鋁液中噴霧精煉，精煉過程注意控制爐壁掛渣，精煉時間15～45分鐘，電解鋁液比例越高，精煉時間越長；(3)在線處理用Ar氣在DDF(雙轉子除氣熔體處理系統)或Mint(美國鋁熔體在線處理系統)裝置上除氣；對熔體雙級過濾，並採用Al Ti B或Al Ti C絲在線連續餵絲的方式進行在線晶粒細化；(4)鑄造成預設尺寸的扁錠；(5)後續加工和處理所得到的5182合金大扁錠的主要化學成份滿足GB/T3190－2008，成分範圍Mg 4.35~4.65 %；Mn0.30~0.38 %；Fe0.20~0.33 %； Cu0.03~0.07 %；Si0.05~0.20 %；Cr0.03~0.06 %；Ti≤0.10 %；Zn≤0.10 %；Na≤0.0003 %；餘量為Al。
2.根據權利要求1所述的短流程工藝製備5182高性能大扁錠的方法，其特徵在於，所 述的5182合金大扁錠的尺寸為，長度不低於2000mm、寬度不低於1000mm、厚度不低於300mm 的長方體或類長方體，所述類長方體是指在扁錠長度方向的小截面邊部帶有一定的弧形。
3.根據權利要求1所述的短流程工藝製備5182高性能大扁錠的方法，其特徵在於， 所述相關合金廢料的合金牌號包括鋁含量> 99. 5%的1000系鋁合金、5052、5082和5182 ； 一二級廢料是指上述合金生產過程中產生的技術廢品料、正常切邊料和切頭切尾產生的廢 料，不包括刨邊廢品和其它情況產生的廢品料；所述廢料不能和其它合金混料，也不能被汙染。
4.根據權利要求1所述的短流程工藝製備5182高性能大扁錠的方法，其特徵在於，所 述熔體過濾方式為管式過濾+陶瓷板雙重過濾、或陶瓷球過濾+陶瓷板雙重過濾、或兩套 陶瓷板雙重過濾。
5.根據權利要求1所述的短流程工藝製備5182高性能大扁錠的方法，其特徵在於， 所述配料化學成份是指依據國家標準GB/T3190 - 2008確定的目標化學成分，考慮原料中 已有的合金元素含量和熔煉過程中工具產生的合金元素增量和某些元素氧化帶來的減量 影響因素來確定的原輔材料配比成份；其中，Fe扣除電解鋁液和電解重熔鋁錠中加權含量 後，絕對含量再下浮0. 02% ；Si扣除電解鋁液和電解重熔鋁錠中加權含量；Mg相對含量增加 10%，其它元素無增減。
全文摘要
一種短流程工藝製備5182高性能大扁錠的方法，其採用部份電解鋁液來取代電解重熔鋁錠製備前述大扁錠，原料比例為電解鋁液40～70%，餘量為電解重熔鋁錠、中間合金或相關合金二級以上廢料等固體原料；原料裝爐順序先加入固體原料；熔體精煉為採用無Na粉狀除渣劑對鋁熔體進行預處理，然後採用N2—Cl2混合氣體加上少部份粉末精煉劑在鋁液中噴霧精煉，精煉時間15～45分鐘；熔體在線處理用Ar氣在DDF或Mint等旋轉除氣裝置上除氣，管式過濾＋陶瓷板雙重過濾，Al-Ti-B或Al-Ti-C絲在線連續餵；所述的扁錠尺寸，長度不低於2000mm、寬度不低於1000mm、厚度不低於300mm的長方體或類長方體。本方法具有工藝流程更短、生產成本更低、環保節能等優點。
文檔編號C22C1/03GK101921939SQ20101027624
公開日2010年12月22日 申請日期2010年9月9日 優先權日2010年9月9日
發明者林佳軍, 蔣顯全, 蔣詩琪 申請人:西南大學