1前言
3004为AL-Mn-Mg系合金，是应用最广的一种防锈铝，3004铝板成形性、溶接性、耐蚀性均良好。主要应用于加工需要有良好的成形性能、高的抗蚀性、可焊性好的零部件，在化工产品生产与储存装置，薄板加工件，建筑挡板，电缆管道，下水道，各种灯具零部件、饮料罐、彩色铝板等领域应用广泛。
国内3004铝合金的生产有热轧法和铸轧法两种，随着连续铸轧法生产铝合金带材的工艺的日益成熟，越来越多的企业选择用连续铸轧法生产3004铝合金坯料，铸轧法生产相对与热轧法生产，具有投资小、能耗低、生产流程短等优点，既能为企业创造效益，又能达到节能降耗，节约成本的目的。但是用铸轧法生产强度较高的3004铝合金坯料，在成分配制、铝合金熔体净化、内部结晶组织和板型控制方面存在一些技术难点，基于此，我们对铸轧法生产3004铝合金板材的工艺进行了研究。
2主要技术难点
铸轧3004铝合金的研制，化学成分是关键，在国家标准范围内对化学成分进行调整，选择合适的成分配比，是生产出优质3004铝合金板的首要条件。因为3004铝合金的主要合金元素为Mn和Mg，通过对这两个元素的多次试验，最终确定了我公司铸轧生产的3004铝合金各合金元素成分百分含量如表1所示
表1：3004合金成分百分含量
由表1 3004合金主要合金成分为Mn和Mg含量较高，易出现成分偏析现象，Mg元素性质活泼，容易出现氧化烧损，同时因3004合金中的Fe、Mn和Mg的含量高造成其结晶温度区间高达20℃，高于1XXX系、8011和3003合金，不同合金结晶区间如表2，采用铸轧法生产3004合金时在铸轧区内结晶不均匀，导致板坯组织差异，易出现晶粒组织缺陷。以上合金特点决定了3004合金产品质量较难控制且铝液流动性较差，易出现边部大豁边、铸咀内腔易出现堵塞现象，生产连续性、稳定性较差。⑴铸轧法生产3004合金板坯的工艺控制中的难点主要就是控制Mg元素的氧化烧损，成分稳定和铝液在铸轧区内的结晶的均匀性。
表2：不同合金结晶温度区间
3铸轧生产工艺研究内容
3.1化学成分配制
在3004合金的熔炼中，关键是如何控制镁元素的烧损较大这一问题，因此，在熔炼3004合金时为了减少烧损，在熔炼过程中要使用溶剂覆盖，同时，镁元素应以纯镁锭形式加入炉内，而镁的比重小于铝，而且在高温下一遇空气就会燃烧，不容易加入。因此，加镁时一般是将镁锭放在特制的加料器内，迅速侵入铝水液面之下，往返搅动使镁锭逐渐熔化于熔体中，加入之后并应立即散上一层粉状溶剂。另外，熔体中钠的存在可使3004合金产生钠脆性，熔炼时严禁使用含钠离子的溶剂覆盖或精炼。为了杜绝钠的污染，必须使用以MgCl2和 KCl为主要成分的溶剂精炼和覆盖。配制3004合金时，由于Mn在铝中的溶解度很低，为此在熔炼3004合金时，当熔体温度达到720℃以上时，应多次搅拌熔体，以加速锰的溶解和扩散。否则，如搅动熔体时温度过低，取样分析的锰含量往往要比实际含量偏低，补料后将可能造成锰超标⑵。
针对以上各合金元素特性，在我公司实际生产中Fe、Mn和Ti元素均采用合金添加剂配制，吸收快，烧损小，但因Mg元素性质活泼，高温下很容易氧化烧损，为防止Mg的烧损，保证成分均匀稳定，待所有合金成分添加完毕后，导炉前30分钟添加Mg，配制时采用含量99.9﹪的镁锭，按控制上限配制，制作专用 配料筐把镁锭装入配料筐内，快速推入铝液底部，“N”字形移动，充分搅拌使成分均匀，精炼后快速导入静置炉并在静置炉铝液表面散溶剂进行覆盖。
3.2 3004铝合金熔体质量控制
在铝合金熔炼中，始终存在各种形式的夹杂物和一定的氢。而3004合金板坯的高质量要求，使熔体的纯净度变得尤为重要，熔体中即使有很小的夹杂物(<50μm直径)例如利用3004合金深冲两片式饮料罐的罐体材料，其夹杂物的存在，首先表现在开裂的凸边。如果夹杂物处于凸边的边部，就会引起开裂。因此必须把直径大于20μm的夹杂物从铝液中除去，对铝合金熔体进行加强精炼除气、过滤，除去可溶的和不可溶的杂质，减少氢含量，从而充分保证内部组织质量。由于3004铝合金中含镁较高，镁比铝更活泼，更容易氧化造渣吸氢，促使3004合金中的氢含量大大提高，在生产纯铝及8011合金时，除气一般采用氮气，氮是一种惰性气体元素,它在铝中的溶解度很小,几乎不溶与铝,但生产3004合金时,在较高温度时,氮能与镁结合生成氮化镁,形成非金属夹渣,影响金属熔体的纯净度，使铝液粘稠度增加，流动性变差，因此对3004合金的除气净化不能用氮气，而应采用惰性气体氩气加四氯化碳混合精炼，在线除气采用石墨转子，将氩气通过四氯化碳罐内，通过旋转喷头通入铝液底部，以达到良好的除气效果。在整个浇注系统中针对3004含镁较多，其熔体表面的氧化膜是由疏松的氧化镁组成的，不能阻止金属与气体的反应，故在熔炼这些合金时，除采用氩气、四氯化碳和精炼剂加强精炼外还应对铝液进行保护，采用的方法是在表面撒覆盖溶剂，使之形成一层连续的覆盖层，他不仅能防止铝液氧化和吸氢，同时还具有排氢的作用。这是因为覆盖剂的熔点都比铝液的熔点低，密度都比熔体小，在液体表面能够形成一层连续的覆盖膜，将熔体和气体隔开;避免了在浇注过程中的二次吸氢⑷。
3.3铸轧设备选择
选择合适的铸轧设备是成功出板的首要条件，我公司现有ø690*1600和ø1000*1850双辊水平式铸轧机各两台，3004合金相对与其它合金而言，材质较硬，铸轧时所需轧制力较大，所以应采用ø1000*1850双辊水平式铸轧机，此轧机能提供较大的轧制压力，保证铸轧板坯的轧制成型。另外生产3004铝合金板坯时，因为其结晶温度区间大，铝液凝固较慢，要满足快速冷却，对辊套材料的导热能力和辊套的厚度提出了更高的要求，厚辊套能满足轧制时板型要求，但辊套厚，导热不良，易出现粘辊现象;薄辊套导热快，辊面温度相应低一些，但过薄的辊套板型不宜控制;因此在实际生产中，一般选择辊套直径在ø970mm--- ø980mm之间，兼顾板型控制和辊面散热。
3.4铸轧工艺参数优化
由于3004铝合金结晶温度区间大，研究合理的铸轧区、冷却强度、铸轧温度、前箱液面高度以及轧制速度等工艺参数，才能保证成功出板的同时，提高铸轧3004铝合金板坯的质量。在研制过程中，我们主要从上述几个方面着手，对各个方面进行深入的研究并与理论相结合。在静置炉内经过精炼处理后的液态金属，通过流槽进入在线除气、过滤系统，液态金属依靠本身的静压力作用，从供料嘴出口端面涌出，与被冷却的旋转轧辊相遇，温度急剧下降，从而形成一层很薄的凝固壳。随着铸轧辊的转动、减速，金属的热量不断地被铸轧辊大量导出，凝固层增厚并继续结晶，当上下两凝固层在中间某点相遇时，进入完全轧制状态，此时金属受到轧辊的压力作用，产生塑性变形而轧成板带坯料。当金属被轧至两辊中心线时，铸轧过程结束，即形成铸轧区。浇注系统是铝液流过的通道，必须具备良好的保温性能，使铝液尽可能少地的散失热量，才能保证铸轧的正常进行。如果浇注系统预热不好，不仅使铝液失热过多，正常铸轧不能进行，甚至供料嘴内有冷凝块存在而中断铸轧。因此，在做3004铝合金坯料时，浇注系统主要部分均采用保温棉覆盖，必要时增加液化气加热，确保开机前前箱温度不低于750℃。前箱液面高度对水平式铸轧机而言，是指辊缝中点水平线以上液态金属的高度。在铸造区内结晶瞬间的液态铝供给量和保持的压力，都需要靠前箱液面高度产生的静压力来控制。位于供料嘴出口与铸轧辊表面间隙处的液体金属，形成一层氧化膜，在氧化膜表面张力的作用下，将液态金属包拢而不外流，且呈弧形状，并逐渐冷凝成固态，完成铸轧过程。因此，前箱金属液面高度所形成的静压力FP作用在氧化膜上的压强，必须与铸轧过程氧化膜的表面张力FM施加给金属液的压强相等，才能使氧化膜处于平衡状态。即当FP=FM氧化膜不会被冲破，铸轧可连续进行;当FP﹤FM，金属液面低，氧化膜被拉长，氧化膜本身受压力较小，不易破坏，此时板面质量较好，但金属液面低到一定限度，则供液不足板面易产生空洞缺陷;FP﹥FM，金属液面高，压力增加，使氧化膜变薄，容易被破坏而失去包拢作用，轻则板面出现氧化黑皮，严重时使液体金属流入嘴、辊间隙，造成铸轧中断⑴。
针对3004合金的特性，在实际研制过程中，我们对前箱液面高度进行了控制，使其高度不得高于上嘴唇的1/3至1/2中线。
在其它轧制条件一定情况下，冷却强度主要由循环水水压、水温决定，生产3004合金时应采用较低的冷却水进水水温，缩短熔体出铸嘴口温度与结晶温度差，提高熔体结晶的均匀性，避免晶粒组织缺陷和粘辊现象。实际生产中水压应控制在0.4-0.5MPa,冷却水温控制在22℃---26℃。
铸轧板的出口速度应考虑前滑量(6.5%左右)。铸轧速度与其他工艺参数的关系最密切，而且调整方便。调整铸轧速度与铝液在铸轧区内的凝固速度一致才能保证铸轧过程的稳定性。如果铸轧速度大于合金的凝固速度，铸轧板冷却不足，甚至板坯中心尚未完全凝固就离开轧辊，板坯出现热带，破坏铸轧过程。相反，若铸轧速度小于合金的凝固速度，铝液在铸轧区内停留时间过长，造成过度冷却，致使铝液在供料嘴内即凝固，堵死供料嘴，同样破坏铸轧过程⑶。因此，在实际生产过程中，参照同系其它合金的铸轧工艺，并结合3004铝合金自身的特性，我们要求铸轧速度必须控制在0.70-0.85m/min。
铸轧3004铝合金的金相组织及表面质量也是我们研究的重点，对于表面要求不能有明显的横纹、裂纹，成品纵横向90度折弯均不能有裂纹。铸轧卷晶粒度上下表面都应为一级。另外，对铸轧板形的要求，我们力争其横向同板差小于0.03mm，一周纵向差不得超过0.15mm，且中凸度为0.3%-0.6%.
4结束语
通过对3004铝合金自身特性的研究，对铸轧工艺的理论研究，并在实践中对铸轧各项工艺参数进行改进和优化，我公司不但成功的立板，并且出板后的铸轧板形各项指标均达到了我们的预期目标，在后续的冷轧工序，其板面、板形包括力学性能也都基本符合我们的预期值，但还需进一步研究提高3004合金铸轧生产效率的问题。
参考文献
[1] 马锡良，铝带坯连续铸轧生产，中南工业大学出版社1992
[2] 肖亚庆，铝加工技术实用手册，冶金工业出版社 2004
[3] 孙斌煜，板带铸轧理论与技术，冶金工业出版社 2002
[4] 王祝堂，田荣璋，铝合金及其加工手册，中南大学出版社 2000
声明：
“3004铝合金铸轧板坯生产工艺研究” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：河南永登铝业有限公司
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2024年12月27日 ~ 29日 
