鲁达 文章(Lw2016论文集——作家朱家英) (上海铝业协会专家委员会)
摘要：简述了铝合金板坯生产的几种形式，指出了板坯生产过程中应注意的几个问题，并具体说明了新一代电磁铸造、高能超声铸造、半固态铸造、喷射铸造、锭多段均匀化等新技术的应用对锭组织结构改善的效果。
前言
随着铝加工业的发展，铝材的应用更加广泛，特别是航空航天、轨道交通、新能源车辆、光伏建筑一体化、电缆、LED散热器、军工材料及众多民用产品的开发，为铝材开拓了十分广阔的市场，同时，也对铝材的质量提出了更高的要求。在铝合金材料的生产过程中，熔铸作为第一道关键工序，锭坯的质量对铝制品的质量起着支配作用。由于材料的化学成分和组织结构，包括金属内部纯洁度是其力学性能和其他性能的内部依据，而所有性能则是具有一定化学成分和组织结构的外部表现。所以熔铸作业的好坏对铝材的加工性能和最终使用性能产生决定性的影响。我国铝加工知名学者王祝堂教授曾经指出：铝材的缺陷有70%与熔铸有关联，熔铸是我国从铝工业大国走向铝工业强国的鸿沟。这个论点是否成立我们暂不评述，但从中却使我们认识到熔铸在铝加工业中的重要性和国人希望提高铝熔铸技术水平的强烈紧迫感和责任感。
最近40年，我国铝板带箔先后出现过三种板坯生产和供货方式，第一种是传统的扁铸锭，锭厚从锭模铸造的40mm到现在LHC的约700mm，供热轧。其生产技术从锭模铸造到DC铸造、水平模铸造直至沟槽模铸造、隔热模铸造、电磁铸造(包括低频)和矮液面铸造(即LHC)、复合铸造都有采用；随着社会的不断进步和发展，早先的锭模铸造已经被淘汰，目前，除了供电力部门用扁排采用水平铸造技术和个别企业个别产品采用隔热模和电磁铸造技术外，在工业上得到广泛应用的主要是DC铸造和矮液面铸造(约1200万吨)。第二种是双辊连续铸轧板卷，板坯厚度约在5-10mm之间，供离线冷轧，它出现于上世纪六十年代，经过近二十年的研发，直至八十年代我国才正式投入工业生产使用，目前其生产量约占板坯总产量的30%(500万吨)；在其后二十多年里，我国还开展了诸如超声波铸轧、电磁铸轧、高速薄带铸轧、半固态铸轧和喷射轧制等先进铸轧技术的试制和研究，也取得不少成果，有些已投入工业使用。第三种是连铸板坯，厚度约为16mm——25mm，在线直供热连轧用，这是上世纪八十年代最早出现于美国和瑞士的技术。我国直至本世纪初才由河南豫港公司引进一条哈兹耐特连铸机及三机架热连轧机组成的生产线，产能约为50万吨/年。
从上面的发展历史，我们可以清楚的看到，在铝板坯的铸造方面，出现了四个明显的发展趋势：一是金属结晶由静模向动模发展；二是结晶器由高向矮发展；三是金属冷却速度由慢向快发展；四是借助外力参与凝固过程。信息技术、计算机技术和自动化控制技术的应用，已经全面地提升了我国熔炼铸造的技术水平，辅助材料商品化为稳定和提高熔铸产品的质量创造了有利的条件。但在我国变形铝合金板坯熔铸技术的发展过程中，仍然存在着一些值得关注的问题，本文主要针对这些问题谈谈自己的看法，希望能引起同行们的共同关注。
一 熔炉大型化和设备选择
炉子生产率G=装炉量N/工艺时间τ。很显然，提高炉子容量，既可以提高装炉量，缩短单位产量的辅助作业时间，增大熔化速度，提高炉子生产效率；又可以减少单位产量的热损失，得到更高的热效率；还可以降低吨铝投资，减少用工数量，最终达到节能降耗、增产减人的目的。这是目前炉子为什么向大型化方向发展的基本原因。
在这个思想的指导下，目前国内最大的扁铸锭熔铝炉已达到120吨(天津忠旺、河南中孚)，超过75吨的炉子全国超过150台。这些炉子普遍直供电解铝液，采用了顶装炉技术(固体料)、蓄热式燃烧技术、磁搅拌技术、倾翻出料技术等，取得了节能降耗，提高生产效率，减少用工量，降低生产成本的好效果。但同时也出现了一些不该出现的问题。这些问题归纳起来主要是下面三条：
1)炉子熔化速度偏低。表1是上世纪90年代中期国际上熔铝炉的标准尺寸和熔化速度[1]。与这个表格的数据相比，我国国产熔铝炉的熔化速度明显偏低，以75吨的熔铝为例，我国国产熔铝炉的熔化速度只有这个表格数据的一半左右。这就失去了通过炉子大型化提高生产效率的意义。造成这种现象的原因主要是配套的烧嘴能力过小而致。因此，炉子设计和生产厂家有责任采取措施提高其技术性能。
2)炉型选择与装炉方式不配。造成装炉、出炉辅助时间过长、使生产效率下降。一般讲，以固体料为炉料的企业应采用顶装料的圆形炉、而以电解铝水为主要炉料的企业可以采用矩形炉；而倾翻炉或双流口设计可大大缩短出炉的时间。我们可以看到，国内一些处理得好的企业，如厦顺铝合金板带厂110吨圆形炉，采用25吨蛤式装料桶加料，整个装炉时间约40分钟，采用φ90mm双流口出炉，出炉时间只要20分钟；而有些企业，炉子容量虽然只有75吨，炉型为矩形炉，但加料方式为普通叉车，而不是与炉门等宽的密封式专用加料车，结果仅加料就花费2个多小时，不仅降低了生产效率，也增大了热消耗。
3)炉子容量的确定要与铸造机的产能相匹配。这个问题在铝合金铸轧车间表现比较突出。在我国，通常铸轧车间的标配是1+1+1形式，即1台熔炼炉+1台静置炉+1台铸轧机。按现有技术水平，1台铸轧机的产量一般为1——1.5t/h，1天的产量为24——36吨之间，在这种情况下，把熔铝炉的容量搞得太大，是不利于节能降耗的。一般的容量应以1——2个卷重为宜。
熔炉选择及匹配是否合理，决定了炉子的生产效率、能耗和物耗水平，也就决定了铸锭产品的生产能力和生产成本的高低。
伴随熔炉的大型化，具有导向装置的液压半连续铸造机以实现一炉一光为目的也随之大型化，按YS/T590-2012给出的规格范围，国内现在最大的扁铸锭锭厚可达700mm，宽度2930mm，长度10米，实际锭重也已达到34吨。最近20年内，国产的、引进的60吨以上的液压铸造机近百台，基本都配备了自动铸造系统，使铸造自动化水平大大提高。我国引进的LHC矮液面铸造技术，主要来自Wagstaff、Almex和Novelis，这种技术的应用，大大提高了我国扁铸锭的表面质量和内在结晶组织的质量，但与传统DC铸造相比，一些企业出现了成品率大幅下降的现象。成品率下降主要体现在三
方面，一是枞树组织废品多(特别是用于生产CTP板基的扁铸锭)；二是头(浇口部缩孔120mm)、尾(底部厚差650mm)切除量大；三是裂纹废品多。因此我们在引进新技术的同时，应在消化吸收的基础上进行二次创新，这似乎是我们责无旁贷的责任。
这里应该特别指出，由东北大学崔建忠等人发明的低频(5——30HZ)电磁铸造技术从提高合金抗裂纹能力(提高结晶器内熔体流动速度，强化凝固时的散热，显著细化组织，明显改善偏析)和降低铸锭内由于热收缩产生的应力和应变(改变结晶器内的温度场，减少液穴深度)两个方面使高成分合金铸锭的裂纹得到有效的抑制，是一个值得大家关注的好方法。
二 合金成分优化
合金成分最佳化实际是个化学成分内控标准设计的问题，应该是企业技术部门或者技术老总负责的事，但现在很多企业却放在熔铸车间来做。这个问题之所以重要，是它关系到企业产品性能是否稳定、生产工艺是否稳定、成品率和成本是否稳定的问题。一旦在熔铸环节被做成铸锭，后面的工序都无法解决。一般讲，决定铝制品性能的是成分、工艺（熔铸、压延、表面处理）和热处理三个基本参数，而成分是铝材加工性能和最终使用性能的决定因素。而一定的成分要求一定的加工工艺和热处理条件，并相应于一定的最终性能。合金成分最佳化既能稳定的满足性能要求，又能从比较宽的外标范围内，将成分控制在一个比较窄的区间进行生产，以稳定生产工艺和生产成本。
在成分优化时，我们既要考虑满足铸造性能的要求(裂纹倾向性、产生金属间化合物的倾向性、细结构等)，又要考虑后续加工性能的要求(主要是工艺塑性)，当然最首要的是满足技术条件的要求(即合同规定的力学性能)，还要保证用户的使用要求(对于板材而言，主要是成形性、折弯性、耐蚀性、导电性、导热性、加工条纹等表面质量，这些要求往往在技术标准中没有体现，但却是用户十分关注的，铝材生产厂应该给予满足)，还要满足成分分析误差的要求，并保证符合国家安全法规等。此外，合金成分最佳化还是近年来提高铝材综合性能的重要手段之一，往往能取得意想不到的效果。
成分优化的首要目的是使生产的制品达到其技术条件要求的力学性能指标，这可以通过查找相关系列铝合金的成分-力学性能图表解决。
成分优化的直接目的是解决铸锭裂纹倾向性的问题，作者在2006年9月于广州召开的轻金属分会技术交流会上曾发表过“高强变形铝合金成分对铸锭裂纹倾向性的影响”一文，对2×××、5×××、6×××、7×××合金的裂纹倾向性和成分控制方法进行过系统讨论，大家可以参考。这里不再赘述。
此外，随着高成分合金的产量越来越多，半连续铸造时铸锭中生成金属间化合物的问题也经常出现。一般而论，金属间化合物在铸锭内生成，必须具备三个条件：一是成分条件，即该合金的成分一定位于共晶点或包晶点附近；二是温度条件，即液穴内的熔体温度必须低于该合金液相线温度；三是成核条件，即与金属流动、成核时间有关的条件。在铝合金连续铸造的不平衡结晶条件下，出现金属间化合物一次晶的浓度界限比平衡图中的要低得多。因此，当采用连续铸造法生产含有难熔组元铁、
镍、钒、钛、锰、铬、锑、铬、硼、硅的变形铝合金铸锭时，往往出现金属间化合物，给制品的力学性能及表面性能带来重要的影响。
关于金属间化合物一次晶形成的成分条件，国内外许多文献进行过研究，以下几个公式可提供大家参考：
不形成(Fe、Mn)Al6化合物的临界条件：
对于3003(3A21)：Fe+Mn＜1.8%；
对于3004合金：wt% Fe + 1.07 wt% Mn < (T–587.9)/36,4；
不形成(Zr,Ti)Al3化合物的临界条件：wt% Zr + 0.909 wt% Ti < 0.127(如7№1合金)；
不形成(Cr,X)Al7(X=Mn,Fe,Ti)化合物的临界条件：
对于5083合金：wt% Mn + 3.18 wt% Cr < (T–565.8；
对于7075合金：wt% Mn + 3.25 wt% Cr < 。
三、熔体纯净化
铝合金中的夹杂物很多，有氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、各种氯化物、氟化物等，还有氢气、CO2等气体。这些存在的夹杂物，既增加熔体黏度，降低熔体流动性，促进疏松的形成，还妨碍氢的去除，破坏金属的连续性和致密性，产生集中应力源，为疲劳裂纹的萌生提供核心，夹杂物还在铝合金中形成硬质点，与基体金属电极电位不同时降低耐蚀性，还在后续的加工中形成条纹等缺陷，使成品率大幅降低。总之，影响是负面的。因此，众多科研院所对此展开了研究。
目前在板坯生产过程中，对熔体的纯净化还存在下列问题：
1)纯净化的标准问题。YS/T590-2012规定了各种铝合金熔体的含氢量标准(见表2)，而对含渣量则无明确规定，只说“扁铸锭的纯净度通常用渣含量的大小和多少来判定，渣含量的测定通常采用在线LIMCA测渣仪进行测定，可以根据产品的不同用途确定渣含量的指标，也可以供需双方协商采用工艺保证”。可见国内对铝熔体中夹杂物的研究还处于较低水平。为此，国家重点基础研究发展规划项目(973)已将降低铝及铝合金中夹杂物含量作为一项重要的研究内容，提出的技术指标为夹杂物总含量小于0.02%，尺寸小于10μm。显然这是一个低指标。什么概念呢？有人计算过即使是1ppm的夹杂物浓度，在夹杂物平均尺寸为40μm的情况下，也意味着每1kg铝熔体中包含有约11000个颗粒。可见夹杂物含量虽不算高，数量上却是惊人的。在钢中有资料认为，夹杂物＜5μm，可认为对断裂韧性无影响，而夹杂物＜1μm，可认为对疲劳强度无影响。S.Ruddnik则指出，只有当非金属夹杂物的尺寸小于1μm，且其数量少、夹杂物彼此之间的距离大于10μm时，才不会对材料的宏观性能造成影响。可见，随着铝材薄壁化和轻量化的发展趋势，市场的要求越来越高。我们应对夹杂物给予高度关注。
2)达到纯净化目标的除气设备和除渣设备的配置问题。YS/T590-2012对扁铸锭的生产过程提出的要求是，当生产的产品用于航空航天材料、A级或以上级别探伤制品、PS板基、饮料罐板等，应采用在线净化装置对熔体进行处理，同时进行晶粒细化处理，除气宜采用双转子或更多转子进行处理，过滤宜采用泡沫陶瓷过滤片和深床式或管式过滤器进行双级过滤或多级过滤。晶粒细化宜采用优质晶粒细化剂进行在线播种；生产其它制品时，宜采用在线除气净化装置处理。这是最起码的要求。之所以这样要求是因为扁铸锭铸造时，单位时间金属流量大，为了保证除气除渣效果，对于要求严格的产品，必须采取双转子或多转子除气和双级过滤。实际生产时存在的问题是，只考虑了设施的配备，却没有研究除气所能达到的实际时间和过滤时的滤速。一般板坯铸轧时金属流速慢，除气和除渣效果好，而扁铸锭铸造时，由于金属流量大，除气时间不足，滤速较快，因而效果较差。而这，主要取决于除气箱的容积大小和过滤的总面积。下面提供的一些图表(数据)可供大家在生产中参考。
▲PoD-FA的测量和金相检验证明，泡沫陶瓷过滤板通常90%以上的夹杂被清除了。
▲有资料表明，40ppi的泡沫陶瓷过滤板一次过滤可清除5μm大小的夹杂物达50%。
▲美国凯撒铝业公司把试样溶解在盐酸溶液中，而后用微孔滤纸收集残渣，过滤前金属320ppm 5微米尺寸的夹杂，一般精炼后减到250ppm，过滤后全部除掉，即对5微米以上的粒子而言，过滤效率达100%。
四、组织结构微细化
YS/T590-2012要求扁铸锭的低倍组织中不允许存在裂纹、气孔、羽毛晶、非金属夹杂、粗大金属化合物、白斑缺陷；晶粒度不大于三级(参照GB／T3246.2)，疏松不大于二级；其他缺陷由供需双方协商。显微组织只规定了均匀化态不允许过烧。事实上，组织是各种性能的保证，现在的研究表明，晶粒细小、二次支叉细小、金属化合物二次相细小，对后续的各项性能总是带来有利的影响。目前我们已经掌握的知识可以帮助我们获得微细化的组织结构的有：采用各种晶粒细化剂(如Al-Ti-B、Al-Ti-C、Al-Ti-B-Re、Al-Ti-C-Re、Al-Ti-C-P-Y、Al-Cu-P、混合稀土、P-Sr-Ce复合变质等)及使用条件的改进、采用各种加强冷却速度的新工艺(如LHC、电磁铸造、半固态铸造、喷射铸造等)、对铸锭进行均匀化处理、控制金属间化合物一次晶的出现、利用Fe、Mn、Cr、Zr、V等过渡元素均匀化处理和挤压前加热时的析出特点造成细微的弥散质点和沉淀质点、将正偏析元素和负偏析元素混合联用，利用浓度过冷提高结晶前沿的过冷度、实在不得已时，采用小规格铸锭代替大规格铸锭等等。最近十多年，借助外力强化金属熔体的运动，影响凝固过程、促进传热、传质、以达到细化晶粒、改善铸坯质量为目的的新一代电磁铸造和高能超声铸造的研究也十分活跃，很多厂家灵活利用上述知识在微细合金组织结构方面取得了可喜的成果。目前在这方面存在的主要问题是对已知的细化成果实际应用不够。
图5——图8是喷射铸造(轧制)与各种传统方法生产的铝合金板坯的金相组织对比，图9是半固态流变轧制示意图，从中可见，喷射轧制和半固态流变轧制是值得期待的新方法。与传统的双辊薄带连铸技术相比，这些新技术具有更高的冷速和生产率，同时，适用的合金品种也更多。
与早期的电磁铸造工艺不同，新一代电磁铸造工艺在结晶器外布置电磁感应线圈，通过电磁力的约束作用，减少金属熔体与结晶器的接触线高度，改变铸锭冷却过程中热通量发布及熔体内部的温度场和流动场，有效地起到细化晶粒和改善铸锭的表面质量的作用。还能起到改变溶质元素的分布，消除宏观偏析和微观偏析，抑制粗大枝晶组织的作用。而且强化了凝固时的散热，减少了液穴深度，显著降低了铸锭内由于热收缩产生的应力和应变，有效地抑制了裂纹。图10——图12示出了7系合金在立式电磁铸造扁铸锭时裂纹倾向性和水平式电磁铸轧时所得显微组织的情况。
(说明：DCC-普通铸造，LFEC-低频电磁铸造；CI=εe/εf，即裂纹断裂指数=最大等效塑性应变(εe)/合金在该处该温度下的允许断裂应变；施加电磁场的条件为：电磁场频率5Hz——30Hz，电磁场强度为12 000——20 000安匝)
超声波是一种高频机械波，一般为20kHz以上；由于其高频特性，在液体中传播时会产生空化、声流以及幅压等特殊效应，而这些效应的产生需要超声波的声压超过一定的阈值，高能超声便是那些声强达到足以产生这些效应的超声波。高能超声以纵波的形式在熔体中传播，在熔体中形成稀疏相与稠密相；稀疏相被声压拉裂，形成空穴，这个现象被称为空化效应；空穴的破裂会导致喷流现象(超声波在熔体中引起的声流速度可达到流体热对流速度的10——103倍)，并产生高温、高压(理论计算和试验测量表明，这种瞬时局部高温、高压数值分别高达104K和103MPa)。高能超声在金属熔体中的另一类重要的效应称为幅压效应。幅压效应的产生是因为在金属熔体中的固体、气体障碍物附近，声压是不均匀的，故在这些障碍物上存在净压强，称为幅压。
高能超声在熔体处理过程中，具有除气除渣、成分均匀化以及细化组织的功效。当空穴形成后，相当于一个低压区(甚至真空)，液相中溶解的气体便会溢出聚集于空穴内，形成气泡，气泡聚集长大上浮，于是便达到除气的目的。而气泡上浮的过程中有利于将杂质粒子带到熔体表面，从而达到一定的除渣效果。高能超声对熔体的均匀化作用，是基于声流效应的搅拌作用，高能超声依靠宏观声流作用，其搅拌效果是传统搅拌手段所无法比拟的。它不但使液体中固相物质分布更均匀，而且液面也更稳定。熔体中除了宏观声流，还存在尺度与超声波波长相近甚至更小的微观声流，这对传质、传热都有促进作用。高能超声作用于凝固过程使得组织得到细化的机理还存在争论，Eskin认为细化是因为杂质在超声波的作用下“活化”成为晶核从而增加形核率，达到细化晶粒的目的。陈锋认为是空化泡破裂时产生了高温高压，(根据克拉伯龙公式)使得熔体的等效过冷度提高，故而使得形核率增大。目前一种可接受的、比较广泛的解释是：一种可能的综合机理导致了高能超声对金属凝固有细化效果，可总结如下：
①空化泡破裂时产生的幅压效应可能打碎已经长成的枝晶，从而抑制柱状晶的生长；
②微观尺度声流效应作用于固液界面，使得原本存在的凝固温度梯度变得缓和、甚至颠倒；一方面，已经凝固的枝晶区域可能重新被升温，枝晶可能重新熔化，另一方面，远离固液界面的熔体温度可能会显著下降，从而促进重新形核，这样也会有抑制柱状晶生长的效果；
③宏观尺度的声流作用将上述两个过程打碎的枝晶搅入液流中，从而分布在熔体的各处，成为进一步形核的核心，有助于形成细小的等轴晶。
图13是铸轧机上安装的超声波装置；图14-图16是各种合金经超声处理后的效果图。
五 铸锭组织均匀化
目前广泛采用的磁搅拌技术既加快了熔化过程，减轻了劳动强度；又均匀了熔体成分和温度，提高了熔体的合金化质量水平，在熔炉大型化中起到了很好的作用。这里我们主要谈谈均匀化的问题。
铸锭均匀化的目的是通过消除或减少晶内偏析，使固溶体中过饱和的成分析出，消除铸锭在凝固时产生的内应力，使铸态合金具有较大的化学均一性和组织均一性；提高材料热变形和冷变形的能力(加工性能)，改善半制品、特别是较厚较粗的半制品的机械性能，提高最终制品的深冲性等。
在均匀化处理过程中，铸锭内会发生：1)可溶元素(铜、镁、锌、硅等)向固溶体内的溶解过程(即不平衡共晶和可溶金属间化合物的溶解)，2)难溶元素(铁、锰、铬、钛、锆、钒等)从过饱和固溶体中析出的过程，3)不转入固溶体中的过剩相(如高镁铝合金铸锭中的枝杈形的镁、硅化合物)的集聚和球化过程，4)某些凝固时形成的亚稳相向平衡相转变的过程(如3004合金铸态生成的亚稳定相A16(FeMn)向α-All2(FeMn)3Si相的转变)。结果，使晶粒内化学成分变得均匀，组织变得均匀，7A04型合金铸锭塑性提高0.5——1倍，2A14合金铸锭相对延伸率几乎提高2倍，5A06型合金铸锭相对延伸率提高0.5倍，3004合金制耳率大大降低，工业纯铝和3003合金的深冲性也得到提高，并消除3A21合金半制品中形成粗晶的倾向。
但是，目前应该注意的问题是：
1)均匀化处理的效果取决于铸锭的原始组织，而后者又取决于铸造条件，因此提高铸锭可塑性的工作不应当仅仅从选择均匀化制度开始，而应该从仔细的分析铸造条件及选择可以保证沿铸锭截面具有最细小和均匀的第二相分布的制度开始。
2)均匀化对半制品性能的作用主要取决于锰、铬、锆、铁或者其他某些作为提高强度性能而加入合金中的难溶元素的固溶体的分解过程所进行的程度。试验指出，上述元素的化合物的最佳析出温度有不同的实验结果，一般认为是：Mn-400℃，Ti、V-450℃——500℃，Fe、Zr-500℃，Cr-600℃——630℃。而这与一般从固溶角度确定的均匀化温度是有区别的，所以，从发挥均匀化最佳效果出发，应采用多级均匀化的方法，使之在不同温度区间发挥不同的效果。
3)从经济的角度来看，宁肯提高加热温度来缩短保温时间。一般在质量允许的加热速度范围内进行快速加热，均匀化热处理的温度误差范围要控制在±10℃以内。温度过低，会使最终材料的加工性能下降和使晶粒粗大，所以必须注意。温度过高或加热速度过快，有可能发生共晶熔解。但从目前国内均热设备的加热能力而言，一般偏小，把加热速度控制在300℃/h的范围内，一般铝合金都不会发生共晶溶解的现象，对于1系(含8系部分)、3系、6系合金则可控制在600℃/h范围内。
4)扁铸锭均匀化制度的选择应考虑两个基本条件：即保证铸锭的轧制具有最少的废品和获得要求性能的板带材。象2A12型和5A06型这些合金的最大塑性在采用高温均匀化时可以得到。但是，板材产品的平均强度性能相对于技术标准只有很少的赢余，这就限制了高温均匀化的应用，因为它会导致冷轧板材性能的某些降低。由于这个原因，对于2A12型合金，不推荐采用高温均匀化处理；而对于5A06型合金建议在500℃——510℃温度区间均匀化，均热时间限制在3h——6h。