第1章 緒論
  1.1 概述(1)
  1.2 鋁及鋁合金基本特性及分類(2)
    1.2.1 鋁的基本特性(2)
    1.2.2 鋁合金的基本特性(3)
第2章 帶坯連續鑄軋設備
  2.1 帶坯連續鑄軋機的發展(9)
  2.2 鋁鑄軋機的類型(10)
  2.3 雙輥式鋁帶坯連續鑄軋機列(11)
第3章 鋁及鋁合金熔煉
  3.1 概述(26)
  3.2 熔煉的基本原理(27)
    3.2.1 熔煉基本原理(27)
    3.2.2 熔煉過程中的一些物理化學行為(29)
  3.3 熔煉工藝流程和操作(31)
  3.4 熔鋁爐準備及材料(燃料)選擇(28)
  3.5 鋁合金化學成分控制(52)
    3.5.1 鋁中間合金(52)
    3.5.2 金屬添加劑(55)
  3.6 鋁合金廢料復化(55)
    3.6.1 感應電爐(55)
    3.6.2 廢鋁回收爐(58)
第4章 爐料準備與配料
  4.1 原材料的管理及使用(60)
    4.1.1 純金屬的管理、 使用和驗收(60)
    4.1.2 廢料的保管、 交付和驗收(61)
  4.2 配料操作(62)
    4.2.1 爐料的種類及要求(62)
    4.2.2 爐料配比及選用原則(63)
  4.3 熔體過程控制(63)
    4.3.1 熔劑的種類(64)
    4.3.2 熔劑的使用(65)
    4.3.3 熔劑處理方法(67)
第5章 熔體處理
  5.1 熔體中氣體及固體雜質的存在形式(69)
    5.1.1 鋁中的氣體(69)
    5.1.2 鋁中的非金屬夾雜(70)
  5.2 熔體淨化及檢測(71)
    5.2.1 熔體淨化的目的和要求(71)
    5.2.2 爐內淨化處理(74)
    5.2.3 爐外連續處理(76)
  5.3 晶粒細化技術(87)
    5.3.1 晶粒的概念(87)
    5.3.2 影響晶粒大小的因素(88)
    5.3.3 晶粒控制理論(88)
    5.3.4 生產過程控制(89)
第6章 鋁及鋁合金連續鑄軋帶坯生產
  6.1 連續鑄軋工藝特點、 分類與原理(92)
    6.1.1 連續鑄軋工藝特點(92)
    6.1.2 連續鑄軋工藝分類(92)
    6.1.3 連續鑄軋工作原理、 工藝參數及其相互關繫(93)
  6.2 鑄軋生產及操作(96)
    6.2.1 鑄軋生產工藝流程(96)
    6.2.2 鑄軋主要工裝設備(97)
    6.2.3 鑄軋生產準備(106)
    6.2.4 鑄軋生產立板技術(108)
第7章 鑄軋帶坯的組織與性能
  7.1 鑄軋帶坯的組織與性能(110)
    7.1.1 鑄軋帶坯的凝固特點與組織(110)
    7.1.2 鑄軋帶坯的組織特點(111)
    7.1.3 鑄軋帶坯的晶粒度(113)
    7.1.4 鑄軋帶坯的性能(114)
  7.2 冷軋板的組織與性能(115)
    7.2.1 再結晶特性(116)
    7.2.2 力學性能(118)
    7.2.3 深衝性能(119)
    7.2.4 表面性能與抗蝕性(122)
  7.3 鋁箔的組織與性能(123)
    7.3.1 鋁箔的組織(124)
    7.3.2 鋁箔的力學性能(125)
    7.3.3 電學性能(128)
    7.3.4 針孔(129)
第8章 鑄軋板缺陷分析及控制辦法
  8.1 板型(130)
    8.1.1 凹板(130)
    8.1.2 中凸度過大(130)
    8.1.3 兩邊厚差大(131)
    8.1.4 局部板厚厚度突變(131)
  8.2 夾渣(131)
  8.3 熱帶(132)
  8.4 氣道(133)
  8.5 裂紋(133)
  8.6 偏析(134)
    8.6.1 中心線偏析(134)
    8.6.2 表面偏析(134)
    8.6.3 分散型偏析(135)
  8.7 黏輥(135)
  8.8 表面條紋(135)
    8.8.1 縱向條紋(135)
    8.8.2 水平波紋(又稱橫波紋)(136)
  8.9 粗大晶粒(137)
  8.10 錯層(137)
第9章 鑄軋板檢查方法
  9.1 板型檢測(138)
  9.2 板寬檢測(139)
  9.3 鑄軋板外觀檢測(139)
  9.4 鑄軋板晶粒度、 低倍組織與缺陷檢查(139)
  9.5 化學成分分析(141)
第10章 鑄軋技術發展
  10.1 概況(141)   10.2 薄板高速鑄軋與常規鑄軋的比較(141)
  10.3 薄板高速鑄軋的基本要求(142)
  10.4 幾種代表性的高速鑄軋技術及設備(142)
    10.4.1 FATA Hunter公司的Speed Caster鑄軋機(142)
    10.4.2 Pechiney公司的Jumbo 3CM鑄軋機(144)
10.4.3 Dowy公司的Fase Cast(Dynamic Stripcaster)鑄軋機
(145)
    10.4.4 瑞士Lauener公司(146)
    10.4.5 國內薄板高速鑄軋技術研究進展情況(147)
  10.5 薄板高速鑄軋過程新技術的應用(147)
  10.6 薄鑄軋板的組織性能、 主要缺陷及其應用(149)
    10.6.1 薄鑄軋板的組織與性能(149)
    10.6.2 薄鑄軋板的主要缺陷(150)
    10.6.3 薄鑄軋板的應用情況(150)
第11章 鋁合金連鑄連軋技術
  11.1 概述(153)
  11.2 連鑄連軋工藝特點(153)
  11.3 連鑄連軋生產方法分類(154)
    11.3.1 板帶坯連鑄連軋生產方法(155)
    11.3.2 線坯連鑄連軋生產方法(162)
第12章 鋁污染與安全生產
  12.1 概述(166)
  12.2 鑄軋生產中污染物的主要來源及其危害(166)
    12.2.1 熔煉與鑄造中污染物的主要來源(166)
    12.2.2 污染物的危害(166)
  12.3 污染物的治理技術(167)
    12.3.1 工業廢水治理技術(167)
    12.3.2 工業廢氣治理技術(167)
  12.4 熔煉與鑄造安全(168)
    12.4.1 鋁熔體爆炸(168)
    12.4.2 油氣爆炸(168)
    12.4.3 燃氣熔煉爐的安全與衛生(169)
    12.4.4 硫酸根爆炸(169)
    12.4.5 鑄軋安全與衛生(170)
    12.4.6 熔煉工安全須知(170)
    12.4.7 鑄軋工安全須知(170)
  12.5 安全管理(172)
    12.5.1 安全生產的含義(172)
    12.5.2 安全管理的原則和基本觀點(172)
    12.5.3 安全生產責任制(172)
    12.5.4 安全教育培訓(172)
    12.5.5 “四全”安全管理(172)
    12.5.6 “5S”管理活動(173)
    12.5.7 安全檢查(173)

前言
近30年來, 中國的鋁業生產與鋁加工技術發展迅猛, 加工產品的質量不斷提高, 我國鋁合金加工材的年生產能力從1980年不到30萬t,發展到2009年的1 000萬t以上, 其中鋁板帶冷軋能力達到600萬t以上, 中國已成為世界第二大鋁板帶材生產大國,正在向鋁工業強國邁進。
其中, 鋁連續鑄軋技術更是作為一項投資少、見效快、能耗低的技術, 在中國得到了迅速的推廣和普及。目前國內擁有連續鑄軋生產線約500臺,居世界第一, 軋制產品中鑄軋帶坯料約占65%以上。使用該項技術生產的鋁箔, 某些技術、經濟指標已居國際領先水平。
為了繫統地總結我國連續鑄軋技術近40年的發展, 特別是連續鑄軋加工理論與實際操作技術的成就和經驗, 進一步推動我國連續鑄軋技術進步,滿足連續鑄軋行業生產技術人員的技術需求, 中國有色金屬協會加工技術委員會與中南大學出版社一起,組織國內鋁加工行業眾多專家、學者和生產第一線的工程技術人員共同編撰了這本中國有色金屬叢書鋁業職工讀本之《鋁及鋁合金連續鑄軋帶坯生產》。
本書內容技術含量大;理論聯繫實際, 以實踐為主, 突出實用性;國內外相結合,突出先進性;注重科學性、繫統性和代表性。具有實用性、先進性、科學性, 可作為指導連續鑄軋行業進一步發展的工具書和培訓教材。
本書在編撰過程中, 得到許多行業專家的支持, 在此表示衷心感謝。此外, 本書在編寫過程中,參考或引用了國內外專家、學者的許多研究成果、著作以及珍貴資料, 在此表示誠摯的謝意。
 
 編輯委員會
2010年12月
總序
有色金屬是重要的基礎原材料, 廣泛應用於電力、 交通、 建築、 機械、 電子信息、 航空航天和國防軍工等領域,在保障國民經濟建設和社會發展等方面發揮了不可或缺的作用。
改革開放以來, 特別是新世紀以來, 我國有色金屬工業持續快速發展, 已成為世界最大的有色金屬生產國和消費國, 產業整體實力顯著增強,在國際同行業中的影響力日益提高。主要表現在: 總產量和消費量持續快速增長, 2008年, 十種有色金屬總產量2 520萬噸,連續七年居世界第一, 其中銅產量和消費量分別占世界的20%和24%; 電解鋁、 鉛、鋅產量和消費量均占世界總量的30%以上。經濟效益大幅提高, 2008年, 規模以上企業實現銷售收入預計2.1萬億以上,實現利潤預計8以上。產業結構優化升級步伐加快, 2005年已全部淘汰了落後的自焙鋁電解槽; 目前, 銅、 鉛、鋅先進冶煉技術產能占總產能的85%以上; 銅、 鋁加工能力有較大改善。自主創新能力顯著增強, 自主研發的具有自主知識產權的350kA、 400 kA大型預焙電解槽技術處於世界鋁工業先進水平, 並已輸出到國外; 高精度內螺紋銅管、 高檔鋁合金建築型材及時速350km高速列車用鋁材不僅滿足了國內需求, 已大量出口到發達國家和地區。國內礦山新一輪找礦和境外礦產資源開發取得了突破性進展,現有9大礦區的邊部和深部找礦成效顯著, 一批有實力的大型企業集團在海外資源開發和收購重組境外礦山企業方面邁出了實質性步伐,有效增強了礦產資源的保障能力。
2008年9月份以來, 我國有色金屬工業受到了國際金融危機的嚴重衝擊, 產品價格暴跌, 市場需求萎縮, 生產增幅大幅回落,企業利潤急劇下降, 部分行業已出現虧損。縱觀整體形勢, 我國有色金屬工業仍處在重要機遇期, 挑戰和機遇並存,長期發展向好的趨勢沒有改變。今後一個時期, 我國有色金屬工業發展以控制總量、 淘汰落後、 技術改造、 企業重組、充分利用境內外兩種資源, 提高資源保障能力為重點, 推動產業結構調整和優化升級, 促進有色金屬工業可持續發展。
實現有色金屬工業持續發展, 必須依靠科技進步, 關鍵在人纔。為了全面提高勞動者素質,培養一大批高水平的科技創新人纔和高技能的技術工人, 由中國有色金屬工業協會牽頭, 組織中南大學出版社及有關企業、科研院校數百名有經驗的專家學者、 工程技術人員, 編寫了《中國有色金屬叢書》。《叢書》內容豐富, 專業齊全, 科學繫統, 實用性強,是一套好教材, 也可作為企業管理人員和相關專業大學生的參考書。經過編寫、 編輯、 出版人員的艱辛努力,《叢書》即將陸續與廣大讀者見面。相信它一定會為培養我國有色金屬行業高素質人纔, 提高科技水平, 實現產業振興發揮積極作用。
 康義 
2009年3月

第1章 鋁及鋁合金連續鑄軋緒論
1.1 鋁及鋁合金連續鑄軋概述
鋁(Al)是重要的輕金屬。鋁在地殼中的含量僅次於氧和硅。自然界的含鋁礦物約有250種,最常見的是硅鋁酸鹽及其風化產物(黏土)。我國已探明的鋁土礦, 除個別地區外都為低鐵高鋁的一水硬鋁石,雜質主要是高嶺石中的SiO2和少量的Fe2O3、 TiO2。鋁土礦經化學處理後提煉出氧化鋁供原鋁生產。原鋁生產屬鋁冶煉範圍,主要是化學過程。目前原鋁生產是采用熔鹽電解法, 在鋁電解槽內將冰晶石與氧化鋁等鹽類熔體通大電流的直流電,使氧化鋁還原得到液態鋁。
熔煉和鑄軋生產屬金屬材料加工範圍, 主要是物理過程。其基礎理論是金屬物理學, 對於鋁材生產而言, 除了注重其化學成分之外,還要關注其純潔度及內部組織結構, 因為金屬的化學成分和潔淨度及內部組織結構直接影響到鋁材的性能。在熔鑄生產過程中,對鋁液要進行嚴格的精煉和晶粒細化等處理。
鋁及鋁合金熔煉是使金屬合金化的一種方法。熔煉是采用加熱的方式改變金屬物態, 使基本金屬和合按照要求的配比熔化成成分均勻的熔體,並使其滿足內部純潔度、 熔體溫度和其他特定條件的一種工藝過程。熔體的品質對鋁材的加工性能和最終使用性能產生決定性的影響,如果熔體品質先天不足, 將給制品的使用帶來潛在的危險, 故熔煉是對加工制品的品質起到支配作用的一道關鍵工序。因此, 必須在合金成分、爐溫控制、 熔體淨化等基本環節上遵循技術條件, 嚴守工藝紀律, 精心操作, 纔能夠得到成分合格、 組織均勻、 晶粒細小、氣體和夾渣含量在規定範圍之內的優質鋁板。
鋁合金連續鑄軋是將鋁熔體通過供料嘴從鑄軋輥的一側源源不斷地供應進入到鑄軋區(從供料嘴前沿到鑄軋輥中心線之間的距離稱之為鑄軋區),之後立即與兩個相轉動的被水冷卻的鑄軋輥相遇, 熔體金屬鋁的熱量不斷從垂直於鑄軋輥輥面的方向傳遞到鑄軋輥中,使附著在鑄軋輥表面的熔體金屬鋁的溫度急劇下降, 熔體金屬鋁在鑄軋輥表面被冷卻、 結晶、 凝固。隨著鑄軋輥的不斷轉動,熔體金屬鋁的熱量繼續向鑄軋輥中傳遞, 並不斷被鑄軋輥中的冷卻水帶走, 晶體不斷向熔體中生長,凝固層隨之增厚。當兩側凝固層厚度隨著鑄軋輥的轉動逐漸增加, 並在兩個鑄軋輥中心線以下相遇時, 即完成了鑄造過程,並隨之受到這兩個鑄軋輥對其凝固組織的軋制作用, 並以一定的軋制加工率, 使熔體金屬鋁被鑄造、 軋制成鑄軋板。
我國的鋁板帶雙輥連續鑄軋工藝技術研究開發工作始於1963年10月, 1964年9月在東北輕合金加工廠生產出10 mm厚鑄軋板,1965年生產出來的鑄軋板寬為700 mm, 1982年在華北鋁加工廠研制成功?650 mm×1 600mm雙輥式連續軋機。經過近40年的努力, 鋁板帶雙輥連續鑄軋工藝技術在我國得到迅速推廣和普及, 涿神公司、洛陽有色金屬加工設計研究院等經過吸收消化國外先進技術, 在開發設計和制造方面做了許多工作。1995年我國第一臺?960 mm×1550 mm大型雙輥式連續鑄軋機在華北鋁業有限公司正式投入使用。
截至2007年底, 我國鋁板帶雙輥連續鑄軋機共有400餘條, 板帶總生產能力達到4 000 kt/a。
鋁板帶雙輥連續鑄軋工藝技術的優勢是:
(1)投資少, 見效快, 投資回收期短, 對於中小型鋁板帶軋制廠是可行的。
(2)金屬通過量大, 可以將回收廢料作為原料, 生產成本低廉, 在價格上頗具競爭力。
(3)相當明顯地減少了鋁水—鑄塊—熱軋板帶或重軋的時間, 省去了鑄塊、 銑面、 開坯等工序, 提高了勞動生產率。
(4)降低了由於熱軋所需的一繫列工序的能耗。
(5)雙輥連續鑄軋工藝的生產線配置合理, 結構緊湊, 方便操作。
1.2 鋁及鋁合金基本特性及分類
1.2.1 鋁的基本特性
鋁在地殼中的含量為8%。由於鋁的化學親和力強, 在自然界中不可能以金屬狀態存在, 一般以氧化鋁、 硅酸鋁、硫酸鋁等化合物和它們的復合鹽或水合物等狀態存在。當前用於生產鋁的主要礦石是Al2O3含量為40%~60%、SiO2含量低於8%的鋁土礦, 又稱為鋁礬土。最普遍采用的生產方法是用燒堿浸出法(或稱拜耳法)從鋁礬土中提取純氧化鋁,然後以冰晶石為電解質, 用電解法(稱為霍耳-埃魯特法)從氧化鋁中冶煉金屬鋁。生產1 t電解鋁約需2 t氧化鋁, 而生產2t氧化鋁約需4 t鋁礬土。
1.鋁及鋁合金的物理性質和化學性質
鋁是一種銀白色的金屬, 在自然界分布極廣, 當今世界鋁的年產量僅次於鋼鐵而躍居有色金屬的首位。鋁的重要特征是密度小, 在室溫下,純鋁密度約為2.7 g/cm3, 其液體密度為2.38 g/cm3, 鋁合金的密度與合金的種類和含量有關, 其值在2.63~2.85g/cm3之間, 僅為鋼的密度的35%左右。 鋁合金具有相當高的強度,其比強度(強度與密度的比值)可與優質合金鋼相比。鋁的另一特點是具有良好的導電性和導熱性, 僅次於銀和銅,但隨著鋁素含量的增加, 其導電性和導熱性有所降低。
鋁的熔點為660 ℃, 沸點2 100~2 300 ℃。鋁是比較活潑的金屬, 在空氣中極易氧化,其表面生成一層致密的氧化膜Al2O3, Al2O3的熔點為2 010~2 050 ℃。鋁表面生成的這層氧化膜可以防止鋁的繼續氧化,對處於固態和液態的鋁均有良好的保護作用。因此, 鋁及某些鋁合金在淡水、 海水、 濃硝酸鹽、汽油等以及各種有機物中具有足夠的耐腐蝕性。應當指出的是, 純鋁的耐蝕性與鋁的純度有關。鋁的純度越高,其耐腐蝕性越好。鋁合金的耐蝕性素的不同而異, 一般說來, Al-Mn繫和Al-Mg繫合金的耐蝕性較好,大多數成分較復雜的鋁合金的耐蝕性不如前兩者; 有些硬鋁及超硬鋁的制品要包鋁, 以提高其耐腐蝕性。
鋁在固態時屬於面心立方結晶體, 可塑性較好, 能在熱態和冷態下進行各種形式的壓力加工。
2.鋁及鋁合金的優點
(1)密度小。純鋁的密度為2.7g/cm3, Al-Mg, Al-Li合金密度更低。
(2)耐腐蝕。純鋁表面覆有一層致密堅韌的無色透明氧化膜, 能抵抗風雨、 食品、 硝酸鹽、 天然氣等地浸蝕。鋁材經化學或陽極化處理,可以增加表面氧化膜的厚度, 使耐蝕性得到進一步提高, 並可利用陽極氧化膜的多孔結構, 吸附染料和重金屬離子,染成各種悅目耐曬的顏色。
(3)足夠的強度。
(4)反射率高。
(5)電導性和熱導性好。
(6)延展性好。
(7)耐衝擊。鋁及鋁合金的彈性模量E等於7.2×104 MPa,相當於鋼的彈性模量的三分之一。高強度鋁合金的屈服強度卻比低碳結構鋼的屈服強度高。因此鋁制構件在衝擊負荷作用下,彈性變形量雖然比截面相同的鋼制構件大, 卻不易發生斷裂或永久性變形。
(8)回收利用率高。
3.鋁及鋁合金的缺點
(1)不耐高溫, 一般隻能在200 ℃以下使用。
(2)焊接比較困難, 需要氬氣保護。
(3)高強度鋁合金的熱處理工藝復雜, 而且對應力腐蝕特別敏感。
(4)硬度低, 表面容易擦傷, 在產品加工和運輸過程中必須謹慎搬運, 妥善包裝。
(5)鋁的生產需要大量的能源。
1.2.2 鋁合金的基本特性
1.鋁合金的分類
(1)按合金的性能和用途分為: 耐腐蝕鋁合金、 可焊鋁合金、 高強鋁合金(硬鋁)、 超強鋁合金(超硬鋁)、 鍛造鋁合金、特殊鋁合金。
(2)按熱處理特點分為: 熱處理強化鋁合金和熱處理不強化鋁合金。
(3)按合金主要成分分類: 見表1-1。
由於連續鑄軋目前隻能生產1×××、 3×××、 8×××及5052、 5182等少數幾個繫列的合金, 所以隻介紹典型合金的成分範圍,見表1-2, 其用途見表1-3。
表1-1 合金牌號分類
 
表1-2 典型合金化學成分範圍
 
表1-3 典型合金的用途
 
典型合金特點如下。
1060(純鋁)屬於普通工業純鋁, 含鋁量不小於99.60%。特點是強度低, 加工強化是唯一的強化途徑; 熱加工和冷加工性能良好,熱導率、 電導率高; 耐蝕性、 焊接性能優良。可加工成不同規格的板、 帶、 箔、 管、 棒、 線材, 廣泛用作化工設備、 船舶設備、鐵道油罐車、 過氧化氫(H2O2)貯罐, 以及各種強度要求不高, 而要求加工性能良好、 耐蝕、 可焊的工業設備, 也可作為電導體材料、儀器儀表材料、 焊條等。其組織為單相α-Al, 可能的雜質相為FeAl3, α-Fe2SiAl8, β-FeSiAl5。密度2.705g/cm3, 熔化溫度範圍646~657 ℃, 熔煉溫度720~760 ℃, 典型退火溫度345 ℃, 不可熱處理強化。
1100合金為含鋁量為99.0%的普通純鋁。熱處理不強化; 強度低, 但有良好的熱加工和冷加工性能; 耐蝕性和焊接性能優良;陽極氧化後可進一步提高其耐蝕性, 同時可獲得美觀的表面。廣泛應用於從炊具到工業設備的各個領域。用於加工需要有良好的成形性和高的耐蝕性,但不要求有高強度的零件部件, 例如化工產品、 食品工業包裝與貯存容器、 薄板加工件、 深拉或旋壓凹形器皿、 焊接零部件、 熱交換器、印刷板、 銘牌、 反光器具等。組織為單相α-Al, 可能的雜質相為FeAl3, α-Fe2SiAl8, β-FeSiAl5,Fe和Si為主要雜質。密度2.710 g/cm3, 熔化溫度範圍643~657 ℃, 熔煉溫度720~760 ℃, 典型退火溫度345℃, 熱處理不強化。
3003合金是Al-Mn繫典型合金。其突出特點是耐蝕性好, 僅在中性介質中的耐蝕性稍次於純鋁,在其他介質中的耐蝕性與純鋁相近。強度比純鋁的高, 而塑性很好; 焊接性能優良;導熱導電性能比工業純鋁低。加錳以後有一定的固溶強化作用。錳在鋁中的固溶度隨溫度降低而減小, 但熱處理強化效果甚微,因此3003合金為熱處理不可強化合金。該合金是一個具有優良塑性和耐蝕性以及中等強度的通用合金, 主要用於加工需要有良好的成形性能、高的耐蝕性可焊性好的零部件, 或既要求有這些性能又需要有比1×××繫合金強度高的工件, 如廚具、 食物和化工產品處理與貯存裝置,運輸液體產品的槽、 罐, 以薄板加工的各種壓力容器與管道等。室溫主要相組成物為α-Al, MnAl6;可能的雜質相為(FeMn)Al6或(Fe、 Mn、 Si)Al6等。Mn是主要素, 雖然不可以熱處理強化,但Mn有一定的固溶強化作用使MnAl6有一定的彌散強化作用, 因此強度稍高於純鋁, Mn含量在0.6%~1.0%範圍內,合金的強度和伸長率均較好, Mn超過1.6%將會出現粗大硬脆的MnAl6相, 對合金局部的延展性會造成不利的影響,所以Mn含量不要超過1.6%, 並控制在中限; Fe在該合金中一般作為雜質進行控制, 但允許達到0.7%, Fe能夠減少Mn的偏析,使退火板材晶粒得到細化。該合金的密度2.730 g/cm3, 熔化溫度範圍643~654 ℃, 熔煉溫度730~770 ℃,典型退火溫度413 ℃, 熱處理不可強化。
5052合金是Al-Mg繫含鎂較低的合金。特點是耐蝕性好, 熱處理不可強化, 冷作硬化後具有中等強度,其耐拉性能介於工業純鋁1100和鋁錳繫防鏽鋁3003之間。疲勞強度高, 在變形鋁中僅次於3003合金; 有良好低溫性能。隨溫度降低,耐拉強度、 屈服強度、 伸長率均提高, 低溫韌性也很好。退火狀態塑性好, 加工硬化率高,因而硬狀態塑性低。冷變形度達到50%時再結晶溫度約為288 ℃。可焊性良好, 但焊接裂紋敏感繫數高。該合金廣泛應用於耐蝕、 可焊、中等強度的結構材料。此合金有良好的成形加工性能、 耐蝕性、 可燭性、 疲勞強度與中等的靜態強度, 用於制造飛機油箱、 油管,以及交通車輛、 船舶的鈑金件, 儀表、 街燈支架與鉚釘、 五金制品等。
2.鋁合金素和雜質對產品性能的影響
(素: 548 ℃時, 銅在鋁中的最大溶解度為5.65%, 溫度降至302 ℃時,銅的溶解度為0.45%。銅是重要素, 有一定的固溶強化效果,此外時效析出的CuAl2相有明顯的時效強化效應。鋁合金中銅含量通常在2.5%~5%, 銅含量在4%~6.8%時強化效果最好,所以大部分硬鋁合金的含銅量處於該範圍。鋁銅合金中可以含有較少的硅、 鎂、 錳、 鉻、 鋅、素。
(素: 在共晶溫度577 ℃時, 硅在α固溶體中的最大溶解度為1.65%。盡管溶解度隨溫度降低而減少,但這類合金一般是不能熱處理強化的。鋁硅合金具有極好的鑄軋性能和耐蝕性。若鎂和硅同時加入鋁中形成鋁鎂硅繫合金, 強化相為Mg2Si。鎂和硅的質量比為1.73：1。設計鋁鎂硅繫合金成分時, 基本上按此比例。有的鋁鎂硅合金為了提高強度,加入適量的銅。同時加入適量的鉻以抵消銅對耐蝕性的不利影響。Mg2Si在鋁中的最大溶解度為1.85%,且隨溫度的降低而減小。變形鋁合金中, 硅單獨加入鋁中隻限於焊接材料, 硅加入鋁中亦有一定的強化作用。
(素: 根據鋁鎂合金平衡相圖的溶解度曲線, 鎂在鋁中的溶解度隨溫度下降而大大地變小, 但在大部分工業用變形鋁合金中,鎂的含量均小於6%, 而硅含量也低, 這類合金是不能熱處理強化的, 但可焊性良好, 耐蝕性也好, 並有中等強度。鎂對鋁的強化是明顯的,每增加1%鎂, 抗拉強度大約升高34 MPa。如果加入1%以下的錳, 可起補充強化作用。因此加錳後既可降低鎂含量, 又可降低熱裂傾向,還可以使Mg5Al8化合物均勻沉澱, 改善耐蝕性和合金性能。
(素: 在共晶溫度658 ℃處, 錳在α固溶體中的最大溶解度為1.82%。合金強度隨溶解度增加不斷增加, 錳含量為0.8%時,伸長率達最大值。鋁-錳合金是非時效硬化合金, 即熱處理不強化合金。錳能阻止鋁合金的再結晶過程,並能顯著細化再結晶晶粒。再結晶晶粒的細化主要是通過MnAl6化合物彌散質點對再結晶晶粒長大起阻礙作用。MnAl6的另一作用是能溶解雜質鐵,形成(Fe、 Mn)Al6, 減小鐵的有害影響。 錳是鋁合金素, 可以單獨加入形成鋁合金,更多的是和其素一同加入, 因此大多數鋁合金中均含有錳。
(素: 275 ℃時鋅在鋁中的溶解度為31.6%, 而在125 ℃時其溶解度則下降到5.6%。鋅單獨加入鋁中,在變形條件下對合金強度的提高十分有限, 同時存在應力腐蝕開裂傾向, 因而限制了它的使用。在鋁中同時加入鋅和鎂, 形成強化相MgZn2,對合金產生明顯的強化作用, MgZn2含量從0.5%提高到12%時,可明顯增加耐拉強度和屈服強度。鎂的含量超過形成MgZn2相所需要的量時, 還會產生補充強化作用。調整鋅和鎂的比例,提高抗拉強度和增大應力腐蝕開裂抗力。所以在超硬鋁合金中, 鋅和鎂的比例控制在2.7左右時,應力腐蝕開裂抗力最大。如在鋁-鋅-鎂基礎上素, 形成鋁-鋅-鎂-銅繫合金, 其強化效果在所有鋁合金中最大, 也是航天、航空工業中重要的鋁合金材料。
(6)鐵和硅: 鐵在鋁-銅-鎂-鎳-鐵繫鍛造鋁合金中, 硅在鋁-鎂-硅繫鍛鋁中和在鋁-硅繫焊條及鋁硅鑄軋合金中,均作素加入。在其他鋁合金中, 硅和鐵是常見素,對合金性能有明顯的影響。它們主要以FeAl3和遊離硅存在。當硅大於鐵時, 形成β-FeSiAl5(或Fe2Si2Al9)相,而鐵大於硅時, 形成α-Fe2SiAl8(或Fe3SiAl12)。當鐵和硅比例不當時, 會引起鑄件產生裂紋。
(7)鈦和硼: 鈦是鋁合金中常用素, 以鋁-鈦或鋁-鈦-硼中間合金加入。鈦與鋁形成TiAl3相, 成為結晶時的非自發核心,起細化鑄造組織和焊縫組織的作用。
(素: 鉻是鋁-鎂-硅繫、 鋁-鎂-鋅繫、 鋁-鎂繫合金中常見素。在600 ℃時, 鉻在鋁中的溶解度為0.8%,室溫時基本上不溶解。鉻在鋁中形成(CrFe)Al7和(CrMn)Al12等金屬間化合物, 阻礙再結晶的形核和長大過程,對合金有一定的強化作用, 還能改善合金韌性和降低應力腐蝕開裂敏感性。但會增加淬火敏感性,使陽極氧化膜呈黃色。鉻在鋁合金中添加量一般不超過0.35%, 並隨合金中素的增加而降低。
(素: 鍶是表素,在結晶學上鍶能改變合金結晶的行為。因素進行變質處理能改善合金的塑性加工性能和最終產品品質。由於鍶的變質有效時間長、效果和再現性好等優點, 近年來在鋁-硅鑄軋合金中取代了鈉的使用。在擠壓用鋁合金中加入0.015%~0.03%鍶,使鑄錠中β-AlFeSi相變成α-AlFeSi相, 可以減少鑄錠均勻化時間60%~70%, 提高材料力學性能和塑性加工性;改善制品表面粗糙度。對於高硅(10%~13%)變形鋁合金中加入0.02%~0.07素, 可使粗晶硅減少至最低限度,力學性能也顯著提高, 抗拉強度由233 MPa提高到236 MPa, 屈服強度由204 MPa提高到210 MPa,伸長率δ5由9%提高到12%。在過共晶鋁-硅合金中加入鍶, 能減小粗晶硅粒子尺寸, 改善塑性加工性能,可順利進行熱軋和冷軋。
(10素: 鋯也是鋁合金的常用添加劑。一般在鋁合金中加入量為0.1%~0.3%, 鋯和鋁形成ZrAl3化合物, 可阻礙再結晶、形核與晶粒長大過程。鋯亦能細化鑄軋組織, 但比鈦的作用小。有鋯存在時,會降低鈦和硼細化晶粒的效果。在鋁-鋅-鎂-銅繫合金中由於鋯對淬火敏感性的影響比鉻和錳小,因此宜用鋯來代替鉻和錳影響再結晶晶粒大小。
(11)素:素加入鋁合金中, 使鋁合金熔鑄時增加成分過冷, 細化晶粒, 減少二次枝晶間距, 減少合金中的氣體和夾雜,並使夾雜相趨於球化, 還可降低熔體表面張力, 增加流動性, 有利於澆注成錠,對工藝性能有著明顯的影響。各種稀土加入量以約0.1%(原子分數)為好。含鎂的鋁合金能激素的變質作用。
(12素: 在鋁中有時還存在釩、 鈣、 鉛、 錫、 鉍、 銻、 鈹及鈉素。這素由於熔點高低不一, 結構不同,與鋁形成的化合物也不相同。因而對鋁合金的影響也不一樣, 不是必需時, 均應盡量減少。
第2章 帶坯連續鑄軋設備
2.1 帶坯連續鑄軋機的發展
1846年英國人貝西默(Bessenmer)提出從旋轉著的兩輥上方向輥縫注入金屬熔體, 生產鑄坯的設想, 但經過多年努力, 屢屢失敗,未獲成功。以後在連續鑄出鋁及黃銅線坯的基礎上, 人們又想起貝西默的設想。終於在1951年,美國亨特-道格拉斯(Hunter-Douglas)公司首次鑄軋成了鋁帶坯, 制成了雙輥式連續鑄軋機。1956年,美國黑茲利特公司雙鋼帶式連續鑄造機成功地生產出了鑄軋帶坯。這兩種帶坯鑄軋機奠定了帶坯連續鑄軋機的基礎。
1967年, 英國的曼恩(Mann)式連續鑄機由過去隻能生產鋁線坯發展到能鑄軋鋁帶坯, 帶坯厚度為20~40 mm, 寬100~500mm。在黑茲利特雙鋼帶式連鑄機基礎上, 瑞士鋁業公司研制成了AlusuisseⅡ型連鑄機,亨特-道格拉斯公司成功制造了雙履帶式鑄造機。這兩種鑄造機的結構相似, 也較復雜, 造價較高, 但它們適應性強, 既能生產有色金屬,又能生產鋼及鑄鐵, 速度快, 生產率高。
在50年的發展進程中, 傳統的雙輥式鑄軋機及其生產技術, 如原法國普基鋁業公司的Jumbo3C鑄軋機、 原英國戴維公司的鑄軋機、法塔?亨特公司的亨特式鑄軋機等, 無論在鑄軋機本身結構的改進方面, 還是在操作性能的改善與自動化程度的提高方面均取得了很大的成就,既提高了生產率、 改善了勞動條件, 又提高了產品品質。1997年前後, 法塔?亨特公司的Speed casterTM鑄軋機、原法國普基鋁業公司的Jumbo 3CM鑄軋機以及英國戴維公司的Fastcast四重鑄軋機先後問世並投入運行。目前這些鑄軋機都已順利軋出3~4 mm鑄軋帶坯並總結出許多工藝訣竅, 同時還對薄鑄軋帶坯的組織、性能及其後續加工工藝進行了研究。
目前電磁鑄軋技術也已在國際通用的兩種結構鑄軋機(亨特式、 3C式)上獲得工業應用。此外, 連鑄連軋技術正在向薄型化、高精度和高速方向發展。 美國已研制出可生產寬2 200 mm、 厚2.0 mm鑄軋帶材、 速度15 m/s以上的連鑄連軋生產線,可減少或省卻冷軋過程, 為鋁箔軋機直接供坯料, 有的甚至可作為易拉罐的毛坯料。
我國鋁帶坯連續鑄軋技術的研究開發工作是從20世紀60年代初在東北輕合金有限公司開始的,1981年開始在華北鋁業有限公司進行鋁帶坯連續鑄軋商業化生產。1998年中南大學開始在華北鋁業公司研究高速鑄軋技術,取得了許多可喜成果。此外, 我國從20世紀90年代開始研究電磁鑄軋技術,也取得了一些成績。我國在鋁帶坯連續鑄軋技術的科學研究與生產方面取得了重大進展, 在行業優秀人纔的共同努力下,自主地發展了我國連續軋進的制造技術與帶坯連續鑄軋工藝。
1963年10月在東北輕合金加工廠開始進行鋁帶坯連續鑄軋科學研究籌備工作。1964年初步進行模擬實驗, 經過118次摸索實驗試軋出厚8mm、 寬100 mm、 長2 180mm的邊部不整齊的工業純鋁板坯。當時采用的是雙輥水平下注式鑄軋機。1964年4月15日開始工業性試驗, 7月份鑄軋出寬250mm的帶坯, 9月份鑄軋成400 mm寬帶坯, 隨即列入國家科委試驗項目。1965年, 經過對鑄軋設備的改進和反復試驗,終於鑄軋出700 mm寬帶坯。1970年對設備作了重大改進。1975年,用鑄軋帶坯生產的冷軋板基本上滿足了一般深衝制品和鋁箔毛料的性能要求。1975年6月,冶金工業部在東北輕合金加工廠召開了連續鑄軋新技術現場鋻定會, 認定該項技術已達到工業生產水平, 同意轉入工業生產,決定在全國推廣。
1978年, 連續鑄軋新技術、 設備和一部分研制試驗人員轉入華北鋁加工廠。1979年底研制成?650 mm×1 300mm雙輥傾斜式鑄軋機, 1983年上半年研制成?980 mm×1 600 mm鑄軋機,所生產的鑄軋帶坯符合鋁箔毛料要求。該項技術於1983年6月通過部級鋻定,標志著我國鑄軋技術步入成熟階段。1984年7月16日中日涿神金屬加工專用設備有限公司成立, 鑄軋機由該公司生產。到1990年底,渤海鋁業有限公司試制成?980 mm×2 000 mm超型鑄軋機。
經過20多年的研究開發, 我國鋁帶坯連續鑄軋技術工作取得了長足的發展。 以涿神公司、中色科技公司和上海捷如公司等為代表的鑄軋機制造企業已成為具有國際競爭力的大型鋁材鑄軋機制造企業。此外,上海捷如重工機電設備有限公司還擁有國內唯一一家專業的鑄軋輥研究所, 專業從事設計制造鑄軋輥,並擁有兩項專利——鑄軋機用輥套鋼和熱處理方法專利以及逆流式水冷鑄軋輥結構專利。涿神公司是具有現代化水平的集工程設計、 技術研發、加工制造、 現場組裝、 安裝調試、 售後服務以及工程總承包於一體的全新型設備工程公司。涿神公司自行設計、 制造、 安裝、調試的雙輥連續鑄軋機可生產厚5~10 mm、 最寬2 200 mm的鑄軋板帶, 軋制速度可達900~2 000 mm/min,設計最大速度達到3 000 mm/min。采用前箱液面自動控制, 預應力或非預應力軋制, 軋制力和預載力顯示, 上、 下輥分別驅動,卷筒鉗口自動定位, 黏輥檢測顯示等先進技術, 控制繫統主要采用全數字可控硅調速技術。2008年11月, 公司出口南非的兩臺2 100mm鑄軋機順利通過用戶的最終驗收, 標志著涿神公司生產的鑄軋機已達到世界一流水平。
20世紀90年代下半期, 薄規格鑄軋工藝的發展給連續鑄軋帶來一個新的生命期。 通過對連續鑄軋件——金屬流嘴, 軋輥冷卻繫統,軋輥潤滑油以及控制繫統等進行重大改進, 並通過更佳的工藝控制參數實現了鑄軋更輕規格、 更薄更寬帶坯的目標,同時也帶來了板帶品質連貫性方面的重大改進, 拓展了鑄軋坯料的使用空間。
2.2 鋁鑄軋機的類型
鋁鑄軋機按軋制形式分為: 連續鑄軋(雙輥鑄軋)、 連鑄連軋。按開發進程又分為三代: 第一代鑄軋機(標準型鑄軋機)、第二代鑄軋機(超型鑄軋機)、 第三代鑄軋機(超薄快速型鑄軋機)。第一代鑄軋機是美國亨特工程公司於20世紀60年代初研發的,輥徑在600 mm左右, 我國華北鋁業有限公司於20世紀80年代初研制成第一代鑄軋機。第二代鑄軋機輥徑約為900 mm,由於輥徑加大, 因而鑄軋輥剛度和熔體凝固區長度都相應地有所增加,生產板帶坯寬度有了較大增加。第三代鑄軋機是亨特工程公司(現為意大利法塔?亨特公司)與原法國普基公司研究開發的, 鑄軋速度≥10m/min, 產品最薄厚度為1 mm。
2.3 雙輥式鋁帶坯連續鑄軋機列
雙輥式鋁帶坯連續鑄軋機列的幾種配置方式如圖2-1所示。中國、 前蘇聯、美國亨特工程公司的下注式雙輥鑄軋機組典型配置如圖2-1(a)所示。圖2-1(b)為傾斜式雙輥鑄軋機組配置示意圖。由圖可見,除鑄軋方式由下注式改為傾斜式以外, 其他的均與圖2-1(a)的相似。這兩種機列的長度約為10m。我國自行研制的帶坯鑄軋機列大多是圖2-1(b)式的。圖2-1(c)為法國彼施涅集團3C鑄軋機組的配置方式, 不設牽引與多輥矯機,簡化了機組, 了投資於維護工作量, 機列長度大致為7 m。由華北鋁業有限公司引進,涿神公司相繼研發制造出相同形式的鑄軋機組。
 
圖2-1 鋁帶坯雙輥鑄軋機列示意圖
雙輥式鑄軋機的設置方案如圖2-2所示。從兩個被冷卻的相對做慢速旋轉運動的輥的一方注入金屬熔體,而從另一方獲得受軋制的帶坯的設備稱為雙輥式鑄軋機。根據兩個軋輥的相對位置不同, 分為水平式、 傾斜式、垂直式三種類型鑄軋機。
圖2-2(a)是1846年貝西默提出的設想, 由於思路不對和技術水平所限, 幾經試驗都以失敗告終。1956年,美國亨特工程公司總結了前人的經驗, 采用如圖2-2(b)所示下注式, 成功地鑄軋成了鋁帶坯。這種鑄軋方式與貝西默的設想有著本質的不同,首先, 熔體進入兩個水平輥的方向由上向下改為由下向上, 這就可使注入輥縫的熔體被嚴格控制在一定的靜壓強下,由供料嘴均勻地連續地向旋轉著的輥縫中供給熔體; 其次, 鑄軋輥轉速及其冷卻強度都可調節, 提供了金屬熔體凝固的條件,使從兩旋轉輥間鑄出帶坯成為現實。
 
圖2-2 雙輥式鋁帶坯鑄軋機設置示意圖
但是下注式還存在著明顯的缺陷: 供料嘴裝置不便於安裝及調整; 鑄軋出的帶坯垂直朝上, 需用牽引設備牽引到水平方向纔能轉入下道工序,實屬不便。
法國彼施涅集團子公司斯卡爾(SCAL)公司從1958年開始研究鋁帶坯連續鑄軋設備與工藝,1960年第一臺簡單的雙輥垂直式連續鑄軋機安裝於弗洛格(Froges)廠, 如圖2-2(c)所示,這種鑄造機被稱為Continuous Casting Coquillard, 簡稱Coquillard3C。1961—1963年,斯卡爾公司對水平鑄軋帶坯的品質做了大量研究。前蘇聯列寧格勒有色金屬加工廠生產的鑄軋機、 瑞士鋁業公司的Alusuisse CasterⅠ及哈維(Harvey)式鑄軋機都是這種垂直式。
1962年, 亨特工程公司推出了一種雙輥傾斜式鑄軋機, 如圖2-2(d)所示,帶坯出輥方向與地面成15°角。我國大多數雙輥鑄軋機都是傾斜式的。垂直式與傾斜式鑄軋機生產的帶坯品質與水平式帶坯差不多,但是前兩者具有操作、 調試簡便的優點, 且便於維修。因此, 當今已不再生產雙輥水平式鑄軋機了。
1.原材料的熔煉
連續鑄軋需要保證鑄軋機工作的連續性, 防止生產中斷, 因此原材料需要通過熔煉設備對其進行熔化, 並使用保溫設備進行保溫,為鑄軋帶坯提供持續的鋁液。熔煉設備使用熔煉爐通過燃料燃燒的熱量將鋁原料熔化, 然後對鋁液進行攪拌、 除渣、 除氣、 添素、取樣檢測等工序。熔鋁爐使用的燃料有輕油、 重油、 渣油、 天然氣、 焦爐煤氣、 混合煤氣等, 通過燃料與助燃空氣混合均勻後完全燃燒,將鋁原料完全熔化。待熔鋁爐內的鋁液達到工藝要求時, 將鋁液倒入保溫設備, 即靜置爐, 進行保溫。靜置爐內保證鋁液不間斷的進行補充,使用燃料或電加熱對爐內鋁液進行保溫或者升溫。
熔鋁爐有矩形爐, 側面傾斜式大型加料爐門; 圓形爐, 爐頂加料, 兩側有矩形爐門進行攪拌和取樣。現多采用蓄熱式熔鋁爐(如圖2-3),它的蓄熱式燒嘴成對布置, 相對兩個燒嘴為一組(A組、 B組燒嘴)。從鼓風機出來的常溫空氣由換向閥切換進蓄熱式燒嘴A後,在經過蓄熱式燒嘴A蓄熱體時被加熱,在極短時間內常溫空氣被加熱到接近爐膛溫度(一般為爐膛溫度的80%~90%)。被加熱的高溫熱空氣進入爐膛後,卷吸周圍爐內的煙氣形成一股含氧量大大低於21%的稀薄貧氧高溫氣流, 同時往稀薄高溫空氣附近注入燃料, 實現燃料在貧氧狀態下燃燒;與此同時, 爐膛內的熱煙氣經過另兩個蓄熱式燒嘴B排入大氣, 爐膛內高溫熱煙氣通過蓄熱式燒嘴B時將餘熱儲存在蓄熱式燒嘴B內的蓄熱體內,然後以低於150 ℃的低溫煙氣經過換向閥排出。當蓄熱體儲存的熱量達到飽和時換向閥進行切換, 蓄熱式燒嘴在蓄熱與工作狀態之間進行交換,從而達到節能和降低NOx排放量等目的。

保溫爐可以分為固定式和傾動式。固定式又稱靜置爐, 采用爐內鋁液壓力結合自動控流繫統不間斷供流。傾動式又稱傾動爐,采用液面檢測裝置輸出的信號控制保溫爐體的傾動程度, 來提供鋁液(如圖2-4所示)。

2.流槽部分
在此我們介紹的流槽部分是指從保溫爐出口到澆注繫統中間部分所有機構。詳細分解可包括:(保溫爐出口)—一級控流—鈦絲送進機構—輸送流槽—除氣箱—過濾箱—二級控流—輸送流槽—(澆注繫統)。
一級控流在靜置爐出口使用, 一般采用閉環式自動控制, 使用機械機構或位移檢測器對流槽內鋁液進行衡量檢測, 當高出或低於要求液面高度時,通過電信號反饋給執行電機, 然後帶動執行機構通過控制保溫爐出口的大小來控制鋁液流量,如圖2-5所示。鈦絲送進機構(如圖2-6)是對流槽內鋁液添加細化劑時所使用的裝置, 根據所生產的鋁合金牌號設定送進機構的送進速度,並且連接有鈦絲報警裝置, 在鈦絲打滑或機構出現故障時, 會利用報警音進行提示。

輸送流槽是輸送鋁液的保溫通道。流槽外殼采用鋼板焊成, 內部安裝保溫耐火材料制作的U形槽體。流槽應設計得盡量短些, 同時最好是密閉的,一則可避免鋁液溫度下降過多, 二則可避免鋁液二次污染。目前國內多采用加蓋式密閉流槽。為便於維修, 流槽應是活動的,或者是可以拆卸的。除氣箱一般包括除氣裝置和加熱裝置兩部分。
除氣裝置(如圖2-7)是利用中空的石墨轉子將N2輸送到除氣箱的鋁液內部, 除去鋁液內部所含的H2;再通過步進電機調節轉速來控制石墨轉子的轉速。加熱裝置一般是利用件產生熱量將鋁液溫度控制在要求範圍內,尤其是在鋁液溫度過低時使鋁液溫度上升。兩套裝置的升降采用機械結構升降或液壓傳動升降。