高导电率Al 2RE 2B 电工圆铝杆工艺研究杨钢1,2,何正夫3,陈德斌3,丁吉林3,陈渝3(11昆明理工大学材料与冶金工程学院,昆明　650093;21云南冶金集团总公司,昆明　650051;31云南铝业股份有限公司,昆明　650502)摘要:对高导电率Al 2RE 2B 电工圆铝杆生产工艺进行了系统研究,分析了RE 、B 合金元素、连铸连轧工艺对电工圆铝杆组织和性能的影响。

关键词:电工圆铝杆;稀土;硼;净化;连铸连轧工艺中图分类号:TG 14612+1 文献标识码:A 文章编号:1007-7545(2006)02-0048-03Study on Process of High Conductivity Al 2RE 2B Electrical PoleYAN G G ang 1,2,HE Zheng 2fu 3,CHEN De 2bin 3,DIN G Ji 2lin 3,CHEN Yu 3(11Kunming University of Science and Technology ,Kunming 650093,China ;21Yunnan Metallurgical Group ,Kunming 650051,China ;31Yunnan Aluminium Co 1Ltd 1,Kunming 650502,China )Abstract :The technology of high conductivity Al 2RE 2B electrical pole are briefly introduced 1It has analyzed theinfluence of alloy elements (RE and B )and technology of continuous casting and rolling on microstructures and property of electrical pole 1K eyw ords :Aluminium electrical pole ;RE ;Boron ;Purification ;Continuous casting and rolling process基金项目:云南省科技攻关项目(2003GG 06)作者简介:杨钢(1959-),男,云南昆明人,硕士研究生,高级工程师 现许多铝厂为了节约能源、调整产品结构,直接用电解铝液经连铸连轧工艺生产电工圆铝杆。

但电解铝液直接取自电解槽,温度较高,含氢量大,并含有较多的金属和非金属夹杂物,在铸造前若不及时去除,会在圆铝杆中形成组织缺陷,破坏铝晶格的正常结构,使晶格产生畸变,使铝电阻率增加。

采用向铝液中复合添加RE 和B 元素,利用两种元素对铝液起到的不同作用,改善铝导体的综合性能。

本文根据Al 2RE 2B 电工圆铝杆的生产特性对铝液合金化、铝液净化、铝液过滤、铸锭温度和轧制速度等生产工艺进行相应的分析。

1　铝液电工圆铝杆用的铝液中杂质元素主要是Fe 、Si 、其次是Ti 、V 、Cr 、Mn 等,随杂质元素含量增加,电阻率增加、抗拉强度提高、延伸率下降。

此外,铝液中,当w (Si )≥w (Fe )时,会形成β(Al 9Fe 2Si 2)相化合物,严重影响铸造性能,会使铸坯组织疏松,不利于后续的轧制加工。

当w (Fe )≥w (Si )时,则生成α(Al 3Fe 3Si )相化合物,该相虽同属硬脆相,但与β相相比,变形性能要好的多。

为此在电工圆铝杆的生产过程中,不但应控制Fe 、Si 的含量[1],还应使Fe/Si ≥115,以消除Si 所造成的不良影响。

在电解铝液抽取时,温度一般在900℃以上,经开口包转运到混合熔炼炉中也近850℃。

由于铝液温度高,易吸气,含氢量较高。

再者,电解铝液在抽吸过程会将一些电解质及氧化夹杂物吸入铝液。

111　合金元素的添加为了减少合金元素的烧损,确保合金成分稳定,采用中间合金的方式添加合金元素。

B 用Al 23B 中间合金,RE 用Al 210RE 中间合金。

试验表明,Al 23B 合金添加量为每吨铝3～15kg ,Al 2RE 中间合金为每吨铝10～30kg ,即电工圆铝杆成品中含B 0101%～0104%,含RE 0105%～012%,电工圆铝杆具有优良的综合性能。

在电解铝液注入熔炼炉前,事先将计算好的Al210RE和Al23B中间合金加入熔炉,利用电解铝液的高温使中间合金熔化,采用人工搅拌方法对熔炼炉内的合金铝液进行10min左右混合搅拌。

2　熔体的精炼、净化处理据实测100g电解铝液的含氢量均在0125mL 以上。

当铝液浇铸冷却时,氢的溶解度会降低为原来的十分之一,析出的氢会在铸坯中形成气孔、空心等缺陷,使得坯料轧制后产生缩孔、针眼、起皮等缺陷,严重者甚至断裂,降低电工圆铝杆的强度。

其次,电解铝液中,含有大量的金属、非金属夹杂物。

由于电工圆铝杆的特性,对其坯料的内部组织、表面质量、电学、力学性能等都有严格的要求。

因此,铸轧前必须对熔体进行精炼,并采取一系列有效的除气、除渣措施[2]。

211　精炼处理待熔炼炉中铝合金液温度降至760～780℃时,由特制的精炼器用N2将精炼剂(按炉料量的011%～0115%)自熔池底部的铝熔体中喷出,在铝熔体中形成无数气泡,自下而上地除气、除渣。

精炼剂由KCl、NaCl、Na3AlF6等组成。

精炼时,精炼器在熔池底部缓慢移动、从里到外、不留死角,铝液翻腾高度控制在50mm以下,使精炼剂和N2与铝液充分接触,精炼时间在25～30 min,通过精炼剂和N2的吸附和化学作用,把铝液中的杂质和H2带出液面,精炼过程结束3～5min 后,待气泡停止冒出液面,用耙子扒出浮渣。

通过精炼一般可去除60%以上的杂质。

扒渣后立即在铝液表面撒一层覆盖剂,保护铝液精炼效果。

212　化学成份的分析与调整炉内精炼结束后,立即取样用直读光谱仪快速分析,根据分析结果进一步调整化学成份,一般是调整合金成分,此工序要求计算精确、料量无误、并需彻底均匀搅拌[3]。

213　静置静置也是净化的一种方法,利用熔体与夹杂物之间的密度差使夹杂物沉降或上浮,从而使铝液得到进一步的净化。

静置温度保持在730～760℃,静置时间不宜过长,一般为30min左右。

214　合金铝液在线净化虽然铝熔体在炉内经一系列的净化处理,但净化程度有限,精炼后熔体中仍残留一定量的气体和夹杂物。

为了生产优质的电工圆铝杆,应尽可能地净化铝熔体。

为此,在生产线的熔炼炉与浇包之间另设有熔体在线净化装置,包括过滤和连续气体精炼二部分。

过滤装置主要是由过滤箱及陶瓷过滤板组成,过滤板为浸没水平放置方式,过滤板的主要作用是吸附、拦截熔体中大尺寸夹杂物和吸附气体呈悬浮状分布的细微夹杂物[4]。

陶瓷过滤板规格为30～40ppi,可以阻挡011mm3以上的杂质进入铸包。

连续气体精炼装置是利用高纯N2通过石墨转子向铝熔体中旋转喷入。

铝熔体从净化箱体上沿流入,在旋转石墨转子搅拌下螺旋下流,从石墨转子喷出的N2泡在喷嘴和铝液的摩擦力作用下被破碎成微细气泡均匀分散到铝熔体中,微细气泡在上升过程中与下流铝熔体充分混合,带出H2和夹杂物,使熔体净化。

铝熔体在线除气温度应在720～730℃。

3　连续浇铸铸造设备为轮带式铸造机,铜结晶轮直径为115m。

铝熔体通过浇包连续注入由铜结晶轮和钢带构成的转动结晶模内,受铜结晶轮内壁和钢带外壁冷却水的冷却而凝固成连续坯料。

311　浇铸系统用导流管衔接流槽与中间包,确保流槽、中间包内铝熔体表面的氧化膜不破裂,减少铝熔体的再度氧化、吸气。

尽量减少浇包中的铝熔体流入铜结晶轮之间的落差,最好采用水平浇铸方式,减少铝液进入铜结晶轮铸腔时的冲击紊流吸气和氧化膜混入。

此外,浇铸系统应选用坚固耐用的耐火材料,因为脱落的耐火材料颗粒属极为有害的杂质。

312　浇铸温度浇铸温度过高,电工圆铝杆的晶粒粗大,力学性能降低;浇铸温度过低,铝液流动性相对较差,铝液内的气体排逸速度慢,加之铝液凝固时不能及时补缩,容易在铸坯内产生缩孔和松疏。

从理论上分析,在保证金属液体流动的前提下,应尽量采用较低的浇注温度,以获得晶粒度较好的组织。

经试验将混合熔炼炉内铝熔体温度控制在730～750℃,开炉放铝可获得理想的浇铸温度。

浇铸过程中铝液温度达下限时要及时升温,铝液温度过高时通过调整铝液流量、添加冷料等方法进行降温。

开炉放铝前,应充分预热浇铸系统。

浇铸过程中给浇铸系统加盖保温盖板,减少散热。

铝液浇铸温度控制在690～720℃,尽量减少波动[5]。

313　冷却强度为了获得较理想的细小致密的结晶组织,在铸坯过程中应保持一定的冷却强度。

铝液中添加RE 和B 的会提高铝液的形核质点,改善铸坯的结晶组织。

稀土元素化学性质活泼,在铝熔体中形成结构复杂的金属间化合物,铝液凝固时作为异质晶核,细化组织[6]。

硼元素在铝熔体中形成AlB 2、TiB 2相粒子,增加铝液凝固时的非均匀形核,细化组织。

图1是稀土和硼对工业纯铝宏观组织影响。

图1　RE 和B 对工业纯铝宏观组织的影响Fig 11　E ffect of RE &B on structure of industrial pure aluminum 通过试验筛选出的工艺参数为:冷却水量90m 3/h ,结晶轮内侧和钢带表面水量分配比例2∶1,冷却水压力013～0135MPa ,冷却水温度20～25℃。

4　连续轧制连续轧制是生产的后段工序,是在再结晶温度以上进行的塑性变形加工过程,轧制过程中,轧制速度、轧制温度和乳化液温度,对电工圆铝杆的性能有直接的影响。

411　轧制速度轧制速度快,圆铝杆抗拉强度低,延伸率高;因为提高轧制速度的同时铸造机的铜结晶轮速也相应提高,在浇铸温度和冷却条件不变的情况下,铸坯在水中冷却时间缩短,进轧温度升高,整个轧制过程中,轧机各道次的轧制速度加快,冷却降温减小,变形温度和终轧温度较高,影响着圆铝杆的组织形态和性能变化。

相反轧制速度慢,抗拉强度高,延伸率低。

生产中可以根据圆铝杆的性能要求适当调节轧制速度。

412　轧制温度轧制温度由锭坯进轧温度、轧制速度以及乳化液温度所决定。

由于圆铝杆是经多道次轧制,各道次变形量不同,前后道次的轧制温度不一样,导致各道次轧制变形硬化和再结晶软化各有差异。

一般而言第一道次的进轧温度和最后道次的终轧温度对圆铝杆组织、性能影响更大[7]。

调整铸坯时的冷却水温度和轧制速度可控制进轧温度,调整轧制过程中的乳化液温度和流量可控制终轧温度。

试验表明轧制工艺参数应控制在:进轧温度470～520℃,乳化液温度30～45℃,乳化液流量100m 3/h ,终轧出线速度～6m/s ,终轧温度280～320℃。