致力于改善铝合金熔炼质量控制

1、致力于改善铝合金熔炼质量控制，分析了高产率、低压永久模铸造工艺中氢含量以及六处重要熔炼环节中的夹渣物随着国际竞争的日益激烈，铸造领域面临着需求的多样性。这些需求往往会影响到企业的盈利能力。因而，铸造在设计、投产准备期、废料利用以及产量等诸多方面的改进直接影响了未来市场潜力。可行的改进策略是寻求利用最经济的手段，即最少的资本投资来达到目的。在铸造方面，一个显著的限制是缺少实时的金属熔炼质量评估。金属清洁度的质量检测控制也会成为限制铸造产量的因素。除此之外，使用电脑建模的设计过程最终也依赖于实际条件的可行性。如果前期处理过程各方面，如含氢量、夹杂物、熔炼温度、晶粒细化以及变质处理等没有精确计量，就

2、会为后续的处理带来问题。面对着这些挑战，福特合金轮毂厂（AWP）研究了铸造流程变量因素如运输、处理等对熔炼质量的影响。本文描述了AWP对含氢量分析以及在熔炼处理过程中六个关键环节处夹杂物和氧化膜含量的处理经验。熔炼过程AWP制造商制造铝合金轮毂和横梁的年产量达2百万件。熔炼时，使用比例为1:1的A356铝锭和再循环处理的废料，直接装入两个反射炉的干燥炉膛中熔化。铸态轮毂废料则在开式的装料炉中熔化。熔融金属通过一个金属泵从熔炉主体通过装料炉再返回以完成循环。这样的熔炼方式有助于增加熔化速率，使金属熔炼温度与化学成分均匀。熔融金属在旋转除气后通过30-ppi氧化铝陶瓷过滤器，并从熔炉中排出，进入1

3、.5吨的转移包中。在铝液包中通过添加镁的边角料，硼化钛(TiB)晶粒细化剂，锶变质剂，造渣和旋转除气以降低氢含量和非金属夹杂物。然后金属通过叉车被运送并注入每个LPPM机器下方的铸造熔炉中。注入的高度为8至20英寸。通过实验，对六个熔融金属洁净度持续控制十分重要的环节进行了测试。测试结果规范了铸造质量及性能。图1 AWP低压永久模机器熔炼、浇注过程注：在金属处理和转移过程中的六个阶段实施：装料室、除气室、浇包除气前、出气后、浇注机注入铝液前和铝液后。除气实验实验中，从转子铸造的铝液中取样，测试铝液在变质处理及转移过程中的氢含量。测试目的为：l建立氢含量测量标准（这对采用第一气泡法由为重要）l测

4、定H的吸收量和吸收倾向；l建立过程改进的策略。实验使用了三种技术与仪器，其中一种仪器采用了IBT（起始气泡测试）方法。在该方法中，将一份少量的液态铝合金试样倒入密封的气室中，然后该试样在气室的低压环境下凝固，检测凝固过程中氢原子析出形成的气泡。通过电脑记录下来的温度与气压数据，可以计算出熔融铝合金中的氢含量。尽管这项技术在铸造领域应用的最为广泛，但是其结果却很具主观性。因此，让经验丰富的检察员在铸造的各个阶段进行多次检测来减小错误的概率。另外两项技术则是用来校正初始的气泡测量数据。氢含量测试结果氢含量在铸造设备装载铝液前与之后进行检测，检测结果为分别从除气后的0.12 ml/100g上升到0.

5、16 ml/100g和0.19 ml/100g。该结果归因于液态金属转移过程中的各种不良条件，包括：l在铝液转移过程中，金属表面暴露在大气或潮湿的空气中；l注入熔炉时，未过滤，直接暴露在空气中，且倾倒高度高于熔炉0.3米；l在机器浇注的时候，由于金属液的连续流入，液体受到显著扰动，由此带来了夹渣物，且分布不均。铝液包的除气使得上述三种转子都有较低的含氢量。实验最初采用两种转子，一种槽型转子、一种矩形转子，来建立除气参数，以达到最优的气泡分布和最低的涡流。然后这些转子在最适宜的条件下测试，再与标准转子做对比。实验结果表明：槽型转子中，气体含量最低的比标准槽型转子使用时间长30%。与标准转子相比，

6、矩形转子也表现出更低的含氢量（含有一半左右的循环气体），其使用寿命是标准转子的两倍多。不同的转子之间气体含量差异十分微小，因此，AWP采用了矩形转子的除气工艺作为除气过程的标准。温度影响在影响产品质量的诸多方面中，金属的浇注温度也是一个重要的因素。为避免缺陷的产生，金属的供给温度必须控制在很窄的范围内。从以往经验上看，为了使浇包中金属液在重新充满浇注机的时候达到正确的温度，AWP需要将熔炉温度过热到1436（780）。然而，在这样的温度下，金属液的氧化和吸氢量都迅速增加。前面环节中金属的熔化过程温度图表明了浇包浇注和除气过程是最主要两个的温度损失阶段。铝废料装料炉中提供的铝液温度也变化很大。基

7、于此，在过滤箱的加热设置与废料装载系统上做了调整，使熔炉的温度下调了68(20)。这样，在节省了燃料消耗的同时，铸件质量并没有下降。除气机则使用了绝热的盖子来减少金属液8分钟循环除气过程中的温度损失，这项措施使得熔炉温度又可以降低50 (10)，而且，氢的含量也相应降低了。夹杂物的测量在铝合金铸造中，一个最严重的问题就是非金属夹杂物的存在。它们会影响铸件的诸多性能，如切削加工性能、孔隙度、耐腐蚀能力，甚至是外观。夹杂物颗粒的大小从几个微米（MgO和Al4C3）到几个毫米（Al2O3和MgAl2O4膜、簇）不等。在测量夹杂物与氧化膜含量方面，AWP测量了金属熔化过程的六个关键阶段的夹杂物含量和组

8、织特征，以此来建立改进策略。断口实验结果实验测试了五处K-mold断口特征。AWP使用K-factor和K-value来描述含有夹杂物的断面。K-factor是20个断面中独立夹杂物的总和与20的比值。虽然这是最定量，最灵敏的测试方法，但是过于耗时。K-value则更为常用，它表达的是20个断面中所有脏点的总和与20的比值（一个脏点往往包含了至少一个夹杂物）。K-value指标的不足之处是它降低了夹杂物测量的灵敏度。测试结果见图2。图2 铸造中六处重要环节中K-bar样本实验结果，夹杂物的含量在除气后显著增加，并在铸造机注入铝液后达到峰值夹杂物的含量从除气室转移至浇包的过程中显著增加，这是因为

9、铝液倒入浇包的最大高度达到了5英尺，而这个高度大大高于铝液许用的倾倒高度(0.04英尺)。在这样的高度上，铝液的表面有足够的能量和速度来克服表面张力，这样，总是有连续的新铝液表面暴露在大气中。从5英寸高度倾倒时，铝液最大的冲击速度几乎是其许用速度的11倍。这不仅仅导致了铝液额外的氧化，更使其在飞溅中吸收了更多的水蒸气和空气。这同样解释了铸造机在每次装铝液的时候，尽管注入的高度更低一些（0.66-0.98英尺之间），夹杂物的含量也会上升。夹杂物分析分析铝液夹杂物时，采用了一台计算机控制的商业压滤系统，另外用一台非电脑控制的商业系统做交叉分析。在每个熔化地点采集几份3磅重的铝液样本来建立一般测试的

10、工作范围（见图3）图3 图中为电脑化测试的原始平均数据，误差线表示了最大和最小的读数偏差。每条曲线旁的数字表示了夹杂物含量（mm2/kg）和氧化物水平（个/kg）(如：0.446/8=0.446mm2/kg以及8个氧化膜/kg)。数据显示出，在整个铝的熔炼系统中，铝液的整体质量不断降低。在计算机化的系统测试的结果显示，损失了能量的金属相对于装料室中的水平表现出更低的温度梯度。结果也指明了在铝液出口的过滤系统会改善金属质量。使用氮气的旋转除气后，相比于除气前的曲线，结果显示了较低的梯度（更高的夹杂物含量）。在没有使用过滤装置时使用旋转除气效果近似，但没那么极端。在金属液浇入铸造机时，金属的质量进

11、一步下降了。同样，从装料室到浇注机的过程中金属液质量也下降了。然而，从K-bar实验的结果来看，在除气过程中夹杂物含量减少了。杂质含量过滤后凝固的铸件样品被切片后，定量分析了每个样品断面的杂质含量。这项技术不仅能给出夹杂物的种类信息，同时也能给出夹杂物含量和氧化膜含量的量化值，如图4所示。实验的一部分结果与压滤系统的结果有冲突，可能的原因是夹杂物存在很多不同的类型。图4 铸造熔炼与运输过程中六处关键环节中夹杂物与氧化膜含量的离线分析。夹杂物含量水平在铸造机注入铝液前与之后显著增高。装料缸和除气缸：装料的炉缸和除气缸中铝液的夹杂物大多数是小于3毫米的Al4C3。除气前的转移包：下一个阶段是将金属

12、液通过一个30-ppi的过滤器倒入一个1.5吨的浇包中。在晶粒细化过程中，加入了硼化钛（TiB）颗粒，这也就成了熔化金属中主要的夹杂物。铸件金相实验的分析结果表明，在金属液排出时，有、无过滤器的情况并不符合压力过滤曲线中体现出来的趋势，改善了铸件的质量。在有、无过滤器的对照实验中，过滤装置的存在显示出了较明显的差别。除气后的转包：除气过程对于进一步的去除Al4C3中很有效。金属液注入前后铸造机：主要的夹杂物是硼化钛，氧化镁和尖晶石。这些化合物的形成归因于铸造熔炉的高温（高达720），以及长期暴露在空气中。结论各项试验的结果显示了起始气泡实验与后续更加复杂的系统之间的联系。在所有三个测量系统中，结果都显示了在铸造中金属熔化过程的各个环节对其含气量有着显著的影响。特别值得注意的是，铸造机中金属液较高的含气量来源于紊流浇注过程中卷入的水汽和氧。正在进行中的实验则致力于改进金属液传输技术来最小化金属液浇注时垂直下落的高度和冲击速度，以此来降低氢含量。使用标准K-bar测试出的夹杂物水平结果显示：在铸造的