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[摘 要]铝合金熔铸质量关乎铝合金产品的质量优劣，关乎后续工序的质量。而铸熔质量的好坏又有赖于炉料质量。本文从电解铝液与中间合金两项炉料内容，探讨炉料质量对铝合金熔铸质量的具体影响，针对不利影响提出应对之策。
[关键词]铝合金；炉料质量；影响
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）13-0036-02
铝合金以其高强度、低密度、可塑性、导电性、导热性、抗蚀性等优势被越来越广泛的应用于工业生产之中，航空、航天、机械制造、汽车、船舶制造等领域应用最为广泛，这些领域对于铝合金质量有着极高的要求。而铝合金质量的控制应用首道加工环节，即铸熔环节入手。而要保证铸熔质量，需从对炉料质量的控制出发，炉料囊括点解铝液、重熔铝锭、纯金属铸锭、合金添加剂、公益废料等。所谓炉料质量主要指炉料的表面、内部组织结构、受污染度、比表面积等。为有效把控铝合金铸熔质量，本文从炉料质量出发，探究其对铝合金熔铸质量的影响，探讨铝合金熔铸的质量保证措施。
1电解铝液对铝合金铸熔质量的影响及其应对措施
基于电解铝液生产铝合金铸锭中，电解铝液占据炉料总量的70%-80%。可见，电解铝液质量直接关系到铝合金熔铸质量。因此，本文基于电解铝液特点探究炉料质量对铝合金熔铸的具体影响。
1.1电解铝液特点
温度在950℃下，以冰晶石Na3ALF6为电解质溶剂，以氧化铝为溶质，由碳阳极对其进行还原。生产过程中的化学反应为：
2Al2O3+3C=4AL+3CO2
从反应式可看出，电解生产中，氧化铝、氟化盐、碳阳极皆含杂质，主要有CaO，H2O，Na2O，Fe2O3，MgO等，正因上述杂质的存在易影响电解铝液质量，使其呈现出如下特点：（1）高温。从电解槽中还原出的电解铝液，可达到920℃以上的高温，再由铝液运输车辆将其运输至铝合金铸熔车间熔炼炉中进行熔炼处理，在此过程中温度有所下降，然而整体温度仍然在850℃左右。熔炼温度在760℃以下，故此，电解铝液为热熔体。（2）较高的氢含量，据测算，电解铝液中氢含量为0.26mL/100g-AL。（3）其中的夹杂物含量较高。电解铝液未经熔体净化，氧化物、碳化物等仍存其中。 电解铝业中含有大量杂质，Na元素含量较多，可达到0.05%-0.10%。
1.2电解铝液对铝合金熔铸质量的影响
1.2.1高温易导致铸锭开裂
如上文所述，电解铝液在还原处理中，温度高达850℃，而铝合金熔炼温度一般为760℃，电解铝业熔体过热易增加熔体的吸气与氧化程度，同时，易使熔铸产品出现晶粒粗大的问题，从而易致使铸锭开裂。
1.2.2较高的氢含量易引发轻质缺陷与“氢脆”
电解过程中，原材料中的水分会发生水解析氢现象，这也是电解铝液中的氢。熔体凝固时，析氢易出现疏松问题，继而出现气孔，铸锭性能与质量由此受到极大影响。对于2024、7075等高强铝合金，易引发细针状缺陷及氢氧化分层等氢致缺陷问题。此外，氢含量过高极易导致高强铝合金发生“氢脆”问题。
1.2.3杂质过多易使铸锭及合金制品出现断裂问题
电解铝液夹杂物一般有：电解质、碳化物、AL2O3等非金属，另有Na、Ca、Li、Si、Fe等碱金属元素。铝合金熔铸中，由电解铝液作为配料生产的过程中，上述杂质会在工艺处理过程中进入铝合金熔体，继而至熔铸产品，从而直接影响铸锭性能质量。电解铝液中的Fe、Si、H、AL2O3等具有遗传性影响，这种遗传性影响会使杂质进入合金制品，粗大元素难以溶解，始终分布于晶内。铝合金产品短流程工艺中，铝电解产生的氢氧杂质会导致铸锭产生气孔与疏松问题，严重时导致铝合金制品断裂。Fe、Si等杂质粗大、硬脆，是铸锭产生裂纹的潜在因素。电解铝液中的Na、Mg等元素进入铝合金熔体中，会使铝合金熔体粘度增大，流动性变差，铸锭性能被严重弱化。此外，由于Na元素的脆性，极易导致高镁铝合金等制品出现开裂问题。
1.3应对措施
1.3.1做好电解铝液预处理
针对电解铝液中的杂质的问题，可从对电解铝液的预处理上着手，具体方法如下：利用真空抬包将无水ALF3粉从包盖加至抬包中，包盖上转动的石墨转子可细化ALF3并使其溶于熔体中，在此过程中，高纯氩气进入熔体形成小气泡。ALF3与电解铝液中的碱金属反应生成氟盐、HF气体，借助氩气气泡的吸附力，与非金属杂质共同飘浮于熔体表面，最后被去除。这一预处理过程需要ALF3的用量为0.75kg/t-AL，处理时间为每包铝液5-8min。经过这种预处理后的Na含量大幅降低，其含量大约为0.002‰～0.005‰。
1.3.2改善电解铝液的入炉方式
电解铝液入炉方式直接影响着氢含量与杂质含量。传统的入炉方式为“小瀑布”式入炉，即在距离熔炼炉底部2m的液体入料口从侧部将电解铝液注入熔池。由此便会形成巨大落差，电解铝液与熔池内固体料产生撞击，即为紊流，与此同时，铝液中形成氧化造渣，电解铝液中被卷入大量空气，极大的增加了合金液中的杂质与氢含量，最终导致铝合金铸锭出现疏松、裂纹等问题。对此，可通过对传统电解铝液入炉方式的创新优化进行处理，如，利用自动化虹吸装置，借助真空抬包将电解铝液注入熔炼池，通过对电解铝液的转注处理，保证铝液通过潜流方式入熔池，防止过去依靠“小瀑布”方式而造成的氢气进入及氧化缺陷问题。
1.3.3选定合理的固液比
固液比即为在所有炉料中的重熔铝锭、工艺废料和各种中间合金与纯金属锭固体料与电解铝液分别所占的比例。添加固体料不仅可以对过热的电解铝液进行降温，还可以细化铸锭的晶粒尺寸。
2中间合金对铝合金熔铸质量的影响及应对措施
中间合金使铝合金熔炼的基本炉料，在铝合金熔铸中，为保证铝合金成本性能的优良，成分的稳定，应保证合金成分均勻，清洁，杂质少，熔点低等。常用中间合金为：Al-Fe、Al-Mn、AL-Cu、Al-Cu、Al-V等。 2.1中间合金对铝合金熔铸质量的影响
中间合金不仅是铝合金铸成的化学成分之一，更在纯度与组织遗传上影响着铝合金熔铸质量。在组织遗传上，仅需在冷却中间合金生产时对其冷却速度进行严格控制，便能保证中间合金内部组织的细密性，继而确保铝合金熔铸拥有极佳的组织遗传。在纯度遗传上，市场中中间合金价格竞争激烈，有些小型企业在中间合金的生产上往往将回收的铝渣、铝屑作为生产原料，导致杂质元素过多。有些小型熔炉在中间合金的溶制上，由于批量肖，主合金元素含量有较大波动，且再现性较差，由此，在调整合金化学成分的补料上难度较大，有些铝合金化学成分较窄，更会出现多次取样的问题，使得化学成分出现超标问题。此外，中间合金化学成分多样且不稳定，熔炼时间长，使得熔体过热，熔体氧化问题更为严重，严重影响铸熔质量。有些企业在熔制中间合金时，不对铝液内部杂质进行净化处理，导致中间合金在熔铸上夹杂氢和杂志，导致铸锭出现治金缺陷。比如，有学者研究表明，加入AL-3Ti-3B-1Y中间合金后，铝合金中α- Al晶粒由粗大树枝晶转变为尺寸较为细小的树枝晶，晶粒得到明显细化，共晶Si由长针状转变为颗粒状。AL-9Si-0.4Mg亚共晶合金的力学性能得到明显提高。
2.2应对措施
2.2.1铝合金熔铸企业加强对中间合金采购的监管，在采购之前，深入调查国内中间合金企业发展状况，如，企业生产规模、原材料采购源、设备工艺、中间合金稳定性等，基于上述情况的调查，寻得最高信誉的中间合金供应商。
2.2.2基于对上述情况的充分了解，可首先采购小批量中间合金，而后对这些中间合金进行检测与理化分析。在检测分析的基础上，通过实际生产过程验证中间合金的使用效果。检测其化学成分与其均匀性，杂质含量，同时对第二相粒子形貌、分布进行检测，上述检测是确保其纯度遗传的基础所在。
2.2.3通过上述检测了解中间合金状况，并且可在实际生产中验证中间合金效果。在验证上也可从小批量验证出发，随着生产的状况逐步加大验证量，基于验证结果决定是否长期采购该中间合金。
3结语
铝合金熔铸炉料是合金铸锭成型的基本材料，炉料较多样，同时质量状况有较大差异，对熔铸影响也有所不同。为生产高品质铝合金产品，应掌握各钟炉料对熔铸质量的不同影响，针对不同影响，采取相关措施，以消除不利影响。本文篇幅有限，从电解铝液、中间合金两方面探讨对铝合金熔铸质量的影响，并提出应对措施，除此之外，常见的工艺废料、合金添加剂也会影响铝合金熔铸质量，在这里不做赘述。对于铝合金熔铸质量的影响问题是一个多元化的方面，对此，需要相关研究人员加大研究力度，为提升铝合金熔铸质量上下求索。
参考文献
[1]赵善敏.提高铝合金熔铸质量的技术措施[J/OL].世界有色金属，2018（18）：152-153[2018-11-26].
[2]苟昕，牛旭东，贾娟娟，刘民章.利用炉料遗传性原理控制铝合金圆铸锭熔铸质量的探讨[J].有色冶金节能，2018，34（03）：24-27.
[3]敖晓辉. 废杂铝熔炼再生过程工艺能效与质量预报研究[D].北京交通大学，2018.
[4]Liu Y， Ding C， Yan-Xiang L I. Grain refining mechanism of Al-3B master alloy on hypoeutectic Al-Si alloys[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2011， 21（7）：1435-1440.
[5]张娜，于兴军.Al- 3Ti- 3B- 1Y 合金对Al- 9Si合金组织和性能的影响[J]. 特种铸造及有色合金，2018，38（10）：1137-1139.
[6]陈迎军， 谢飞， 戴连心，等. Al-Ti-B合金对Al-4Ti变质剂组织与细化行为的影响[J]. 热加工工艺， 2016（9）：59-62.
[7] Samsonov G V， Neronov V A， Lamikhov L K. The conditions， structure and some properties of phases in the Al-B system ☆[J]. Journal of The Less-Common Metals， 1979， 67（2）：291-296.
作者簡介
腾志贵（1977.04-），男，黑龙江省青冈人，研究方向为铝合金熔铸，东北轻合金有限责任公司高级工程师。
[关键词]铝合金；炉料质量；影响
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）13-0036-02
铝合金以其高强度、低密度、可塑性、导电性、导热性、抗蚀性等优势被越来越广泛的应用于工业生产之中，航空、航天、机械制造、汽车、船舶制造等领域应用最为广泛，这些领域对于铝合金质量有着极高的要求。而铝合金质量的控制应用首道加工环节，即铸熔环节入手。而要保证铸熔质量，需从对炉料质量的控制出发，炉料囊括点解铝液、重熔铝锭、纯金属铸锭、合金添加剂、公益废料等。所谓炉料质量主要指炉料的表面、内部组织结构、受污染度、比表面积等。为有效把控铝合金铸熔质量，本文从炉料质量出发，探究其对铝合金熔铸质量的影响，探讨铝合金熔铸的质量保证措施。
1电解铝液对铝合金铸熔质量的影响及其应对措施
基于电解铝液生产铝合金铸锭中，电解铝液占据炉料总量的70%-80%。可见，电解铝液质量直接关系到铝合金熔铸质量。因此，本文基于电解铝液特点探究炉料质量对铝合金熔铸的具体影响。
1.1电解铝液特点
温度在950℃下，以冰晶石Na3ALF6为电解质溶剂，以氧化铝为溶质，由碳阳极对其进行还原。生产过程中的化学反应为：
2Al2O3+3C=4AL+3CO2
从反应式可看出，电解生产中，氧化铝、氟化盐、碳阳极皆含杂质，主要有CaO，H2O，Na2O，Fe2O3，MgO等，正因上述杂质的存在易影响电解铝液质量，使其呈现出如下特点：（1）高温。从电解槽中还原出的电解铝液，可达到920℃以上的高温，再由铝液运输车辆将其运输至铝合金铸熔车间熔炼炉中进行熔炼处理，在此过程中温度有所下降，然而整体温度仍然在850℃左右。熔炼温度在760℃以下，故此，电解铝液为热熔体。（2）较高的氢含量，据测算，电解铝液中氢含量为0.26mL/100g-AL。（3）其中的夹杂物含量较高。电解铝液未经熔体净化，氧化物、碳化物等仍存其中。 电解铝业中含有大量杂质，Na元素含量较多，可达到0.05%-0.10%。
1.2电解铝液对铝合金熔铸质量的影响
1.2.1高温易导致铸锭开裂
如上文所述，电解铝液在还原处理中，温度高达850℃，而铝合金熔炼温度一般为760℃，电解铝业熔体过热易增加熔体的吸气与氧化程度，同时，易使熔铸产品出现晶粒粗大的问题，从而易致使铸锭开裂。
1.2.2较高的氢含量易引发轻质缺陷与“氢脆”
电解过程中，原材料中的水分会发生水解析氢现象，这也是电解铝液中的氢。熔体凝固时，析氢易出现疏松问题，继而出现气孔，铸锭性能与质量由此受到极大影响。对于2024、7075等高强铝合金，易引发细针状缺陷及氢氧化分层等氢致缺陷问题。此外，氢含量过高极易导致高强铝合金发生“氢脆”问题。
1.2.3杂质过多易使铸锭及合金制品出现断裂问题
电解铝液夹杂物一般有：电解质、碳化物、AL2O3等非金属，另有Na、Ca、Li、Si、Fe等碱金属元素。铝合金熔铸中，由电解铝液作为配料生产的过程中，上述杂质会在工艺处理过程中进入铝合金熔体，继而至熔铸产品，从而直接影响铸锭性能质量。电解铝液中的Fe、Si、H、AL2O3等具有遗传性影响，这种遗传性影响会使杂质进入合金制品，粗大元素难以溶解，始终分布于晶内。铝合金产品短流程工艺中，铝电解产生的氢氧杂质会导致铸锭产生气孔与疏松问题，严重时导致铝合金制品断裂。Fe、Si等杂质粗大、硬脆，是铸锭产生裂纹的潜在因素。电解铝液中的Na、Mg等元素进入铝合金熔体中，会使铝合金熔体粘度增大，流动性变差，铸锭性能被严重弱化。此外，由于Na元素的脆性，极易导致高镁铝合金等制品出现开裂问题。
1.3应对措施
1.3.1做好电解铝液预处理
针对电解铝液中的杂质的问题，可从对电解铝液的预处理上着手，具体方法如下：利用真空抬包将无水ALF3粉从包盖加至抬包中，包盖上转动的石墨转子可细化ALF3并使其溶于熔体中，在此过程中，高纯氩气进入熔体形成小气泡。ALF3与电解铝液中的碱金属反应生成氟盐、HF气体，借助氩气气泡的吸附力，与非金属杂质共同飘浮于熔体表面，最后被去除。这一预处理过程需要ALF3的用量为0.75kg/t-AL，处理时间为每包铝液5-8min。经过这种预处理后的Na含量大幅降低，其含量大约为0.002‰～0.005‰。
1.3.2改善电解铝液的入炉方式
电解铝液入炉方式直接影响着氢含量与杂质含量。传统的入炉方式为“小瀑布”式入炉，即在距离熔炼炉底部2m的液体入料口从侧部将电解铝液注入熔池。由此便会形成巨大落差，电解铝液与熔池内固体料产生撞击，即为紊流，与此同时，铝液中形成氧化造渣，电解铝液中被卷入大量空气，极大的增加了合金液中的杂质与氢含量，最终导致铝合金铸锭出现疏松、裂纹等问题。对此，可通过对传统电解铝液入炉方式的创新优化进行处理，如，利用自动化虹吸装置，借助真空抬包将电解铝液注入熔炼池，通过对电解铝液的转注处理，保证铝液通过潜流方式入熔池，防止过去依靠“小瀑布”方式而造成的氢气进入及氧化缺陷问题。
1.3.3选定合理的固液比
固液比即为在所有炉料中的重熔铝锭、工艺废料和各种中间合金与纯金属锭固体料与电解铝液分别所占的比例。添加固体料不仅可以对过热的电解铝液进行降温，还可以细化铸锭的晶粒尺寸。
2中间合金对铝合金熔铸质量的影响及应对措施
中间合金使铝合金熔炼的基本炉料，在铝合金熔铸中，为保证铝合金成本性能的优良，成分的稳定，应保证合金成分均勻，清洁，杂质少，熔点低等。常用中间合金为：Al-Fe、Al-Mn、AL-Cu、Al-Cu、Al-V等。 2.1中间合金对铝合金熔铸质量的影响
中间合金不仅是铝合金铸成的化学成分之一，更在纯度与组织遗传上影响着铝合金熔铸质量。在组织遗传上，仅需在冷却中间合金生产时对其冷却速度进行严格控制，便能保证中间合金内部组织的细密性，继而确保铝合金熔铸拥有极佳的组织遗传。在纯度遗传上，市场中中间合金价格竞争激烈，有些小型企业在中间合金的生产上往往将回收的铝渣、铝屑作为生产原料，导致杂质元素过多。有些小型熔炉在中间合金的溶制上，由于批量肖，主合金元素含量有较大波动，且再现性较差，由此，在调整合金化学成分的补料上难度较大，有些铝合金化学成分较窄，更会出现多次取样的问题，使得化学成分出现超标问题。此外，中间合金化学成分多样且不稳定，熔炼时间长，使得熔体过热，熔体氧化问题更为严重，严重影响铸熔质量。有些企业在熔制中间合金时，不对铝液内部杂质进行净化处理，导致中间合金在熔铸上夹杂氢和杂志，导致铸锭出现治金缺陷。比如，有学者研究表明，加入AL-3Ti-3B-1Y中间合金后，铝合金中α- Al晶粒由粗大树枝晶转变为尺寸较为细小的树枝晶，晶粒得到明显细化，共晶Si由长针状转变为颗粒状。AL-9Si-0.4Mg亚共晶合金的力学性能得到明显提高。
2.2应对措施
2.2.1铝合金熔铸企业加强对中间合金采购的监管，在采购之前，深入调查国内中间合金企业发展状况，如，企业生产规模、原材料采购源、设备工艺、中间合金稳定性等，基于上述情况的调查，寻得最高信誉的中间合金供应商。
2.2.2基于对上述情况的充分了解，可首先采购小批量中间合金，而后对这些中间合金进行检测与理化分析。在检测分析的基础上，通过实际生产过程验证中间合金的使用效果。检测其化学成分与其均匀性，杂质含量，同时对第二相粒子形貌、分布进行检测，上述检测是确保其纯度遗传的基础所在。
2.2.3通过上述检测了解中间合金状况，并且可在实际生产中验证中间合金效果。在验证上也可从小批量验证出发，随着生产的状况逐步加大验证量，基于验证结果决定是否长期采购该中间合金。
3结语
铝合金熔铸炉料是合金铸锭成型的基本材料，炉料较多样，同时质量状况有较大差异，对熔铸影响也有所不同。为生产高品质铝合金产品，应掌握各钟炉料对熔铸质量的不同影响，针对不同影响，采取相关措施，以消除不利影响。本文篇幅有限，从电解铝液、中间合金两方面探讨对铝合金熔铸质量的影响，并提出应对措施，除此之外，常见的工艺废料、合金添加剂也会影响铝合金熔铸质量，在这里不做赘述。对于铝合金熔铸质量的影响问题是一个多元化的方面，对此，需要相关研究人员加大研究力度，为提升铝合金熔铸质量上下求索。
参考文献
[1]赵善敏.提高铝合金熔铸质量的技术措施[J/OL].世界有色金属，2018（18）：152-153[2018-11-26].
[2]苟昕，牛旭东，贾娟娟，刘民章.利用炉料遗传性原理控制铝合金圆铸锭熔铸质量的探讨[J].有色冶金节能，2018，34（03）：24-27.
[3]敖晓辉. 废杂铝熔炼再生过程工艺能效与质量预报研究[D].北京交通大学，2018.
[4]Liu Y， Ding C， Yan-Xiang L I. Grain refining mechanism of Al-3B master alloy on hypoeutectic Al-Si alloys[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2011， 21（7）：1435-1440.
[5]张娜，于兴军.Al- 3Ti- 3B- 1Y 合金对Al- 9Si合金组织和性能的影响[J]. 特种铸造及有色合金，2018，38（10）：1137-1139.
[6]陈迎军， 谢飞， 戴连心，等. Al-Ti-B合金对Al-4Ti变质剂组织与细化行为的影响[J]. 热加工工艺， 2016（9）：59-62.
[7] Samsonov G V， Neronov V A， Lamikhov L K. The conditions， structure and some properties of phases in the Al-B system ☆[J]. Journal of The Less-Common Metals， 1979， 67（2）：291-296.
作者簡介
腾志贵（1977.04-），男，黑龙江省青冈人，研究方向为铝合金熔铸，东北轻合金有限责任公司高级工程师。