哈兹列特连铸连轧法如何生产细晶粒3003
哈兹列特连铸连轧法如何生产细晶粒
3003-2合金产品的探索
李建智
（洛阳龙鼎铝业有限公司 135********）
中国第一条哈兹列特连铸连轧生产铝合金板带线位于
河南省伊川县，年设计生产规模25万吨。他以电解铝液为
原料，经精炼后直接进入哈兹列特铸机铸出19mm厚的铸板，经三连轧轧制成3.5-7.5mm厚的铝板材，这条生产线最大的
优点是节能，铝液直接变成了符合一定要求的铝板带，省去
了铝锭重溶，大板锭二次加热等工序。这条独特的生产线能
生产出独特的产品，如生产的3003-2产品，具有独特的深冲
性能，特别适应做锅底料或容器箔等产品，具有非常广阔的
市场前景。但我们在实际生产过程中，由于工序控制的不同，生产出不同晶粒的产品，细晶粒产品的性能最优，现就哈兹
列特连铸连轧法如何生成细晶粒3003-2成品做一探索。
1、3003-2产品介绍；3003-2产品是3003产品的优化
和改进，目的是发挥它的深冲性能，使它的深冲性能达到最大。
1.1 3003-2和3003化学成分不同，见下表：
牌号 Si Fe Cu Mn Ti 3003 0.18 0.46 0.0974 1.135 0.0276 3003-2 0.06 0.380 0.07 0.51 0.0203
1.23003-2和3003性能对比，见下表；
牌号厚度mm 抗拉kpa屈服kpa延伸率%
3003 3.9 184 167 11
7.2 138 131 18.2
3003-2
备注：上表数据是F态时测量的数据
1.33003-2经后期加工产品的性能，见下表：
牌号厚度mm 抗拉kpa屈服kpa延伸率%
3003-2 3.48 106.4 测不着 38.4
备注：上表数据是巨科铝业做的圆片料测量的数据，
延伸率非常大。
2.、本公司在实际生产的产品经570℃*4h均匀化退火处理后再酸洗处理，显示不同的晶粒大小。下图是晶粒大小图片：
2.1 晶粒小的图片
2.2 晶粒比较大的图片：
2.3 不同产品的晶粒大小对比图片：
2.4 不同批次的力学性能不同，见下表：
批次厚度mm 抗拉kpa屈服kpa延伸率%
1 7.
2 138 131 18.2
2 7.2 161.9 151.1 16.2
3 7.1 142.1 130.9 22
3、影响产品晶粒大小的因素很多，如化学成分，铸机的铸造速度，前箱温度，铸板温度，轧机入口温度等，现对以上因素做一分析：
3.1 化学成分对产品晶粒大小的影响。
3.1.1不同的化学成分如下表：
牌号 Si Fe Cu Mn Ti 3003-2 0.18 0.46 0.0974 0.75 0.0276 3003-2s 0.06 0.380 0.07 0.51 0.0203 3.1.2 不同成分的产品经570℃*4h退火处理再酸洗显示的晶粒大小对比图：
3.1.3化学成分对晶粒大小原因分析：
不同元素对晶粒大小的影响是不同的，可以用元素的生长抑制因子（GRF）量化。
GRF=m*C0*(K-1)
式中的m是液相线斜率
C0是初始溶质浓度
K是固液平衡分配系数
对于给定的溶质浓度，m和K越大，成分过冷就越大，晶粒就越细。下表是铝合金典型元素的凝固范围内的GRF、
m和K值。表中显示的元素之间数据相差很大，Fe和Mg
的GRF值越高，因此含有这些元素较多的合金易细化。
元素 m/k K0 m(k-1)/k GRF
Si -6.7 0.13 5.76 44.3 Cr 2.3 1.88 2.04 1.09 Fe -1.7 0.02 1.67 83.5 Mg -5.5 0.35 3.6 10.3 Zn -1.2 0.2 0.96 4.8 Cu -2.6 0.14 2.2 15.7 Mn -1.4 0.95 0.07 0.07 Zr 4.5 2.5 6.75 2.7 Ti 3.5 7 210 30 如5系合金，大多数合金中含铁少，因此对晶粒细化影响
不大，但对于8系合金，铁含量超过了1%，因而对晶粒细
化有明显影响，另一方面，3系合金（含Mn）很难细化，这
是因为合金中所含Mn的GRF值较低，有时Mn甚至对细化
有负面影响。令人惊奇的是Ti对生长抑制的影响。Ti的GRF 值特别大，这也是使用AlTi块和AlTiB丝中含有多余的Ti 的原因。尽管加入量很少，但Ti对生长抑制的影响很大，只要有足够多的潜在晶核，就可以获得细小的晶粒组织，因此，在使用细化剂时，Ti的加入很关键。
铁能降低锰在铝中的溶解度，如加入0.03%的铁可是锰在500℃时的溶解度由0.36%降至0.15%，铁可溶于MnAl6中形成（FeMn）Al6化合物，它是难溶相，质硬而脆，是铝锰合金中室温的杂质相，也可生成FeAl3针状金属间化合物。生产实践证明，合金中加入一定含量的铁能使板材在退火中得到较细的晶粒。生产中铁含量一般控制在0.4-0.7%范围内，但应保证Mn+Fe的含量之和不大于1.8%，否则形成大量（FeMn）Al6化合物的粗大片状偏析聚集物，会显著地降低合金的力学性能和工艺性能，但（FeMn）Al6也可能是锰置换FeAl3中的铁而形成，（FeMn）Al6的硬度较FeAl3稍软，相对来说有利改善材料的加工性能。
硅元素对合金晶粒细化也有好处，但硅是有害杂质。硅与锰形成杂质三元相T(Al12Mn3Si2),该相也能溶解铁，形成四元相，若合金中的铁硅同时存在，则先形成骨骼状a(Al12Fe3Si2)相或针状B（Al9Fe2Si2）相，破坏了铁的有利影响，与B（Al9Fe2Si2）相相比a(Al12Fe3Si2)硬度小，对基体的割裂轻，有利于压力加工，故希望以a(Al12Fe3Si2)相形
态存在。
从以上分析看：为了保证3003-2产品的深冲性能和晶粒小的目的，3003-2的成分控制为Fe 、Mn 、Ti三种元素。
3.1.4 下图片是由于铁元素含量不同，一个含量是0.38%，另一个含量是0.54%，其他元素的含量基本一样，生产的板子经退火处理后显示的晶粒明显不一样，铁含量低，晶粒大，铁含量高，晶粒小。
3.2 晶粒细化剂对产品晶粒的影响
3.2.1 下图片显示不同的钛含量生产出的板子晶粒大小有差异：图片中的2的钛含量为0.011%，3的钛含量为0.02%，其他成分为硅为0.17%，铁为0.35%，锰为0.71%。
从图片看，钛含量低的2的图片，晶粒比较大。
3.2.2 铝钛硼是目前国内公认的最有效的细化剂之一。在实际生产条件下，受各种因素影响，TiB2质点易聚集成块，尤其在加入时由于熔体局部温度降低，导致加入点附近变得黏稠，流动性差，使TiB2质点更易聚集形成夹杂，影响细化效果，TiB2质点除本身易偏析聚集外，还易于氧化膜或熔体中的存在的盐类结合造成夹杂，影响熔体质量，因此在满足晶粒度要求的前提下，细化剂加入量不必很大，一般控制钛含量在0.01-0.06%范围内就可以了。
3.3 铸造速度及前箱温度对晶粒度的影响。
对于哈兹列特铸机来说，冷却水量及冷却水温也是一定的，及固定不变，如何提高铸板的冷却强度呢？只有降低前箱铝液温度和降低铸造速度。铸造速度不同，出口铸板的温度不同，铸板的温度在510-590℃之间。铸板温度低，生
产出的板子经高温退火处理后的晶粒度就小。为了兼顾产品性能和生产效率的关系，我们把出口板温控制在560±10℃，产品晶粒度比较好。
3.4 轧制温度对晶粒度的影响。
3.4.1 我们做了一个实验，把19mm铸机板，切成小方块，放在马弗炉加热不同的温度，然后人工砸成一定厚度的6mm 小薄片，冷却后统一在马弗炉加热多570℃*4h，酸洗处理后，显示不同的晶粒。
3.4.2 下图是不同温度处理的晶粒图片
图片中的信息说明，常温是3003铸机块，直接砸成小薄片，480、500、580表示加热到相应的温度再砸成小薄片。从图片上看，温度越低，晶粒越小，因此要控制轧制温度，温度不能过高。第一机架设计的初衷是大压下量，高温热轧，焊合铸板中部的疏松组织。
4、总结
为了生产出细晶粒的3003-2产品，主要控制合金成分，细化剂的加入量钛含量为0.015-0.030%，铸造速度和控制铸板的温度为560±10℃.通过对以上参数的认真控制，生产出的3003-2产品的晶粒度都在2级以内，能满足下游客户的需要。