CN108411167A - 一种利用再生废杂铝材料熔铸高品质轿车发动机用铸锭的工艺 - Google Patents

一种利用再生废杂铝材料熔铸高品质轿车发动机用铸锭的工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用再生废杂铝材料熔铸高品质轿车发动机用铸锭的工艺，包含以下步骤：(1)材料配比(2)材料熔化(3)搅拌做灰渣(4)转至保温炉(5)合金化(6)熔体过热(7)成分分析/调整(8)精炼(9)熔体改良(10)除气(11)静置(12)含渣/含氢量检查(13)铸造成型(14)冷却(15)叠包(16)检验、包装。本发明能消除由于废杂铝材料遗传性带来的铸造铝合金锭组织结构恶化和化学成分偏析、铝锭缩孔等问题，进一步细化铸造铝合金锭晶粒组织，拓宽表面细等轴晶范围，提高铸造铝合金锭力学性能，降低熔体中的夹杂物，拓宽再生废杂铝的使用范围。

Description

一种利用再生废杂铝材料熔铸高品质轿车发动机用铸锭的 工艺
技术领域
本发明属于废铝再生利用领域，具体涉及一种利用再生废杂铝材料熔铸高品质轿车发动机用铸锭的工艺。
背景技术
国内行业均利用再生废杂铝材料熔铸轿车发动机用铸造铝合金锭。回收废料来源复杂、成分不一、杂质较多、组织结构各异，再生废杂材料的遗传性尤为明显，同时，采用单管净化熔体工艺和常用的喷淋式冷却工艺，导致铸造铝合金锭组织结构和化学成分严重偏析、表面缩孔严重、组织晶粒粗大、力学性能较低且不稳定，铝锭含夹杂物和气体较高，纯净度低，无法达到轿车发动机用铸造铝合金锭材料使用要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是消除由于废杂铝材料遗传性带来的铸造铝合金锭组织结构恶化和化学成分偏析、铝锭缩孔等问题，进一步细化晶粒组织、提高力学性能；同时，采用弥散非链式精炼工艺、弥散立体式除气工艺，有效去除熔体中夹杂物和气体；采用快速激冷结晶工艺，进一步细化铝合金锭结晶组织，提高力学性能，遏制熔体中气体的聚集、扩散和逸出，降低铝合金锭的含气量。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种利用再生废杂铝材料熔铸高品质轿车发动机用铸锭的工艺，包含以下步骤：
(1)材料配比：按照高品质轿车发动机的各成分比例来控制各费杂铝材料的用量比；
(2)材料熔化；
(3)搅拌做灰渣；
(4)转至保温炉；
(5)合金化：将金属硅与铝液熔化，直至硅熔化完全；
(6)熔体过热：金属硅熔解后，将结晶组织结构较差的再生废料投入炉内，将铝熔体过热到临界温度；
(7)成分分析/调整：取样对熔体成分进行分析，若不符合规定值则添加相应的元素，直至各元素成分比例合格；
(8)精炼：采用“弥散非链式精炼”工艺，使用四管精炼，按1.0Kg/min喷入量喷入精炼剂，按1.5Kg精剂/T熔体添加精剂，氩气压力控制在0.25-0.35MPa；
(9)熔体改良：将一定量的结晶组织结构优质的再生铝废料投入熔解，并严格控制铝熔体温度；
(10)除气：采用“弥散立体式除气”工艺，使用立体式多管除气，每个管布置φ5mm除气孔，氩气压力控制在0.20-0.25MPa；
(11)静置；
(12)含渣/含氢量检查：抽样检查含渣/含氢量，使其符合技术要求；
(13)铸造成型；
(14)冷却：采用“快速激冷结晶”工艺，将纳有高温铝合金锭的铸锭模具全部浸入低温、恒温的冷却水中，对高温铝合金锭进行立体整体冷却，严格控制好模具表面温度、进水温度、进水压力和进水量；
(15)叠包；
(16)检验、包装。
8、优选的，所述步骤(1)中所参照的高品质轿车发动机各成分百分比如下：Cu-2.1％、Mg-0.33％、Mn-0.40％、Fe-0.95％、Zn-1.7％、Ni-0.40％、Pb-0.07％、Sn-0.15％、Si-11.5％、Cd-0.007％、其它杂质总和-0.40％。
优选的，所述步骤(6)中临界温度为760-780℃。
优选的，所述步骤(7)中各元素的合格比例范围如下：Cu1.8-3.8％、Mg0.07-0.35％、Mn≤0.45％、Fe≤1.0％、Zn≤2.3％、Ni≤0.48％、Pb≤0.09％、Sn≤0.18％、Si11.1-11.8％、Cd≤0.009％、其它杂质总和≤0.45％。
优选的，所述步骤(9)中铝熔体温度控制在690-700℃范围。
优选的，所述步骤(12)中含渣量的技术要求为：3/20，含氢量的技术要求为：0.40cc/100gAl。
优选的，所述步骤(14)中模具表面温度50-60℃，进水温度20-24℃，进水压力0.12-0.15MPa，进水量26-30L/min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、够消除由于废杂铝材料遗传性带来的铸造铝合金锭组织结构恶化和化学成分偏析、铝锭缩孔等问题；
2、进一步细化铸造铝合金锭晶粒组织，拓宽表面细等轴晶范围；
3、提高铸造铝合金锭力学性能，相同成分的铝合金锭，抗拉强度能够提高18％左右，延伸率能够提高26％左右，布氏硬度能够提高20％左右；
4、同比降低熔体中的夹杂物(包括介在物系和酸化物系等)含量43％左右，含氢量由行业的0.25％cc/100gAl降低到0.12％cc/100gAl(在30秒内达到-0.09MPa真空压力，并保压5分钟)；
5、拓宽再生废杂铝的使用范围，尤其可以使用铁、锰、硅等高含量废杂铝和组织结构恶化、化学成分严重偏析的废杂料。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步地说明。
一种利用再生废杂铝材料熔铸高品质轿车发动机用铸锭的工艺，包含以下步骤：9、(1)材料配比：参照以下各成分百分比来控制各费杂铝材料的用量比：Cu-2.1％、Mg-0.33％、Mn-0.40％、Fe-0.95％、Zn-1.7％、Ni-0.40％、Pb-0.07％、Sn-0.15％、Si-11.5％、Cd-0.007％、其它杂质总和-0.40％。
(2)材料熔化。
(3)搅拌做灰渣。
(4)转至保温炉。
(5)合金化：将金属硅与铝液熔化，直至硅熔化完全。
(6)熔体过热：金属硅熔解后，将结晶组织结构较差的再生废料投入炉内，将铝熔体过热到临界温度760-780℃，经充分搅拌后，进入成分分析/调整工序。
(7)成分分析/调整：取样对熔体成分进行分析，若不符合规定值则添加相应的元素，直至各元素成分比例合格，各元素的合格比例范围如下：Cu1.8-3.8％、Mg0.07-0.35％、Mn≤0.45％、Fe≤1.0％、Zn≤2.3％、Ni≤0.48％、Pb≤0.09％、Sn≤0.18％、Si11.1-11.8％、Cd≤0.009％、其它杂质总和≤0.45％。
(8)精炼：
行业内熔体夹杂物去除主要采取“气体—熔剂混合净化法”。高纯惰性气体(如氮气或氩气)携带粉状精炼剂通过精炼单管在0.3-0.4MPa压力下，喷入高温熔体中熔化，熔剂通过溶解作用，以液体熔剂膜形式包围着夹杂物表面，夹杂物溶解于液态熔剂后，可随熔剂的上浮而脱离金属熔体，从而达到去除夹杂物的目的。携带粉状精炼剂高纯惰性气体喷入高温熔体中的工艺严重影响精炼效果，当惰性气体压力过大，或单管精炼时，进入熔体的熔剂量和气泡过大时，形成链式精炼工艺，将产生以下问题：(1)上升速度快，逸出熔体表面时会引起铝熔体飞溅，破坏熔体表面氧化膜，导致高温熔体被氧气二次氧化，增加熔体的氧化夹杂物；(2)飞溅的高温熔体与空气中氧气发生瞬间反应，增加氧化物产生；(3)单管喷出的精炼剂与溶池内高温熔体接触面小，导致其它熔体未得到有效净化，导致溶池内熔体净化效果不均匀，效果较差；(4)当熔剂流量过大时，喷出的精炼剂与高温熔体反应时间太短，直接上浮到熔体表面灰渣中，导致未反应的精炼剂再次残留被裹在氧化物内，反而增加熔体夹杂物。
采用“弥散非链式精炼”工艺，将单管精炼，改为四管精炼，惰性气体、熔剂与熔体形成弥散性接触，有效增加精炼剂与高温熔体的接触面；降低精炼剂瞬时喷入量，由行业内的2.5Kg/min精炼剂喷入量调整为1.0Kg/min精炼剂喷入量；降低精炼剂喷入总量，由行业内的3Kg精剂/T熔体，调整为1.5Kg精剂/T熔体；降低氩气压力，由0.3-0.4MPa压力，调整为0.25-0.35MPa，以上工艺调整，由“链式精炼”工艺改变为“弥散非链式精炼”工艺，增加精炼剂与熔体内的接触面积和停留反应时间。
(9)熔体改良：高温铝熔体经过“弥散非链式精炼”工艺处理后，将一定量的(预先计算投料成分)结晶组织结构优质的再生铝废料投入熔解，将铝熔体温度控制在690-700℃范围内，然后进行“弥散立体式除气”工艺处理。
(10)除气：
行业内熔体除气工艺主要采用“惰性气体吹洗法”。高纯惰性气体(如氮气或氩气)通过精炼单管在0.3-0.4MPa压力下，喷入高温熔体中，形成气泡，气泡上浮与熔体中通过，与熔体中夹杂物相遇，夹杂物吸附在气泡表面上，并随之上浮到熔体表面；同时，根据熔体中气体分压差原理，熔体中的氢气不断吸入惰性气体气泡中，并不断膨胀、上浮，直至浮出熔体液面，从而达到去除氢气的目的。惰性气体喷入高温熔体中的工艺严重影响除气效果，当惰性气体压力过大，或单管精炼时，进入熔体气泡过大时，形成链式精炼工艺，将产生以下问题：(1)上升速度快，逸出熔体表面时会引起铝熔体飞溅，破坏熔体表面氧化膜，导致高温熔体被氧气二次氧化，增加熔体的氢气；(2)飞溅的高温熔体与空气中氧气发生瞬间反应，增加氧化物和氢气的产生；(3)单管喷出的惰性气体与溶池内高温熔体接触面小，导致其它熔体未得到有效净化，导致溶池内熔体净化效果不均匀，除气效果较差。
采用“弥散立体式除气”工艺，将单管除气，改为立体式多管除气，每个管布置φ5mm除气孔，形成细小的、弥散性的气体，有效增加惰性气体与高温熔体的接触面；降低氩气压力，由0.3-0.4MPa压力，调整为0.20-0.25MPa，以上工艺调整，由“单管除气”工艺改变为“弥散立体式除气”工艺，增加惰性气体与熔体内的接触面积和停留反应时间。
(11)静置。
(12)含渣/含氢量检查：抽样检查含渣/含氢量，使其符合技术要求，含渣量的技术要求为：3/20(20个断面，含有夹渣的最多是3个断面)，含氢量的技术要求为：0.40cc/100gAl。
(13)铸造成型。
(14)冷却：
目前行业内对铸造的铝合金锭，采取自来水“喷淋式冷却”工艺，进行冷却、凝固。“喷淋式冷却”工艺的自来水从高温铝合金锭表面进行自上而下冷却，循环使用冷却水通常水温比较高，而且水温不稳定，冷却水量和水压均没有受到有效控制，导致铝锭结晶不均匀。
采用“快速激冷结晶”工艺，将纳有高温铝合金锭的铸锭模具全部浸入低温、恒温的冷却水中，对高温铝合金锭进行立体整体冷却，同时，根据模具表面温度自动控制和自动调整水温、水量和水压，对高温铝锭均恒冷却、凝固，形成均匀的、细腻的结晶组织，提高铝合金锭力学性能。其中模具表面温度50-60℃，进水温度20-24℃，进水压力0.12-0.15MPa，进水量26-30L/min。
(15)叠包。
(16)检验、包装。
当合金熔化接近液相线温度时，熔体呈现亚稳定胶状悬浮粒子状态，保存原料的组织结构特性，成为铸造铝合金锭组织遗传性的载体，而保留在铸造铝合金锭中，影响铸造铝合金锭的结晶组织和性能；当熔体过热到临界温度(如HD2-BS.1产品，760℃-780℃)之上，准固态的超结构胶团将从亚稳定状态不可逆地过渡到理想熔体。熔体变成真正熔化状态，组织“遗传"基因受到破坏，金属的结果条件也必然要随之改变，其铸锭的组织性能也发生变化。当过热到亚稳定的胶状粒子消失后，共晶体和一次枝状晶被细化，而且也改变了晶粒形状，还显著的减少了随后冷却过程中的重力偏析，在不加变质剂的条件下获得变质组织。
根据以上原理，将再生废杂铝材料熔体过热到临界温度之上，消除再生废杂铝材料组织结构“劣性”特性给铸造铝合金锭带来的铸造缺陷；再将再生铝废料熔体熔解到液相线温度附近，利用部分再生铝废料组织结构“良性”特性，以提高铸造铝合金锭的组织结构特性。在通常行业内工艺流程上，增加两道工艺操作流程：步骤(6)熔体过热和步骤(9)熔体改良。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种利用再生废杂铝材料熔铸高品质轿车发动机用铸锭的工艺，其特征在于，包含以下步骤：
(1)材料配比：按照高品质轿车发动机的各成分比例来控制各费杂铝材料的用量比；
(2)材料熔化；
(3)搅拌做灰渣；
(4)转至保温炉；
(5)合金化：将金属硅与铝液熔化，直至硅熔化完全；
(6)熔体过热：金属硅熔解后，将结晶组织结构较差的再生废料投入炉内，将铝熔体过热到临界温度；
(7)成分分析/调整：取样对熔体成分进行分析，若不符合规定值则添加相应的元素，直至各元素成分比例合格；
(8)精炼：采用“弥散非链式精炼”工艺，使用四管精炼，按1.0Kg/min喷入量喷入精炼剂，按1.5Kg精剂/T熔体添加精剂，氩气压力控制在0.25-0.35MPa；
(9)熔体改良：将一定量的结晶组织结构优质的再生铝废料投入熔解，并严格控制铝熔体温度；
(10)除气：采用“弥散立体式除气”工艺，使用立体式多管除气，每个管布置φ5mm除气孔，氩气压力控制在0.20-0.25MPa；
(11)静置；
(12)含渣/含氢量检查：抽样检查含渣/含氢量，使其符合技术要求；
(13)铸造成型；
(14)冷却：采用“快速激冷结晶”工艺，将纳有高温铝合金锭的铸锭模具全部浸入低温、恒温的冷却水中，对高温铝合金锭进行立体整体冷却，严格控制好模具表面温度、进水温度、进水压力和进水量；
(15)叠包；
(16)检验、包装。
2.根据权利要求1所述的一种利用再生废杂铝材料熔铸高品质轿车发动机用铸锭的工艺，其特征在于所述步骤(1)中所参照的高品质轿车发动机各成分百分比如下：Cu-2.1％、Mg-0.33％、Mn-0.40％、Fe-0.95％、Zn-1.7％、Ni-0.40％、Pb-0.07％、Sn-0.15％、Si-11.5％、Cd-0.007％、其它杂质总和-0.40％。
3.根据权利要求1所述的一种利用再生废杂铝材料熔铸高品质轿车发动机用铸锭的工艺，其特征在于所述步骤(6)中临界温度为760-780℃。
4.根据权利要求1所述的一种利用再生废杂铝材料熔铸高品质轿车发动机用铸锭的工艺，其特征在于所述步骤(7)中各元素的合格比例范围如下：Cu1.8-3.8％、Mg0.07-0.35％、Mn≤0.45％、Fe≤1.0％、Zn≤2.3％、Ni≤0.48％、Pb≤0.09％、Sn≤0.18％、Si11.1-11.8％、Cd≤0.009％、其它杂质总和≤0.45％。
5.根据权利要求1所述的一种利用再生废杂铝材料熔铸高品质轿车发动机用铸锭的工艺，其特征在于所述步骤(9)中铝熔体温度控制在690-700℃范围。
6.根据权利要求1所述的一种利用再生废杂铝材料熔铸高品质轿车发动机用铸锭的工艺，其特征在于所述步骤(12)中含渣量的技术要求为：3/20，含氢量的技术要求为：0.40cc/100gAl。
7.根据权利要求1所述的一种利用再生废杂铝材料熔铸高品质轿车发动机用铸锭的工艺，其特征在于所述步骤(14)中模具表面温度50-60℃，进水温度20-24℃，进水压力0.12-0.15MPa，进水量26-30L/min。
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