工程設計
課程名稱： 工程設計
設計題目： 鋁板帶工程設計
學院： 材料科學與工程學院
專業： 材料科學與工程（卓越班）
年級： 2012級
學生姓名： 張祥 （學號201211601202 ）
指導教師： 高鵬、王華昆、王效琪
日期： 2015.9.14 至 2015.11.6
1.1 連續鑄軋簡介
隨著國民經濟的不斷發展，航空、交通、建築業等對鋁板帶材的需求也日益增加，這就急需加大鋁板帶業的發展。目前，板帶軋制的坯料主要來自熱軋和鑄軋[1]。熱軋產品深加工效能好，可軋制各系列鋁合金，其最先進的方式是熱連軋，但其投資巨大。
相比熱軋，連續鑄軋投資大幅減少，流程短、能耗低，厚度和板形能較好控制，且見效快；但也有一定的缺點，就是軋制速度太慢，生產率低，不能鑄軋硬質合金等。
鑄軋就是在很短的時間內在一定鑄軋區內完成澆鑄、凝固、軋制變形和出坯等一系列複雜過程。軋制的速度取決於軋制厚度，合金種類以及熔煉工藝等。
1.2 鑄軋主要工藝簡介
鑄軋的工藝流程通常為：熔煉→靜置保溫→晶粒細化→**精煉→過濾→鑄軋→捲取，針對特殊的情況可適當的調整。鑄軋產品質量的好壞很大程度上取決於鑄軋之前各工序所用方法和操作過程，以下就簡單介紹各工序的技術特點。
熔煉是鋁及鋁合金加工工藝中首要的組成部分，其主要目的是：配製合金，通過適當的工藝措施（如精煉和過濾）提高金屬的純潔度，在很大程度上影響鑄軋產品的質量。鋁合金在熔煉過程中吸氣能力很強，容易產生氣孔，這就給熔煉過程帶來了很大的困難。
產品中的夾雜物除少部分是由生產裝置和工藝過程帶入外，主要是鋁的化學性質非常的活潑，在熔融狀態下與氧、氮等元素化合而生成氧化物、氮化物、碳化物和硫化物等非金屬夾雜物及氧化膜。因此，必須採取相應的淨化措施予以防止和清除。
由此可見，在熔煉過程中爐內精煉處理極其重要。根據淨化機理爐內處理可以分為吸附淨化和非吸附淨化兩大類，現今較為常用的主要是吸附淨化。其中，吸附淨化主要依靠精煉劑產生的吸附作用達到去除氧化夾雜和氣體的目的，主要包括浮游法、熔劑法及氣體－熔劑混合吹洗法[2]。
1、浮游法
主要有惰性氣體吹洗、活性氣體吹洗、混合吹洗法、氯鹽淨化和無毒精煉劑。
惰性氣體吹洗通常使用氮氣或氬氣，根據吸附除渣原理，氮氣被吹人鋁液後，會形成許多細小的氣泡。氣泡從熔體中通過的過程中，與熔體中的氧化物夾雜相遇，夾雜被吸附在氣泡的表面並隨氣泡上浮到熔體表面。已被帶至液面的氧化物不能自動脫離氣相而重新溶人鋁液中，停留於鋁液表面可以通過扒渣除去。
由於吸附是發生在氣泡與熔體接觸的介面上，只能接觸有限的熔體，除渣效果受到限制。為了提高淨化效果，要求吹入的氣體，產生的氣泡量愈多、氣泡半徑愈小、分布愈均勻、吹人的時間越長越好。
活性氣體吹洗採用的是活性氣體氯氣，雖然氯氣本身不溶於鋁中，但氯和鋁及溶於鋁液中的氫都能迅速發生化學反應：cl2+h2→2hcl↑，3c12+2a1→2a1c13↑，反應生成物hc1和a1c13都是氣態，不溶於鋁液，它和未參與反應的氯一起都能起到精煉作用，因此精煉效果比吹氮氣要好得多，同時除鈉效果也顯著，但對人體有害，汙染環境，易腐蝕裝置及加熱元件，且易使合金鑄錠結晶組織粗大。
混合吹洗法是結合前兩種的優缺點後，採用n2、c12混合精煉，即減小了環境汙染，而且精煉效果與氯氣相當，若n2 : c12按9:1或8:2精練效果較好。
氯鹽淨化，氯鹽在高溫下可以和鋁發生反應，生成揮發性的氯化鋁而起到淨化作用，3mec1→a1c13↑+3me 。
無毒精煉劑，主要是由硝酸鹽等氧化劑和碳組成，其特點是不產生有刺激性氣味的氣體，在高溫下發生如下反應：4nano3+5c→2na2o+2n2+5co2↑
2、熔劑法
熔劑分為精煉劑和覆蓋劑兩大類。用於除氣除渣的熔劑統稱為精煉劑，用於防止熔體氧化燒損及吸氣的統稱為覆蓋劑。不同鋁合金熔煉選擇不同的熔劑。
鋁合金熔煉用熔劑一般由鹼金屬及鹼土金屬的氯化物及氟化物組成。熔劑以氯化物為基礎，加入起精煉作用的氟化物，如naf、caf2、na3alf6等吸附、溶解al2o3，同時適當提高混合熔鹽的熔點，以增大淨化效果。鋁合金淨化所用的熔劑，主要是鹼金屬的氯鹽和氟鹽的混合物。
熔劑的精煉作用主要是靠其吸附和溶解氧化夾雜的能力。
3、氣體－熔劑混合吹洗法
惰性氣體中，常含有一定量的氧和水分。在吹洗鋁液時，氣泡表面會形成很薄但很緻密的氧化膜，往往會覆蓋全氣泡表面，阻礙從熔體中析出的氫進入氣泡，但在淨化氣體中加入少量細粉狀熔劑，情形就大為不同。夾帶熔劑的氣泡進入熔體後，粉狀熔劑溶化，以液體熔劑膜形式包圍著氣泡表面，熔劑膜將氣泡表面的氧化膜溶解、吸附使其瓦解。
可加快氫從熔體中向氣泡中的擴散速度。同時也防止了熔體與淨化氣體中的水分直接接觸，另外，由於熔劑膜提高了氣泡表面的活性，加強了吸附除渣的能力，除渣效果也好。
4、非吸附淨化
非吸附淨化－真空處理[3] ，根據氫氣溶解度與其分壓的平方根的關係，在真空下，鋁液吸氣的趨向趨於零，而且溶解在鋁液中的氫有強烈的析出趨向，生成的氣泡在上浮的過程中能將非金屬夾雜帶出鋁液，使鋁液得到淨化。由於鋁液表面有緻密的γ- al2o3膜的存在，往往使真空除氣達不到預想的結果，因此在真空除氣之前，必須清除氧化膜的阻礙作用，真空淨化才能達到理想的效果。真空處理有三種方法：
靜態真空處理、靜態真空處理加電磁攪拌、動態真空處理。
將鋁熔體匯入靜置爐是鑄軋工藝流程中很重要的一步，目的是為了進一步精煉打渣除氣，並且使熔體保持一定的溫度範圍，便於隨後的處理。其精煉的原理有以下幾種。
首先是所謂的澄清除渣，就是熔體在靜置爐裡靜置一段時間，使氧化夾渣和熔劑上浮或下沉，從而使其從熔體中分離的目的，小顆粒的夾渣很難用該方法除去。靜置時間的長短主要取決於金屬的粘度、夾雜的尺寸及其相對比重差等。一般鋁及其合金熔體的靜置時間是20min～45min。
若夾渣呈球狀，則沉浮速度或時間用斯托克斯公式表示如下：
1-1）
1-2）
—時間；—金屬液的粘度；r—夾渣的半徑；、—分別表示金屬液和夾渣的比重；g—重力加速度；v—夾渣上浮或下沉的速度。
這個公式僅適用於半徑小於0.1mm的夾渣。夾渣的沉浮取決於v值的正負。
>則v為正，夾渣上浮。《則v為負，夾渣下沉。當夾渣為非球形或r≥0.
1mm。其沉浮速度就較大，要用下式來計算:
1-3）
k——夾渣形狀係數。另外，若熔體及夾渣不是在重力場下，而是在其他力場如電磁旋轉力場的作用下，則用下式:
1-4）
x——夾渣到旋轉中心的距離；ω——旋轉角速度。
由上式可知，氧化物和熔劑在金屬中上浮或下沉的時間，是隨金屬液的粘度增大而增長；金屬液中夾渣數量越多，金屬液的溫度越低，金屬液的粘度就越大，夾渣上浮或下沉的時間也越長。同時夾渣與金屬液的比重相差小，則上浮或下沉時間就長。夾渣尺寸越小，沉浮所需時間將成倍增長。
隨著al2o3顆粒的加大，其下沉速度也加快；一般在7～12分鐘內（除微質懸浮體外），大部分非金屬夾雜物皆可沉到爐底。
al2o3在鋁熔體中的沉降速度：當熔態鋁的比重為2.29克/厘公尺3，al2o3的比重為3.
9克/厘公尺3，粘度為0.015泊時，al2o3在不同顆粒直徑情況下的下沉速度（厘公尺/分）如下[14]：
20（微公尺1.4
40（微公尺5.6
60（微公尺12.60
80（微公尺22.40
100（微公尺33.50
除了雜質的澄清外，還必須使用氣體精煉法，其具體原理與熔煉時相同。
**精煉也叫爐外精煉，因爐內處理夾渣效果不佳，而熔體又有二次汙染的可能，為提高淨化效果和保證熔體質量的穩定可靠，爐外連續淨化得到迅速發展。這種處理技術淨化效果好、公害小，是今後熔體處理的方向。
現在較常用的**精煉方法有snif法、alpur法、mint法、雙級除氣和過濾系統（ddf）。
snif法是旋轉噴嘴惰性氣體浮游法的簡稱。用snif裝置處理鋁熔體，是20世紀70年代發展起來的新技術，在國際上獲得了廣泛的應用。東北輕合金加工廠從美國聯合碳化合物公司引進的snif（tx）型淨化裝置，已在國際工業條件下進行了試驗和應用。
該裝置有兩個石墨制的噴嘴，有兩個淨化室，可容納液體金屬1.5t以上。
卓越班感悟
轉眼，進入卓越教師實驗班已有三年的時間了。不，確切的說應該不到三年，原因是2013年上學期由於我的成績沒有達到標準而被退出了。剛進入大學的時候，對很多東西都很好奇，都想嘗試 學生會 校社聯 社團逐漸多了我的身影，孰不知人的精力是有限的，慢慢地我把學習忽略了，從而導致了我被退班的結果。這件事對我有很大...
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尊敬的領導 老師 同學們 大家好，今天很榮幸能代表2014級卓越班全體同學在這裡發言。首先請允許我代表我們專業學生向貴公司對本專業卓越工程師培養計畫工作的大力支援表示衷心的感謝。近年來，卓越班在其關鍵的辦學指標方向上取得了重大的突破，培養了一批創新能力強 適應經濟社會發展的精英型工程技術人才，真正的...
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成都理工大學資源勘查工程卓越工程師班報名申請書 尊敬的老師 您好。我是資勘 3班學生 學號20120105 獲知本校將在資源勘查工程專業組建卓越工程師班的訊息後我感到十分興奮與激動。我自幼就對自然科學十分感興趣，進入大學後經過將近一年的學習，我對地質科學更加熱愛，我喜歡這個專業的課程，更喜歡這個專業...