淺談提高鋁熔體質量的措施

2014-02-26 08:39:32麥顧嚴

大眾科技 2014年5期

麥顧嚴

（廣西有色金屬集團匯元錳業有限公司，廣西來賓 546138）

鋁及其合金在熔煉、澆鑄過程中易氧化、吸收氣體，降低鋁材的強度、塑性、疲勞抗力、耐蝕性能等，惡化加工性能，影響產品的質量，降低成品率。鋁熔體中的夾雜物，少量是耐火材料和工藝過程帶入，主要是因鋁的化學性質非常活潑，能和許多化學元素（如O2、N2、S、C等）發生化學反應生成的。鋁熔體中的氣體大部分是氫，約占總含氣量的80%～90%，對熔體的污染危害最大的是氧化夾雜（Al2O3），氫和氧化夾雜主要來源于鋁液與水汽的反應[1]。

1 鋁熔體中氣體和夾雜物的主要來源

1.1 爐料

爐料露天貯存、潮濕，鋁錠淋雨受潮后，表面的γ—Al2O3膜中常含有1%～2%的水，含水量隨溫度升高減少，但升到900℃仍吸附有0.34%的水，當超過900℃γ—Al2O3轉變為α—Al2O3，才完全脫水。爐料存放過久，或表面粘有油污，在熔化過程中起化學反應產生氫和氧化鋁。在潮濕環境下貯存的Mg錠，氧化嚴重，增加熔體的氫及夾雜含量。

1.2 燃料

采用火焰爐熔煉或靜置保溫，燃料中的水份以及燃燒時產生的水汽易進入熔體。

1.3 大氣

熔煉過程中，大氣中的水汽會與熔體反應，若空氣濕度大，尤其是在夏季或梅雨季節，鋁熔體中的氣體和夾雜含量也增加。

1.4 耐火材料

砌筑爐體、流槽、在線除氣除雜裝置的耐火材料，或修補后，烘爐不徹底時，鋁熔體與水汽反應，高溫下分解出氫原子及氧化夾雜進入熔體中。

1.5 合金元素添加劑或精煉劑

精煉氣體的純度及水份含量直接影響鋁熔體除氣效果。保管不當潮濕，精煉用氣體水份超標，使用前未能徹底除去水份或烘干的，熔體中的氫和夾雜含量顯著增加。當N2的純度低于 99.99%，難以確保箔坯用熔體的含氣量達標，當 N2中水份超過 0.02%時，精煉效果顯著下降，水份超過 0.05%時幾乎沒有除氣效果，夾雜含量也隨著水份的增加而增加。

1.6 熔鑄工具

在熔煉及倒爐過程中，熔鑄工具使用前未能充分預熱烘干，或者干燥不徹底，增加熔體的吸氣量和氧化夾雜量。

1.7 倒爐及澆鑄

落差過大，鋁液翻滾，表面的氧化膜破裂，造成二次吸氣與造渣，氣體及氧化膜被卷入熔體中。

1.8 流槽

無加熱，保溫效果差，爐內鋁熔體溫度相對較高，會增加鋁熔體的燒損及氣體和夾雜含量。

1.9 爐型不同，鋁熔體中的氣體及夾雜含量不同[2]

（1）使用煤氣熔煉鋁合金時的含氫量為2.5ml·(100gAl)-1，當有溶劑保護時為 1.05ml·(100gAl)-1；用低頻感應電爐時為0.8～1.0ml·(100gAl)-1；用電阻爐時為1.05ml·(100gAl)-1。（2）熔煉爐的熔池形狀、加熱方式不同，氧化燒損率不同，熔體夾雜含量不同。低頻感應爐燒損率為0.4%～0.6%；電阻反射爐燒損率為 1.0%～1.5%；火焰爐燒損率為 1.5%～3.0%。

1.10 熔煉的時間

越長，溫度越高，熔體中氣體及夾雜含量越大。

2 減少氣體和夾雜，提高鋁熔體質量的措施

2.1 加強原輔材料的管理

把好原輔材料入庫質量關，制定規范合理的原輔材料出入庫管理制度，依據國家或行業有關技術標準進行檢驗，化學成分、顯微組織、斷口組織、外觀質量等合格了才能入庫，杜絕不合格品入庫。嚴禁原輔材料露天存放，做好防雨防潮措施。

2.2 制定合理烘爐制度，烘干耐火材料中的水份

新建和大修后的熔煉爐、保溫爐、流槽等設備設施，應嚴格執行烘爐工藝規程的升溫曲線，保溫溫度，保證各個溫度區域的保溫時間，冬季烘爐時間應延長10%～20%，最大限度地烘干水汽。在倒爐、澆注或鑄軋前，嚴格執行烘干規程，盡量烘干流槽、在線凈化裝置等。用電加熱流槽或加蓋保溫，防止熔體二次吸氣。

2.3 制定合理的工具烘烤規程

在操作或鑄軋前應烘干鑄軋輥、嘴子料和熔煉操作用工具等。

2.4 制定合理的裝爐規程

爐料裝爐的順序和方法，影響到熔煉時間、金屬燒損及能耗，直接影響到鋁熔體的質量和爐子的使用壽命。小塊或薄片廢料墊底，鋁錠和大塊料裝在中間，熔點低的易氧化的中間合金裝在中下層，高熔點的中間合金裝在最上層。所裝爐料應在熔池中均勻分布，防止某種規格的爐料局部集中。應盡量一次將爐料裝入爐中，二次或多次裝爐會增加非金屬夾雜及含氣量。

質量要求高的產品，裝爐前應向熔池內撒一定量的粉狀熔劑，在裝爐過程中分層布撒粉狀熔劑，減少氧化燒損。應將碎料、邊角廢料打成塊或捆后再裝爐。

2.5 采用先進的裝備技術

加快裝爐速度，縮短熔煉時間，縮短倒爐時間，可減少熔體吸氣和氧化燒損，有效提高鋁熔體的純凈度。

（1）選擇合適的爐型

使用大型自動化控制的熔煉爐，比如使用大型頂開圓形爐和液壓傾動式靜置保溫爐，容量多達30～50噸，甚至 100噸以上，裝爐機械化，大大縮短裝料及熔化時間，降低能耗和燒損[3]。

（2）選用爐底透氣磚技術

可提高18～24%熔化速度，降低40%～60%熔體中含氫量，熔體溫度均勻，金屬燒損下降50%，夾雜量降低30%～60%，綜合能耗降低1%～5%。

（3）選用電磁攪拌或永磁攪拌技術[4]

可提高鋁合金熔體合金均勻化，縮短熔煉時間，成分均勻，節約能源，減少氧化夾雜，提高熔體質量，大大降低生產成本。熔化時間比氣體攪拌縮短 40%，熔池表面的熔體溫度與底部的溫差不到10℃，生產率提高10%～25%，能耗減少10%～15%，爐渣量減少15%～25%。

（4）選用電磁泵[5]使鋁熔體環流

優點是：熔體溫差小；固態料熔化速度大為提高，廢鋁箔及切屑的熔化實收率高；熔體成分均勻；降低能耗；延長爐齡；提高精煉效果，除鈉除鈣效果顯著；爐渣量低；合金元素調控簡單方便；節能減排效果顯著。

（5）采用先進機械化裝備

采用多功能裝料扒渣車，保溫爐采用液壓傾動裝置，可精確控制流槽液面落差（精度達±2mm），鋁液面平穩。

（6）采用PLC電氣控制系統

可實現燃燒、流量、溫度、爐內壓力、氣氛等參數的自動檢測及過程控制，熔煉爐的安全性和可靠性高，節能效果顯著。

（7）采用新型耐火材料和筑爐工藝

采用不定型抗滲透不粘鋁澆注材料整體澆筑，可減少耐火材料對鋁熔體的污染。

（8）采用節能高效燒嘴，余熱利用

采用中、高速燒嘴，加快爐內燃氣和爐料的對流傳熱，尾氣余熱利用，可提高熔煉爐熱效率達 50%以上。使用快速切換蓄熱式燃燒技術，熔煉爐的熱效率提高到65%以上。

2.6 注重熔煉操作細節

制定合適的爐內和爐外凈化規程；根據合金的化學成份和性質不同選用精煉用熔劑、氣體和覆蓋劑，向熔融狀態的爐料或熔體表面布撒覆蓋劑；使用氣體或噴粉精煉時，應控制好氣體壓力，避免造成鋁液翻滾太大，二次吸氣或造渣；扒渣應干凈徹底，并熔體表面撒覆蓋劑，防止再吸氣；控制熔煉溫度，適當加大攪拌頻率，盡可能減小熔體溫度差，防止熔體局部過熱，操作時做到起波不起浪，盡量不破壞液面的氧化膜；盡可能使用浸沒法熔煉。

2.7 制定合理的清爐制度

爐內積渣影響氣體及夾雜含量。每班次應進行一次清爐，將爐底、爐墻和爐頂的積渣清除干凈。

3 常用鋁熔體凈化技術

一般鋁熔體中含有0.4～0.8ml·(100gAl)-1的氫和一定量大小一般為1～30μm的夾雜，降低了熔體純凈度，降低鋁材的機械性能及抗應力腐蝕性能。采用凈化裝置去除鋁熔體中的氣體和夾雜，提高鋁熔體的純度，改善鋁材的性能。凈化鋁熔體的方法常有爐內凈化處理和爐外在線凈化處理。

3.1 爐內凈化處理

常用的爐內凈化處理有：惰性氣體（Ar、N2）、活性氣體（Cl2）及混合氣體精煉；氯鹽凈化，常用的氯鹽有氯化鋅、氯化錳、六氯乙烷、四氯化碳、四氯化鈦等；熔劑精煉和噴粉精煉，噴粉精煉，除氣除雜效果比單純的氣體精煉和熔劑精煉好得多；爐底透氣。在爐底均勻安裝多個可更換的透氣塞，由計算機控制精煉氣流和精煉時間，凈化效果良好。

3.2 在線凈化處理

爐內凈化處理效果有限，爐外在線凈化處理在縮短鋁液在爐內停留時間時，去除氧化夾雜，降低氫含量，有效提高熔體純凈度，確保鑄坯或鑄軋帶的質量。在線凈化處理技術包括過濾技術和除氣技術。

（1）陶瓷泡沫過濾技術[6]（如圖1、圖2示）

過濾板的尺寸一般為厚度50mm，長寬為200～600mm，孔隙度高達80%～90%，過濾等級(孔尺寸)從20目到80目，常用的有30目、50目。陶瓷泡沫過濾技術特點：成本低、合金品種易更換、易于安裝、占地面積小，操作簡便，不需要很高的過濾壓頭，初期為100～150mm,過濾后只需2～10mm；陶瓷泡沫過濾板布置有單層和雙層布置，雙層的為前粗后細搭配，過濾效果良好，可去除20～30μm的夾雜顆粒75%～90%；可用于鑄造通用產品軋制錠坯或擠壓用圓錠。

圖1 陶瓷板內部過濾原理圖

圖2 陶瓷板表面過濾原理圖

（2）床式過濾技術（如圖3示）

過濾層為多孔介質，由大小均勻的氧化鋁球（φ1/2″或φ3/4″）和氧化砂礫層（約3～6目）組成，底部有支撐網支撐，可有效去除20μm以上大小夾雜顆粒在90%以上。優點：可根據產品質量要求不同，調整氧化鋁球的大小，去除不同粗細的夾雜，過濾面積大，過濾效果好；可濾除大于5μm的夾雜達 90%以上。缺點：體積龐大，安裝過濾介質復雜；過濾介質不固定，有流失。主要用于過濾生產鋁箔、PS版、罐料、航空材料等的鋁熔體。

圖3 床式過濾裝置示意圖

圖4 微孔管過濾裝置示意圖

（3）微孔管過濾技術（如圖4示）

過濾器中裝有外徑100mm，內徑60mm，長度500～900mm的陶瓷過濾管數根，20目陶瓷管能過濾5μm以上的夾雜顆粒，16目的可過濾除8～10μm的夾雜顆粒。當夾雜顆粒尺寸≥20μm時，可過濾99%以上的夾雜，夾雜顆粒尺寸在5～20μm時，過濾效果可以達到95%以上，夾雜顆粒尺寸≤5μm時，過濾效果可達80%～95%。優點：過濾面積大，單位流速慢，過濾效果高；套管為整體式，裝卸操作方便；細微的過濾孔徑，可去除小于5μm的夾雜物，有利于生產高端產品。缺點：不利于頻繁更換合金，適用于生產產品單一；預熱的加熱時間長，一般需要1～2天；脆性大，運輸過程中易出現裂紋；對鋁液溫度、含渣含氣量、細化劑用量等的要求高，過濾管易于堵塞。主要用于過濾生產飛機、汽車、磁盤、鋁箔、易拉罐等高精度產品的鋁熔體。

3.3 在線除氣技術

通常鋁熔體中含有0.4～0.8ml·(100gAl)-1的氫，鋁熔體除氣處理后的氫含量一般都在0.1～0.2ml·(100gAl)-1，而飛機零件氫含量有時要求不超過 0.1ml·(100gAl)-1。高質量的鋁箔電子工業用熔體的氫含量要求小于 0.06ml·(100gAl)-1，國際先進水平為 0.05～0.08ml·(100gAl)-1，目前國內鋁熔體除氣的先進水平能達到0.10ml·(100gAl)-1左右。常用的先進鋁熔體凈化裝置有，除氣與過濾結合的MIN T法凈化裝置，旋轉噴嘴惰性氣體浮游法的 SNIF法、Alpur法等裝置。采用的精煉氣體是 N2或Ar，可有效除去鋁熔體中的氫，若在精煉氣體里加入少量的Cl2、CCl4或 SF6等活性氣體，還可除去熔體中的堿金屬和堿土金屬[7]。

圖5 SNIF法凈化裝置圖6 SNIF 旋轉噴嘴1.入口；2.出口；3.旋轉噴嘴；4.石墨管；5.發熱體

圖7 MINT法凈化裝置示意圖1.入口；2.反應室；3.噴嘴；4.過濾室；5.泡沬陶瓷過濾器；6.出口

圖8 Alpur法凈化裝置示意圖a－Alpur裝置；b—旋轉噴嘴1.凈化氣體入口；2.噴嘴氣孔；3.熔體吸入孔；4.氣—液混合處；5.葉輪

（1）SNIF法凈化裝置（如圖5示）及旋轉噴嘴（如圖6示）該裝置能在鋁熔體中產生微細均勻分布的惰性氣泡和攪拌作用，若添加少量的氯氣和熔劑，凈化效果更好，鋁液含氫量可降到 0. 04 ～0. 07ml·(100gAl)-1，Na 、Li 含量均在2 ×10-4%以下，能除去1～10μm大小的非金屬夾雜物，可滿足罐材生產的要求。

（2）MINT法凈化裝置（如圖7示）

該裝置包括氣體凈化和過濾兩部分，鋁液從切線方向進入圓筒形反應室，反應室的底部有幾個氣體噴嘴，噴出細小的氣泡。鋁液流到過濾室，再經泡沫陶瓷板過濾，除去非金屬夾雜。凈化氣體采用Ar或Ar+3%Cl2。MINT法裝置結構簡單，體積小、凈化效果好，除氫量率達50 %以上，氧化夾雜去除率達90%以上，鈉含量減少71%，鉀含量減少79%，鈣含量減少34%。

圖9 FILD法凈化裝置示意圖1.耐火隔板；2.熔劑層；3.氣體擴散器；4.包覆熔劑的氧化鋁球；5.氧化鋁球；6.第一室；7.第二室

圖10 Alcoa469法凈化裝置示意圖1.隔板；2.氧化鋁薄片；3.氧化鋁球；4.氣體擴散器；5.第一凈化室；6.第二凈化室

（3）Alpur凈化裝置（如圖8示）

特點是在旋轉攪動熔體的同時，將熔體吸入噴嘴內，與水平噴出的凈化氣體混合形成細小的氣泡，增大氣泡與熔體的接觸面積和時間，凈化效果好。凈化氣體多用Ar或Ar+2%～3%Cl2混合氣體，可除去鋁熔體中氣體達 50%～60%，除鈉及除渣效果好。

3.4 采用固定噴嘴的在線除氣裝置有 Air-Liquide法、FILD法、Alcoa469法等

（1）FILD法凈化裝置（如圖9示）

該裝置由耐火隔板分成兩個室，鋁熔體首先經液態熔劑層進入第一室，經氣體擴散器吹出的氮氣泡凈化后，再經底部被熔劑包覆的氧化鋁球過濾層除去大部分夾雜后再流入第二室，再次被氧化鋁球過濾凈化，除去熔體的殘余夾雜。鋁熔體的含氫量可降到0.1ml·(100gAl)-1，夾雜顯著減少。可用于生產航空鋁材和飲料罐帶材等優質材料。

（2）熔體ALCOA469法凈化裝置（如圖10示）

該裝置有兩個凈化處理室，每一室的底部有凈化氣體擴散器。凈化氣體為1%～10%Cl2和惰性氣體混合物，第一室的過濾介質全為φ13～φ19mm的氧化鋁球，厚152～381mm，第二室的過濾介質分兩層，底層為φ13～φ19mm的氧化鋁球，厚 51～254mm，上層是φ3.37～φ6.35mm的氧化鋁片，厚152～254mm。鋁熔體連續經兩次凈化后，熔體含氣量為0.08～0.15ml·(100gAl)，含Na量小于0.0001%，夾雜物含量很低。