深床過(guò)濾在連續(xù)鑄軋生產(chǎn)中的應(yīng)用

司圣杰，張磊，劉欣，劉波，劉慎

(1 河南神火鋁材有限公司，河南 焦作 454591)(2 鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450001)

目前市場(chǎng)上主要有三種過(guò)濾器：陶瓷泡沫過(guò)濾器、管式過(guò)濾器和深床過(guò)濾器。

陶瓷泡沫過(guò)濾和管式過(guò)濾器在連續(xù)鑄軋生產(chǎn)中已經(jīng)普遍使用，取得顯著效果，但是由于陶瓷過(guò)濾板的效果有限，目前無(wú)法滿足穩(wěn)定生產(chǎn)雙零箔坯料等高端產(chǎn)品的需要，因此連續(xù)鑄軋生產(chǎn)高端產(chǎn)品坯料主要采用陶瓷管過(guò)濾技術(shù)，但陶瓷過(guò)濾管在吊裝、預(yù)熱過(guò)程中很容易開裂，而且開裂不易被發(fā)現(xiàn)，開裂后造成的夾雜在鑄軋成品中很難發(fā)現(xiàn)，給后續(xù)深加工帶來(lái)很大隱患，容易造成批量廢品，且陶瓷過(guò)濾管技術(shù)運(yùn)行成本較高。

借鑒國(guó)內(nèi)外在熱軋鑄造大板錠中使用的深床過(guò)濾，為保證高端鑄軋產(chǎn)品質(zhì)量，在連續(xù)鑄軋中試用深床過(guò)濾器。深床過(guò)濾器過(guò)濾介質(zhì)為特殊工藝燒結(jié)的氧化鋁球和砂礫，這種深層過(guò)濾技術(shù)在鑄造領(lǐng)域已經(jīng)得到認(rèn)可，可以滿足高端產(chǎn)品需要。目前世界上很多大的鋁業(yè)公司：如 Alcoa (美鋁) 、 Alcan(加鋁)、Novelis(法鋁)都擁有深床過(guò)濾器技術(shù)。但由于它體積龐大，安裝更換過(guò)濾介質(zhì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，較適合大批量單一合金的生產(chǎn)[1]，很難滿足連續(xù)鑄軋的需要。針對(duì)其特點(diǎn)，在連續(xù)鑄軋應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題：

①更換合金牌號(hào)困難，產(chǎn)生轉(zhuǎn)合金廢料多；

②蓄熱能力強(qiáng)，不易進(jìn)行溫度調(diào)整；

③更換過(guò)濾介質(zhì)困難，更換周期長(zhǎng)。

1 深床過(guò)濾原理

目前市場(chǎng)上深床過(guò)濾器的過(guò)濾介質(zhì)有固體或液體兩種。根據(jù)被過(guò)濾介質(zhì)鑄軋用鋁液的特性，該試驗(yàn)選用氧化鋁球和砂礫作為過(guò)濾介質(zhì)。通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)間的空隙越小，過(guò)濾介質(zhì)越厚，熔體流速越低，過(guò)濾效果越好。過(guò)濾介質(zhì)捕捉夾雜物的速度與夾雜物在熔體中的濃度成正比，即：

式中 N -過(guò)濾器中捕捉的夾渣量；Z -過(guò)濾器入口處的深度；C -熔體中夾渣的濃度；t -過(guò)濾時(shí)間；K -動(dòng)力學(xué)參數(shù)，可用下式表示：

K=K0(1-N/Nm) (2)

式中 K0-動(dòng)力學(xué)參數(shù)，與熔體性質(zhì)，過(guò)濾介質(zhì)間的間隙大小，夾渣形狀、大小有關(guān)；Nm-被過(guò)濾器捕捉的最大夾渣量。

當(dāng)N→Nm時(shí)，K→0，表示過(guò)濾結(jié)束，此時(shí)熔體中的夾渣濃度可用下式表示

Ci=C0exp(-K0L/um) (3)

式中 Ci、C0-過(guò)濾前、后熔體中夾渣的濃度；L -過(guò)濾介質(zhì)厚度；um-熔體在過(guò)濾介質(zhì)中的流速。

可得過(guò)濾效率η

η=1-C0/Ci=1-exp(-K0L/um) (4)

由公式4可以看出，過(guò)濾效率與過(guò)濾介質(zhì)厚度和熔體在過(guò)濾介質(zhì)中流速密切相關(guān)，過(guò)濾介質(zhì)厚度越大、熔體在過(guò)濾介質(zhì)中流速越慢、過(guò)濾介質(zhì)間間隙越小，過(guò)濾效率越高，過(guò)濾效果越好。深床過(guò)濾原理[2]如圖1所示。

2 過(guò)濾介質(zhì)及過(guò)濾層厚度的優(yōu)化組合

圖1 深床過(guò)濾原理圖

由深床過(guò)濾原理可以得知，過(guò)濾介質(zhì)厚度越大、過(guò)濾介質(zhì)間的間隙越小，過(guò)濾效率越高，過(guò)濾效果越好。但隨著過(guò)濾厚度的增大，勢(shì)必會(huì)增加過(guò)濾箱體的體積，而且導(dǎo)致過(guò)濾介質(zhì)用量較多，造成成本偏高，所以選擇中要使用最少過(guò)濾介質(zhì)，起到最大過(guò)濾效果。但隨著過(guò)濾介質(zhì)間隙減小，為保證單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的流量，勢(shì)必要增加熔體在過(guò)濾介質(zhì)中流速，由公式(4)可以看出，隨著流速的增加會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾效率降低，導(dǎo)致過(guò)濾效果變差。為彌補(bǔ)過(guò)濾間隙小又能帶來(lái)流速高，就需要增大過(guò)濾層的橫截面積，而增大過(guò)濾橫截面積會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾箱體積較大，使后續(xù)更換合金牌號(hào)困難，增加了更換合金時(shí)的廢料。

為了達(dá)到過(guò)濾介質(zhì)間隙小和鋁液通過(guò)時(shí)流速慢的雙重效果，過(guò)濾層采用三層分鋪的方式。三層分鋪式試驗(yàn)方案及其效果如表1所示。

表1 三層分鋪式方案

通過(guò)試驗(yàn)，產(chǎn)品最終厚度都能穩(wěn)定達(dá)到0.0065mm以下。鋁液通過(guò)量除受鋁液自身質(zhì)量影響之外，還受過(guò)濾層顆粒級(jí)分布影響。方案6通過(guò)量最大，是由于鋁液夾渣經(jīng)過(guò)由大到小的過(guò)濾間隙，起到分級(jí)過(guò)濾效果，而方案2通過(guò)量最小是由于鋁液夾渣都被最上層的8目砂礫一次性過(guò)濾，造成砂礫堵塞，且方案2中的第二層是直徑為18mm的氧化鋁球，第二層層內(nèi)間隙較大，其間隙間填充了第一層的砂礫，導(dǎo)致砂礫層厚度增加，過(guò)濾效果增加，但相對(duì)更容易堵塞。

3 深床過(guò)濾的安裝

正確安裝深床過(guò)濾及其相關(guān)部件，能夠保證設(shè)備各部件的完好，尤其是設(shè)備基礎(chǔ)的制作，能夠方便更換過(guò)濾箱。正確進(jìn)行填充深床，能夠保證深床過(guò)濾箱過(guò)濾效果和通過(guò)量。正確預(yù)熱過(guò)濾箱能夠延長(zhǎng)過(guò)濾箱使用壽命。

3.1 安裝前的準(zhǔn)備

第一次安裝時(shí)，根據(jù)設(shè)備尺寸確定設(shè)備基礎(chǔ)高度。基礎(chǔ)高度要根據(jù)流槽高度及接口高度進(jìn)行計(jì)算，否則會(huì)造成高度不一致的問(wèn)題。由于該設(shè)備更換過(guò)濾層介質(zhì)需要吊離原位置，導(dǎo)致每生產(chǎn)兩到三個(gè)月就需要吊運(yùn)一次設(shè)備。為提供后續(xù)定位的準(zhǔn)確與快速，在第一次安裝定位后，四周要焊接擋片，當(dāng)再次放置時(shí)，直接放置在擋片內(nèi)即可。對(duì)于連接處采用石棉氈給予良好密封，防止鋁液外溢。

3.2 填充深床

在填充前可用氮化硼刷洗箱體，延長(zhǎng)深床過(guò)濾箱體的使用壽命。在填充深床時(shí)要注意箱體底部支撐塊的高度，并確認(rèn)正確定位，避免碰到底部加熱器。填充過(guò)濾層時(shí)要嚴(yán)格依照方案6逐層填充過(guò)濾床，并把每層抹平，以保證過(guò)濾效果和通過(guò)量。

3.3 預(yù)熱深床

在深床過(guò)濾預(yù)熱前，除底部放流口之外的接縫處均需要進(jìn)行良好密封，以保證頂部加熱器的熱量能夠被頂部風(fēng)管的熱風(fēng)透過(guò)過(guò)濾層帶到底部。

在深床預(yù)熱過(guò)程中，調(diào)節(jié)氣體流量是最關(guān)鍵的操作，如果氣體流量小，深床頂部加熱器產(chǎn)生的熱量不能充分帶到過(guò)濾介質(zhì)層間，會(huì)導(dǎo)致加熱器溫度過(guò)高;如果氣體流量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致熱量帶走較多，而影響加熱效率。為此在此設(shè)備上加裝預(yù)熱氣體循環(huán)系統(tǒng)，保證熱量循環(huán)利用。在預(yù)熱過(guò)程中必須按澆注料的特性確定烘烤曲線，并嚴(yán)格按烘烤曲線進(jìn)行烘烤，以延長(zhǎng)箱體的使用壽命。

4 深床過(guò)濾的使用

4.1 填充鋁液

流槽鋁液高度在內(nèi)壁2/3高度左右，從出鋁口輸送到過(guò)濾箱內(nèi)要保證鋁液能夠快速平穩(wěn)填充過(guò)濾箱內(nèi)過(guò)濾層，杜絕在填充過(guò)程中造成鋁液局部凝固。待鋁液高度沒過(guò)過(guò)濾層時(shí)，降低鋁液高度至內(nèi)壁1/2高度左右，防止鋁液溢出。

4.2 調(diào)整鋁液溫度

由于深床過(guò)濾器內(nèi)氧化鋁球及砂礫量較多，導(dǎo)致其蓄熱效果好，溫度調(diào)控難。在生產(chǎn)過(guò)程中，如需提高鋁液溫度，采用提高出口處加熱器加熱能力的方式快速提高出口鋁液的溫度，同時(shí)開啟上方加熱器并提高入口鋁液溫度，逐步加熱上方鋁液及過(guò)濾層介質(zhì)，待過(guò)濾層溫度達(dá)到要求后再降低出口處加熱器加熱能力，保證溫度平衡。降低鋁液溫度采用在直徑為12mm的過(guò)濾球?qū)优R時(shí)通入氬氣的方式，氬氣進(jìn)入時(shí)為大氣溫度，與鋁液溫度相差700℃左右，對(duì)過(guò)濾介質(zhì)起到降溫作用，同時(shí)對(duì)鋁液起到降溫和凈化的效果；并且要降低入口鋁液溫度及加熱器加熱能力，待過(guò)濾層溫度降到要求時(shí)再取消氬氣，由此實(shí)現(xiàn)了鋁液溫度的調(diào)整。

4.3 更換合金牌號(hào)

在使用之初，采用從入鋁口進(jìn)入深床過(guò)濾箱進(jìn)行洗箱，但是由于過(guò)濾箱底部空間較大而出口較小，導(dǎo)致局部待沖洗箱體在沖洗之初無(wú)法實(shí)現(xiàn)，而出現(xiàn)假合格現(xiàn)象，致使后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)部分中間成品成分不合格現(xiàn)象。為消除此缺陷，采用從出鋁口灌入變更合金后的鋁液，使洗箱體鋁液通過(guò)入口流出，保證了箱體內(nèi)被轉(zhuǎn)換鋁液充分流出，解決了更換合金導(dǎo)致廢品量大的問(wèn)題，消除了生產(chǎn)隱患，廢品由原來(lái)的約7噸降低到1噸以內(nèi)。

4.4 更換過(guò)濾介質(zhì)

由于深床過(guò)濾更換過(guò)濾介質(zhì)后的預(yù)熱時(shí)間不能低于三天，采用備用箱體的方式在需更換過(guò)濾介質(zhì)的前三天對(duì)備用箱體進(jìn)行填充和預(yù)熱，保證過(guò)濾介質(zhì)更換及時(shí)，不影響生產(chǎn)。根據(jù)深床過(guò)濾使用特點(diǎn)，六條以內(nèi)的生產(chǎn)線可備用一臺(tái)深床過(guò)濾箱。

5 結(jié)束語(yǔ)

過(guò)濾箱是鋁熔體處理的最后一道關(guān)，對(duì)于產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量控制至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)深床過(guò)濾的使用及改進(jìn)，使得深床過(guò)濾滿足了鑄軋生產(chǎn)的使用需求。

①確定過(guò)濾層填充方案，由上到下依次為：100mm厚Φ18mm氧化鋁球、100mm厚Φ12mm氧化鋁球、20mm厚8目砂礫；

②改進(jìn)預(yù)熱系統(tǒng)，提高熱量利用效率；

③改進(jìn)箱體結(jié)構(gòu)，提高鋁液溫度調(diào)整靈敏度；

④改善操作工藝，減少更換合金牌號(hào)時(shí)的廢品量。

通過(guò)使用深床過(guò)濾成功的生產(chǎn)出雙零箔和PS版鋁板基鑄軋坯料，為連續(xù)穩(wěn)定提供鑄軋坯料把好了最后一道關(guān)，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本，帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 肖亞慶，謝水生，劉靜安等.鋁加工技術(shù)實(shí)用手冊(cè).北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

[2] 陸文華、黃良余等.鑄造合金及其熔煉.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.