淺談混合爐內(nèi)鋁液的燒損與控制

□文/劉民章 李賢青海橋頭鋁電股份有限公司

淺談混合爐內(nèi)鋁液的燒損與控制

Talking about the Burning Loss and its Controlling of Molten Aluminium within Holding Furnace

□文/劉民章 李賢
青海橋頭鋁電股份有限公司

本文簡要介紹了混合爐內(nèi)鋁液的燒損機理，分析了混合爐內(nèi)鋁液燒損的主要原因，提出了降低混合爐內(nèi)鋁液燒損的措施。

鋁液；混合爐；鑄造；燒損；控制

在鑄造生產(chǎn)中，鋁液的燒損是不可避免的。而鋁液燒損鋁的大小，則影響著鑄造廠的經(jīng)濟效益。目前，我國電解鋁廠鑄造車間的鋁液燒損率大多在0.8%～1.2%范圍，而熔鑄車間的鑄損率則高于2.0%。雖然廣大科技工作者與工程技術(shù)人員在降低鋁液燒損率方面做了大量的研究與探討，但效果并不明顯。因此，研究探討鑄造過程中鋁液燒損形成的機理，以此為依據(jù)分析影響鋁液燒損形成的主要因素，制定切實可行的措施加以控制，對于降低鋁液燒損率，增加鑄造車間效益，顯得十分重要。

一、混合爐內(nèi)鋁液的燒損

眾所周知，影響熔融鋁液中氧化物形成的主要因素是現(xiàn)有溫度、湍流以及可得到的氧。通常，由系列電解槽中得到的鋁液的溫度大約為850℃～900℃。在這個溫度下，鋁的氧化速度可能達到鋁液在鑄造溫度時的10倍（典型的鑄造溫度為700℃~750℃）；另一個氧化物形成的影響因素是湍流，它為促進氧化物形成提供了一個新鮮的熔融表面來源。在這些高溫下，氧化物在這些新鮮表面的形成進行的極其迅速，典型的拋物線速度。而采用抬包向混合爐中傾倒式轉(zhuǎn)注鋁液則表現(xiàn)出了最為突出的鋁液燒損。高的金屬溫度與由小瀑布傾倒引起的湍流結(jié)合是混合爐內(nèi)大量浮渣產(chǎn)生的根本原因。

二、影響鋁液燒損的主要因素分析

1. 混合爐內(nèi)鋁液的溫度較高

高溫是電解鋁液的主要特點之一。雖經(jīng)鋁液運輸車運送到鑄造車間并轉(zhuǎn)注到混合爐內(nèi)，其溫度仍可保持在800℃以上。高溫為鋁液快速氧化提供了必要條件。

2. 導致鋁液氧化所需溫度的持續(xù)時間較長

由于從電解系列運送到鑄造混合爐的鋁液不是一次填裝，而是帶有一定時間間隔的，同時為了保證鑄錠所要求的化學成分，裝入同一混合爐的鋁液，其化學成分必須相同或相近，才能有利于成分的調(diào)整與控制，而電解系列電解槽的槽況各異，導致原鋁液的Fe、Si含量不同，有時相差較大，因此混合爐的整個填充過程時間相對較長。以40噸混合爐為例，一般來說，其安全容量為設計容量的90%，也就是說，正常生產(chǎn)條件下，混合爐內(nèi)須填充36噸左右的鋁液，即用容量為6噸的抬包轉(zhuǎn)注6包鋁液后，才能開始進行鋁液成分的調(diào)整。通常鋁液在混合爐內(nèi)停留時間都遠遠大于1小時，有時甚至達到2小時。

3. 鋁液表面暴露的面積過大

（1）抬包傾注式轉(zhuǎn)注鋁液引起的湍流使新鮮鋁液表面持續(xù)暴露，導致鋁液的劇烈氧化。

目前，大多數(shù)鋁廠鑄造車間向混合爐內(nèi)轉(zhuǎn)注鋁液均采用“小瀑布”法鋁液轉(zhuǎn)注。即當鋁液抬包運送到鑄造車間后，由起重機起吊到一定高度（通常大于1米），在電動或手動操作下，使抬包包體傾斜一定角度，鋁液由抬包的倒鋁口注入混合爐的受鋁口。在整個轉(zhuǎn)注過程中，鋁液由1米多的高度猶如瀑布一般傾瀉通過受鋁口進入混合爐的熔池，并與熔池底部或早先進入熔池的鋁液發(fā)生沖擊，產(chǎn)生噴濺與湍流，使得整個轉(zhuǎn)注過程中不可能在熔池內(nèi)鋁液表面形成氧化膜保護層，熔池內(nèi)鋁液一直處于劇烈的氧化之中。

（2）機械攪拌與扒渣引起的鋁液涌動使新鮮鋁液表面持續(xù)暴露，導致鋁液的劇烈氧化。

按照要求容量將高溫鋁液注入混合爐后，經(jīng)過對爐內(nèi)鋁液化學成分綜合計算，經(jīng)加入冷材降溫后，在熔池表面撒上除渣劑，對鋁液進行攪拌。目前，大多數(shù)鑄造車間采用攪拌車進行機械攪拌。較大的攪拌力使得熔池內(nèi)鋁液表面氧化膜破裂，并使得鋁液產(chǎn)生劇烈的涌動，形成了類似于湍流“鋁浪”。在攪拌過程中，整個熔池鋁液表面一直處于劇烈的涌動之中，也不可能形成氧化膜保護層，所以，鋁液一直處于劇烈的氧化之中。

4. 爐內(nèi)氧化性氣氛對高溫鋁液的氧化有著重要的影響

目前，主要有以電阻絲（或硅碳棒）和天然氣為熱源的混合爐兩種。在以天然氣為燃氣的混合爐中，天然氣燃燒時，要按照一定配比混合壓縮空氣助燃，因此，爐內(nèi)氣氛要比使用電熱元件為熱源的混合爐氧化性強的多。加之在壓縮空氣壓力的作用下，燃燒氣流具有一定的速度，這一速度也對鋁液表面造成了一定的沖擊，使得局部鋁液表面不能形成氧化膜保護層。鋁液與天然氣中的O2、H2O以及CmHn(碳氫化合物，氣體)均會發(fā)生反應，生成Al2O2，而且這些反應都是不可逆的，因此，鋁液一直處于氧化之中，這是燃氣混合爐內(nèi)鋁液燒損率高的一個主要原因。

三、鋁液燒損控制的主要方法

1. 適時合理調(diào)整混合爐內(nèi)鋁液的溫度，減少導致鋁液氧化所需溫度的持續(xù)時間。

鋁液轉(zhuǎn)入混合爐后，雖經(jīng)1～2小時的停留，但溫度仍然較高，因此要通過向鋁液中加入固體料的方式降低鋁液溫度。加入固體料，一方面降低了鋁液溫度，可使鋁液在較短的時間內(nèi)通過連續(xù)鑄造機轉(zhuǎn)換為鋁錠產(chǎn)品，減少由于鋁液長時間過熱而造成的過量燒損；另一方面，固體料的熔化溶解，使得鋁液中增加了大量的形核粒子，也可達到細化鋁錠產(chǎn)品晶粒度的目的。

2. 減小鋁液表面的暴露面積。

（1）改進向混合爐內(nèi)轉(zhuǎn)注鋁液的方式

鑒于“小瀑布”法鋁液轉(zhuǎn)注使得鋁液源源不斷地產(chǎn)生湍流，暴露于空氣中的鋁液表面大幅度增加，新鮮的鋁液表面與空（氧）氣接觸，導致鋁液迅速而劇烈的氧化，因此必須改變向混合爐內(nèi)轉(zhuǎn)注鋁液的方法。

目前，在國外許多著名鋁廠如力拓加鋁公司、新西蘭N.Z.A.S冶煉廠、昆士蘭Boyne 島冶煉廠、Ecka Granules 工廠等推廣應用了虹吸管鋁液轉(zhuǎn)移設備，使鑄造過程中鋁液的燒損率減少了75%；據(jù)了解，雖然在國內(nèi)僅有青銅峽鋁業(yè)公司等少數(shù)冶煉廠在鋁熔煉爐上應用了虹吸管鋁液轉(zhuǎn)移設備，但在降低鋁液燒損方面效果也很明顯。

為了把鋁液的氧化減少到最低程度，必須消除任何形式的小瀑布或紊亂的鋁液流。鋁液流必須足夠靜止以消除紊流干擾或者打破自然形成于鋁液表面的保護性氧化層。理想的流動應該出現(xiàn)在“次表面”，對表面有微乎甚微的干擾。

用虹吸管鋁液轉(zhuǎn)移設備轉(zhuǎn)注鋁液幾乎不發(fā)生湍流，并且對抬包與混合爐兩者之內(nèi)的保護性氧化層具有最小的干擾。進一步說，因為轉(zhuǎn)注發(fā)生在一個封閉的管子中，并且處于很強的真空下，氧化物形成可得到的氧是最小的。實踐表明，用虹吸法填充混合爐產(chǎn)生的鋁液燒損可能小于0.25%，與小瀑布傾注過程中產(chǎn)生的鋁液燒損相比較，減少了75%。

自動化虹吸管鋁液轉(zhuǎn)移系統(tǒng)以“溢流壩模式”操作，這樣虹吸管從未完全用金屬充滿過。溢流壩模式是運用位于一個虹吸管“頭”部的受控的吸力而創(chuàng)造的，虹吸管“頭”致使鋁液提升至管子的兩個端管之間。當金屬到達溢流點時，開始流向管子的出口端管。由于入口和出口之間的高度差，在入口端管內(nèi)的鋁液首先到達虹吸管溢流堰 ，并流過溢流堰流出出口端管。在溢流壩模式中，在PLC控制下，通過逐漸增加吸力保持流動，所以，流動速度不受抬包或混合爐內(nèi)液位的影響。

（2）改進混合爐內(nèi)鋁液的攪拌方式

鑒于用鋁液攪拌車對混合爐內(nèi)鋁液進行攪拌時，持續(xù)產(chǎn)生鋁液的浪涌，使得暴露于空（氧）氣中的高溫鋁液表面積劇增，導致鋁液燒損加劇。因此，必須改變攪拌方式。

電磁攪拌技術(shù)是鋁合金熔體處理中最為先進的攪拌技術(shù)，目前在世界許多大型鋁廠都得到了很好的應用，尤其在日本應用最為廣泛。在鋁液混合爐上使用電磁攪拌裝置對鋁液進行攪拌，除了能夠獲得較為理想的鋁液溫度與化學成分的均勻均勻性外，有效降低鋁液燒損率也是其主要優(yōu)點之一。

電磁攪拌是利用安裝于爐底或爐殼側(cè)部的電磁感應裝置產(chǎn)生的電磁力對鋁液進行攪拌的。攪拌時，攪拌器不與鋁液發(fā)生任何形式的接觸。無論電磁感應裝安裝于底部還是側(cè)部，其對鋁液的攪拌效果則是相同的。在進行鋁液攪拌時，變頻器產(chǎn)生的低頻電源通過電磁線圈產(chǎn)生行波交流磁場，次交流磁場穿過線圈前方的不銹鋼板和耐火材料進入鋁熔池，在鋁熔池內(nèi)感應電流和磁場的共同作用產(chǎn)生電磁力，推動熔體流動。為了不破壞鋁熔體的表面氧化層，通過改變電源頻率，可以控制輸入電磁感應線圈的電流，從而控制磁場力的大小，控制鋁熔體攪拌的強度，使得電磁力的攪拌范圍控制于熔池內(nèi)鋁液的次表面。電磁攪拌裝置經(jīng)過大約10～15分鐘的運轉(zhuǎn)，鋁液的溫度和成分達到均勻化，而在攪拌過程中，沒有產(chǎn)生湍流引起的鋁液翻騰，鋁液表面始終保持著完整而致密的氧化鋁薄膜。由于沒有發(fā)生湍流造成的鋁液表面氧化膜的破裂并卷入鋁液，同時也沒有高溫條件下向大氣中的氧提供持續(xù)不斷的新鮮鋁液表面，從而有效地控制了攪拌過程中鋁液的氧化。

3. 合理選擇混合爐加熱熱源

鑒于在以天然氣為燃氣的混合爐中，鋁液受到燃氣中各種氧化性成分和水蒸氣的影響以及壓縮助燃空氣氣流的沖擊，導致鋁液燒損率較高，因此，在混合爐加熱能源的選擇時，應采用能使爐內(nèi)氣氛保持微氧化性的能源。目前，在許多中型混合爐上應用較多的硅碳棒就是較為理想的選擇。

硅碳棒是碳化硅的再結(jié)晶制品，是非金屬高溫電熱元件。具有質(zhì)地硬而脆，膨脹系數(shù)小、耐急冷急熱，不易變形，有良好的化學穩(wěn)定性，與酸類物質(zhì)不起作用，使用溫度高，成本低等通常情況下，在爐溫1000℃時可連續(xù)工作半年左右。其主要化學成分如表1所示。

表1 硅碳棒的主要化學成分 （%）

隨著使用時間的延長，硅碳棒出現(xiàn)老化現(xiàn)象是必然的，特別硅碳棒在通電發(fā)熱時，會與空氣中的氧和水蒸氣發(fā)生化學反應，使硅碳棒逐漸氧化：

由于使用中的混合爐溫度較高，混合爐內(nèi)小范圍氣候干燥，爐氣中水蒸氣含量很低，因此這種反應也是相當緩慢和漫長的。但長期的氧化反應，最終會導致硅碳棒老化。

作為熱源，通常硅碳棒安裝在爐頂部位。在通電時，硅碳棒自身發(fā)熱，輻射于熔池內(nèi)鋁液表面，并通過熱傳導加熱鋁液。在加熱過程中，不會使鋁液產(chǎn)生任何形式的湍流與浪涌，鋁液表面非常“淡定”，所形成的氧化膜保護著鋁液不會受到任何破壞，并且由于氧化膜自身所具有的結(jié)構(gòu)特點，能夠阻隔空氣中氧原子透過氧化膜向鋁液中的滲透，阻止對鋁液的進一步的氧化，使得鋁液的燒損率大幅度下降。

四、結(jié)語

混合爐內(nèi)鋁液的燒損是鑄造車間金屬鋁損失的主要部分，采取有效措施控制燒損意義重大。掌握鋁液的氧化機理和氧化方式，采用先進的鋁液轉(zhuǎn)注設備、改進現(xiàn)有的鋁液攪拌方法、合理選擇混合爐加熱能源以改善爐內(nèi)氣氛，可使混合爐內(nèi)鋁液燒損率得到有效的降低與控制。

略