淺談提高鋁熔體質(zhì)量的措施

麥顧嚴(yán)

（廣西有色金屬集團(tuán)匯元錳業(yè)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(qiáng)度、塑性、疲勞抗力、耐蝕性能等，惡化加工性能，影響產(chǎn)品的質(zhì)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(xué)性質(zhì)非?；顫?，能和許多化學(xué)元素（如O2、N2、S、C等）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(duì)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(yīng)[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(dāng)超過900℃γ—Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)棣痢狝l2O3，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(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫和氧化鋁。在潮濕環(huán)境下貯存的Mg錠，氧化嚴(yán)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(shí)產(chǎn)生的水汽易進(jìn)入熔體。

1.3 大氣

熔煉過程中，大氣中的水汽會(huì)與熔體反應(yīng)，若空氣濕度大，尤其是在夏季或梅雨季節(jié)，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(bǔ)后，烘爐不徹底時(shí)，鋁熔體與水汽反應(yīng)，高溫下分解出氫原子及氧化夾雜進(jìn)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(dāng)潮濕，精煉用氣體水份超標(biāo)，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(dāng)N2的純度低于 99.99%，難以確保箔坯用熔體的含氣量達(dá)標(biāo)，當(dāng) N2中水份超過 0.02%時(shí)，精煉效果顯著下降，水份超過 0.05%時(shí)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?fàn)t過程中，熔鑄工具使用前未能充分預(yù)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?fàn)t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(nèi)鋁熔體溫度相對(duì)較高，會(huì)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(shí)的含氫量為2.5ml·(100gAl)-1，當(dāng)有溶劑保護(hù)時(shí)為 1.05ml·(100gAl)-1；用低頻感應(yīng)電爐時(shí)為0.8～1.0ml·(100gAl)-1；用電阻爐時(shí)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(yīng)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(shí)間

越長(zhǎng)，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(zhì)量的措施

2.1 加強(qiáng)原輔材料的管理

把好原輔材料入庫質(zhì)量關(guān)，制定規(guī)范合理的原輔材料出入庫管理制度，依據(jù)國(guó)家或行業(yè)有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，化學(xué)成分、顯微組織、斷口組織、外觀質(zhì)量等合格了才能入庫，杜絕不合格品入庫。嚴(yán)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(shè)備設(shè)施，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行烘爐工藝規(guī)程的升溫曲線，保溫溫度，保證各個(gè)溫度區(qū)域的保溫時(shí)間，冬季烘爐時(shí)間應(yīng)延長(zhǎng)10%～20%，最大限度地烘干水汽。在倒?fàn)t、澆注或鑄軋前，嚴(yán)格執(zhí)行烘干規(guī)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(guī)程

在操作或鑄軋前應(yīng)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(guī)程

爐料裝爐的順序和方法，影響到熔煉時(shí)間、金屬燒損及能耗，直接影響到鋁熔體的質(zhì)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(diǎn)低的易氧化的中間合金裝在中下層，高熔點(diǎn)的中間合金裝在最上層。所裝爐料應(yīng)在熔池中均勻分布，防止某種規(guī)格的爐料局部集中。應(yīng)盡量一次將爐料裝入爐中，二次或多次裝爐會(huì)增加非金屬夾雜及含氣量。

質(zhì)量要求高的產(chǎn)品，裝爐前應(yīng)向熔池內(nèi)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(yīng)將碎料、邊角廢料打成塊或捆后再裝爐。

2.5 采用先進(jìn)的裝備技術(shù)

加快裝爐速度，縮短熔煉時(shí)間，縮短倒?fàn)t時(shí)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(dòng)化控制的熔煉爐，比如使用大型頂開圓形爐和液壓傾動(dòng)式靜置保溫爐，容量多達(dá)30～50噸，甚至 100噸以上，裝爐機(jī)械化，大大縮短裝料及熔化時(shí)間，降低能耗和燒損[3]。

（2）選用爐底透氣磚技術(shù)

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(shù)[4]

可提高鋁合金熔體合金均勻化，縮短熔煉時(shí)間，成分均勻，節(jié)約能源，減少氧化夾雜，提高熔體質(zhì)量，大大降低生產(chǎn)成本。熔化時(shí)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(chǎn)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(huán)流

優(yōu)點(diǎn)是：熔體溫差?。还虘B(tài)料熔化速度大為提高，廢鋁箔及切屑的熔化實(shí)收率高；熔體成分均勻；降低能耗；延長(zhǎng)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(diào)控簡(jiǎn)單方便；節(jié)能減排效果顯著。

（5）采用先進(jìn)機(jī)械化裝備

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

（6）采用PLC電氣控制系統(tǒng)

可實(shí)現(xiàn)燃燒、流量、溫度、爐內(nèi)壓力、氣氛等參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)及過程控制，熔煉爐的安全性和可靠性高，節(jié)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?jié)B透不粘鋁澆注材料整體澆筑，可減少耐火材料對(duì)鋁熔體的污染。

（8）采用節(jié)能高效燒嘴，余熱利用

采用中、高速燒嘴，加快爐內(nèi)燃?xì)夂蜖t料的對(duì)流傳熱，尾氣余熱利用，可提高熔煉爐熱效率達(dá) 50%以上。使用快速切換蓄熱式燃燒技術(shù)，熔煉爐的熱效率提高到65%以上。

2.6 注重熔煉操作細(xì)節(jié)

制定合適的爐內(nèi)和爐外凈化規(guī)程；根據(jù)合金的化學(xué)成份和性質(zhì)不同選用精煉用熔劑、氣體和覆蓋劑，向熔融狀態(tài)的爐料或熔體表面布撒覆蓋劑；使用氣體或噴粉精煉時(shí)，應(yīng)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(yīng)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(dāng)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(shí)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(nèi)積渣影響氣體及夾雜含量。每班次應(yīng)進(jìn)行一次清爐，將爐底、爐墻和爐頂?shù)姆e渣清除干凈。

3 常用鋁熔體凈化技術(shù)

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(jī)械性能及抗應(yīng)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(nèi)凈化處理和爐外在線凈化處理。

3.1 爐內(nèi)凈化處理

常用的爐內(nèi)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(gè)可更換的透氣塞，由計(jì)算機(jī)控制精煉氣流和精煉時(shí)間，凈化效果良好。

3.2 在線凈化處理

爐內(nèi)凈化處理效果有限，爐外在線凈化處理在縮短鋁液在爐內(nèi)停留時(shí)間時(shí)，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(zhì)量。在線凈化處理技術(shù)包括過濾技術(shù)和除氣技術(shù)。

（1）陶瓷泡沫過濾技術(shù)[6]（如圖1、圖2示）

過濾板的尺寸一般為厚度50mm，長(zhǎng)寬為200～600mm，孔隙度高達(dá)80%～90%，過濾等級(jí)(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(shù)特點(diǎn)：成本低、合金品種易更換、易于安裝、占地面積小，操作簡(jiǎn)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(xì)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(chǎn)品軋制錠坯或擠壓用圓錠。

圖1 陶瓷板內(nèi)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(shù)（如圖3示）

過濾層為多孔介質(zhì)，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(wǎng)支撐，可有效去除20μm以上大小夾雜顆粒在90%以上。優(yōu)點(diǎn)：可根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求不同，調(diào)整氧化鋁球的大小，去除不同粗細(xì)的夾雜，過濾面積大，過濾效果好；可濾除大于5μm的夾雜達(dá) 90%以上。缺點(diǎn)：體積龐大，安裝過濾介質(zhì)復(fù)雜；過濾介質(zhì)不固定，有流失。主要用于過濾生產(chǎn)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(shù)（如圖4示）

過濾器中裝有外徑100mm，內(nèi)徑60mm，長(zhǎng)度500～900mm的陶瓷過濾管數(shù)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(dāng)夾雜顆粒尺寸≥20μm時(shí)，可過濾99%以上的夾雜，夾雜顆粒尺寸在5～20μm時(shí)，過濾效果可以達(dá)到95%以上，夾雜顆粒尺寸≤5μm時(shí)，過濾效果可達(dá)80%～95%。優(yōu)點(diǎn)：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(xì)微的過濾孔徑，可去除小于5μm的夾雜物，有利于生產(chǎn)高端產(chǎn)品。缺點(diǎn)：不利于頻繁更換合金，適用于生產(chǎn)產(chǎn)品單一；預(yù)熱的加熱時(shí)間長(zhǎng)，一般需要1～2天；脆性大，運(yùn)輸過程中易出現(xiàn)裂紋；對(duì)鋁液溫度、含渣含氣量、細(xì)化劑用量等的要求高，過濾管易于堵塞。主要用于過濾生產(chǎn)飛機(jī)、汽車、磁盤、鋁箔、易拉罐等高精度產(chǎn)品的鋁熔體。

3.3 在線除氣技術(shù)

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(jī)零件氫含量有時(shí)要求不超過 0.1ml·(100gAl)-1。高質(zhì)量的鋁箔電子工業(yè)用熔體的氫含量要求小于 0.06ml·(100gAl)-1，國(guó)際先進(jìn)水平為 0.05～0.08ml·(100gAl)-1，目前國(guó)內(nèi)鋁熔體除氣的先進(jìn)水平能達(dá)到0.10ml·(100gAl)-1左右。常用的先進(jìn)鋁熔體凈化裝置有，除氣與過濾結(jié)合的MIN T法凈化裝置，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)噴嘴1.入口；2.出口；3.旋轉(zhuǎn)噴嘴；4.石墨管；5.發(fā)熱體

圖7 MINT法凈化裝置示意圖1.入口；2.反應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)噴嘴（如圖6示）該裝置能在鋁熔體中產(chǎn)生微細(xì)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(chǎn)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(jìn)入圓筒形反應(yīng)室，反應(yīng)室的底部有幾個(gè)氣體噴嘴，噴出細(xì)小的氣泡。鋁液流到過濾室，再經(jīng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、凈化效果好，除氫量率達(dá)50 %以上，氧化夾雜去除率達(dá)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(kuò)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(kuò)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(diǎn)是在旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)熔體的同時(shí)，將熔體吸入噴嘴內(nèi)，與水平噴出的凈化氣體混合形成細(xì)小的氣泡，增大氣泡與熔體的接觸面積和時(shí)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(dá) 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(gè)室，鋁熔體首先經(jīng)液態(tài)熔劑層進(jìn)入第一室，經(jīng)氣體擴(kuò)散器吹出的氮?dú)馀輧艋?，再?jīng)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?？捎糜谏a(chǎn)航空鋁材和飲料罐帶材等優(yōu)質(zhì)材料。

（2）熔體ALCOA469法凈化裝置（如圖10示）

該裝置有兩個(gè)凈化處理室，每一室的底部有凈化氣體擴(kuò)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(zhì)全為φ13～φ19mm的氧化鋁球，厚152～381mm，第二室的過濾介質(zhì)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(xù)經(jīng)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。

3.5 鋁熔體凈化技術(shù)的發(fā)展方向

近年來，鋁熔體凈化技術(shù)從單一凈化向復(fù)合凈化發(fā)展，從爐內(nèi)凈化向爐外連續(xù)凈化發(fā)展，從單一功能向多功能發(fā)展，從大型復(fù)雜向小型緊湊型發(fā)展，體積由大變小，裝置成本和運(yùn)行成本更低，集凈化處理(除氣、雜、鈣等)、鈉變質(zhì)處理、晶粒細(xì)化處理等于一體，凈化介質(zhì)向高效節(jié)能、綠色環(huán)保方向發(fā)展。

（1）緊湊型除氣裝置

ALCAN開發(fā)出的緊湊型除氣裝置ACD。該裝置是在一般流槽上用多個(gè)小轉(zhuǎn)子進(jìn)行精煉，轉(zhuǎn)子間用隔板分隔。該裝置在鑄次間無金屬存留，無需加熱保溫，運(yùn)行成本大幅下降，除氣效果與傳統(tǒng)裝置相當(dāng)或更好。

（2）除氣裝置CDU

西南鋁研制的除氣裝置CDU，該裝置在僅使用氬或N2的情況下除氣率達(dá)到50%以上，占地只有1×0.5米，無加熱保溫，放干料約 30Kg，而造價(jià)僅為傳統(tǒng)除氣裝置的1/4～1/3，運(yùn)行費(fèi)用降低 30%以上，是一種極具推廣應(yīng)用價(jià)值的除氣裝置[8]。

（3）稀土熔劑

多功能新型稀土熔劑JDN—I[9]，是一種綠色環(huán)保型熔劑，除氣凈化效果顯著，具有一定的變質(zhì)細(xì)化作用。

[1] 王祝堂.鋁合金及其加工手冊(cè)[M].湖南:中南工業(yè)大學(xué)出版社,1989.

[2] 向培森.輕金屬材料加工手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社出版,1980.

[3] 劉林.鋁合金熔鑄技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].鑄造材料信息,2009.

[4] 楊洪良.用于熔鋁爐和靜置爐的電磁攪拌器[J].輕合金加工技術(shù),2003.

[5] 王祝堂編譯.鋁熔體泵的應(yīng)用[J].世界有色金屬,2009.

[6] 許志強(qiáng).常用的鋁熔體過濾裝置[J].有色金屬加工,2010.

[7] 顧曉波.鋁熔體凈化處理方法分析[J].有色金屬設(shè)計(jì),2001.

[8] 杜恒安,等.高效緊湊型在線除氣裝置 CDU 的研制[J].鋁加工,2004,(1):56-58.

[9] 鋁熔體凈化技術(shù)的發(fā)展[J].鋁合金熔劑,2008.