透氣磚在鋁合金精煉過(guò)程中的應(yīng)用

周玉煥，劉輝麗，盧繼延

(廣東堅(jiān)美鋁型材廠(集團(tuán))有限公司，廣東佛山528231)

透氣磚在金屬冶煉過(guò)程中，具有高效除氣、減少爐底積渣等突出優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用于鋼包底吹精煉上，至今已有近30年的歷史，并形成YB/T 4118－2003《精煉鋼包用透氣磚和座磚》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，精煉鋼包用透氣磚技術(shù)已十分成熟。但由于鋁液的滲透性和透氣磚的潤(rùn)濕角等參數(shù)與鋼液有較大區(qū)別，導(dǎo)致鋼包底吹透氣磚精煉技術(shù)直接移植到鋁合金精煉過(guò)程存在較大困難。近年，由于軌道交通、航天航空等高端大斷面鋁合金擠壓材的需求不斷上升，對(duì)鋁棒含氣量的控制，尤其是含氫量的控制越來(lái)越高，一般含氫量都需低于 0.25 Nml/100g Al，有些甚至要求低于0.15 Nml/100g Al，才能有效防止后續(xù)擠壓過(guò)程中發(fā)生氫脆和因氫化而產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕等問(wèn)題。針對(duì)這些要求，適用于鋁精煉的彌散透氣磚技術(shù)逐漸開(kāi)發(fā)出來(lái)，并應(yīng)用于鋁合金熔煉爐和保溫爐中。本文就透氣磚在鋁合金精煉過(guò)程中的應(yīng)用作一簡(jiǎn)要介紹。

1 透氣磚精煉凈化原理

在鋁合金保溫爐爐底安裝一定數(shù)量的透氣磚，把高純氮?dú)獾榷栊詺怏w通過(guò)透氣磚吹入鋁液中，惰性氣體上升過(guò)程吸附帶出鋁液中其它體積較小的氣體和雜質(zhì)，達(dá)到凈化鋁液的效果。

與傳統(tǒng)的插入式精煉噴槍吹氣精煉相比，使用透氣磚凈化無(wú)需打開(kāi)爐門，可防止?fàn)t外空氣及水汽混入爐內(nèi)重新被鋁液吸附，同時(shí)還達(dá)到節(jié)約能源、減少燒損的目的。

2 透氣磚精煉凈化試驗(yàn)

本次透氣磚精煉凈化試驗(yàn)過(guò)程中使用的鋁液，在除渣階段已經(jīng)將大部分固體渣去除，再由熔煉爐轉(zhuǎn)入保溫爐中。精煉凈化的主要目的是除氣，附帶進(jìn)一步除渣。由于氫在鋁液中的溶解度較其它氣體大，除氣前其溶解度可達(dá)0.40 Nml/100gAl以上，約占雜質(zhì)氣體體積分?jǐn)?shù)的80%，其次是氧氣、一氧化碳等氣體，約占20%，而且氫氣在鋁棒鑄造和擠壓工序中的危害最大，極易發(fā)生氫脆、氫化等現(xiàn)象導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。所以本次透氣磚的精煉凈化效果我們用除氫的效果來(lái)體現(xiàn)。

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分別采用傳統(tǒng)的插入式精煉噴槍吹氣和透氣磚底吹凈化兩種方式，對(duì)保溫爐中鋁液吹氣凈化前后含氫量進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。每種方式各做5爐次試驗(yàn)，熔煉的鋁合金牌號(hào)均為6063合金。

2.2 主要試驗(yàn)設(shè)備

(1)鋁合金保溫爐。本試驗(yàn)使用的是25t傾動(dòng)式矩形燃?xì)獗貭t，爐內(nèi)分布10塊透氣磚，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示;

(2)透氣磚及座磚。本試驗(yàn)使用的透氣磚(A)材料為彌散錐型剛玉氧化鋁－鉻耐火材料，外面使用不銹鋼殼(C)緊密包裹在透氣磚周圍，鋼殼從底部到側(cè)部使用氣密性焊接。座磚(B)為預(yù)制成型的澆注料保護(hù)層，主要用于保護(hù)透氣磚。透氣用的鋼管(D)通過(guò)底板從底部通入氣體到達(dá)透氣磚芯。密封襯套(E)焊接在底部鋼板，用于緊密送氣管和爐殼之間的密封， 防止氣體逸出。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示;

(3)流量控制系統(tǒng)。試驗(yàn)采用的10塊透氣磚，線路均使用流量控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，自動(dòng)控制系統(tǒng)專門按透氣磚的流通特性設(shè)計(jì)，單獨(dú)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定每個(gè)透氣磚的流量，保證流量不隨工作壓力變化而波動(dòng)。每塊透氣磚的流量范圍可以設(shè)定從3Nl/min～60Nl/min。控制系統(tǒng)擁有單獨(dú)的PLC和觸摸屏，帶有本身的運(yùn)行程序。程序的流量和精煉/攪拌時(shí)間均紀(jì)錄在PLC中，設(shè)定的時(shí)間到達(dá)設(shè)定狀態(tài)后，將自動(dòng)切換下一模式或停止。

2.3 試驗(yàn)條件及結(jié)果

試驗(yàn)采用Alscan測(cè)氫儀，把延伸臂從爐后測(cè)溫孔插入鋁液中，測(cè)量精煉凈化前后的含氫量。前5爐次采用插入式噴槍吹氣人工攪拌精煉方式，通入氣體為99.99%高純氮?dú)?，氣?.5MPa。后5爐次采用透氣磚底吹精煉，通入氣體為99.99%高純氮?dú)?，每個(gè)透氣磚的氣體流量為25Nl/min。10爐次精煉時(shí)間均為25min。試驗(yàn)數(shù)據(jù)前后對(duì)比情況如表1所示。

表1 每100g鋁液中氫含量精煉前后對(duì)比表Tab.1 Comparison of hydrogen content per 100g of molten aluminum before and after refining

2.4 結(jié)果分析

(1)由表1中1～5爐次測(cè)試數(shù)據(jù)可知，鋁液精煉前氫含量均值為0.484Nml/100gAl，插入式噴槍吹氣精煉后均值為 0.336Nml/100gAl，除氫效率約為30.6%;

(2)由表1中6～10爐次測(cè)試數(shù)據(jù)可知，鋁液精煉前氫含量均值為0.482Nml/100gAl，透氣磚底吹精煉后均值為0.222Nml/100gAl，除氫效率約為53.9%;

(3)試驗(yàn)中，使用透氣磚精煉的除氫效率可達(dá)50%以上，比插入式噴槍精煉除氫效率高23.3%。主要是因?yàn)槌龤饩珶掃^(guò)程中，插入式噴槍精煉整個(gè)過(guò)程須將爐門提升約20cm，爐外空氣容易進(jìn)入爐內(nèi)，吸附在鋁液表層氧化膜外側(cè)，且人工攪拌會(huì)將該層氧化膜嚴(yán)重破壞并翻入鋁液中，造成鋁液二次污染。而使用透氣磚吹氣精煉技術(shù)，無(wú)需打開(kāi)爐門，大大減少鋁液氧化膜吸附空氣的概率，同時(shí)，透氣磚可以有規(guī)律更合理地安置在爐內(nèi)，通入的氮?dú)饽芘c鋁液更加充分的接觸，使得除氫效率更高。

3 結(jié)論

(1)在鋁合金精煉過(guò)程中，通過(guò)采用透氣磚底吹精煉的方式，能大幅減少鋁熔體中的氫含量，除氫效率比插入式噴槍精煉方式的除氫效率高20%以上，能較好地滿足高質(zhì)量鋁棒含氫量低于0.25 Nml/100gAl的要求。這對(duì)防止在擠壓高精鋁合金型材時(shí)發(fā)生氫化、氫脆和鋁合金型材因氫化而產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕等問(wèn)題有極大幫助;

(2)對(duì)于一些特殊用途的工業(yè)鋁材，要求含氫量在0.15 Nml/100gAl以下時(shí)，除爐內(nèi)采用透氣磚精煉的方式，將鑄造鋁液的含氫量降低到0.25 Nml/100gAl以下，還需安裝在線除氣裝置，在鑄造過(guò)程中經(jīng)過(guò)在線精煉處理，才能達(dá)到鑄造產(chǎn)品質(zhì)量性能要求。

［1］王祝堂，田榮璋.鋁合金及其加工手冊(cè)［M］.長(zhǎng)沙:中南工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

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

［3］吳旭龍，余廣松.吹氣精煉系統(tǒng)在鋁保溫爐的應(yīng)用與改進(jìn)［J］.有色金屬加工，2006，35(3):60 －63.