鑄軋采用電解鋁液生產(chǎn)雙零鋁箔坯料的研究

吳建新， 劉 旺

（中鋁瑞閩股份有限公司， 福建 福州 350015）

隨著中國(guó)鋁工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，鋁箔坯料的生產(chǎn)已經(jīng)不是問(wèn)題，但國(guó)內(nèi)鑄軋生產(chǎn)鋁箔坯料企業(yè)大部分采用鋁錠做為原料。若能直接采用電解原鋁液鑄軋生產(chǎn)高檔雙零六鋁箔坯料，可以使鑄軋工序避免采用鋁錠二次重熔用需消耗的大量能源和產(chǎn)生的金屬燒損。據(jù)統(tǒng)計(jì)鑄軋采用電解鋁液生產(chǎn)雙零六鋁箔坯料，每噸成品可節(jié)約天然氣80～90 m3，減少金屬燒損20～35 kg，減少溫室氣體排放，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益十分顯著。

1 電解鋁液特點(diǎn)分析及其對(duì)鑄軋生產(chǎn)的影響

電解鋁液是氧化鋁粉作為原料經(jīng)電解槽電解分離出來(lái)的單質(zhì)鋁。在電解過(guò)程中，陰陽(yáng)極炭塊將不斷損耗，其含有的微量元素不斷融入鋁液中；電解質(zhì)也將混入鋁液中被真空抬包一起抽出，因而電解鋁液具有溫度高，含渣、氣、電解質(zhì)（堿金屬）多等特點(diǎn)，熔體質(zhì)量差。

鋁錠為電解鋁液加入熔爐后進(jìn)行除氣、渣、堿金屬等處理后，調(diào)整至正常工藝溫度后澆鑄而成。在后道加工使用鋁錠時(shí)將再次經(jīng)過(guò)重熔，對(duì)其中的堿金屬去除效果明顯，渣、氣也極大程度地減少，傳統(tǒng)高要求板帶材均使用鋁錠做原料生產(chǎn)。

從總體來(lái)看，電解鋁液具有以下質(zhì)量上的先天缺陷，同時(shí)可能在鑄軋的生產(chǎn)中造成巨大的風(fēng)險(xiǎn)。

1）電解鋁液溫度高，剛從電解槽出來(lái)的鋁液溫度高達(dá)900℃左右，其氫含量高達(dá)0.35 mL/100 g以上，而氫含量高是造成雙零鋁箔針孔的主要原因，若是熔體除氣工藝不當(dāng)，甚至可能形成明顯的氣道缺陷。

2）電解鋁液由于溫度高、電解槽內(nèi)污染等因素，熔體含渣量高，其中大部分為氧化鋁夾渣，這也是1、8系鋁箔坯料中最常見(jiàn)的夾渣物。在實(shí)際生產(chǎn)中由于熔體質(zhì)量差又特別容易造成板式過(guò)濾片堵塞，過(guò)濾片的頻繁更換又將給產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)波動(dòng)，形成惡性循環(huán)，最終產(chǎn)品可能出現(xiàn)夾渣斷帶以及針孔等缺陷。

3）由于電解鋁液的生產(chǎn)特點(diǎn)，其中會(huì)含有大量的有害微量元素，比如 Na、F、V、B、Mg等，這些微量元素對(duì)于工藝參數(shù)匹配敏感的鑄軋生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，將帶來(lái)極大的不可控風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究，這些有害微量元素是造成鑄軋粗晶、鋁箔白條、夾渣等缺陷的主要原因。

綜合來(lái)看，電解鋁液生產(chǎn)鑄軋雙零六鋁箔坯料具有諸多的技術(shù)難點(diǎn)需要攻關(guān)，若能成功，將會(huì)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2 鑄軋使用電解鋁液生產(chǎn)鋁箔坯料中出現(xiàn)的問(wèn)題分析

本研究進(jìn)行了在鑄軋中使用電解鋁液生產(chǎn)1235雙零六鋁箔坯料的技術(shù)攻關(guān)研究，在試制期間曾出現(xiàn)諸多與固體料生產(chǎn)時(shí)迥異的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行分析整改，工藝得到了提升與穩(wěn)定。

2.1 鑄嘴內(nèi)腔堵塞及原因分析

鑄嘴內(nèi)腔堵塞是造成鋁箔白條的主要原因之一，同時(shí)在鑄軋卷上也可能顯現(xiàn)出偏析條紋等缺陷。使用固體料生產(chǎn)時(shí)，該缺陷一般在持續(xù)生產(chǎn)兩天以上才慢慢出現(xiàn)，且對(duì)質(zhì)量影響較小。但使用電解鋁液生產(chǎn)，極容易在鑄嘴內(nèi)腔出現(xiàn)大面積結(jié)渣導(dǎo)致鋁液供流不暢，從而影響鑄軋板的內(nèi)部組織。此類(lèi)缺陷需要通過(guò)細(xì)致地觀察板面質(zhì)量或是通過(guò)酸洗板樣后觀察低倍組織才能發(fā)現(xiàn)。若鋁卷帶有一些輕微而未被發(fā)現(xiàn)的此類(lèi)缺陷進(jìn)入下游工序，則可能產(chǎn)生鋁箔白條質(zhì)量缺陷。

為研究此類(lèi)鑄嘴內(nèi)堵塊的成分，取一小塊進(jìn)行電鏡分析，發(fā)現(xiàn)其成分十分混雜，其中含有F、Ti、Mg、Cl、B、Si、Ca 等，見(jiàn)圖 1、圖 2。

圖1 鑄嘴內(nèi)堵塊電鏡分析（位置1）

圖2 鑄嘴內(nèi)堵塊電鏡分析（位置2）

雖然Ti、B在線添加晶粒細(xì)化劑時(shí)會(huì)被引入，但此次發(fā)現(xiàn)的Ti、B并未出現(xiàn)在同一點(diǎn)；Si、Ca則可能來(lái)源于在線流槽；Cl可能為精煉劑引入。但F、Mg可確定為電解鋁液中帶入的微量元素。對(duì)后續(xù)的爐次取電解鋁液樣品進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電解鋁液中B含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）異常偏高達(dá)50×10-6以上，至最終前箱及板面上均在10×10-6以下，說(shuō)明其B元素在不斷沉淀衰減，因此明確了鑄嘴內(nèi)堵塞是由于電解鋁液中含有的有害微量元素引起聚集造渣。

2.2 板面嚴(yán)重夾渣及原因分析

試制過(guò)程中還曾出現(xiàn)板面嚴(yán)重夾渣的問(wèn)題，外觀上該缺陷為浮凸在板面上的嚴(yán)重黑塊，因此在光學(xué)顯微鏡下并不能在同一視距上清晰顯示。在電鏡下分析此板面夾渣，其成分同樣混雜多種元素，如圖3所示。

圖3 板面黑塊夾渣電鏡分析

分析此類(lèi)夾渣為電解鋁液中懸浮的夾渣物未能被過(guò)濾系統(tǒng)有效攔截，在鑄嘴唇口與軋輥間彎液面處聚合為較大顆粒，同時(shí)鋁液還在持續(xù)氧化造渣成團(tuán)，然后被鋁液流動(dòng)帶入輥縫軋入板面形成此類(lèi)黑塊夾渣。此類(lèi)夾渣在后續(xù)加工過(guò)程中會(huì)對(duì)軋制帶來(lái)不良影響，極有可能造成鋁卷軋制斷帶。

2.3 鋁箔孔洞及原因分析

在前期開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用電解鋁液生產(chǎn)的1235鋁箔坯料經(jīng)軋制到鋁箔雙零六成品后，還曾反饋孔洞缺陷。在部分孔洞缺陷周?chē)l(fā)現(xiàn)異物顆粒鑲嵌于孔洞周邊，這可能是造成鋁箔孔洞的原因，經(jīng)分析這些異物含有Ti、V，見(jiàn)圖4。

圖4 雙零六鋁箔孔洞缺陷異物點(diǎn)電鏡分析

2.4 晶粒粗大及原因分析

采用電解鋁液生產(chǎn)鑄軋鋁箔坯料，還容易出現(xiàn)晶粒粗大的問(wèn)題。這是由于電解鋁液溫度過(guò)高，鋁熔體中缺少活性結(jié)晶形核點(diǎn)。在此次研究中也發(fā)現(xiàn)Ti元素是造渣的一大來(lái)源。取鑄軋前箱中的成分蘑菇樣，經(jīng)過(guò)切割取下蘑菇樣中的一小塊試樣，磨拋后上掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)其中有小顆粒的夾渣物，并含有F、Ti等元素，見(jiàn)圖5。分析后認(rèn)為電解鋁液中的個(gè)別微量元素易與Ti造渣沉淀，導(dǎo)致鋁鈦硼絲細(xì)化效果衰減，這也是導(dǎo)致晶粒易偏粗的原因之一。

圖5 成分蘑菇樣中夾渣顆粒電鏡分析

3 鑄軋使用電解鋁液生產(chǎn)鋁箔坯料工藝流程的優(yōu)化

3.1 熔煉工藝流程優(yōu)化

電解鋁液在質(zhì)量上有諸多先天缺陷，為了合理利用電解鋁液生產(chǎn)高品質(zhì)的鋁箔坯料，需要從入爐料就開(kāi)始優(yōu)化，以減輕這些不利的影響。

經(jīng)過(guò)分析，電解鋁液中有害微量元素與電解原料和電解槽的工況存在直接關(guān)聯(lián)，為了提升電解鋁液生產(chǎn)鋁箔坯料的質(zhì)量，必須對(duì)電解鋁液進(jìn)行質(zhì)量把關(guān)。經(jīng)過(guò)分析和實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，部分微量元素至少應(yīng)滿(mǎn)足下頁(yè)表1的要求。

除此之外，為了保證具有足夠的活性形核質(zhì)點(diǎn)，同時(shí)降低電解鋁液在熔煉爐中的溫度，還必須搭配一定量的固體料，固料比例至少應(yīng)在30%以上。

表1 電解鋁液中微量元素控制

由于電解鋁液中堿金屬含量較高的特性，精煉工序需得到加強(qiáng)，使用5%～10%濃度的氯氣混合氬氣對(duì)爐內(nèi)進(jìn)行不少于15 min的精煉，或采用優(yōu)質(zhì)精煉劑多次精煉。

此外還需優(yōu)化熔煉爐工藝，在精煉扒渣結(jié)束后，熔煉爐配料中配入一定量的Ti，同時(shí)在熔煉爐內(nèi)進(jìn)行30 min以上的靜置，以此促進(jìn)Ti與有害微量元素的先期沉淀造渣。轉(zhuǎn)爐時(shí)避免將爐底的鋁液全部轉(zhuǎn)盡，以此確保轉(zhuǎn)入保溫爐內(nèi)的鋁液是較為潔凈和含有較少有害微量元素的。

3.2 鑄軋工藝流程優(yōu)化

在熔煉經(jīng)過(guò)一系列的工藝優(yōu)化加強(qiáng)后，轉(zhuǎn)入保溫爐中進(jìn)入鑄軋機(jī)列生產(chǎn)的鋁液是比較潔凈的。為了更進(jìn)一步提高鋁液質(zhì)量，對(duì)于在線鋁鈦硼絲質(zhì)量的把關(guān)尤為重要。由于鋁鈦硼絲中的TiB2顆粒本身就是夾渣物之一，選用質(zhì)量不佳的鋁鈦硼絲本就將帶來(lái)較大的夾渣風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也影響晶粒細(xì)化效果，在此次研究中也曾多次發(fā)現(xiàn)不合格的鋁鈦硼絲。主要通過(guò)取樣高倍檢測(cè)，剔除不合格的鋁鈦硼絲。

在線除氣對(duì)確保熔體氫含量至為關(guān)鍵，優(yōu)化除氣葉輪形狀，加強(qiáng)除氣爐蓋密封，同時(shí)在除氣爐排煙口加裝抽塵裝置，對(duì)改善除氣爐工況，提高除氣效率起到了較好的效果，經(jīng)優(yōu)化后的除氣爐處理后，每100 gAl熔體氫含量均能降至0.12 mL以下，氫含量甚至低于一些使用全固體料生產(chǎn)的廠家，有效地保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

因電解鋁液熔體質(zhì)量較差，對(duì)過(guò)濾板將造成較大的負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致其易堵塞，更換過(guò)程的震動(dòng)和過(guò)濾片剛開(kāi)始使用浸潤(rùn)不充分等因素，均可能導(dǎo)致質(zhì)量的波動(dòng)。為解決此問(wèn)題，采用了17英寸（43.18 cm）加15英寸（38.10 cm）的大過(guò)濾板雙級(jí)組合，有效提高了過(guò)濾面積，加強(qiáng)了其過(guò)濾效果和使用時(shí)間。

此外還需進(jìn)一步優(yōu)化鑄嘴材質(zhì)并加嚴(yán)檢測(cè)，確保鑄嘴唇口的平直，由此減少了鑄軋區(qū)長(zhǎng)度，確保鑄嘴與軋輥緊密接觸，減少了鑄嘴與輥縫間的鋁液敞露面積，可減少黑塊夾渣物帶入板面的風(fēng)險(xiǎn)。

4 產(chǎn)品使用情況跟蹤

通過(guò)對(duì)鑄軋使用電解鋁液生產(chǎn)雙零六鋁箔坯料的一系列研究，實(shí)施多項(xiàng)優(yōu)化措施，固化工藝后產(chǎn)出的鋁箔坯料質(zhì)量情況良好，批量供貨數(shù)千噸，鋁箔坯料力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2，鋁箔質(zhì)量指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表3，均達(dá)到國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平。

表2 力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)比

表3 鋁箔質(zhì)量指標(biāo)對(duì)比

5 結(jié)論

本研究采用電解鋁液直接鑄軋生產(chǎn)雙零六鋁箔坯料，得出了結(jié)論如下：

1）電解鋁液溫度高、夾渣多、有害微量元素多，采用電解原鋁液鑄軋生產(chǎn)鋁箔坯料易造成產(chǎn)品的條紋、板面夾渣、孔洞針孔、粗晶等質(zhì)量問(wèn)題。

2）電解鋁液中的有害微量元素這一先天缺陷必須在上游電解生產(chǎn)時(shí)便得到控制，并給出了相應(yīng)的控制要求。

3）優(yōu)化熔煉、鑄軋工藝，可有效減輕電解鋁液對(duì)鑄軋產(chǎn)品質(zhì)量的影響，完全可以生產(chǎn)出滿(mǎn)足下游客戶(hù)要求的雙零六鋁箔坯料。