鋁合金熔鑄用熔煉爐+保溫爐爐組與熔保一體爐的優(yōu)缺點比較

劉民章

(青海橋頭鋁電股份有限公司技術(shù)中心， 青海 西寧 810100)

0 前言

鋁合金熔鑄的工藝流程為配備料(電解鋁液+固體爐料)→熔煉→預(yù)精煉→攪拌→靜置→扒渣→取樣分析→轉(zhuǎn)爐→調(diào)整溫度與成分→精煉→攪拌→靜置→扒渣→放流鑄造。由工藝流程可知，鋁合金熔鑄過程中約90%的工作量是在熔煉爐與保溫爐中進(jìn)行的。因此，熔煉爐與保溫爐是鋁合金熔鑄的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，其運(yùn)行狀況好壞直接關(guān)系到鋁合金熔鑄產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣。熔煉爐和保溫爐的主要作用是熔化爐料、調(diào)整熔體的化學(xué)成分和溫度、對合金液實施精煉以降低合金液的渣、氣含量等。本文主要對鋁合金熔鑄用熔煉爐與保溫爐的兩種主要形式的優(yōu)缺點進(jìn)行了分析。

1 鋁合金熔鑄用熔煉爐與保溫爐的主要形式

長期以來，鋁合金熔鑄生產(chǎn)中使用的熔煉/精煉設(shè)備均采用熔煉爐+保溫爐的設(shè)備配置，即1臺熔煉爐配備1臺或2臺保溫爐構(gòu)成鋁合金熔煉/精煉系統(tǒng)，熔煉爐與保溫爐之間通過鋁液轉(zhuǎn)注溜槽連接在一起，溜槽成為將鋁液由熔煉爐轉(zhuǎn)入保溫爐的流動通道。溜槽采用鋼制外殼，內(nèi)部用耐火材料澆筑而成或用耐火材料預(yù)制塊砌筑而成[1]。熔煉爐的主要作用是將爐料熔化為符合合金牌號所規(guī)定化學(xué)成分要求的鋁合金熔體，并達(dá)到規(guī)定的熔體溫度；而保溫爐的主要作用則是對熔體進(jìn)行爐內(nèi)精煉處理，通過精煉處理除去鋁合金熔體中的氣體(主要是H2)和非金屬夾雜物(主要是Al2O3)，以提升鋁合金熔體的純凈度，使之符合高品質(zhì)鋁合金熔鑄產(chǎn)品(鑄軋板、扁錠和圓鑄錠)的冶金質(zhì)量要求。除此之外，保溫爐還具有對合金熔體進(jìn)行化學(xué)成分和溫度進(jìn)行微調(diào)的作用，使之滿足熔鑄產(chǎn)品的鑄造要求。

隨著鋁合金熔鑄技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，近些年來，出現(xiàn)了另一種集鋁合金熔煉與精煉為一體的鋁合金熔保爐，即將鋁合金熔煉與精煉全部集中在熔保爐內(nèi)進(jìn)行。

2 熔煉爐+保溫爐爐組的優(yōu)缺點

2.1 優(yōu)點

在熔煉爐+保溫爐組中進(jìn)行熔煉時，由于合金熔體是在熔煉爐中進(jìn)行預(yù)精煉后轉(zhuǎn)注進(jìn)入保溫爐中進(jìn)行精煉、成分微調(diào)和溫度調(diào)整，且通過預(yù)精煉已經(jīng)將熔體中的堿(土)金屬元素含量降低到極低(通常低于3ppm)。因此，可以將堿(土)金屬與爐襯之間反應(yīng)對熔體造成的污染減小到最低程度，從而使熔體質(zhì)量得到明顯的改善，熔體的清潔度相對較高，這對于高品質(zhì)鋁合金熔鑄產(chǎn)品的生產(chǎn)十分重要。

2.2 缺點

熔煉爐+保溫爐爐組的主要缺點如下：

1)建設(shè)費(fèi)用較高。由于熔煉爐+保溫爐爐組在建設(shè)時，必須同時建造1臺熔煉爐和1臺或2臺保溫爐，且還必須在熔煉爐與保溫爐之間砌筑連通的鋁液轉(zhuǎn)注溜槽，因此，建設(shè)費(fèi)用較高。

2)噸鋁能耗相對較高。鋁合金熔體熔煉完成后，必須通過鋁液轉(zhuǎn)注溜槽將合金熔體由熔煉爐轉(zhuǎn)注到保溫爐中進(jìn)行精煉和調(diào)整成分、溫度。在熔體轉(zhuǎn)注過程中，溜槽的耐火材料內(nèi)襯必然會將熔體中蘊(yùn)含的熱量吸收掉一部分，且溜槽頂部敞開大面也會散發(fā)掉一部分熱量，從而造成熔體溫度降低。這將會影響熔體的精煉效果，降低合金熔體的純凈度，最終影響鋁合金熔鑄產(chǎn)品的冶金質(zhì)量。由此可見，采用熔煉爐+保溫爐爐組時，合金熔體的溫度變化比較頻繁，而且波動比較大，只有通過保溫爐加熱系統(tǒng)對其加熱才能進(jìn)行有效的精煉處理。因此，采用熔煉爐+保溫爐爐組時，所需要的噸鋁能耗相對較高。

3)鋁熔體由熔煉爐轉(zhuǎn)注到保溫爐時，要經(jīng)過大約8～10 m的轉(zhuǎn)注溜槽，溜槽內(nèi)襯是由耐火材料砌筑而成的，如果耐火材料內(nèi)襯出現(xiàn)破損，將會在熔體流經(jīng)時，將耐火材料顆粒卷入鋁熔體中，造成熔體污染。因此，在日常生產(chǎn)過程中，鋁液轉(zhuǎn)注溜槽的維護(hù)保養(yǎng)非常重要。只有保持鋁液轉(zhuǎn)注溜槽的完好，才能將溜槽內(nèi)襯對熔體的污染降低到最低程度。

4)過程操作相對比較繁雜。

3 熔保一體爐

3.1 對鋁合金熔鑄產(chǎn)品的影響

與熔煉爐+保溫爐組熔煉相比，利用熔保一體爐熔煉鋁合金熔體時是將熔煉與精煉、成分和溫度調(diào)整在同一臺爐子內(nèi)進(jìn)行，這對于高品質(zhì)熔鑄產(chǎn)品的生產(chǎn)，熔體質(zhì)量控制難度加大。在鋁合金熔煉過程中，加入熔池中的爐料是各種各樣的，其化學(xué)成分涉及到1xxx系至8xxx系。尤其是采用“短流程”工藝進(jìn)行熔鑄時，電解鋁液直接注入熔保爐，使得熔保爐中的Na、K、Si、Fe等有害雜質(zhì)含量大大增加。

3.1.1 堿金屬元素置換反應(yīng)的影響

熔保爐中雜質(zhì)元素含量的升高，不僅對熔體造成污染，而且會通過與爐襯材料組成之間的置換反應(yīng)，加大對爐襯材料的損毀。反過來，置換反應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物又加劇了熔體的污染程度，從而加大了合金熔體的精煉難度，并降低了熔鑄產(chǎn)品的品質(zhì)。這些反應(yīng)主要發(fā)生在堿(土)金屬元素K、Na、Mg與耐火材料中SiO2、Al2O3、Fe2O3和Ti2O3等組成之間。在熔煉溫度下，通過爐料進(jìn)入熔體中的K、Na、Mg，一部分成為氣態(tài)(沸點分別為760 ℃、882.9 ℃和1 090 ℃)和爐氣中的CO2、CO與爐襯材料發(fā)生如下反應(yīng)[2-3]：

3K2(g)+(3Al2O3·2SiO2)(g)+4SiO2(l)+3CO(g)→
3(K2O·Al2O3·2SiO2)(s)+3C(s)

(1)

3Na2(g)+(3Al2O3·2SiO2)(g)+4SiO2(l)+3CO(g)→
3(Na2O·Al2O3·2SiO2)(s)+3C(s)

(2)

3Mg(g)+Al2O3(g)→3MgO(s)+2Al(l)

(3)

3Mg(g)+Fe2O3(s)→3MgO(s)+2Fe(g)

(4)

2Mg(g)+SiO2(s)→2MgO(s)+Si(s)

(5)

3Mg(g)+Ti2O3(g)→3MgO(s)+2Ti(s)

(6)

3.1.2 重金屬元素沉積的影響

此外，熔體中比重較大的合金元素，如Fe、Mn、Cu、Cr等，也會沉積在熔池底部耐火材料中，在合金品種更換時，對熔體造成污染，影響熔鑄產(chǎn)品化學(xué)成分的準(zhǔn)確性及性能。

3.2 除堿處理

在熔保一體爐中進(jìn)行鋁合金熔體熔煉時，尤其是用電解鋁液直接配料生產(chǎn)鋁合金熔鑄產(chǎn)品時，在將電解鋁液由電解車間運(yùn)送到熔鑄車間后，首先應(yīng)在抬包內(nèi)對電解鋁液進(jìn)行除堿處理，如圖1所示。對電解鋁液進(jìn)行預(yù)處理所使用的材料是無水氟化鋁，這種材料在電解鋁廠是現(xiàn)成的。按照抬包內(nèi)電解鋁液的重量，氟化鋁的加入量為7.5 kg/t。經(jīng)過預(yù)處理的電解鋁液，可以實現(xiàn)90%的除鈉和除鉀效率，將電解鋁液中的鈉含量控制在小于或等于1×10-6～2×10-6，從而將電解鋁液中堿(土)金屬的不利影響降低到最小程度。

圖1 抬包內(nèi)電解鋁液的除堿裝置

3.3 熔保一體爐的優(yōu)點

與熔煉爐+保溫爐組相比，熔保一體爐具有如下優(yōu)點：

1)建設(shè)費(fèi)用低。熔保一體爐在建設(shè)時只需要建造1臺爐子，而且省去了熔煉爐與保溫爐之間的鋁液轉(zhuǎn)注溜槽，因此，其建設(shè)費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熔煉爐+保溫爐組。

2)噸鋁能耗低。操作相對簡單，省去了對鋁液轉(zhuǎn)注溜槽的日常維護(hù)保養(yǎng)工作，同時也消除了鋁液轉(zhuǎn)注過程中的熔體溫度損失和熔體污染的風(fēng)險，因此，采用熔保一體爐的噸鋁能耗比熔煉爐+保溫爐組低得多。

4 結(jié)論

在鋁合金產(chǎn)品熔鑄中，熔煉爐+保溫爐組與熔保一體爐各自具有其優(yōu)缺點：

1)熔煉爐+保溫爐組的建設(shè)費(fèi)用和噸鋁能耗高于熔保一體爐。

2)熔煉爐+保溫爐組處理的鋁合金熔體的質(zhì)量優(yōu)于熔保一體爐。

3)對于品質(zhì)要求高的鋁合金熔鑄產(chǎn)品可采用熔煉爐+保溫爐組生產(chǎn)，對于品質(zhì)要求低的鋁合金熔鑄產(chǎn)品可以采用熔保一體爐生產(chǎn)。

4)無論是用熔煉爐+保溫爐組還是熔保一體爐，當(dāng)利用電解鋁液直接配料生產(chǎn)鋁合金熔鑄產(chǎn)品時，應(yīng)對電解鋁液進(jìn)行預(yù)(除堿)處理。