高性能鋁液凈化與精煉設(shè)備的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化

李新春 唐勇軍

摘要：鋁制品對于居民日常生活當(dāng)中具有重要的作用，在早期鋁制品生產(chǎn)制作過程當(dāng)中，因為自身工藝手段不完善，導(dǎo)致在電解鋁液當(dāng)中含有大量的氧化鋁殘留，這種殘留物質(zhì)嚴(yán)重的影響到鋁制品自身質(zhì)量。因此如何有效的清除電解鋁液當(dāng)中的氧化鋁雜質(zhì)，是目前在該行業(yè)當(dāng)中亟需解決的問題之一。

關(guān)鍵詞：高性能鋁液凈化;精煉設(shè)備;研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化

引言

隨著時代的發(fā)展，居民對于自身日常用品質(zhì)量要求逐漸升高。之前在鋁制品制作過程當(dāng)中，普遍使用的是長流程制作工藝，在該制作流程當(dāng)中，對于電解鋁液當(dāng)中氧化鋁等雜質(zhì)沒有辦法及時進(jìn)行清除，嚴(yán)重影響鋁制品質(zhì)量。之前鋁制品因為品質(zhì)問題一直沒有辦法真正打開市場。

1產(chǎn)業(yè)背景

鋁液凈化與精煉設(shè)備的性能對提高加工效率和加工質(zhì)量均具有重要作用。目前市場上的鋁液凈化與精煉設(shè)備存在著工人操作環(huán)境差，熱、空氣、粉塵污染嚴(yán)重等問題。鋁液凈化與精煉過程中不僅會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，同時也增加了加工的制造成本。當(dāng)前，在全球環(huán)保意識不斷增強(qiáng)和環(huán)保立法逐漸嚴(yán)格的大趨勢下，如何在利用資源生產(chǎn)出不斷滿足人們物質(zhì)和文化需求的產(chǎn)品的同時，盡可能地減少對環(huán)境造成的污染已經(jīng)成為制造業(yè)面臨解決的重要問題。在這一形勢下，低環(huán)境負(fù)荷、高資源效益的綠色高性能鋁液凈化與精煉設(shè)備的制造已經(jīng)成為了制造業(yè)尋求發(fā)展的必然制造模式。本項目研發(fā)的鋁液凈化與精煉設(shè)備是綠色制造實(shí)施的具體體現(xiàn)，它降低了鋁液凈化與精煉過程中可熔的擴(kuò)散氫氣與固體雜質(zhì)顆粒的漂浮，已經(jīng)成為了鋁液凈化與精煉設(shè)備研發(fā)制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

鋁熔體凈化處理是生產(chǎn)高質(zhì)量鋁鑄件的基本措施，也是提高鋁合金綜合性能的重要手段。鋁合金熔體精煉、除氣效果對疏松、氣孔、夾雜等的形成有明顯影響，直接關(guān)系到鋁鑄件物理、力學(xué)及使用性能。

鋁是一種活潑金屬，易吸氫。鋁液中的氣體主要是氫氣（約占 80%～90%），其次是氮?dú)狻⒀鯕狻⒁谎趸嫉?，主要是在鋁熔煉和澆注過程中從空氣中吸收的。氫氣是唯一可以溶解在鋁熔體中的氣體，其溶解度隨著鑄造過程中金屬的凝固而下降，在凝固過程中來不及析出而以氣孔、針眼等形缺陷式存在鑄件中，造成廢品。這將會嚴(yán)重的影響鋁（鋁合金）的物理、力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率及耐蝕性能等）。同時，含氫量高的熔體流動性也會變差，充型能力下降。

精煉是去除鋁液中的氣體和堿金屬、非金屬夾雜物等對鑄造有害成分，保證獲得高質(zhì)量鋁液的有效方法。過去，精煉處理僅僅實(shí)在熔煉爐或保溫爐內(nèi)進(jìn)行。但是近年來為減少費(fèi)用，增加產(chǎn)量，保證更穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量，迫使許多用原鋁生產(chǎn)加工的工廠和再生鋁生產(chǎn)都采用在線精煉。

除氣是精煉的重要步驟，是去除鋁液中的有害氣體的主要方法。除氣的主要目的是在鑄造之前或者盡量靠近鑄造的地方消除溶解在鋁熔體中的氫氣。除氫的目標(biāo)主要取決于鋁合金產(chǎn)品的最終用途，如常規(guī)的6系擠壓棒材氫含量指標(biāo)一般為0.20ml/100gAl，航空用大扁錠氫含量指標(biāo)一般為0.10ml/100gAl。

根據(jù)除氣原理，鋁熔體的除氣方法可以分為吸附型和非吸附型。吸附型是指通過人為添加凈化劑達(dá)到去除鋁熔體中氣體的方法。主要包括：熔劑法和氣泡浮游法;非吸附型是指通過物理化學(xué)作用，打破系統(tǒng)原來的平衡狀態(tài)，使氣體從熔體中分離出來，達(dá)到新的平衡狀態(tài)的方法。主要包括：真空除氣、靜置除氣和超聲波除氣等。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1微正壓型腔除氣微氣泡

在線式除氣系統(tǒng)的除氣效果，取決于除氣微氣泡在除氣室內(nèi)的有效工作時間。微氣泡必須能夠在整個除氣箱體內(nèi)形成除氣氣流而不形成渦流。為此，轉(zhuǎn)子（包括除氣氣體噴嘴）的設(shè)計、工藝氣體流量以及除氣箱體型腔的幾何形狀等參數(shù)必須精準(zhǔn)匹配，本項目在綜合考慮效率和復(fù)雜度兩方面問題的基礎(chǔ)上，提出增大除氣微氣泡在鋁液中的散布和停留時間，同時保持相對平整的熔體表面使得雜質(zhì)可飄浮到液面并與鋁液分離的方法。為此，根據(jù)進(jìn)口鋁液的流速設(shè)計相對復(fù)雜

的除氣路徑，并在除氣室上部用惰性氣體密封形成微正壓空間，以降低由除氣微氣泡打破鋁熔體表面而引起的雜質(zhì)生成及金屬氧化。

2.2石墨轉(zhuǎn)桿高溫連接

在鋁鑄造生產(chǎn)工藝中，鋁熔體的溫度為710℃，除氣箱內(nèi)氛圍溫度可以達(dá)到800℃以上。可以近似地認(rèn)為，在800℃的環(huán)境條件下，不銹鋼變形量大約是石墨的4倍，除氣石墨桿與主軸的可靠連接，就是必要要考慮的問題。同時由于石墨桿的壽命及工藝需求，也需要石墨桿可以在生產(chǎn)過程中快速拆卸。本項目設(shè)計的高溫聯(lián)軸器，用以連接不銹鋼主軸與長石墨桿，并傳遞動力及扭矩。同時利用聯(lián)軸器自身構(gòu)造設(shè)計，實(shí)現(xiàn)石墨桿在線快速裝拆作業(yè)，而不致造成鑄造中斷，影響生產(chǎn)。

2.3空間陣列硅碳棒

除氣過程中，為了保證除氣微氣泡的散布和和溶解吸收氫氣，必須保證除氣箱內(nèi)的溫度在一定的控制范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的硅碳棒加熱器為平面形式，不能充分利用容器的體積，對容器內(nèi)壁輻射不均勻，各硅碳棒的熱負(fù)荷也不均勻，容器和硅碳棒的使用壽命都受到影響。本項目開發(fā)的新型空間陣列硅碳棒，整體為空間對稱結(jié)構(gòu)，充分利用圓柱形容器或保護(hù)套的空間，得圓柱形容器或保護(hù)套內(nèi)壁受熱均勻，連接件到各棒體的接線端的距離一致，距離一致使得電阻一致，使用時熱負(fù)荷一致，同組硅碳棒性能變化一致，整體使用壽命得到延長。

2.4鑄造前流槽加熱

同前，為了保證除氣微氣泡的散布和和溶解吸收氫氣，必須控制除氣箱內(nèi)的溫度。由于除氣箱內(nèi)的加熱器受空間限制，功率有限，難以單靠除氣箱自帶的加熱器難以完全對低溫鋁液進(jìn)行溫度補(bǔ)償。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，鋁液在進(jìn)入除氣箱前進(jìn)行保溫處理對除氣效果有很大的影響，為此，本項目開發(fā)了鑄造前流槽加熱系統(tǒng)，以外掛形式對進(jìn)出除氣箱的鋁液進(jìn)行保溫處理，以提高整個系統(tǒng)的除氣效率。

3產(chǎn)業(yè)化發(fā)展效益

3.1項目預(yù)期產(chǎn)業(yè)化規(guī)模和經(jīng)濟(jì)社會效益

該項目研發(fā)工作完成后，研制鋁液除氣精煉設(shè)備可用于鋁（鋁合金）的鑄造，鋁（鋁合金）的質(zhì)量和加工效率明顯超過目前國產(chǎn)主流在線式鋁液除氣精煉設(shè)備，設(shè)備的使用壽命可提高50以上。該鋁液除氣精煉設(shè)備使用性能可與目前進(jìn)口主流在線式鋁液除氣精煉設(shè)備持平或超越，考慮成本的綜合性價比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前進(jìn)口主流在線式鋁液除氣精煉設(shè)備。該產(chǎn)品的研發(fā)成功產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作，將成為公司新的利潤增長點(diǎn)，預(yù)計2023年底，累計新增銷售收入920萬元，實(shí)現(xiàn)利稅182.4萬元。公司新增申報知識產(chǎn)權(quán)不低于2項。

本項目研究工作的開展，為鋁液除氣精煉設(shè)備設(shè)計和研發(fā)提供了新的思路和新的研究領(lǐng)域，對豐富和發(fā)展鋁液除氣精煉設(shè)備的設(shè)計理論具有重要的學(xué)術(shù)價值，將對低環(huán)境負(fù)荷、高資源效益的綠色制造的實(shí)施起到積極的推動作用。研究成果的產(chǎn)業(yè)化推廣對促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會進(jìn)步以及科技影響力提升均具有重要意義。

3.2對行業(yè)發(fā)展水平提升、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和鎮(zhèn)江市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的帶動作用

根據(jù)“十三五”有色金屬工業(yè)規(guī)劃，到2020年我國鋁消費(fèi)總量將達(dá)到4300萬噸，中國鋁消費(fèi)的增長強(qiáng)勁孕育著巨大的市場發(fā)展空間，同時也吸引著大量的企業(yè)家不斷涌入到鋁加工行業(yè)當(dāng)中。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)顯示，我國鋁加工行業(yè)規(guī)模以上企業(yè)數(shù)量整體上呈現(xiàn)增長趨勢，從2012年的671家增長至2017年的756家，年復(fù)合增長2.4%。

結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)階段鋁加工、鑄造及再生鋁的生產(chǎn)過程中，要得到高質(zhì)量的純凈鋁液，必須使用合適的鋁液凈化與精煉技術(shù)。目前高性能鋁液凈化與精煉設(shè)備進(jìn)口依賴較大，價格高昂，交付周期長。國內(nèi)的廠家大多以仿制國外的機(jī)型為主。由于專利限制和對鋁液凈化核心技術(shù)掌握不足，使得國內(nèi)設(shè)備生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品無論從設(shè)計理念、結(jié)構(gòu)、外觀、質(zhì)量和售后服務(wù)都存在不小的差距。

本項目擬開發(fā)的高性能鋁液除氣精煉設(shè)備的預(yù)期使用性能將大大超過國內(nèi)普通鋁液除氣精煉設(shè)備，與國外知名企業(yè)的鋁液除氣精煉設(shè)備持平或超越?？梢詾槠髽I(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時產(chǎn)業(yè)市場非常明朗。

作者簡介：

李新春（1979.01.24—），男，壯族，廣西南寧人，碩士研究生， 工程師，主要從事鋁行業(yè)特種設(shè)備研發(fā)及制造工作。