鑄軋液體爐料比例提升熔煉技術研究

劉志文，朱松峰，盧 燕，黃海濤

(洛陽龍鼎鋁業(yè)有限公司， 河南 洛陽 471300)

連續(xù)鑄軋生產(chǎn)技術是目前鋁合金板帶箔坯料生產(chǎn)的主要方式之一，連續(xù)鑄軋是指金屬熔體在連續(xù)鑄造凝固的同時進行軋制變形的過程。將液態(tài)金屬直接澆入輥縫中，軋輥既起著結晶器的作用又同時對金屬進行軋壓變形。降低鋁合金熔煉能耗和污染的清潔生產(chǎn)技術，是國家重點支持的高新技術領域，如何降低鑄軋熔煉生產(chǎn)能耗是一個企業(yè)追求利潤和兼顧環(huán)保的必由之路。

目前鑄軋熔煉生產(chǎn)爐料包括電解鋁液、鋁錠、廢料和合金添加劑等，用電解鋁液直接配料生產(chǎn)鋁合金產(chǎn)品具有節(jié)能、降低燒損和增加生產(chǎn)效率等優(yōu)點，但是由于電解鋁液是采用冰晶石-氧化鋁融鹽高溫電解得到的，具有溫度高、氫含量高、氧化夾雜多等缺點[1]。因此全部采用電解鋁液生產(chǎn)鋁合金產(chǎn)品，必然存在晶粒粗大、氫含量高、氧化夾雜多等問題，通常大多數(shù)鋁合金加工企業(yè)都會選擇最佳的固液比，加入一定量的固體爐料來降低電解鋁液溫度，減小其過熱度，細化晶粒， 這樣既能最大限度的節(jié)能又能獲得良好的鋁合金產(chǎn)品質(zhì)量[2]。關于電解鋁液最佳比例前人研究較多，如蔣詩琪等人[3]、張延麗等人[4]、王建增等人[5]、何正夫等人[6]。目前大多數(shù)鑄軋生產(chǎn)企業(yè)將電解鋁液添加比例控制在50%～70%。

由于存在較大比例的固體爐料，鑄軋熔煉生產(chǎn)需要消耗大量的燃料(如天然氣、煤氣、重油等)加熱爐料，能耗和燒損較高，本文采用一種新的熔煉生產(chǎn)技術，將液體爐料的范圍由單一的電解鋁液拓展為電解鋁液+剩余鋁液，在不增加新加爐料液體爐料比例的前提下，變相的將液體爐料比例提升，重點研究分析了新型熔煉生產(chǎn)技術對熔煉爐燃料能耗和熔煉跨燒損的影響規(guī)律。

1 實驗方法

本實驗在鑄軋3102合金空調(diào)箔坯料熔煉生產(chǎn)中進行，熔煉爐為蘇州某公司的30t圓形熔鋁爐，采用天然氣作為燃料，保溫爐為蘇州某公司的18t電爐，一臺熔煉爐供應兩臺保溫爐，共進行兩批次試驗。

1.1 天然氣能耗試驗

鑄軋采用新型熔煉技術生產(chǎn)4爐，后續(xù)又按照傳統(tǒng)熔煉工藝生產(chǎn)2爐相同電解鋁液比例的爐料進行對比試驗，每爐次記錄天然氣用量。具體試驗工藝如下：第1爐：裝爐(29t裝爐量電解鋁液比例為64%)—爐內(nèi)精煉、成分調(diào)整—倒爐(倒爐20t～22t，熔煉爐余鋁7t～9t)；第2爐：裝爐(21t裝爐量電解鋁液比例為64%)—爐內(nèi)精煉、成分調(diào)整—倒爐(倒爐 20t～22t，熔煉爐余鋁 7t～9t)；第3爐：裝爐(21t裝爐量電解鋁液比例為64%)—爐內(nèi)精煉、成分調(diào)整—倒爐(倒爐20t～22t，熔煉爐余鋁7t～9t)；第4爐：裝爐(21t裝爐量電解鋁液比例為64%)—爐內(nèi)精煉、成分調(diào)整—倒爐(全部倒完)—清爐；第5爐：裝爐(27t裝爐量電解鋁液比例為64%)—爐內(nèi)精煉、成分調(diào)整—倒爐(全部倒完)—清爐；第6爐：裝爐(27t裝爐量電解鋁液比例為64%)—爐內(nèi)精煉、成分調(diào)整—倒爐(全部倒完)—清爐。

1.2 燒損試驗

鑄軋采用新型熔煉技術生產(chǎn)8爐(共計2個周期)，后續(xù)又按照傳統(tǒng)熔煉工藝生產(chǎn)6爐相同電解鋁液比例的爐料進行對比試驗，每爐次稱重并記錄熔煉爐和保溫爐燒損。具體試驗工藝與天然氣能耗試驗相同。

2 實驗結果

2.1 天然氣能耗

第一批次試驗每爐次記錄天然氣用量，具體試驗數(shù)據(jù)見表1。由表1可見，采用傳統(tǒng)熔煉技術生產(chǎn)時(725爐、729爐、730爐)，液體爐料(電解鋁液)比例平均為65.7%時，熔煉爐天然氣噸耗平均為15.6m3/t，采用新型熔煉技術生產(chǎn)時(726爐、727爐、728爐)，液體爐料包含電解鋁液和熔煉爐剩余鋁液兩部分。新加爐料中電解鋁液比例平均為64.4%時，實際爐料中液體爐料比例平均達到74.2%，熔煉爐天然氣噸耗平均為12.3m3/t，天然氣噸耗下降平均為3.3m3/t，降幅達到21.2%?？紤]到試驗中新型熔煉技術四爐一周期(725爐、726爐、727爐、728爐)，熔煉爐天然氣噸耗平均為13.3m3/t，天然氣噸耗下降平均為2.3m3/t，降幅達到14.7%。按照天然氣2.7元/m3的單價計算，采用新型熔煉技術熔煉爐天然氣噸耗可以節(jié)約6.2元/t。

表1 天然氣能耗試驗數(shù)據(jù)

由表1可見，采用新型熔煉技術生產(chǎn)時(726爐、727爐、728爐)的天然氣噸耗明顯低于采用傳統(tǒng)熔煉技術生產(chǎn)時(725爐、729爐、730爐)的天然氣噸耗，如果延長新型熔煉技術周期爐數(shù)，比如由“1+3”周期模式增加到“1+5”或者“1+6”周期模式，則天然氣噸耗還會有下降空間。不過兩種熔煉技術的差別之一是清爐制度不同，傳統(tǒng)熔煉技術倒爐后即清爐，新型熔煉技術由于剩余鋁液的存在，只能一個周期一清，如果延長新型熔煉技術周期爐數(shù)，會使得熔煉爐爐況持續(xù)變差，危害鋁液的精煉凈化效果，所以周期爐數(shù)不能無限增加，生產(chǎn)實踐證明，“1+(3～5)”周期模式較好。

每爐次在倒爐后均在軋制測量熔體氫含量，以此來衡量熔體質(zhì)量是否滿足要求，具體數(shù)據(jù)見表2。由表2可見，采用相同的爐內(nèi)處理和爐外在線處理工藝處理熔體后，兩種熔煉工藝的最終熔體氫含量無明顯變化，均達到工藝要求(氫含量≤0.15ml/100g·Al)，熔體質(zhì)量完全達到工藝要求。坯料經(jīng)過冷軋軋制和涂層處理后表面質(zhì)量和力學性能均能滿足客戶需求。

表2 鋁合金熔體氫含量數(shù)據(jù)

2.2 燒損

第二批次試驗期間每爐次將熔煉爐和保溫爐鋁渣稱重、記錄，具體試驗數(shù)據(jù)見表3。由表3可見，采用傳統(tǒng)熔煉技術生產(chǎn)(917爐～922爐)，新加爐料電解鋁液比例平均為65.5%時，熔煉燒損為2.16%；采用新型熔煉技術生產(chǎn)(909爐～916爐)，新加爐料電解鋁液比例平均為62.8%(液體爐料比例平均為70.6%)時，熔煉燒損為1.77%；熔煉燒損明顯降低，如果剔除熔煉爐剩余鋁液的影響，新加爐料燒損為2.24%，燒損持平。

表3 鋁燒損試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)鑄軋分廠的清爐制度，采用傳統(tǒng)熔煉技術生產(chǎn)時，每三爐大清爐一次，其余小清爐，大清爐后第一爐新加爐料燒損最低(如917爐)，逐漸增加，第三爐清爐，新加爐料燒損最高(如919爐)。根據(jù)試驗方案，采用新型熔煉技術生產(chǎn)時，每四爐大清爐一次，其余不清爐，清爐后第二爐新加爐料燒損最低(如910爐)，逐漸增加，第四爐清爐，新加爐料燒損最高(如912爐)。

3 分析與討論

鋁熔煉爐是典形的周期式髙溫熔煉設備，一般來說，從爐料入爐開始，鋁熔煉過程大致分為4個階段，即爐料裝爐→軟化下塌→爐料化平→爐料全部熔化→熔體升溫階段。剛裝入爐的固體爐料在爐內(nèi)呈料堆狀態(tài)，隨著溫度上升，料堆表面的爐料開始熔化，熔融的鋁液向下流動，當溫度達到660℃左右時，支承料堆的強度消失，料堆下降并沒入液面以下，鋁熔煉爐爐內(nèi)逐漸呈水平液面。在料堆沒入液面之前，火焰直接沖擊在料堆之上，鋁熔煉爐爐內(nèi)對流傳熱效果占主導作用。隨著料堆逐漸沒入液面，液面下的熔體呈固液混合狀態(tài)，對流傳熱作用逐漸下降，鋁熔煉爐爐膛溫度上升速度逐漸加快并很快達到定溫，輻射傳熱作用逐漸上升，這時，表面鋁液的溫度上升很快，并將熱量向液面下的固液混合體傳遞。同時此過程還伴隨著鋁的固液轉(zhuǎn)化，這個階段熔體的溫度變化不大，熔化過程變得緩慢，需要的時間更長，消耗的熱量更多，當固體爐料全部轉(zhuǎn)化成液態(tài)以后，熔體對熱負荷的需求大幅減少，鋁液溫度上升[7]。

熔煉階段的熱量來源主要有熔煉爐爐壁余熱、液體爐料熱量和燃料燃燒熱量，其中以燃料燃燒熱量為主，熔煉爐爐壁余熱和液體爐料熱量為輔，熱量去處主要是固體料溫升、熔化潛熱、液體料溫升和爐壁散熱。采用傳統(tǒng)熔煉技術時，每次倒爐后清爐，添加30%～50%的固體爐料等操作需要較長時間打開爐蓋和爐門，熔煉爐余熱散失嚴重。由于固體料比例高，軟化下塌階段耗時長，料堆沒入液面后，液面下固液混合區(qū)固體比例高，固液轉(zhuǎn)化消耗的熱量更多，因此燃料消耗量大。新型熔煉技術開創(chuàng)性的將液體爐料的范圍拓寬，從單一的電解鋁液變?yōu)槿蹮挔t剩余鋁液+電解鋁液，減少固體料在爐料中的比例，使得爐蓋和爐門開啟時間大為縮短，熔煉爐爐壁余熱散失明顯減少；且軟化下塌階段耗時縮短，料堆沒入液面后，液面下固液混合區(qū)固體比例降低，固液轉(zhuǎn)化消耗的熱量明顯減少，因此燃料(天然氣)噸耗下降約 15%。同時相對于電解鋁液，熔煉爐剩余鋁液是經(jīng)過熔體精煉工藝凈化過的，質(zhì)量遠優(yōu)于電解鋁液，液體爐料比例的增加對產(chǎn)品質(zhì)量的影響大為減弱。

熔煉燒損的產(chǎn)生大致可以分為兩個階段：爐料熔化階段產(chǎn)生的燒損和爐內(nèi)精煉處理產(chǎn)生的燒損。由于精煉處理工藝相同，所以由此產(chǎn)生的燒損應該差別不大。從表3可知，傳統(tǒng)熔煉技術保溫爐燒損平均為0.67%，新型熔煉技術保溫爐燒損平均為0.57%，差別不大，推之，熔煉爐精煉處理燒損應該也差別不大。所以導致爐次間燒損差別較大的原因主要在于爐料熔化階段產(chǎn)生的燒損不同，這也是兩種熔煉技術的根本區(qū)別所在。

采用傳統(tǒng)熔煉技術生產(chǎn)時，由于液體爐料(電解鋁液)比例小，無法浸沒固體料，固體爐料軟化下塌階段耗時長，化料時間長，高溫火焰直接沖擊在料堆之上，與鋁接觸面積大，導致燒損大。采用新型熔煉技術生產(chǎn)時，由于液體爐料(電解鋁液+剩余鋁液)比例大，基本可以浸沒固體料，高溫火焰直接沖擊在液面之上，與鋁接觸面積小，明顯縮短化料時間，燒損變小。但是由于剩余鋁液必須重新進行后續(xù)爐內(nèi)精煉處理，會再產(chǎn)生一部分燒損，二者相互抵消，使得兩種熔煉技術燒損相差不大。

綜上分析，將熔煉爐液體爐料由單一的電解鋁液拓展為電解鋁液+剩余鋁液，在不增加新加爐料中電解鋁液比例的情況下，將液體爐料比例由64%左右提高到74%左右，大幅增加液體爐料供熱量，提高熔煉爐爐壁余熱的利用率，減少固體爐料固液轉(zhuǎn)化所需熱量，縮短爐料熔化時間，從而使得熔煉爐燃料(天然氣)噸耗降低15%左右。采用此種熔煉技術，由于液體爐料的比例超過70%，基本可以浸沒固體料，高溫火焰直接沖擊在液面之上，與鋁接觸面積小，改變爐料熔化階段的傳熱方式，降低化料階段燒損，只不過由于剩余爐料進行再次精煉處理會產(chǎn)生一部分燒損，經(jīng)過中和，熔煉燒損持平。

綜上，此種液體爐料比例提升技術可明顯降低鑄軋熔煉燃料噸耗，燒損持平，且避免液體爐料比例超過70%而造成的產(chǎn)品質(zhì)量惡化。

4 結論

(1)采用傳統(tǒng)熔煉技術生產(chǎn)時，液體爐料(電解鋁液)比例平均為65.7%，熔煉爐天然氣噸耗平均為15.6m3/t；采用新型熔煉技術生產(chǎn)時，新加爐料中電解鋁液比例平均為64.4%，實際液體爐料比例平均達到74.2%，熔煉爐天然氣噸耗平均為12.3m3/t，天然氣噸耗下降平均為3.3m3/t，降幅達到21.2%。考慮到試驗中新型熔煉技術四爐一周期，熔煉爐天然氣噸耗平均為13.3m3/t，天然氣噸耗下降平均為2.3m3/t，降幅達到14.7%。按照天然氣2.7元/m3的單價計算，采用新型熔煉技術熔煉爐天然氣噸耗可以節(jié)約6.2元/t。

(2)采用相同的爐內(nèi)處理和爐外在線處理工藝處理熔體后，兩種熔煉工藝的最終熔體氫含量無明顯變化，均達到工藝要求(氫含量≤0.15ml/100g·Al)，熔體質(zhì)量完全達到工藝要求。坯料經(jīng)過冷軋軋制和涂層處理后表面質(zhì)量和力學性能均能滿足客戶需求。

(3)采用傳統(tǒng)熔煉技術生產(chǎn)，電解鋁液比例平均為65.5%時，新加爐料燒損為2.16%；采用新型熔煉技術生產(chǎn)，新加爐料電解鋁液比例平均為62.8%(液體爐料比例平均為70.6%)時，新加爐料燒損為2.24%；熔煉燒損基本相同。