鋁合金熔體在線凈化系統(tǒng)關鍵技術創(chuàng)新及應用

陳亞仁

(福建省南平鋁業(yè)股份有限公司，福建 南平 353000)

鋁合金材料熔煉過程中主要靠除氣除雜凈化工藝技術與裝備來保證純凈度，爐外旋轉噴吹在線精煉是目前較先進的凈化處理工藝，在此基礎上開發(fā)了FILD、SNIF、MINT等在線凈化系統(tǒng)[1]。這類系統(tǒng)主要依靠惰性氣泡吸附氫和夾雜物進行凈化，單級旋轉噴吹凈化效果有限，處理后的氫含量仍然高達1.5～2.0 mL/kg Al，無過濾條件下除雜率約為70%[2-3]，難以滿足鋁材高精尖加工時的品質要求。為提高凈化效果，需要采用多級的旋轉噴吹結構，所需設備龐大，占地面積大。此外，這類設備安裝在鋁水流槽下側，澆注結束后旋轉噴吹爐內會有鋁水殘留，影響鋁水的利用率。

本研究突破傳統(tǒng)的單一依靠惰性氣體在線噴吹的凈化工藝，采用旋轉噴吹與真空復合的凈化方法，在吸收消化國外引進的SIR鋁液在線凈化系統(tǒng)技術的基礎上，設計改進了一種結構緊湊，凈化效果好，且無鋁水殘留的在線鋁液凈化裝置，并建立超高冶金質量的鋁合金熔鑄生產線。

1 旋轉噴吹與真空復合凈化原理

1.1 結構原理

旋轉噴吹與真空復合在線凈化系統(tǒng)的結構原理如圖1所示。該系統(tǒng)的核心部件為密閉的反應器，該反應器用擋板隔成兩個上部相通的處理室(鋁水輸入室和輸出室)，底部安裝兩個轉子，向鋁熔體噴吹氬氣，通過彌散的氬氣泡吸附氫原子或夾雜物，并隨氣泡上浮至熔體液面。頂部裝有抽真空系統(tǒng)，讓反應器保持一定的真空度，一方面在負壓作用下反應器內的鋁熔體液面會不斷升高，直至達到壓力平衡，另一方面液面的真空環(huán)境可以改善氣泡的上浮動力學條件，從而實現(xiàn)鋁熔體在線除雜除氣凈化處理。

圖1 旋轉噴吹與真空復合凈化原理圖Fig.1 Schematic diagram of rotary degassing combined with vacuum purification

1.2 機理分析

采用氬氣對鋁熔體除雜除氣的過程如圖2所示。分為4個階段，第一階段通過對流和擴散，氫原子或顆粒狀夾雜物遷移到氬氣泡的氣-液界面；第二階段氫原子和夾雜物吸附到氣-液界面上，氫原子在界面上聚集后，結合成氫分子；第三階段氫分子擴散進入氣泡內。第四階段吸附著氫氣和夾雜物的氬氣泡上浮至鋁熔體表面，通過扒渣后去除。

圖2 氣泡除氣除雜過程示意圖Fig.2 Process of degassing and purifying with bubbles

第一階段中，氫原子向惰性氣泡遷移的傳質通量如公式(1)[4]：

(1)

式中：n1為氫原子傳質通量，g/(cm2·s)；A為惰性氣泡表面積，cm2；t為除氣時間，s；Cm為鋁液內部氫原子濃度，g/cm3；Cms為惰性氣泡表面氫原子濃度，g/cm3；D為氫原子擴散系數，cm2/s；v為惰性氣泡運動速度，cm/s；r為惰性氣泡半徑，cm。

第二和第三階段，氫分子的傳質通量如公式(2)[4]：

(2)

式中：n2為氫分子傳質通量，g/(cm2·s)；KL為Langmuir方程系數；ε為凝結系數；Pe(i)為鋁液上方或惰性氣泡內氣體i的飽和蒸氣壓，MPa；Pg(i)為惰性氣泡表面氣體i的飽和蒸氣分壓，MPa；Mi為氣體i的相對原子質量；Tms為鋁液溫度，K。

由式(1)和式(2)可知，真空可以增大氣體原子的蒸氣壓差Pe(i)-Pg(i)，通過旋轉噴頭的優(yōu)化設計可以使惰性氣體氣泡變得細小，增大氣泡表面積A，且將噴頭安裝在反應器底部也可以增加惰性氣體與氫原子的作用時間t，這些都有利于提高氫原子向氣泡的傳質能力，從而提高氬氣泡的除氣和除雜效果。

2 在線凈化系統(tǒng)的主要工藝參數

挪威海德魯鋁業(yè)公司對所開發(fā)的SIR鋁液在線凈化系統(tǒng)的凈化處理工藝參數(如鋁液流量、夾雜物尺寸和氬氣泡大小等)進行研究[5]。結果表明，鋁熔體流量較大時(如52或63 t/h)，除氫率略有降低, 流量較小時(如10或25 t/h)，除氫率較高。但在保證足夠的氣液流量比情況下，熔體流量對除雜率并沒有顯著影響，綜合除雜率達到80% 以上。

夾雜物原始尺寸對除雜率影響較大，夾雜物尺寸越大，在線凈化系統(tǒng)的除雜效果越好，對直徑40 μm以上的大尺寸夾雜物，除雜率可達到85% 以上，而直徑小于20 μm時，除雜率約為50%。當氬氣泡尺寸為5～10 mm時，氣泡尺寸越小，除雜率越高。

3 在線凈化系統(tǒng)的凈化裝備結構優(yōu)化設計

3.1 總體結構圖與工作流程

在線凈化系統(tǒng)總體結構如圖3所示，其中,反應器安裝在流槽側面上方。工作時，鋁熔體將反應器的出入口堵住后，啟動旋轉石墨轉子，并通氬氣，待流槽中熔體高度達到120 mm后，啟動抽真空系統(tǒng)，反應器中的鋁熔體液在負壓作用下，開始上升，當反應器內鋁液高度達到500 mm后，石墨轉子轉速提高至700 r/min，當反應器內鋁液高度達到900 mm以上，鋁熔體從反應器輸入室進入，從輸出室流出，并進入鑄機。在處理過程中，鋁液高度保持在950 mm，真空度維持在-2 150 kPa。凈化處理結束后，關閉抽真空系統(tǒng)，反應器內的鋁液可從出入口流入流槽，在反應器內不會有鋁液殘留，可直接更換處理的鋁合金類型，整套系統(tǒng)采用數字化，并通過傳感器控制鋁液高度。

圖3 在線凈化工作流程圖Fig.3 Process of on-line purification system

3.2 反應器結構及內襯改進

反應器是在線凈化系統(tǒng)的主體部件，優(yōu)化設計提升反應器高度為2 200 mm，以強化除雜和除氣效果。原裝置內襯的中間擋墻和轉子安裝錐度環(huán)部位為分體式安裝組合在箱體內襯中，在生產使用過程中存在如下問題：中間擋墻與箱體內襯間縫隙滲鋁，造成中間擋墻向外移位，外端面凸出箱體表面影響門密封；轉子安裝錐度環(huán)容易開裂，不利于轉子安裝的同心度控制，同時鋁液滲入內部縮短了密封材料壽命。改進設計為制造組合式內襯模具將中間擋墻、轉子安裝錐度環(huán)與箱體內襯設計為整體式，一次澆筑成型、養(yǎng)護燒結，較好地解決了原有除氣箱體內襯存在問題，改進的內襯結構如圖4所示。

圖4 反應器設計結構圖Fig.4 Structural design of the reactor

3.3 石墨轉子的試制

石墨轉子是反應器的核心部件，置于反應器的底部，在鋁熔體表面不存在漩渦的情況下，能夠提高非金屬物質的凈去除效率，降低帶走熔融表面物質的幾率，也促進鑄件表面變得光滑。

通過轉子設計、材料優(yōu)化、轉子試制和在線檢測，石墨轉子用高純石墨材料制成，均勻開設12個出氣孔，并進行表面抗氧化處理，石墨轉子結構的優(yōu)化設計圖如圖5所示。

圖5 石墨轉子設計結構圖Fig.5 Structure design of the graphite rotor

3.4 氬氣系統(tǒng)的優(yōu)化設計

氬氣控制系統(tǒng)優(yōu)化結構圖如圖6所示，設有一個入口和兩個出口，分別連接兩個旋轉噴頭。設計了流量控制器，用于調整氬氣流量的大小；設計過濾器，用于去除氬氣中的固態(tài)雜質。設計壓力傳感器和壓力調節(jié)器，確保氬氣的平衡輸送。氬氣入口氣壓為500～1 600 kPa，流速可小于200 L/min。

圖6 氬氣系統(tǒng)結構圖Fig.6 Structure of the argon flow controlling system

4 在線凈化系統(tǒng)的應用效果與分析

應用上述自主優(yōu)化設計的在線凈化系統(tǒng)處理鋁合金熔體，隨機取涵蓋1系、2系、3系、6系、7系鋁合金共8爐次的除氣和除雜效果數據進行分析評價，用Alscan鋁液測氫儀在線測試氫含量，結果如圖7所示，用PoDFA離線測渣法測試夾雜物含量，結果如圖8所示。

圖7 在線凈化系統(tǒng)現(xiàn)場應用除氣效果數據統(tǒng)計Fig.7 Statistics of degassing effect of on-site application of the online purification system

由圖7可以看出，在取樣測試的8個爐次中，處理前氫含量為0.165～0.257 mL/100gAl，處理后氫含量為0.083～0.126 mL/100gAl，除氣率為41.1%～58.9%，合金元素對除氣效果基本無影響，表明該系統(tǒng)對各類鋁合金具有普遍適用性。初始氫含量越高，除氣率也相應較高，如氫含量大于0.2 mL/100gAl的2017、3003、7003三種牌號鋁合金，其除氣率都達到50%以上。

由圖8可見，處理前渣含量為0.104～0.310 mm2/kg，處理后渣含量為0.007～0.024 mm2/kg，除雜率為84.7%～94.1%，除氣除雜效果顯著，且除雜率明顯高于除氣率，可以有效保證鋁合金熔體的高純凈度。

圖8 在線凈化系統(tǒng)現(xiàn)場應用除渣效果數據統(tǒng)計Fig.8 Statistics of purification effect of on-site application of the online purification system

5 結語

采用石墨轉子底部旋轉噴吹氬氣和真空復合凈化鋁熔體方法，通過增大氫氣的蒸氣壓、減小氬氣泡的尺寸、提高氣泡與鋁液的作用時間，能顯著改善除雜除氣的動力學條件。

通過對國外引進的在線凈化系統(tǒng)的消化吸收，對在線凈化系統(tǒng)結構進行優(yōu)化，形成了反應器尺寸改良、內襯結構改善和氬氣系統(tǒng)設計等多項再創(chuàng)新，在線凈化系統(tǒng)除氣除雜效果優(yōu)良，除氣率達到40%以上，除雜率達到85%以上。鋁熔體冶金質量達到高精尖鋁合金產品的純凈度要求。