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)

用電解鋁液直接生產(chǎn)鋁合金產(chǎn)品的優(yōu)缺點分析及其應(yīng)對措施

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)

介紹了電解鋁液的特點，分析了電解鋁液對鋁合金產(chǎn)品生產(chǎn)的優(yōu)點和不利影響，提出了直接利用電解鋁液生產(chǎn)鋁合金產(chǎn)品的應(yīng)對措施。

電解鋁液； 鋁合金產(chǎn)品； 優(yōu)缺點； 應(yīng)對措施

隨著鋁電解工業(yè)的迅速發(fā)展，我國已經(jīng)成為名副其實的鋁生產(chǎn)大國，但距離鋁工業(yè)強國尚相差甚遠。因為無論在鋁加工品種方面還是在高端鋁產(chǎn)品加工質(zhì)量方面，與發(fā)達國家如美國、日本、法國、德國等尚無可比擬。尤其是在直接利用電解鋁液就地轉(zhuǎn)換成鋁加工產(chǎn)品方面，由于受到熔體處理工藝的限制，電解鋁液的就地轉(zhuǎn)換率僅有40%左右，從而大大限制了鋁加工行業(yè)對電解鋁液的直接利用。因此，在充分研究電解鋁液特點的基礎(chǔ)上，分析電解鋁液在鋁合金熔鑄生產(chǎn)中的利弊，并采用針對性措施消除電解鋁液的不利影響，對于直接利用電解鋁液生產(chǎn)高品質(zhì)鋁合金產(chǎn)品十分重要。

1 電解鋁液的特點

電解鋁液的特性總結(jié)如下[1-4，6]：

(1)溫度高。在霍爾- 艾特魯電解槽中，電解過程發(fā)生在950～970 ℃，所以電解槽中的鋁液溫度至少在940 ℃以上。即便是經(jīng)過出鋁、鋁液運輸以及由真空抬包向熔煉爐中轉(zhuǎn)注過程，鋁液溫度有所下降，但仍然在850～900 ℃。相對于660 ℃金屬鋁的熔點而言，電解鋁液屬于過熱熔體，其過熱度高達190～240 ℃。

(2)氧化夾雜多。電解質(zhì)是由冰晶石和氧化鋁構(gòu)成的熔鹽，其密度為2.1 g/cm3，較鋁液的密度小(2.3 g/cm3)，從理論上講，二者在電解槽中有著明確的界面。然而，由于電解槽電場、磁場所產(chǎn)生的電磁力對鋁液的攪拌作用，使得在電解質(zhì)- 鋁液界面發(fā)生鋁的二次氧化；加之在出鋁過程中，出鋁管進入電解槽的深度偏差(或插入較淺于電解質(zhì)中，或插入較深直接與槽底接觸)，不可避免地將電解質(zhì)和鋁的氧化物吸入真空抬包之中，從而造成電解鋁液中氧化夾雜多。

(3)Fe、Si含量高。在電解過程中，由于SiO2、Fe2O3被還原，生成的Fe、Si溶解于鋁液之中。通常，鋁液中的Si含量在0.05%～0.10%，F(xiàn)e含量在0.10%～0.17%。這些Fe和Si主要來自氧化鋁、炭陽極和鐵制操作工具。

(4)氫含量高。電解鋁液中含有大量的氣體，如H2、CO、CO2、N2和CH4等。其中，氫含量最高，約占總氣體含量的70%～90%。

(5)Na含量高。電解鋁液中的Na主要來自冰晶石(Na3AlF6)和氟化鈉(NaF)。在電解過程中，由于Na+比Al3+更具活性，Al將Na從冰晶石和氟化鈉中置換出來，析出于陰極上，并由此進入鋁液之中。通常，電解鋁液中的Na含量可達0.011%～0.05%。

2 用電解鋁液直接生產(chǎn)鋁合金產(chǎn)品的優(yōu)點

用電解鋁液直接配料生產(chǎn)鋁合金產(chǎn)品具有下列優(yōu)點。

(1)節(jié)能。由于到達鑄造車間的鋁液溫度通常都很高，而高溫電解鋁液中蘊含了大量的熱量，因此，用電解鋁液直接配料生產(chǎn)鋁合金產(chǎn)品如熱軋用鋁合金扁錠和鑄軋板，具有巨大的節(jié)能潛力。

將1 t重熔鋁錠由室溫加熱到750 ℃，理論所需熱量約為1.21×109J，折合電能337 kW·h/t[1]。以一個年產(chǎn)能30萬t的中型電解鋁廠為例，如果生產(chǎn)鋁合金時按照70%的電解鋁液配入量，即以21萬t的電解鋁液直接配料生產(chǎn)鋁合金產(chǎn)品，那么每年可節(jié)約電能：21×104t×337 kW·h/t=7.077×107kW·h。按照自備供電電價0.33元/kW·h計，每年可為企業(yè)節(jié)約資金2 335.4萬元，節(jié)能效果和經(jīng)濟效益非常顯著。

(2)熔化時間短，可以提高生產(chǎn)率。以德國LOI公司55 t矩形蓄熱式燃?xì)馊蹮挔t為例，當(dāng)全部以重熔鋁錠(或固體工藝廢料)為爐料熔煉55 t鋁合金熔體時，所需的熔煉時間長達13～14 h，而以70%電解鋁液+30%固體爐料熔煉相同數(shù)量的鋁合金熔體，所需要的熔煉時間僅為4～5 h。可以看出，采用電解鋁液直接配料熔煉鋁合金比全部用固體料時，每爐可節(jié)約熔煉時間約9 h，節(jié)時效果非常顯著，從而可以提高單位時間的產(chǎn)品出品率。

(3)可明顯減少金屬燒損。在電解鋁廠，當(dāng)將電解鋁液鑄造成重熔鋁錠時，鋁液的燒損可達0.4%～0.5%，而在以重熔鋁錠為爐料熔煉鋁合金熔體時，其重熔燒損可達2%～4%[5]。以年產(chǎn)能為30萬t的電解鋁廠為例，如果將30 t電解鋁液全部轉(zhuǎn)化為重熔鋁錠，那么僅電解鋁液燒損每年將損失金屬鋁1 200～1 500 t；如果再以全部重熔鋁錠熔煉鋁合金，那么鋁錠二次重熔產(chǎn)生的金屬損失則為6 000～1 2000 t，兩項合計為7 200～13 500 t。

而如果以30%重熔鋁錠+70%電解鋁液配料生產(chǎn)鋁合金產(chǎn)品，則金屬燒損會大大減少：生產(chǎn)重熔鋁錠(9萬t)產(chǎn)生的金屬燒損為360～450 t，其二次重熔產(chǎn)生的燒損為1 800～3 600 t，鋁合金熔煉過程中電解鋁液的燒損按照與重熔鋁錠相同的燒損率計算，所產(chǎn)生的金屬燒損為840～1 050 t，三項合計為3 000～5 100 t。由此可以看出，直接利用電解鋁液配料生產(chǎn)鋁合金產(chǎn)品，每年可減少金屬燒損4 200～8 400 t，減少金屬燒損的效果非常明顯。

3 電解鋁液對鋁合金產(chǎn)品生產(chǎn)的不利影響

利用電解鋁液直接配料生產(chǎn)鋁合金產(chǎn)品雖然具有上述優(yōu)點，但是，電解鋁液的特點決定了其對鋁合金產(chǎn)品質(zhì)量會產(chǎn)生不利的影響。

(1)由于電解鋁液溫度高，屬于過熱熔體，其中存在的非自發(fā)晶核少[6]，如果熔體處理不當(dāng)，就會導(dǎo)致在鋁合金產(chǎn)品中產(chǎn)生粗大的晶粒組織，影響軋制產(chǎn)品的組織和力學(xué)性能。

(2)由于電解鋁液中的氣體含量高，尤其是氫含量高，如果熔體處理不當(dāng)，在鋁合金產(chǎn)品凝固過程中，就會在產(chǎn)品基體中產(chǎn)生氫氣泡，并在后續(xù)軋制過程中形成針孔、孔洞甚至造成軋制鋁材斷裂，嚴(yán)重時可導(dǎo)致鋁材成批報廢，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。

(3)由于電解鋁液中的氧化夾雜含量高，如果熔體爐內(nèi)精煉和在線除渣處理方法不當(dāng)或在線過濾效果不良，就會有一部分尺寸較大的氧化夾雜存留于鋁合金產(chǎn)品中，形成夾雜缺陷，不但影響產(chǎn)品的鑄態(tài)性能，而且由于夾雜的存在，嚴(yán)重破壞了合金基體的連續(xù)性，對金屬的性能特別是高向性能有嚴(yán)重影響；對薄壁零件更加有害，它能破壞零件的氣密性；在軋制產(chǎn)品中，還會造成軋制鋁材分層乃至斷裂，從而使軋制鋁材報廢[7]。

(4)由于電解鋁液會使鋁合金產(chǎn)品產(chǎn)生粗大晶粒組織、形成氧化夾雜，并且在合金凝固過程中，鋁液中的其他夾雜會析出于晶界，從而對晶界結(jié)合力產(chǎn)生影響。在鑄造應(yīng)力大于晶粒間結(jié)合力時，會在合金基體中產(chǎn)生裂紋，從而影響合金產(chǎn)品的力學(xué)性能以及后續(xù)的軋制性能。對于軋制箔材、罐料鋁材，這是導(dǎo)致產(chǎn)品報廢的致命缺陷。

4 用電解鋁液生產(chǎn)鋁合金產(chǎn)品的應(yīng)對措施

鋁合金熔鑄工藝流程比較復(fù)雜，任何操作都會對熔鑄產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不良的影響，尤其是利用電解鋁液直接熔鑄鋁合金產(chǎn)品時，更應(yīng)引起高度重視。

(1)出鋁作業(yè)。出鋁作業(yè)人員應(yīng)熟練掌握出鋁作業(yè)技巧，根據(jù)鋁電解槽的鋁液高度和電解質(zhì)高度，把握好出鋁管在鋁電解槽中的插入深度，避免將電解質(zhì)或爐底沉淀物吸入真空抬包內(nèi)。

(2)改進鋁液轉(zhuǎn)注方式，將鋁液轉(zhuǎn)注過程中所產(chǎn)生的鋁液氧化減少到最小程度。在國內(nèi)鋁合金熔鑄生產(chǎn)中，普遍采用將真空抬包吊起并操作其傳動裝置使包體傾斜，使鋁液直接經(jīng)由熔煉爐的受鋁口注入爐中。在轉(zhuǎn)注過程中，鋁液與爐底發(fā)生強烈碰撞并產(chǎn)生湍流，產(chǎn)生大量的鋁液氧化并卷入大量的空氣。

圖1 自動化虹吸鋁液轉(zhuǎn)注原理

國外許多電解鋁廠采用了一種名為“自動化虹吸管鋁液轉(zhuǎn)移系統(tǒng)”的裝置來完成鋁液的轉(zhuǎn)注[8]。該方法消除了轉(zhuǎn)注過程中鋁液與爐底的碰撞，爐內(nèi)鋁液表面始終保持有一層致密的保護性Al2O3氧化膜，從而有效防止了爐內(nèi)鋁液的氧化與吸氣，見圖1。采用虹吸管將電解鋁液轉(zhuǎn)注到熔煉爐內(nèi)，既可以在最大程度上減少鋁液氧化造成的氧化物，又利于改善鋁液的純凈度，而且可以減少金屬燒損。

(3)選擇最佳的固液比。由于電解鋁液具有溫度高、非自發(fā)晶核質(zhì)點數(shù)量少的特點。因此，全部用電解鋁液生產(chǎn)鋁合金產(chǎn)品，必然存在晶粒粗大、氫含量高、裂紋傾向嚴(yán)重等問題。因此，在鋁合金熔煉時，需要加入一定數(shù)量的固體冷料來降低電解鋁液溫度，減小其過熱度，以達到增加熔體非自發(fā)晶核質(zhì)點，細(xì)化晶粒的目的。因此，既能最大限度的節(jié)能又能獲得良好鋁合金產(chǎn)品質(zhì)量的電解鋁液添加量就成為充分利用電解鋁液的關(guān)鍵所在。蔣詩琪等人[9]對用電解鋁液生產(chǎn)5182罐用大扁錠的工藝進行了研究，認(rèn)為電解鋁液的最佳添加比例為60%～70%，此時，鋁液降溫和精煉結(jié)果都較好；而張延麗等人[10]通過研究1235合金生產(chǎn)時不同固體料添加比例與渣含量的關(guān)系，提出固體料為40%時鋁合金熔體中渣含量最低；王建增等人[11]對用電解鋁液直接生產(chǎn)鑄軋鋁板坯料的生產(chǎn)工藝進行了研究，提出在電解鋁液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時，合金熔體的氫含量最低；何正夫等人[12]研究了用電解鋁液生產(chǎn)鋁材坯料的晶粒度控制，認(rèn)為在鋁合金熔鑄配料時，固體爐料加入量應(yīng)大于20%，方能有效降低熔體過熱傾向，實現(xiàn)合金的晶粒細(xì)化。上述研究表明，要直接利用電解鋁液生產(chǎn)出氫含量和氧化夾雜含量低并且具有細(xì)小晶粒組織的鋁合金產(chǎn)品，固體料的添加比例最少不得小于20%。通常，大多數(shù)鋁加工企業(yè)將固體料添加量控制在30%～40%，也就是說，固液比為3∶7或4∶6。

(4)鋁合金熔煉采用電磁攪拌。在鋁合金熔煉過程中，為了保證鋁熔體的化學(xué)成分和溫度均勻性，必須對鋁熔體進行攪拌。在人工或機械攪拌過程中，攪拌器具很容易在熔體中形成湍流，破壞鋁熔體表面的氧化膜，使熔體一直處于高溫氧化以及空氣的卷入狀態(tài)[13]。而電磁攪拌是利用電磁力對鋁液進行攪拌，可以通過改變電源頻率來調(diào)節(jié)攪拌強度，將攪拌力控制在熔池內(nèi)鋁液的次表面，從而實現(xiàn)以較短的時間來獲得溫度和成分都非常均勻的鋁合金熔體的目的，而且電磁攪拌不破壞熔體表面的氧化膜，因此，采用電磁攪拌不僅能獲得溫度和成分都很均勻的鋁合金熔體，而且還可以有效地控制氧化鋁夾雜的產(chǎn)生和大量空氣的卷入。采用電磁攪拌所產(chǎn)生的氧化渣比機械攪拌減少約15%～25%[14]。

(5)熔體精煉。目前，國內(nèi)許多鋁加工廠在鋁合金產(chǎn)品熔鑄精煉時多采用熔劑精煉，然而，熔劑成分復(fù)雜，雜質(zhì)含量高，尤其是堿(土)金屬Na、Ca含量高[15]，而Na、Ca含量高會造成鋁合金熱軋過程中出現(xiàn)裂邊現(xiàn)象[16-17]。因此，在生產(chǎn)具有較高質(zhì)量要求的鋁合金產(chǎn)品時，應(yīng)當(dāng)采用以高純氬氣為載體向鋁合金熔體中通入四氯化碳的方法對鋁熔體進行精煉。這種精煉方式不僅能有效除去懸浮于熔體中的夾雜和溶解于熔體中的氫，更重要的是，可以有效除去鋁熔體中的Na、Ca等堿金屬，從而改善合金的軋制性能。

(6)在線精煉。在線精煉包括在線除氣和在線除渣。對于要求不高的鋁合金產(chǎn)品，可采用單級陶瓷泡沫過濾裝置，通常以30 ppi或40 ppi的過濾板孔目配置即可；對于要求較高的產(chǎn)品，可用雙級板式過濾，以30/50 ppi的孔目配置比較好；而對于雙零泊軋產(chǎn)品或罐裝飲料罐用鋁材坯料，則應(yīng)使用深床過濾裝置。這樣，根據(jù)鋁合金產(chǎn)品的不同用途選擇相應(yīng)的過濾裝置，不僅能滿足下游軋制工序的質(zhì)量要求，而且從成本上也是經(jīng)濟可行的。

在線除氣對于鋁合金產(chǎn)品的氫含量控制十分重要。目前，國內(nèi)鋁合金在線除氣多采用溜槽式在線除氣裝置，然而由于該裝置存在上部吊蓋與鋁液溜槽密封不嚴(yán)、石墨轉(zhuǎn)子桿易產(chǎn)生高溫氧、石墨轉(zhuǎn)子桿易受到鋁液沖刷等一系列缺點，在運行一段時間后出現(xiàn)故障頻率較高，維護檢修成本高，鋁熔體除氣效率較低等問題[18]。因此，這種除氣裝置對于氫含量要求嚴(yán)格的鋁合金產(chǎn)品是不適用的。由海德魯公司開發(fā)的Hycast I-60 SIR在線除氣裝置成功地解決了這一問題，該裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Hycast I-60 SIR 裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于該裝置一直處于密封狀態(tài)，且在運轉(zhuǎn)過程中不會產(chǎn)生渦流，因此熔體處理中不會產(chǎn)生氧化夾雜并將空氣卷入；在除氣裝置中，氣泡和鋁液有充分的時間進行反應(yīng)，達到鋁液凈化的要求；由于鋁液出口在箱體底部，而氧化渣的比重比鋁液小得多，加之惰性氣體的浮力作用，使得鋁液從裝置下方流出時氧化渣不會隨鋁熔體流出，從而可以保證鋁液潔凈；與溜槽式除氣裝置相比，石墨轉(zhuǎn)子可連續(xù)使用200～400 h而不損壞；最重要的是，此裝置具有良好的除氣和除渣雙重效果，其對溶解氫的除氣率保證值為0.11 mL/100g-Al。 因此，該裝置是高端鋁合金熔鑄產(chǎn)品的理想在線除氣裝置。

(7)晶粒細(xì)化。用電解鋁液直接配料生產(chǎn)鋁合金產(chǎn)品的晶粒細(xì)化途徑主要有：①熔化時添加固體料，降低電解鋁液溫度，增加鋁熔體中非自發(fā)晶核數(shù)量；②避免合金熔煉與保溫時間過長，形成過熱熔體；③選擇溶解性能優(yōu)良的晶粒細(xì)化劑；④在溜槽中逆流加入晶粒細(xì)化劑；⑤根據(jù)鋁合金產(chǎn)品規(guī)格，合理調(diào)整冷卻強度。

5 結(jié)束語

用電解鋁液直接配料生產(chǎn)鋁合金產(chǎn)品已經(jīng)成為一種趨勢。因此，應(yīng)當(dāng)充分了解和掌握電解鋁液的特點及其對鋁合金熔鑄產(chǎn)品質(zhì)量的影響，結(jié)合企業(yè)設(shè)備現(xiàn)狀，通過設(shè)備改造、工藝改進和嚴(yán)格工序操作，就一定能克服電解鋁液對鋁合金熔鑄產(chǎn)品的不利影響，生產(chǎn)出符合市場需求的高品質(zhì)鋁合金熔鑄產(chǎn)品。

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Analysis on Advantages and Disadvantages of Aluminum Alloy Direct Production by Electrolytic Aluminum Liquid and Its Countermeasures

LIU Min-zhang

This paper introduces the characteristics of electrolytic aluminum liquid, analyzes the advantages and disadvantages of electrolytic aluminum liquid in the production of aluminum alloy, and puts forward the countermeasures for aluminum alloy direct production by electrolytic aluminum liquid.

electrolytic aluminum liquid； aluminum alloy products； advantages and disadvantages； countermeasures

2015-06-02

劉民章(1961—)，男，大學(xué)本科，高級工程師，主要從事鋁加工工藝技術(shù)研究工作。

TF821

A

1008-5122(2015)06-0012-05