劉民章

(青海橋頭鋁電股份有限公司技術中心， 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→預精煉→攪拌→靜置→扒渣→取樣分析→轉爐→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行的。因此，熔煉爐與保溫爐是鋁合金熔鑄的關鍵生產(chǎn)設備，其運行狀況好壞直接關系到鋁合金熔鑄產(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/精煉設備均采用熔煉爐+保溫爐的設備配置，即1臺熔煉爐配備1臺或2臺保溫爐構成鋁合金熔煉/精煉系統(tǒng)，熔煉爐與保溫爐之間通過鋁液轉注溜槽連接在一起，溜槽成為將鋁液由熔煉爐轉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)定化學成分要求的鋁合金熔體，并達到規(guī)定的熔體溫度；而保溫爐的主要作用則是對熔體進行爐內(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行化學成分和溫度進行微調(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的發(fā)展和進步，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+保溫爐組中進行熔煉時，由于合金熔體是在熔煉爐中進行預精煉后轉注進入保溫爐中進行精煉、成分微調(diào)和溫度調(diào)整，且通過預精煉已經(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)建設費用較高。由于熔煉爐+保溫爐爐組在建設時，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注溜槽，因此，建設費用較高。

2)噸鋁能耗相對較高。鋁合金熔體熔煉完成后，必須通過鋁液轉注溜槽將合金熔體由熔煉爐轉注到保溫爐中進行精煉和調(diào)整成分、溫度。在熔體轉注過程中，溜槽的耐火材料內(nèi)襯必然會將熔體中蘊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)鋁熔體由熔煉爐轉注到保溫爐時，要經(jīng)過大約8～10 m的轉注溜槽，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，鋁液轉注溜槽的維護保養(yǎng)非常重要。只有保持鋁液轉注溜槽的完好，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，其化學成分涉及到1xxx系至8xxx系。尤其是采用“短流程”工藝進行熔鑄時，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，加大對爐襯材料的損毀。反過來，置換反應的反應產(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[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)品化學成分的準確性及性能。

3.2 除堿處理

在熔保一體爐中進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送到熔鑄車間后，首先應在抬包內(nèi)對電解鋁液進行除堿處理，如圖1所示。對電解鋁液進行預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)建設費用低。熔保一體爐在建設時只需要建造1臺爐子，而且省去了熔煉爐與保溫爐之間的鋁液轉注溜槽，因此，其建設費用遠遠低于熔煉爐+保溫爐組。

2)噸鋁能耗低。操作相對簡單，省去了對鋁液轉注溜槽的日常維護保養(yǎng)工作，同時也消除了鋁液轉注過程中的熔體溫度損失和熔體污染的風險，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+保溫爐組的建設費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，當利用電解鋁液直接配料生產(chǎn)鋁合金熔鑄產(chǎn)品時，應對電解鋁液進行預(除堿)處理。