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(guò)程中主要靠除氣除雜凈化工藝技術(shù)與裝備來(lái)保證純凈度，爐外旋轉(zhuǎn)噴吹在線精煉是目前較先進(jìn)的凈化處理工藝，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了FILD、SNIF、MINT等在線凈化系統(tǒng)[1]。這類(lèi)系統(tǒng)主要依靠惰性氣泡吸附氫和夾雜物進(jìn)行凈化，單級(jí)旋轉(zhuǎn)噴吹凈化效果有限，處理后的氫含量仍然高達(dá)1.5～2.0 mL/kg Al，無(wú)過(guò)濾條件下除雜率約為70%[2-3]，難以滿足鋁材高精尖加工時(shí)的品質(zhì)要求。為提高凈化效果，需要采用多級(jí)的旋轉(zhuǎn)噴吹結(jié)構(gòu)，所需設(shè)備龐大，占地面積大。此外，這類(lèi)設(shè)備安裝在鋁水流槽下側(cè)，澆注結(jié)束后旋轉(zhuǎn)噴吹爐內(nèi)會(huì)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(zhuǎn)噴吹與真空復(fù)合的凈化方法，在吸收消化國(guó)外引進(jìn)的SIR鋁液在線凈化系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)改進(jìn)了一種結(jié)構(gòu)緊湊，凈化效果好，且無(wú)鋁水殘留的在線鋁液凈化裝置，并建立超高冶金質(zhì)量的鋁合金熔鑄生產(chǎn)線。

1 旋轉(zhuǎn)噴吹與真空復(fù)合凈化原理

1.1 結(jié)構(gòu)原理

旋轉(zhuǎn)噴吹與真空復(fù)合在線凈化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。該系統(tǒng)的核心部件為密閉的反應(yīng)器，該反應(yīng)器用擋板隔成兩個(gè)上部相通的處理室(鋁水輸入室和輸出室)，底部安裝兩個(gè)轉(zhuǎn)子，向鋁熔體噴吹氬氣，通過(guò)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(yīng)器保持一定的真空度，一方面在負(fù)壓作用下反應(yīng)器內(nèi)的鋁熔體液面會(huì)不斷升高，直至達(dá)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(dòng)力學(xué)條件，從而實(shí)現(xiàn)鋁熔體在線除雜除氣凈化處理。

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

1.2 機(jī)理分析

采用氬氣對(duì)鋁熔體除雜除氣的過(guò)程如圖2所示。分為4個(gè)階段，第一階段通過(guò)對(duì)流和擴(kuò)散，氫原子或顆粒狀?yuàn)A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(jié)合成氫分子；第三階段氫分子擴(kuò)散進(jìn)入氣泡內(nèi)。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(guò)扒渣后去除。

圖2 氣泡除氣除雜過(guò)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(zhì)通量如公式(1)[4]：

(1)

式中：n1為氫原子傳質(zhì)通量，g/(cm2·s)；A為惰性氣泡表面積，cm2；t為除氣時(shí)間，s；Cm為鋁液內(nèi)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(kuò)散系數(shù)，cm2/s；v為惰性氣泡運(yùn)動(dòng)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(zhì)通量如公式(2)[4]：

(2)

式中：n2為氫分子傳質(zhì)通量，g/(cm2·s)；KL為L(zhǎng)angmuir方程系數(shù)；ε為凝結(jié)系數(shù)；Pe(i)為鋁液上方或惰性氣泡內(nèi)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(duì)原子質(zhì)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(guò)旋轉(zhuǎn)噴頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以使惰性氣體氣泡變得細(xì)小，增大氣泡表面積A，且將噴頭安裝在反應(yīng)器底部也可以增加惰性氣體與氫原子的作用時(shí)間t，這些都有利于提高氫原子向氣泡的傳質(zhì)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(shù)

挪威海德魯鋁業(yè)公司對(duì)所開(kāi)發(fā)的SIR鋁液在線凈化系統(tǒng)的凈化處理工藝參數(shù)(如鋁液流量、夾雜物尺寸和氬氣泡大小等)進(jìn)行研究[5]。結(jié)果表明，鋁熔體流量較大時(shí)(如52或63 t/h)，除氫率略有降低, 流量較小時(shí)(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(duì)除雜率并沒(méi)有顯著影響，綜合除雜率達(dá)到80% 以上。

夾雜物原始尺寸對(duì)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(duì)直徑40 μm以上的大尺寸夾雜物，除雜率可達(dá)到85% 以上，而直徑小于20 μm時(shí)，除雜率約為50%。當(dāng)氬氣泡尺寸為5～10 mm時(shí)，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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)圖與工作流程

在線凈化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中,反應(yīng)器安裝在流槽側(cè)面上方。工作時(shí)，鋁熔體將反應(yīng)器的出入口堵住后，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)石墨轉(zhuǎn)子，并通氬氣，待流槽中熔體高度達(dá)到120 mm后，啟動(dòng)抽真空系統(tǒng)，反應(yīng)器中的鋁熔體液在負(fù)壓作用下，開(kāi)始上升，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)鋁液高度達(dá)到500 mm后，石墨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高至700 r/min，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)鋁液高度達(dá)到900 mm以上，鋁熔體從反應(yīng)器輸入室進(jìn)入，從輸出室流出，并進(jìn)入鑄機(jī)。在處理過(guò)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(jié)束后，關(guān)閉抽真空系統(tǒng)，反應(yīng)器內(nèi)的鋁液可從出入口流入流槽，在反應(yīng)器內(nèi)不會(huì)有鋁液殘留，可直接更換處理的鋁合金類(lèi)型，整套系統(tǒng)采用數(shù)字化，并通過(guò)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(yīng)器結(jié)構(gòu)及內(nèi)襯改進(jìn)

反應(yīng)器是在線凈化系統(tǒng)的主體部件，優(yōu)化設(shè)計(jì)提升反應(yīng)器高度為2 200 mm，以強(qiáng)化除雜和除氣效果。原裝置內(nèi)襯的中間擋墻和轉(zhuǎn)子安裝錐度環(huán)部位為分體式安裝組合在箱體內(nèi)襯中，在生產(chǎn)使用過(guò)程中存在如下問(wèn)題：中間擋墻與箱體內(nèi)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(mén)密封；轉(zhuǎn)子安裝錐度環(huán)容易開(kāi)裂，不利于轉(zhuǎn)子安裝的同心度控制，同時(shí)鋁液滲入內(nèi)部縮短了密封材料壽命。改進(jìn)設(shè)計(jì)為制造組合式內(nèi)襯模具將中間擋墻、轉(zhuǎn)子安裝錐度環(huán)與箱體內(nèi)襯設(shè)計(jì)為整體式，一次澆筑成型、養(yǎng)護(hù)燒結(jié)，較好地解決了原有除氣箱體內(nèi)襯存在問(wèn)題，改進(jìn)的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 反應(yīng)器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural design of the reactor

3.3 石墨轉(zhuǎn)子的試制

石墨轉(zhuǎn)子是反應(yīng)器的核心部件，置于反應(yīng)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(zhì)的凈去除效率，降低帶走熔融表面物質(zhì)的幾率，也促進(jìn)鑄件表面變得光滑。

通過(guò)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)、材料優(yōu)化、轉(zhuǎn)子試制和在線檢測(cè)，石墨轉(zhuǎn)子用高純石墨材料制成，均勻開(kāi)設(shè)12個(gè)出氣孔，并進(jìn)行表面抗氧化處理，石墨轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5 石墨轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure design of the graphite rotor

3.4 氬氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

氬氣控制系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，設(shè)有一個(gè)入口和兩個(gè)出口，分別連接兩個(gè)旋轉(zhuǎn)噴頭。設(shè)計(jì)了流量控制器，用于調(diào)整氬氣流量的大小；設(shè)計(jì)過(guò)濾器，用于去除氬氣中的固態(tài)雜質(zhì)。設(shè)計(jì)壓力傳感器和壓力調(diào)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(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of the argon flow controlling system

4 在線凈化系統(tǒng)的應(yīng)用效果與分析

應(yīng)用上述自主優(yōu)化設(shè)計(jì)的在線凈化系統(tǒng)處理鋁合金熔體，隨機(jī)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(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，用Alscan鋁液測(cè)氫儀在線測(cè)試氫含量，結(jié)果如圖7所示，用PoDFA離線測(cè)渣法測(cè)試夾雜物含量，結(jié)果如圖8所示。

圖7 在線凈化系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用除氣效果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(cè)試的8個(gè)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(duì)除氣效果基本無(wú)影響，表明該系統(tǒng)對(duì)各類(lèi)鋁合金具有普遍適用性。初始?xì)浜吭礁?，除氣率也相?yīng)較高，如氫含量大于0.2 mL/100gAl的2017、3003、7003三種牌號(hào)鋁合金，其除氣率都達(dá)到50%以上。

由圖8可見(jiàn)，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(chǎng)應(yīng)用除渣效果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig.8 Statistics of purification effect of on-site application of the online purification system

5 結(jié)語(yǔ)

采用石墨轉(zhuǎn)子底部旋轉(zhuǎn)噴吹氬氣和真空復(fù)合凈化鋁熔體方法，通過(guò)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(shí)間，能顯著改善除雜除氣的動(dòng)力學(xué)條件。

通過(guò)對(duì)國(guó)外引進(jìn)的在線凈化系統(tǒng)的消化吸收，對(duì)在線凈化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，形成了反應(yīng)器尺寸改良、內(nèi)襯結(jié)構(gòu)改善和氬氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多項(xiàng)再創(chuàng)新，在線凈化系統(tǒng)除氣除雜效果優(yōu)良，除氣率達(dá)到40%以上，除雜率達(dá)到85%以上。鋁熔體冶金質(zhì)量達(dá)到高精尖鋁合金產(chǎn)品的純凈度要求。