一、前言

    目前、我國大部分電解鋁廠把電解鋁液通過精煉,除渣除氣,然后鑄造成重熔鋁錠出售;而鋁型材廠購回上述鋁錠,重新熔煉鑄造,生產擠壓用鋁合金圓錠.

    假若在高溫電解鋁液添加合金,直接熔煉鑄造成鋁合金圓錠,縮短了工藝過程,省掉了鋁錠重熔工序,節省設備投資和人工工資.利用電解原鋁液直接生產圓錠,只要工藝措施得當,產品質量完全符合擠壓生產工藝的要求.熔煉鑄造成本300元/t-A,其中燒損0.8%左右、油耗4kg/t-A、電耗14kw/t-A、人工工資24元/t-A等.

    采用短流程生產工藝,充分利用了電解鋁液的高溫熱能,節約了寶貴的能源,減少了煙氣、粉塵對環境的污染,減少了鋁液的燒損1%左右,每噸產品可以節約油料60kg以上,節電30多度,每一噸產品至少創造經濟效益500-600元.

    然而,有些生產單位使用設備過于簡陋,對電解鋁液的特性缺乏了解,工藝措施不當,圓鑄錠質量存在非金屬夾雜多、氣體含量高、晶體粗大、裂紋等質量缺陷.只要采取適當的工藝技術措施,加強管理,完全可以生產出優質圓錠,滿足用戶的需求.

    二、電解原鋁液的特性

    1、電解原鋁液溫度高,氣體含量高

    眾所周知,電解鋁生產過程是在高溫條件下的電化學過程.當今,隨著科學技術的發展,電解槽容量越來越大,電流強度高達350-500KA,電流效率達到94-95%.電解槽以碳塊為陽極,以半石墨化碳塊作陰極,一般溫度在950-960℃之間.電解質成份很復雜,除主成份冰晶石之外,還加有Al2O3、CaF2、MgF2等,它們的含量分別為1.38-2.88% 、4.88-5.88% 和0.47-0.87% ;含水率除 AlF3 ≤7.5%外,其他均小于或等于1.0%.上述物料中的水份分別為附著水和結晶水,附著水在高溫條件下,易于蒸發去掉,而結晶水在電解槽中進行化學反應3H2O+2AL→Al2O3+6[H],[H]溶解于電解鋁液中,鋁液溫度越高,原子氫的飽和濃度越大.

    除了氫之外電解鋁液還含有CO2、CO、CH4 和 N2.電解原鋁液氣體含量組成范圍也很寬,H2:53-96%;CO2:2.5-30%;CO:20%;CH4:2.5%; N2:2.5%.對氣體含量高的電解原鋁液,必須采取行之有效的除氣措施,才能消除它們的危害.

    2、電解原鋁液雜質含量多

    液態原鋁中的雜質主要為非金屬雜質,也有少量金屬雜質.非金屬雜質含量最多為氧化鋁,其次是氟化鹽、碳化鋁和氮化鋁.電解過程中,加入電解槽中的氧化鋁是砂狀氧化鋁.砂狀氧化鋁由α-Al2O3和γ-Al2O3,α-Al2O3≥25%;α-Al2O3呈球狀、比重大、質地致密、表面積小,在電解質中,溶解速度慢,來不及溶解的α-Al2O3往往沉淀于槽底,少量混入陰極鋁液中.而γ-Al2O3活性大,溶解速度快,一般不會在電解槽底沉積.一般來說,電解槽24小時抽取鋁液一次,混入鋁液中的α-Al2O3 隨同鋁液一塊進入鋁液抬包,倒進熔鑄生產系統的熔煉爐內.

    電解原鋁液中的金屬雜質有硅、鐵、鋅、鈦、鈉等,但最主要的金屬雜質還是硅和鐵.這些雜質的來源主要有兩個方面:一是來自原料及材料,例如采用堿法生產的氧化鋁原料含有SiO2、Fe2O3、TiO2、ZnO、Na2O 等雜質,通過電解,生成了Si、Fe、Ti、Zn、Na等金屬.二是來自電解槽內襯、工具、設備、塵土及其他.

    順便說一下,在高溫液態鋁中,碳與鈦反應生成TiC,TiC是液態鋁合金在凝固過程中很好的非自發晶核,TiC的成核作用優于TiB2粒子,有利于合金鋁液結晶時細化其晶粒,可惜含量太低.

    我國是全世界原鋁產量最多的國家,采用短流程,利用電解原鋁液太陽能電池直接生產鋁加工所需要的扁錠和圓錠,這是鋁工業發展的必由之路,也引起了有關部門的高度重視.有些大型電解鋁企業,例如貴州鋁廠、青海鋁廠、包頭鋁廠、青銅峽鋁廠等,近幾年來,引進歐美國家的先進技術和先進設備,相繼建成了自動化程度高技術一流的熔鑄生產線,主體設備包括大型熔煉爐,大型液壓傾動靜置爐,大功率電磁攪拌器,在線氬氣除氣系統,液壓鑄造機及鑄錠均勻化裝備等.通過投料試車生產,產品質量上佳,取得了很好的經濟和環境效益.

    也有一些企業,投資數百萬元,建三臺15噸熔煉爐、兩臺鋼絲繩鑄造機、一臺單軌天車、一套偱環水系統,產能也可以達到75000噸/年.但是設備過于簡陋,技術裝備差,又不尊重學科,疏于管理,粗制濫造,產品質量差,問題成堆.對于這一類企業,如何進行設備改造,加強技術管理,改進工藝技術措施,完善工藝制度,生產合格產品.在這里,談談自己的看法,供同行參考.

    三、用電解原鋁液生產園錠的工藝技術措施

    1、熔煉工藝技術的改進

    采用電解原鋁液生產鋁合金圓錠,普通6063鋁合金占90%以上,偶爾也生產一點3003、6061、6082、6005、5052之類的鋁合金.這些鋁合金生產,固液相溫度范圍小,冷熱裂紋傾向小,技術難度小.不像2XXX系列硬鋁和7XXX系列超硬鋁那樣,合金成分元素多,范圍寬,由于結晶溫度范圍寬,固液區塑性低,具有極大的形成熱裂紋和疏松的傾向性,同時還應考慮雜質元素Si、Fe的比例對合金性能帶來的影響,考慮采用加入銅、錳、鉻、來改善合金的耐蝕性,加入鈦、鋯改善鑄錠和再結晶組織.

    熔煉爐在倒鋁水之前,先把不帶水份的干燥頭尾料加到熔煉爐爐底.鋁電解槽液溫度很高,正常情況下高達950-965℃,槽底鋁液溫度也不低于940℃.鋁液倒進熔煉爐之后,還有820-860℃.為了防止高溫下鋁液氧化,立即撒上一層覆蓋劑覆蓋熔體表面.由于覆蓋劑的熔點比鋁液溫度低,密度比熔體小,還具有良好的潤濕性能,在熔體表面形成一層連續的液體保護膜,將爐內熔體與空氣隔開.

    一般情況下,氧氣或水蒸汽不能或很少能透過此覆蓋層與鋁液進行反應,而溶解在電解液中的氫原子由于其半徑很小,則可以穿透覆蓋層而逸出.

    由于電解原鋁液氣體與雜質含量高,針對上述成份特點,必須加強熔體精煉工序.精煉通常采用粉狀精煉劑、用氮氣吹煉;首先必須確保精煉劑和氮氣質量.生產6063鋁合金鑄錠,一般采用1#精煉劑;目前、國內市售精煉劑種類繁多,而絕大多數企業均以保密為由,不向用戶說明成分組成,加之供應商之間價格競爭激烈,個別不良精煉劑生產廠家便從化工原料選用,配方搭配及加工方法上偷工減料,精煉劑一定要確保質量,認真選用.深圳派瑞科治金材料有限公司的精煉劑質量較好,不妨試用一下.氮氣自己不能制造,采用市售工業氮氣,純度為99%,那么氮氣還有1%的氧氣和水份,吹氣時間越長,帶到鋁液中的水份及氧氣越多.精煉所用氮氣必須確保氮氣純度≥99.995%.建一條流量為20M3的制氮生產線,設備投產不到20萬元,最多一年收回設備投資.既保證了氮氣純度,又節約了生產成本何樂而不為.

    采用優質精煉劑和高純氮氣,在730-750℃溫度條件下,進行兩次精煉.第一次精煉精煉劑用量2.5kg/t-A,精煉時間25-30min;精煉后扒渣、加鎂、補火.第二次精煉精煉劑用量1.5kg/t,精煉時間15-20min.第二次精煉完成之后,扒渣、取樣分析、成份合格之后,再撒一層覆蓋劑,爐內靜置30min.

    采用熔劑吸附精煉,精煉的效果除了與精煉劑的好壞氮氣純度的高低息息相關之外,而且與精煉的操作也密切相關.因為吹氣精煉是建立在分壓擴散除氣和浮選除渣基礎上的.只有與精煉氣體、粉劑產生緊密接觸的區域才有精煉作用.操作工人必須遵守操作規程,讓精煉器沿著爐底,在熔煉爐四角,前后左右均勻移動,讓所有的鋁液都與精煉劑、氮氣充分接觸,不留死角.氣體精煉的效果更主要取決于氣體分散度和氣泡的大小.氣泡的尺寸愈小,除氣效果愈好.因為氣泡愈小,則由同體積氣體造成的氣泡數愈多,表面積愈大;而且上浮速度越慢;與熔體接觸的時間越長.采用普通丁字形精煉器時,氣泡的直徑約為10mm ,效果非常好;若采用直徑15mm鋼管作精煉器,氣泡直徑可達300mm以上,使用更多的氮氣,除氣效果依然很差.

    采用熔劑吸附精劑,精煉劑直接與鋁融體相接觸,通過吸附擴散作用,從而達到除渣的良好效果.同時,精煉劑也還有除氣作用.熔劑的除氣作用主要表現在三個方面:一是隨絡合物γ-Al2O3.XH的除去而除去被氧化夾雜所吸收的部分絡合氫.二是熔劑產生分解而與熔體相互作用時形成氣態產物,進行擴散除氫.三是熔體表面氧化膜被熔劑中的冰晶石溶解而使得熔解于鋁液中的原子氫向大氣擴散變得容易.

    靜置的目的:一是便于精煉油載體上游將鋁液中的氣體和細小的非金屬夾雜物帶出液面,二是便于大塊的非金屬夾雜物下沉至爐底.

    2、鑄造工藝技術的改進

    由于電解原鋁液與鋁錠重熔鋁液配成鋁合金精煉之后,其性質仍然有所區別,前者雜質含量稍高,粘度稍大,流動性稍差.固此,在鑄造圓錠時,為了保證流動性,前者的鑄造溫度應比后者高10℃左右,對于6063鋁合金來說,應把鑄造溫度控制在725-740℃.連續鑄造時,合金液的流動性愈好,則鑄錠在凝固期間產生的縮孔更易得到補縮,鑄錠在凝固末期收縮受阻而產生的熱裂紋也更易得到及時的焊合,鑄錠表面形成冷隔的傾向性也更小,對于氣體和雜質的上浮也有好處.因此,只有稍許提高電解原鋁合金液的鑄造溫度,提高其流動性,方能獲得優良的圓錠.

    根據鋁合金的結晶特點,晶核的形成不是來源于鋁合金熔液過冷而自發生核,實際上總是產生于鋁合金熔液中的活性雜質.電解原鋁液合金中雜質含量雖然高于鋁鑄重熔合金液中的雜質,但前者中的雜質長時間處于940-960℃的高溫環境下,已經喪失了其活性變成了惰性雜質,不能成為結晶核心.所以用電解原鋁液生產鋁合金圓錠,只有依靠外來晶核,增大Al-Ti-B絲的用量,才能得到晶粒細小的等軸晶組織.通過生產實踐表明,Al-Ti-B絲用量應增大到3.5-4.0kg/t,比重熔鋁錠合金液要增加50%,否則,圓鑄中會產生粗大的等軸晶或柱狀晶組織.

    鑄錠的結晶速度是決定鑄錠品質的重要因素,通常,結晶速度愈大,鑄錠的結晶組織愈細小,力學性能就愈好.降低偱環水溫度,增大冷卻水壓力,可以降低鑄錠表面溫度,提高鑄錠凝殼內的溫度梯度,增加導熱強度,有利于提高鑄錠的結晶速度.在生產實踐中,確保鑄錠不產生熱裂紋的前提下,盡量提高鑄造速度.

    用電解原鋁液生產的6063鋁合金圓錠,頭尾料與重熔鋁錠生產的產品有很大的差別,頭部往往產生粗晶組織,尾部夾氣嚴重.鑄造開始時,有意識在流槽中放一些Al-Ti-B絲,或增大喂絲機的速度,還是難以消除粗晶組織,因此,鋸切時,增加頭部長度為鑄錠直徑的2倍,可以去掉粗晶組織.

    鑄錠尾端,晶粒組織仍然是細小等軸晶組織,主要表現為鑄錠結構疏松,氫氣含量高.由于鑄造過程即將結束,爐內金屬液量少,溫度低,流動性差.適當降低鑄造速度,合金液還是難以完全補充合金在液態和凝固態的體積收縮而產生的細小而分散的孔洞,于是便導致了宏觀和顯微收縮疏松的形成.尾部鋸切長度控制在鑄錠直徑的1.5倍.只有切足頭尾廢料,才能確保產品質量.

    四、結論

    1、電解原鋁液具有溫度高、氣體含量高、雜質多、結晶形核活性質點少的特點.

    2、在熔劑吹氮精煉時,選用優質熔劑、高純氮氣,加大熔劑用量到4.0kg/t,精煉時間延長到40-50min,充分除渣排氣,提高鋁合金液質量.

    3、6063鋁合金鑄造溫度為725-740℃,Al-Ti-B細化劑添加量為3.5-4.0kg/t,降低水溫,增大水壓,提高結晶速度,可以生產出晶粒細小的優質圓鑄錠.

    4、留足頭、尾料,去除頭尾段質量缺陷,保證產品質量.

    作者:曾奇才,鄒萬軍