前些時間,筆者以"中國再生鋁產業2015形勢預測"為題,報道了中國再生鋁業的現狀及未來發展方向.報道顯示,歷經數十年的中國再生鋁業目前基本上還是初級鑄造合金錠.高端變形鋁合金尚處于探索階段,拓展產品品種,將是中國再生鋁業今后發展方向.歷經數十年發展,然而中國再生鋁產業,迄今為止只能生產初級鋁合金錠,發人深思.

    (一)30年前出現的由鋁硅鈦三元合金配制的含鈦0.6%上下的鋁硅共晶合金,用于汽車發動機中的活塞、缸體、缸蓋等零部件制作,經試驗室試驗,工業性試驗,以及5萬、15萬公里行車試驗,結果合金有以下優點:有良好的細化結晶組織作用、較高的耐熱性、較高的耐磨性;能使活塞使用壽命延長35%左右,合金經濟效益明顯.由河南省科技委員會發布的鑒定證書注明ZL108T活塞合金技術規格、合金化學成分如下(%):Si:11-12,Cu:1.4-1.6,

    Mg:o.6-0.8,Mn:o.5-0.7,Ti:0.5-0.6,Fe:0.4-0.5,Al余量.

    來自全國26個單位派出技術專家34人,參與鑒定,其中多家汽車制造廠、拖拉機廠、活塞廠及內燃機配件制造廠、汽車研究機構等.鑒定具有很高的專業性、權威性.與此同時產出的鋁硅鈦亞共晶變形合金,經過專業機構測試,其機械性能接近LD2,可作為LD3代用品,廣泛應用于建筑業、運輸業等諸多部門,市場空間不可限量.雖然上述產品因其生產方式、生產方法不科學,嚴重破壞電解工藝、損壞電解槽,被放棄、禁用,未能產業化,但產品的優越性、廣泛適用性,仍然給人留下深刻的印象.以鋁土礦直接電解,違規蠻干,嚴重破壞電解工藝,傷損電解槽被放棄禁用,理所當然,但鋁硅鈦三元合金,不應被忽視,應探索、研發其它方式、方法進行生產.

    事實證明,對礦石進行改性加工處理,使其理化性能適應電解工藝要求的復合氧化鋁,作為電解添加劑,與氧化鋁混配進行電解,經試驗室試驗,可以在保持電解工藝正常運行的條件下,產出含有少量鈦及硅的鋁硅鈦三元合金,可用于再生鋁深加工,可以產出上述ZL108T的活塞合金和亞共晶變形合金.可惜此法竟無人問津,長期被忽視.我國再生鋁產業步履蹣跚數十年,只能生產初級鑄造鋁合金錠.

    除了電解法之外,還可以采用其它方式、方法.例如電熱法、碳熱法、化學置換法等.關鍵是要有創新發展思維理念和意愿,能勇于開拓創新.在諸多方法中,電熱法產業化已有先例.可煉制含鈦高硅的鋁硅合金,以再生鋁、廢雜鋁稀釋最為有效、便捷、科學合理.如果能使再生鋁產業與電熱法結緣伴行,或將是再生鋁產業轉型升級、迅速產出高級鑄造合金、高端變形合金的最強勁有力的引擎,使再生鋁迅速走出低谷,由弱轉強,面目一新.為此,筆者就電熱法略述拙見如下.

    (二)電熱法煉制鋁硅鈦合金工藝過程中,有些重要環節必須妥善處理,倘漠然置之,就會遭到挫折和失敗,國內外此類事例比比皆是.上世紀60年代,我國撫順、本溪、唐山、上海等地都曾試過電熱法煉制鋁硅合金,無一例外,都因忽略了煉制鋁硅合金的某些環節的特殊要求,先后放棄了試驗.其主要原因,一是爐子選用不當,冶煉工藝事故頻頻,無法正常生產;二是爐料配備粗放隨意,產出合金含鐵高,用途受限.同時球團耐熱強度不高,造碴多,漲爐底事故頻頻發生.

    與大多數礦熱還原工藝不同,煉制鋁硅合金有其特殊性,有特殊要求.首先,它要求反應區能量密度足以保證產出的合金能連續不斷、及時地從出口順利淌出,而且保持均衡穩定;要求反應區溫度能穩定保持在2050℃~2200℃之間,溫度低了反應不完全造渣多,溫度高了還原金屬特別是鋁會大量揮發;要求物料成分尤其是還原劑成分穩定,保持反應區導電率穩定;工藝過程爐料要均勻下移,在合金及時排出的同時,CO及碴也及時均勻排出;要求電極能埋得深,電極消耗保持均衡;總之,反應區各項工藝要素、電制度、熱制度平衡而不紊亂.

    長期試驗研究和生產實踐證明,雖然大功率三相礦熱爐也能取得較好的技術指標,但與單相單電極爐相比卻相形見絀,因而單相單電極爐應是首選.用三相三電極礦熱爐煉制鋁硅合金時,各項消耗指標都偏高,而且經常發生熔煉工藝紊亂,尤其是功率小的爐子,無法正常生產,勉強維持,產出的合金含鋁量也達不到要求,究其原因主要是:

    (一)小功率三相爐,三根電極三個反應區,即便較大的6300kVA爐子,每相功率也只有6300/3kVA,顯然反應區的能量密度太小,產量小,無法連續出爐,還原金屬尤其是鋁在爐子內停留時間過長,大量揮發,產率低,合金中鋁含量少,只能達到30%~35%.(二)三相爐電抗大,功率因數低,一般只有0.78~0.88,加以功率小,相對地爐壁、爐面、爐底散熱面積大,熱效率低,電耗高.

    (三)煉制鋁硅合金,工藝要求采用低電壓大電流,這時有效電阻及無功電阻值在不斷變化,無法做到三相功率完全一致,三個反應區能量密度均衡,為了消除這種不均衡狀態,就要經常變動變壓器二次相序,迫使停電,破壞了熔煉工藝,金屬產率低,電耗增加.與單相單電極爐比較,鋁及硅的損失都大,

    (四)三相電爐因三相功率不均衡,需要調整,致使三根電極上下移動頻繁,反應區能量密度均衡遭破壞,各項工藝要素也隨之變壞,還原反應無法快速、完全地進行,生產出現紊亂,爐子經常處于不滿負荷狀態.

    (五)三相電爐三根電極之間產生分流,這不但降低了反應區的能量密度,還使爐子上部的溫度升高,降低了爐料電阻,迫使電極埋入深度變淺,導致難熔物SiC、Al4C3積存于爐底,造成塌料、漲爐底事故,無法正常生產,直至最終被迫放棄生產.

    認真總結經驗,同時并參考國外經驗,不難得出結論,電熱法煉制鋁硅合金,確實有其特殊性,有一定難度,但如果爐子選用得當,爐子具備了煉制鋁硅合金所必備的功能,煉制鋁硅合金是完全可行的.前蘇聯數十年的經驗證明,爐子的功率必需保證反應區能量密度足夠大,足以保證每分鐘的產量達到連續出爐同時帶出積存于爐底部的碴,三相爐的有功功率通常是13000kVA以上,單相單電極爐的有功功率通常是10000kVA以上.

    在選用三相爐時,16500kVA以上的爐子,為了使三相有功功率保持平衡,反應區能量密度均衡穩定,建議采用二次低壓補償裝置(西安瑞弛冶金設備公司首創),以使功率因數提高到0.93左右.如有適用調頻裝置,亦應采用.在采用三相能量平衡裝置時,可使三相能量保持平衡,相電壓50~55V以使低電壓大電流.

    在選用單相單電極時,增設調頻柜,可使電耗降低7%~10%,功率因數達0.93上下.在利用閑置礦熱爐時,功率6300kVA的爐子改造后功率可增大1.58倍,不屬國家規定淘汰之列,新建10000kVA以上單相單電極低頻爐,建議采用8927416X專利技術.舊爐改造可采用兩種方式:交-直-交-低頻方式,十二相同步-逆變-低頻方式.

    8927416X專利技術特點在于,爐體安裝在爐底平車上,爐膛內安裝有一根自焙電極,采用低頻交流電源.爐體外裝有可繞爐體移動的扒皮車.爐底平車置于基礎上,車板上設有多條鋼軌,爐體放在鋼軌上,爐底平車的移動由油缸和管路組成液壓系統控制,可使爐體沿爐口方向移動,以改變電極在爐膛中的位置.電爐采用的交流電源,是三相電源采用整流、逆變電路技術后,構成的單相低頻交流電源,亦即將三相市電經變壓器變壓,再經可控硅整流、逆變后,構成單相低頻交流電源.扒皮車由車體及設于車體上的電焊機、扒皮夾子、汽動裝置組成、車輪放在爐體外側的圓形軌道上.

    把三相礦熱爐改造成單相單電極爐,采用交-直-交-低頻方式,與8927416X專利技術不同之處是,所利用的閑置礦熱爐原有爐體是固定的,而電極是可移動的,可以根據工藝需要隨時改變其與出口之間的距離.采用十二相同步-逆變-低頻方式時,原有爐體也不變,只將固定電極裝置改為可移動,原有變壓器留用,其接線為A/Y,需再添一臺Y/Y性能變壓器,組成十二相同步-逆變-調頻交流電源,功率增大2/1.265倍.用上述兩種方式改造的爐子,所用電極的直徑正好與原有爐體的直徑相適應.爐子具有的電氣特性,完全符合煉制鋁硅合金的工藝要求.

    兩臺6300kVA經改造的單相單電極低頻爐,其產量高于一臺普通16500kVA三相爐子的產量,其創造的技術、經濟效益更優于后者.前蘇聯長期實踐經驗證明,采用單相供電的六根電極排成一行的長方形電爐,煉制鋁硅合金最有發展前途,它具有良好的工藝與電氣特性,功率因數提高5%~7%,電耗下降15%.

    鑒于各地多有閑置三相礦熱爐,建議選擇條件好的爐子,就地(或移地)加以改造,將其改造成為單相單電極低頻爐.改造后的爐子將具有諸多優點.現以6300kVA三相爐子,以十二相同步——逆變——低頻方式改造為例,加以說明:

    (1)改造后的爐子,功率增大為9960kVA,完全可保證連續出爐的工藝要求.

    (2)利用原有爐體、設施,可節省大量投資,并不難在3~5個月內投入生產.

    (3)由于單相單電極能量密度大,反應區各項技術要素穩定,溫度易于控制在所要求的2050℃~2200℃之間.

    (4)由于只有一根電極,消除了電極間分流,電極埋入深度大,保證了電流通過電弧直達爐底,反應區能量密度衡定,還原反應正常進行,提高了熱效率,減少了熱損失.

    (5)改造后的爐子電極與出爐口之間距離可調整(電極可移動)溫度高,保證了還原金屬及爐渣及時排出,金屬收率提高,同時中間產物SiC、Al4C3等難熔物較易被Al2O3還原,避免漲爐底現象發生.

    (6)一根可移動電極,可保持電爐滿負荷運行,功率利用率可達100%,必要時改變電極與出爐口之間的距離,超負荷運行,可利用"平谷峰"電價制度,于夜間(谷時)多用電,以降低平均電價.

    (7)由于一根電極,暴露于空氣中爐料中面積小因而消耗少,鐵質電極殼相應消耗少,有利于降低合金含鐵量.

    (8)一根電極便于調頻柜安裝、維護,而低頻的應用與推廣,是國家節能措施,將工頻50Hz調低為0~3Hz,可以減少大電流線路的電抗,節能降耗.頻率0~3HZ具有直流的功能,功率分布合理,不偏弧,電流集膚效應減少,均勻流過電極,溫度高而平穩,原料還原率高,電磁攪拌力大,微粒渣反復碰撞形成大顆粒,易于分離,使合金中混渣少,質量高,并有利于合金精制.

    (9)單相單電極低頻爐,不但優于三相爐,也優于直流爐.直流電爐2/3的功率在陽極(爐底),由于熱量過于集中,不能充分利用,并造成局部過熱,導致還原金屬大量揮發,使金屬收率降低,電耗增大.國外使用直流爐煉制鋁硅合金,每噸合金耗電15000度以上,國內在煉制工業硅時每噸硅耗電竟高達16500度,而低頻爐可使電耗低于13000度/噸合金.(10)一根電極,消除了三相三根電極的三角區,便于操作,特別是便于機械化、自動化改造,也便于采用中空電極,用氮氣將氧化鋁、剛玉或高鋁礦粉與炭粉吹進反應區,使其直接反應,以提高合金中鋁含量.

    (11)單相單電極低頻爐較三相爐排出煙塵少30%,噪音小,利于環保達標,利于粉末提純加密技術的應用,實施無廢料廢渣生產.

    一座改造后的10000kVA單相單電極低頻礦熱爐,可年產含鈦鋁硅合金約6000噸,按每kVA計算的年產量約為普通三相爐1.3倍.改造一臺6300kVA三相爐為10000kVA單相單電極低頻爐,所投資金不難在投產后一年內收回.

    正是由于單相單電極爐的優越功能,上世紀40年代,前蘇聯一種被稱為‘米格爐’的單相單電極爐風行一時,但由于對電網干擾大被禁止.我國在上世紀50年代由前蘇聯幫助建造的供煉硅用5000kVA單相雙電極礦熱爐,采用連續出爐工藝噸硅單耗可較三相爐低約10%以上.單相單電極爐較三相三電極優勢明顯.然而迄今為止國內尚未有以單相單電極爐成功煉制鋁硅合金案例,注重點仍傾向于大功率三相三電極爐,兩家規模企業以鋁硅合金立項,建造的功率16500kVA礦熱爐,投產后都轉產鐵合金.另外多家試煉制過鋁硅合金的企業,所選礦熱爐都是三相三電極爐,因而在首選單相單電極爐同時,不可忽視三相三電極爐.三相三電極爐經技術改造后,完全可以適應煉制鋁硅合金的工藝要求.例如有功功率大于13000kVA的爐子,采用二次低壓補償,增設三相平衡自動調整裝置和調頻柜后,按低電壓大電流要求相電壓控制在50V~55V之間,反應區下移電極埋入深,使反應區能量達到最佳限度,滿足冶煉工藝要求,煉制出合格合金,使冶煉工藝運行正常穩定.

    至于爐料制備,必須按確定的Al2O3/SiO2(以下以A/S表示)平衡配料,嚴格按操作規程進行,這是煉制鋁硅合金、鋁硅鈦合金工藝得以正常進行的必備條件.爐料需經加工清除其中有害雜質,在所有雜質中最為有害的是Fe2O3,而合金中鐵的含量很大程度決定合金的市場競爭力.含鐵過高,用于稀釋的原鋁(或再生鋁、廢雜鋁)的量加大,配制的合金成本高,利潤降低.因此,要求在煉制的合金成本不增加的前提下,含鐵愈低愈好,為此特別限定合金的含鐵量,一般不超過1.5%.

    在限定煉制鋁硅合金鐵含量的條件下,對原料選用、加工方法,特別是除鐵方法的選定,必須做足文章,因為這涉及到市場供求如物料價格高低、加工費用大小,加工難易程度,以及國家政策要求等諸多方面因素的綜合分析、評估等.比方河南的氧化鋁工業,由于實施選礦—拜耳工藝流程,副產大量尾礦,為使尾礦資源化,獲得國家免稅待遇,可選用除鐵尾礦作原料,也可以廢棄低鋁硅比鋁土礦,經除鐵、除雜后,用以煉制鋁硅合金,兩者都具有量大質優特點;山西省資源條件更為優越,高嶺土普遍含鐵低,平均在0.3%上下,朔州、忻州等高鋁煤產地,排放的高鋁粉煤灰、煤矸石更為可貴.平朔二礦所產粉煤灰中Al2O3含量達47%,Fe2O3含量只有0.44%,不需要除鐵加工.另外,懷仁某煤礦所產煤灰粉中Al2O3含量高達54.22%,A/S1.59,而Fe2O3含量為0.8%,如用作電熱煉制鋁硅合金原料,也不需要除鐵加工,懷仁所產洗選矸不需要添加含Al2O3物料,還原劑可選用洗選精煤,完全可以在煤上多下功夫.此外內蒙古、陜北等地也有高鋁煤矸石、粉煤灰產出,托克托電廠排放的粉煤灰Al2O3含量達54.77%,SiO2:36.5%、A/S1,51、Fe2O3含量2.29%,經高梯度磁分選可降至0.6%,無需添加含Al2O3物料,可直接用以制團.實際上,全國可資源利用的煉制鋁硅合金原料可謂取之不盡,用之不竭.

    原料制備的另一個重要環節是制團工藝.球團要求細度、導電度、機械強度、孔隙度等要充分滿足冶煉工藝要求,球團耐熱強度決定冶煉過程造碴多少的決定因素,耐熱強度必須保證球團順利進入反應區.正常運轉時約有14%~17%的殘碴形成,其成分主要是多鋁紅柱石(3Al2O3.2SiO2)、剛玉、六鋁酸鈣(Ca.6Al2O3)、SiC、AlOC等,通常在連續出爐時被帶出爐外,返回流程,如果球團耐熱程度不夠,造碴過多無法及時排出爐外,會引發漲爐底事故,事故頻發會造成無法正常生產.

    總之,性能優越適用礦熱爐,優良合格球團,是煉制鋁硅合金的必備條件,不可漠然置之.

    (三)除了上述通用方式,還可創新其他探索方法,例如煉制鋁硅鈦合金或鋁鐵合金使其分離制取含鐵低,并含有其他有益成份的鋁合金或含有少量鋁的鐵合金,而產出的含有少量硅、鈦的鋁合金,與再生鋁、廢雜鋁熔配如同上述成分的鋁硅亞共晶變形合金.

    上世紀90年代,我國鋁硅鐵首創焦作李封鐵合金廠,去前蘇聯參觀訪問回國后即試驗電熱法煉制鋁硅鐵合金一舉成功,投產后頭3天煉出的合金成分如下:

    如果能使鐵含量保持到10%或以下,運用振動法、重力離心法、或水淬—磁選法,或可能把鐵含量降至2%~3%,含鐵2%~3%的鋁硅合金與適量再生鋁或廢雜鋁熔配,可配制出含鐵0.7以下,含鈦適量的鋁硅亞共晶變形合金,合金機械性能,經測試與LD2接近,可作為LD2的代用品廣泛應用于建筑業、運輸業等方面,從而使產能過剩的鋁硅鐵就可在自救的同時助推再生鋁業轉型升級脫困轉強.

    可配制的鋁硅亞共晶變形合金成份及測試結果如下:1.Al-6%Si-1%Ti合金可以軋制成板、擠壓成各種規格的棒、管、型材等.勿需中間退火可直接將管毛料拉拔成一定規格尺寸的半成品.

    2.為保證得到具有較好綜合性能的Al-6%Si變形鋁合金,鈦含量應該限制在0.5%~1.0%的范圍較適宜.

    3.Al-6%Si-1%

    Ti合金板的機械性能,在冷變形狀態下抗拉強度、屈服強度比工業純鋁高約5~7kg/mm2,延伸率基本相當:在退火狀態時,Al-6%Si-1%

    Ti合金的抗拉強度比工業純鋁高約5kg/mm2,屈服強度略高,延伸率基本相同,與同樣狀態下的LD2合金相比,抗拉強度略低,延伸率相對較高.

    4.Al-6%Si-1%Ti合金擠壓棒的機械性能,在退火狀態下抗拉強度、延伸率比工業純鋁高,與同狀態下的LD2合金棒之抗拉強度基本接近,但延伸率和硬度要略高些,斷面收縮率約低15%有希望成為退火狀態下LD2合金棒的代用材料.

    5.該合金成型性好,型材可一次彎成900角不裂.如與廢雜鋁熔配,廢雜鋁中銅、鋅等金屬有益無害.此外還有一種過共晶鋁硅合金早已問世也應重視.

    關鍵仍是除鐵,2%~3%的鐵含量,在稀釋硅的同時也被稀釋.倘鐵含量稀釋不到位,再以重力離心法二次除鐵,可將其清除到0.5%以下.

    研究表明,鋁硅鐵合金中三元相為:Fe2SiAl8、FeSiAl6、FeSiAl4,且在硅中溶解極小.用振動法、重力離心法、水淬-磁選法有可能把鐵清除到2%~3%上下,自然混鋅法亦可一試.不論哪種方式,產出的副產品都可再利用,其經濟效益仍可維持高位.

    利用鐵在高溫時能有效抑制鋁的揮發,碳熱法煉制鋁硅合金,也是一個可行的選項.國外許多國家都曾試驗過.日本企業以高溫間接加熱法,以氧化鋁、氧化鐵粉、石墨粉按重量比60:15:25混合制團,在21500C高溫下,保溫30分鐘,煉制出鋁鐵Fe/AL2.61的鋁鐵合金.由于鐵在鋁中固溶度受熔體溫度左右,低溫時固溶度隨之降低,共晶溫度時降至0.03%~0.05%,其時鐵呈原子團存在而不紊亂,可以多種方式予以清除;由于鐵不熔于鋅和鉛也可以混鋅法、混鉛法進行處理.上世紀80年代日本人還曾以高爐法進行試驗,產出的合金含鋁60%以上,含鐵20%~25%,含硅10%~15%,雖然兩種方式都未能產業化,但都有改進優化余地,具有一定參考價值.