鋁合金熔煉是鋁材加工的首要工序中的頭道工序，是獲得特定化學成分要求滿足加工要求和使用性能的鑄錠材料。程包括配料、爐料處理、熔煉工藝溫度確定、合金元素添加、合金元素均勻性和不良雜相控制，各因素相互作用及其遺傳性的熔煉過程工藝控制等等。生產實踐證明，鋁及鋁合金半成品的諸多缺陷(約占70%以上)都與熔煉鑄造有關。
鋁合金熔煉現狀和不足
(1)鋁和鋁合金熔煉以燃油、燃氣反射爐為主，鋁熔體在熔煉源頭即被污染;
(2)合金熔煉過程中合金化處理的強化傳質采用人工或機械攪拌時，勞動強度大、操作不便、攪拌工具對鋁熔體有污染;采用電磁攪拌或永磁攪拌同樣存在諸多問題：如因磁場分布不均勻引起的非均勻流動、設備投資大、電磁場能利用率低等;
(3)爐內凈化采用化學熔劑進行噴粉精煉，污染環境也增加鋁合金熔劑污染的可能性。
(4)金屬添加劑具有助熔劑，由于有利于金屬溶解的助熔劑必須具備較強的金屬鋁親和力，因此容易造成熔劑夾雜，更為重要的是：或多或少還含有該元素氧化物彌散顆粒，這些細微氧化物很難去除;當前的熔劑的熔鹽體系只對氧化鋁和大顆粒起作用，對其非氧化鋁的彌散夾雜無能為力，這就是在檢測鋁材高倍組織中經常發現熔劑夾雜的原因所在。
針對當前國內鋁加工行業在鋁熔體處理方面存在的問題，沿著綠色、環保、高品質、低能耗的方向，研究出一套符合我國國情的鋁熔體綠色熔煉技術是至關重要的。
2、鋁合金熔煉技術方面的技術進步
熔鑄是鋁材生產過程中的首要工序，尤其熔煉及熔體處理起著至關重要的作用，是生產高品質鋁材的第一要素。鋁熔體處理包括合金化、均勻化、凈化與晶粒細化劑添加，傳統的處理或多或少地會排放一些對人體有害與污染環境的物質，因此發展節能減排、減輕勞動強度與環境友好型的鋁熔體處理技術是鋁工業面臨的一項嚴峻挑戰。
在除氣凈化處理過程中，要求所采用的工藝及相關設備滿足：除氣除雜效果好;環保性好，處理過程不對環境、設備及操作者造成危害;經濟性好，而采用透氣磚(如圖1所示)吹入彌散的惰性氣體就是針對從爐內到爐外的鋁熔體系統開發高效的凈化處理工藝是未來的發展趨勢。
新型添加劑的開發與應用：在合金化處理過程中，對低于鋁熔點的金屬Mg、Zn直接加入熔體中，采用鋁基元素添加劑代替市場上的帶有助熔劑的元素添加劑，實收率高、均勻性好、無雜質引入、合金元素及鋁熔體的燒損低，加入過程簡單、安全，無煙氣排放，成本相對低。并修訂了中國有色金屬行業標準，推動綠色熔煉技術的行業發展。
開發新型多功能熔劑(例如除堿金屬);不用含氯混合氣體精煉也不會有含氟氣體排放的精煉熔劑;在提高鋁渣處理能力，實現固體零排放的熔劑凈化技術;同時由于鋁灰中含有高于鋁礬土礦中的氧化鋁量，研究新型精煉熔劑處理后的鋁灰可直接配入電解槽，完善鋁電解工藝的生產。
2.1 透氣爐床物理冶金創新點
福建麥特新研發的透氣磚可以避免熔劑凈化的污染，可以使鋁合金熔煉達到真正的環保要求。
采用透氣磚(如圖1所示)吹入彌散的惰性氣體，有望在爐氣和鋁液界面上形成富集惰性氣氛的界面阻擋層，阻止鋁熔體的氧化和吸氣，減少鋁的燒損。同時惰性氣體的吹入增加鋁 熔體的傳質和傳熱，有益于提高熔化效率。同時應用先進的控制系統，實時控制每組透氣磚的供氣量、供氣壓力，制造沸騰大脈沖的造浪技術，促使鋁熔體三維對流傳質實現合金化攪拌效果。再者氣體始終是從底部向上運動，在向上漂浮過程中可吸附帶出懸浮在鋁熔體中的雜質相，運動過程中將爐底和熔體中大的夾雜物也帶出，這樣就減少了爐床和爐角結渣，從而提高了熔體的潔凈度又保證了爐床的清潔。熔爐中安裝透氣磚，由于：①采用氣體造浪式攪拌，增強水平傳質運動，促使溶質組元擴散運動;②存在逆向重力場的傳質運動，克服比重引起的化學成份偏析;③存在逆向溫度場傳質運動，解決上下層溫差以及由溫度場引起的化學成份偏析?？梢允购辖鹑垠w成分和溫度均勻，解決熔體均勻性問題。
圖1 透氣磚示意圖
以下是透氣磚熔煉與其它熔煉工藝的經濟性對比數據：
表1 透氣磚熔煉與傳統熔煉工藝的經濟性指標對比數表
透氣磚適用范圍存在一定的局限性，必須是新建改建的新的熔鋁爐尤其適用連續生產的鋁爐中，經濟效益最顯著;如有原鋁水供應的熔煉爐或者連鑄連軋的保溫爐中應用。
2.2 凈化合金化攪拌一體機
在鋁熔體生產中總會混入一定量的固態夾雜物并吸收一定量的氣體，前者以氧化物(如氧化鋁)為主，后者以氫為主。根據合金及熔煉工藝的不同，固體夾雜物的含量一般為0.8%～2%，而氫的含量通常為1.8ml/100gAl～4.5ml/100gAl，為了生產品質優良的鋁材與鑄造產品，必須將鋁熔體中的固體夾雜物與氣體含量凈化處理到盡可能低的程度。凈化處理分爐內與爐外處理，爐內處理就是往鋁熔體加入一定量的熔劑與惰性氣體，使夾雜物與氫上浮到熔體表面，然后將其扒出，生產中稱為扒渣。為了加速夾雜物的分離過程必須攪拌熔體。攪拌熔體還有使溫度均勻、合金元素均勻、熔劑均勻的作用。在常規的現代化反射爐內熔煉鋁合金時，溫度總是不均勻的，表面溫度高，低層溫度低，有時其值相差三四十攝氏度，經過攪拌后，熔體溫度差最好不超過5℃。
傳統的爐內除夾雜物與除氣處理，或者說添加熔劑、通入惰性氣體與攪拌等大都獨立進行，不但勞動強度大，高溫操作時間長，而且無法發揮提高凈化效率的相互協調作用。
麥特新公司開發的爐內旋轉噴粉攪拌除氣機將加入熔劑、通入惰性氣體與攪拌集于一體，由一臺機器的機械動作一次性完成，勞動條件大為改觀，時間顯著縮短，品質效率提高了。經濟指標對比見表2
表2 傳統的凈化技術與一體機凈化經濟指標對比表
這種新型的爐內旋轉噴粉攪拌除氣一體機(見圖2)具有結構簡單、方便易用、噴粉攪拌雙功能外，且在爐內工作不受自由度限制，特殊的泵吸攪拌頭促使熔體在鋁液面下強制對流，在泵吸攪拌頭中心噴出熔劑隨著輸送混合，熔劑用量少，充分攪拌鋁熔體，合金化學成分和熔體溫度迅速均勻，實現了爐內除氣除渣功效，熔體凈化速度快、是目前爐內凈化效果最理想的工藝裝備。
圖2新型的爐內旋轉噴粉攪拌除氣一體機
2.4 綠色熔劑開發
眾所周知，相比于鋁熔體凈化過程中采用的其它工藝和設備，熔劑以其低廉的價格、較少的附加設備、較簡單的操作以及凈化能力等特點，在鋁工業發展中得到了普遍的應用，目前國內的鋁生產廠在爐內凈化環節大多仍沿用鹽熔劑處理技術。
熔劑一般由堿金屬或堿土金屬鹵鹽的混合物組成，主要成分為KCl、NaCl、NaF、CaF2、Na2SiF6、Na3AlF6等，另外還包括少量的硝酸鹽和碳酸鹽。熔劑加入鋁熔體后，熔劑中含有的氯鹽、氟鹽、硝酸鹽、硫酸鹽和碳酸鹽等化合物在熔體處理過程中分解或發生化學反應，排出的廢氣含有有毒成分(含F、Cl、氮化物及硫化物)，侵害人的健康，腐蝕設備，污染空氣;另外，扒出的鋁渣作為含F、Cl鹽類的固體廢棄物同樣對環境造成嚴重污染。據不完全統計，就熔劑精煉工序全國每年至少增加50萬噸以上的不可回收高污染廢渣。
目前，各鋁工業企業在采用熔劑凈化鋁熔體時，需要面對的現實問題是：一方面從成本和生產需要方面考慮，不能完全拋棄熔劑精煉工藝;另一方面從綠色環保、節能減排的角度考慮，急需對熔劑精煉工藝進行改進。在提倡節能環保的今天，可以預見，不對熔劑進行改進、熔劑產品及其精煉工藝的應用將會受到越來越大的限制。
針對以上問題，麥特新公司與東北大學、福建南平鋁業有限公司聯合開發出了一系列綠色熔劑，包括精煉劑、打渣劑、覆蓋劑等產品，該系列產品已得到東北大學測試分析認可，并在南平鋁業有限公司投入使用。該系列產品是鋁熔體綠色高效凈化專利產品，經熔劑處理后扒出的鋁渣可集中重新返回電解槽電解，實現可再生循環利用，這種工藝一方面可回收鋁渣中的鋁和氧化鋁，另一方面保證在鋁熔體加入熔劑處理過程中無固態廢物排放。另外，該系列綠色熔劑不但滿足熔劑產品的普遍要求，即不與鋁熔體反應、也不相互溶解、熔點低于精煉溫度、流動性好、容易在鋁熔體表面形成連續的覆蓋熔鹽層保護鋁液、能吸附和溶解氧化鋁夾雜、來源豐富、價格便宜，而且煙氣量小，無有毒和刺激性氣體排放，精煉效果完全滿足用戶生產要求。
采用綠色熔劑處理鋁熔體，不但實現對固體廢渣的循環利用、實現固體廢物零排放，而且大大降低了煙氣量，減少了有毒氣體的排放。另外，我司將爐內旋轉噴粉攪拌的一體機和綠色熔劑協調使用的工藝方法目前已取得突破性進展，最終實現了爐內綠色精煉、合金化和均勻化同步進行的工藝處理模式，該方法已得到南平鋁業有限公司的認可，并于近期正式投入使用，進入配兌氧化鋁進電解槽，完善鋁電解工藝生產階段。
3.鋁液在線除氣過濾除渣凈化的技術進步
從爐內放出的鋁熔體在鑄造成型之前進行的連續凈化處理，稱為爐外凈化處理，也稱熔體在線處理(In-Line處理)或聯機處理。爐內處理不可能達到或完全達到凈化目的，而且熔體又有二次污染的可能，為了提高凈化處理效果和保證熔體品質的穩定可靠，爐外連續凈化處理得到迅速發展。與爐內處理相比，爐外凈化處理具有凈化效果好、熔體不受二次污染、勞動強度低、無公害，同連續鑄造或連續鑄軋相配合可以實現鑄造生產的連續化、自動化。
福建麥特新公司擁有一支跨學科領域的研究團隊，對在線凈化除氣設備研究開發一直在進行著，在國內首創動態水模擬研究，克服合泡、短流和死角等動態結構性問題，承擔科技部的創新項目“應用于鋁合金綠色熔煉的鋁液在線除氣技術設備”(見圖3)適用于半連續鑄造或連續鑄軋，處理過程中采用氬氣或氮氣作為凈化介質，從鋁熔體中去除氫及非金屬夾雜物。
圖3 在線除氣技術設備圖
該在線除氣設備的運行指標如下：
1)綜合除氣率>60%(以入口鋁液含氫量0.3ml/100gAl計);
2)表面浮渣為干燥松散型;甚至部分干性粉渣部分自動導出，減少開啟扒渣次數;
3)內襯耐鋁熔體侵蝕，無污染、不粘鋁;
4)除氣效果不受天氣變化和濕度波動影響。
該在線除氣裝置具有以下優點：
1)箱體與轉子機構密封設計，不受季節或周圍空氣等因素影響，不需要惰性氣體覆蓋、較少熔渣產生、較低的轉子氧化。多面體陶瓷內襯與轉子抗渦流的新設計減少鋁熔體的攪動與渦流的產生，優化氣體擴散，不留死角，除氣效率高。
2)箱體結構設計合理，保證鋁熔體通過箱體時經過的路線最遠，能與惰性氣體充分接觸、完全反應，提高除氣效率，降低氣體消耗量。
3)傾翻機構使更換合金更容易、更迅速、更簡便;清渣更安全、更徹底，降低勞動強度。
4)減少對陶瓷內襯的沖擊，使陶瓷內襯使用壽命更長。維護周期間隔更長。
5)該在線除氣技術設備采用了全新的設計理念，傾翻出的鋁液直接輸送到鑄造機，提高成品率，克服除氣箱底部放流操作穩患，解決了由此帶來的重熔過程能源消耗及金屬燒損的共性問題
4. 鋁合金熔煉的節能減排效果
4.1 創新熔煉技術同現行熔煉技術經濟效應比較
當前鋁合金創新熔煉技術與其它熔煉工藝技術經濟性對比(見表3)，在設備投資、熔化效率以及熔煉過程中幾個重要的技術指標，從實際應用效果和經濟社會效益來看，一體機熔煉技術較其它技術有著明顯的優勢，而一體機是透氣磚熔煉技術的最佳補充。
表3 創新技術與傳統熔煉工藝技術經濟指標對比表
4.2 熔劑精練節能減排效果
當前精煉過程采用的化學熔劑是由堿金屬和堿土金屬的氯鹽和氟鹽等混合而成,即:NaCl+KCl+NaF·AlF3+CaF2+Na2SiF6+C2Cl6+一定量的發熱劑和緩沖劑;其中最能有效發揮凈化功效的是六氯乙烷和氟硅酸鈉,其分解為氯氣C2Cl6→C2Cl4+Cl2↑，Na2SiF6→NaF+SiF4↑+放出大量熱和四氟化硅為有毒氣體,會對周圍和操作者人體健康產生威脅，表現在爐內處理過程中，伴隨有強烈的刺激性氣味,濃厚的白煙,熔劑在鋁熔體中發生化學反應,在爐內的鋁熔體面上產生黃色火苗(鈉燃燒),產生大量的高溫鋁渣,扒渣時，夾帶出較多鋁,鋁損耗增加.渣的處理較大，存在以下幾個問題：
1)含有氟、氯的有毒氣體排放，實現清潔生產困難，需要環保處理設備投入，目前均采用同燃燒尾氣一同處理的環保設備，在熔劑精煉期間排放處理存在不可操作的實際問題。
2)鋁行業歷史發展因素，長期存在高溫熔鹽物理化學的熔劑研究不足，各家企業追求低成本，市場供應存在采用高效低用量的熔劑甚微，造成單位用量大，造渣量多金屬消耗大，渣鋁分離的金屬回收工作量和資金再投入增加;
3)長期存在鋁灰摒棄污染環境并具有持久性，并且隨著鋁行業的發展總量在不斷的增加;
福建麥特新公司開發的具有自主知識產權的新型透氣磚爐床熔鋁爐和一體機，以及歷經2年同東北大學和南平鋁業合作研究的、正處于鋁電解生產工業化應用研究中綠色可循環鋁電解回收的新型熔劑，同步進行的爐外在線環保除氣過濾技術的技術進步就是鋁合金綠色熔煉技術的發展初步階段。
5 結語
根據以上的技術成果,編寫成YS/T601-2012《鋁熔體在線除氣凈化工藝規范》與YS/T851-2012《鋁熔體在線連續除氣裝置》行業標準，同時修訂了YS/492-2012《變形鋁合金用成分添加劑》行業標準;將成熟的技術進步服務于中國鋁行業，推動全國鋁業產品轉型升級，共同進步，提高國內外市場競爭力;并繼續深化福建南平鋁業和中鋁瑞閩及廈順鋁箔合作，研發低運行成本，自動化程度高，耐用、穩定、綠色環保的鋁合金熔煉凈化新技術。
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聲明：
“綠色鋁冶煉的技術進步” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業用途，請聯系該技術所有人。
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編輯：中冶有色技術網
來源：福建麥特新鋁業科技有限公司
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