绿色铝冶炼的技术进步

1049 编辑：中冶有色技术网来源：福建麦特新铝业科技有限公司

2023-02-15 11:38:13

1、铝合金熔炼的现状

铝合金熔炼是铝材加工的首要工序中的头道工序，是获得特定化学成分要求满足加工要求和使用性能的铸锭材料。程包括配料、炉料处理、熔炼工艺温度确定、合金元素添加、合金元素均匀性和不良杂相控制，各因素相互作用及其遗传性的熔炼过程工艺控制等等。生产实践证明，铝及铝合金半成品的诸多缺陷(约占70%以上)都与熔炼铸造有关。

铝合金熔炼现状和不足

(1)铝和铝合金熔炼以燃油、燃气反射炉为主，铝熔体在熔炼源头即被污染;

(2)合金熔炼过程中合金化处理的强化传质采用人工或机械搅拌时，劳动强度大、操作不便、搅拌工具对铝熔体有污染;采用电磁搅拌或永磁搅拌同样存在诸多问题：如因磁场分布不均匀引起的非均匀流动、设备投资大、电磁场能利用率低等;

(3)炉内净化采用化学熔剂进行喷粉精炼，污染环境也增加铝合金熔剂污染的可能性。

(4)金属添加剂具有助熔剂，由于有利于金属溶解的助熔剂必须具备较强的金属铝亲和力，因此容易造成熔剂夹杂，更为重要的是：或多或少还含有该元素氧化物弥散颗粒，这些细微氧化物很难去除;当前的熔剂的熔盐体系只对氧化铝和大颗粒起作用，对其非氧化铝的弥散夹杂无能为力，这就是在检测铝材高倍组织中经常发现熔剂夹杂的原因所在。

针对当前国内铝加工行业在铝熔体处理方面存在的问题，沿着绿色、环保、高品质、低能耗的方向，研究出一套符合我国国情的铝熔体绿色熔炼技术是至关重要的。

2、铝合金熔炼技术方面的技术进步

熔铸是铝材生产过程中的首要工序，尤其熔炼及熔体处理起着至关重要的作用，是生产高品质铝材的第一要素。铝熔体处理包括合金化、均匀化、净化与晶粒细化剂添加，传统的处理或多或少地会排放一些对人体有害与污染环境的物质，因此发展节能减排、减轻劳动强度与环境友好型的铝熔体处理技术是铝工业面临的一项严峻挑战。

在除气净化处理过程中，要求所采用的工艺及相关设备满足：除气除杂效果好;环保性好，处理过程不对环境、设备及操作者造成危害;经济性好，而采用透气砖(如图1所示)吹入弥散的惰性气体就是针对从炉内到炉外的铝熔体系统开发高效的净化处理工艺是未来的发展趋势。

新型添加剂的开发与应用：在合金化处理过程中，对低于铝熔点的金属Mg、Zn直接加入熔体中，采用铝基元素添加剂代替市场上的带有助熔剂的元素添加剂，实收率高、均匀性好、无杂质引入、合金元素及铝熔体的烧损低，加入过程简单、安全，无烟气排放，成本相对低。并修订了中国有色金属行业标准，推动绿色熔炼技术的行业发展。

开发新型多功能熔剂(例如除碱金属);不用含氯混合气体精炼也不会有含氟气体排放的精炼熔剂;在提高铝渣处理能力，实现固体零排放的熔剂净化技术;同时由于铝灰中含有高于铝矾土矿中的氧化铝量，研究新型精炼熔剂处理后的铝灰可直接配入电解槽，完善铝电解工艺的生产。

2.1 透气炉床物理冶金创新点

福建麦特新研发的透气砖可以避免熔剂净化的污染，可以使铝合金熔炼达到真正的环保要求。

采用透气砖(如图1所示)吹入弥散的惰性气体，有望在炉气和铝液界面上形成富集惰性气氛的界面阻挡层，阻止铝熔体的氧化和吸气，减少铝的烧损。同时惰性气体的吹入增加铝熔体的传质和传热，有益于提高熔化效率。同时应用先进的控制系统，实时控制每组透气砖的供气量、供气压力，制造沸腾大脉冲的造浪技术，促使铝熔体三维对流传质实现合金化搅拌效果。再者气体始终是从底部向上运动，在向上漂浮过程中可吸附带出悬浮在铝熔体中的杂质相，运动过程中将炉底和熔体中大的夹杂物也带出，这样就减少了炉床和炉角结渣，从而提高了熔体的洁净度又保证了炉床的清洁。熔炉中安装透气砖，由于：①采用气体造浪式搅拌，增强水平传质运动，促使溶质组元扩散运动;②存在逆向重力场的传质运动，克服比重引起的化学成份偏析;③存在逆向温度场传质运动，解决上下层温差以及由温度场引起的化学成份偏析。可以使合金熔体成分和温度均匀，解决熔体均匀性问题。

透气砖示意图

图1 透气砖示意图

以下是透气砖熔炼与其它熔炼工艺的经济性对比数据：

表1 透气砖熔炼与传统熔炼工艺的经济性指标对比数表

透气砖适用范围存在一定的局限性，必须是新建改建的新的熔铝炉尤其适用连续生产的铝炉中，经济效益最显著;如有原铝水供应的熔炼炉或者连铸连轧的保温炉中应用。

2.2 净化合金化搅拌一体机

在铝熔体生产中总会混入一定量的固态夹杂物并吸收一定量的气体，前者以氧化物(如氧化铝)为主，后者以氢为主。根据合金及熔炼工艺的不同，固体夹杂物的含量一般为0.8%～2%，而氢的含量通常为1.8ml/100gAl～4.5ml/100gAl，为了生产品质优良的铝材与铸造产品，必须将铝熔体中的固体夹杂物与气体含量净化处理到尽可能低的程度。净化处理分炉内与炉外处理，炉内处理就是往铝熔体加入一定量的熔剂与惰性气体，使夹杂物与氢上浮到熔体表面，然后将其扒出，生产中称为扒渣。为了加速夹杂物的分离过程必须搅拌熔体。搅拌熔体还有使温度均匀、合金元素均匀、熔剂均匀的作用。在常规的现代化反射炉内熔炼铝合金时，温度总是不均匀的，表面温度高，低层温度低，有时其值相差三四十摄氏度，经过搅拌后，熔体温度差最好不超过5℃。

传统的炉内除夹杂物与除气处理，或者说添加熔剂、通入惰性气体与搅拌等大都独立进行，不但劳动强度大，高温操作时间长，而且无法发挥提高净化效率的相互协调作用。

麦特新公司开发的炉内旋转喷粉搅拌除气机将加入熔剂、通入惰性气体与搅拌集于一体，由一台机器的机械动作一次性完成，劳动条件大为改观，时间显著缩短，品质效率提高了。经济指标对比见表2

表2 传统的净化技术与一体机净化经济指标对比表

这种新型的炉内旋转喷粉搅拌除气一体机(见图2)具有结构简单、方便易用、喷粉搅拌双功能外，且在炉内工作不受自由度限制，特殊的泵吸搅拌头促使熔体在铝液面下强制对流，在泵吸搅拌头中心喷出熔剂随着输送混合，熔剂用量少，充分搅拌铝熔体，合金化学成分和熔体温度迅速均匀，实现了炉内除气除渣功效，熔体净化速度快、是目前炉内净化效果最理想的工艺装备。

图2新型的炉内旋转喷粉搅拌除气一体机

2.4 绿色熔剂开发

众所周知，相比于铝熔体净化过程中采用的其它工艺和设备，熔剂以其低廉的价格、较少的附加设备、较简单的操作以及净化能力等特点，在铝工业发展中得到了普遍的应用，目前国内的铝生产厂在炉内净化环节大多仍沿用盐熔剂处理技术。

熔剂一般由碱金属或碱土金属卤盐的混合物组成，主要成分为KCl、NaCl、NaF、CaF2、Na2SiF6、Na3AlF6等，另外还包括少量的硝酸盐和碳酸盐。熔剂加入铝熔体后，熔剂中含有的氯盐、氟盐、硝酸盐、硫酸盐和碳酸盐等化合物在熔体处理过程中分解或发生化学反应，排出的废气含有有毒成分(含F、Cl、氮化物及硫化物)，侵害人的健康，腐蚀设备，污染空气;另外，扒出的铝渣作为含F、Cl盐类的固体废弃物同样对环境造成严重污染。据不完全统计，就熔剂精炼工序全国每年至少增加50万吨以上的不可回收高污染废渣。

目前，各铝工业企业在采用熔剂净化铝熔体时，需要面对的现实问题是：一方面从成本和生产需要方面考虑，不能完全抛弃熔剂精炼工艺;另一方面从绿色环保、节能减排的角度考虑，急需对熔剂精炼工艺进行改进。在提倡节能环保的今天，可以预见，不对熔剂进行改进、熔剂产品及其精炼工艺的应用将会受到越来越大的限制。

针对以上问题，麦特新公司与东北大学、福建南平铝业有限公司联合开发出了一系列绿色熔剂，包括精炼剂、打渣剂、覆盖剂等产品，该系列产品已得到东北大学测试分析认可，并在南平铝业有限公司投入使用。该系列产品是铝熔体绿色高效净化专利产品，经熔剂处理后扒出的铝渣可集中重新返回电解槽电解，实现可再生循环利用，这种工艺一方面可回收铝渣中的铝和氧化铝，另一方面保证在铝熔体加入熔剂处理过程中无固态废物排放。另外，该系列绿色熔剂不但满足熔剂产品的普遍要求，即不与铝熔体反应、也不相互溶解、熔点低于精炼温度、流动性好、容易在铝熔体表面形成连续的覆盖熔盐层保护铝液、能吸附和溶解氧化铝夹杂、来源丰富、价格便宜，而且烟气量小，无有毒和刺激性气体排放，精炼效果完全满足用户生产要求。

采用绿色熔剂处理铝熔体，不但实现对固体废渣的循环利用、实现固体废物零排放，而且大大降低了烟气量，减少了有毒气体的排放。另外，我司将炉内旋转喷粉搅拌的一体机和绿色熔剂协调使用的工艺方法目前已取得突破性进展，最终实现了炉内绿色精炼、合金化和均匀化同步进行的工艺处理模式，该方法已得到南平铝业有限公司的认可，并于近期正式投入使用，进入配兑氧化铝进电解槽，完善铝电解工艺生产阶段。

3.铝液在线除气过滤除渣净化的技术进步

从炉内放出的铝熔体在铸造成型之前进行的连续净化处理，称为炉外净化处理，也称熔体在线处理(In-Line处理)或联机处理。炉内处理不可能达到或完全达到净化目的，而且熔体又有二次污染的可能，为了提高净化处理效果和保证熔体品质的稳定可靠，炉外连续净化处理得到迅速发展。与炉内处理相比，炉外净化处理具有净化效果好、熔体不受二次污染、劳动强度低、无公害，同连续铸造或连续铸轧相配合可以实现铸造生产的连续化、自动化。

福建麦特新公司拥有一支跨学科领域的研究团队，对在线净化除气设备研究开发一直在进行着，在国内首创动态水模拟研究，克服合泡、短流和死角等动态结构性问题，承担科技部的创新项目“应用于铝合金绿色熔炼的铝液在线除气技术设备”(见图3)适用于半连续铸造或连续铸轧，处理过程中采用氩气或氮气作为净化介质，从铝熔体中去除氢及非金属夹杂物。

图3 在线除气技术设备图

该在线除气设备的运行指标如下：

1)综合除气率>60%(以入口铝液含氢量0.3ml/100gAl计);

2)表面浮渣为干燥松散型;甚至部分干性粉渣部分自动导出，减少开启扒渣次数;

3)内衬耐铝熔体侵蚀，无污染、不粘铝;

4)除气效果不受天气变化和湿度波动影响。

该在线除气装置具有以下优点：

1)箱体与转子机构密封设计，不受季节或周围空气等因素影响，不需要惰性气体覆盖、较少熔渣产生、较低的转子氧化。多面体陶瓷内衬与转子抗涡流的新设计减少铝熔体的搅动与涡流的产生，优化气体扩散，不留死角，除气效率高。

2)箱体结构设计合理，保证铝熔体通过箱体时经过的路线最远，能与惰性气体充分接触、完全反应，提高除气效率，降低气体消耗量。

3)倾翻机构使更换合金更容易、更迅速、更简便;清渣更安全、更彻底，降低劳动强度。

4)减少对陶瓷内衬的冲击，使陶瓷内衬使用寿命更长。维护周期间隔更长。

5)该在线除气技术设备采用了全新的设计理念，倾翻出的铝液直接输送到铸造机，提高成品率，克服除气箱底部放流操作稳患，解决了由此带来的重熔过程能源消耗及金属烧损的共性问题

4. 铝合金熔炼的节能减排效果

4.1 创新熔炼技术同现行熔炼技术经济效应比较

当前铝合金创新熔炼技术与其它熔炼工艺技术经济性对比(见表3)，在设备投资、熔化效率以及熔炼过程中几个重要的技术指标，从实际应用效果和经济社会效益来看，一体机熔炼技术较其它技术有着明显的优势，而一体机是透气砖熔炼技术的最佳补充。

表3 创新技术与传统熔炼工艺技术经济指标对比表

4.2 熔剂精练节能减排效果

当前精炼过程采用的化学熔剂是由碱金属和碱土金属的氯盐和氟盐等混合而成,即:NaCl+KCl+NaF·AlF3+CaF2+Na2SiF6+C2Cl6+一定量的发热剂和缓冲剂;其中最能有效发挥净化功效的是六氯乙烷和氟硅酸钠,其分解为氯气C2Cl6→C2Cl4+Cl2↑，Na2SiF6→NaF+SiF4↑+放出大量热和四氟化硅为有毒气体,会对周围和操作者人体健康产生威胁，表现在炉内处理过程中，伴随有强烈的刺激性气味,浓厚的白烟,熔剂在铝熔体中发生化学反应,在炉内的铝熔体面上产生黄色火苗(钠燃烧),产生大量的高温铝渣,扒渣时，夹带出较多铝,铝损耗增加.渣的处理较大，存在以下几个问题：

1)含有氟、氯的有毒气体排放，实现清洁生产困难，需要环保处理设备投入，目前均采用同燃烧尾气一同处理的环保设备，在熔剂精炼期间排放处理存在不可操作的实际问题。

2)铝行业历史发展因素，长期存在高温熔盐物理化学的熔剂研究不足，各家企业追求低成本，市场供应存在采用高效低用量的熔剂甚微，造成单位用量大，造渣量多金属消耗大，渣铝分离的金属回收工作量和资金再投入增加;

3)长期存在铝灰摒弃污染环境并具有持久性，并且随着铝行业的发展总量在不断的增加;

福建麦特新公司开发的具有自主知识产权的新型透气砖炉床熔铝炉和一体机，以及历经2年同东北大学和南平铝业合作研究的、正处于铝电解生产工业化应用研究中绿色可循环铝电解回收的新型熔剂，同步进行的炉外在线环保除气过滤技术的技术进步就是铝合金绿色熔炼技术的发展初步阶段。

5 结语

根据以上的技术成果,编写成YS/T601-2012《铝熔体在线除气净化工艺规范》与YS/T851-2012《铝熔体在线连续除气装置》行业标准，同时修订了YS/492-2012《变形铝合金用成分添加剂》行业标准;将成熟的技术进步服务于中国铝行业，推动全国铝业产品转型升级，共同进步，提高国内外市场竞争力;并继续深化福建南平铝业和中铝瑞闽及厦顺铝箔合作，研发低运行成本，自动化程度高，耐用、稳定、绿色环保的铝合金熔炼净化新技术。

参考文献：

[1] 路贵民柯东杰铝合金熔炼理论与工艺 [M]. 东北大学出版社，1999.

[2] 王祝堂我国铝加工业冶金炉能耗现状与展望 [J] 轻合金加工技术，1999，No5

[3] 宋禹田中国铝加工发展现状中国首届铝加工技术论坛文集，2007

[4] 柯东杰铝合金绿色熔炼新概念中国首届铝加工技术论坛文集，2007

[5] 吴旭龙等电磁/永磁搅拌器在熔铝炉上的应用及比较 [J] 有色金属加工，2008,No3

[6] 柯东杰路贵民陈晓低成本无污染的熔炼铝合金新技术铝合金熔铸技术交流会文集

[7] 柯东杰蔡应铎综述现行铝合金精炼技术 [J] 轻合金加工技术，1994，No4

[8] 邱竹贤铝电解 [M] 冶金工业出版社 1983

[9] 柯东杰黄双溪等铝熔体净化用的新型泡沫陶瓷过滤板 [J] 轻合金加工技术，2005，No6

声明：

“绿色铝冶炼的技术进步” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。