黃兵華

(安徽金譽(yù)材料股份有限公司，安徽 銅陵 244000)

鋁合金作為力學(xué)性能出色、密度小的一種金屬原材料，相比其他傳統(tǒng)合金而言，鋁合金熔煉工藝相對也較為成熟，加工精度更高。與此同時，為了更好的保障鋁合金熔煉質(zhì)量能夠達(dá)到預(yù)期要求，則必須在掌握其工藝方法、要點(diǎn)基礎(chǔ)上，做好控制影響鋁板帶箔軋制的元素、消除鋁合金成分中的堿金屬元素、把控熔煉過程燒損率等方面的工作，這也是我國鋁合金生產(chǎn)工藝技術(shù)水平得以不斷提高進(jìn)步的先決條件。

1 鋁合金熔煉工藝方法概述

1.1 熔煉化料方式

鋁合金熔煉化料方式按熔煉爐類型可分為電阻熔鋁爐和燃?xì)馊垆X爐。電阻爐受加熱功率受限，只能依托電解鋁液進(jìn)行生產(chǎn)，不能100%全固體料生產(chǎn)。利用真空包將電解鋁廠的高溫電解鋁液(溫度一般在800℃)用鋁液抬包車運(yùn)至熔煉車間，倒入熔煉爐內(nèi)，再配比20%～30%固態(tài)鋁原料，該工藝方法可以節(jié)約能耗成本約30%～40%。該方法的最大劣勢是電解鋁液溫度一般超過熔煉生產(chǎn)工藝控制溫度，會導(dǎo)致鋁熔體過燒，且電解鋁液含有大量電解質(zhì)和碳化物等雜質(zhì)，從而使后續(xù)工序產(chǎn)生氣道、夾渣、黑絲黑條等缺陷，需要在熔煉生產(chǎn)過程中通過特殊的處理工藝控制以上缺陷。

燃?xì)馊垆X爐主要燃燒介質(zhì)為天然氣或煤氣。這類型熔煉爐一般是以全固態(tài)料作為原料生產(chǎn)，此類生產(chǎn)工藝最大優(yōu)勢是爐料結(jié)構(gòu)可以根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)自由選擇，鋁液純凈度優(yōu)于電解鋁液，有利于熔體質(zhì)量控制，一般生產(chǎn)雙零鋁箔和PS板基等高端產(chǎn)品均適宜采用燃?xì)馊垆X爐；劣勢是其能耗成本比用電解鋁高30%～40%。

1.2 熔煉配料要求

鋁合金熔煉配料分為裝爐爐料結(jié)構(gòu)的配比和爐料合金成分的配比。爐料結(jié)構(gòu)配比根據(jù)鋁箔最終成品厚度，在熔煉工序必須開始控制廢料與鋁錠或電解鋁液配比比例，如果各投料結(jié)構(gòu)配比不合適將嚴(yán)重影響熔體質(zhì)量和成分合格，會對后續(xù)工序板帶箔的生產(chǎn)造成嚴(yán)重質(zhì)量隱患。通常情況下鋁加工生產(chǎn)期間，必然會有頭尾料、工藝廢料產(chǎn)生，再按照回爐料中具體合金種類、薄厚和形狀來對其等級劃分。

(1)一級廢料包含：報(bào)廢鑄軋板，鑄軋板的切頭、切尾，立板前的跑渣料和干凈的塊狀干料，鑄軋板的低倍試片，厚度在1.0mm及以上的板材、帶材、卷材廢品，厚度1.5mm及以上的板材、帶材、卷材的切頭、切尾及試樣余料。

(2)二級廢料包含：厚度0.3mm至1.0mm的板材、帶材、卷材廢品，厚度0.3mm至1.5mm的板材、帶材、卷材的切頭、切尾及試樣余料，厚度0.7mm及以上的板、帶、卷材切邊料，厚度0.3mm以上的帶卷切頭、切尾。

(3)三級廢料包含：熔鑄過程中扒渣帶出的金屬，化學(xué)成分分析的餅狀、棒狀試樣，鋸屑料，厚度小于0.3mm的板材、帶材、卷材廢品、廢料，被油污弄臟的一、二級廢料，除鑄軋板低倍試片以外的所有試樣料及加工屑，鋁箔、親水箔、素箔的廢品、廢料。

其中一級廢料可以配料到生產(chǎn)雙零箔等高端產(chǎn)品中；二級廢料可用作0.03mm以上鋁箔產(chǎn)品原料；三級廢料可用作0.1mm以上鋁板帶材原料。鋁錠與三級廢料配比時占比遵循以6∶4的比例；一二級廢料和鋁錠與電解鋁比例一般遵循以3∶7的比例。三級廢料比例在熔煉爐生產(chǎn)時不得超過40%，生產(chǎn)實(shí)踐證明超出該比例，即使加強(qiáng)精煉也無法獲得優(yōu)良的熔體質(zhì)量，而且燒損率極高。目前很多鋁加工廠采用雙室爐來消化二、三級廢料，燒損率比直接用熔煉爐生產(chǎn)低5%左右。

爐料合金成分的配比根據(jù)合金成分控制范圍，按其要求添加相應(yīng)的鐵、錳、硅、銅等元素合金添加劑。生產(chǎn)鎂系合金往往要綜合考量其除氣、排渣、變質(zhì)各環(huán)節(jié)損耗，鎂元素配料要多添入爐料質(zhì)量的0.02%，方可使所得熔體化學(xué)成分不會因此而受到影響。合金添加劑添加溫度不能低于730℃。如果裝爐時純鋁錠、電解鋁液以及添加的廢料合金標(biāo)識非常準(zhǔn)確，也可采用預(yù)配料形式添加(隨同鋁錠和廢料一同加入)，預(yù)配料的合金元素一般采用中間合金為宜，這種添加方式最大的優(yōu)勢是可以縮短熔煉時間。

2 鋁合金熔煉工藝要點(diǎn)

2.1 保障爐料質(zhì)量達(dá)標(biāo)

由于鋁的活性，在熔煉溫度下，其與大氣的水分和一系列工藝過程中接觸的水分、油、碳?xì)浠衔锏?，都會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氧化物、碳化物等。一方面增加熔體中的含氣量，另一方面其生成物可將熔體污染。因此，在熔化過程中必須采取一切措施盡量減少水分，并對工藝設(shè)備、工具和原材料等要嚴(yán)格保持干燥和避免污染，并在不同季節(jié)采取不同的保護(hù)措施[1]。鑄軋法生產(chǎn)板帶箔產(chǎn)品時，熔煉工序中的爐料準(zhǔn)備工作至關(guān)重要，所添加的鋁錠和合金添加劑等必須保證干燥，各類廢料必須保證合金成分準(zhǔn)確無混料、無其他雜物。

2.2 清理檢查熔煉設(shè)備、工具

鋁合金熔煉生產(chǎn)開始前，不僅要對熔煉爐內(nèi)做全面清爐處理，更要對熔煉過程所用到的各類熔煉工具進(jìn)行實(shí)時清理，并在清理達(dá)標(biāo)后涂上氮化硼涂料，保障熔煉期間所用工具與鋁合金充分隔離，避免合金液體質(zhì)量受損的狀況發(fā)生。停產(chǎn)后再重新生產(chǎn)的熔煉爐必須提前烘爐8h，以烘烤到爐膛溫度700℃即可裝爐，開始按照熔煉流程標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行熔煉。

2.3 專業(yè)到位的熔煉過程

(1)全程關(guān)注鋁合金熔煉溫度。正式進(jìn)入鋁合金熔煉環(huán)節(jié)，即預(yù)熱完成后，在爐內(nèi)依次置入鋁錠、中間合金，全程控制好熔煉溫度，是取得高品質(zhì)鋁合金溶液的關(guān)鍵，整個熔煉過程鋁液溫度不允許超過760℃。熔煉生產(chǎn)期間，常會出現(xiàn)溫度過高的風(fēng)險(xiǎn)，一旦熔煉溫度超760℃，熔體吸氫和氧化加劇，氧化物含量顯著增加，嚴(yán)重影響熔體組織，從而影響板帶軋制性能。

(2)把控熔煉時間。熔煉時間對氣體在金屬中溶解度的影響，對任何化學(xué)反應(yīng)，時間因素總是有利于一種反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行，最終達(dá)到氣體溶解于金屬的飽和狀態(tài)。因此，在任何情況下暴露時間越長，吸氣就越多，特別是熔體于高溫下長時間的暴露，就增加了吸氣的機(jī)會。因此，在熔煉過程中，總是力求縮短熔煉時間，以盡量降低熔體的含氣量。

(3)鋁合金熔體精煉。熔體精煉也可稱作爐內(nèi)凈化處理，精煉的核心主旨在于清理溶液內(nèi)氣體、非金屬夾雜物，促進(jìn)合金成分均勻度，處理方法有吸附凈化法和非吸附凈化法。吸附凈化法是依靠精煉劑產(chǎn)生的吸附作用達(dá)到除去氧化夾渣和有害氣體的目的。吸附凈化法主要是浮游法，可分為：惰性氣體吹洗法、活性氣體吹洗法、混合氣體吹洗法、氯鹽凈化法、無毒精煉法。目前行業(yè)內(nèi)主要是采用惰性氣體吹洗法和無毒精煉法。惰性氣體吹洗法，通常使用Ar2或N2。鋁鎂系合金不適于用氮?dú)?，因?yàn)殒V和氮易生產(chǎn)氮化鎂。無毒精煉法。鋁合金精煉劑主要是采用氯鹽和氟鹽，主要是靠其吸附和溶解氧化夾雜的能力，對熔體進(jìn)行除氣和除渣。

3 鋁合金熔煉質(zhì)量控制策略

3.1 控制影響鋁板帶箔軋制的元素

鋁合金元素中分為有效元素和有害元素，有效元素包括除鋁元素之外的鐵、錳、銅、硅、鈦等根據(jù)合金牌號成分范圍所需添加的元素。有害元素又分為堿金屬元素和重金屬元素，堿金屬元素主要包括鈉(Na)、鋰(Li)鈣(Ca)碳(C)；重金屬元素主要包括鉛(Pd)、鎘(Cd)、鎳(Ni)。按合金成分范圍添加的有效金屬元素能保證鋁板帶箔材的最終組織性能，但有害金屬的含量超過一定值，將影響鋁板帶箔材后續(xù)工序的軋制，實(shí)驗(yàn)證明，堿金屬如果含量高于0.007%，在熔煉生產(chǎn)過程中會形成黏糊狀的氧化物，且很難被過濾裝置過濾掉，隨熔體進(jìn)入鑄軋坯料中，將會對后續(xù)板帶箔軋制中出現(xiàn)夾渣斷帶、針孔超標(biāo)等影響鋁箔產(chǎn)品質(zhì)量的缺陷。這些堿金屬元素主要來源于原鋁錠中，在實(shí)際生產(chǎn)中我們發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)各家電解鋁生產(chǎn)企業(yè)的鋁錠中堿金屬含量均有差異，鈉、鋰、鈣這些元素主要來源于電解鋁原料中的氧化鋁粉，但碳元素主要來源于電解鋁生產(chǎn)中的陽極碳塊。重金屬元素在鋁錠中含量很低，絕大多數(shù)鋁錠生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的99.70Al重金屬含量不會超過0.006%，這些元素含量只要不超過0.01%不會對鋁加工生產(chǎn)產(chǎn)生影響，但如果鋁箔成品用于食品包裝用鋁箔，重金屬元素不能超過0.006%，否則將會對人體產(chǎn)生危害，出口歐美國家的食品用鋁箔檢測重金屬含量是否達(dá)標(biāo)是質(zhì)量檢測的重要環(huán)節(jié)之一。

3.2 如何消除鋁合金成分中的堿金屬元素

鋁合金中堿金屬元素對后續(xù)工序鋁箔加工質(zhì)量影響很大，消除鋁合金中堿金屬元素是熔煉工序熔體質(zhì)量處理的一項(xiàng)重要工作。我們用惰性氣體和各種固體精煉劑或液體精煉劑進(jìn)行精煉處理，除了除去鋁熔體中的有害氣體(H2)和非金屬夾渣物外，最重要的還需去除堿金屬。在生產(chǎn)實(shí)踐中，堿金屬的去除難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于去除有害氣體和非金屬夾渣物。采用普通固體精煉介質(zhì)無法去除堿金屬元素，采用液體精煉介質(zhì)可以有效去除堿金屬元素，但液體精煉介質(zhì)因?qū)Νh(huán)境污染大，對人體健康造成傷害，所以國家相關(guān)部門明令禁止使用。

3.3 熔煉過程燒損率的控制措施

鋁合金熔煉工序控制燒損是控制鑄軋加工成本的關(guān)鍵，燒損成本占據(jù)了整個鑄軋成本的50%，燒損率控制也是質(zhì)量控制的一方面。在熔煉過程中既要保證優(yōu)質(zhì)的鋁液又要保證低的燒損率，是熔煉作業(yè)追求的目標(biāo)。通?？刂茻龘p主要有兩種方法，一是工藝優(yōu)化，二是采用優(yōu)質(zhì)的精煉劑。

工藝優(yōu)化主要是通過以下操作方式實(shí)施：①用電解鋁液的企業(yè)可以先裝冷料進(jìn)爐，而后用電解鋁液浸泡冷料；②用固體料的企業(yè)一般可以采用先裝片狀廢料鋪墊爐底，再裝其他狀廢料及鋁錠；③在整個熔煉過程中，熔煉溫度控制在750℃以下，并采用合適的攪拌方式；④在精煉作業(yè)時控制好氣體壓力，一般控制在0.2MPa為宜；⑤根據(jù)不同產(chǎn)品制定不同的精煉工藝，實(shí)踐證明每增加一次精煉，燒損升高0.4%。

采用優(yōu)質(zhì)精煉劑可以降低燒損，實(shí)驗(yàn)證明，優(yōu)質(zhì)精煉劑降低燒損明顯，國外知名品牌精煉劑替代一般精煉劑和液體精煉劑燒損對比數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1

4 結(jié)束語

綜上所述，通過對鋁合金熔煉工藝與質(zhì)量控制分析，可以看出，生產(chǎn)實(shí)踐期間相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員必須從實(shí)際出發(fā)，對鋁合金熔煉工藝方法特征、內(nèi)容流程有深度了解，全程按照專業(yè)規(guī)章標(biāo)準(zhǔn)操作，便可保障鋁合金熔煉質(zhì)量能夠始終處于可控范圍。這也是我國鋁合金熔煉工藝生產(chǎn)水平得以不斷提高進(jìn)步的基礎(chǔ)條件。