1235鋁箔坯料的熔體質(zhì)量控制

殷華彬

(中國(guó)鋁業(yè)青海分公司，青海大通 810108)

0 前言

目前我國(guó)對(duì)于高質(zhì)量鋁箔坯料的需求日益增加，但國(guó)內(nèi)大部分板帶企業(yè)所提供的鋁箔坯料總體質(zhì)量狀況和產(chǎn)品等級(jí)與國(guó)外有較大差距，滿足不了國(guó)內(nèi)高端市場(chǎng)的需求。我公司在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，通過(guò)不斷的積累經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了一套完整有效的鋁熔體質(zhì)量控制體系，在解決熔體質(zhì)量問(wèn)題以及其他鑄軋板質(zhì)量缺陷方面總結(jié)了較為豐富的理論基礎(chǔ)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。保證熔體質(zhì)量的穩(wěn)定，對(duì)于高質(zhì)量鋁箔坯料的生產(chǎn)有著重大的意義。

1 鋁熔體質(zhì)量的主要缺陷及產(chǎn)生原因

1.1 鋁熔體中的主要質(zhì)量缺陷

熔體質(zhì)量一般可以采用兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行衡量：固態(tài)組織中的夾雜物含量及液態(tài)熔體中的氫含量。熔煉鋁及鋁合金時(shí)，熔體被氫和夾雜物污染是不可避免的，它們?cè)阡X熔體中的含量，是衡量熔體質(zhì)量的重要指標(biāo)。鋁及其合金在熔煉過(guò)程中表現(xiàn)出易于氧化、吸收氣體的特性，使得在鋁液中極易形成氣體和夾雜物，從而引起最終產(chǎn)品存在氣道、針孔、夾雜等一系列缺陷，導(dǎo)致鋁箔坯料軋制時(shí)出現(xiàn)頻繁斷帶，嚴(yán)重影響了鋁箔的生產(chǎn)。

1.2 鋁熔體質(zhì)量缺陷產(chǎn)生的原因

鋁液中的非金屬夾雜主要是金屬氧化夾雜物，它一部分來(lái)源于爐料，而大部分則是在熔化和澆鑄過(guò)程中鋁和氧反應(yīng)形成，其中熔煉溫度、熔煉條件、爐內(nèi)含渣情況、爐料質(zhì)量、轉(zhuǎn)爐方式、爐體砌筑條件等都對(duì)熔體夾雜物的多少產(chǎn)生了影響。鋁與爐氣中的O2、N2、CO2、CO等發(fā)生反應(yīng)最終生成了氧化鋁雜質(zhì)。

1.3 氫的主要來(lái)源及鋁熔體吸氫原理

鋁熔體吸氫的主要反應(yīng)是鋁與水的反應(yīng)，而且反應(yīng)是不可逆的。

在低于250℃時(shí)，鋁與空氣中的水蒸氣接觸發(fā)生下列反應(yīng)[3]：

在500～900℃間，純鋁表面易形成一層致密的Al2O3（γ-晶體）膜，能顯著地阻礙鋁熔體與水的反應(yīng)，但其表面疏松存在直徑為50～100為最小的原子間距單位）的小孔易吸附水氣，若氧化膜被破壞，熔融鋁與水的反應(yīng)就會(huì)更劇烈地進(jìn)行。氫進(jìn)入鋁熔體中的主要途徑就是熔融鋁與水的反應(yīng)，生成游離態(tài)的原子[H]，氫極易溶于鋁熔體中，此反應(yīng)為鋁熔體吸氫的主要途徑。鋁與水氣發(fā)生下列反應(yīng)[3]：

在高溫下Al（OH）3在爐內(nèi)也發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[3]：

反應(yīng)產(chǎn)生的H2O氣又可與鋁發(fā)生反應(yīng)生成游離態(tài)的原子[H]，進(jìn)入鋁熔體。

水主要來(lái)源于在熔煉、鑄軋生產(chǎn)工藝過(guò)程的一些環(huán)節(jié)及空氣中的水蒸氣，如爐料、爐氣、耐火材料、工具等帶入的水份。氫是熔煉時(shí)熔體從潮濕氣氛、未烘干的爐體、鋁錠表面的鋁銹、受潮的熔劑、帶有水份污泥油垢的廢料或工具等處吸收的。因此，空氣濕度、爐內(nèi)氣氛、熔體中的夾雜物是主要影響熔體含氫量的因素。

2 實(shí)際生產(chǎn)中的熔體質(zhì)量控制措施

2.1 熔煉和靜置過(guò)程中的熔體質(zhì)量控制

2.1.1 爐料的控制

爐料包括鋁錠、中間合金、添加劑以及各級(jí)廢料。其中鋁錠中的氧化鋁含量在0.2×10-4%～2×10-4%范圍內(nèi)波動(dòng)。其他如爐渣、廢料等本身存在大量的氧化夾雜物，尤其被油污、泥土污染的廢料大大增加了熔體氫和夾雜物的含量。因此爐料本身的純潔度較低，生產(chǎn)高質(zhì)量鋁箔必須對(duì)爐料的組成進(jìn)行嚴(yán)格控制。

投入生產(chǎn)的鋁錠必須在干燥清潔的環(huán)境中保存，嚴(yán)禁加入濕錠生產(chǎn)。廢料的比例要嚴(yán)格控制，必須小于20%，含油廢料和三級(jí)廢料以及挑揀出的含鋁爐渣不能加入生產(chǎn)鋁箔坯料的爐次中。投料順序需按照廢料先加入再投入鋁錠的順序，防止廢料的燒損帶來(lái)氧化夾雜。

2.1.2 熔體停留時(shí)間和熔體溫度的控制

氫在鋁熔體中的溶解度CH與熔體溫度T及氫分壓PH2之間有存在一定關(guān)系。熔體中的氫的溶解度和熔體溫度和氫的分壓有關(guān)：當(dāng)熔體溫度一定時(shí)，氫的分壓越大，氫的溶解度就越大；當(dāng)氫的分壓一定時(shí)，熔體溫度越高，氫的溶解度就越大。

熔體溫度和熔體停留時(shí)間對(duì)鋁合金熔體含氫量的影響十分密切，因此在熔煉生產(chǎn)中必須嚴(yán)格控制這兩項(xiàng)關(guān)鍵的熔煉工藝指標(biāo)。理論高溫停留時(shí)間越短越好，熔體溫度越低越好，但由于設(shè)備條件和性能的關(guān)系，無(wú)法滿足理想的要求。在實(shí)際生產(chǎn)鋁箔坯料中，熔煉溫度必須控制在750℃以下，一爐次（按照17t投料量計(jì)算）熔化時(shí)間必須控制在4.5h以內(nèi)，熔化完成到轉(zhuǎn)爐的中間停留時(shí)間必須小于4h。其中這一時(shí)間在有條件的情況下要盡量控制短一些，如果熔化后的停留時(shí)間超過(guò)了4h，必須重新進(jìn)行一次精煉。保溫爐的溫度在生產(chǎn)過(guò)程（在線溫度參數(shù)可控的條件下）中盡量控制低一些，以減少熔體的吸氫。通常保溫爐溫度在生產(chǎn)高質(zhì)量鋁箔產(chǎn)品時(shí)保溫爐溫度不要超過(guò)735℃。若生產(chǎn)窄規(guī)格產(chǎn)品時(shí)，由于通過(guò)量較小系統(tǒng)溫降較大，因此，需做好流槽系統(tǒng)的保溫措施，適當(dāng)提高除氣設(shè)備中的鋁液溫度，以保證保溫爐溫度控制在低限。

2.1.3 爐組狀況的維護(hù)

爐組連續(xù)生產(chǎn)一段時(shí)間后，爐壁表面將聚集大量的氧化鋁渣和部份非金屬夾雜物，并不斷污染爐組中的鋁液，隨著聚集量的增加，污染的概率也將不斷增加。同時(shí)，根據(jù)夾雜物與熔體含氫量存在的相互作用機(jī)制，夾雜物的增加將導(dǎo)致熔體含氫量的增加，因此熔池的干凈程度直接影響著鋁熔體的質(zhì)量。

為此，在實(shí)際生產(chǎn)中，必須進(jìn)行定期的熱清爐，保持至少一周一次的熔煉爐和保溫爐的熱清爐。使用特定工具將爐組表面的積渣清理并扒出爐體。而且，爐組每年必須進(jìn)行一次徹底的冷清爐，將爐組內(nèi)的積渣徹底清除，為熔煉生產(chǎn)創(chuàng)造良好的環(huán)境。

2.1.4 爐組燃燒系統(tǒng)的維護(hù)

鋁熔煉爐和保溫爐多數(shù)為電阻反射爐和火焰爐。電阻爐中爐氣中的水份壓受空氣濕度、爐料、溶劑及工具干燥程度的影響，一般為400～2000Pa[2]?；鹧鏍t爐氣中的水份除了受與電阻爐相同的影響因素外，還有可燃?xì)怏w中產(chǎn)生的大量水蒸氣，水份分壓一般為1.333～15.9999kPa。因此火焰爐中氫和夾雜物的含量較電阻爐會(huì)高一些。

針對(duì)蓄熱式天然氣熔煉爐和保溫爐，如何降低天然氣中的水份對(duì)熔體質(zhì)量的影響顯得十分重要。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要對(duì)燃燒系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整。主要有以下幾個(gè)主要的控制點(diǎn)：

（1）監(jiān)控燃燒的火焰狀況，避免不完全燃燒的發(fā)生，提高熔化升溫能力。

（2）定期檢測(cè)爐內(nèi)氣氛組成，針對(duì)測(cè)量結(jié)果調(diào)整天然氣和壓縮空氣比例，使得燃燒更加充分和完全。

（4）合理安排熔煉工序的完成時(shí)間，優(yōu)化燃燒時(shí)間，使得熔體接觸火焰的時(shí)間盡量降低，同時(shí)最大限度地利用爐氣溫度，提高熔化效率，減少火焰工作時(shí)間，嚴(yán)格控制燃燒時(shí)間，避免熔體過(guò)燒。

（5）優(yōu)化保溫爐燃燒控制，保證良好的燃燒曲線，減少熔體接觸火焰的時(shí)間。

以上措施是爐組高效、穩(wěn)定工作的保證。

2.1.5 爐內(nèi)精煉和轉(zhuǎn)爐作業(yè)的控制

（1）目前廣泛采用且除渣除氣效果較好的爐內(nèi)凈化方式就是將主要成分為NaCl、KCl、NaF等的噴粉熔劑通過(guò)帶壓儲(chǔ)罐，將氮?dú)夂腿蹌┗旌喜⑼ㄟ^(guò)金屬管均勻噴入熔化后的鋁熔體中[5]。具體生產(chǎn)中需要嚴(yán)格控制噴粉量和噴粉時(shí)間，并且規(guī)范操作使熔體各部位均能有溶劑噴入，尤其重要的是控制好噸鋁熔劑的添加量，一般為2～3kg/t為宜，若添加量過(guò)多反而會(huì)影響熔體質(zhì)量。

（2）轉(zhuǎn)爐過(guò)程是熔體氧化夾雜物和氫含量增加的過(guò)程，轉(zhuǎn)爐作業(yè)方式的不同對(duì)最終熔體質(zhì)量的影響也不同，因此必須選擇最佳的轉(zhuǎn)爐方式以盡量避免轉(zhuǎn)爐作業(yè)帶來(lái)的不良影響。目前轉(zhuǎn)爐方式主要有澆包轉(zhuǎn)爐和流槽轉(zhuǎn)爐。統(tǒng)計(jì)得出，澆包轉(zhuǎn)爐氧化鋁含量增加52%，而采用流槽轉(zhuǎn)爐氧化鋁含量增加8.7%?？梢?jiàn)流槽轉(zhuǎn)爐方式是較為有效的控制熔體質(zhì)量的轉(zhuǎn)爐方式[2]。

在實(shí)際生產(chǎn)控制中為確保產(chǎn)品質(zhì)量要嚴(yán)格執(zhí)行潛流措施、控制轉(zhuǎn)爐時(shí)間。

2.2 鋁熔體在線凈化

2.2.1 鋁液在線除氣的控制點(diǎn)

保護(hù)生物免受核設(shè)施的輻射影響，近二三十年中才逐漸受到各國(guó)重視。歐美在該方面的研究和應(yīng)用較早，不僅建立了完整的分析方法和體系，還將其編制成軟件，供其他國(guó)家和組織免費(fèi)試用。近些年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國(guó)家和民眾的環(huán)保意識(shí)也不斷增強(qiáng)。學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)外生物輻射影響方面的軟件和方法，可以在我國(guó)建設(shè)和使用核設(shè)施的過(guò)程中，評(píng)價(jià)其對(duì)于生物的影響，進(jìn)而保護(hù)我們賴以生存的生態(tài)環(huán)境。

目前使用較為廣泛且使用效果較好的是旋轉(zhuǎn)噴吹法（以SNIF裝置為代表）。要使除氣爐穩(wěn)定高效地工作需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）要求除氣爐密封性好，受氣候影響小，造渣少，不會(huì)形成二次污染。除氣爐密封性差時(shí)，空氣中的水蒸氣容易進(jìn)入爐內(nèi)，形成吸氫，早期的除氣爐主要通入高純氮做為覆蓋氣體以減少吸氫，但也會(huì)在一定程度上受到氣候的影響。因此為提高除氣效率，減少氣候的影響，要求除氣爐密封性好。

（2）要求除氣爐內(nèi)氣泡細(xì)小彌散、均勻，液面無(wú)大的翻滾。在除氣爐內(nèi)工藝氣體總流量、壓力不變的情況下，氣泡數(shù)量越多，相當(dāng)于增大了工藝氣體與熔體的接觸面積，因此氣泡越細(xì)小（相當(dāng)于氣泡數(shù)量越多）、越彌散，接觸面積越大，越有利于氫向工藝氣體擴(kuò)散，達(dá)到除氫的目的。轉(zhuǎn)子要有足夠的攪拌力，使氣泡有足夠的運(yùn)動(dòng)速度分散到整個(gè)熔池，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過(guò)快會(huì)造成液面翻滾，且有可能使夾渣重新進(jìn)入熔體。

（3）要求除氣爐轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有充分的攪拌力，轉(zhuǎn)子桿及轉(zhuǎn)子葉輪要結(jié)構(gòu)合理，適當(dāng)加大葉輪直徑，配以合適的速度，提高轉(zhuǎn)子的攪拌力。

（4）要求工藝氣體純度高，不能對(duì)熔體進(jìn)行造渣、吸氫。一般對(duì)工藝氣體純度的控制主要為兩部分，一是對(duì)氣源的控制，二是對(duì)氣體所有經(jīng)過(guò)的管道及儀器儀表泄漏的控制。一般對(duì)工藝氣體氣源純度要求達(dá)到99.999%，水含量小于4×10-6，氧含量小于5×10-6，工藝氣體中水含量及氧含量超標(biāo)會(huì)造渣和吸氫。

（5）為了保證熔體在除氣爐內(nèi)有足夠的停留時(shí)間，要求熔池有一定的體積。除氣爐轉(zhuǎn)子對(duì)熔體要有一定的浸入深度，轉(zhuǎn)子浸入深度直接關(guān)系到整個(gè)熔池是否能被工藝氣體完全覆蓋，對(duì)除氣效率有較為明顯的影響。一般要求轉(zhuǎn)子連同葉輪浸入深度大于500mm，葉輪距熔池底部在50～100mm。

（6）要求除氣爐保溫性能好，爐殼溫度低。除氣爐內(nèi)一般裝爐量在550～650kg左右，按鑄軋每小時(shí)通過(guò)量2t計(jì)算，鋁熔體在爐內(nèi)停留時(shí)間約15min左右。若除氣爐保溫性能差，為保證前箱溫度必然要加大除氣爐加熱功率或提高保溫爐溫度，而提高溫度會(huì)顯著提高氫的溶解度，提高熔體吸氫能力，故這兩種措施均會(huì)增加熔體氫含量。因此，要求除氣爐要有良好的保溫性能，爐殼溫度一般要低于75℃。

（7）要求爐子內(nèi)襯與鋁不濕潤(rùn)，容易清理。除氣爐內(nèi)襯一般要求采用與鋁不濕潤(rùn)、性能穩(wěn)定、對(duì)熔體不增氣、耐高溫?zé)Y(jié)、不易積渣的耐火材料。

以上措施保證了除氣設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。正常情況下，除氣效率應(yīng)達(dá)到50%以上，要注意日常的測(cè)量驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)檢查設(shè)備并處理。

2.2.2 流槽過(guò)濾系統(tǒng)的日常維護(hù)和使用

熔體經(jīng)過(guò)在線除氣裝置凈化處理后，鋁液中仍有部分夾雜物質(zhì)無(wú)法排除，必須通過(guò)一步有效的過(guò)濾措施來(lái)除去鋁液中的微小夾雜物質(zhì)[4]。陶瓷泡沫是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型陶瓷過(guò)濾材料，它是由氧化鋁和氧化鉻等組成的陶瓷漿料，借助聚氨酯泡沫成型，再經(jīng)干燥燒結(jié)而成，孔隙率高達(dá)80%～90%。

目前我公司采用的是高效經(jīng)濟(jì)的雙級(jí)泡沫陶瓷過(guò)濾法進(jìn)行最后的熔體過(guò)濾。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中總結(jié)了以下主要控制措施：

（1）根據(jù)不同合金和最終產(chǎn)品要求選擇合適的孔隙數(shù)的過(guò)濾片搭配。

（2）安裝過(guò)濾片時(shí)要做到緊密無(wú)縫隙，并且保持過(guò)濾片表面清潔防止孔隙堵塞，并安裝導(dǎo)氣管。

（3）使用過(guò)程中要觀察過(guò)濾箱兩邊液位差情況，當(dāng)液位差大于20mm時(shí)，必須進(jìn)行過(guò)濾片的切換（過(guò)濾系統(tǒng)要配備兩個(gè)過(guò)濾箱以供在線切換）。一副過(guò)濾片的過(guò)濾效果是隨通過(guò)量的增加而降低的，因此當(dāng)使用的通過(guò)量超過(guò)100t時(shí)，也必須進(jìn)行在線切換。

（4）定期清理過(guò)濾箱，涂上防粘鋁涂料以保持過(guò)濾箱的清潔，防止二次污染。切換過(guò)濾片前要對(duì)過(guò)濾箱進(jìn)行有效徹底的預(yù)熱，同時(shí)要控制預(yù)熱溫度，防止過(guò)濾片過(guò)熱熔化。應(yīng)采用電加熱方式使箱體溫度均勻。

（5）使用過(guò)程中不允許過(guò)濾箱受外力產(chǎn)生震動(dòng)，避免被攔截的雜質(zhì)在震動(dòng)中脫離過(guò)濾片進(jìn)入鋁液中污染熔體。

4 結(jié)束語(yǔ)

熔體質(zhì)量是生產(chǎn)高質(zhì)量鑄軋鋁箔坯料的基本保證，應(yīng)從各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制，同時(shí)熔煉生產(chǎn)中的熔體質(zhì)量控制又是生產(chǎn)控制中的難點(diǎn)，因此必須深入分析總結(jié)，找出科學(xué)合理的工藝控制方法，以保證熔體質(zhì)量的穩(wěn)定。本文上述提到的各個(gè)環(huán)節(jié)的控制措施是通過(guò)多年實(shí)踐總結(jié)出來(lái)的，具有有效的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。