電解鋁液直接生產超薄箔坯料的熔體質量控制

唐新文

（貴州中鋁鋁業有限公司技術中心，貴州 白云 550014）

0 前 言

采用電解鋁液直接鑄軋生產雙零箔坯料，是一項流程短，投資省，效益大的先進生產技術。傳統的雙零鋁箔生產工藝需要對鋁錠進行二次重熔、鑄造、切邊銑面、均勻化、熱軋等工序處理后，才制成供冷軋的坯料[1]。相比之下，采用電解鋁液直接鑄軋法，可以大大簡化生產工藝，縮短生產周期，節省能源，減少排放，減少金屬燒損，增加收益1,000元/噸以上，真正實現“低碳、高效”，獲得雙贏。但是由于鑄軋法生產自身特點，導致電解鋁液存在長期高位過燒等特點，嚴重影響了后續所生產的超薄鋁箔坯料質量。如何消除電解鋁液給鑄軋產品內部組織帶來的遺傳影響，獲得高品質的熔體就成了能否穩定生產超薄箔坯料的關鍵。本文分析了電解鋁液直接鑄軋生產鋁箔坯料過程中的各個工序，為高效、高質、穩定生產超薄箔坯料提供理論指導以及技術參考。

1 電解鋁液的特點

電解槽在正常生產過程中，鋁液溫度一般保持在940～950℃之間，而鋁液的過燒溫度為770±10℃，因此，電解鋁液在電解槽中長期處于過燒狀態，自發形核的核心已經鈍化。

有數據顯示，鋁合金熔體中氫含量溶解度隨溫度升高而猛增。當鋁熔體溫度超過670℃時，鋁液中氫含量直線上升，可達0.75mL/100gAl[2]，而根據鋁合金熔體中“渣氣不分離”現象可知，合金熔體中氫含量的大幅度提升，必然導致合金含渣容量的增大。

同時，電解過程中使用的電解質、氧化鋁和氟鹽添加劑等作為雜質與電解鋁液相伴隨行，在電解鋁液轉運和倒包過程中，器壁耐火材料脫落與氧化膜卷入，給熔體帶來大量固體微粒夾渣，嚴重降低了鋁熔體品質。諸如此類的電解鋁液自身的質量問題，給鑄軋生產過程中的熔體處理工序帶來了極大難度。

2 熔煉工藝和存在的問題

電解鋁液直接鑄軋生產超薄鋁箔坯料的通常工序為：出鋁—運輸—裝爐—熔煉—成分調整—精煉—調溫靜置—倒爐—保溫爐精煉—扒渣—控溫—在線除氣—在線過濾—晶粒細化—鑄軋。

在鑄軋產品自身存在的質量缺陷中，板材表面晶粒粗大或晶粒度不均勻，以及表面存在縱向條紋等是長期阻礙鑄軋產品合格率提升的一道屏障。在采用我公司生產的鋁箔坯料生產超薄鋁箔初期，箔軋后反饋的質量缺陷主要體現在氣道、夾雜、斷帶和表面色差等方面上。

通過長期的認真分析和總結，認為產生質量缺陷和客戶投訴的根本原因在于鋁熔體質量不過關，熔體凈化和變質處理工藝不穩定。

3 熔體的質量控制措施

通常認為，熔體質量指標主要是指化學成分、含氫量、含渣量和熔體是否過熱等，但作者認為，熔體中是否具有足夠的有效非均勻形核中心是熔體另一個重要的質量指標。箔軋時反饋的氣道、夾雜、斷帶等缺陷固然是熔體氫含量、渣含量超標或聚集的有力證據，但是從箔軋產品最終質量缺陷看，針孔大，數量多，成行分布，表面色差等也說明鑄軋產品的內部組織均勻性不良同樣是造成這些缺陷的原因之一。因此，除了穩定化學成分，進一步強化鋁熔體凈化措施外，改善鋁熔體結晶的性能也是不可忽視的。

3.1 熔體溫度的全過程控制

首先，對電解鋁液進行降溫處理，添加30%～40%的固體料（包含鑄軋自產廢料、冷軋廢料和鋁錠），可以有效降低電解鋁液溫度，避免高溫過燒的電解鋁液對鑄軋產生遺傳影響。

根據熱平衡計算，1噸860℃的電解鋁液，剛好可以將250kg的固體鋁完全熔化。加入裝爐量的30%～40%的固體料，可以將爐料的溫度降到熔點以下，實際過程中應當注意先加冷料，待液態料全部倒入后，再打開燃燒系統進行加熱。

完全熔化前，采用叉車進行機械攪拌，確保表面過熱的部分重新充分與爐底料進行熱交換；熔化后，開啟電磁攪拌，實現閉爐門攪拌，減少或避免熔體局部過熱的存在。

其次，爐組的控溫依靠爐膛測溫熱電偶進行控制，鋁熔體溫度波動范圍大，可控性差。將熔化爐和保溫爐熔體測溫裝置進行改進，對熔化、成分調整、精煉、轉爐、保溫爐精煉等各個工藝環節中的熔體溫度進行直接測控，確保各處溫度不超過工藝規范的規定。

最后，發揮在線處理裝置強大的加熱功能，減少保溫爐溫度偏高，流槽烤槍加熱給熔體溫度帶來的不均勻。

3.2 化學成分的全面控制

雙零箔坯料一般采用1235工業純鋁生產，主元素鐵和硅的含量不高（國標要求兩者含量之和不大于0.65%），但實際操作時，不但對兩種元素的控制范圍進行了嚴格限制，而且還將Fe/Si控制在3～4范圍內，使其主要生成延展性相對較好的α-Al(Fe,Si)，避免生成針狀β-Al(FeSi)，減少后續加工過程中由于變形協調性差而造成的開裂以及后續的氣孔等缺陷[3]。

備料主要采用99.75%以上的電解鋁液進行，所有廢鋁進行標識和計量，添加劑和中間合金進行吸收率的精確測定，配料前進行精確計算，可將鐵和硅的波動范圍控制在±0.02%范圍內，確保不同熔次成分的一致性。熔煉過程中中間合金和添加劑加入后，利用電磁充分攪拌，確保同熔次不同取樣點之間的成分差小于0.02%。

同時，對購入原材料中的雜質元素進行嚴格控制。

3.3 不斷優化爐內凈化工藝

爐內熔體凈化一般采用熔劑法、活性氣體精煉法、惰性氣體吹洗法、爐底透氣磚法[4]等。

公司針對熔劑噴粉精煉和CCl4浸泡磚精煉的缺點，開發了氣液粉三相聯合精煉裝置的實用新型專利[5]，實現了液體精煉劑汽化后，與高純氬氣均勻混合噴吹粉末精煉劑，大大減少了CCl4精煉劑用量，減少了精煉時間和勞動強度，提高了熔體精煉的均勻性和精煉效果。經統計，熔化爐熔體的氫含量在噴粉精煉后小于等于0.22mL/100gAl。

我公司處于中國西南地區高溫高濕的氣候帶內，為降低大氣濕度高給熔體質量帶來的負面影響，根據不同的天氣情況（主要是溫度和相對濕度），調整了精煉劑的用量和精煉時間間隔，確保保溫爐出口的氫含量小于0.22mL/100gAl。

所有精煉用的介質氣體均采用高純氬氣，純度為99.999%以上，O2含量≤1ppm，H2O≤2.6ppm。確保精煉過程中不受介質中雜質的污染，不生成新的非金屬夾渣（N2氣精煉時，產生AlN，成為新的夾渣）。

3.4 提高熔體的在線處理效果

為獲得良好的除氣和除渣效果，引進了日本三井的在線處理裝置，該裝置的特點如下：

（1）除氣箱采用旋轉噴吹法，所用的介質氣體為Ar+Cl2（或CCl4蒸汽，體積分數為2%～5%），除氣效率達50%～65%（除氣之后鋁熔體中氫含量≤0.12mL/100gAl），且能有效降低熔體中的堿金屬含量（Na≤5ppm）。

（2）除氣轉子采用塞隆材料制作，氣泡分散性好，持久耐用，不易結渣，便于清理；還有效避免石墨轉子的夾雜物帶入熔體產生二次污染。

（3）采用了兩級17吋（432mm）陶瓷過濾板設計，熔體經兩級不同目數過濾板過濾后，10μm以上的固體雜質濾凈率≥95%；并將過濾箱的進出口做成直線型的（如圖1b），取代部分溜槽，減少溜槽溫降。

圖1 不同的過濾箱設計

（4）除氣箱和過濾箱均采用大加熱功率設計，溫控精度高，可對熔體實行均勻的加熱或保溫，確保前箱澆注溫度的均勻和穩定。

3.5 晶粒細化和均勻化

金屬在凝固結晶時，首先需要在熔體的某個局部形成結晶核心，即所謂晶核。晶核的形成有均勻形核和非均勻形核兩種方式[6]。均勻形核主要依靠過冷狀態下液體本身的能量變化獲得驅動力，由晶胚直接成核的過程。而金屬凝固主要是依靠非均勻形核，即在其他物質表面上成核。

電解鋁中的金屬元素含量低，成分過冷形核的幾率較小，且鋁熔體經多道次凈化處理后，雜質顯著減少，不利于結晶時的非均勻形核，從而容易出現晶粒粗大或者不均勻。

目前，較為廣泛采用的是在線添加晶粒細化劑，使用最廣泛的是鋁鈦硼（Al5Ti1B）。鋁鈦硼絲中的兩種金屬間化合物，TiAl3和TiB2，是鋁的固溶體初晶α-Al 枝晶組織的有效異質晶核[7]，能夠有效抑制其成長而使晶粒得到細化。但是在生產過程中鋁鈦硼絲往往使用過多，起不到相關作用，使用鋁鈦硼絲還要注意以下幾點：

（1）盡量靠近前箱位置加入，避免加入時間過長，否則會導致有效成分發生聚集(TiB2)，被過濾板攔截而減弱細化效果。

（2）控制晶粒度不能完全依賴細化劑，用量大容易造成其他缺陷，如鋁箔成品的針孔和表面色差等缺陷，加入量一般小于2kg/t。

（3）鋁鈦硼絲質量主要體現在其中所含有TiAl3和TiB2顆粒的尺寸以及均勻性上，所添加細化劑質量要穩定可靠，英國LSM的鋁鈦硼絲的顯微組織中TiAl3和TiB2顆粒細小均勻，是較理想的鋁鑄軋晶粒細化劑。

（4）要配合采取其他措施，增加非均勻晶核，避免鋁熔體本身的非均勻晶核鈍化。比如：保溫爐添加冷料降溫增核處理、縮短兩個熔次的倒爐時間間隔、嚴控轉爐爐溫度和轉爐時間，確保保溫爐溫度穩定；適當提高合金元素的含量。

4 結 論

本文通過對電解鋁液直接鑄軋過程中的熔體質量控制進行分析，有針對性地提出了相關解決方案，公司采用上述手段，很好地解決了鑄軋產品本身的晶粒度和縱向條紋等質量問題，同時客戶關于氣道、夾渣、針孔、斷帶等的投訴也穩步下降。雙零箔坯料的產品質量穩定提升，逐漸成為國內少數能提供0.005～0.0055mm鋁箔供應商。

為了獲得高品質的鋁熔體，主要采取的措施有：

①嚴格控制各個熔煉工序的溫度，并保持熔體溫度均勻，確保熔體溫度不超標；

②嚴格控制雙零箔坯料化學成分，減小同一熔次的成分不均勻性，控制不同熔次的成分波動幅度，嚴格控制有毒有害元素和雜質元素的含量；

③采用氣液粉三相聯合精煉裝置加強對爐內熔體的凈化處理；引進美國奧美透氣磚，實現保溫爐內精煉自動控制；引進先進的在線處理裝置，將熔體氫含量控制在0.12mL/100gAl以內；堿金屬Na含量小于5ppm；

④采用質量穩定的英國進口LSM鋁鈦硼細化絲，將加入位置盡量靠近鑄軋前箱位置；

⑤采用添加冷料、增大合金元素含量等措施，增加熔體的活性形核核心；縮短各熔次之間的倒爐時間，加強各工序之間的銜接，避免形核核心的鈍化。

總之，對熔體處理的各個環節需要進行統籌兼顧，不可顧此失彼，確保各工序環節參數穩定，避免起伏，從而穩定控制鑄軋的熔體質量，為生產雙零箔坯料提供保障。

[1]王祝堂，田榮璋.鋁及鋁合金加工手冊[M].長沙：中南工業大學出版社

[2]胡冠奇，牛薈曉，張瑞琴.電解鋁液直接鑄軋生產鋁箔坯料[J].輕合金加工技術，2007（8）：27

[3]潘復生，張靜.鋁箔材料[M]. 北京：化學工業出版社，162

[4]顧曉波.鋁熔體凈化處理方法分析[J]. 有色金屬加工，2000（2）：7-9

[5]唐新文.三相聯合式鋁熔體除氣除渣同步處理系統[P].中國專利，201420021879.3

[6]唐仁政.物理冶金基礎[M]. 冶金工業出版社，36-39

[7]馬錫良.鋁帶坯連續鑄軋生產[M].中南工業大學出版社，61-62