1235鋁箔坯料的熔體質量控制

殷華彬

(中國鋁業青海分公司，青海大通 810108)

0 前言

目前我國對于高質量鋁箔坯料的需求日益增加，但國內大部分板帶企業所提供的鋁箔坯料總體質量狀況和產品等級與國外有較大差距，滿足不了國內高端市場的需求。我公司在長期的生產實踐中，通過不斷的積累經驗，總結了一套完整有效的鋁熔體質量控制體系，在解決熔體質量問題以及其他鑄軋板質量缺陷方面總結了較為豐富的理論基礎和現場實踐經驗。保證熔體質量的穩定，對于高質量鋁箔坯料的生產有著重大的意義。

1 鋁熔體質量的主要缺陷及產生原因

1.1 鋁熔體中的主要質量缺陷

熔體質量一般可以采用兩個指標進行衡量：固態組織中的夾雜物含量及液態熔體中的氫含量。熔煉鋁及鋁合金時，熔體被氫和夾雜物污染是不可避免的，它們在鋁熔體中的含量，是衡量熔體質量的重要指標。鋁及其合金在熔煉過程中表現出易于氧化、吸收氣體的特性，使得在鋁液中極易形成氣體和夾雜物，從而引起最終產品存在氣道、針孔、夾雜等一系列缺陷，導致鋁箔坯料軋制時出現頻繁斷帶，嚴重影響了鋁箔的生產。

1.2 鋁熔體質量缺陷產生的原因

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

1.3 氫的主要來源及鋁熔體吸氫原理

鋁熔體吸氫的主要反應是鋁與水的反應，而且反應是不可逆的。

在低于250℃時，鋁與空氣中的水蒸氣接觸發生下列反應[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，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，熔融鋁與水的反應就會更劇烈地進行。氫進入鋁熔體中的主要途徑就是熔融鋁與水的反應，生成游離態的原子[H]，氫極易溶于鋁熔體中，此反應為鋁熔體吸氫的主要途徑。鋁與水氣發生下列反應[3]：

在高溫下Al（OH）3在爐內也發生化學反應[3]：

反應產生的H2O氣又可與鋁發生反應生成游離態的原子[H]，進入鋁熔體。

水主要來源于在熔煉、鑄軋生產工藝過程的一些環節及空氣中的水蒸氣，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、爐內氣氛、熔體中的夾雜物是主要影響熔體含氫量的因素。

2 實際生產中的熔體質量控制措施

2.1 熔煉和靜置過程中的熔體質量控制

2.1.1 爐料的控制

爐料包括鋁錠、中間合金、添加劑以及各級廢料。其中鋁錠中的氧化鋁含量在0.2×10-4%～2×10-4%范圍內波動。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，生產高質量鋁箔必須對爐料的組成進行嚴格控制。

投入生產的鋁錠必須在干燥清潔的環境中保存，嚴禁加入濕錠生產。廢料的比例要嚴格控制，必須小于20%，含油廢料和三級廢料以及挑揀出的含鋁爐渣不能加入生產鋁箔坯料的爐次中。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氧化夾雜。

2.1.2 熔體停留時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之間有存在一定關系。熔體中的氫的溶解度和熔體溫度和氫的分壓有關：當熔體溫度一定時，氫的分壓越大，氫的溶解度就越大；當氫的分壓一定時，熔體溫度越高，氫的溶解度就越大。

熔體溫度和熔體停留時間對鋁合金熔體含氫量的影響十分密切，因此在熔煉生產中必須嚴格控制這兩項關鍵的熔煉工藝指標。理論高溫停留時間越短越好，熔體溫度越低越好，但由于設備條件和性能的關系，無法滿足理想的要求。在實際生產鋁箔坯料中，熔煉溫度必須控制在750℃以下，一爐次（按照17t投料量計算）熔化時間必須控制在4.5h以內，熔化完成到轉爐的中間停留時間必須小于4h。其中這一時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間超過了4h，必須重新進行一次精煉。保溫爐的溫度在生產過程（在線溫度參數可控的條件下）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高質量鋁箔產品時保溫爐溫度不要超過735℃。若生產窄規格產品時，由于通過量較小系統溫降較大，因此，需做好流槽系統的保溫措施，適當提高除氣設備中的鋁液溫度，以保證保溫爐溫度控制在低限。

2.1.3 爐組狀況的維護

爐組連續生產一段時間后，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，根據夾雜物與熔體含氫量存在的相互作用機制，夾雜物的增加將導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量。

為此，在實際生產中，必須進行定期的熱清爐，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，爐組每年必須進行一次徹底的冷清爐，將爐組內的積渣徹底清除，為熔煉生產創造良好的環境。

2.1.4 爐組燃燒系統的維護

鋁熔煉爐和保溫爐多數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]。火焰爐爐氣中的水份除了受與電阻爐相同的影響因素外，還有可燃氣體中產生的大量水蒸氣，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高一些。

針對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熔體質量的影響顯得十分重要。在實際生產中，需要對燃燒系統的運行狀況進行監控和調整。主要有以下幾個主要的控制點：

（1）監控燃燒的火焰狀況，避免不完全燃燒的發生，提高熔化升溫能力。

（2）定期檢測爐內氣氛組成，針對測量結果調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間，優化燃燒時間，使得熔體接觸火焰的時間盡量降低，同時最大限度地利用爐氣溫度，提高熔化效率，減少火焰工作時間，嚴格控制燃燒時間，避免熔體過燒。

（5）優化保溫爐燃燒控制，保證良好的燃燒曲線，減少熔體接觸火焰的時間。

以上措施是爐組高效、穩定工作的保證。

2.1.5 爐內精煉和轉爐作業的控制

（1）目前廣泛采用且除渣除氣效果較好的爐內凈化方式就是將主要成分為NaCl、KCl、NaF等的噴粉熔劑通過帶壓儲罐，將氮氣和熔劑混合并通過金屬管均勻噴入熔化后的鋁熔體中[5]。具體生產中需要嚴格控制噴粉量和噴粉時間，并且規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，若添加量過多反而會影響熔體質量。

（2）轉爐過程是熔體氧化夾雜物和氫含量增加的過程，轉爐作業方式的不同對最終熔體質量的影響也不同，因此必須選擇最佳的轉爐方式以盡量避免轉爐作業帶來的不良影響。目前轉爐方式主要有澆包轉爐和流槽轉爐。統計得出，澆包轉爐氧化鋁含量增加52%，而采用流槽轉爐氧化鋁含量增加8.7%。可見流槽轉爐方式是較為有效的控制熔體質量的轉爐方式[2]。

在實際生產控制中為確保產品質量要嚴格執行潛流措施、控制轉爐時間。

2.2 鋁熔體在線凈化

2.2.1 鋁液在線除氣的控制點

保護生物免受核設施的輻射影響，近二三十年中才逐漸受到各國重視。歐美在該方面的研究和應用較早，不僅建立了完整的分析方法和體系，還將其編制成軟件，供其他國家和組織免費試用。近些年，隨著我國經濟的不斷發展，國家和民眾的環保意識也不斷增強。學習和借鑒國外生物輻射影響方面的軟件和方法，可以在我國建設和使用核設施的過程中，評價其對于生物的影響，進而保護我們賴以生存的生態環境。

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

（1）要求除氣爐密封性好，受氣候影響小，造渣少，不會形成二次污染。除氣爐密封性差時，空氣中的水蒸氣容易進入爐內，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）要求除氣爐內氣泡細小彌散、均勻，液面無大的翻滾。在除氣爐內工藝氣體總流量、壓力不變的情況下，氣泡數量越多，相當于增大了工藝氣體與熔體的接觸面積，因此氣泡越細小（相當于氣泡數量越多）、越彌散，接觸面積越大，越有利于氫向工藝氣體擴散，達到除氫的目的。轉子要有足夠的攪拌力，使氣泡有足夠的運動速度分散到整個熔池，但轉子轉速過快會造成液面翻滾，且有可能使夾渣重新進入熔體。

（3）要求除氣爐轉子結構有充分的攪拌力，轉子桿及轉子葉輪要結構合理，適當加大葉輪直徑，配以合適的速度，提高轉子的攪拌力。

（4）要求工藝氣體純度高，不能對熔體進行造渣、吸氫。一般對工藝氣體純度的控制主要為兩部分，一是對氣源的控制，二是對氣體所有經過的管道及儀器儀表泄漏的控制。一般對工藝氣體氣源純度要求達到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會造渣和吸氫。

（5）為了保證熔體在除氣爐內有足夠的停留時間，要求熔池有一定的體積。除氣爐轉子對熔體要有一定的浸入深度，轉子浸入深度直接關系到整個熔池是否能被工藝氣體完全覆蓋，對除氣效率有較為明顯的影響。一般要求轉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。除氣爐內一般裝爐量在550～650kg左右，按鑄軋每小時通過量2t計算，鋁熔體在爐內停留時間約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）要求爐子內襯與鋁不濕潤，容易清理。除氣爐內襯一般要求采用與鋁不濕潤、性能穩定、對熔體不增氣、耐高溫燒結、不易積渣的耐火材料。

以上措施保證了除氣設備的穩定運行。正常情況下，除氣效率應達到50%以上，要注意日常的測量驗證，發現異常及時檢查設備并處理。

2.2.2 流槽過濾系統的日常維護和使用

熔體經過在線除氣裝置凈化處理后，鋁液中仍有部分夾雜物質無法排除，必須通過一步有效的過濾措施來除去鋁液中的微小夾雜物質[4]。陶瓷泡沫是近年來發展起來的新型陶瓷過濾材料，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，再經干燥燒結而成，孔隙率高達80%～90%。

目前我公司采用的是高效經濟的雙級泡沫陶瓷過濾法進行最后的熔體過濾。在實際生產應用中總結了以下主要控制措施：

（1）根據不同合金和最終產品要求選擇合適的孔隙數的過濾片搭配。

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

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

（4）定期清理過濾箱，涂上防粘鋁涂料以保持過濾箱的清潔，防止二次污染。切換過濾片前要對過濾箱進行有效徹底的預熱，同時要控制預熱溫度，防止過濾片過熱熔化。應采用電加熱方式使箱體溫度均勻。

（5）使用過程中不允許過濾箱受外力產生震動，避免被攔截的雜質在震動中脫離過濾片進入鋁液中污染熔體。

4 結束語

熔體質量是生產高質量鑄軋鋁箔坯料的基本保證，應從各個環節進行嚴格控制，同時熔煉生產中的熔體質量控制又是生產控制中的難點，因此必須深入分析總結，找出科學合理的工藝控制方法，以保證熔體質量的穩定。本文上述提到的各個環節的控制措施是通過多年實踐總結出來的，具有有效的實際應用價值。