鋁合金熔鑄技術的發展現狀及趨勢

戴有濤

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

熔鑄是鋁加工生產工序的第一步，為后續的壓延、擠壓、鍛造等加工工序提供坯料，其產品質量在內部組織形態和晶粒大小等微觀層面及外觀和表面質量等宏觀層面均有特定要求，直接關系到后續加工產品的最終質量，具有很強的遺傳性。尤其在高端鋁加工產品的生產中，熔鑄技術更為重要，熔鑄產品質量的好壞直接關乎產品的成敗和生產效率。因此，研究熔鑄技術的發展現狀及趨勢對鋁加工產品的質量和效率的提高均有重要的指導意義。

1 鋁合金熔鑄技術發展現狀

經過20多年的快速發展，熔鑄技術已經涉及配料技術、熔煉技術、熔體處理技術、鑄造技術、均熱技術、鋸切技術、檢測技術、智能化及自動化技術等多個方面。實際生產中，除一些鑄錠質量要求特別高的產品全部采用重熔用鋁錠進行配料外，其余多數熔鑄產品隨著熔體處理技術的發展，均可以直接采用電解鋁液進行配料。電解鋁液配料技術省去了重熔錠二次重熔的過程，節省了能源，降低了燒損。

常規的燃氣和燃油熔煉技術目前在設備熔化能力上均已較好的滿足了客戶需求，但是在環保和能源利用效率上仍需要進一步提升；而電加熱的熔煉技術在環保和降低燒損上有較好表現，但在加熱和升溫能力上則需進一步加強。目前燃氣和燃油熔鋁爐大多采用可利用煙氣余熱的蓄熱式燒嘴，而無論是燃氣燃油爐還是電爐，在爐底配備電磁攪拌裝置已成為了基本配置。另外就是爐內爐外的熔體處理技術，各種技術層出不窮，各有特點。

1.1 熔體處理技術

熔體處理是熔鑄技術中最重要的一個環節，鋁合金熔體內氫含量、堿金屬含量和非金屬夾雜物含量的多少對產品質量有著至關重要的影響。因此，為了從源頭上提高鋁合金產品質量，人們開發出了多種鋁熔體凈化技術。根據鋁熔體處理位置不同可分為爐前預處理、爐內處理和爐外在線處理；根據凈化機理不同可分為吸附凈化技術和非吸附凈化技術。吸附凈化技術主要是依靠精煉劑(精煉氣體)或其他介質對鋁熔體中的氫和非金屬夾雜物進行吸附，達到凈化鋁熔體的目的；非吸附凈化技術是除此之外依靠其他物理化學作用，達到鋁熔體凈化的目的。

爐前預處理，主要是指在電解鋁液加入熔鋁爐之前對鋁熔體進行的凈化。目前國內外有很多生產廠家均采用電解鋁液作為原料，電解鋁液雖然能大大減少配料和熔化時間，節約能源，但卻存在著“二多、一少、一高”的現象(即氫含量多、夾雜物多、活性晶核少、鋁熔體溫度高)，非常容易造成鑄坯的冶金缺陷，如氣孔、夾渣、晶粒粗大等，對最終產品質量產生不良影響。為確保原料的純凈度，必須對電解鋁液提前采取凈化處理。目前常見的方法是，在鋁液包內通過轉子或者鋼管直接通入惰性氣體或精煉劑(一般為氟化鋁粉末)對其進行精煉。爐前預處理主要利用惰性氣體的表面吸附作用減少鋁熔體中的氫和氧化鋁，利用氟化鋁等精煉劑和鋁熔體中氫和堿金屬的物理化學作用減少鋁液中的氫含量和堿金屬含量。爐前預處理采用的常見設備是除堿裝置。

爐內處理，主要是指在熔鋁爐或保溫爐內對鋁熔體進行凈化。爐內的鋁及鋁合金熔體一般都要進行精煉，精煉的過程主要有向爐內液體表面直接拋灑精煉劑的方式，插入鋼管通入惰性精煉氣體(或同時通入精煉劑粉末)的方式，通過爐底透氣磚向爐內通入惰性氣體的方式和通過轉子向爐內通入惰性氣體(或同時通入精煉劑粉末)的方式。其中通過轉子向爐內通入惰性氣體又有在爐頂加入可升降轉子的方式、在爐子側墻開洞伸入轉子的方式和直接打開爐門伸入轉子的方式。目前應用最多的是直接采用鋼管向爐內通入惰性氣體(或同時通入精煉劑粉末)的方式和通過爐側開洞伸入轉子通入惰性氣體的方式。此處加入的精煉劑粉末主要有氯化鈉、氯化鉀等，一般是利用物理化學作用減少鋁熔體中的夾雜；惰性氣體主要為氮氣或氬氣，一般是利用惰性氣體氣泡的吸附作用減少鋁熔體中的夾雜；有時為了進一步除去鋁熔體中的堿金屬還會在惰性氣體中混入一定比例的氯氣(一般為5%～25%)或精煉劑粉末，同時利用吸附和物理化學作用對鋁熔體進行綜合凈化。爐內處理采用的常見設備有爐側旋轉除氣裝置，噴粉精煉機和爐底透氣磚。

爐外在線處理，主要是指在熔鋁爐或保溫爐至鑄造設備之間對鋁及鋁合金熔體進行處理的方式。此處的熔體處理后，會直接進入鑄造設備，因此，這一部分的鋁及鋁熔體處理是最重要的，也是各種鋁熔體處理技術最為密集的地方。一類是以轉子向箱體或者流槽中通入惰性氣體(或精煉劑)的方法，這一方法主要是利用吸附作用(如果在惰性氣體中加入四氯化碳、氟化鋁等精煉劑或氯氣則同時利用了物理化學作用)凈化鋁熔體。這種方式對非金屬夾雜物凈化要求較高的鋁熔體不能滿足要求，但通過對精煉介質的控制可以對氫等氣體含量起到較好的控制，因此我們通常稱之為在線除氣。而通過吸附或其他物理手段對鋁熔體中非金屬夾雜物進行去除的方法，我們通常稱之為在線過濾，其中陶瓷管、氧化鋁球/片、泡沫陶瓷板主要利用了吸附作用，而超聲波凈化處理法和電磁凈化處理法等則是利用其他物理手段。鋁熔體在線處理常用的設備有轉子式除氣裝置、真空除氣裝置、超聲除氣裝置、深床過濾裝置、管式過濾裝置、陶瓷板過濾裝置和電磁過濾裝置。

常見的熔體處理技術按其在安全、環保和節能方面的表現可以歸納如表1所示。

表1 鋁熔體處理效果對比表

一般在實際應用中，爐前預處理、爐內處理和爐外在線熔體處理根據產品的需求不同可搭配使用，吸附和物理化學作用也是根據鋁液的品級要求綜合運用，最終以得到滿足鑄造要求的鋁及鋁合金熔體為目的。目前一般的高質量鋁合金熔體均可以通過在爐前對電解鋁液進行預處理，熔煉爐內采用精煉劑或精煉氣體精煉，保溫爐內采用爐側旋轉除氣裝置除氣精煉，再結合在線晶粒細化、除氣和過濾的方法獲得。得到高質量的熔體之后，下一個關鍵技術就是熔體的鑄造成型。

1.2 鑄造技術

鑄造階段關系到鑄坯的成型，其結晶后的表面質量、組織結構及力學性能直接關系到鑄坯質量的高低，因此是另一個至關重要的的環節。目前鑄造技術的發展主要集中在鑄造質量的提升和鑄造安全性的提升兩個方面。鑄造質量的提升集中在表面質量的改善，錠尾膨脹翹曲的減小，內部組織的細化和成分的均勻等。常規鑄造中大部分鑄造技術主要是針對改善表面質量和減少錠尾膨脹、翹曲而開發出來的。以國內目前引進最多的Wagstaff的各種鑄造技術為例，如LHC鑄造技術，Epsilon鑄造技術，可調結晶器鑄造技術，Air-slip氣滑鑄造技術，ARC大棒鑄造技術等，分別通過改善起鑄階段的冷卻速率，降低液穴高度，鑄造前調節結晶器斷面尺寸以適應不同規格不同合金的鑄造收縮，通過油氣潤滑，結晶器內增加石墨環增加潤滑等方式來改善鑄錠表面質量和錠尾膨脹和翹曲。常見的鑄造技術按其產品和質量控制方式歸納總結見表2。

表2 鑄造技術及其對應的控制方式一覽表

目前扁錠和圓錠的鑄造設備主要以立式半連續鑄造機為主，部分要求不高的也采用水平連續鑄造；鑄軋帶材的生產設備主要是普通兩輥鑄軋機。鑄造完成后部分扁錠或圓錠根據需要要進入均熱工序。目前的均熱技術主要有批次式均熱技術和連續均熱技術。批次式均熱技術一般采用箱式均熱爐來實現，適用于扁錠和圓錠的均熱，連續均熱技術一般采用連續均熱爐來實現，適用于牌號和規格單一的大批量圓鑄錠的均熱。

鑄造完成或者均熱完成后的圓錠或者扁錠需要進行鋸切頭尾或者中斷工序，一般采用鋸切機來實現。鋸切技術目前常采用的設備有帶鋸和圓盤鋸兩種。帶鋸可以用來鋸切圓錠和扁錠，其鋸帶薄，產生的碎屑量少，噪音小，目前在鑄錠的鋸切中廣泛使用。圓盤鋸可以用來鋸切規格較小的扁錠和圓錠，尤其是對規格小、數量多的圓錠產品，其鋸切速度快，投資占地小，相對于帶鋸碎屑量也不會有顯著的增加。但圓盤鋸在鋸切扁錠或大規格的圓錠時有顯著的缺點，圓盤鋸的鋸片厚度隨鋸切鑄錠的變大需要相應的增加，到達一定程度就不能實現，同時，相對于帶鋸，其鋸屑產生量在鑄錠斷面較大時將顯著提高，金屬損失嚴重，成品率較低，因此在扁錠和大規格圓錠鋸切時不宜采用。

1.3 自動化集成技術

鑄造完成之后短流程生產的鑄軋帶材根據產品直接進入軋制階段，而扁錠和圓錠根據需要會進入到均熱、探傷、鋸切等工序。鑄造之后的均熱、探傷、鋸切、打標、稱重及圓錠特有的堆垛、碼料、打捆等工序傳統上一般均是由均熱爐、鋸切機、探傷儀及各種輔助設備各自獨立完成的，近些年隨著設備自動化、智能化程度的提高及人力成本的增加，鑄錠的生產及處理越來越向集成的方向發展。通過自動化集成，車間各工序周轉時間可以大大縮短，操作工人顯著減少，生產的安全性和可靠性能大大提高。各設備廠家正在積極研發可靠的自動化智能化系統，而目前的自動化和智能化集成主要集中在鑄造工序之后的均熱、鋸切、探傷等工序，采用輥道、小車、機械臂、智能天車等實現具體操作。

綜上，目前的鋁加工熔鑄技術現狀是多種熔鑄技術并存，產品質量、環保、節能及安全性的要求進一步提高，新技術不斷呈現，落后技術逐步淘汰的全新發展階段。

2 熔鑄技術的最新發展趨勢

在過去的20年里，中國的鋁加工業發生了翻天覆地的變化，鋁加工產品的需求不僅在體量上有了爆發式的發展，在產品質量的需求上也有了顯著提高，但快速發展的同時導致目前國內鋁加工產品同質化競爭更加嚴重。大宗常規產品過剩引起的低價競爭和定制產品高價卻往往供應不足同時并存。因此，可以預見，企業為了降低成本，以后大宗的鋁加工產品將越來越向專業化方向發展，而定制鋁加工產品將越來越向滿足客戶需求的精細化方向發展。熔鑄技術作為鋁加工鑄造坯料生產的核心，其發展也將追隨這一大趨勢。不斷提升熔鑄產品的質量，滿足大宗產品量大質優提升生產效率的需求和定制產品質量優中取優的特殊要求將是在質量和效率方面的一大趨勢。

短流程熔鑄技術的發展跳出了傳統熔鑄技術在既定工藝下提升質量和效率的思路，通過不斷擴展其適用范圍，逐步滿足了更多產品的生產，為熔鑄技術的進步開辟了另一條道路。在更多產品和更多合金牌號上利用短流程的生產工藝替代現有工藝將是另一個重要趨勢。

快速發展的中國鋁加工業，一方面促進了經濟發展，另一方面也帶來了安全、環保和能源方面的壓力。近年來，國家在安全、環保、節能方面提出了越來越嚴格的要求，淘汰落后產能，限制或關停這方面不達標的企業已是大勢所趨。熔鑄車間作為鋁加工產品生產中安全問題最為凸顯、環境污染最為嚴重、能耗考核最為關鍵的一環，各項新技術的興起和發展都應該以滿足這些方面的準入和要求為前提。因此，更加安全、節能、環保的發展熔鑄技術是又一大趨勢。

為響應“中國制造2025”的號召，同時借鑒國外鋁加工業的發展模式，提升鋁熔鑄車間的信息化和自動化程度，減少人員的操作，增加生產運行的穩定性、可靠性和安全性是熔鑄技術與信息技術結合的必然趨勢。

以上這些來自各個方面不同的發展趨勢必將引導熔鑄技術向著更加高質、高效、健康、持續，更加滿足社會需求的方向發展。

3 結束語

熔鑄技術在不斷獲得更高質量鋁合金熔體及坯料的基本要求下，需要進一步滿足大宗產品生產效率和定制產品質量上的要求。擴大短流程熔鑄技術的應用及普及車間自動化智能化的生產可大大提高生產效率，滿足大宗產品產量上的需求，同時加快推廣最新的熔體凈化技術、鑄造技術可有效提升定制產品質量上的要求，最后再輔以智能化和自動化集成技術，充分提高車間生產的穩定性、安全性和可靠性，保障車間在環保、節能方面的先進性。

熔鑄技術最新發展趨勢最終可總結為四句話：提升大宗產品生產效率；滿足定制產品質量要求；滿足生產穩定、安全、可靠；確保生產環保、節能、高效。