使用環保型顆粒狀精煉劑對鑄軋3102合金空調箔成本和質量影響的探討

劉志文，劉雪梅，吳培金

(洛陽龍鼎鋁業有限公司，河南 洛陽 471300)

由于家電市場需求的強勁帶動，近幾年我國空調箔的生產能力和技術水平不斷提高。但是由于空調箔的規格和合金比較單一，適合大規模生產，使得空調箔的市場競爭日趨激烈，加工費也由幾年前的7000元/t～9000元/t降低至目前的4000元/t～5000元/t[1]。同時，隨著國家環保意識提高，各項環保法規不斷健全，國家對鋁合金熔煉過程中存在的污染問題，提出了更高要求，相關企業面臨巨大的煙氣治理資金投入壓力，環保治理成本大增。在此背景下，如何降低生產成本，減少污染物排放，提高空調箔的市場競爭力，成為企業可持續發展的必由之路。目前鑄軋3102合金空調箔熔煉生產爐料包括電解鋁液、廢料、鋁錠等。用電解鋁液直接配料生產鋁合金產品具有節能、降低燒損和增加生產效率等優點[2]，關于電解鋁液最佳比例前人研究較多，如蔣詩琪等人[3]、張延麗等人[4]、王建增等人[5]、何正夫等人[6]。目前大多數鑄軋生產企業將電解鋁液添加比例控制在50%～70%。同時空調箔產品對于力學性能尤其是深沖性能要求較高，對鑄軋熔體質量要求較高。目前鋁合金爐內精煉技術主要采用熔劑噴射精煉的方式，熔劑主要包括粉狀熔劑、氣體熔劑和液體熔劑三種。傳統熔劑精煉過程中會產生含Cl、F等有害物質的爐渣和爐氣，對環境、人體和設備都存在著嚴重危害。

本文使用環保型顆粒狀精煉劑替代傳統粉末混合精煉劑和含氯液體精煉劑，重點研究了環保型顆粒狀精煉劑對煙氣排放量、熔體凈化效果和熔煉燒損的影響原理。

1 實驗方法

本實驗在鑄軋3102合金空調箔坯料熔煉生產線上進行，共進行兩批次對比實驗，具體實驗方案如下：(1)熔體凈化效果實驗。鑄軋采用環保型顆粒狀精煉劑生產5爐，后續又采用傳統粉末混合精煉劑和含氯液體精煉劑(二氯甲烷)生產3爐進行對比實驗。精煉過程中觀察煙氣排放量情況，每爐次在倒爐后均在鑄軋前測量熔體氫含量，以此來衡量精煉凈化效果。(2)燒損實驗。鑄軋采用環保型顆粒狀精煉劑生產10爐，隨后采用傳統粉末混合精煉劑和含氯液體精煉劑(二氯甲烷)生產10爐進行對比實驗。每爐次稱重、記錄熔煉爐和保溫爐鋁渣重量，以此來計算燒損，具體實驗工藝與熔體凈化效果實驗相同。

2 實驗結果

2.1 煙氣排放量實驗

第一批次實驗精煉過程中在線觀察煙氣排放量情況，發現使用環保型顆粒狀精煉劑精煉，煙氣排放量明顯減少，如圖1所示。

(a)粉末精煉劑 (b)液體精煉劑 (c)環保精煉劑圖1 精煉煙氣排放量對比圖Fig.1 Comparison chart of flue gas emissions from refining

2.2 熔體凈化效果實驗

第一批次實驗每爐次在倒爐后均在鑄軋前測量熔體氫含量，以此來衡量精煉效果，具體數據見表1。由表1可見，采用環保型顆粒狀精煉劑替代傳統粉末混合精煉劑和含氯液體精煉劑后，倒爐后保溫爐熔體氫含量平均值為0.273ml/100g·Al，經過在線處理后熔體氫含量平均值為0.111 ml/100g·Al，變化不大，滿足空調箔熔體氫含量要求(≤0.15 ml/100g·Al)。因此，從熔體凈化角度看環保型顆粒狀精煉劑完全可以替代液體精煉劑使用，且精煉工藝簡化，去除了液體精煉劑的儲存裝置和精煉設備(流量泵)等。

表1 熔體氫含量

2.3 燒損

第二批次實驗期間，每爐次將熔煉爐和保溫爐鋁渣稱重、記錄，具體實驗數據見表2。熔煉工序燒損主要來源有熔化過程中爐料與高溫爐氣反應造渣和精煉過程造渣，本次對比實驗爐料結構、熔煉設備、人員操作等均保持不變，可以認為熔化過程中爐料與高溫爐氣反應造渣量相同，最終熔煉工序(熔煉爐+保溫爐)產生的鋁渣之間的差別都是精煉劑變更造成的。由表2可見，采用傳統粉末混合精煉劑和含氯液體精煉劑精煉工藝生產時，熔煉爐燒損為1.81%，保溫爐燒損為0.50%，熔煉工序(熔煉爐+保溫爐)燒損為2.32%；采用環保型顆粒狀精煉劑精煉工藝生產時，熔煉爐燒損降低到1.54%，保溫爐燒損為0.23%，熔煉工序(熔煉爐+保溫爐)燒損降低到1.77%，降低0.55%。如果鋁價按照14000元/t計算，從燒損角度來看，使用環保型顆粒狀精煉劑成本可降低77元/噸鋁。

表2 鋁燒損實驗數據

2.4 精煉劑成本

鑄軋精煉劑成本：傳統粉末混合精煉劑2628元/t，二氯甲烷精煉劑15929元/t，環保型顆粒狀精煉劑5500元/t。因為各種精煉劑進行精煉時均需要使用氬氣作為載體，氬氣成本相同，對比各種精煉劑成本時不再列出。

原精煉工藝為：熔煉爐第一次精煉為1.5kg/噸鋁的傳統粉末混合精煉劑+氬氣精煉，第二次精煉為2000ml/爐的二氯甲烷精煉劑+氬氣精煉；保溫爐兩次精煉均為2000ml/爐的二氯甲烷精煉劑+氬氣精煉。原精煉工藝成本=(傳統粉末混合精煉劑成本+二氯甲烷精煉劑成本×3)/總裝爐量=11.59元/噸鋁。

新精煉工藝為：熔煉爐第一次精煉為1.5kg/噸鋁的環保型顆粒狀精煉劑+氬氣精煉，第二次精煉為氬氣精煉；保溫爐兩次精煉均為氬氣精煉。新精煉工藝成本=環保型顆粒狀精煉劑成本/總裝爐量=8.25元/噸鋁。

使用環保型顆粒狀精煉劑替代傳統粉末混合精煉劑和液體精煉劑時，精煉劑成本減少3.34元/噸鋁。

3 分析與討論

鋁合金熔煉過程中, 熔體中存在的氣體、各種夾雜物及其他金屬雜質等, 往往使鑄錠產生氣泡、氣孔、疏松、裂紋、白斑等缺陷, 對鑄錠的加工性能及制品強度、塑性、抗蝕性和外觀品質都有顯著影響。鋁合金熔體凈化是保證鋁合金材料冶金質量的關鍵技術, 主要是降低熔體中堿金屬含量、氣體含量和氧化夾雜物的含量[7]。

鑒于鑄軋生產工藝特點，目前鑄軋3102合金空調箔坯料生產一般采取爐內處理和爐外在線處理的凈化工藝。爐內處理一般采取熔劑噴射法，就是以惰性氣體為載體 ,把一定量的熔劑(粉狀、氣體、液體)從吹管吹到鋁液底部。熔劑一旦離開吹管就變化成小液滴或者氣泡, 與鋁熔體發生一系列的物理化學反應，將熔體中的堿金屬、氣體和夾雜物去除，起到熔體凈化的目的[7]。

根據國標YS/T 491-2005 變形鋁及鋁合金用熔劑可知，粉末混合精煉劑成分(質量分數，%)，為，K 21～26，Na 16～23，Al≤5，Si≤8，Cl 34～45，F 9～14，Mg≤0.5，Ba≤0.5，Ca≤0.5，C≤0.5，N≤1.0，O≤5,其他≤0.1。其生產工藝簡單，主要分為混合—烘干—包裝三個步驟，精煉劑進入鋁熔體后，與鋁熔體發生一系列的物理化學反應，排放出大量的煙氣，將熔體中的氣體和夾雜物去除，起到熔體凈化的效果，煙氣中含有Cl2、HCl、SiF4等氣體，不僅腐蝕設備，還污染環境，損害人體健康。

環保型顆粒狀精煉劑主要含有約60%MgCl2和40%KCl，以及其他不超過1%的微量組分，不含Na和F。其生產工藝復雜，主要分為混合—熔融—冷卻—造粒—包裝五個步驟，精煉劑進入鋁熔體后，與鋁熔體發生一系列的物理化學反應，將熔體中的堿金屬、氣體和夾雜物去除，起到熔體凈化的效果，精煉過程中煙氣排放量小，不含有Cl2、HCl、SiF4等氣體，對設備和環境污染損害小，不損害人體健康。

固體(粉末或者顆粒)精煉劑在鋁熔體中具有很好的除夾雜物和除氣。除夾雜物原理是： 當固體(粉末或者顆粒)精煉劑由惰性氣體噴入鋁熔體后，固體(粉末或者顆粒)精煉劑能夠迅速熔化成為液滴，由于這些液滴的密度小于鋁熔體的，與夾雜物表面張力較小，具有很強的潤濕和吸附夾雜物的能力；當夾雜物被熔劑液滴吸附后，上浮而被排除出熔體。同時，熔劑液滴上浮后形成了一層液體層覆蓋在鋁熔體表面，從而還減少鋁熔體的氧化燒損。除氣原理是：根據渣氣共存原理，除夾雜物的過程也是除氣過程。同時，固體(粉末或者顆粒)精煉劑熔化成為液滴后包覆在惰性氣體表面，利于熔體中的氫進入氣泡而排出，加強了氣泡浮游法除氣的效果。由于粉末混合精煉劑中含有Na，去除堿金屬的效果一般，一般鋁熔煉企業會再使用含Cl的氣體或者液體作為精煉劑進行協同精煉凈化，去除堿金屬。而環保型顆粒狀精煉劑中的含鎂離子型化合物進入鋁熔體后，會與堿金屬元素Na、Ca和Li發生反應，向鋁合金熔體中釋放出鎂原子，同時將反應吸收到的堿金屬元素Na、Ca 和 Li 帶到鋁熔體表面，從而起到除去堿金屬的作用[8]。

粉末混合精煉劑組分復雜，發熱值高，精煉劑進入鋁熔體后，熔化放出大量的熱，與鋁熔體發生劇烈的化學反應，釋放大量的氣體，使得精煉過程中液面波動大，燒鋁，造渣量大，扒渣時鋁渣溫度高，帶鋁量大，熔煉燒損高達2.32%。環保型顆粒狀精煉劑組分簡單，熔點低(約480℃)，精煉劑進入鋁熔體后，熔化放熱少，與鋁熔體發生溫和的化學反應，不釋放大量的氣體，使得精煉過程中液面波動小，不燒鋁，造渣量小，扒渣時鋁渣溫度低，帶鋁量小，所以熔煉燒損低至1.77%，降低了0.55%。

4 結論

綜上分析，鑄軋3102合金空調箔坯料熔煉生產過程中，采用環保型顆粒狀精煉劑替代粉末混合精煉劑和液體精煉劑，精煉機理發生變化，精煉過程中煙氣排放量明顯減少，環保除塵設備的運行成本減少，精煉工藝進一步簡化，精煉劑成本減少3.34元/噸鋁，熔煉燒損降低了0.55%。如果鋁價按照14000元/t計算，從燒損角度來看，生產成本可降低77元/噸鋁。綜合生產成本降低80.34元/噸鋁。