淺談電解鋁液鑄造鋁合金錠坯中的配料問題

摘 要：2012年初國家公布了鋁工業十二五發展專項規劃。該規劃主要任務包括加快企業技術改造，支持鋁工業運用先進適用技術和高新技術，以質量品種、節能減排、環境保護、兩化融合等為重點，對現有企業生產工藝及裝備進行升級改造，提高企業技術裝備水平。其中電解鋁液直接制備鋁合金錠坯被列為重點推廣的短流程加工制造技術。

關鍵詞：鋁加工；電解鋁液；熔鑄；配料計算；熱平衡

現代鋁加工工業的特點是設備高度自動化，生產規模大型化，盡可能采用短流程工藝、減少工藝廢料提高成品率，采用先進的加工技術改善產品性能，通過各種手段降低生產成本。歐、美的大型鋁業公司采用大型集約化生產，直接利用電解鋁液鑄成大型鋁合金扁錠，生產銷售高附加值的鋁板帶箔材已經非常普遍。將電解鋁液直接鑄成鋁及鋁合金錠坯或其他產品，對促進我國電解鋁企業與鋁加企業之間的集約化生產，節能減排，實現雙贏具有重要意義。

1 電解鋁液特點

電解鋁液的生產過程是通過950℃～970℃的熔鹽（基本組成是冰晶石和氧化鋁）電解完成的，因此電解槽中的鋁液具有以下特性：

1.1 電解鋁液溫度高。電解鋁液抽取時的溫度一般在920℃以上，大大超過工業純鋁的熔點（655℃），并且在電解槽內長時間存放，存在非自發晶核少，鑄造時易導致晶粒粗大等組織缺陷。

1.2 電解鋁液易吸氣造渣。因鋁液溫度高，與空氣溫差較大，極容易吸收空氣中的氣體，使氫含量增加。經測量，注入混合爐中的每百克電解鋁液氫含量在0.26mL以上；電解鋁液也容易造渣，據試驗，氧化夾渣的質量分數為0.001%～0.003%的鋁液不經處理就鑄造成錠，其鑄錠中的氧化物夾渣的質量分數可達到0.01%～0.28%。

1.3 電解鋁液溫度高，影響合金成分的測定。必須對電解鋁液進行降溫處理，以免影響合金成分的準確性。根據鋁及鋁合金的特點，其熔煉溫度一般控制為700℃～760℃，合金成分分析的取樣、金屬添加劑的加入、熔體的凈化處理、熔體的變質處理等均在此溫度范圍內，因此在生產中需要進行降溫處理。

1.4 鋁液中含有較多的堿金屬鈉。在電解過程中，使用冰晶石（Na2AlF6）、氟化鈉（NaF）等介質，使電解鋁液中存在一定量的鈉。電解鋁液中w（Na）=0.05%～0.10%時，易造成帶坯裂紋、氣泡、夾渣和晶粒粗大等缺陷。

1.5 夾雜多。由于強大的電流產生的磁場作用，電解槽內的鋁液劇烈運動，鋁又重新氧化和碳化，加上電解的熔鹽，使電解鋁液的各種夾雜含量較高。

用電解鋁液配料生產鋁合金扁錠與傳統的全用重熔鋁錠生產鋁合金扁錠相比，電解鋁液直接鑄坯，免去了鋁加工企業將購得的重熔鋁錠重新熔化、精煉和鑄造成扁錠的部分過程，節約了重熔的能耗、重熔金屬過程的燒損、重熔過程的人力、物力和時間消耗；避免了一次重熔和精煉時對環境的污染及使鋁的純度降級，從加工的源頭上，為提高生產高精度、高性能鋁合金加工產品創造了有利條件。用電解鋁液配料生產鋁合金扁錠時，必須對鋁熔體采取更加嚴格的凈化處理工藝，以確保鋁熔體的純潔度。

2 生產中使用固體料的情形

熔化爐必須使用鋁錠有以下情況：

（1）鋁液不足；（2）補料沖淡；（3）洗爐；（4）給高溫電解鋁液降溫，防止熔體過熱以致鋁液吸氣嚴重，降低金屬燒損。

熔體過高的溫度容易發生過熱現象，特別是在使用火焰反射爐加熱時，火焰直接接觸爐料，容易引起氣體侵入熔體，使熔體吸氫增加。同時，溫度越高，金屬與爐氣、爐襯等相互作用的反應也進行得越快，造成金屬的氧化燒損增大及熔體質量的降低。過熱鋁液不僅容易大量吸收氣體，而且易使非自發晶核活性衰減或消失，從而增大鑄錠裂紋、粗晶核羽毛晶的傾向。在凝固后鑄錠的晶粒組織粗大，增加鑄錠裂紋的傾向性，影響合金性能。因此，在熔煉操作時，應控制好熔煉溫度，嚴防熔體過熱。實際生產中，為保證合金鑄錠的冶金質量，降低熔體吸氣和合金燒損，防止鑄錠產生粗晶和鑄造裂紋，熔煉爐爐膛溫度控制在1050℃以下；控制熔體溫度為730℃～760℃。圖1為熔體過熱溫度與晶粒度、裂紋傾向之間的關系。

本文僅對第四種情況進行探討，搞清使用電解鋁液熔鑄扁錠需要加多少鋁錠等固體料，以指導生產。這需要對熔化爐進行初步的熱平衡計算。

3以5052鋁合金為例的配料平衡及熱平衡計算

5052鋁合金由于具有優良的成形性能、抗蝕性、可焊性、疲勞強度，常被用作裝飾面板材料。隨著機械、汽車等相關行業的發展，5052鋁合金板材的需求量越來越大。

3.1 初始條件

假設條件：以天然氣熔化爐熔煉100t5052鋁合金為例作物料平衡及熱平衡計算。5052合金化學成分見表1，其熔煉參數見表2。

環境條件：氣溫為25℃。

電解鋁液：化學成分穩定且符合要求，詳見表3；氣體及雜質含量盡量低。鋁液入爐溫度采用830℃和950℃分別計算。

鋁錠和鎂錠：化學成分和幾何尺寸符合國家或行業標準要求；表面清潔；無氣孔夾雜；無腐蝕。選用Al99.70鋁錠作為補加原料，其化學成分見表3。

中間合金：熔點低，最好接近于產品合金的熔煉溫度；含有適量多的難熔元素；化學成分均勻；氣體、非金屬夾雜物含量盡可能低；易于破碎，便于配料。

3.2 配料計算

鑄錠的任何缺陷都遺傳到后續加工的鋁合金材料中，并無法消除，因此鋁合金鑄錠的質量與加工材的品質密切相關。而配料是熔鑄生產的第一道工序，正確地配料是企業實現用低的成本生產高品質鑄錠的基礎。配料計算是根據合金、制品類別，確定合適的化學成分，并根據合金鑄錠規格和制品使用性能，考慮企業的實際熔鑄生產條件、合金元素的實收率、燒損率等等因素后，確定出合金化學成分的配料值（計算成分）、爐料組成和配料比，計算出每爐的各種爐料的重量，進行備料、過秤稱量，準備裝爐熔煉。正確的配料可實現鋁合金熔煉爐前一次取樣分析成分合格，然后就可進行攪拌、扒渣、熔體倒爐等。

如果爐前一次取樣分析成分不合格，則需要進行補料或沖淡計算（約5min）→補料或沖淡備料過程（約4min）→裝爐（約3min）→升溫熔化（約25min）→攪拌、二次取樣分析（約21min）。多次爐前取樣分析、補料或沖淡，不僅增加了熔煉時間，降低了生產效率，增加了能耗、金屬燒損和分析檢驗費用，而且熔煉時間延長會增加熔體氧化和吸氫、鑄錠晶粒粗化，降低鑄錠和最終加工材料的品質。在鋁合金實際熔鑄生產中，爐前一次取樣分析成分合格的熔次，在一般企業中為10%左右；要進行補料或沖淡、二次和三次取樣分析成分才合格的為80%左右；要進行四次取樣分析成分才合格的為10%左右。

以不同固、液比配料時所需要的各種原料量示于表4。

4 結束語

采用電解鋁液生產鋁合金鑄錠時固體料應適當加入。固體料的作用：（1）降低電解鋁液溫度；（2）改善鑄錠組織；（3）對以電解鋁液為原料的鋁加工廠，加入固體廢料還可降低生產成本。

參考文獻

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