鋁熔體在線精煉凈化設備現狀及發展

楊 璐

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶 401326）

0 前言

提高鋁熔體的純凈度和鑄錠冶金質量一直是鋁加工工作者追求的目標，而鋁熔體除氣凈化裝置則是提高熔體純凈度的設備保證。鋁及其合金在熔煉過程中，鋁熔體中存在的夾雜物、氣體等會影響熔體純凈度，導致鑄錠易產生氣泡、氣孔、夾雜、疏松、裂紋等缺陷，對鑄件性能或鑄錠后續加工產品的強度、塑性、疲勞、抗蝕性、陽極氧化性和外觀品質等均有顯著影響。夾雜物的存在會增加鋁熔體粘度，降低鋁合金的鑄造性能，促使疏松形成。鋁熔體中的夾雜物和氫之間具有相互作用，夾雜物的存在使鋁熔體中的氫難以去除干凈，只有除去鋁熔體中的夾雜物，才能使鋁熔體中的氫含量降至較低水平[1]。“以防為主，以排為輔”、“除氣先除渣”的熔體凈化原則，已成為鋁加工行業的共識。

鋁熔體含氣量與鋁合金原輔材料的潔凈度、合金化學成分、熔體溫度和空氣濕度等密切相關，且高溫鋁熔體的吸氣與排氣是一種動態的競爭平衡。目前，氣泡浮游法和熔體過濾是鋁熔體除氣凈化的主要方式。根據鋁熔體吸氣、排氣的特點，采用熔體在線旋轉噴頭吹氣精煉與在線陶瓷過濾板過濾或高界面能顆粒吸附除渣的復合凈化裝置，是生產高品質鋁合金鑄錠的基本配置。旋轉噴頭吹氣法是用旋轉噴頭從鋁合金熔體底部噴入高純惰性氣體或氣體+熔劑，旋轉噴頭快速轉動可使氣泡均布、彌散，并沿螺旋狀路線上浮至表面，從而達到除去熔體中氫氣的目的。美國聯合碳化物公司的SNIF法、美Hitchcock公司的RID法、法國彼西涅公司的ALPUR法、英Foseco公司的RDU開發的旋轉噴射熔劑法的系列設備、意大利鋁業公司工藝研究部研究開發的ALUDEF等均屬于旋轉噴頭吹氣裝置[2]。

國內的鋁合金熔體在線處理裝置開發起步較晚。據不完全統計，目前，鋁合金爐外在線凈化系統由除氣和過濾兩部分組成：精煉除氣99%由旋轉轉子進行，過濾部分95%以上由CFF泡沫陶瓷過濾板，2%的由氧化鋁球深床過濾或＜1%的由管式過濾進行[3]。東北大學研發出了DGLJ鋁熔體在線處理裝置，大連理工大學研發出了DUT-89在線處理裝置，西南鋁在消化吸收MINT的基礎上，前后研發了SAMRU以及DDF和DFU裝置。國內其它熔體凈化設備生產廠家如深圳的派瑞科（Pyrotek）冶金材料公司、上海鑫業熔鑄設備制造有限公司、福州麥特新高溫材料有限公司等等也分別推出了各具特色的在線除氣設備，但基本都是仿Alpur、SNIF系統設計的旋轉噴頭式除氣裝置。大部分企業在實際生產過程中，除了采用在線除氣設備外，還會同時采用泡沫陶瓷板式過濾器，僅有個別企業采取了在線測渣技術，如中鋁瑞閩。

經過多年的技術改進，這些國產裝置的除氣效果也在逐步提高，但國內石墨轉子和加熱套管的使用壽命較短是個普遍存在的問題。目前，以國內生產2×××系、7×××系等高合金化產品的代表企業西南鋁和東輕公司為例，鑄錠固態氫含量可控制在0.12 μg/g·Al的水平。

1 國外典型在線凈化裝置

鋁合金在線精煉除氣大致可分為氣體吹煉法、真空精煉法及超聲波精煉法等。目前，工業化生產中使用的在線精煉除氣裝置大多為采用氣體吹煉法（浮游法）的箱式旋轉除氣機。其精煉除氣原理是：將惰性氣體吹入鋁液后，形成許多細小的氣泡，氣泡中氫的初壓為零，在氣泡和鋁液的界面上有氫的壓差，使得溶于鋁液中的氫不斷被吸入到氣泡中，這一吸入過程直至氣泡中氫的壓力和鋁液中氫的壓力相等時才會停止。氣泡浮出液面后，氣泡中的氫氣即逸出而進入大氣中。另外，氣泡在從熔體中浮游的過程中，與熔體中的氧化物夾雜相遇，并將其吸附在氣泡的表面上，隨氣泡上浮到熔體表面而被除去[4]。

早期的鋁熔體精煉除氣，一般是在熔煉爐或保溫爐鋁熔體內插入鉆孔的鐵質直管或“T”型管，然后在管內通入惰性氣體、混合氣體、惰性氣體+熔劑等進行精煉除氣。但這種形式的除氣效率較低、易造成熔體二次污染；同時，爐內精煉必須開啟爐門，導致熱量損失大，熔體溫降快，且操作者勞動強度大，嚴重影響了產品質量和工序的連續性。與爐內精煉除氣比較，目前普遍采用的在線精煉除氣具有精煉凈化效率高、熔體污染少、工人勞動強度低等優點，能與目前半連續DC鑄造、連續鑄造相配合，可實現鑄造生產的連續化、自動化。

（1）SNIF熔體凈化裝置。美國聯合碳化物公司研制的SNIF法（即旋轉噴嘴惰性氣體浮游法）設有兩個石墨制的氣體旋轉噴嘴，氣體通過噴嘴的轉子形成細小分散的小氣泡，同時隨著轉子對熔體的攪動，使氣泡均勻地分散到整個熔體中，增加了氣體與液體之間的接觸面積，延長了氣泡在鋁液中的運動距離和停留時間，使氣體體積增加，吸附熔體中的氣體和氧化夾雜物并浮游到熔體表面，從而達到除氣、除雜的凈化效果。這種方法的除氫效率約為單管噴吹法的3倍。單管噴吹處理后熔體的含氫量約為0.2 mL/100 mg·Al，而用SNIF法凈化處理后的熔體含氫量可以達到0.08 mL/100 mg·Al以下。

SNIF旋轉頭在線處理裝置擁有自己的特點，和其它旋轉噴嘴系統不一樣，其轉子和熔體接觸，可以避免表面產生渦流。處理箱的良好隔熱性可保持鋁液凝固最多達1 h之久，保證兩個鑄造批次之間的鋁液凝固時，處理箱的鋁液可以完全放出。該優勢在經常更換合金時表現更為明顯。SNIF的現代化裝備改進了蓋的密封性，減少氧化進入，使鋁液中氫氣含量低于1%，提高了石墨噴嘴和軸承的使用壽命[5]。SNIF及其旋轉噴嘴示意圖分別見圖1和圖2[6]。

圖1 T型SNIF裝置簡圖

圖2 SNIF法的旋轉噴嘴示意圖

SNIF在線精煉除氣處理箱包括凈化室與加熱保溫室兩個內腔，中間用SiC材質的隔板隔開，兩室的底部連通，熔體在凈化室進行除氣除渣后，從隔板下方流入保溫室靜置保溫，保溫室采用U形硅碳棒外套碳化硅保護管浸入熔體對其加熱。箱體外殼由10 mm鋼板制作，內襯采用耐火材料整體澆注而成，在側壁上部設有觀察口、扒渣口，底部設有清渣口。處理箱前后連體為獨立的一個內腔，便于加熱器直接傳導，對處理后的熔體進行潛流輸送。

SNIF的旋轉噴嘴由高純度石墨制成，其結構除考慮應可打散氣泡外，還應利用攪動熔體所產生的離心力使熔體進入噴嘴內與水平噴出的氣體均勻混合，形成氣/液流噴出，增加氣泡與熔體的接觸面積和接觸時間，從而提高除氣凈化效果。石墨轉子的轉速可以通過變頻器調速控制，最高可達400 r/min。石墨轉子規格為? 150～250 mm，葉輪規格為? 250～350 mm，高純抗氧化石墨轉子具有強度高、耐高溫、耐鋁液腐蝕及沖刷等特點。

（2）ALPUR熔體凈化裝置。ALPUR是法國彼西涅工業公司的專利產品，是1981年開發的一種借助旋轉噴嘴產生微小氣泡的爐外熔體連續凈化處理裝置。ALPUR裝置是一臺雙加熱器、雙轉子氣體精煉裝置，在去除鋁熔體中的氣體、夾雜物和堿金屬方面有較高的效率。其設備包括一個除氣容器、一個上蓋吊運系統、一個氣路、轉子和電機驅動系統、加熱器、電氣設備和一個人機界面。

ALPUR在線設備安裝在保溫爐與鑄造機之間的生產線上，具有加熱和處理兩個功能。加熱就是通過安裝在容器蓋的加熱器，在填充熔融鋁之前預熱容器，既可以按操作人員設定的溫度保持鑄次間的金屬溫度，也可以在鑄造過程中提高溫度；處理是將保溫爐出口過來的熔融鋁液中包含的部分雜質（氫、堿性金屬、夾渣）經過ALPUR在線處理后排除掉。該裝置采用的處理工藝是基于氣體浮選原理，轉子注入并均勻分散惰性氣體或惰性氣體與氯氣的混和氣體，形成微小氣泡。氣泡上升通過熔體時將其中的氫吸附到氣泡內，最終浮至表面而被除去；堿金屬通過與氯氣產生化學作用，形成氯化物而被排除；夾渣被氣泡捕獲，較大的夾渣與氣泡碰撞被捕獲，較小的則通過氣泡徑向截面捕獲，然后隨氣泡上升到熔體表面形成渣滓而被去除[7-8]。

（3）LARS熔體凈化裝置。LARS熔體凈化系統是上世紀九十年代中期美國ALMEX公司開發成功的一種新的鋁精煉系統，它也是利用旋轉石墨噴頭使精煉氣體呈細微氣泡分散于熔體中，最終達到去除鋁熔體中的氫氣和氧化物夾雜的目的。與以往的旋轉石墨噴頭精煉系統不同，LARS系統具有巧妙的構思和獨特的結構，除氫、去雜效果更好。除氫率可達75%以上，可除去99%的粒度大于20 μm的夾雜物[9]。而以往的旋轉式石墨噴頭除氣法（如SNIF、ALPUR等）的除氫率不超過70%。

LARS熔體凈化系統由熔化爐、LAPS精煉系統、鋁液過濾系統以及直冷式澆鑄系統等組成。LARS精煉系統取代了以往靜置爐的位置，主要由兩個凈化室、供熱、供氣系統及相關控制裝置組成。

凈化室主要由外殼和旋轉石墨噴頭系統組成。右邊為第一凈化室，左邊為第二凈化室，凈化后的鋁熔體經暗流流入澆包。在LARS系統的后部裝配有40 PPI和50 PPI的泡沫陶瓷過濾器。旋轉石墨噴頭系統除了旋轉用驅動電機控制系統外，石墨頭由石墨外套、轉軸及石墨噴頭等組成。它不同于以往的旋轉石墨噴頭裝置的地方是，轉軸外表上加工有許多螺旋凹槽，與外套形成輸送凈化氣體的螺旋形通道。

LARS系統采用了包括惰性氣體在線預熱、惰性氣體對鋁熔體的摩擦攪拌、防止氣泡聚集等三項獨特的技術，并獲得了專利，能有效地消除鋁熔體內的物理、冶金和化學雜質，達到了凈化鋁熔體的目的。經LARS純凈化系統處理的鋁產品全部能達到超聲波探傷檢測的A級標準的要求，多數情況下還能達到美國Mil-2154 AA級標準的要求。

（4）其它鋁熔體凈化裝置：

①FILD熔體凈化法，也稱無煙在線除氣法，由英國鋁業公司（BACO）與瑞士高奇電爐公司共同研制。其工作原理是將密封帶加熱裝置的方形坩堝用隔板分成上下兩層，隔板中裝有帶凈化劑的氧化鋁小球。熔體通過上隔板時有氮氣和固體粉末熔劑吹入進行氣固雙重凈化，同時，熔體在流過氧化鋁球時也會被過濾。該方法對環境無污染，金屬收得率提高0.2%，降低了熔煉時原材料的燒損。

②RDU熔體凈化。RDU快速除氣裝置是英國FOSECO公司的專利產品，也是由石墨轉子旋轉噴吹出微小氣泡，增加了氣-液混合均勻性，提升了鋁合金熔體的凈化效果。使用介質為95%Ar+5%Cl2，可去除堿土金屬。

③GBF熔體凈化。GBF氣泡流過濾法由日本FOSECO公司研制，采用轉速為700 r/min的特殊旋轉噴嘴，產生出?1～4 mm超細氣泡，用氣量少，相當于其他除氣方法用氣量的30%～50%，只用Ar氣，對環境無污染。凈化室采用SiC-Si3N4材料，不粘鋁，耐腐蝕，使用壽命為2～3年。凈化室配備有阻尼裝置，工作時鋁液液面平穩，渣量小。

④MINT熔體凈化。MINT的全稱是熔體爐外連續在線處理裝置，由美國聯合鋁業公司發明。除氣凈化工作室呈錐形，沒有旋轉部分。錐形工作室底部有若干氣體噴吹小孔，使用少量氯氣，除氣效果良好。

表1示出了幾種典型精煉除氣凈化裝置的技術參數及其凈化效果。

表1 幾種典型精煉除氣凈化裝置的技術參數及效果

2 國內典型在線凈化裝置及發展

在鋁及鋁合金制品中，熔體凈化是保證鋁及鋁合金材料冶金質量的關鍵技術。鋁合金熔體凈化的目的主要是降低熔體中的含氫量和氧化夾雜物的含量。合金中的氫和氧化夾雜物破壞了鋁基體的連續性，會極大地降低合金的力學性能、疲勞性能、斷裂韌性以及抗腐蝕性能等等。

自80年代末以來，我國先后引進了SNIF、Alpur、MINT、FDU等鋁熔體在線凈化設備。這些設備可分為兩類，一類是以SNIF、Alpur為代表的旋轉噴頭式，另一類是以MINT、DMC為代表的固定噴頭式。近10年來的生產實踐表明旋轉噴頭式具有更高的凈化效率[10]。提高鋁合金熔體的純凈度以及提高鋁合金鑄錠的冶金質量，是生產高性能鋁合金加工產品一直追求的目標。為此，國內鋁加工企業、高校和科研院所等單位，結合市場需求和應用實踐，開展了鋁熔體在線精煉除氣凈化的機理研究和設備的設計研制。

（1）DFU鋁熔體凈化裝置。為滿足生產高質量航空鋁材等制品的性能要求，西南鋁在消化吸收MINT的基礎上，先后開發了SAMRU、DDF和DFU裝置。DFU鋁熔體凈化裝置利用分壓差脫氣原理，采用Ar-CCl4相結合的復合氣體旋轉噴頭法對熔體進行精煉處理，同時輔助以泡沫陶瓷板過濾相結合的復合凈化工藝，對鋁熔體進行除氣去渣。同時，采用凈化尾氣作為保護氣體，嚴密封閉熔體表面，防止外部空氣吸入，防止熔體再污染。

DFU鋁熔體凈化裝置主要由除氣過濾箱、升降機構和控制系統組成。除氣單元內由導熱隔板將其分為除氣區和靜置區。內浸式加熱器置于除氣區內，熱效率高；導熱隔板既可對金屬進行導流，又可利用其本身良好的導熱性對靜置區金屬熔體進行保溫。金屬從入口進入除氣區后，自上而下流動時，旋轉噴頭噴出的自下而上呈螺旋狀上浮的氣泡逆向流動，有利于氣液界面的更新，提高了除氣效率。同時，除氣區上部可自動封閉，能有效阻止外界空氣的進入。在DFU凈化裝置的上部和底部同時開設有清渣口，既保證了在每鑄次間歇可打干凈熔體表面浮渣，也可在裝置放干時方便地清理出裝置內的所有殘渣。與之配套的過濾箱具有加熱保溫功能，可在鑄造或非鑄造期間對金屬熔體進行加熱或保溫，而且可在鑄造前直接用電加熱系統對過濾板進行預熱[11]。DUF凈化裝置除氣能力強，除氣效率高，操作簡單，維護方便，減輕了勞動強度，降低了生產成本。

（2）除氣過濾復合凈化裝置。這種復合凈化裝置采用旋轉石墨噴頭精煉除氣和泡沫陶瓷板過濾共同凈化鋁熔體，最終達到除去熔體中的氫氣與氧化物夾雜的目的。

除氣凈化箱體包括除氣腔和過濾腔兩部分。除氣腔內設有噴吹惰性氣體的石墨轉軸轉子，其為無級調速，正常運行速度200～500 r/min。石墨轉軸由箱體外液壓裝置提升，可自由旋轉180°，方便檢修。除氣腔有合理的清渣孔和放流孔。過濾箱設置有雙級泡沫陶瓷過濾板作為過濾介質，其下留有放流口。箱體依靠均勻分布于蓋體的多根硅碳棒進行輻射補償加熱，除氣凈化箱體結構簡圖見圖3[12]。

圖3 除氣凈化箱體結構簡圖

除氣凈化箱體結構具有如下特點：①箱體內腔可以確保鋁液的流經路線如下：鋁液進口-鋁液面與石墨轉軸相交處-石墨轉子-鋁液出口。鋁液與氣泡接觸面積大、接觸時間長才會取得良好的凈化效果；②為保證箱體在凈化運行過程中始終保持微正壓狀態，同時避免外界空氣和水汽進入箱體，進鋁口、出鋁口設計為斜坡狀，使箱體內側口上沿等高或略低于外側口下沿，鋁液在除氣箱內總是處于密封狀態，減少與外界空氣的接觸，避免再次與水汽反應；③除氣腔和過濾腔工作容積合理，其余鋁液通道保持最小體積，盡量減少不同鑄次間鋁液放流量；④箱內腔體結構合理，澆注料施工的模板組合拆裝方便。

（3）FAPR技術凈化裝置。福建麥特新鋁業科技有限公司開發的爐內旋轉噴粉攪拌一體機，將熔劑加入、惰性氣體通入與合金化攪拌集于一體，由一臺機器的機械動作一次性完成。此裝置使勞動條件大為改觀，操作時間顯著縮短，生產效率提高。該爐內旋轉噴粉攪拌一體機已于2009年3月11日取得中國專利，專利號ZL2008 20102067.6。

這種新型凈化裝置結構簡單、方便易用，具有噴粉攪拌雙功能，且在爐內工作不受自由度限制。特殊的泵吸攪拌頭促使熔體在鋁液面下強制對流，并從其中心噴出少量熔劑，充分攪拌鋁熔體，使合金化學成分和熔體溫度迅速均勻。該裝置實現了爐內除氣除渣高功效、熔體凈化速度快的目標，是目前爐內凈化效果最理想的工藝裝備[13]。

該設備可設計成爐壁側掛式和移動式，在用于電解鋁液去除堿金屬時可設計成垂直升降式，具有噴射攪拌效率高、熔劑與金屬直接高濃度配比的特點，可高效率消除轉鋁包中的鈉含量，解決長期困擾電解鋁液純凈度低下的難題。

（4）其它鋁熔體凈化裝置：

①爐底透氣磚技術。爐底透氣磚熔體凈化技術可以避免熔劑凈化污染，使鋁合金熔煉達到真正的綠色要求。采用透氣磚吹入彌散的惰性氣體，可在爐氣和鋁液界面上形成富集惰性氣氛的界面阻擋層，阻止鋁熔體的氧化和吸氣，減少鋁的燒損。同時，惰性氣體的吹入增加了鋁熔體的傳質和傳熱，提高了熔化效率，實現了合金化攪拌效果。吹入的惰性氣體在向上漂浮的過程中，可吸附帶出懸浮在鋁熔體中的雜質，同時也將爐底和熔體中大的夾雜物帶出，減少了爐床和爐角結渣，從而既提高了熔體的潔凈度又保證了爐床的清潔。

透氣磚由透氣磚芯（透氣工作磚、透氣安全磚、透氣室、氣體密封罩）、座磚、引氣管、外殼等組成。選用不粘鋁性最強的非氧化物、燒結微孔陶瓷芯體來生產復合型透氣磚，通過脈沖吹氣獲得彌散小氣泡床，減少出現“合泡”弊端。透氣磚安裝在熔爐內，并設計成梅花樁分布模式，這樣分布的優勢在于：（a）采用氣體造浪式攪拌，增強水平傳質運動，促使溶質組元擴散運動；（b）存在逆向重力場的傳質運動，克服比重引起的化學成分偏析；（c）存在逆向溫度場傳質運動，可解決上下層溫差以及由溫度場引起的化學成分偏析，促使合金熔體成分和溫度均勻，有效解決熔體均勻性問題[13]。

②鋁熔體復合凈化技術。鋁熔體復合凈化系統由導流裝置、過濾凈化裝置、氣體介質凈化裝置、凈化室、放流裝置和爐體支撐裝置等構成。復合凈化系統可應用于鋁的再生與回收，可完全去除尺寸10 μm以上的非金屬夾雜，將鋁合金中的氫含量降到0.08 mL/100 g·Al以下。

③超聲波處理。超聲波處理是一種新型的凈化方法，其原理是：向鋁熔體中通入彈性波時，液體分子受到周期性交變聲場的作用，許多的顯微“空穴”在鋁熔體內部產生，這些空穴不斷吸納鋁熔體中的氫氣，使其變成氣泡的核心并且接連成長為氫氣泡，從鋁液表面逸出，這樣就達到了凈化鋁液的目的。采用超聲波凈化處理不但可以除氣去雜，還可以振碎枝晶，使之成為結晶核心，提高過冷鋁合金液體中的形核率，從而細化晶粒。

④真空除氣凈化。真空除氣法分為靜態真空凈化處理和動態真空凈化處理，它是將鋁液置于密閉的真空室內，利用真空中鋁熔體的吸氣傾向趨于零、氫具有很強烈的析出傾向的原理，在一定的溫度下靜置，使鋁熔體中的氣體和非金屬夾雜物析出，上浮至鋁液表面而除去。真空除氣法的優點：（a）不會污染合金液；（b）可以在變質后進行凈化而不會破壞鈉的變質作用；（c）避免變質過程中的二次吸氯、氧化；（d）針孔率顯著下降，機械性能顯著提高等。

從凈化效果以及環保的角度看，真空精煉法是一種很有前景的凈化方法。然而，真空除氣法也有一些缺點：（a）熔體溫度會下降，不易滿足澆注溫度的要求；（b）鋁液深度過大時，除氣效果降低；（c）需要一套密封設備，價格昂貴；（d）熔煉、澆注和維修技術高，而且生產效率低。因此，在工業生產中未能得到廣泛應用。

⑤電磁凈化。電磁凈化工藝是通過夾雜物與鋁熔體的導電率之差來把夾雜物分離去除的一種新穎熔體凈化工藝。電磁力對導電能力較差或者是不導電的非金屬氧化夾雜物的影響非常小，只對金屬液體產生作用，這樣在鋁熔體中就產生了一個壓力梯度。這種壓力梯度對氧化夾雜物產生作用，使其向著與金屬液受力方向相反的方向運動。電磁凈化工藝正是基于這個原理達到了去除氧化夾雜的功效。根據電磁場產生的方式不同，有行波磁場、交變磁場、交流磁場、旋轉磁場和電磁攪拌、直流電場正交穩恒磁場、高頻磁場以及超強磁場等，這使得電磁凈化的方法變得很多。電磁凈化工藝尚在進行探索的試驗階段，還未能用于工業生產。

3 結束語

總體上國內外熔體凈化工藝包括爐內凈化和爐外凈化，而根據凈化作用機理不同分為吸附凈化、非吸附凈化和過濾凈化。隨著技術的發展，將除氣和除渣凈化工藝分開，除氣時不除渣、除渣時不除氣的傳統工藝已不能滿足高精尖航空航天、軍工工業發展的要求。而將除氣和除渣相互結合，在除氣的同時兼顧除渣，達到更好的凈化效果則成為主要的發展趨勢。

國內鋁合金熔體凈化的發展方向是立足于自主創新，發展具有自主知識產權的高效鋁合金熔體凈化技術和與之配套的凈化設備設施；在鋁合金冶金質量控制方面，加強高性能鋁合金材料的基礎研究和投入，形成先進的成套制備技術，包括鋁合金熔體凈化技術，滿足和支撐國內航空市場和民用市場的需求，提升鋁材產品質量，實現高性能鋁材高質量快速發展。