柯東杰[1] 路貴民[2] Richard J.[3]
[1]福州麥特新高溫材料有限公司 [2]東北大學 [3]JASCO Research Ltd. Victoria. BC.Canada
摘要：分析現行鋁合金熔煉存在的環保問題，探討綠色熔煉途徑，研究應用新型爐底透氣磚技術，探討綠色熔煉鋁合金的機理、生產實踐和經濟分析，旨于推動鋁合金綠色熔煉技術的發展。
關鍵詞：鋁合金 熔煉 環保 透氣磚
Al & Al-alloy “Green” melt technology
Abstract: In this paper, the authors analyzed actually existed environmental problem in the Al & Al-alloy melting processes, discussed “green” (environmental) melting approaches, and studied application to new technology
of aerated bricks for the furnace bottom. Discussion of the mechanisms of Al & Al-alloy “green” melting, Practice and financial analyses are to develop Al & AL-alloy green melting technology.
Key word: Al & Al-alloy melting environment purging brick
近年來中國鋁加工業迅猛發展，鋁材制品在國民經濟應用領域更加廣泛，我國現有原鋁產量已居世界第一位，然而，隨著共有一個地球的環保意識的提高，對鋁合金熔煉過程中所存在的污染問題，提出更高的要求，對此引起了鋁冶金工作者的重視。因此，探討發展鋁合金綠色熔煉技術具有緊迫性和時代感。
眾所周知，鋁熔體在高溫下,不但要和爐氣相接觸產生吸氣及氧化等問題,而且不可避免地同爐襯材料相接觸并發生物理化學反應,使熔體遭受雜質的污染,溶解有氣體和非金屬夾雜物粒子，這就是造成鑄錠氣孔，疏松、夾雜等具有遺傳性的冶金缺隙的主要根源。所以在金屬熔煉過程中，設法防止和排除金屬中的氣相和非金屬夾雜，是鋁合金熔煉中凈化處理的重要目標。
目前鋁合金精煉技術主要以爐內熔劑噴射精煉和爐外泡沫陶瓷過濾為主。鋁熔體熔劑凈化過程產生含Cl、F等有害的白色煙塵，對大氣、人體和設備都存在著嚴重危害。尤其是熔劑精煉產生的含Cl.F等有害爐渣，對環境的污染更加嚴重，雨淋后可造成周圍的作物和花、草、樹木枯死，污染空氣與水資源。據不完全統計，鋁合金熔劑全國每年銷售量在3萬噸/年以上，廢棄渣達60萬噸/年以上，其對環境的危害不容忽視。盡管熔劑凈化處理曾經發展過無毒熔劑，其組成主要由硝酸鹽等氧化劑和碳組成，在高溫下發產化學反應生成N2、CO2氣體起一定的精煉作用，但由于對鋁熔體又造成二次污染，無法達到凈化指標而停滯，且增加廢棄的爐渣量。
因此，探討鋁合金綠色熔煉的技術途徑，解決熔煉過程中的環保問題具有十分重要意義。
本文主要介紹無Cl.F污染源的鋁熔體透氣磚精煉凈化技術和工藝裝備、實際應用效果、社會經濟效益分析，以期推動鋁合金綠色熔煉技術的發展。
1、透氣磚材質和結構的優化
選用碳化硅與氮化硅燒結體作為基體，添加適當的添加劑，研制透氣磚。透氣磚平均孔隙直徑小于1μm，孔隙率大于35%，以保證透氣性良好且鋁合金液不能進入透氣磚內。
將一定比例的SiC、添加劑、氣孔劑混合，球磨，保壓成型， 充分干燥后在100噸壓力氮化爐內焙燒，隨爐冷卻后轉入常規氮化爐二次燒結獲得透氣芯。由透氣芯、集氣室 、底座磚、集氣管、剛玉保護殼組成透氣塞。
通過水模似試驗研究流體在透氣塞內的動力學特性，優化透氣塞的結構。首先，設計制造了1000×2000的水模似池進行模似攪拌試驗。采用紅色細塑料米作為假設熔質顆粒，應用PLC控制各個透氣塞的進氣壓力和流量變化來進行造浪混合，再用520萬像素數碼連續快速拍攝，進行計算機成像狀態分析，尋找最佳的造浪工藝參數。通過模擬圖象分析，證實可獲得良好的攪拌均勻效果。脈沖產生的小氣泡細小而彌散，對鋁熔體中及吸附彌散在熔體中的雜質相的捕捉幾率更高，能顯著提高凈化效果。
2、熔鋁爐內應用透氣磚的生產實踐
根據水模擬試驗結果，熔鋁爐床上透氣磚采用“梅花樁”布置，每個透氣磚底部均有三個進氣孔，分別供給三個不同壓力、流量的惰性氣體：基氣，保證少量連續供氣背壓，防止脈沖供氣間隔瞬間，可能引起的瞬時負壓。也防止停爐時灰份堵塞透氣眼；凈化氣，即在基氣保持穩定的前提下，脈沖式供給惰性氣體，產生微小氣泡，實現小氣泡浮選凈化為目的；合金化氣，即大流量，大壓力分組供氣來實現
造浪攪拌，并分組變換大脈沖造浪位置，完成均勻攪拌的合金化操作模式。為了實現以上目標值，我們采用PLC并由觸摸屏摸擬顯示監控，在鋁合金熔煉過程中，首先執行的是提高熔化率等傳質過程的合金化造浪攪拌程序，然后才執行脈沖供氣來制造小氣泡浮選凈化程序。該凈化過程中間隔伴隨幾次造浪攪拌，來消除可能存在的死角。并在實際使用中采取相應措施，如透氣磚與爐床底磚間的填充次采用低膨脹搗注料，嚴格搗注工藝，以防止磚縫滲鋁；生產中確保基氣（≥0.1kg/cm2）的長期供給，以防鋁液熱量完全傳導致透氣塞底部聯接的不銹鋼管，引起鋼管受熱膨脹可能對管接口造成損壞，影響透氣磚的正常運行；基氣的供給不受控制柜的電器控制，確保停電時背壓供氣，即連續不斷供氣；停爐過程中也要確保持基氣的供給等等。實踐表明，SiC-SiN質透氣磚，確保了只透氣不滲鋁的功能。
3．透氣磚應用的經濟性分析
從國內外鋁熔爐采用的透氣磚技術的不完全統計數據如下：
1、鋁合金熔煉實現無Cl.F污染物的廢氣、廢渣排放，同時熔煉過程的造渣量比現行方式降低了30%以上。
2、透氣磚的造浪攪拌技術，可節約電磁攪拌或永磁攪拌設備的大量投資和日常運行費用，節約能源，降低綜合燃料1-5%，提高熔化率18%以上。
3、在鋁液與爐氣間形成－惰性氣體阻擋層，減少鋁液的氧化和吸氣，金屬鋁損耗比現行下降50%，鋁熔體中[H]含量下降30%以上，即[H]含量0.32-0.25 ml/100gAl，基本上達到爐內熔劑噴射精煉的凈化技術水平。
鋁合金熔煉的經濟技術分析
熔煉技術 熔化率 爐氣 爐渣 凈化方式 燃料量 純凈度 增加投資 合金化
程 度 成 份
均勻性 其它消耗 金屬損耗
普通 一般 含Cl.F
有害 一般 噴粉熔劑 一般 0.25-0.30 無 差 差 勞動強度最大 高
電磁 ↑20% 含Cl.F
有害 ↓ 噴粉熔劑 ↓ 0.25-0.30 ＞30萬元 好 好 大量電耗，維護費 中
永磁 ↑ 含Cl.F
有害 ↓ 噴粉熔劑 ↓ 0.25-0.30 ＞40萬元 好 好 電機、風機拖動電耗 中
透氣磚 ↑18% 無毒
無害
無Cl.F ↓30% 純惰性氣體 ↓1-5% 0.25-0.30 ＜20萬元 好 好 12V低壓控制
回路的電耗 最低
4.透氣磚熔煉凈化機理分析
眾所周知，金屬鋁是活潑元素，在熔煉中易造成吸氫和氧化，采用透氣磚吹入彌散的惰性氣體，在爐氣和鋁液界面上形成惰性氣氛的界面阻擋層，阻止鋁液的氧化和吸氣，減少鋁的燒損。同時惰性氣體的吹入增加金屬熔體的傳質和傳熱，提高了熔化效率。
應用先進的控制系統，實時控制每組透氣磚的供氣量、供氣壓力，制造沸騰大脈沖的造浪技術，促使鋁液三維對流傳質，進行有規律的、有序的對流、湍流的攪拌過程，氣體始終是從底部向上運動，將爐底和熔體中大的夾雜物帶出鋁液面，減少了爐床和爐角結渣，保持了爐子容積和爐床的相對清潔。
透氣磚凈化技術是完善和發展了爐內氣泡浮選凈化技術，實現無Cl.F污染凈化。彌散式透氣磚微孔吹氣可使起凈化作用的氣泡細小、彌散，比通過噴粉管吹氣產生的氣泡小。相同體積的惰性氣體，氣泡愈小，彌散性愈好，氣一液接觸作用面愈大，凈化效果愈好。前人在水模似條件下，應用激光測氣泡頻率的方法，開展了吹惰性氣體精煉動力學的研究。研究結果表明:透氣磚的開孔數愈多，氣泡頻率愈高，并隨供氣流量的增大，氣泡總量增加，除氣效果顯著。
但增加到臨界氣流量后，再增加流量，氣泡總數不變甚至減少，說明此時發生合泡現象，這正是長期以來爐內純惰性氣體噴吹除氣效率不高的主要原因。
SiC-SiN非潤濕透氣磚氣孔上氣泡的生長模式如圖1。
(a)(b)第一階段；（c）過渡階段；（d）第二階段；（e）第二階段結束（氣泡開始脫離）
為了減少合泡現象，我們試驗了供給一個基本氣源，讓其在開孔處進入第一階段（a）或（b）保持基氣供給，采取脈沖供氣，促使處于過渡階段的氣泡脫離界面進行鋁液，減少臨近開孔處產生的小氣泡造成合泡的趨勢。同時也減少上下層小氣泡碰撞合泡的傾向，在小脈沖凈化過程中，間歇式進行大脈沖攪拌，促進