柯东杰^[1]    路贵民^[2]    Richard J.^[3]

 

[1]福州麦特新高温材料有限公司    [2]东北大学    [3]JASCO Research Ltd. Victoria. BC.Canada

 

摘要：分析现行铝合金熔炼存在的环保问题，探讨绿色熔炼途径，研究应用新型炉底透气砖技术，探讨绿色熔炼铝合金的机理、生产实践和经济分析，旨于推动铝合金绿色熔炼技术的发展。

 

关键词：铝合金  熔炼  环保   透气砖

 

 

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

 

近年来中国铝加工业迅猛发展，铝材制品在国民经济应用领域更加广泛，我国现有原铝产量已居世界第一位，然而，随着共有一个地球的环保意识的提高，对铝合金熔炼过程中所存在的污染问题，提出更高的要求，对此引起了铝冶金工作者的重视。因此，探讨发展铝合金绿色熔炼技术具有紧迫性和时代感。

众所周知，铝熔体在高温下,不但要和炉气相接触产生吸气及氧化等问题,而且不可避免地同炉衬材料相接触并发生物理化学反应,使熔体遭受杂质的污染,溶解有气体和非金属夹杂物粒子，这就是造成铸锭气孔，疏松、夹杂等具有遗传性的冶金缺隙的主要根源。所以在金属熔炼过程中，设法防止和排除金属中的气相和非金属夹杂，是铝合金熔炼中净化处理的重要目标。

目前铝合金精炼技术主要以炉内熔剂喷射精炼和炉外泡沫陶瓷过滤为主。铝熔体熔剂净化过程产生含Cl、F等有害的白色烟尘，对大气、人体和设备都存在着严重危害。尤其是熔剂精炼产生的含Cl.F等有害炉渣，对环境的污染更加严重，雨淋后可造成周围的作物和花、草、树木枯死，污染空气与水资源。据不完全统计，铝合金熔剂全国每年销售量在3万吨/年以上，废弃渣达60万吨/年以上，其对环境的危害不容忽视。尽管熔剂净化处理曾经发展过无毒熔剂，其组成主要由硝酸盐等氧化剂和碳组成，在高温下发产化学反应生成N₂、CO₂气体起一定的精炼作用，但由于对铝熔体又造成二次污染，无法达到净化指标而停滞，且增加废弃的炉渣量。

 因此，探讨铝合金绿色熔炼的技术途径，解决熔炼过程中的环保问题具有十分重要意义。

本文主要介绍无Cl.F污染源的铝熔体透气砖精炼净化技术和工艺装备、实际应用效果、社会经济效益分析，以期推动铝合金绿色熔炼技术的发展。

 

选用碳化硅与氮化硅烧结体作为基体，添加适当的添加剂，研制透气砖。透气砖平均孔隙直径小于1μm，孔隙率大于35%，以保证透气性良好且铝合金液不能进入透气砖内。

将一定比例的SiC、添加剂、气孔剂混合，球磨，保压成型， 充分干燥后在100吨压力氮化炉内焙烧，随炉冷却后转入常规氮化炉二次烧结获得透气芯。由透气芯、集气室 、底座砖、集气管、刚玉保护壳组成透气塞。

通过水模似试验研究流体在透气塞内的动力学特性，优化透气塞的结构。首先，设计制造了1000×2000的水模似池进行模似搅拌试验。采用红色细塑料米作为假设熔质颗粒，应用PLC控制各个透气塞的进气压力和流量变化来进行造浪混合，再用520万像素数码连续快速拍摄，进行计算机成像状态分析，寻找最佳的造浪工艺参数。通过模拟图象分析，证实可获得良好的搅拌均匀效果。脉冲产生的小气泡细小而弥散，对铝熔体中及吸附弥散在熔体中的杂质相的捕捉几率更高，能显著提高净化效果。

 

根据水模拟试验结果，熔铝炉床上透气砖采用“梅花桩”布置，每个透气砖底部均有三个进气孔，分别供给三个不同压力、流量的惰性气体：基气，保证少量连续供气背压，防止脉冲供气间隔瞬间，可能引起的瞬时负压。也防止停炉时灰份堵塞透气眼；净化气，即在基气保持稳定的前提下，脉冲式供给惰性气体，产生微小气泡，实现小气泡浮选净化为目的；合金化气，即大流量，大压力分组供气来实现

 

 

 

 

 

 

造浪搅拌，并分组变换大脉冲造浪位置，完成均匀搅拌的合金化操作模式。为了实现以上目标值，我们采用PLC并由触摸屏摸拟显示监控，在铝合金熔炼过程中，首先执行的是提高熔化率等传质过程的合金化造浪搅拌程序，然后才执行脉冲供气来制造小气泡浮选净化程序。该净化过程中间隔伴随几次造浪搅拌，来消除可能存在的死角。并在实际使用中采取相应措施，如透气砖与炉床底砖间的填充次采用低膨胀捣注料，严格捣注工艺，以防止砖缝渗铝；生产中确保基气（≥0.1kg/cm²）的长期供给，以防铝液热量完全传导致透气塞底部联接的不锈钢管，引起钢管受热膨胀可能对管接口造成损坏，影响透气砖的正常运行；基气的供给不受控制柜的电器控制，确保停电时背压供气，即连续不断供气；停炉过程中也要确保持基气的供给等等。实践表明，SiC-SiN质透气砖，确保了只透气不渗铝的功能。

 

 

从国内外铝熔炉采用的透气砖技术的不完全统计数据如下：

1、铝合金熔炼实现无Cl.F污染物的废气、废渣排放，同时熔炼过程的造渣量比现行方式降低了30%以上。

2、透气砖的造浪搅拌技术，可节约电磁搅拌或永磁搅拌设备的大量投资和日常运行费用，节约能源，降低综合燃料1-5%，提高熔化率18%以上。

3、在铝液与炉气间形成－惰性气体阻挡层，减少铝液的氧化和吸气，金属铝损耗比现行下降50%，铝熔体中[H]含量下降30%以上，即[H]含量0.32-0.25 ml/100gAl，基本上达到炉内熔剂喷射精炼的净化技术水平。

 

 

铝合金熔炼的经济技术分析

熔炼技术	熔化率	炉气	炉 渣	净化方式	燃 料 量	纯净度	增加投资	合金化 程  度	成  份 均匀性	其它消耗	金 属 损 耗
普通	一般	含Cl.F 有害	一 般	喷粉熔剂	一般	0.25-0.30	无	差	差	劳动强度最大	高
电磁	↑20%	含Cl.F 有害	↓	喷粉熔剂	↓	0.25-0.30	＞30万元	好	好	大量电耗，维护费	中
永磁	↑	含Cl.F 有害	↓	喷粉熔剂	↓	0.25-0.30	＞40万元	好	好	电机、风机拖动电耗	中
透气砖	↑18%	无毒 无害 无Cl.F	↓30%	纯惰性气体	↓1-5%	0.25-0.30	＜20万元	好	好	12V低压控制 回路的电耗	最低

 

众所周知，金属铝是活泼元素，在熔炼中易造成吸氢和氧化，采用透气砖吹入弥散的惰性气体，在炉气和铝液界面上形成惰性气氛的界面阻挡层，阻止铝液的氧化和吸气，减少铝的烧损。同时惰性气体的吹入增加金属熔体的传质和传热，提高了熔化效率。

应用先进的控制系统，实时控制每组透气砖的供气量、供气压力，制造沸腾大脉冲的造浪技术，促使铝液三维对流传质，进行有规律的、有序的对流、湍流的搅拌过程，气体始终是从底部向上运动，将炉底和熔体中大的夹杂物带出铝液面，减少了炉床和炉角结渣，保持了炉子容积和炉床的相对清洁。

透气砖净化技术是完善和发展了炉内气泡浮选净化技术，实现无Cl.F污染净化。弥散式透气砖微孔吹气可使起净化作用的气泡细小、弥散，比通过喷粉管吹气产生的气泡小。相同体积的惰性气体，气泡愈小，弥散性愈好，气一液接触作用面愈大，净化效果愈好。前人在水模似条件下，应用激光测气泡频率的方法，开展了吹惰性气体精炼动力学的研究。研究结果表明:透气砖的开孔数愈多，气泡频率愈高，并随供气流量的增大，气泡总量增加，除气效果显著。

 

 

 

 

但增加到临界气流量后，再增加流量，气泡总数不变甚至减少，说明此时发生合泡现象，这正是长期以来炉内纯惰性气体喷吹除气效率不高的主要原因。

SiC-SiN非润湿透气砖气孔上气泡的生长模式如图1。

 

(a)(b)第一阶段；（c）过渡阶段；（d）第二阶段；（e）第二阶段结束（气泡开始脱离）

为了减少合泡现象，我们试验了供给一个基本气源，让其在开孔处进入第一阶段（a）或（b）保持基气供给，采取脉冲供气，促使处于过渡阶段的气泡脱离界面进行铝液，减少临近开孔处产生的小气泡造成合泡的趋势。同时也减少上下层小气泡碰撞合泡的倾向，在小脉冲净化过程中，间歇式进行大脉冲搅拌，促进气－液界面的更新，也延长小气泡在铝液中浮游的路程、时间。大大提高小气泡浮选净化深度。再者，由于铝液中的氧化物常常与氢伴随而生，符合杂－气共存理论，因此，炉床透气砖的微小气泡浮选法除氢净化工艺过程中，兼有不同程度的去除非金属夹杂物的作用机制。

小气泡浮游法除去铝液中Al₂O₃夹杂物示意图

根据 动力学原理，小的俘获体能有效地捕获小质点，虽然透气砖产生的气泡直径远大于微米级的非金属夹杂物质点，但是气体脉冲、搅拌、弥散运动，可使小质点聚集，结成大质点，这些固态夹杂物质点与气泡惯性碰撞，在气泡周围接触被浮获，带出铝液面而除去。

 

 

 

 

 

 

（a）与气惯性碰撞     （b）在气泡周围接触

                 气泡吸附与捕捉夹杂物质点模型

周围俘获系数与气泡大小的关系为：E=（1＋2a/r）² -1，当气泡尺寸为1-10mm时，直径大于20μm的质点，均可被除去。所以透气砖脉冲吹出的气泡直径减小，其俘获系数就增大，去渣效果就更好。以上简述了透气砖铝熔体净化的机制，实现了无Cl、F污染源的铝熔炼过程。

 

    作为铝合金绿色熔炼新技术，铝合金熔炼炉床的透气砖技术，具有简便易操作、节能低耗的特点，在精炼净化的同时实现炉内合金化搅拌过程，。

     参考文献：

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6、柯东杰    综述国内铝熔体净化技术[J]   轻合金加工技术  1994（4）

7、柯东杰 黄双溪 陈群 柯艺勤 铝熔体用的新型泡沫陶瓷过滤板 [J] 轻合金加工技术 2005（6）

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