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(xué) [3]JASCO Research Ltd. Victoria. BC.Canada
摘要：分析現(xiàn)行鋁合金熔煉存在的環(huán)保問題，探討綠色熔煉途徑，研究應(yīng)用新型爐底透氣磚技術(shù)，探討綠色熔煉鋁合金的機(jī)理、生產(chǎn)實(shí)踐和經(jīng)濟(jì)分析，旨于推動鋁合金綠色熔煉技術(shù)的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：鋁合金 熔煉 環(huán)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(yè)迅猛發(fā)展，鋁材制品在國民經(jīng)濟(jì)應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，我國現(xiàn)有原鋁產(chǎn)量已居世界第一位，然而，隨著共有一個地球的環(huán)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(fā)展鋁合金綠色熔煉技術(shù)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(chǎn)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(fā)生物理化學(xué)反應(yīng),使熔體遭受雜質(zhì)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(shè)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(biāo)。
目前鋁合金精煉技術(shù)主要以爐內(nèi)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(chǎn)生含Cl、F等有害的白色煙塵，對大氣、人體和設(shè)備都存在著嚴(yán)重危害。尤其是熔劑精煉產(chǎn)生的含Cl.F等有害爐渣，對環(huán)境的污染更加嚴(yán)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(jù)不完全統(tǒng)計，鋁合金熔劑全國每年銷售量在3萬噸/年以上，廢棄渣達(dá)60萬噸/年以上，其對環(huán)境的危害不容忽視。盡管熔劑凈化處理曾經(jīng)發(fā)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(fā)產(chǎn)化學(xué)反應(yīng)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(dá)到凈化指標(biāo)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(shù)途徑，解決熔煉過程中的環(huán)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(shù)和工藝裝備、實(shí)際應(yīng)用效果、社會經(jīng)濟(jì)效益分析，以期推動鋁合金綠色熔煉技術(shù)的發(fā)展。
1、透氣磚材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
選用碳化硅與氮化硅燒結(jié)體作為基體，添加適當(dāng)?shù)奶砑觿?，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(jìn)入透氣磚內(nèi)。
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(nèi)焙燒，隨爐冷卻后轉(zhuǎn)入常規(guī)氮化爐二次燒結(jié)獲得透氣芯。由透氣芯、集氣室 、底座磚、集氣管、剛玉保護(hù)殼組成透氣塞。
通過水模似試驗(yàn)研究流體在透氣塞內(nèi)的動力學(xué)特性，優(yōu)化透氣塞的結(jié)構(gòu)。首先，設(shè)計制造了1000×2000的水模似池進(jìn)行模似攪拌試驗(yàn)。采用紅色細(xì)塑料米作為假設(shè)熔質(zhì)顆粒，應(yīng)用PLC控制各個透氣塞的進(jìn)氣壓力和流量變化來進(jìn)行造浪混合，再用520萬像素數(shù)碼連續(xù)快速拍攝，進(jìn)行計算機(jī)成像狀態(tài)分析，尋找最佳的造浪工藝參數(shù)。通過模擬圖象分析，證實(shí)可獲得良好的攪拌均勻效果。脈沖產(chǎn)生的小氣泡細(xì)小而彌散，對鋁熔體中及吸附彌散在熔體中的雜質(zhì)相的捕捉幾率更高，能顯著提高凈化效果。
2、熔鋁爐內(nèi)應(yīng)用透氣磚的生產(chǎn)實(shí)踐
根據(jù)水模擬試驗(yàn)結(jié)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(jìn)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(xù)供氣背壓，防止脈沖供氣間隔瞬間，可能引起的瞬時負(fù)壓。也防止停爐時灰份堵塞透氣眼；凈化氣，即在基氣保持穩(wěn)定的前提下，脈沖式供給惰性氣體，產(chǎn)生微小氣泡，實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)
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(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)值，我們采用PLC并由觸摸屏摸擬顯示監(jiān)控，在鋁合金熔煉過程中，首先執(zhí)行的是提高熔化率等傳質(zhì)過程的合金化造浪攪拌程序，然后才執(zhí)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(shí)際使用中采取相應(yīng)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(yán)格搗注工藝，以防止磚縫滲鋁；生產(chǎn)中確?；鶜猓ā?.1kg/cm2）的長期供給，以防鋁液熱量完全傳導(dǎo)致透氣塞底部聯(lián)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(yùn)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(xù)不斷供氣；停爐過程中也要確保持基氣的供給等等。實(shí)踐表明，SiC-SiN質(zhì)透氣磚，確保了只透氣不滲鋁的功能。
3．透氣磚應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析
從國內(nèi)外鋁熔爐采用的透氣磚技術(shù)的不完全統(tǒng)計數(shù)據(jù)如下：
1、鋁合金熔煉實(shí)現(xiàn)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(xiàn)行方式降低了30%以上。
2、透氣磚的造浪攪拌技術(shù)，可節(jié)約電磁攪拌或永磁攪拌設(shè)備的大量投資和日常運(yùn)行費(fèi)用，節(jié)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(xiàn)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(dá)到爐內(nèi)熔劑噴射精煉的凈化技術(shù)水平。
鋁合金熔煉的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析
熔煉技術(shù) 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(qiáng)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(hù)費(fèi) 中
永磁 ↑ 含Cl.F
有害 ↓ 噴粉熔劑 ↓ 0.25-0.30 ＞40萬元 好 好 電機(jī)、風(fēng)機(jī)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(jī)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(zhì)和傳熱，提高了熔化效率。
應(yīng)用先進(jìn)的控制系統(tǒng)，實(shí)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(shù)，促使鋁液三維對流傳質(zhì)，進(jìn)行有規(guī)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(yùn)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(jié)渣，保持了爐子容積和爐床的相對清潔。
透氣磚凈化技術(shù)是完善和發(fā)展了爐內(nèi)氣泡浮選凈化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)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(xì)小、彌散，比通過噴粉管吹氣產(chǎn)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(yīng)用激光測氣泡頻率的方法，開展了吹惰性氣體精煉動力學(xué)的研究。研究結(jié)果表明:透氣磚的開孔數(shù)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(shù)不變甚至減少，說明此時發(fā)生合泡現(xiàn)象，這正是長期以來爐內(nèi)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(jié)束（氣泡開始脫離）
為了減少合泡現(xiàn)象，我們試驗(yàn)了供給一個基本氣源，讓其在開孔處進(jìn)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(jìn)行鋁液，減少臨近開孔處產(chǎn)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(jìn)行大脈沖攪拌，促進(jìn)
