简析铸轧双零箔坯料生产时电解铝液的应用

曾 虎，邓 涛

(洛阳万基铝加工有限公司，河南 洛阳 471800)

随着铝箔下游企业对铝箔质量要求的提高，铝箔生产企业对铝箔坯料的质量要求也越来越高。基于各厂家不断降低生产成本的需求，使用铸轧料生产双零箔已经成为铝箔厂的不二选择。使用铸轧坯料避免了热轧坯料加工过程中的铣面、预热和热轧工序，缩短了工艺流程，减少了这些工序可能因操作不当给铝箔工序带来的不利因素和缺陷。在铸轧熔炼工序加入电解铝液，省去了铝锭的铸造和重融，降低了重熔和铸造的能耗，减少了铝的烧损，对企业的盈利影响较大。虽然直接使用电解铝液有一些难度，但随着铸轧装备性能的不断提升和操作工艺的持续完善，使用部分电解铝液的铸轧坯料完全可以满足双零箔的生产要求。

1 铝箔坯料质量的要求

(1)铸轧的熔体质量

铸轧的熔体质量主要指熔体金属纯洁度，熔体含渣、含气量和合金成分，要求进入前箱的熔体氢含量必须控制在0.10ml/100gAl以下。因铝液中渣和气存在相互寄生的机制，所以，只要能把氢含量控制在要求范围，渣的含量也会相应减少；合金成分要均匀且控制在中限最佳。

(2)坯料的表面质量

坯料表面质量直接影响到铝箔的表面质量。要求坯料表面要洁净、平整、无腐蚀，表面不允许有热带、气道、油斑、孔洞、粘辊、横波、纵向条纹、裂纹、腐蚀、擦划伤、黑点、金属和非金属压入物等影响使用的缺陷。

(3)内部组织

要求铸轧板晶粒度一级，细小、均匀的晶粒直接影响加工制品的组织和性能。

2 电解铝液的特点及对后续箔轧的影响

(1)电解铝液省去了铝锭的铸造和重熔工序，节约能源，提高了生产效率，降低了烧损。在生产实践中，铝锭等固态厚料的烧损在2%～4%，电解铝液的烧损在1%～2%，主要是氧化物和杂质。

(2)铝液温度高，非自发晶核少，结晶时形核率低。经对轧制后样板显微组织研究表明，铸轧带坯的粗大晶粒有孪晶特性，表面部分为片状结构，片状组织下层至中心线部分为羽毛状结晶组织，这种孪生组织具有很强的方向性，轧制中很难破碎，直接影响铝箔产品的力学性能和表面质量。

(3)铝液中氧化夹杂物多，渣含量大。电解原铝中夹渣物含量一般在1 %～2% ，经检测分析，电解原铝中所含的夹渣物主要组成(质量分数，%) 为，Al2O391.00，Na3AlF61.38，CaF21.55，MgF22.08，SiO21.08，Fe2O31.00。这些均是有害杂质，不仅影响铝箔的性能，在箔轧过程中容易造成开裂或断带。

(4)含氢量高。电解铝液中的气体杂质主要是氢(约占70%～90%)和少量的一氧化碳、二氧化碳和氮等[1]。经现场检测，电解铝液的含氢量均在0.30ml/(100gAl)以上，除气不彻底时，铸轧板凝固时析出的氢气在铸嘴前沿集聚，在铸轧板轧制时不停的带出形成气道，轻微时微孔压合，在板面形成发白的条纹，严重时直接开裂，形成沟状条纹。用这样的铸轧板会导致大量的针孔废品和铝箔断带或开裂，不能保证铝箔生产，这是生产中需控制的关键环节。

(5)含钠量高。在用电解冰晶石-氧化铝溶液生产铝的过程中，由于使用了冰晶石(Na2AlF6)、氟化钠(NaF)等介质，导致电解铝液中含有一定量被电解析出和置换出的钠。电解铝液中的钠含量达0.05%～0.1%时，除钠不彻底，不仅降低铝箔的力学性能，还容易造成裂纹、气泡、夹渣和晶粒粗大等缺陷[2]。

3 生产工艺

铸轧生产工艺流程为，熔炼炉加入适当比例的冷料→加入适当比例的电解铝液→熔化、取样、成份调整→除渣、除气→保温炉→除渣、除气→在线除气过滤系统再次除气、除渣→铸机轧制→成品。

3.1 原料配比

(1) 由于电解铝液经抬包转运至铸轧熔炼炉时，温度在850℃左右，高于铸轧工艺要求的熔体温度，因此需加入一定量的铝锭和废料进行降温。先加入冷材，再进电解铝液，这样可以保证操作安全，又可使冷料尽快熔化而使铝液降温。

(2) 电解铝液属过热金属，形核率低。晶核的形成有均质形核和异质形核。均质形核是晶核在液态金属的某些微小体积中直接产生的，异质形核是晶核在液体金属中依附于某些杂质表面形成的。实际生产中，液态金属结晶时主要是异质形核。

(3) 金属液态过热对于异质形核有很大影响。当过热度较大时，有些质点的表白状态改变了，如质点内微裂纹及小孔减少，凹曲面变为平面，吸附金属熔化等，使质点呈“不激活”状态，因此使异质形核的核心减少，结晶后形成粗大晶粒。当过热度很大时，形成质点熔化或呈完全“不激活化”状态[3]。

(4) 根据以上理论，因电解铝液温度高，形核率极低，直接生产的铸轧板会严重影响铝箔的表面质量和力学性能，所以电解铝液要按一定比例加入。铝液加入过多，影响铸轧板的晶粒度，最终影响双零箔的力学性能；加入过少，不利于节能降耗。根据我厂生产实践，铝锭、废料、电解铝液加入比例为5∶1∶4，效果最好。

3.2 合金化

(1) 双零箔坯料生产中，铁和硅对合金的性能有明显影响。当铁含量和硅含量比例不当时，会引起铸轧板产生裂纹。提高铁含量，铁含量大于硅含量即可缩小结晶温度范围，减小铸轧板裂纹倾向。所以，通常控制铸轧板的Fe(wt.%)∶Si(wt.%) ≥2～3 较好[4]。同时硅含量尽可能控制低一些(对铁、硅范围有要求的除外)，这样有利于铝箔坯料的后续压延加工。

(2) 熔炼温度达到生产要求时，先进行均匀搅拌、扒渣后，温度合适时调配成分，炉底取样时，温度最好控制在730℃～740℃。合金剂添加时温度过低，影响金属吸收，温度过高，合金剂损失大；并要给于充分的熔化时间，一般合金剂投入后闷火15min→搅拌5min→二次闷火20min→搅拌8min→静置15min→测温调温达到标准温度，之后取样分析。

3.3 铝溶体的净化(除气、除渣)

由于电解铝液中氧化夹杂物多，渣含量大，需重点对电解铝液进行净化处理，净化包括炉内、炉外精炼和在线除气、过滤系统对熔体的净化。铝熔体中夹渣物处理不净，不仅造成气孔、引起脆化，而且会加速腐蚀，在铝箔轧制时造成断带，引起针孔超标，是影响铝箔合格率的主要因素之一。

3.3.1 炉外精炼

往炉子注电解铝液前，先在抬包中加入溶剂进行初次炉外精炼，且要选择干净干燥的原材料和工器具。

3.3.2 喷粉精炼和CCL4精炼

(1) 铸轧生产厂家大多使用高纯度氩气或氮气作为精炼的载体，通过吹入溶剂到熔体中，进行精炼，达到净化熔体的作用。因惰性气体不溶于铝，当均匀细小的惰性气体气泡吹入溶体时，溶体中氢受到的压力大于气泡内压力，使金属中的氢不断扩散到惰性气体气泡中，直到压差为零达到平衡为止。气泡在上浮过程中除去一部分溶体中的氢，由于气泡表面张力作用，溶体中悬浮的杂质会吸附于气泡表面，气泡上浮过程中也带走一部分渣，所以，吹入溶体中的气泡越多越好，越密越好。

(2) 喷粉精炼的粉主要是熔剂，熔剂主要是氯化盐、氟化盐、碳酸盐，通过盐类的吸附、溶解和化学反应及反应所产生的可以挥发的物质气泡的吸附作用，达到除渣除气的目的。根据我厂生产实践，精炼时采用"N+Z"方法，精炼时间控制在15min～20min，溶剂使用量2kg/tAl，最好使用喷粉精炼机，可使喷粉均匀，效果明显。

(3) 氯盐与铝及铝合金熔体反应：

3MeCl2+ 2Al = 2AlCl3↑+ 3Me

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(1)

3C2Cl6+ 2Al = 2AlCl3↑+ 3C2Cl4↑

(2)

3C2Cl4+ 2Al = 2AlCl3↑+ 6C + 3Cl2↑

(3)

2Al +MeNO3= Al2O3+Me + 1P2N2

(4)

反应产生的氯气又与氢、铝、氧化铝进一步反应，从而达到除渣、除气的目的。

Cl2+ H2= 2HCl ↑

(5)

6Cl2+ 2Al2O3= 4AlCl3↑+ 3O2↑

(6)

(4) 仅使用喷粉精炼除渣、除气的效果是有限的，根据喷粉精炼后测氢，其含氢量只能降到0.2 ml/100gA1左右的水平，不能满足铝箔坯料的要求。还要通过在炉中进行四氯化碳的二次精炼，四氯化碳的精炼机理是基于下面的化学反应：

2CCl4=C2Cl4+2Cl2↑

(1)

4Al+3C2Cl4=4AlCl3↑+6C

(2)

2Al+3Cl2=2AlCl3↑

(3)

Cl2+2H=2HCl↑

(4)

(5) 这些反应是不可逆的，一经反应，金属就不可还原，反应生成的HCl和AlCl3(沸点183 ℃) 都是气态，不溶于铝液，HCl 和AlCl3气泡在上浮过程中，氢气向气泡中扩散，浮渣被气泡吸附，所以，同时具有除渣除气作用。以上每次精炼后均匀扒渣干净。

3.3.3 旋转喷吹在线精炼

除气箱净化的原理是通过高速旋转的转子(转子转速500rpm/min左右)，把转子通入的惰性气体打碎成细小气泡，根据动力学原理，惰性气体与铝液接触时间越长、接触面积越大，除气效果越佳，所以要求把气泡打的越碎越好，通过渗透和吸附原理再次对铝液中氢和杂质进行净化，达到除渣、除气效果。通过上述(2)(3)两项净化措施，熔体中氢含量可降低至0.12 ml/100gA1以下，达到双零箔坯料生产要求。

3.3.4 过滤净化

通过各项精炼法除渣除气后还有 30 μm～50μm微小夹渣存悬浮于溶体中，通过过滤箱中过滤板机械阻挡杂质，进一步除去溶体中的渣。因过滤板价格低廉、易于采购、便于更换、过滤面积大，现在多数厂家使用双级陶瓷过滤板，目数50目和60目效果最佳，需要注意的是，过滤片与过滤箱的结合处应堵塞严实，以免铝液旁漏降低过滤效果。

3.4 晶粒细化

晶粒细化是通过添加细化剂使带坯具有细小的等轴晶粒组织或缩短枝晶间距(即枝晶细化)。枝晶臂间距越小，枝晶细化程度越高，铸轧带坯的力学性能和加工性能也越好[4]。

针对电解铝液的特殊性，虽然通过一系列的措施，仍有部分大晶粒存在，为了得到组织均匀、晶粒细小的铸轧坯料，就要加入一定量的晶粒细化剂。钛在铝及铝合金中一般作为杂质看待，但是钛具有细化晶粒的作用，特别是有硼同时存在时细化效果更好。由于钛价较高，通常采用Al-Ti-B丝细化，在能达到晶粒度要求的情况下，钛含量尽可能小一点。对于双零铝箔坯料，控制Ti含量在吨产品1.5%左右，含量控制在产品要求范围内。根据生产实践，选择在除气箱入口逆流加入最好，通过除尘转子的高速旋转，可以使钛更均匀，不会因温度过高，导致形核降低，也不会因温度过低，造成钛在流槽中沉积，起不到细化作用。温度控制在720℃，TiAl3、TiB2形核效果最佳，铸轧板晶粒度均能达到一级。

3.5 轧制工艺控制

以上工艺为铝箔坯料生产奠定了基础，在轧制时，轧辊的材质和凸度、铸嘴的材质和制作、铸轧区的设定、冷却温度、轧制速度、液压系统的稳定、生产现场的环境等都是影响产品质量的因素。因此：

(1) 选用质量稳定的铸轧辊套，保证辊芯水道畅通，合理控制磨削参数，精确计算铸轧区是保证铝箔坯料板型的重要条件；

(2) 采用优质的铸嘴料，精确制作加工铸嘴，保证铸嘴开口平直度和嘴辊间隙，是减少铝箔坯料条纹的有效手段；

(3) 合理控制铸轧生产的前箱温度、铸轧速度、冷却强度、前箱液面高度和预应力，是保证铝箔坯料的必要条件；

(4) 保持生产现场的环境卫生、做好防蚊虫措施、不同班组的员工操作标准一致是稳定生产铝箔坯料的前提条件。

4 结束语

在铸轧双零箔坯料生产中使用电解铝液，必须控制以下几点：

(1) 对电解铝液进行炉外除渣，进入炉中要进行降温来增核并析出杂质和气体；

(2) 选用干燥、干净、质量稳定的原辅材料和工具，并且炉子要保持干净；

(3) 严格执行熔炼工艺要求，并控制合金元素在较小范围，提高熔体的洁净程度和均匀性；

(4) 轧机工艺参数设置合理，工装设备稳定可靠。

以上条件满足的情况下，完全可以使用部分电解铝液生产双零箔坯料，达到降低铸轧成本的目的。