1235铝箔坯料的熔体质量控制

殷华彬

(中国铝业青海分公司，青海大通 810108)

0 前言

目前我国对于高质量铝箔坯料的需求日益增加，但国内大部分板带企业所提供的铝箔坯料总体质量状况和产品等级与国外有较大差距，满足不了国内高端市场的需求。我公司在长期的生产实践中，通过不断的积累经验，总结了一套完整有效的铝熔体质量控制体系，在解决熔体质量问题以及其他铸轧板质量缺陷方面总结了较为丰富的理论基础和现场实践经验。保证熔体质量的稳定，对于高质量铝箔坯料的生产有着重大的意义。

1 铝熔体质量的主要缺陷及产生原因

1.1 铝熔体中的主要质量缺陷

熔体质量一般可以采用两个指标进行衡量：固态组织中的夹杂物含量及液态熔体中的氢含量。熔炼铝及铝合金时，熔体被氢和夹杂物污染是不可避免的，它们在铝熔体中的含量，是衡量熔体质量的重要指标。铝及其合金在熔炼过程中表现出易于氧化、吸收气体的特性，使得在铝液中极易形成气体和夹杂物，从而引起最终产品存在气道、针孔、夹杂等一系列缺陷，导致铝箔坯料轧制时出现频繁断带，严重影响了铝箔的生产。

1.2 铝熔体质量缺陷产生的原因

铝液中的非金属夹杂主要是金属氧化夹杂物，它一部分来源于炉料，而大部分则是在熔化和浇铸过程中铝和氧反应形成，其中熔炼温度、熔炼条件、炉内含渣情况、炉料质量、转炉方式、炉体砌筑条件等都对熔体夹杂物的多少产生了影响。铝与炉气中的O2、N2、CO2、CO等发生反应最终生成了氧化铝杂质。

1.3 氢的主要来源及铝熔体吸氢原理

铝熔体吸氢的主要反应是铝与水的反应，而且反应是不可逆的。

在低于250℃时，铝与空气中的水蒸气接触发生下列反应[3]：

在500～900℃间，纯铝表面易形成一层致密的Al2O3（γ-晶体）膜，能显著地阻碍铝熔体与水的反应，但其表面疏松存在直径为50～100为最小的原子间距单位）的小孔易吸附水气，若氧化膜被破坏，熔融铝与水的反应就会更剧烈地进行。氢进入铝熔体中的主要途径就是熔融铝与水的反应，生成游离态的原子[H]，氢极易溶于铝熔体中，此反应为铝熔体吸氢的主要途径。铝与水气发生下列反应[3]：

在高温下Al（OH）3在炉内也发生化学反应[3]：

反应产生的H2O气又可与铝发生反应生成游离态的原子[H]，进入铝熔体。

水主要来源于在熔炼、铸轧生产工艺过程的一些环节及空气中的水蒸气，如炉料、炉气、耐火材料、工具等带入的水份。氢是熔炼时熔体从潮湿气氛、未烘干的炉体、铝锭表面的铝锈、受潮的熔剂、带有水份污泥油垢的废料或工具等处吸收的。因此，空气湿度、炉内气氛、熔体中的夹杂物是主要影响熔体含氢量的因素。

2 实际生产中的熔体质量控制措施

2.1 熔炼和静置过程中的熔体质量控制

2.1.1 炉料的控制

炉料包括铝锭、中间合金、添加剂以及各级废料。其中铝锭中的氧化铝含量在0.2×10-4%～2×10-4%范围内波动。其他如炉渣、废料等本身存在大量的氧化夹杂物，尤其被油污、泥土污染的废料大大增加了熔体氢和夹杂物的含量。因此炉料本身的纯洁度较低，生产高质量铝箔必须对炉料的组成进行严格控制。

投入生产的铝锭必须在干燥清洁的环境中保存，严禁加入湿锭生产。废料的比例要严格控制，必须小于20%，含油废料和三级废料以及挑拣出的含铝炉渣不能加入生产铝箔坯料的炉次中。投料顺序需按照废料先加入再投入铝锭的顺序，防止废料的烧损带来氧化夹杂。

2.1.2 熔体停留时间和熔体温度的控制

氢在铝熔体中的溶解度CH与熔体温度T及氢分压PH2之间有存在一定关系。熔体中的氢的溶解度和熔体温度和氢的分压有关：当熔体温度一定时，氢的分压越大，氢的溶解度就越大；当氢的分压一定时，熔体温度越高，氢的溶解度就越大。

熔体温度和熔体停留时间对铝合金熔体含氢量的影响十分密切，因此在熔炼生产中必须严格控制这两项关键的熔炼工艺指标。理论高温停留时间越短越好，熔体温度越低越好，但由于设备条件和性能的关系，无法满足理想的要求。在实际生产铝箔坯料中，熔炼温度必须控制在750℃以下，一炉次（按照17t投料量计算）熔化时间必须控制在4.5h以内，熔化完成到转炉的中间停留时间必须小于4h。其中这一时间在有条件的情况下要尽量控制短一些，如果熔化后的停留时间超过了4h，必须重新进行一次精炼。保温炉的温度在生产过程（在线温度参数可控的条件下）中尽量控制低一些，以减少熔体的吸氢。通常保温炉温度在生产高质量铝箔产品时保温炉温度不要超过735℃。若生产窄规格产品时，由于通过量较小系统温降较大，因此，需做好流槽系统的保温措施，适当提高除气设备中的铝液温度，以保证保温炉温度控制在低限。

2.1.3 炉组状况的维护

炉组连续生产一段时间后，炉壁表面将聚集大量的氧化铝渣和部份非金属夹杂物，并不断污染炉组中的铝液，随着聚集量的增加，污染的概率也将不断增加。同时，根据夹杂物与熔体含氢量存在的相互作用机制，夹杂物的增加将导致熔体含氢量的增加，因此熔池的干净程度直接影响着铝熔体的质量。

为此，在实际生产中，必须进行定期的热清炉，保持至少一周一次的熔炼炉和保温炉的热清炉。使用特定工具将炉组表面的积渣清理并扒出炉体。而且，炉组每年必须进行一次彻底的冷清炉，将炉组内的积渣彻底清除，为熔炼生产创造良好的环境。

2.1.4 炉组燃烧系统的维护

铝熔炼炉和保温炉多数为电阻反射炉和火焰炉。电阻炉中炉气中的水份压受空气湿度、炉料、溶剂及工具干燥程度的影响，一般为400～2000Pa[2]。火焰炉炉气中的水份除了受与电阻炉相同的影响因素外，还有可燃气体中产生的大量水蒸气，水份分压一般为1.333～15.9999kPa。因此火焰炉中氢和夹杂物的含量较电阻炉会高一些。

针对蓄热式天然气熔炼炉和保温炉，如何降低天然气中的水份对熔体质量的影响显得十分重要。在实际生产中，需要对燃烧系统的运行状况进行监控和调整。主要有以下几个主要的控制点：

（1）监控燃烧的火焰状况，避免不完全燃烧的发生，提高熔化升温能力。

（2）定期检测炉内气氛组成，针对测量结果调整天然气和压缩空气比例，使得燃烧更加充分和完全。

（4）合理安排熔炼工序的完成时间，优化燃烧时间，使得熔体接触火焰的时间尽量降低，同时最大限度地利用炉气温度，提高熔化效率，减少火焰工作时间，严格控制燃烧时间，避免熔体过烧。

（5）优化保温炉燃烧控制，保证良好的燃烧曲线，减少熔体接触火焰的时间。

以上措施是炉组高效、稳定工作的保证。

2.1.5 炉内精炼和转炉作业的控制

（1）目前广泛采用且除渣除气效果较好的炉内净化方式就是将主要成分为NaCl、KCl、NaF等的喷粉熔剂通过带压储罐，将氮气和熔剂混合并通过金属管均匀喷入熔化后的铝熔体中[5]。具体生产中需要严格控制喷粉量和喷粉时间，并且规范操作使熔体各部位均能有溶剂喷入，尤其重要的是控制好吨铝熔剂的添加量，一般为2～3kg/t为宜，若添加量过多反而会影响熔体质量。

（2）转炉过程是熔体氧化夹杂物和氢含量增加的过程，转炉作业方式的不同对最终熔体质量的影响也不同，因此必须选择最佳的转炉方式以尽量避免转炉作业带来的不良影响。目前转炉方式主要有浇包转炉和流槽转炉。统计得出，浇包转炉氧化铝含量增加52%，而采用流槽转炉氧化铝含量增加8.7%。可见流槽转炉方式是较为有效的控制熔体质量的转炉方式[2]。

在实际生产控制中为确保产品质量要严格执行潜流措施、控制转炉时间。

2.2 铝熔体在线净化

2.2.1 铝液在线除气的控制点

保护生物免受核设施的辐射影响，近二三十年中才逐渐受到各国重视。欧美在该方面的研究和应用较早，不仅建立了完整的分析方法和体系，还将其编制成软件，供其他国家和组织免费试用。近些年，随着我国经济的不断发展，国家和民众的环保意识也不断增强。学习和借鉴国外生物辐射影响方面的软件和方法，可以在我国建设和使用核设施的过程中，评价其对于生物的影响，进而保护我们赖以生存的生态环境。

目前使用较为广泛且使用效果较好的是旋转喷吹法（以SNIF装置为代表）。要使除气炉稳定高效地工作需要注意以下几点：

（1）要求除气炉密封性好，受气候影响小，造渣少，不会形成二次污染。除气炉密封性差时，空气中的水蒸气容易进入炉内，形成吸氢，早期的除气炉主要通入高纯氮做为覆盖气体以减少吸氢，但也会在一定程度上受到气候的影响。因此为提高除气效率，减少气候的影响，要求除气炉密封性好。

（2）要求除气炉内气泡细小弥散、均匀，液面无大的翻滚。在除气炉内工艺气体总流量、压力不变的情况下，气泡数量越多，相当于增大了工艺气体与熔体的接触面积，因此气泡越细小（相当于气泡数量越多）、越弥散，接触面积越大，越有利于氢向工艺气体扩散，达到除氢的目的。转子要有足够的搅拌力，使气泡有足够的运动速度分散到整个熔池，但转子转速过快会造成液面翻滚，且有可能使夹渣重新进入熔体。

（3）要求除气炉转子结构有充分的搅拌力，转子杆及转子叶轮要结构合理，适当加大叶轮直径，配以合适的速度，提高转子的搅拌力。

（4）要求工艺气体纯度高，不能对熔体进行造渣、吸氢。一般对工艺气体纯度的控制主要为两部分，一是对气源的控制，二是对气体所有经过的管道及仪器仪表泄漏的控制。一般对工艺气体气源纯度要求达到99.999%，水含量小于4×10-6，氧含量小于5×10-6，工艺气体中水含量及氧含量超标会造渣和吸氢。

（5）为了保证熔体在除气炉内有足够的停留时间，要求熔池有一定的体积。除气炉转子对熔体要有一定的浸入深度，转子浸入深度直接关系到整个熔池是否能被工艺气体完全覆盖，对除气效率有较为明显的影响。一般要求转子连同叶轮浸入深度大于500mm，叶轮距熔池底部在50～100mm。

（6）要求除气炉保温性能好，炉壳温度低。除气炉内一般装炉量在550～650kg左右，按铸轧每小时通过量2t计算，铝熔体在炉内停留时间约15min左右。若除气炉保温性能差，为保证前箱温度必然要加大除气炉加热功率或提高保温炉温度，而提高温度会显著提高氢的溶解度，提高熔体吸氢能力，故这两种措施均会增加熔体氢含量。因此，要求除气炉要有良好的保温性能，炉壳温度一般要低于75℃。

（7）要求炉子内衬与铝不湿润，容易清理。除气炉内衬一般要求采用与铝不湿润、性能稳定、对熔体不增气、耐高温烧结、不易积渣的耐火材料。

以上措施保证了除气设备的稳定运行。正常情况下，除气效率应达到50%以上，要注意日常的测量验证，发现异常及时检查设备并处理。

2.2.2 流槽过滤系统的日常维护和使用

熔体经过在线除气装置净化处理后，铝液中仍有部分夹杂物质无法排除，必须通过一步有效的过滤措施来除去铝液中的微小夹杂物质[4]。陶瓷泡沫是近年来发展起来的新型陶瓷过滤材料，它是由氧化铝和氧化铬等组成的陶瓷浆料，借助聚氨酯泡沫成型，再经干燥烧结而成，孔隙率高达80%～90%。

目前我公司采用的是高效经济的双级泡沫陶瓷过滤法进行最后的熔体过滤。在实际生产应用中总结了以下主要控制措施：

（1）根据不同合金和最终产品要求选择合适的孔隙数的过滤片搭配。

（2）安装过滤片时要做到紧密无缝隙，并且保持过滤片表面清洁防止孔隙堵塞，并安装导气管。

（3）使用过程中要观察过滤箱两边液位差情况，当液位差大于20mm时，必须进行过滤片的切换（过滤系统要配备两个过滤箱以供在线切换）。一副过滤片的过滤效果是随通过量的增加而降低的，因此当使用的通过量超过100t时，也必须进行在线切换。

（4）定期清理过滤箱，涂上防粘铝涂料以保持过滤箱的清洁，防止二次污染。切换过滤片前要对过滤箱进行有效彻底的预热，同时要控制预热温度，防止过滤片过热熔化。应采用电加热方式使箱体温度均匀。

（5）使用过程中不允许过滤箱受外力产生震动，避免被拦截的杂质在震动中脱离过滤片进入铝液中污染熔体。

4 结束语

熔体质量是生产高质量铸轧铝箔坯料的基本保证，应从各个环节进行严格控制，同时熔炼生产中的熔体质量控制又是生产控制中的难点，因此必须深入分析总结，找出科学合理的工艺控制方法，以保证熔体质量的稳定。本文上述提到的各个环节的控制措施是通过多年实践总结出来的，具有有效的实际应用价值。