铝合金熔铸用熔炼炉+保温炉炉组与熔保一体炉的优缺点比较

刘民章

(青海桥头铝电股份有限公司技术中心， 青海 西宁 810100)

0 前言

铝合金熔铸的工艺流程为配备料(电解铝液+固体炉料)→熔炼→预精炼→搅拌→静置→扒渣→取样分析→转炉→调整温度与成分→精炼→搅拌→静置→扒渣→放流铸造。由工艺流程可知，铝合金熔铸过程中约90%的工作量是在熔炼炉与保温炉中进行的。因此，熔炼炉与保温炉是铝合金熔铸的关键生产设备，其运行状况好坏直接关系到铝合金熔铸产品质量的优劣。熔炼炉和保温炉的主要作用是熔化炉料、调整熔体的化学成分和温度、对合金液实施精炼以降低合金液的渣、气含量等。本文主要对铝合金熔铸用熔炼炉与保温炉的两种主要形式的优缺点进行了分析。

1 铝合金熔铸用熔炼炉与保温炉的主要形式

长期以来，铝合金熔铸生产中使用的熔炼/精炼设备均采用熔炼炉+保温炉的设备配置，即1台熔炼炉配备1台或2台保温炉构成铝合金熔炼/精炼系统，熔炼炉与保温炉之间通过铝液转注溜槽连接在一起，溜槽成为将铝液由熔炼炉转入保温炉的流动通道。溜槽采用钢制外壳，内部用耐火材料浇筑而成或用耐火材料预制块砌筑而成[1]。熔炼炉的主要作用是将炉料熔化为符合合金牌号所规定化学成分要求的铝合金熔体，并达到规定的熔体温度；而保温炉的主要作用则是对熔体进行炉内精炼处理，通过精炼处理除去铝合金熔体中的气体(主要是H2)和非金属夹杂物(主要是Al2O3)，以提升铝合金熔体的纯净度，使之符合高品质铝合金熔铸产品(铸轧板、扁锭和圆铸锭)的冶金质量要求。除此之外，保温炉还具有对合金熔体进行化学成分和温度进行微调的作用，使之满足熔铸产品的铸造要求。

随着铝合金熔铸技术的发展和进步，近些年来，出现了另一种集铝合金熔炼与精炼为一体的铝合金熔保炉，即将铝合金熔炼与精炼全部集中在熔保炉内进行。

2 熔炼炉+保温炉炉组的优缺点

2.1 优点

在熔炼炉+保温炉组中进行熔炼时，由于合金熔体是在熔炼炉中进行预精炼后转注进入保温炉中进行精炼、成分微调和温度调整，且通过预精炼已经将熔体中的碱(土)金属元素含量降低到极低(通常低于3ppm)。因此，可以将碱(土)金属与炉衬之间反应对熔体造成的污染减小到最低程度，从而使熔体质量得到明显的改善，熔体的清洁度相对较高，这对于高品质铝合金熔铸产品的生产十分重要。

2.2 缺点

熔炼炉+保温炉炉组的主要缺点如下：

1)建设费用较高。由于熔炼炉+保温炉炉组在建设时，必须同时建造1台熔炼炉和1台或2台保温炉，且还必须在熔炼炉与保温炉之间砌筑连通的铝液转注溜槽，因此，建设费用较高。

2)吨铝能耗相对较高。铝合金熔体熔炼完成后，必须通过铝液转注溜槽将合金熔体由熔炼炉转注到保温炉中进行精炼和调整成分、温度。在熔体转注过程中，溜槽的耐火材料内衬必然会将熔体中蕴含的热量吸收掉一部分，且溜槽顶部敞开大面也会散发掉一部分热量，从而造成熔体温度降低。这将会影响熔体的精炼效果，降低合金熔体的纯净度，最终影响铝合金熔铸产品的冶金质量。由此可见，采用熔炼炉+保温炉炉组时，合金熔体的温度变化比较频繁，而且波动比较大，只有通过保温炉加热系统对其加热才能进行有效的精炼处理。因此，采用熔炼炉+保温炉炉组时，所需要的吨铝能耗相对较高。

3)铝熔体由熔炼炉转注到保温炉时，要经过大约8～10 m的转注溜槽，溜槽内衬是由耐火材料砌筑而成的，如果耐火材料内衬出现破损，将会在熔体流经时，将耐火材料颗粒卷入铝熔体中，造成熔体污染。因此，在日常生产过程中，铝液转注溜槽的维护保养非常重要。只有保持铝液转注溜槽的完好，才能将溜槽内衬对熔体的污染降低到最低程度。

4)过程操作相对比较繁杂。

3 熔保一体炉

3.1 对铝合金熔铸产品的影响

与熔炼炉+保温炉组熔炼相比，利用熔保一体炉熔炼铝合金熔体时是将熔炼与精炼、成分和温度调整在同一台炉子内进行，这对于高品质熔铸产品的生产，熔体质量控制难度加大。在铝合金熔炼过程中，加入熔池中的炉料是各种各样的，其化学成分涉及到1xxx系至8xxx系。尤其是采用“短流程”工艺进行熔铸时，电解铝液直接注入熔保炉，使得熔保炉中的Na、K、Si、Fe等有害杂质含量大大增加。

3.1.1 碱金属元素置换反应的影响

熔保炉中杂质元素含量的升高，不仅对熔体造成污染，而且会通过与炉衬材料组成之间的置换反应，加大对炉衬材料的损毁。反过来，置换反应的反应产物又加剧了熔体的污染程度，从而加大了合金熔体的精炼难度，并降低了熔铸产品的品质。这些反应主要发生在碱(土)金属元素K、Na、Mg与耐火材料中SiO2、Al2O3、Fe2O3和Ti2O3等组成之间。在熔炼温度下，通过炉料进入熔体中的K、Na、Mg，一部分成为气态(沸点分别为760 ℃、882.9 ℃和1 090 ℃)和炉气中的CO2、CO与炉衬材料发生如下反应[2-3]：

3K2(g)+(3Al2O3·2SiO2)(g)+4SiO2(l)+3CO(g)→
3(K2O·Al2O3·2SiO2)(s)+3C(s)

(1)

3Na2(g)+(3Al2O3·2SiO2)(g)+4SiO2(l)+3CO(g)→
3(Na2O·Al2O3·2SiO2)(s)+3C(s)

(2)

3Mg(g)+Al2O3(g)→3MgO(s)+2Al(l)

(3)

3Mg(g)+Fe2O3(s)→3MgO(s)+2Fe(g)

(4)

2Mg(g)+SiO2(s)→2MgO(s)+Si(s)

(5)

3Mg(g)+Ti2O3(g)→3MgO(s)+2Ti(s)

(6)

3.1.2 重金属元素沉积的影响

此外，熔体中比重较大的合金元素，如Fe、Mn、Cu、Cr等，也会沉积在熔池底部耐火材料中，在合金品种更换时，对熔体造成污染，影响熔铸产品化学成分的准确性及性能。

3.2 除碱处理

在熔保一体炉中进行铝合金熔体熔炼时，尤其是用电解铝液直接配料生产铝合金熔铸产品时，在将电解铝液由电解车间运送到熔铸车间后，首先应在抬包内对电解铝液进行除碱处理，如图1所示。对电解铝液进行预处理所使用的材料是无水氟化铝，这种材料在电解铝厂是现成的。按照抬包内电解铝液的重量，氟化铝的加入量为7.5 kg/t。经过预处理的电解铝液，可以实现90%的除钠和除钾效率，将电解铝液中的钠含量控制在小于或等于1×10-6～2×10-6，从而将电解铝液中碱(土)金属的不利影响降低到最小程度。

图1 抬包内电解铝液的除碱装置

3.3 熔保一体炉的优点

与熔炼炉+保温炉组相比，熔保一体炉具有如下优点：

1)建设费用低。熔保一体炉在建设时只需要建造1台炉子，而且省去了熔炼炉与保温炉之间的铝液转注溜槽，因此，其建设费用远远低于熔炼炉+保温炉组。

2)吨铝能耗低。操作相对简单，省去了对铝液转注溜槽的日常维护保养工作，同时也消除了铝液转注过程中的熔体温度损失和熔体污染的风险，因此，采用熔保一体炉的吨铝能耗比熔炼炉+保温炉组低得多。

4 结论

在铝合金产品熔铸中，熔炼炉+保温炉组与熔保一体炉各自具有其优缺点：

1)熔炼炉+保温炉组的建设费用和吨铝能耗高于熔保一体炉。

2)熔炼炉+保温炉组处理的铝合金熔体的质量优于熔保一体炉。

3)对于品质要求高的铝合金熔铸产品可采用熔炼炉+保温炉组生产，对于品质要求低的铝合金熔铸产品可以采用熔保一体炉生产。

4)无论是用熔炼炉+保温炉组还是熔保一体炉，当利用电解铝液直接配料生产铝合金熔铸产品时，应对电解铝液进行预(除碱)处理。