铝熔体在线精炼净化设备现状及发展

杨 璐

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326）

0 前言

提高铝熔体的纯净度和铸锭冶金质量一直是铝加工工作者追求的目标，而铝熔体除气净化装置则是提高熔体纯净度的设备保证。铝及其合金在熔炼过程中，铝熔体中存在的夹杂物、气体等会影响熔体纯净度，导致铸锭易产生气泡、气孔、夹杂、疏松、裂纹等缺陷，对铸件性能或铸锭后续加工产品的强度、塑性、疲劳、抗蚀性、阳极氧化性和外观品质等均有显著影响。夹杂物的存在会增加铝熔体粘度，降低铝合金的铸造性能，促使疏松形成。铝熔体中的夹杂物和氢之间具有相互作用，夹杂物的存在使铝熔体中的氢难以去除干净，只有除去铝熔体中的夹杂物，才能使铝熔体中的氢含量降至较低水平[1]。“以防为主，以排为辅”、“除气先除渣”的熔体净化原则，已成为铝加工行业的共识。

铝熔体含气量与铝合金原辅材料的洁净度、合金化学成分、熔体温度和空气湿度等密切相关，且高温铝熔体的吸气与排气是一种动态的竞争平衡。目前，气泡浮游法和熔体过滤是铝熔体除气净化的主要方式。根据铝熔体吸气、排气的特点，采用熔体在线旋转喷头吹气精炼与在线陶瓷过滤板过滤或高界面能颗粒吸附除渣的复合净化装置，是生产高品质铝合金铸锭的基本配置。旋转喷头吹气法是用旋转喷头从铝合金熔体底部喷入高纯惰性气体或气体+熔剂，旋转喷头快速转动可使气泡均布、弥散，并沿螺旋状路线上浮至表面，从而达到除去熔体中氢气的目的。美国联合碳化物公司的SNIF法、美Hitchcock公司的RID法、法国彼西涅公司的ALPUR法、英Foseco公司的RDU开发的旋转喷射熔剂法的系列设备、意大利铝业公司工艺研究部研究开发的ALUDEF等均属于旋转喷头吹气装置[2]。

国内的铝合金熔体在线处理装置开发起步较晚。据不完全统计，目前，铝合金炉外在线净化系统由除气和过滤两部分组成：精炼除气99%由旋转转子进行，过滤部分95%以上由CFF泡沫陶瓷过滤板，2%的由氧化铝球深床过滤或＜1%的由管式过滤进行[3]。东北大学研发出了DGLJ铝熔体在线处理装置，大连理工大学研发出了DUT-89在线处理装置，西南铝在消化吸收MINT的基础上，前后研发了SAMRU以及DDF和DFU装置。国内其它熔体净化设备生产厂家如深圳的派瑞科（Pyrotek）冶金材料公司、上海鑫业熔铸设备制造有限公司、福州麦特新高温材料有限公司等等也分别推出了各具特色的在线除气设备，但基本都是仿Alpur、SNIF系统设计的旋转喷头式除气装置。大部分企业在实际生产过程中，除了采用在线除气设备外，还会同时采用泡沫陶瓷板式过滤器，仅有个别企业采取了在线测渣技术，如中铝瑞闽。

经过多年的技术改进，这些国产装置的除气效果也在逐步提高，但国内石墨转子和加热套管的使用寿命较短是个普遍存在的问题。目前，以国内生产2×××系、7×××系等高合金化产品的代表企业西南铝和东轻公司为例，铸锭固态氢含量可控制在0.12 μg/g·Al的水平。

1 国外典型在线净化装置

铝合金在线精炼除气大致可分为气体吹炼法、真空精炼法及超声波精炼法等。目前，工业化生产中使用的在线精炼除气装置大多为采用气体吹炼法（浮游法）的箱式旋转除气机。其精炼除气原理是：将惰性气体吹入铝液后，形成许多细小的气泡，气泡中氢的初压为零，在气泡和铝液的界面上有氢的压差，使得溶于铝液中的氢不断被吸入到气泡中，这一吸入过程直至气泡中氢的压力和铝液中氢的压力相等时才会停止。气泡浮出液面后，气泡中的氢气即逸出而进入大气中。另外，气泡在从熔体中浮游的过程中，与熔体中的氧化物夹杂相遇，并将其吸附在气泡的表面上，随气泡上浮到熔体表面而被除去[4]。

早期的铝熔体精炼除气，一般是在熔炼炉或保温炉铝熔体内插入钻孔的铁质直管或“T”型管，然后在管内通入惰性气体、混合气体、惰性气体+熔剂等进行精炼除气。但这种形式的除气效率较低、易造成熔体二次污染；同时，炉内精炼必须开启炉门，导致热量损失大，熔体温降快，且操作者劳动强度大，严重影响了产品质量和工序的连续性。与炉内精炼除气比较，目前普遍采用的在线精炼除气具有精炼净化效率高、熔体污染少、工人劳动强度低等优点，能与目前半连续DC铸造、连续铸造相配合，可实现铸造生产的连续化、自动化。

（1）SNIF熔体净化装置。美国联合碳化物公司研制的SNIF法（即旋转喷嘴惰性气体浮游法）设有两个石墨制的气体旋转喷嘴，气体通过喷嘴的转子形成细小分散的小气泡，同时随着转子对熔体的搅动，使气泡均匀地分散到整个熔体中，增加了气体与液体之间的接触面积，延长了气泡在铝液中的运动距离和停留时间，使气体体积增加，吸附熔体中的气体和氧化夹杂物并浮游到熔体表面，从而达到除气、除杂的净化效果。这种方法的除氢效率约为单管喷吹法的3倍。单管喷吹处理后熔体的含氢量约为0.2 mL/100 mg·Al，而用SNIF法净化处理后的熔体含氢量可以达到0.08 mL/100 mg·Al以下。

SNIF旋转头在线处理装置拥有自己的特点，和其它旋转喷嘴系统不一样，其转子和熔体接触，可以避免表面产生涡流。处理箱的良好隔热性可保持铝液凝固最多达1 h之久，保证两个铸造批次之间的铝液凝固时，处理箱的铝液可以完全放出。该优势在经常更换合金时表现更为明显。SNIF的现代化装备改进了盖的密封性，减少氧化进入，使铝液中氢气含量低于1%，提高了石墨喷嘴和轴承的使用寿命[5]。SNIF及其旋转喷嘴示意图分别见图1和图2[6]。

图1 T型SNIF装置简图

图2 SNIF法的旋转喷嘴示意图

SNIF在线精炼除气处理箱包括净化室与加热保温室两个内腔，中间用SiC材质的隔板隔开，两室的底部连通，熔体在净化室进行除气除渣后，从隔板下方流入保温室静置保温，保温室采用U形硅碳棒外套碳化硅保护管浸入熔体对其加热。箱体外壳由10 mm钢板制作，内衬采用耐火材料整体浇注而成，在侧壁上部设有观察口、扒渣口，底部设有清渣口。处理箱前后连体为独立的一个内腔，便于加热器直接传导，对处理后的熔体进行潜流输送。

SNIF的旋转喷嘴由高纯度石墨制成，其结构除考虑应可打散气泡外，还应利用搅动熔体所产生的离心力使熔体进入喷嘴内与水平喷出的气体均匀混合，形成气/液流喷出，增加气泡与熔体的接触面积和接触时间，从而提高除气净化效果。石墨转子的转速可以通过变频器调速控制，最高可达400 r/min。石墨转子规格为ϕ 150～250 mm，叶轮规格为ϕ 250～350 mm，高纯抗氧化石墨转子具有强度高、耐高温、耐铝液腐蚀及冲刷等特点。

（2）ALPUR熔体净化装置。ALPUR是法国彼西涅工业公司的专利产品，是1981年开发的一种借助旋转喷嘴产生微小气泡的炉外熔体连续净化处理装置。ALPUR装置是一台双加热器、双转子气体精炼装置，在去除铝熔体中的气体、夹杂物和碱金属方面有较高的效率。其设备包括一个除气容器、一个上盖吊运系统、一个气路、转子和电机驱动系统、加热器、电气设备和一个人机界面。

ALPUR在线设备安装在保温炉与铸造机之间的生产线上，具有加热和处理两个功能。加热就是通过安装在容器盖的加热器，在填充熔融铝之前预热容器，既可以按操作人员设定的温度保持铸次间的金属温度，也可以在铸造过程中提高温度；处理是将保温炉出口过来的熔融铝液中包含的部分杂质（氢、碱性金属、夹渣）经过ALPUR在线处理后排除掉。该装置采用的处理工艺是基于气体浮选原理，转子注入并均匀分散惰性气体或惰性气体与氯气的混和气体，形成微小气泡。气泡上升通过熔体时将其中的氢吸附到气泡内，最终浮至表面而被除去；碱金属通过与氯气产生化学作用，形成氯化物而被排除；夹渣被气泡捕获，较大的夹渣与气泡碰撞被捕获，较小的则通过气泡径向截面捕获，然后随气泡上升到熔体表面形成渣滓而被去除[7-8]。

（3）LARS熔体净化装置。LARS熔体净化系统是上世纪九十年代中期美国ALMEX公司开发成功的一种新的铝精炼系统，它也是利用旋转石墨喷头使精炼气体呈细微气泡分散于熔体中，最终达到去除铝熔体中的氢气和氧化物夹杂的目的。与以往的旋转石墨喷头精炼系统不同，LARS系统具有巧妙的构思和独特的结构，除氢、去杂效果更好。除氢率可达75%以上，可除去99%的粒度大于20 μm的夹杂物[9]。而以往的旋转式石墨喷头除气法（如SNIF、ALPUR等）的除氢率不超过70%。

LARS熔体净化系统由熔化炉、LAPS精炼系统、铝液过滤系统以及直冷式浇铸系统等组成。LARS精炼系统取代了以往静置炉的位置，主要由两个净化室、供热、供气系统及相关控制装置组成。

净化室主要由外壳和旋转石墨喷头系统组成。右边为第一净化室，左边为第二净化室，净化后的铝熔体经暗流流入浇包。在LARS系统的后部装配有40 PPI和50 PPI的泡沫陶瓷过滤器。旋转石墨喷头系统除了旋转用驱动电机控制系统外，石墨头由石墨外套、转轴及石墨喷头等组成。它不同于以往的旋转石墨喷头装置的地方是，转轴外表上加工有许多螺旋凹槽，与外套形成输送净化气体的螺旋形通道。

LARS系统采用了包括惰性气体在线预热、惰性气体对铝熔体的摩擦搅拌、防止气泡聚集等三项独特的技术，并获得了专利，能有效地消除铝熔体内的物理、冶金和化学杂质，达到了净化铝熔体的目的。经LARS纯净化系统处理的铝产品全部能达到超声波探伤检测的A级标准的要求，多数情况下还能达到美国Mil-2154 AA级标准的要求。

（4）其它铝熔体净化装置：

①FILD熔体净化法，也称无烟在线除气法，由英国铝业公司（BACO）与瑞士高奇电炉公司共同研制。其工作原理是将密封带加热装置的方形坩埚用隔板分成上下两层，隔板中装有带净化剂的氧化铝小球。熔体通过上隔板时有氮气和固体粉末熔剂吹入进行气固双重净化，同时，熔体在流过氧化铝球时也会被过滤。该方法对环境无污染，金属收得率提高0.2%，降低了熔炼时原材料的烧损。

②RDU熔体净化。RDU快速除气装置是英国FOSECO公司的专利产品，也是由石墨转子旋转喷吹出微小气泡，增加了气-液混合均匀性，提升了铝合金熔体的净化效果。使用介质为95%Ar+5%Cl2，可去除碱土金属。

③GBF熔体净化。GBF气泡流过滤法由日本FOSECO公司研制，采用转速为700 r/min的特殊旋转喷嘴，产生出ϕ1～4 mm超细气泡，用气量少，相当于其他除气方法用气量的30%～50%，只用Ar气，对环境无污染。净化室采用SiC-Si3N4材料，不粘铝，耐腐蚀，使用寿命为2～3年。净化室配备有阻尼装置，工作时铝液液面平稳，渣量小。

④MINT熔体净化。MINT的全称是熔体炉外连续在线处理装置，由美国联合铝业公司发明。除气净化工作室呈锥形，没有旋转部分。锥形工作室底部有若干气体喷吹小孔，使用少量氯气，除气效果良好。

表1示出了几种典型精炼除气净化装置的技术参数及其净化效果。

表1 几种典型精炼除气净化装置的技术参数及效果

2 国内典型在线净化装置及发展

在铝及铝合金制品中，熔体净化是保证铝及铝合金材料冶金质量的关键技术。铝合金熔体净化的目的主要是降低熔体中的含氢量和氧化夹杂物的含量。合金中的氢和氧化夹杂物破坏了铝基体的连续性，会极大地降低合金的力学性能、疲劳性能、断裂韧性以及抗腐蚀性能等等。

自80年代末以来，我国先后引进了SNIF、Alpur、MINT、FDU等铝熔体在线净化设备。这些设备可分为两类，一类是以SNIF、Alpur为代表的旋转喷头式，另一类是以MINT、DMC为代表的固定喷头式。近10年来的生产实践表明旋转喷头式具有更高的净化效率[10]。提高铝合金熔体的纯净度以及提高铝合金铸锭的冶金质量，是生产高性能铝合金加工产品一直追求的目标。为此，国内铝加工企业、高校和科研院所等单位，结合市场需求和应用实践，开展了铝熔体在线精炼除气净化的机理研究和设备的设计研制。

（1）DFU铝熔体净化装置。为满足生产高质量航空铝材等制品的性能要求，西南铝在消化吸收MINT的基础上，先后开发了SAMRU、DDF和DFU装置。DFU铝熔体净化装置利用分压差脱气原理，采用Ar-CCl4相结合的复合气体旋转喷头法对熔体进行精炼处理，同时辅助以泡沫陶瓷板过滤相结合的复合净化工艺，对铝熔体进行除气去渣。同时，采用净化尾气作为保护气体，严密封闭熔体表面，防止外部空气吸入，防止熔体再污染。

DFU铝熔体净化装置主要由除气过滤箱、升降机构和控制系统组成。除气单元内由导热隔板将其分为除气区和静置区。内浸式加热器置于除气区内，热效率高；导热隔板既可对金属进行导流，又可利用其本身良好的导热性对静置区金属熔体进行保温。金属从入口进入除气区后，自上而下流动时，旋转喷头喷出的自下而上呈螺旋状上浮的气泡逆向流动，有利于气液界面的更新，提高了除气效率。同时，除气区上部可自动封闭，能有效阻止外界空气的进入。在DFU净化装置的上部和底部同时开设有清渣口，既保证了在每铸次间歇可打干净熔体表面浮渣，也可在装置放干时方便地清理出装置内的所有残渣。与之配套的过滤箱具有加热保温功能，可在铸造或非铸造期间对金属熔体进行加热或保温，而且可在铸造前直接用电加热系统对过滤板进行预热[11]。DUF净化装置除气能力强，除气效率高，操作简单，维护方便，减轻了劳动强度，降低了生产成本。

（2）除气过滤复合净化装置。这种复合净化装置采用旋转石墨喷头精炼除气和泡沫陶瓷板过滤共同净化铝熔体，最终达到除去熔体中的氢气与氧化物夹杂的目的。

除气净化箱体包括除气腔和过滤腔两部分。除气腔内设有喷吹惰性气体的石墨转轴转子，其为无级调速，正常运行速度200～500 r/min。石墨转轴由箱体外液压装置提升，可自由旋转180°，方便检修。除气腔有合理的清渣孔和放流孔。过滤箱设置有双级泡沫陶瓷过滤板作为过滤介质，其下留有放流口。箱体依靠均匀分布于盖体的多根硅碳棒进行辐射补偿加热，除气净化箱体结构简图见图3[12]。

图3 除气净化箱体结构简图

除气净化箱体结构具有如下特点：①箱体内腔可以确保铝液的流经路线如下：铝液进口-铝液面与石墨转轴相交处-石墨转子-铝液出口。铝液与气泡接触面积大、接触时间长才会取得良好的净化效果；②为保证箱体在净化运行过程中始终保持微正压状态，同时避免外界空气和水汽进入箱体，进铝口、出铝口设计为斜坡状，使箱体内侧口上沿等高或略低于外侧口下沿，铝液在除气箱内总是处于密封状态，减少与外界空气的接触，避免再次与水汽反应；③除气腔和过滤腔工作容积合理，其余铝液通道保持最小体积，尽量减少不同铸次间铝液放流量；④箱内腔体结构合理，浇注料施工的模板组合拆装方便。

（3）FAPR技术净化装置。福建麦特新铝业科技有限公司开发的炉内旋转喷粉搅拌一体机，将熔剂加入、惰性气体通入与合金化搅拌集于一体，由一台机器的机械动作一次性完成。此装置使劳动条件大为改观，操作时间显著缩短，生产效率提高。该炉内旋转喷粉搅拌一体机已于2009年3月11日取得中国专利，专利号ZL2008 20102067.6。

这种新型净化装置结构简单、方便易用，具有喷粉搅拌双功能，且在炉内工作不受自由度限制。特殊的泵吸搅拌头促使熔体在铝液面下强制对流，并从其中心喷出少量熔剂，充分搅拌铝熔体，使合金化学成分和熔体温度迅速均匀。该装置实现了炉内除气除渣高功效、熔体净化速度快的目标，是目前炉内净化效果最理想的工艺装备[13]。

该设备可设计成炉壁侧挂式和移动式，在用于电解铝液去除碱金属时可设计成垂直升降式，具有喷射搅拌效率高、熔剂与金属直接高浓度配比的特点，可高效率消除转铝包中的钠含量，解决长期困扰电解铝液纯净度低下的难题。

（4）其它铝熔体净化装置：

①炉底透气砖技术。炉底透气砖熔体净化技术可以避免熔剂净化污染，使铝合金熔炼达到真正的绿色要求。采用透气砖吹入弥散的惰性气体，可在炉气和铝液界面上形成富集惰性气氛的界面阻挡层，阻止铝熔体的氧化和吸气，减少铝的烧损。同时，惰性气体的吹入增加了铝熔体的传质和传热，提高了熔化效率，实现了合金化搅拌效果。吹入的惰性气体在向上漂浮的过程中，可吸附带出悬浮在铝熔体中的杂质，同时也将炉底和熔体中大的夹杂物带出，减少了炉床和炉角结渣，从而既提高了熔体的洁净度又保证了炉床的清洁。

透气砖由透气砖芯（透气工作砖、透气安全砖、透气室、气体密封罩）、座砖、引气管、外壳等组成。选用不粘铝性最强的非氧化物、烧结微孔陶瓷芯体来生产复合型透气砖，通过脉冲吹气获得弥散小气泡床，减少出现“合泡”弊端。透气砖安装在熔炉内，并设计成梅花桩分布模式，这样分布的优势在于：（a）采用气体造浪式搅拌，增强水平传质运动，促使溶质组元扩散运动；（b）存在逆向重力场的传质运动，克服比重引起的化学成分偏析；（c）存在逆向温度场传质运动，可解决上下层温差以及由温度场引起的化学成分偏析，促使合金熔体成分和温度均匀，有效解决熔体均匀性问题[13]。

②铝熔体复合净化技术。铝熔体复合净化系统由导流装置、过滤净化装置、气体介质净化装置、净化室、放流装置和炉体支撑装置等构成。复合净化系统可应用于铝的再生与回收，可完全去除尺寸10 μm以上的非金属夹杂，将铝合金中的氢含量降到0.08 mL/100 g·Al以下。

③超声波处理。超声波处理是一种新型的净化方法，其原理是：向铝熔体中通入弹性波时，液体分子受到周期性交变声场的作用，许多的显微“空穴”在铝熔体内部产生，这些空穴不断吸纳铝熔体中的氢气，使其变成气泡的核心并且接连成长为氢气泡，从铝液表面逸出，这样就达到了净化铝液的目的。采用超声波净化处理不但可以除气去杂，还可以振碎枝晶，使之成为结晶核心，提高过冷铝合金液体中的形核率，从而细化晶粒。

④真空除气净化。真空除气法分为静态真空净化处理和动态真空净化处理，它是将铝液置于密闭的真空室内，利用真空中铝熔体的吸气倾向趋于零、氢具有很强烈的析出倾向的原理，在一定的温度下静置，使铝熔体中的气体和非金属夹杂物析出，上浮至铝液表面而除去。真空除气法的优点：（a）不会污染合金液；（b）可以在变质后进行净化而不会破坏钠的变质作用；（c）避免变质过程中的二次吸氯、氧化；（d）针孔率显著下降，机械性能显著提高等。

从净化效果以及环保的角度看，真空精炼法是一种很有前景的净化方法。然而，真空除气法也有一些缺点：（a）熔体温度会下降，不易满足浇注温度的要求；（b）铝液深度过大时，除气效果降低；（c）需要一套密封设备，价格昂贵；（d）熔炼、浇注和维修技术高，而且生产效率低。因此，在工业生产中未能得到广泛应用。

⑤电磁净化。电磁净化工艺是通过夹杂物与铝熔体的导电率之差来把夹杂物分离去除的一种新颖熔体净化工艺。电磁力对导电能力较差或者是不导电的非金属氧化夹杂物的影响非常小，只对金属液体产生作用，这样在铝熔体中就产生了一个压力梯度。这种压力梯度对氧化夹杂物产生作用，使其向着与金属液受力方向相反的方向运动。电磁净化工艺正是基于这个原理达到了去除氧化夹杂的功效。根据电磁场产生的方式不同，有行波磁场、交变磁场、交流磁场、旋转磁场和电磁搅拌、直流电场正交稳恒磁场、高频磁场以及超强磁场等，这使得电磁净化的方法变得很多。电磁净化工艺尚在进行探索的试验阶段，还未能用于工业生产。

3 结束语

总体上国内外熔体净化工艺包括炉内净化和炉外净化，而根据净化作用机理不同分为吸附净化、非吸附净化和过滤净化。随着技术的发展，将除气和除渣净化工艺分开，除气时不除渣、除渣时不除气的传统工艺已不能满足高精尖航空航天、军工工业发展的要求。而将除气和除渣相互结合，在除气的同时兼顾除渣，达到更好的净化效果则成为主要的发展趋势。

国内铝合金熔体净化的发展方向是立足于自主创新，发展具有自主知识产权的高效铝合金熔体净化技术和与之配套的净化设备设施；在铝合金冶金质量控制方面，加强高性能铝合金材料的基础研究和投入，形成先进的成套制备技术，包括铝合金熔体净化技术，满足和支撑国内航空市场和民用市场的需求，提升铝材产品质量，实现高性能铝材高质量快速发展。