電解鋁液預處理裝置的開發與應用

董 江，張 薇

(青海高原有色金屬研發有限公司 有色金屬研發工程技術研究中心，青海 西寧 810007)

隨著我國鋁電解行業的迅速發展，用“短流程”工藝直接熔鑄生產鋁合金坯料已經成為一種趨勢。歐美發達國家電解鋁液的就地轉化率約為60%～70%[1-2]，我國電解鋁液的就地轉換率目前已經達到50%以上，因此更顯得電解鋁液預處理裝置的重要性。電解鋁液具有溫度高，非金屬夾雜物含量高，雜質元素Fe、Si以及堿金屬元素Li、Na、K、Ca等含量高，氫含量高和非自發形核質點數量少等特性，要利用短流程工藝生產出高品質鋁合金熔鑄坯料，電解鋁液的處理極為關鍵。因此，研究探討電解鋁液的預處理方法，設計開發并應用行之有效的電解鋁液預處理裝置，對用短流程工藝生產高品質鋁合金熔鑄坯料非常重要。本文將主要介紹某公司電解鋁液預處理設備的設計開發及其應用情況。

目前的短流程熔鑄工藝，是將一定比例的電解鋁液和固體爐料(重熔鋁錠、工藝廢料和各種鋁基中間合金)添加到熔煉爐中熔煉。在電解鋁液轉注進入熔煉爐的同時，也將電解鋁液中的各種非金屬夾雜物和大量的堿(土)金屬帶入熔煉爐。通常，爐料在熔煉爐內全部熔化并達到規定溫度后，進行成分分析，當成分達到規定要求后，導入保溫爐內進行精煉，通過精煉，除去鋁熔體中的各種夾雜物、溶解氫及堿(土)金屬；然后，進行放流鑄造。在鑄造過程中，鋁合金熔體由保溫爐放流口排出，通過溜槽先后流經在線除氣裝置、在線除渣裝置和分配溜槽(盤)進入結晶器，在設定的工藝參數下完成鋁合金熔鑄坯料的半連續鑄造。

1 現行短流程鋁合金熔鑄工藝對鋁合金熔鑄質量的影響

由于在現有短流程工藝中，所有的熔體處理全部是在熔煉爐和保溫爐中進行的。因此，當電解鋁液注入熔煉爐時，電解鋁液中的各種非金屬夾雜物和堿(土)金屬便隨著電解鋁液一起進入熔煉爐，從而造成鋁合金熔體的嚴重污染，導致鋁合金熔體中夾雜物和堿(土)金屬含量增加。一旦爐內精煉處理不當，非金屬夾雜物和堿(土)金屬堿就會留存到熔鑄產品中，降低鋁合金熔體的鑄造性能[3]，在熔鑄產品中形成夾雜缺陷，使合金的抗拉強度和延伸率下降[4]，甚至由于鈉脆性原因造成熔鑄產品開裂[5,6]和隨后壓延加工過程中制品開裂[7]。同時，由于鋁合金熔體中夾雜物含量高，也會造成鋁合金中氫含量升高[8,9]，增大了鋁合金熔鑄產品形成氣孔和疏松缺陷的傾向。

1.1 電解鋁液中堿(土)金屬對鋁合金熔煉/保溫爐使用壽命的影響

大量夾雜物和堿(土)金屬隨電解鋁液進入熔煉爐熔池，對鋁合金熔煉爐爐襯壽命的影響主要表現在對爐襯的侵蝕方面。這與爐襯材料及砌筑水平有關。目前，熔煉爐內襯主要采用Al2O3-SiO2系耐火材料。熔煉爐砌筑時，耐火材料中需要添加一定量的水，以確保其具有一定的成形性。熔煉爐砌筑完成后，需要按照規定的烘爐制度對爐襯材料進行干燥。在烘爐過程中，存在于耐火材料中的吸附水、結晶水和化學水從耐火材料中逸出，在耐火材料表面形成許多微觀通道[10]。 加之從電解槽中吸出的電解鋁液中含有許多堿(土)金屬，如Li、K、Na、Mg、Ca、Zn等，它們都具有非?；顫姷幕瘜W性質,極易與耐火材料內襯中的一些成分發生反應。尤其是具有很高蒸氣壓的Mg元素，其蒸氣比鋁液更容易沿著耐火材料表面的微觀通道滲入耐火材料中，與耐火材料中的Al2O3、SiO2及Fe2O3等發生反應，將Al、Si和Fe從其氧化物中還原出來：

3Mg(氣)+ Al2O3→ 3MgO + 2Al

(1)

2Mg(氣)+ SiO2→ 2MgO + Si

(2)

2Mg(氣)+ Fe2O3→ 3MgO +2Fe

(3)

上述反應不僅使爐襯材料受到侵蝕，而且所還原出的Si和Fe元素，使得熔體中的Fe、Si含量增加，對鋁熔體造成污染。

其他堿(土)金屬元素Li、K、Na、Ca也會發生上述反應。但是，在熔煉爐內熔煉Al-Mg合金時，上述反應尤為強烈，對爐襯耐火材料的侵蝕也更嚴重。

在鋁電解過程中，電解質中添加有鈉鹽和鉀鹽，在鋁合金熔煉過程中，所使用的覆蓋劑、精煉劑和打渣劑中也含有大量的K和Na元素，Na和K的沸點很低，分別為882.9℃和760℃。而鋁合金熔煉和精煉期間爐膛溫度到達800℃～1000℃[11]，最高可達1200℃[12]。這就使得熔體中的堿(土)金屬K、Na和Mg元素部分蒸發為氣體，形成K、Na和Mg蒸汽。這些堿(土)金屬蒸汽通過耐火材料表面的微觀通道向耐火材料內部滲透，產生新的膨脹相鉀霞石和鈉霞石，損害耐火材料的結構[11]，加速熔煉爐耐火材料內襯的失效。

1.2 電解鋁液中浮渣對鋁合金熔體質量和熔煉爐使用壽命的影響

由于電解鋁液中含有大量的非金屬夾雜物和碳化物、氮化物以及硫化物，當電解鋁液直接進入熔煉爐熔池后，很容易沾附在熔煉爐耐火材料內襯上，并隨時間的延長與爐襯材料緊密結合在一起。由于熔煉爐爐膛溫度較高，通常采用人工或機械進行清爐，在高溫環境下采用機械方式清爐，很難避免對爐襯材料的機械損傷，從而對爐襯材料的使用壽命造成不良影響；另一方面，由于電解鋁液是非?！芭K”的熔體，用非?！芭K”的爐料進行鋁合金熔煉，很難熔煉出清潔度高的鋁合金熔體，從而難以生產出高品質的鋁合金熔鑄產品。

2 電解鋁液預處理裝置的開發

2.1 開發思路

綜上所述，鑒于電解鋁液中夾雜物和堿(土)金屬元素對鋁合金鑄造性能、加工性能、力學性能及熔煉爐耐火材料內襯壽命的影響，設計開發旨在對電解鋁液入爐前進行預處理、最大程度降低電解鋁液中夾雜物和堿(土)金屬含量的工藝裝備很有必要。

為了與鋁電解車間的出鋁能力相配套，所要設計開發的電解鋁液預處理裝置的容量應當與出鋁用的真空抬包容量一致，這樣就可以通過對工廠現有出鋁設備改造中完成電解鋁液預處理裝置的設計開發。同時，可以對電解鋁液實施定量預處理，從而消除預處理過程中由于鋁液量不同而造成的處理偏差，確保電解鋁液的預處理效果。

2.2 開發過程

本電解鋁液預處理裝置主要由兩部分組成，即電解鋁液預處理(即除渣、除氣及除堿)裝置和撇渣裝置。

2.2.1 電解鋁液預處理裝置

電解鋁液預處理裝置包括立柱、電機、導軌、滑動承重部以及中空石墨轉子。電機設置于立柱頂部，導軌設置于立柱側壁，滑動承重部包括相互連接的滑動連接件和承重部，滑動連接件與導軌滑動扣合；立柱頂部設置有第一鏈輪，第一鏈輪與電機連接，立柱底部設置有第二鏈輪，第一鏈輪與第二鏈輪通過鏈條連接，鏈條與滑動連接件連接，中空石墨轉子設置于承重部。該裝置不僅能夠去除電解鋁液中的堿(土)金屬，而且還可以除去電解鋁液中的溶解氫和各種浮渣。

雖然該預處理裝置在設計上避免了氯及氯化物的使用，但由于預處理介質為無水氟化鋁，而氟化鋁在與電解鋁液中的溶解氫發生反應時會產生一定的氟化氫(HF)氣體，該氣體也會對環境和人體造成一定傷害。因此，在設計時，將電解鋁液預處理裝置與廠房內總除塵系統連接起來，以便將電解鋁液預處理過程中產生的有害氣體及煙塵輸送到廠房主除塵系統管道內。電解鋁液預處理裝置如圖1所示。

圖1 電解鋁液預處理裝置Fig.1 Pretreatment device of electrolytic aluminum liquid

電解鋁液除渣、除氣及除堿工位的工作原理是，當真空抬包吊運至除堿工位后，將原有的包蓋吊走，更換為安裝有雙石墨轉子、惰性氣體輸送管和固體粉狀精煉劑(無水氟化鋁)加料裝置的與原包蓋尺寸相同的專用包蓋。啟動石墨轉子控制機構使石墨轉子以一定的速度在電解鋁液中勻速旋轉。在此過程中，高純氬氣通過石墨轉子的中心軸孔進入電解鋁液之中，固體粉狀精煉劑也通過加料孔進入電解鋁液。在石墨轉子旋轉下，進入電解鋁液的高純氬氣形成大量細小而彌散的氬氣氣泡，而氟化鋁也在石墨轉子的攪拌作用下均勻分布于電解鋁液中。這時，發生了兩個物理化學過程。一個是氣泡的上浮過程，在此過程中，由于分壓差原理的作用，使溶解于電解鋁液中的氫原子擴散到氬氣氣泡內形成氫分子，隨氣泡上浮被帶出液面。與此同時，另一個化學過程也在發生，即無水氟化鋁(AlF3)與電解鋁液中堿金屬之間的反應：

3Li + AlF3→ 3LiF + Al

3Na + AlF3→ 3NaF + Al

3K + AlF3→ 3KF + Al

3Mg + 2AlF3→ 3MgF2+ 2Al

3Ca + 2AlF3→ 3CaF2+ 2Al

上述反應生成的LiF、NaF、MgF2、CaF2和電解鋁液中的Al2O3以及其他夾雜物吸附在氬氣泡表面上浮至液面而除去，從而達到電解鋁液除堿、除渣和除氫的目的。

為了避免雙石墨轉子在電解鋁液中旋轉時，由于鋁液流動性和兩個轉子之間因旋轉干涉所產生波疊加引起的湍流而降低除渣和除氣效果，本裝置在設計安裝上采用偏心和兩個轉子垂直方向不在同一個平面。這是本裝置設計安裝的顯著特點，如圖2所示。

圖2 電解鋁液預處理裝置的設計安裝特點Fig.2 Design and installation characteristics of the electrolytic aluminum liquid pretreatment device

2.2.2 撇渣裝置

在完成電解鋁液中的兩個理化過程后，專用包蓋提升至設定位置，然后將抬包吊運至撇渣工位，通過撇渣裝置除去抬包內電解鋁液表面漂浮的LiF、NaF、MgF2、CaF2和Al2O3以及其他夾雜物。撇渣裝置主要由兩片撈渣板構成。其中一片撈渣板固定，而另一片則可以以鋁液抬包中心作為旋轉點進行時針旋轉運動(或者兩片同時運動)，最后與固定撈渣板形成一個U型撈渣手，通過提升旋轉立柱將浮渣提起并輸送到附帶渣箱內。附帶渣箱設有碰撞裝置，通過沖擊震動將撈渣片上附著的浮渣震落，實現清理撈渣片的目的。撇渣裝置見圖3。

撇渣裝置的功能是，對鋁液抬包內電解鋁液表面浮渣及電解質進行清理。除渣裝置安裝有專用撇渣工具，即撇渣器，設計這種專用撇渣器是為了最大限度地除去附在鋁液表面上的固體電解質和浮渣。撇渣器的一部分是固定的，而另一部分則是可以移動的，在操作過程中，撇渣器可以在抬包內做圓周運動來收集浮渣和固體電解質。撇渣操作完成后，提升撇渣器并旋轉至包體外，將撇渣其中所收集的浮渣和電解質放置在渣箱中。然后，將抬包吊運至熔煉爐附近準備轉注進入熔煉爐。電解鋁液整體預處理裝置圖如圖4所示。

圖3 電解鋁液撇渣裝置Fig.3 Slag skimming device of electrolytic aluminum liquid

圖4 電解鋁液整體預處理裝置Fig.4 Electrolytic aluminum liquid pretreatment device

3 用虹吸管鋁液轉注系統將預處理電解鋁液注入熔煉爐

通過在入爐前對電解鋁液進行預處理，可以有效降低電解鋁液中的渣、氣和堿金屬含量。然而，在預處理電解鋁液入爐時，如果電解鋁液的轉注方式選擇不當，就會大大降低電解鋁液的預處理效果，造成預處理電解鋁液的二次污染，導致鋁合金熔體中夾雜物和氫含量劇烈增加。目前，國內大多數電解鋁廠的熔鑄車間大都采用“小瀑布”鋁液轉注方式。采用這種方式轉注鋁液時，將真空抬包吊運在熔煉爐入鋁口上方約1mm的高度(而熔煉爐的入鋁口與熔池頂部之間的距離通常在2mm左右)，再通過手動或電動操作真空抬包的傳動機構使包體傾斜，電解鋁液從抬包的倒鋁口傾瀉而出快速注入熔煉爐熔池中。在轉注過程中，電解鋁液如傾瀉的瀑布一樣進入熔池底部，并與熔池底部耐火材料發生強烈碰撞，產生強烈的鋁液飛濺。而已經進入熔池內的鋁液則一直處于湍流作用之下，熔池內鋁液表面一直不能形成完整致密的氧化膜從而對鋁液起到有效的保護作用。整個轉注過程，既是大量Al2O3氧化鋁夾雜物生成的過程，也是大量氫氣卷入鋁熔體的過程。

為了解決這一問題，國內外鋁加工工作者進行了大量的研究。最顯著的研究成果就是采用虹吸裝置將電解鋁液由抬包轉注到熔煉爐中[13]。這種裝置被稱之為“自動化虹吸管鋁液轉移系統”，其工作原理如圖5所示。

圖 5 自動化電解鋁液轉注原理Fig.5 Transfer principle of automatic electrolyticaluminum liquid

該裝置主要由虹吸管預熱系統、虹吸管真空控制系統、操作界面、虹吸管輸送與維護設備以及熔煉爐(混合爐)互鎖幾個部分組成。該裝置以“溢流壩模式”操作，這樣，虹吸管從未完全用金屬充滿過。溢流壩模式運用了位于一個虹吸管“頭”部的受控吸力而創造的，虹吸管“頭”使電解鋁液提升至管子的兩個端管之間。當金屬到達溢流點時，開始流向管子的出口端管。由于入口和出口之間的高度差，在入口端管內的金屬首先到達并流過虹吸管溢流堰，流出出口端管。在溢流壩模式中，在PLC控制下，通過逐漸增加吸力保持流動，所以，流動速度不受抬包或熔煉爐(混合爐)內液位的影響。

該裝置的基本操作步驟是，將經過預處理的鋁液抬包放置在熔煉爐附近適當位置和高度(可以利用專門的操作平臺)，并使抬包傾斜一定的角度(大約5°，為的是將包內鋁液排空)，然后將經過預熱的虹吸管同時下降至熔煉爐與抬包內，開啟真空控制系統使電解鋁液由抬包內流向熔煉爐中，待鋁液排空后，由抬包和熔煉爐內吊出虹吸管并將其放置于固定的停放位置。在電解鋁液轉注過程中，虹吸管系統內的鋁液流動速度保持在3m/min～5m/min。正常情況下，轉注容量為8t～10t的抬包，僅僅需要8min～10min。采用虹吸管轉注鋁液，完全消除了鋁液轉注過程中形成的“瀑布”以及“瀑布”對熔煉爐熔池內鋁液的沖擊而產生的湍流與噴濺，使得鋁液始終能夠在鋁液表面以下平穩地進入熔煉爐熔池中。在整個轉注過程中，鋁液表面始終存在一個致密的Al2O3氧化膜，保護高溫鋁液不再受到氧化。這就是該裝置能夠大幅降低氧化夾渣生成，減少鋁熔體中夾雜物和氫含量并降低鋁液氧化燒損的原因。用虹吸管轉注鋁液與用“小瀑布”法轉注鋁液，其氧化燒損可由0.8%～2.0%降低至0.25%左右[14]。因此，為了保證電解鋁液的預處理效果，在預處理電解鋁液入爐時，選擇采用虹吸管鋁液轉注法。

4 電解鋁液預處理裝置的應用效果

對所開發的電解鋁液預處理裝置在某公司進行了生產應用，其效果如下所述。

4.1 除渣效果

電解鋁液預處理前后熔煉爐爐壁狀況對比如圖6所示。由圖6可以看出，將未進行預處理的電解鋁液直接注入熔煉爐，熔煉爐爐墻上形成了大量的浮渣粘附物(圖6(a))；而將經過預處理的電解鋁液注入熔煉爐，熔煉爐爐墻上浮渣粘附物則非常少，爐墻相當干凈(圖6(b))，在使用一段時間或更換合金品種需要清爐時，非常容易，且不易對爐墻和熔池造成損傷，從而可以對熔煉爐耐火材料內襯起到較好的保護作用。

(a)電解鋁液預處理前 (b)電解鋁液預處理后圖6 電解鋁液預處理前后熔煉爐爐壁狀況對比Fig.6 Comparison of melting furnace wall status before and after electrolytic aluminum liquid pretreatment

另外，通過對用未預處理電解鋁液直接入爐和經預處理電解鋁液入爐鋁合金熔煉過程的扒渣量進行比較，前者扒渣量為15kg/t-Al～20kg/t-Al，后者扒渣量為5kg/t-Al～10kg/t-Al，也反映出了電解鋁液與處理裝置明顯的除渣效果。通過對電解鋁液進行預處理，鋁合金熔煉過程中產生的浮渣量大幅減少。另一方面，由于在入爐前對電解鋁液進行了預處理，從而使得所熔煉合金熔體中的夾雜物含量明顯減少，在很大程度上提高了鋁合金熔體的質量。

4.2 除堿效果

對預處理電解鋁液的除堿效果進行了測試，測試結果顯示，通過預處理，電解鋁液中的Na、Ca、Li含量分別由未處理時的20ppm～30ppm、10ppm～20ppm和 10ppm～20ppm下降至<1ppm、<1ppm和<3ppm，說明所開發的電解鋁液預處理裝置具有顯著的除堿效果。這對于雙零箔、易拉罐和高鎂合金坯料等高端熔鑄產品質量的提高具有非常重要的意義。

5 所開發電解鋁液預處理裝置的優點

5.1 改變了鋁合金熔鑄生產的工藝路線

在不改變目前國內出鋁方式的情況下，在熔鑄生產車間建立單獨的“電解鋁熔體凈化系統”，電解鋁液到達熔鑄車間時，先對熔體進行預處理，在電解鋁液中的堿金屬和渣含量滿足要求后，將鋁液注入到熔煉爐內。而原來的生產工藝中沒有對電解鋁液進行預處理這一提高電解鋁液清潔度的關鍵環節，工藝對比如圖7所示。圖7中，紅色曲線為增加電解鋁液預處理工序后的工藝，而黃色曲線則為原工藝。

圖7 生產工藝對比圖Fig.7 Comparison of production process

優點如下：

(1)入爐前對電解鋁液提前進行預處理，可以使更加清潔的鋁液進入到熔煉爐內。該裝置對電解鋁液進行預處理的效果穩定，不受人為因素影響。

(2)由于入爐電解鋁液純凈度提高，減少了熔煉爐內精煉、攪拌、扒渣的次數，工藝時間縮短，降低能源消耗及扒渣車、熔煉爐的設備維護費用。

(3)對于1xxx合金生產來講，經過預處理的電解鋁液沒有必要進入熔煉爐，而可以直接進入保溫爐即可，縮短流程，降低熔煉爐的能耗。

(4)由于提高了入爐電解鋁液的純凈度，從而使得熔煉爐的爐墻掛渣及爐底結渣減少。原來頻繁使用扒渣車扒渣和冷、熱清爐的情況減少，大幅避免了機械清爐時爐體內襯材料受到的外力損傷，延長了熔煉爐耐火材料使用壽命。

(5)電解鋁液預處理裝置是一套獨立的、專門對電解鋁液進行入爐前預處理(除堿和除渣)的凈化系統。它能夠實現電解鋁液預處理的連續性，不會影響電解鋁液出鋁車的工作效率以及熔煉爐的裝爐效率。

(6)“電解鋁熔體凈化系統”的除渣功能采用了新穎的設計思路。為了通過機械撈渣的方式將鋁液表面的浮渣及電解質撈干凈，撇渣器合理設計，減少了熔煉爐扒渣帶鋁多的現象，鋁液的燒損量明顯下降，降低了熔鑄成本。

5.2 綠色環保

抬包內鋁液處理技術使用的無氯精煉技術(不使用氯氣或者氯鹽)有效地從熔融鋁中除去堿金屬和堿土金屬。用清包機清理抬包留下來的廢渣以及除堿過程產生的渣，可以回收到電解車間，是電解車間電解鋁生產的原料。這種無氯技術的使用以及系統配備的環保收塵系統，使操作現場更加清潔，廢料可以循環使用，達到綠色循環經濟的要求。

6 結語

用電解鋁液直接配料生產鋁合金熔鑄產品已經成為鋁加工行業降低能源消耗、提高生產率、降低生產成本和減少溫室氣體排放量的一種有效措施。然而，由于電解鋁液具有“渣含量高和堿金屬含量高”的特點，這就決定了用電解鋁液直接配料生產高品質鋁合金熔鑄產品非常困難。電解鋁液預處理裝置的開發應用，以及與虹吸管鋁液轉注系統的聯合使用，在技術層面上，成功解決了直接利用電解鋁液生產高品質鋁合金熔鑄產品的瓶頸問題，有理由期待電解鋁液預處理裝置在具有鋁電解生產能力的鋁電解廠推廣普及應用。我們相信，通過電解鋁液預處理裝置的推廣普及和應用，“短流程”鋁合金熔鑄產品的質量會得到明顯提升，諸如雙零箔、易拉罐料和高鎂鋁合金坯料的生產也將更加容易，我國鋁加工行業也將會迎來更加燦爛輝煌的明天。