鑄軋液體爐料比例提升熔煉技術研究

劉志文，朱松峰，盧 燕，黃海濤

(洛陽龍鼎鋁業有限公司， 河南 洛陽 471300)

連續鑄軋生產技術是目前鋁合金板帶箔坯料生產的主要方式之一，連續鑄軋是指金屬熔體在連續鑄造凝固的同時進行軋制變形的過程。將液態金屬直接澆入輥縫中，軋輥既起著結晶器的作用又同時對金屬進行軋壓變形。降低鋁合金熔煉能耗和污染的清潔生產技術，是國家重點支持的高新技術領域，如何降低鑄軋熔煉生產能耗是一個企業追求利潤和兼顧環保的必由之路。

目前鑄軋熔煉生產爐料包括電解鋁液、鋁錠、廢料和合金添加劑等，用電解鋁液直接配料生產鋁合金產品具有節能、降低燒損和增加生產效率等優點，但是由于電解鋁液是采用冰晶石-氧化鋁融鹽高溫電解得到的，具有溫度高、氫含量高、氧化夾雜多等缺點[1]。因此全部采用電解鋁液生產鋁合金產品，必然存在晶粒粗大、氫含量高、氧化夾雜多等問題，通常大多數鋁合金加工企業都會選擇最佳的固液比，加入一定量的固體爐料來降低電解鋁液溫度，減小其過熱度，細化晶粒， 這樣既能最大限度的節能又能獲得良好的鋁合金產品質量[2]。關于電解鋁液最佳比例前人研究較多，如蔣詩琪等人[3]、張延麗等人[4]、王建增等人[5]、何正夫等人[6]。目前大多數鑄軋生產企業將電解鋁液添加比例控制在50%～70%。

由于存在較大比例的固體爐料，鑄軋熔煉生產需要消耗大量的燃料(如天然氣、煤氣、重油等)加熱爐料，能耗和燒損較高，本文采用一種新的熔煉生產技術，將液體爐料的范圍由單一的電解鋁液拓展為電解鋁液+剩余鋁液，在不增加新加爐料液體爐料比例的前提下，變相的將液體爐料比例提升，重點研究分析了新型熔煉生產技術對熔煉爐燃料能耗和熔煉跨燒損的影響規律。

1 實驗方法

本實驗在鑄軋3102合金空調箔坯料熔煉生產中進行，熔煉爐為蘇州某公司的30t圓形熔鋁爐，采用天然氣作為燃料，保溫爐為蘇州某公司的18t電爐，一臺熔煉爐供應兩臺保溫爐，共進行兩批次試驗。

1.1 天然氣能耗試驗

鑄軋采用新型熔煉技術生產4爐，后續又按照傳統熔煉工藝生產2爐相同電解鋁液比例的爐料進行對比試驗，每爐次記錄天然氣用量。具體試驗工藝如下：第1爐：裝爐(29t裝爐量電解鋁液比例為64%)—爐內精煉、成分調整—倒爐(倒爐20t～22t，熔煉爐余鋁7t～9t)；第2爐：裝爐(21t裝爐量電解鋁液比例為64%)—爐內精煉、成分調整—倒爐(倒爐 20t～22t，熔煉爐余鋁 7t～9t)；第3爐：裝爐(21t裝爐量電解鋁液比例為64%)—爐內精煉、成分調整—倒爐(倒爐20t～22t，熔煉爐余鋁7t～9t)；第4爐：裝爐(21t裝爐量電解鋁液比例為64%)—爐內精煉、成分調整—倒爐(全部倒完)—清爐；第5爐：裝爐(27t裝爐量電解鋁液比例為64%)—爐內精煉、成分調整—倒爐(全部倒完)—清爐；第6爐：裝爐(27t裝爐量電解鋁液比例為64%)—爐內精煉、成分調整—倒爐(全部倒完)—清爐。

1.2 燒損試驗

鑄軋采用新型熔煉技術生產8爐(共計2個周期)，后續又按照傳統熔煉工藝生產6爐相同電解鋁液比例的爐料進行對比試驗，每爐次稱重并記錄熔煉爐和保溫爐燒損。具體試驗工藝與天然氣能耗試驗相同。

2 實驗結果

2.1 天然氣能耗

第一批次試驗每爐次記錄天然氣用量，具體試驗數據見表1。由表1可見，采用傳統熔煉技術生產時(725爐、729爐、730爐)，液體爐料(電解鋁液)比例平均為65.7%時，熔煉爐天然氣噸耗平均為15.6m3/t，采用新型熔煉技術生產時(726爐、727爐、728爐)，液體爐料包含電解鋁液和熔煉爐剩余鋁液兩部分。新加爐料中電解鋁液比例平均為64.4%時，實際爐料中液體爐料比例平均達到74.2%，熔煉爐天然氣噸耗平均為12.3m3/t，天然氣噸耗下降平均為3.3m3/t，降幅達到21.2%?？紤]到試驗中新型熔煉技術四爐一周期(725爐、726爐、727爐、728爐)，熔煉爐天然氣噸耗平均為13.3m3/t，天然氣噸耗下降平均為2.3m3/t，降幅達到14.7%。按照天然氣2.7元/m3的單價計算，采用新型熔煉技術熔煉爐天然氣噸耗可以節約6.2元/t。

表1 天然氣能耗試驗數據

由表1可見，采用新型熔煉技術生產時(726爐、727爐、728爐)的天然氣噸耗明顯低于采用傳統熔煉技術生產時(725爐、729爐、730爐)的天然氣噸耗，如果延長新型熔煉技術周期爐數，比如由“1+3”周期模式增加到“1+5”或者“1+6”周期模式，則天然氣噸耗還會有下降空間。不過兩種熔煉技術的差別之一是清爐制度不同，傳統熔煉技術倒爐后即清爐，新型熔煉技術由于剩余鋁液的存在，只能一個周期一清，如果延長新型熔煉技術周期爐數，會使得熔煉爐爐況持續變差，危害鋁液的精煉凈化效果，所以周期爐數不能無限增加，生產實踐證明，“1+(3～5)”周期模式較好。

每爐次在倒爐后均在軋制測量熔體氫含量，以此來衡量熔體質量是否滿足要求，具體數據見表2。由表2可見，采用相同的爐內處理和爐外在線處理工藝處理熔體后，兩種熔煉工藝的最終熔體氫含量無明顯變化，均達到工藝要求(氫含量≤0.15ml/100g·Al)，熔體質量完全達到工藝要求。坯料經過冷軋軋制和涂層處理后表面質量和力學性能均能滿足客戶需求。

表2 鋁合金熔體氫含量數據

2.2 燒損

第二批次試驗期間每爐次將熔煉爐和保溫爐鋁渣稱重、記錄，具體試驗數據見表3。由表3可見，采用傳統熔煉技術生產(917爐～922爐)，新加爐料電解鋁液比例平均為65.5%時，熔煉燒損為2.16%；采用新型熔煉技術生產(909爐～916爐)，新加爐料電解鋁液比例平均為62.8%(液體爐料比例平均為70.6%)時，熔煉燒損為1.77%；熔煉燒損明顯降低，如果剔除熔煉爐剩余鋁液的影響，新加爐料燒損為2.24%，燒損持平。

表3 鋁燒損試驗數據

根據鑄軋分廠的清爐制度，采用傳統熔煉技術生產時，每三爐大清爐一次，其余小清爐，大清爐后第一爐新加爐料燒損最低(如917爐)，逐漸增加，第三爐清爐，新加爐料燒損最高(如919爐)。根據試驗方案，采用新型熔煉技術生產時，每四爐大清爐一次，其余不清爐，清爐后第二爐新加爐料燒損最低(如910爐)，逐漸增加，第四爐清爐，新加爐料燒損最高(如912爐)。

3 分析與討論

鋁熔煉爐是典形的周期式髙溫熔煉設備，一般來說，從爐料入爐開始，鋁熔煉過程大致分為4個階段，即爐料裝爐→軟化下塌→爐料化平→爐料全部熔化→熔體升溫階段。剛裝入爐的固體爐料在爐內呈料堆狀態，隨著溫度上升，料堆表面的爐料開始熔化，熔融的鋁液向下流動，當溫度達到660℃左右時，支承料堆的強度消失，料堆下降并沒入液面以下，鋁熔煉爐爐內逐漸呈水平液面。在料堆沒入液面之前，火焰直接沖擊在料堆之上，鋁熔煉爐爐內對流傳熱效果占主導作用。隨著料堆逐漸沒入液面，液面下的熔體呈固液混合狀態，對流傳熱作用逐漸下降，鋁熔煉爐爐膛溫度上升速度逐漸加快并很快達到定溫，輻射傳熱作用逐漸上升，這時，表面鋁液的溫度上升很快，并將熱量向液面下的固液混合體傳遞。同時此過程還伴隨著鋁的固液轉化，這個階段熔體的溫度變化不大，熔化過程變得緩慢，需要的時間更長，消耗的熱量更多，當固體爐料全部轉化成液態以后，熔體對熱負荷的需求大幅減少，鋁液溫度上升[7]。

熔煉階段的熱量來源主要有熔煉爐爐壁余熱、液體爐料熱量和燃料燃燒熱量，其中以燃料燃燒熱量為主，熔煉爐爐壁余熱和液體爐料熱量為輔，熱量去處主要是固體料溫升、熔化潛熱、液體料溫升和爐壁散熱。采用傳統熔煉技術時，每次倒爐后清爐，添加30%～50%的固體爐料等操作需要較長時間打開爐蓋和爐門，熔煉爐余熱散失嚴重。由于固體料比例高，軟化下塌階段耗時長，料堆沒入液面后，液面下固液混合區固體比例高，固液轉化消耗的熱量更多，因此燃料消耗量大。新型熔煉技術開創性的將液體爐料的范圍拓寬，從單一的電解鋁液變為熔煉爐剩余鋁液+電解鋁液，減少固體料在爐料中的比例，使得爐蓋和爐門開啟時間大為縮短，熔煉爐爐壁余熱散失明顯減少；且軟化下塌階段耗時縮短，料堆沒入液面后，液面下固液混合區固體比例降低，固液轉化消耗的熱量明顯減少，因此燃料(天然氣)噸耗下降約 15%。同時相對于電解鋁液，熔煉爐剩余鋁液是經過熔體精煉工藝凈化過的，質量遠優于電解鋁液，液體爐料比例的增加對產品質量的影響大為減弱。

熔煉燒損的產生大致可以分為兩個階段：爐料熔化階段產生的燒損和爐內精煉處理產生的燒損。由于精煉處理工藝相同，所以由此產生的燒損應該差別不大。從表3可知，傳統熔煉技術保溫爐燒損平均為0.67%，新型熔煉技術保溫爐燒損平均為0.57%，差別不大，推之，熔煉爐精煉處理燒損應該也差別不大。所以導致爐次間燒損差別較大的原因主要在于爐料熔化階段產生的燒損不同，這也是兩種熔煉技術的根本區別所在。

采用傳統熔煉技術生產時，由于液體爐料(電解鋁液)比例小，無法浸沒固體料，固體爐料軟化下塌階段耗時長，化料時間長，高溫火焰直接沖擊在料堆之上，與鋁接觸面積大，導致燒損大。采用新型熔煉技術生產時，由于液體爐料(電解鋁液+剩余鋁液)比例大，基本可以浸沒固體料，高溫火焰直接沖擊在液面之上，與鋁接觸面積小，明顯縮短化料時間，燒損變小。但是由于剩余鋁液必須重新進行后續爐內精煉處理，會再產生一部分燒損，二者相互抵消，使得兩種熔煉技術燒損相差不大。

綜上分析，將熔煉爐液體爐料由單一的電解鋁液拓展為電解鋁液+剩余鋁液，在不增加新加爐料中電解鋁液比例的情況下，將液體爐料比例由64%左右提高到74%左右，大幅增加液體爐料供熱量，提高熔煉爐爐壁余熱的利用率，減少固體爐料固液轉化所需熱量，縮短爐料熔化時間，從而使得熔煉爐燃料(天然氣)噸耗降低15%左右。采用此種熔煉技術，由于液體爐料的比例超過70%，基本可以浸沒固體料，高溫火焰直接沖擊在液面之上，與鋁接觸面積小，改變爐料熔化階段的傳熱方式，降低化料階段燒損，只不過由于剩余爐料進行再次精煉處理會產生一部分燒損，經過中和，熔煉燒損持平。

綜上，此種液體爐料比例提升技術可明顯降低鑄軋熔煉燃料噸耗，燒損持平，且避免液體爐料比例超過70%而造成的產品質量惡化。

4 結論

(1)采用傳統熔煉技術生產時，液體爐料(電解鋁液)比例平均為65.7%，熔煉爐天然氣噸耗平均為15.6m3/t；采用新型熔煉技術生產時，新加爐料中電解鋁液比例平均為64.4%，實際液體爐料比例平均達到74.2%，熔煉爐天然氣噸耗平均為12.3m3/t，天然氣噸耗下降平均為3.3m3/t，降幅達到21.2%?？紤]到試驗中新型熔煉技術四爐一周期，熔煉爐天然氣噸耗平均為13.3m3/t，天然氣噸耗下降平均為2.3m3/t，降幅達到14.7%。按照天然氣2.7元/m3的單價計算，采用新型熔煉技術熔煉爐天然氣噸耗可以節約6.2元/t。

(2)采用相同的爐內處理和爐外在線處理工藝處理熔體后，兩種熔煉工藝的最終熔體氫含量無明顯變化，均達到工藝要求(氫含量≤0.15ml/100g·Al)，熔體質量完全達到工藝要求。坯料經過冷軋軋制和涂層處理后表面質量和力學性能均能滿足客戶需求。

(3)采用傳統熔煉技術生產，電解鋁液比例平均為65.5%時，新加爐料燒損為2.16%；采用新型熔煉技術生產，新加爐料電解鋁液比例平均為62.8%(液體爐料比例平均為70.6%)時，新加爐料燒損為2.24%；熔煉燒損基本相同。