電工圓鋁桿的鋁熔體爐內精煉工藝現狀與展望

袁聲波，郝峰焱，周凡，王正興，金會心*，黃潤，顧煒

電工圓鋁桿的鋁熔體爐內精煉工藝現狀與展望

袁聲波1，郝峰焱1，周凡1，王正興2，金會心2*，黃潤2，顧煒2

（1.中鋁貴州分公司合金化事業部，貴陽 551405；2.貴州大學 材料與冶金學院，貴陽 550025）

近年來隨著電力行業的飛速發展，普通圓鋁桿已經無法滿足電力行業的實際需要，亟需生產具備高強度、高導電率等優異性能的電工圓鋁桿，以助力電力行業的發展。鋁熔體的爐內精煉是生產高品質電工圓鋁桿的基礎及技術關鍵，但受限于熔體中夾雜的去除、雜質元素（Fe、Si、Mn、Ti、V、Cr等）、除氣裝備、測夾雜和測氫能力等影響因素，無法很好地滿足生產高品質產品的需要。當前，許多學者致力于研究高效環保的新型精煉劑和更為先進的精煉裝備與技術，目的是改善傳統爐內精煉技術存在的精煉效果不好、對環境產生負面影響、精煉自動化程度低等問題。而未來鋁熔體爐內精煉技術的發展也應該呈現為更加安全、環保、高效的趨勢。重點介紹了鋁熔體的爐內熔劑和氣體精煉原理、爐內精煉技術現狀、鋁熔體中夾雜和氫的檢測方法及其他雜質元素的去除現狀，同時還對傳統爐內精煉技術的不足及改進方向提出建議和展望，旨在為爐內鋁熔體的高品質精煉和后續高質量電工圓鋁桿的生產提供參考。

電工圓鋁桿；鋁熔體；爐內精煉；夾雜物；氫

電工圓鋁桿是電力傳輸領域中用于制作電纜電線的原材料，近年來隨著電力行業的發展，對電力傳輸和電網建設提出了更高的要求。原有輸電電網面臨增容改造的問題，而普通鋁桿的抗拉強度和導電性一般，增加了電網建設成本，隨著國家特高壓、長距離輸電的大力建設，亟需高強度高導電率的電工圓鋁桿。

電阻率、延伸率和抗拉強度是電工圓鋁桿的主要性能指標，影響電工圓鋁桿物理性能的因素主要有雜質的影響、工藝條件的影響和自身缺陷的影響。在熔煉過程中，鋁液中的氫、夾雜物、堿金屬和其他雜質對鋁合金的質量影響尤為嚴重[1-6]。不過，適當含量和比例的Si、Fe等元素會對圓鋁桿的物理性能提升有所幫助，通常以Fe含量（質量分數）控制在0.16%～ 0.30%、（Si）控制在0.06%～0.16%[7]、（V+Ti+ Cr+Mn）≤0.0144%和（Al）≥99.70%為宜[8]。電工圓鋁桿的導電性主要取決于材料本身的成分組成，后序工藝（軋制和熱處理等）可以在一定范圍內提升其抗拉強度。在一般情況下，電工圓鋁桿的導電性和抗拉強度是相互矛盾的，只有找到同時滿足2種性能要求的最佳平衡點才能更好地滿足產品應用需要；有效控制鋁熔體的成分是達到生產要求的關鍵所在。鋁熔體的爐內精煉工藝是控制鋁熔體成分的主要工藝，只有做好爐內精煉工藝才能更好地配合后序相關工藝（扒渣、靜置、在線除氣和在線過濾等）綜合控制材料的成分組成。

1 鋁熔體爐內精煉原理

鋁熔體的高效精煉是生產高質量電工圓鋁桿的重要保證，在提高電工圓鋁桿綜合性能方面起著不可或缺的作用。如果鋁液沒得到精煉，鋁液中所含的可溶性氣體及非溶性夾雜物較多、加工過程中吸入氣體或引入其他雜質，就可能會在電工圓鋁桿內部產生夾雜和氣孔等缺陷，對產品的抗拉強度等性能有著巨大影響[9-16]。因此，鋁熔體的爐內精煉對高品質電工圓鋁桿的生產具有重要意義。

1.1 熔劑精煉原理

爐內精煉早期主要采用混合氣體（氮氣-氯氣）精煉，雖然能得到較好的精煉效果，但是氯氣的使用可能會給環境和人體健康帶來危害。后來，國內普遍采用氣體與粉狀精煉劑一同吹入的方法精煉鋁熔體。熔劑精煉的原理是夾雜物與熔劑間的潤濕性和夾雜物與鋁熔體間的潤濕性存在差異，夾雜物有自發由熔體遷入與之潤濕作用更強的熔劑中的趨勢，熔劑攜帶著夾雜上浮到熔體表面，從而達到去除夾雜效果[17]。Li等[18]認為：熔劑與夾雜物潤濕分為2種不同的類型，其主要取決于熔融鹽的球冠半徑和夾雜物的尺寸的大小關系，如圖1[19]所示。當2<時，表現為黏附潤濕；當2>時，體現為浸入潤濕。熔融鹽液滴的體積、半徑與潤濕角之間的關系如下[19]：

式中：為熔融鹽液滴的體積；為球冠半徑；為熔劑與夾雜物之間的潤濕角。

圖1 熔融鹽與夾雜物的潤濕情況[19]

在使用熔劑精煉時，熔劑的除夾雜效果主要取決于熔劑與夾雜物之間的潤濕程度，兩者間的潤濕性越好，熔劑的除夾雜能力就越強，可以用熔劑在夾雜物上潤濕角的大小來判斷潤濕性能的好壞。此外，熔劑、夾雜物和鋁熔體之間的界面張力還滿足如下關系：

式中：M-I為夾雜與鋁熔體之間的界面張力；F-M為鋁熔體與熔劑之間的界面張力；F-I為夾雜與熔劑之間的界面張力。

由式（4）可知，M?I越大，F-M、F-I越小，熔劑對夾雜物的潤濕角越小，即熔劑的潤濕除渣性能越好[19]。

1.2 氣體精煉原理

氣體精煉的主要目的是脫除鋁熔體內所含有的氫，其原理是氣泡浮游理論[20]。通常是向鋁熔體中吹入不與之反應的氣體，這些氣體會在熔體內形成大量氣泡，利用氫在鋁熔體中和氣泡中存在的分壓差，使鋁熔體中的氫進入氣泡并隨氣泡上浮而逸出熔體[21-24]，氣體精煉基本過程如圖2所示。

2 鋁熔體爐內精煉技術

爐內精煉按精煉工藝可以分為氣體精煉、熔劑精煉以及將兩者結合精煉；由于精煉熔劑具有高溫下容易分解、吸附能力強等特殊優勢，成為了目前國內外應用較為廣泛的一種鋁液精煉手段。精煉熔劑通常由含堿金屬元素的氯化鹽、硝酸鹽等組成[26]。當前，根據不同的精煉需要，發展出了更多種類的精煉熔劑[27]，但彼此間所呈現的精煉效果不一。

國內外大都采用將精煉熔劑和惰性氣體噴入熔煉爐的方法進行爐內精煉操作，有的企業使用的混合惰性氣體中仍然包括有害氣體——氯氣。鑒于此方法對環境會產生不利影響、人工操作強度大和后續加工高端產品的需要等因素，爐內精煉技術也逐步在向更具環保效益、精煉效果更好的方向發展。電工圓鋁桿對鋁液成分要求較為嚴苛，為了保證產品的性能達到標準，生產企業應從精煉熔劑、精煉氣體等方面綜合選擇其生產工藝。

2.1 常規精煉劑噴粉精煉

精煉劑噴粉精煉是目前國內大部分鋁企業在生產過程中采用的精煉技術，其具體操作是將粉狀精煉劑按照精煉前準備好的用量裝入噴粉裝置，然后隨惰性氣體一起噴入鋁熔體內?？梢赃_到除氫和去除夾雜的精煉效果，為了保證鋁熔體得到充分的精煉，精煉時間一般為5～20 min[28]。不過，使用粉狀精煉劑來精煉鋁熔體時會帶來大量的粉塵，將加劇熔劑污染并增大產生危險的可能性。為了取代粉狀熔劑，世界各地相繼開始研究和生產顆粒狀熔劑[29]；不少學者也將關注點放在傳統精煉劑的不足之處，將研究方向轉為對精煉劑的改進。陳家鑫等[30]研究對比了稀土精煉劑和普通精煉劑，發現使用稀土精煉劑生產的鑄錠具有更優秀的熱塑性和熱擠壓加工性能。陳聞天等[31]研發了新型環保GFLUX—J100顆粒狀熔合精煉劑，可以有效降低熔煉過程中鋁的燒損，在去除Na、Li等堿金屬時表現優異。

2.2 旋轉噴吹精煉

旋轉噴吹精煉系統主要由旋轉噴嘴機構、電控系統、氣控系統等組成，可以靈活選擇吹入的精煉介質（氣體、氣體+精煉劑）。其工作流程主要為：將預熱過后的轉子經過預留的小門伸入爐內進行噴吹精煉，精煉完畢后清理轉子，隨后收回轉子，最后關閉小門[32]。

旋轉噴吹精煉的優勢在于精煉介質在經過快速旋轉的噴嘴后，可以更加均勻地分散在熔池中。由于旋轉裝置的特殊設計，當精煉介質選擇氣體時，氣體在進入熔體后會被快速剪切為大量小尺寸氣泡，這使得氣泡與熔體接觸面積更大、接觸時間更長，從而提高了精煉效果。此外，旋轉裝置還能對熔體起到一定的攪拌作用。因為通常不用打開大爐門，實現了更全面的惰性氣體覆蓋，也減弱了爐內熔體的溫度波動。由于該系統自動化程度較高，使精煉效果更為穩定可控。但旋轉噴吹精煉的缺點是：相較于傳統精煉技術，其所使用的精煉裝備價格更為昂貴。

2.3 透氣磚精煉

透氣磚精煉是目前國內外爐內精煉的相關研究熱點之一，其精煉過程通常是在爐底鋪設具有良好熱穩定性的透氣磚，再配置相應的通氣管路和自動控制系統，用于控制向爐內通入惰性氣體，然后進行精煉。透氣磚精煉除氫效果好，可以減少熔煉過程中產生的渣量，還能在一定程度上降低鋁液中的溫度差。但透氣磚精煉也存在一些弊端，市面上透氣磚的價格普遍昂貴，會增加生產成本；透氣磚精煉存在滲鋁的現象，有時還會發生堵塞，嚴重影響到生產的連續性。

對整個鋁熔體爐內精煉來說，透氣磚精煉沒有實現完全的無熔劑精煉。國內某公司針對此問題，在透氣磚精煉的基礎上開發了爐底氣泡床精煉技術。該技術通過精準的氣泡控制系統和爐底布置的透氣塞，在爐內形成動態平衡的氣泡床，氣泡床由大量微小的氣泡組成，且氣泡在運動的過程中會捕獲熔體中的氫，將之帶出鋁液，同時還通過吸附作用對夾雜進行去除，去除效果可觀[29]。氣泡床精煉技術不僅可以達到良好的除氫效果，還特別適合用于去除大量鋁液中的少量夾雜。

2.4 鋁熔體爐內精煉改進建議

電工圓鋁桿需要具備良好的導電性能和抗拉強度，為此生產企業應該不斷改進其生產工藝以提高電工圓鋁桿的物理性能。傳統的爐內精煉手段存在精煉效果不顯著、對周邊環境不友好、生產安全系數不夠高等缺陷，針對電工圓鋁桿的鋁熔體爐內精煉，在此提出一些相關建議：

1）在精煉劑的選擇方面，應采用顆粒狀精煉劑以解決粉狀精煉劑所帶來的污染等問題，以改善生產環境；選擇精煉效果優良的精煉劑，在一定程度上可以減少精煉劑的使用量，從而方便了生產，同時還需注意精煉劑的環保性能。

2）在精煉技術的改進方面，在控制生產成本的同時，不但要關注良好的除氣效果，除夾雜效果也同等重要，從而確保生產的連續性以獲得更高的經濟效益。此外，多種精煉技術相互結合、相互協同也可以帶來更好的精煉效果。

3）高效率、低成本、自動化、智能化精煉應當成為爐內精煉的主要趨勢，可以在很大程度上減少人工精煉操作帶來的不穩定因素，更加精準地控制影響精煉結果的各種因素，穩定達到精煉標準。

3 鋁熔體中夾雜和氫的檢測及去除

長期以來，隨著世界各國對環保的愈加重視以及對安全高效的生產需要，鋁加工企業不斷改進更新其鋁熔體爐內精煉技術和工藝裝備，這使得鋁熔體中的夾雜和氣體含量持續降低；與此同時，鋁熔體中雜質的檢測手段也在一次次生產實踐中得到相應的提高。在通常情況下，當圓鋁桿本身存在氣孔、夾渣的現象，那么其抗拉強度和延伸率必然很低，電阻率則相對較高，從而影響其物理性能。因此，鋁熔體中夾雜和氫的定性檢測對電工圓鋁桿的鋁熔體精煉起著重要的指導作用。

3.1 鋁熔體中夾雜的檢測方法

由于夾雜物在鋁熔體中會存在局部偏析等情況，對夾雜物的檢測結果很難評價整個熔體中夾雜物的狀況，通常只對其作相對定性的分析[33]。傳統上大都采用溴-甲醇法定量檢測金屬鋁中氧化鋁的含量，其原理是在一定的溫度條件下，將金屬鋁樣溶解于溴-甲醇溶液中，樣品中的鋁及其部分合金元素與溶液反應生成溴化物進而溶于甲醇中，而氧化鋁不溶于甲醇，可以將其過濾后分離。但受限于此方法的局限性，并不能測定金屬鋁及其合金中總的非金屬夾雜的含量。周月雯等[34]針對傳統溴-甲醇法的洗滌、灼燒等過程，改用不同的洗滌劑進行對照洗滌；用無吸附性的過濾坩堝替代濾紙過濾；換用精度更高的十萬分之一分析天平保證更高的分析精度，以此對傳統方法進行改進后，成功測出了鋁合金中總的夾雜含量。

采用傳統金相法可以觀察金相樣品中夾雜物的物理形態和化學狀態，但檢測準確性無法達到較高水平，所以通常會引入計算機技術以提高其檢測速度。結合掃描電鏡便可以較為準確地檢測出夾雜物的形貌和成分[35-43]。雖然金相檢驗的試樣制備會花費較長時間，但可以得到較為直觀的定量分析結果[44]。

采用過濾的方法可以較為直接地分離鋁熔體中的夾雜，然后再對夾雜進行檢測分析。其基本原理是：通過施加外力或依靠鋁熔體自身的質量使之流過特制的過濾裝置，過濾裝置通常由耐高溫、比表面積大、化學穩定性強的多孔泡沫陶瓷制備而成，熔體中的夾雜物在經過三維立體的過濾裝置時被阻擋捕獲[45-54]?；诖嗽硌苌硕喾N鋁熔體中夾雜的檢測方法。比如，Prefil-Footprinter法是通過自動化系統監控熔融金屬流過納米級過濾片，同時自動記錄過濾量與時間的曲線圖，再分析過濾曲線就可以得知當前鋁液含渣量的水平[55]。此方法可以在較短時間內，對熔體中夾雜物進行定性定量分析，因而可以應用在熔體品質實時監控與檢測方面。

3.2 鋁熔體中氫含量的檢測方法

鋁熔體由于通常難以避免與空氣中的水蒸氣接觸，以及某些熔煉原材料本身含有水分，它們在高溫下與鋁液反應最終轉變為原子態的氫。而氫對鋁熔體及其后續加工危害極大，對于氫的在線檢測技術經過多年發展，使用較為廣泛的方法有減壓凝固法、惰性氣體循環法、氫濃差電池法等[56]。這些方法可以起到定量或定性測氫的作用。

減壓凝固法是利用氫會在真空條件下從逐漸凝固的鋁樣中析出，再通過檢測分析的方式，以此達到測氫的目的。因其工藝設備簡單、操作方便、檢測成本低等優勢，在實際應用中有著舉足輕重的地位，如今在一些熔煉現場仍在大范圍使用。其不足之處在于，當鋁液中氫的含量處于較低水平時，此方法的測氫靈敏度也相對較低。

惰性氣體循環法是通過探頭向鋁熔體中輸送不與之反應的惰性氣體，然后將熔體中的氫攜帶出來，循環氣體通常選擇氮氣或氬氣，該方法不需要對鋁液進行取樣檢測，可以直接測量鋁液中的氫。不過，當鋁熔體中氫含量較低時，因為鋁液中的氫需要更長的時間擴散，測氫時間也會相應延長。此外，鋁液容易對探頭造成堵塞進而會增大生產壓力。

近年發展起來的氫濃差電池法可以說是新型鋁液氫含量檢測方法的代表，該方法在國外率先得到發展，利用高溫質子導體陶瓷材料的質子傳導性能，根據電動勢、溫度與氫分壓之間的Nernstian定律實現氫分壓的測試[57]，測量結果可靠。此方法不僅可以實現鋁液中氫的連續檢測，相對于傳統測氫技術在檢測速度方面也有一定的提升。

3.3 鋁熔體中夾雜、氫和其他雜質元素的去除現狀

鋁液中的夾雜物主要包括氧化物、氯化物、氮化物和硅酸鹽[58]等。夾雜物的存在會嚴重影響后續加工過程。氫含量也是鋁熔體爐內精煉需要控制的重要指標，當鋁液中的氫含量達到0.15 mL/100 g（Al）以上時，會導致產品的機械性能特別是抗拉強度和延伸率明顯降低，按照相關標準，鋁合金制品氫含量一般應小于0.15 mL/100 g（Al），在航空航天方面，鋁合金氫含量一般不能超過0.10 mL/100 g（Al），在高質量電子工業方面，鋁材氫含量需低于0.06 mL/100 g（Al）[59]。

秦頤鳴等[60]研究對比了氮氣精煉和氮氣-氯氣混合氣體精煉2種精煉方法，原因是這2種氣體都具有良好的精煉效果，且能分解部分氧化鋁。對比發現，采用氮氣-氯氣混合氣體精煉后，鋁中氫含量由0.24 mL/100 g（Al）降至0.11 mL/100 g（Al），降低了54.2%，夾雜含量由0.27 mm2/kg降至0.18 mm2/kg，降低了33.3%，證明了相對于氮氣精煉，混合氣體精煉效果更為顯著。李斌亮等[61]研究了某精煉劑在現行精煉工藝下對鋁熔體中非金屬夾雜的去除效果，發現該精煉劑對夾雜的總去除率能達到87.95%，完成爐內精煉操作后，殘留在熔體中夾雜的尺寸大部分都小于5 μm。葛素靜等[62]分別采用普通精煉劑和K3AlF6含量較高的自制精煉劑對鋁合金進行精煉，再結合吹入惰性氣體除氣，發現使用普通精煉劑可將氣渣體積分數降至1.35%，而使用K3AlF6含量較高的精煉劑則可以將氣渣體積分數進一步降至1.21%。

鋁熔體中的微量雜質元素Fe、Si、Mn、Ti、V、Cr等對電工圓鋁桿的性能影響較大，控制鋁熔體中雜質元素含量是爐內精煉的重點和技術難點。目前，電工圓鋁桿大都直接采用電解原鋁液經爐內精煉后連鑄連軋生產，所以鋁熔體中雜質元素受電解鋁液波動影響較大，通過爐內精煉技術控制雜質元素含量是生產滿足高強度、高導電性電工圓鋁桿的關鍵。

目前，通過添加硼元素可以有效處理這些微量元素，研究表明，硼元素的加入會與Ti等元素生成沉淀相，對Mn、Ti、V等元素的去除率可達60%～70%[63]。此外，Cui等[64]研究對比了Al-6B中間合金的不同加入量對工業純鋁導電性的影響，發現中間合金添加量（質量分數）為1.0%時，提高了工業純鋁3.2%的導電率，效果最為明顯。此外，Li等[65]選擇Ce作為添加劑用來熔煉工業純鋁，發現加入Ce后，鋁基體中Si的含量明顯降低，純鋁的導電率也有所提高，其原因是Ce與Si反應生成了金屬間化合物。電工圓鋁桿的鋁熔體爐內精煉在雜質的去除方面，往往更加關注提高其導電性能和強度，因此，鋁熔體中夾雜、氫和其他雜質元素的去除也該朝這個方向發展。

4 結論

隨著國家電力行業的增容改造，迫切需要高強度、高導電率的電工圓鋁桿來助推電力行業的發展，在帶來機遇的同時，電工圓鋁桿的生產企業也面臨新的挑戰。而鋁熔體的爐內精煉則是生產高品質電工圓鋁桿的重要一環，以下是對當前鋁熔體爐內精煉技術的相關總結：

1）熔劑精煉是依靠夾雜與熔劑間的潤濕性優于夾雜與鋁熔體間的潤濕性來達到精煉的目的，而氣體精煉則主要依靠的是氣泡浮游理論。就熔劑的除渣性能來說，熔劑與夾雜物的潤濕角越小，越能達到更高的潤濕除渣性能。

2）傳統精煉劑存在產生污染、精煉效果上限低等弊端，從而凸顯了新型精煉劑研究和開發的必要性。新型精煉劑應該兼具環保、高效、功能多樣化等性能。先進的精煉技術往往能更好地服務于人、服務于生產，改進精煉工藝有助于提高電工圓鋁桿的物理性能；綠色可持續發展是時代的主旋律，爐內精煉技術的創新除了要滿足生產的安全、成本、效率等要求外，也應該符合這一主旋律。

3）對于鋁熔體的爐內精煉，尤其是后續還需進一步加工成高品質的電工圓鋁桿時，監控并檢測鋁熔體中的夾雜和氫含量是非常重要的，檢測手段的跟進也有助于縮小企業間產品的差距。而在實際精煉過程中，檢測設備應該向檢測靈敏度更高、檢測時間更短、檢測連續性更好的方向發展，以滿足實際生產的需要。

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Current Status and Prospects of Aluminum Melt Furnace Refining Process for Electrical Round Aluminum Rod

YUAN Shengbo1, HAO Fengyan1, ZHOU Fan1, WANG Zhengxing2, JIN Huixin2*, HUANG Run2, GU Wei2

(1. Alloy Business Department of China Aluminum Guizhou Branch, Guiyang 551405, China; 2. School of Materials and Metallurgy, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

In recent years, with the rapid development of the power industry, ordinary round aluminum rods have been unable to meet the actual needs of the power industry. There is an urgent need to produce electrical round aluminum rods with excellent properties such as high strength and high conductivity to help the development of the power industry. The furnace refining of aluminum melt is the foundation and technical key for producing high-quality electrical round aluminum rods, but there are still many shortcomings due to limitations in the removal of inclusions and impurity elements (Fe, Si, Mn, Ti, V, Cr, etc.), degassing equipment, and the ability to measure inclusions and hydrogen. Currently, many scholars are committed to studying efficient and environmentally friendly new refining agents and more advanced refining equipment and technologies, with the aim of improving the problems of traditional furnace refining technology, such as insufficient refining efficiency, environmental pollution, and low level of refining automation. The development of furnace refining technology for aluminum melt in the future should also present a trend of being safer, more environmentally friendly, and more efficient. The work aims to summarize the principles of furnace flux and gas refining, the current status of furnace refining technology in China and abroad, the detection methods for inclusions and hydrogen in aluminum melt, and the removal status of other impurity elements. At the same time, suggestions and prospects for the shortcomings and improvement directions of traditional furnace refining technology are also proposed, aiming to provide reference for the high-quality refining of furnace aluminum melt and the subsequent production of high-quality electrical round aluminum rods.

electrical round aluminum rod; aluminum melt; furnace refining; inclusions; hydrogen

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.02.009

TG292

A

1674-6457(2024)02-0071-08

2023-11-28

2023-11-28

國家自然科學基金（52164036）；國家自然科學基金（U1960201）

National Natural Science Foundation of China (52164036); National Natural Science Foundation of China (U1960201)

袁聲波, 郝峰焱, 周凡, 等. 電工圓鋁桿的鋁熔體爐內精煉工藝現狀與展望[J]. 精密成形工程, 2024, 16(2): 71-78.

YUAN Shengbo, HAO Fengyan, ZHOU Fan, et al. Current Status and Prospects of Aluminum Melt Furnace Refining Process for Electrical Round Aluminum Rod[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(2): 71-78.

（Corresponding author）