车载平台脱锂脱硼装置的研发及应用

车载平台脱锂脱硼装置的研发及应用

樊军伟 樊书畅

河南中孚实业股份有限公司，河南巩义， 451200

摘要：本文通过分析电解铝液中夹渣和碱金属含量升高对铝加工熔铸生产造成的影响，从而研发一种车载平台脱锂脱硼装置，能有效除氢降低熔铸生产中夹杂及碱金属含量，经推广使用后，有效提升铝加工产品质量。该装置投入少，效果好，易于推广。

关键词：电解铝液；脱锂脱硼；装置；研发与应用；

1、前言

随着我国铝工业的发展，使用电解铝液直接熔铸生产铝合金坯料已经成为一种趋势。据统计欧美发达国家电解铝液就地转换率约60%-70%，我国电解铝液的就地转换率也已达到50%以上，这种缩短流程的工艺，带来效率的提升及能耗的降低，但随之而来的是铝液中非金属杂质含量高，杂质元素Fe Si以及碱金属元素Li B Na K Ca等含量高，尤其是为节能降耗，铝电解企业考虑成本使用不同产地的氧化铝，造成原铝中锂、硼、钒等微量元素超标，这些微量元素在后期的合金化处理中又与其它金属元素反应呈饱和状态，不能很好去除，使后续高端产品出现质量问题。因此，研究探讨前期对电解铝液进行预处理的装置，对目前短流程熔铸及使用氧化铝质量较差的电解企业较为重要。

2、电解铝液就地转化铝合金熔铸工艺的优缺点

目前采用电解铝液就地转化铝合金熔铸工艺，是将一定比例的电解铝液和固体料（工艺废料、重熔铝锭及各种中间合金）添加到熔炼炉内熔炼，电解铝液经电解车间出铝后，直接用抬包运送倒入熔炼炉内，这样，将电解铝液内的各种非金属夹杂物和大量碱金属带入熔炼炉，后期经成分预分析、合金配比、精炼、静置等工艺后，去除铝液中的各种夹杂物及碱金属，然后放流铸造。但在工艺过程中，由于夹杂物及碱金属含量的增加，一旦炉内精炼不当或碱金属化合物在炉底或炉壁粘结到饱和状态下，造成非金属夹杂物或碱金属不易除掉，留存到熔铸产品中，降低铝合金熔体的铸造性能，在熔铸产品中形成气孔、夹杂、黑丝、黑带等缺陷，还会使合金的抗拉强度和延伸率下降，甚至由于钠脆性导致熔铸产品开裂，下面就着重分析一下这种短流程给熔铸生产带来的影响。

2.1 缩短流程工艺的优点

1、电解铝液直接倒入熔炼炉，减少为温度损失，铝液温度较高，能有效溶解废料，降低燃气单耗。

2、改进炉组所需生产周期的时间，缩短流程带来生产效率的提升。

3、减少重熔铝锭的二次熔化损耗，成品率升高，熔铸成本得到大幅降低。

2.2缩短流程工艺的缺点

1、大量夹杂物和碱金属进入熔炼炉后，对熔炼炉内衬寿命影响；电解铝液中含有大量的碱金属，如Li K Na Mg Zn等，它们都具有非常活波的化学性质，极易与耐火材料内衬中的一些成分发生反应。尤其是Mg元素，与耐火材料中的AL₂O₃、SiO₂及Fe₂O₃发生反应，将Al、Si和Fe还原出来，造成炉内衬材料受侵蚀，还使炉内铝液Fe、Si含量增加，其它碱金属元素Li K Na Ca也会发生此类反应。(反应方程式如下)

3Mg_（气）+ AL₂O₃→3MgO+2AL

2Mg_（气）+ Fe₂O₃→3MgO+2Fe

2Mg_（气）+ SiO₂→3MgO+Si

2、大量非金属夹杂物和碳化物、氮化物、硫化物直接进入熔炼炉内后，很容易沾附到熔炼炉内衬上，并随时间的延长与炉内衬材料紧密结合在一起，人工或机械清炉时，对炉内壁材料造成机械损伤，从而影响熔炼炉寿命。

3、电解铝液杂质较多后造成熔炼炉内结渣多，清炉周期缩短，增加工人劳动量。

4、由于电解铝液硼含量过高，导致保温炉加钛时，钛与硼结合生成了TiB₂逐渐沉积，最终炉内铝液底部产生大量的TiB₂，而铝液中钛含量不够，必须重新添加大量铝钛合金，造成原材料浪费。在铸造过程中随着保温炉倾翻角度不断增加，铝液底部TiB₂不断释放，逐步进入铸造在线箱体及铸锭中，导致钛含量波动，并且聚集的TiB₂会导致铝箔坯料及罐体料有针孔风险，同时由于TiB2的聚集也会导致管式过滤堵塞。

3、车载平台脱锂脱硼装置的开发

3.1 开发思路

综上所述，鉴于电解铝液中夹杂物及碱金属含量对铝合金铸造性能、加工性能、力学性质及熔炼炉内衬寿命的影响，设计研发电解铝液预处理装置就较为重要。该装置可以先期进行除氢、除杂，最大限度降低电解铝液中夹杂物及碱金属含量，起到提升电解铝液品质、避免发生质量事故、从而降低生产运行成本，达到节能降耗的作用。

3.2车载平台脱锂脱硼装置开发原则

1、考虑投资问题，必须在现有出铝设备中改造，完成装置的设计开发。

2、考虑电解出铝速度及装置处理速度，装置必须保证电解铝液尽快流转，保证熔炼炉入铝速度。

3、装置必须考虑与电解出铝能力相配套，尽量在10吨真空抬包内处理，减少设备投资。

4、10吨真空抬包出铝后总重达23吨，需考虑配套天车载重，及运输能力。

5、装置需考虑在有限时间内能快速除氢、快速降低碱金属含量，保证入铝速速及铝液温度。

6、由于在10吨抬包内预处理，抬包人孔门较小，不便将杂质捞出，暂不考虑撇渣装置，可根据碱金属化合物粘附在真空包壁或沉淀到底部的特性，加快清理抬包周期，从而清理出夹渣物。

3.3车载平台脱锂脱硼装置原理

本装置控制均采用PLC模块控制系统，可随意调整转速、进气量、喷粉量等参数，主要由六大系统构成，（1）导轨升降系统（2）定速喷粉系统 （3）气体流量显示系统 （4）转子系统 （5）PLC模块电机控制系统（6）烟气回收系统。

本装置是一种可以在电解车间汽车运输铝液抬包上就可去除氢和降低锂、硼微量元素的简易设备，它是汽车进入平台定位后，通过旋转升降的石墨转杆和转轮将一定量的惰性气体及精炼剂喷入铝液中，转子把进入铝液的惰性气体打散成大量弥散的小气泡均匀分散到金属液里，这些弥散的惰性气体小气泡在铝熔体中靠气体分压差和表面吸附作用，吸收铝熔体中的氢和其它氧化夹杂并随小气泡一起上升浮到液面，同时和精炼剂充分反应，生成硼、锂化合物，吸附在杂质上，高效率除氢和降低铝液中锂、硼微量元素含量，从而显著提高了精炼净化效果。具体与电解铝液中碱金属反应如下：

3Li+AlF₂→3LiF+Al

3Na+AlF₂→3NaF+Al

3K+AlF₂→3KF+Al

3Ca+2AlF₂→3CaF+2Al

3Mg+2AlF₂→3 MgF+2Al

2B₂O₃+2TiO₂+2N₂→2TiB₂+4NO₂

上述反应生成的LiF NaF KF MgF CaF等碱金属化合物吸附在电解铝液氢气泡上，并上浮至铝液表面，经转子搅动粘附在抬包包壁或TiB₂沉淀在抬包底部，从而达到除氢、除渣、除碱金属目的。提高电解铝液净化效果。

图1 车载平台脱锂脱硼装置

4、车载平台脱锂脱硼装置应用效果

车载平台脱锂脱硼装置研发成功后，在某公司的高精铝分厂进行了实验，主要针对3系5系的罐盖拉环料高端产品，经过一年多的实践，产品质量得到大幅提升，成品率稳步上升，尤其是生产高镁合金过程中，溜槽和结晶器铝液表面质量良好，消除了因铝液表面氧化膜过厚及夹渣所带来的质量缺陷，天然气耗、铝灰的产出、成本都达到一定的降低。

图2 某公司高精铝分厂使用装置前后生产指标对比

5、结语

随着电解铝行业迅速发展，电解铝产能不断扩张，产能严重过剩，导致铝产品价格大幅下滑，各个电解铝企业和加工企业面临生存危机，每个相关企业都在进行降本增效措施，国内原材料质量大幅下滑，高品位铝土矿石匮乏，氧化铝质量降低，各种微量元素随电解铝生产进入电解铝液，给后续铝加工质量带来很大影响，导致下游产品质量事故和质量异议频频发生。车载平台脱锂脱硼装置研发使用后，从技术层面上解决了电解铝液就地转换铝合金产品的瓶颈问题，该装置对铝加工工艺不产生任何影响，投入少，效果好，易于推广，能有效降低生产成本，提升双零箔、罐盖拉环料等高镁合金铝产品质量，对我国铝加工行业熔铸生产具有深远意义。

参考文献

[1]吴文祥，陈琦，马科、等.电解铝液制备7005铝合金的铸态组织与性能.特种制造及有色合金，2008,28（12）

[2]王滨滨.高镁合金的钠脆性践 . [J]黑龙江冶金，2009,29

[3]迟全福，王立娟，彭先亮.Na元素对铝合金铸造性能的影响[J]，轻合金加工技术，2002,30

[4]李龙飞，铝合金液净化除气及熔体处理概述，北京有色研究总院，2014,9