铸轧液体炉料比例提升熔炼技术研究

刘志文，朱松峰，卢 燕，黄海涛

(洛阳龙鼎铝业有限公司， 河南 洛阳 471300)

连续铸轧生产技术是目前铝合金板带箔坯料生产的主要方式之一，连续铸轧是指金属熔体在连续铸造凝固的同时进行轧制变形的过程。将液态金属直接浇入辊缝中，轧辊既起着结晶器的作用又同时对金属进行轧压变形。降低铝合金熔炼能耗和污染的清洁生产技术，是国家重点支持的高新技术领域，如何降低铸轧熔炼生产能耗是一个企业追求利润和兼顾环保的必由之路。

目前铸轧熔炼生产炉料包括电解铝液、铝锭、废料和合金添加剂等，用电解铝液直接配料生产铝合金产品具有节能、降低烧损和增加生产效率等优点，但是由于电解铝液是采用冰晶石-氧化铝融盐高温电解得到的，具有温度高、氢含量高、氧化夹杂多等缺点[1]。因此全部采用电解铝液生产铝合金产品，必然存在晶粒粗大、氢含量高、氧化夹杂多等问题，通常大多数铝合金加工企业都会选择最佳的固液比，加入一定量的固体炉料来降低电解铝液温度，减小其过热度，细化晶粒， 这样既能最大限度的节能又能获得良好的铝合金产品质量[2]。关于电解铝液最佳比例前人研究较多，如蒋诗琪等人[3]、张延丽等人[4]、王建增等人[5]、何正夫等人[6]。目前大多数铸轧生产企业将电解铝液添加比例控制在50%～70%。

由于存在较大比例的固体炉料，铸轧熔炼生产需要消耗大量的燃料(如天然气、煤气、重油等)加热炉料，能耗和烧损较高，本文采用一种新的熔炼生产技术，将液体炉料的范围由单一的电解铝液拓展为电解铝液+剩余铝液，在不增加新加炉料液体炉料比例的前提下，变相的将液体炉料比例提升，重点研究分析了新型熔炼生产技术对熔炼炉燃料能耗和熔炼跨烧损的影响规律。

1 实验方法

本实验在铸轧3102合金空调箔坯料熔炼生产中进行，熔炼炉为苏州某公司的30t圆形熔铝炉，采用天然气作为燃料，保温炉为苏州某公司的18t电炉，一台熔炼炉供应两台保温炉，共进行两批次试验。

1.1 天然气能耗试验

铸轧采用新型熔炼技术生产4炉，后续又按照传统熔炼工艺生产2炉相同电解铝液比例的炉料进行对比试验，每炉次记录天然气用量。具体试验工艺如下：第1炉：装炉(29t装炉量电解铝液比例为64%)—炉内精炼、成分调整—倒炉(倒炉20t～22t，熔炼炉余铝7t～9t)；第2炉：装炉(21t装炉量电解铝液比例为64%)—炉内精炼、成分调整—倒炉(倒炉 20t～22t，熔炼炉余铝 7t～9t)；第3炉：装炉(21t装炉量电解铝液比例为64%)—炉内精炼、成分调整—倒炉(倒炉20t～22t，熔炼炉余铝7t～9t)；第4炉：装炉(21t装炉量电解铝液比例为64%)—炉内精炼、成分调整—倒炉(全部倒完)—清炉；第5炉：装炉(27t装炉量电解铝液比例为64%)—炉内精炼、成分调整—倒炉(全部倒完)—清炉；第6炉：装炉(27t装炉量电解铝液比例为64%)—炉内精炼、成分调整—倒炉(全部倒完)—清炉。

1.2 烧损试验

铸轧采用新型熔炼技术生产8炉(共计2个周期)，后续又按照传统熔炼工艺生产6炉相同电解铝液比例的炉料进行对比试验，每炉次称重并记录熔炼炉和保温炉烧损。具体试验工艺与天然气能耗试验相同。

2 实验结果

2.1 天然气能耗

第一批次试验每炉次记录天然气用量，具体试验数据见表1。由表1可见，采用传统熔炼技术生产时(725炉、729炉、730炉)，液体炉料(电解铝液)比例平均为65.7%时，熔炼炉天然气吨耗平均为15.6m3/t，采用新型熔炼技术生产时(726炉、727炉、728炉)，液体炉料包含电解铝液和熔炼炉剩余铝液两部分。新加炉料中电解铝液比例平均为64.4%时，实际炉料中液体炉料比例平均达到74.2%，熔炼炉天然气吨耗平均为12.3m3/t，天然气吨耗下降平均为3.3m3/t，降幅达到21.2%。考虑到试验中新型熔炼技术四炉一周期(725炉、726炉、727炉、728炉)，熔炼炉天然气吨耗平均为13.3m3/t，天然气吨耗下降平均为2.3m3/t，降幅达到14.7%。按照天然气2.7元/m3的单价计算，采用新型熔炼技术熔炼炉天然气吨耗可以节约6.2元/t。

表1 天然气能耗试验数据

由表1可见，采用新型熔炼技术生产时(726炉、727炉、728炉)的天然气吨耗明显低于采用传统熔炼技术生产时(725炉、729炉、730炉)的天然气吨耗，如果延长新型熔炼技术周期炉数，比如由“1+3”周期模式增加到“1+5”或者“1+6”周期模式，则天然气吨耗还会有下降空间。不过两种熔炼技术的差别之一是清炉制度不同，传统熔炼技术倒炉后即清炉，新型熔炼技术由于剩余铝液的存在，只能一个周期一清，如果延长新型熔炼技术周期炉数，会使得熔炼炉炉况持续变差，危害铝液的精炼净化效果，所以周期炉数不能无限增加，生产实践证明，“1+(3～5)”周期模式较好。

每炉次在倒炉后均在轧制测量熔体氢含量，以此来衡量熔体质量是否满足要求，具体数据见表2。由表2可见，采用相同的炉内处理和炉外在线处理工艺处理熔体后，两种熔炼工艺的最终熔体氢含量无明显变化，均达到工艺要求(氢含量≤0.15ml/100g·Al)，熔体质量完全达到工艺要求。坯料经过冷轧轧制和涂层处理后表面质量和力学性能均能满足客户需求。

表2 铝合金熔体氢含量数据

2.2 烧损

第二批次试验期间每炉次将熔炼炉和保温炉铝渣称重、记录，具体试验数据见表3。由表3可见，采用传统熔炼技术生产(917炉～922炉)，新加炉料电解铝液比例平均为65.5%时，熔炼烧损为2.16%；采用新型熔炼技术生产(909炉～916炉)，新加炉料电解铝液比例平均为62.8%(液体炉料比例平均为70.6%)时，熔炼烧损为1.77%；熔炼烧损明显降低，如果剔除熔炼炉剩余铝液的影响，新加炉料烧损为2.24%，烧损持平。

表3 铝烧损试验数据

根据铸轧分厂的清炉制度，采用传统熔炼技术生产时，每三炉大清炉一次，其余小清炉，大清炉后第一炉新加炉料烧损最低(如917炉)，逐渐增加，第三炉清炉，新加炉料烧损最高(如919炉)。根据试验方案，采用新型熔炼技术生产时，每四炉大清炉一次，其余不清炉，清炉后第二炉新加炉料烧损最低(如910炉)，逐渐增加，第四炉清炉，新加炉料烧损最高(如912炉)。

3 分析与讨论

铝熔炼炉是典形的周期式髙温熔炼设备，一般来说，从炉料入炉开始，铝熔炼过程大致分为4个阶段，即炉料装炉→软化下塌→炉料化平→炉料全部熔化→熔体升温阶段。刚装入炉的固体炉料在炉内呈料堆状态，随着温度上升，料堆表面的炉料开始熔化，熔融的铝液向下流动，当温度达到660℃左右时，支承料堆的强度消失，料堆下降并没入液面以下，铝熔炼炉炉内逐渐呈水平液面。在料堆没入液面之前，火焰直接冲击在料堆之上，铝熔炼炉炉内对流传热效果占主导作用。随着料堆逐渐没入液面，液面下的熔体呈固液混合状态，对流传热作用逐渐下降，铝熔炼炉炉膛温度上升速度逐渐加快并很快达到定温，辐射传热作用逐渐上升，这时，表面铝液的温度上升很快，并将热量向液面下的固液混合体传递。同时此过程还伴随着铝的固液转化，这个阶段熔体的温度变化不大，熔化过程变得缓慢，需要的时间更长，消耗的热量更多，当固体炉料全部转化成液态以后，熔体对热负荷的需求大幅减少，铝液温度上升[7]。

熔炼阶段的热量来源主要有熔炼炉炉壁余热、液体炉料热量和燃料燃烧热量，其中以燃料燃烧热量为主，熔炼炉炉壁余热和液体炉料热量为辅，热量去处主要是固体料温升、熔化潜热、液体料温升和炉壁散热。采用传统熔炼技术时，每次倒炉后清炉，添加30%～50%的固体炉料等操作需要较长时间打开炉盖和炉门，熔炼炉余热散失严重。由于固体料比例高，软化下塌阶段耗时长，料堆没入液面后，液面下固液混合区固体比例高，固液转化消耗的热量更多，因此燃料消耗量大。新型熔炼技术开创性的将液体炉料的范围拓宽，从单一的电解铝液变为熔炼炉剩余铝液+电解铝液，减少固体料在炉料中的比例，使得炉盖和炉门开启时间大为缩短，熔炼炉炉壁余热散失明显减少；且软化下塌阶段耗时缩短，料堆没入液面后，液面下固液混合区固体比例降低，固液转化消耗的热量明显减少，因此燃料(天然气)吨耗下降约 15%。同时相对于电解铝液，熔炼炉剩余铝液是经过熔体精炼工艺净化过的，质量远优于电解铝液，液体炉料比例的增加对产品质量的影响大为减弱。

熔炼烧损的产生大致可以分为两个阶段：炉料熔化阶段产生的烧损和炉内精炼处理产生的烧损。由于精炼处理工艺相同，所以由此产生的烧损应该差别不大。从表3可知，传统熔炼技术保温炉烧损平均为0.67%，新型熔炼技术保温炉烧损平均为0.57%，差别不大，推之，熔炼炉精炼处理烧损应该也差别不大。所以导致炉次间烧损差别较大的原因主要在于炉料熔化阶段产生的烧损不同，这也是两种熔炼技术的根本区别所在。

采用传统熔炼技术生产时，由于液体炉料(电解铝液)比例小，无法浸没固体料，固体炉料软化下塌阶段耗时长，化料时间长，高温火焰直接冲击在料堆之上，与铝接触面积大，导致烧损大。采用新型熔炼技术生产时，由于液体炉料(电解铝液+剩余铝液)比例大，基本可以浸没固体料，高温火焰直接冲击在液面之上，与铝接触面积小，明显缩短化料时间，烧损变小。但是由于剩余铝液必须重新进行后续炉内精炼处理，会再产生一部分烧损，二者相互抵消，使得两种熔炼技术烧损相差不大。

综上分析，将熔炼炉液体炉料由单一的电解铝液拓展为电解铝液+剩余铝液，在不增加新加炉料中电解铝液比例的情况下，将液体炉料比例由64%左右提高到74%左右，大幅增加液体炉料供热量，提高熔炼炉炉壁余热的利用率，减少固体炉料固液转化所需热量，缩短炉料熔化时间，从而使得熔炼炉燃料(天然气)吨耗降低15%左右。采用此种熔炼技术，由于液体炉料的比例超过70%，基本可以浸没固体料，高温火焰直接冲击在液面之上，与铝接触面积小，改变炉料熔化阶段的传热方式，降低化料阶段烧损，只不过由于剩余炉料进行再次精炼处理会产生一部分烧损，经过中和，熔炼烧损持平。

综上，此种液体炉料比例提升技术可明显降低铸轧熔炼燃料吨耗，烧损持平，且避免液体炉料比例超过70%而造成的产品质量恶化。

4 结论

(1)采用传统熔炼技术生产时，液体炉料(电解铝液)比例平均为65.7%，熔炼炉天然气吨耗平均为15.6m3/t；采用新型熔炼技术生产时，新加炉料中电解铝液比例平均为64.4%，实际液体炉料比例平均达到74.2%，熔炼炉天然气吨耗平均为12.3m3/t，天然气吨耗下降平均为3.3m3/t，降幅达到21.2%。考虑到试验中新型熔炼技术四炉一周期，熔炼炉天然气吨耗平均为13.3m3/t，天然气吨耗下降平均为2.3m3/t，降幅达到14.7%。按照天然气2.7元/m3的单价计算，采用新型熔炼技术熔炼炉天然气吨耗可以节约6.2元/t。

(2)采用相同的炉内处理和炉外在线处理工艺处理熔体后，两种熔炼工艺的最终熔体氢含量无明显变化，均达到工艺要求(氢含量≤0.15ml/100g·Al)，熔体质量完全达到工艺要求。坯料经过冷轧轧制和涂层处理后表面质量和力学性能均能满足客户需求。

(3)采用传统熔炼技术生产，电解铝液比例平均为65.5%时，新加炉料烧损为2.16%；采用新型熔炼技术生产，新加炉料电解铝液比例平均为62.8%(液体炉料比例平均为70.6%)时，新加炉料烧损为2.24%；熔炼烧损基本相同。