使用环保型颗粒状精炼剂对铸轧3102合金空调箔成本和质量影响的探讨

刘志文，刘雪梅，吴培金

(洛阳龙鼎铝业有限公司，河南 洛阳 471300)

由于家电市场需求的强劲带动，近几年我国空调箔的生产能力和技术水平不断提高。但是由于空调箔的规格和合金比较单一，适合大规模生产，使得空调箔的市场竞争日趋激烈，加工费也由几年前的7000元/t～9000元/t降低至目前的4000元/t～5000元/t[1]。同时，随着国家环保意识提高，各项环保法规不断健全，国家对铝合金熔炼过程中存在的污染问题，提出了更高要求，相关企业面临巨大的烟气治理资金投入压力，环保治理成本大增。在此背景下，如何降低生产成本，减少污染物排放，提高空调箔的市场竞争力，成为企业可持续发展的必由之路。目前铸轧3102合金空调箔熔炼生产炉料包括电解铝液、废料、铝锭等。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[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%。同时空调箔产品对于力学性能尤其是深冲性能要求较高，对铸轧熔体质量要求较高。目前铝合金炉内精炼技术主要采用熔剂喷射精炼的方式，熔剂主要包括粉状熔剂、气体熔剂和液体熔剂三种。传统熔剂精炼过程中会产生含Cl、F等有害物质的炉渣和炉气，对环境、人体和设备都存在着严重危害。

本文使用环保型颗粒状精炼剂替代传统粉末混合精炼剂和含氯液体精炼剂，重点研究了环保型颗粒状精炼剂对烟气排放量、熔体净化效果和熔炼烧损的影响原理。

1 实验方法

本实验在铸轧3102合金空调箔坯料熔炼生产线上进行，共进行两批次对比实验，具体实验方案如下：(1)熔体净化效果实验。铸轧采用环保型颗粒状精炼剂生产5炉，后续又采用传统粉末混合精炼剂和含氯液体精炼剂(二氯甲烷)生产3炉进行对比实验。精炼过程中观察烟气排放量情况，每炉次在倒炉后均在铸轧前测量熔体氢含量，以此来衡量精炼净化效果。(2)烧损实验。铸轧采用环保型颗粒状精炼剂生产10炉，随后采用传统粉末混合精炼剂和含氯液体精炼剂(二氯甲烷)生产10炉进行对比实验。每炉次称重、记录熔炼炉和保温炉铝渣重量，以此来计算烧损，具体实验工艺与熔体净化效果实验相同。

2 实验结果

2.1 烟气排放量实验

第一批次实验精炼过程中在线观察烟气排放量情况，发现使用环保型颗粒状精炼剂精炼，烟气排放量明显减少，如图1所示。

(a)粉末精炼剂 (b)液体精炼剂 (c)环保精炼剂图1 精炼烟气排放量对比图Fig.1 Comparison chart of flue gas emissions from refining

2.2 熔体净化效果实验

第一批次实验每炉次在倒炉后均在铸轧前测量熔体氢含量，以此来衡量精炼效果，具体数据见表1。由表1可见，采用环保型颗粒状精炼剂替代传统粉末混合精炼剂和含氯液体精炼剂后，倒炉后保温炉熔体氢含量平均值为0.273ml/100g·Al，经过在线处理后熔体氢含量平均值为0.111 ml/100g·Al，变化不大，满足空调箔熔体氢含量要求(≤0.15 ml/100g·Al)。因此，从熔体净化角度看环保型颗粒状精炼剂完全可以替代液体精炼剂使用，且精炼工艺简化，去除了液体精炼剂的储存装置和精炼设备(流量泵)等。

表1 熔体氢含量

2.3 烧损

第二批次实验期间，每炉次将熔炼炉和保温炉铝渣称重、记录，具体实验数据见表2。熔炼工序烧损主要来源有熔化过程中炉料与高温炉气反应造渣和精炼过程造渣，本次对比实验炉料结构、熔炼设备、人员操作等均保持不变，可以认为熔化过程中炉料与高温炉气反应造渣量相同，最终熔炼工序(熔炼炉+保温炉)产生的铝渣之间的差别都是精炼剂变更造成的。由表2可见，采用传统粉末混合精炼剂和含氯液体精炼剂精炼工艺生产时，熔炼炉烧损为1.81%，保温炉烧损为0.50%，熔炼工序(熔炼炉+保温炉)烧损为2.32%；采用环保型颗粒状精炼剂精炼工艺生产时，熔炼炉烧损降低到1.54%，保温炉烧损为0.23%，熔炼工序(熔炼炉+保温炉)烧损降低到1.77%，降低0.55%。如果铝价按照14000元/t计算，从烧损角度来看，使用环保型颗粒状精炼剂成本可降低77元/吨铝。

表2 铝烧损实验数据

2.4 精炼剂成本

铸轧精炼剂成本：传统粉末混合精炼剂2628元/t，二氯甲烷精炼剂15929元/t，环保型颗粒状精炼剂5500元/t。因为各种精炼剂进行精炼时均需要使用氩气作为载体，氩气成本相同，对比各种精炼剂成本时不再列出。

原精炼工艺为：熔炼炉第一次精炼为1.5kg/吨铝的传统粉末混合精炼剂+氩气精炼，第二次精炼为2000ml/炉的二氯甲烷精炼剂+氩气精炼；保温炉两次精炼均为2000ml/炉的二氯甲烷精炼剂+氩气精炼。原精炼工艺成本=(传统粉末混合精炼剂成本+二氯甲烷精炼剂成本×3)/总装炉量=11.59元/吨铝。

新精炼工艺为：熔炼炉第一次精炼为1.5kg/吨铝的环保型颗粒状精炼剂+氩气精炼，第二次精炼为氩气精炼；保温炉两次精炼均为氩气精炼。新精炼工艺成本=环保型颗粒状精炼剂成本/总装炉量=8.25元/吨铝。

使用环保型颗粒状精炼剂替代传统粉末混合精炼剂和液体精炼剂时，精炼剂成本减少3.34元/吨铝。

3 分析与讨论

铝合金熔炼过程中, 熔体中存在的气体、各种夹杂物及其他金属杂质等, 往往使铸锭产生气泡、气孔、疏松、裂纹、白斑等缺陷, 对铸锭的加工性能及制品强度、塑性、抗蚀性和外观品质都有显著影响。铝合金熔体净化是保证铝合金材料冶金质量的关键技术, 主要是降低熔体中碱金属含量、气体含量和氧化夹杂物的含量[7]。

鉴于铸轧生产工艺特点，目前铸轧3102合金空调箔坯料生产一般采取炉内处理和炉外在线处理的净化工艺。炉内处理一般采取熔剂喷射法，就是以惰性气体为载体 ,把一定量的熔剂(粉状、气体、液体)从吹管吹到铝液底部。熔剂一旦离开吹管就变化成小液滴或者气泡, 与铝熔体发生一系列的物理化学反应，将熔体中的碱金属、气体和夹杂物去除，起到熔体净化的目的[7]。

根据国标YS/T 491-2005 变形铝及铝合金用熔剂可知，粉末混合精炼剂成分(质量分数，%)，为，K 21～26，Na 16～23，Al≤5，Si≤8，Cl 34～45，F 9～14，Mg≤0.5，Ba≤0.5，Ca≤0.5，C≤0.5，N≤1.0，O≤5,其他≤0.1。其生产工艺简单，主要分为混合—烘干—包装三个步骤，精炼剂进入铝熔体后，与铝熔体发生一系列的物理化学反应，排放出大量的烟气，将熔体中的气体和夹杂物去除，起到熔体净化的效果，烟气中含有Cl2、HCl、SiF4等气体，不仅腐蚀设备，还污染环境，损害人体健康。

环保型颗粒状精炼剂主要含有约60%MgCl2和40%KCl，以及其他不超过1%的微量组分，不含Na和F。其生产工艺复杂，主要分为混合—熔融—冷却—造粒—包装五个步骤，精炼剂进入铝熔体后，与铝熔体发生一系列的物理化学反应，将熔体中的碱金属、气体和夹杂物去除，起到熔体净化的效果，精炼过程中烟气排放量小，不含有Cl2、HCl、SiF4等气体，对设备和环境污染损害小，不损害人体健康。

固体(粉末或者颗粒)精炼剂在铝熔体中具有很好的除夹杂物和除气。除夹杂物原理是： 当固体(粉末或者颗粒)精炼剂由惰性气体喷入铝熔体后，固体(粉末或者颗粒)精炼剂能够迅速熔化成为液滴，由于这些液滴的密度小于铝熔体的，与夹杂物表面张力较小，具有很强的润湿和吸附夹杂物的能力；当夹杂物被熔剂液滴吸附后，上浮而被排除出熔体。同时，熔剂液滴上浮后形成了一层液体层覆盖在铝熔体表面，从而还减少铝熔体的氧化烧损。除气原理是：根据渣气共存原理，除夹杂物的过程也是除气过程。同时，固体(粉末或者颗粒)精炼剂熔化成为液滴后包覆在惰性气体表面，利于熔体中的氢进入气泡而排出，加强了气泡浮游法除气的效果。由于粉末混合精炼剂中含有Na，去除碱金属的效果一般，一般铝熔炼企业会再使用含Cl的气体或者液体作为精炼剂进行协同精炼净化，去除碱金属。而环保型颗粒状精炼剂中的含镁离子型化合物进入铝熔体后，会与碱金属元素Na、Ca和Li发生反应，向铝合金熔体中释放出镁原子，同时将反应吸收到的碱金属元素Na、Ca 和 Li 带到铝熔体表面，从而起到除去碱金属的作用[8]。

粉末混合精炼剂组分复杂，发热值高，精炼剂进入铝熔体后，熔化放出大量的热，与铝熔体发生剧烈的化学反应，释放大量的气体，使得精炼过程中液面波动大，烧铝，造渣量大，扒渣时铝渣温度高，带铝量大，熔炼烧损高达2.32%。环保型颗粒状精炼剂组分简单，熔点低(约480℃)，精炼剂进入铝熔体后，熔化放热少，与铝熔体发生温和的化学反应，不释放大量的气体，使得精炼过程中液面波动小，不烧铝，造渣量小，扒渣时铝渣温度低，带铝量小，所以熔炼烧损低至1.77%，降低了0.55%。

4 结论

综上分析，铸轧3102合金空调箔坯料熔炼生产过程中，采用环保型颗粒状精炼剂替代粉末混合精炼剂和液体精炼剂，精炼机理发生变化，精炼过程中烟气排放量明显减少，环保除尘设备的运行成本减少，精炼工艺进一步简化，精炼剂成本减少3.34元/吨铝，熔炼烧损降低了0.55%。如果铝价按照14000元/t计算，从烧损角度来看，生产成本可降低77元/吨铝。综合生产成本降低80.34元/吨铝。