隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)鋁資源的需求也在不斷增加。然而，鋁礦石資源有限，且開采成本較高。因此，開發(fā)和利用再生鋁資源成為了解決這一問題的關(guān)鍵。再生鋁是指通過對(duì)廢舊鋁制品進(jìn)行回收、破碎、分選、熔煉等工藝處理，使其恢復(fù)到可用于生產(chǎn)新產(chǎn)品的狀態(tài)的鋁材料。再生鋁熔煉技術(shù)是再生鋁產(chǎn)業(yè)的核心環(huán)節(jié)，本文將對(duì)再生鋁熔煉技術(shù)進(jìn)行探討。
(一)金屬合金熔煉的基本任務(wù)
把某種配比的金屬爐料投入熔爐中，經(jīng)過加熱和熔化得到熔體，再對(duì)熔體進(jìn)行成分調(diào)整，得到合乎要求的合金液體。并在熔煉過程中采取相應(yīng)的措施控制氣體及氧化夾雜物的含量，使其符合規(guī)定成分(包括主要組元或雜質(zhì)元素含量)，保證鑄件得到適當(dāng)組織(晶粒細(xì)化)高質(zhì)量合金液。
由于鋁元素的特性，鋁合金有強(qiáng)烈產(chǎn)生氣孔的傾向，同時(shí)也極易產(chǎn)生氧化夾雜。因此，防止和去除氣體和氧化夾雜就成為鋁合金熔煉過程中最突出的問題。為了獲得高質(zhì)量的鋁合金液，對(duì)其熔煉的工藝就必須嚴(yán)格把關(guān)，并采取措施從各個(gè)方面加以控制。
(二)鋁合金熔煉工藝過程
裝爐→熔化(加銅、鋅、硅等)→扒渣→加鎂、鈹?shù)取鷶嚢琛印{(diào)整成分→攪拌→精煉→扒渣→轉(zhuǎn)爐→精煉變質(zhì)及靜置→鑄造。
裝爐：正確的裝爐方法對(duì)減少金屬的燒損及縮短熔煉時(shí)間很重要。對(duì)于反射爐，爐底鋪一層鋁錠，放入易燒損料，再壓上鋁錠。熔點(diǎn)較低的回爐料裝上層，使它最早熔化，流下將下面的易燒損料覆蓋，從而減少燒損。各種爐料應(yīng)均勻平坦分布。
熔化：過程及熔煉速度對(duì)鋁錠質(zhì)量有重要影響。當(dāng)爐料加熱至軟化下榻時(shí)應(yīng)適當(dāng)覆蓋熔劑，熔化過程中應(yīng)注意防止過熱，爐料熔化液面呈水平之后，應(yīng)適當(dāng)攪動(dòng)熔體使溫度一致，同時(shí)也利于加速熔化。熔煉時(shí)間過長不僅降低爐子生產(chǎn)效率，而且使熔體含氣量增加，因此當(dāng)熔煉時(shí)間超長時(shí)應(yīng)對(duì)熔體進(jìn)行二次精煉。
扒渣：當(dāng)爐料全部熔化到熔煉溫度時(shí)即可扒渣。扒渣前應(yīng)先撒入粉狀熔劑(對(duì)高鎂合金應(yīng)撒入無鈉熔劑)。扒渣應(yīng)盡量徹底，因?yàn)橛懈≡嬖跁r(shí)易污染金屬并增加熔體的含氣量。
加鎂與加鈹：扒渣后，即可向熔體中加入鎂錠，同時(shí)應(yīng)加熔劑進(jìn)行覆蓋。對(duì)于高鎂合金，為防止鎂燒損，應(yīng)加入0.002%～0.02%的鈹。鈹可利用金屬還原法從鈹氟酸鈉中獲得，鈹氟酸鈉是與熔劑混合加入。
攪拌：在取樣之前和調(diào)整成分之后應(yīng)有足夠的時(shí)間進(jìn)行攪拌。攪拌要平穩(wěn)，不破壞熔體表面氧化膜。
取樣：熔體經(jīng)充分?jǐn)嚢韬螅瑧?yīng)立即取樣，進(jìn)行爐前分析。
調(diào)整成分：當(dāng)成分不符合標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)料或沖淡。
熔體的轉(zhuǎn)爐：成分調(diào)整后，當(dāng)熔體溫度符合要求時(shí)，扒出表面浮渣，即可轉(zhuǎn)爐。
熔體的精煉：變質(zhì)成分不同，凈化變質(zhì)方法也各有不同。
(三)成分調(diào)整
在熔煉過程中，金屬中各元素均由于它們自身的氧化而減少，它們被氧化程度的多少，不僅與本身對(duì)氧的親和力的大小有關(guān)之外，還與該元素在液體合金中的濃度(活度)、生成氧化物的性質(zhì)、以及所處的溫度等因素有關(guān)。
一般來說，對(duì)氧親和力較大的元素?fù)p失多些，鋁、鎂、硼、鈦和鋯等對(duì)氧親和力很強(qiáng);碳、硅、錳等其次;鐵、鈷、鎳、銅及鉛等較弱。所以，在熔煉合金中對(duì)氧親和力較強(qiáng)的元素，將要被“優(yōu)先氧化”而造成過多的損耗;相反，那些對(duì)氧親和力較弱的元素，則能相對(duì)的受到“保護(hù)”而損耗少些。
通過熔煉后，合金化學(xué)成分中某元素因氧化損耗而使其含量增加或降低，應(yīng)視該元素與基體金屬元素的相對(duì)損耗而定。相對(duì)損耗多的元素其含量將降低，稱為“燒損”;相對(duì)損耗少的元素，含量將增加，可稱“燒增”;為能正確控制熔體的化學(xué)成分，在選配金屬爐料時(shí)，應(yīng)考慮到熔煉后的變化，在各元素加入量上進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。
在實(shí)際的熔煉中，合金中元素的燒損程度還受原材料品質(zhì)、熔劑及爐渣、操作技術(shù)、特別是生成氧化物的性質(zhì)的影響。
(四)熔煉過程中氣體和氧化物的防止
前面已經(jīng)談到，鋁液中氣體及氧化夾雜的主要來源是H2O，而H2O則是從攪入鋁液的表面氧化膜上、爐料表面(特別是受潮氣腐蝕的爐料)、熔化澆注工具以及精煉劑、變質(zhì)劑中帶入鋁液。而攪入鋁液的氧化膜以及夾雜物較多的低品級(jí)爐料(如濺渣、碎塊重熔錠)將在鋁液中形成氧化物夾雜物。為此，應(yīng)從熔煉澆注過程中注意下列各點(diǎn)：
1.坩鍋和熔化澆注工具。使用前應(yīng)仔細(xì)地除去粘附在表面的鐵銹、氧化渣、舊涂料層等臟物，然后涂上新涂料，預(yù)熱烘干后方可使用。熔化澆注工具和轉(zhuǎn)運(yùn)鋁液的坩鍋在使用前均應(yīng)充分預(yù)熱。
2.爐料。爐料在使用前應(yīng)保存在干燥處，如爐料已經(jīng)受潮氣腐蝕則在配料前進(jìn)行吹砂以除去表面腐蝕層?；貭t料表面常常粘附砂子(SiO2)，部分SiO2和鋁液會(huì)發(fā)生下列反應(yīng)：4Al+3SiO2→2Al2O3+3Si所生成的Al2O3及剩余SiO2均在鋁液中形成氧化夾雜，故在加這類料前也應(yīng)經(jīng)吹砂后使用。由切屑、濺渣等重熔鑄成錠的三級(jí)回爐料中常含有較多氧化夾雜物及氣體，故其使用量應(yīng)受到嚴(yán)格的限制，一般不超過爐料總量的15%，對(duì)重要鑄件則應(yīng)完全不用。爐料表面也不應(yīng)有油污、切削冷卻液等物，因?yàn)楦鞣N油脂都是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碳?xì)浠衔?，油脂受熱而帶入氫?/span>
爐料在加入鋁液時(shí)必須預(yù)熱至150℃～180℃以上，預(yù)熱的目的一方面是為了安全，防止鋁液與凝結(jié)在冷爐料表面上的水分相遇而發(fā)生爆炸事故;另一方面是為防止將氣體和夾雜物帶入鋁液。
3.精煉劑、變質(zhì)劑。因其中有些組元很易吸收大氣中的水分而潮解，有些則本身含有結(jié)晶水。因此，在使用前應(yīng)經(jīng)充分烘干，某些物質(zhì)如ZnCl2則需經(jīng)重熔去水份后方能使用。
4.熔化、澆注過程的操作。熔化攪拌鋁液應(yīng)平穩(wěn)，盡量不使表面氧化膜及空氣攪入鋁液中。應(yīng)盡量減少鋁液的轉(zhuǎn)注次數(shù)，轉(zhuǎn)注時(shí)應(yīng)減低液流的下落高度和減少飛濺。澆注時(shí)澆包嘴應(yīng)盡量接近澆口杯以減少液流的下落高度，并應(yīng)勻速澆注，使鋁液的飛濺及渦流減至最少。在澆注完鑄件后，勺中剩下的鋁液不應(yīng)倒回坩堝而澆入錠模，否則將使鋁液中氧化夾雜不斷增加。在坩堝底部約50mm～100mm深處的鋁液中沉積有較多量的Al2O3等夾雜物，因此不能用來澆注鑄件。
5、熔煉溫度、熔煉及澆注過程的持續(xù)時(shí)間。升高溫度將加速鋁液與H2O、O2之間反應(yīng)，氫在鋁液的溶解度也隨熔煉溫度的升高而急劇增加，當(dāng)溫度高于900℃時(shí)，鋁液表面氧化膜成為不致密的，更使上述反應(yīng)顯著加劇，故大多數(shù)鋁合金的熔煉溫度一般不超過760℃。至于鋁液表面氧化保護(hù)膜疏松的鋁-鎂合金，鋁液與H2O、O2間的反應(yīng)對(duì)溫度的升高更為敏感，因此對(duì)鋁鎂合金的熔煉溫度限制更嚴(yán)(一般不超過700℃)。
熔煉及澆注過程的持續(xù)時(shí)間(尤其是精煉后至澆注完畢相距的時(shí)間)越長，則鋁液中之氣體及氧化夾雜物含量也越高。因此，應(yīng)盡量縮短熔煉及澆注的持續(xù)時(shí)間，特別是應(yīng)盡量縮短精煉至澆注完畢的時(shí)間，工廠中一般要求在精煉后2小時(shí)內(nèi)澆完，如澆不完則應(yīng)重新精煉，在天氣潮濕地區(qū)以及鑄件要求針孔度級(jí)別較高，或是易產(chǎn)生氣孔、夾雜的合金，則澆注時(shí)間應(yīng)限制得更短。
結(jié)論
再生鋁熔煉技術(shù)的發(fā)展對(duì)于解決全球鋁資源短缺問題具有重要意義。通過對(duì)現(xiàn)有再生鋁熔煉技術(shù)的深入研究和創(chuàng)新，可以進(jìn)一步提高再生鋁的原料質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品附加值，為再生鋁產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供有力支持。同時(shí)，再生鋁熔煉技術(shù)的研究也將推動(dòng)其他有色金屬行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和綠色制造技術(shù)的進(jìn)步。
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