劉志文，朱松峰，盧 燕，黃海濤

(洛陽(yáng)龍鼎鋁業(yè)有限公司， 河南 洛陽(yáng) 471300)

連續(xù)鑄軋生產(chǎn)技術(shù)是目前鋁合金板帶箔坯料生產(chǎn)的主要方式之一，連續(xù)鑄軋是指金屬熔體在連續(xù)鑄造凝固的同時(shí)進(jìn)行軋制變形的過(guò)程。將液態(tài)金屬直接澆入輥縫中，軋輥既起著結(jié)晶器的作用又同時(shí)對(duì)金屬進(jìn)行軋壓變形。降低鋁合金熔煉能耗和污染的清潔生產(chǎn)技術(shù)，是國(guó)家重點(diǎn)支持的高新技術(shù)領(lǐng)域，如何降低鑄軋熔煉生產(chǎn)能耗是一個(gè)企業(yè)追求利潤(rùn)和兼顧環(huán)保的必由之路。

目前鑄軋熔煉生產(chǎn)爐料包括電解鋁液、鋁錠、廢料和合金添加劑等，用電解鋁液直接配料生產(chǎn)鋁合金產(chǎn)品具有節(jié)能、降低燒損和增加生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)，但是由于電解鋁液是采用冰晶石-氧化鋁融鹽高溫電解得到的，具有溫度高、氫含量高、氧化夾雜多等缺點(diǎn)[1]。因此全部采用電解鋁液生產(chǎn)鋁合金產(chǎn)品，必然存在晶粒粗大、氫含量高、氧化夾雜多等問(wèn)題，通常大多數(shù)鋁合金加工企業(yè)都會(huì)選擇最佳的固液比，加入一定量的固體爐料來(lái)降低電解鋁液溫度，減小其過(guò)熱度，細(xì)化晶粒， 這樣既能最大限度的節(jié)能又能獲得良好的鋁合金產(chǎn)品質(zhì)量[2]。關(guān)于電解鋁液最佳比例前人研究較多，如蔣詩(shī)琪等人[3]、張延麗等人[4]、王建增等人[5]、何正夫等人[6]。目前大多數(shù)鑄軋生產(chǎn)企業(yè)將電解鋁液添加比例控制在50%～70%。

由于存在較大比例的固體爐料，鑄軋熔煉生產(chǎn)需要消耗大量的燃料(如天然氣、煤氣、重油等)加熱爐料，能耗和燒損較高，本文采用一種新的熔煉生產(chǎn)技術(shù)，將液體爐料的范圍由單一的電解鋁液拓展為電解鋁液+剩余鋁液，在不增加新加爐料液體爐料比例的前提下，變相的將液體爐料比例提升，重點(diǎn)研究分析了新型熔煉生產(chǎn)技術(shù)對(duì)熔煉爐燃料能耗和熔煉跨燒損的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)在鑄軋3102合金空調(diào)箔坯料熔煉生產(chǎn)中進(jìn)行，熔煉爐為蘇州某公司的30t圓形熔鋁爐，采用天然氣作為燃料，保溫爐為蘇州某公司的18t電爐，一臺(tái)熔煉爐供應(yīng)兩臺(tái)保溫爐，共進(jìn)行兩批次試驗(yàn)。

1.1 天然氣能耗試驗(yàn)

鑄軋采用新型熔煉技術(shù)生產(chǎn)4爐，后續(xù)又按照傳統(tǒng)熔煉工藝生產(chǎn)2爐相同電解鋁液比例的爐料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，每爐次記錄天然氣用量。具體試驗(yàn)工藝如下：第1爐：裝爐(29t裝爐量電解鋁液比例為64%)—爐內(nèi)精煉、成分調(diào)整—倒?fàn)t(倒?fàn)t20t～22t，熔煉爐余鋁7t～9t)；第2爐：裝爐(21t裝爐量電解鋁液比例為64%)—爐內(nèi)精煉、成分調(diào)整—倒?fàn)t(倒?fàn)t 20t～22t，熔煉爐余鋁 7t～9t)；第3爐：裝爐(21t裝爐量電解鋁液比例為64%)—爐內(nèi)精煉、成分調(diào)整—倒?fàn)t(倒?fàn)t20t～22t，熔煉爐余鋁7t～9t)；第4爐：裝爐(21t裝爐量電解鋁液比例為64%)—爐內(nèi)精煉、成分調(diào)整—倒?fàn)t(全部倒完)—清爐；第5爐：裝爐(27t裝爐量電解鋁液比例為64%)—爐內(nèi)精煉、成分調(diào)整—倒?fàn)t(全部倒完)—清爐；第6爐：裝爐(27t裝爐量電解鋁液比例為64%)—爐內(nèi)精煉、成分調(diào)整—倒?fàn)t(全部倒完)—清爐。

1.2 燒損試驗(yàn)

鑄軋采用新型熔煉技術(shù)生產(chǎn)8爐(共計(jì)2個(gè)周期)，后續(xù)又按照傳統(tǒng)熔煉工藝生產(chǎn)6爐相同電解鋁液比例的爐料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，每爐次稱重并記錄熔煉爐和保溫爐燒損。具體試驗(yàn)工藝與天然氣能耗試驗(yàn)相同。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 天然氣能耗

第一批次試驗(yàn)每爐次記錄天然氣用量，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，采用傳統(tǒng)熔煉技術(shù)生產(chǎn)時(shí)(725爐、729爐、730爐)，液體爐料(電解鋁液)比例平均為65.7%時(shí)，熔煉爐天然氣噸耗平均為15.6m3/t，采用新型熔煉技術(shù)生產(chǎn)時(shí)(726爐、727爐、728爐)，液體爐料包含電解鋁液和熔煉爐剩余鋁液兩部分。新加爐料中電解鋁液比例平均為64.4%時(shí)，實(shí)際爐料中液體爐料比例平均達(dá)到74.2%，熔煉爐天然氣噸耗平均為12.3m3/t，天然氣噸耗下降平均為3.3m3/t，降幅達(dá)到21.2%?？紤]到試驗(yàn)中新型熔煉技術(shù)四爐一周期(725爐、726爐、727爐、728爐)，熔煉爐天然氣噸耗平均為13.3m3/t，天然氣噸耗下降平均為2.3m3/t，降幅達(dá)到14.7%。按照天然氣2.7元/m3的單價(jià)計(jì)算，采用新型熔煉技術(shù)熔煉爐天然氣噸耗可以節(jié)約6.2元/t。

表1 天然氣能耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可見(jiàn)，采用新型熔煉技術(shù)生產(chǎn)時(shí)(726爐、727爐、728爐)的天然氣噸耗明顯低于采用傳統(tǒng)熔煉技術(shù)生產(chǎn)時(shí)(725爐、729爐、730爐)的天然氣噸耗，如果延長(zhǎng)新型熔煉技術(shù)周期爐數(shù)，比如由“1+3”周期模式增加到“1+5”或者“1+6”周期模式，則天然氣噸耗還會(huì)有下降空間。不過(guò)兩種熔煉技術(shù)的差別之一是清爐制度不同，傳統(tǒng)熔煉技術(shù)倒?fàn)t后即清爐，新型熔煉技術(shù)由于剩余鋁液的存在，只能一個(gè)周期一清，如果延長(zhǎng)新型熔煉技術(shù)周期爐數(shù)，會(huì)使得熔煉爐爐況持續(xù)變差，危害鋁液的精煉凈化效果，所以周期爐數(shù)不能無(wú)限增加，生產(chǎn)實(shí)踐證明，“1+(3～5)”周期模式較好。

每爐次在倒?fàn)t后均在軋制測(cè)量熔體氫含量，以此來(lái)衡量熔體質(zhì)量是否滿足要求，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，采用相同的爐內(nèi)處理和爐外在線處理工藝處理熔體后，兩種熔煉工藝的最終熔體氫含量無(wú)明顯變化，均達(dá)到工藝要求(氫含量≤0.15ml/100g·Al)，熔體質(zhì)量完全達(dá)到工藝要求。坯料經(jīng)過(guò)冷軋軋制和涂層處理后表面質(zhì)量和力學(xué)性能均能滿足客戶需求。

表2 鋁合金熔體氫含量數(shù)據(jù)

2.2 燒損

第二批次試驗(yàn)期間每爐次將熔煉爐和保溫爐鋁渣稱重、記錄，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，采用傳統(tǒng)熔煉技術(shù)生產(chǎn)(917爐～922爐)，新加爐料電解鋁液比例平均為65.5%時(shí)，熔煉燒損為2.16%；采用新型熔煉技術(shù)生產(chǎn)(909爐～916爐)，新加爐料電解鋁液比例平均為62.8%(液體爐料比例平均為70.6%)時(shí)，熔煉燒損為1.77%；熔煉燒損明顯降低，如果剔除熔煉爐剩余鋁液的影響，新加爐料燒損為2.24%，燒損持平。

表3 鋁燒損試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)鑄軋分廠的清爐制度，采用傳統(tǒng)熔煉技術(shù)生產(chǎn)時(shí)，每三爐大清爐一次，其余小清爐，大清爐后第一爐新加爐料燒損最低(如917爐)，逐漸增加，第三爐清爐，新加爐料燒損最高(如919爐)。根據(jù)試驗(yàn)方案，采用新型熔煉技術(shù)生產(chǎn)時(shí)，每四爐大清爐一次，其余不清爐，清爐后第二爐新加爐料燒損最低(如910爐)，逐漸增加，第四爐清爐，新加爐料燒損最高(如912爐)。

3 分析與討論

鋁熔煉爐是典形的周期式髙溫熔煉設(shè)備，一般來(lái)說(shuō)，從爐料入爐開(kāi)始，鋁熔煉過(guò)程大致分為4個(gè)階段，即爐料裝爐→軟化下塌→爐料化平→爐料全部熔化→熔體升溫階段。剛裝入爐的固體爐料在爐內(nèi)呈料堆狀態(tài)，隨著溫度上升，料堆表面的爐料開(kāi)始熔化，熔融的鋁液向下流動(dòng)，當(dāng)溫度達(dá)到660℃左右時(shí)，支承料堆的強(qiáng)度消失，料堆下降并沒(méi)入液面以下，鋁熔煉爐爐內(nèi)逐漸呈水平液面。在料堆沒(méi)入液面之前，火焰直接沖擊在料堆之上，鋁熔煉爐爐內(nèi)對(duì)流傳熱效果占主導(dǎo)作用。隨著料堆逐漸沒(méi)入液面，液面下的熔體呈固液混合狀態(tài)，對(duì)流傳熱作用逐漸下降，鋁熔煉爐爐膛溫度上升速度逐漸加快并很快達(dá)到定溫，輻射傳熱作用逐漸上升，這時(shí)，表面鋁液的溫度上升很快，并將熱量向液面下的固液混合體傳遞。同時(shí)此過(guò)程還伴隨著鋁的固液轉(zhuǎn)化，這個(gè)階段熔體的溫度變化不大，熔化過(guò)程變得緩慢，需要的時(shí)間更長(zhǎng)，消耗的熱量更多，當(dāng)固體爐料全部轉(zhuǎn)化成液態(tài)以后，熔體對(duì)熱負(fù)荷的需求大幅減少，鋁液溫度上升[7]。

熔煉階段的熱量來(lái)源主要有熔煉爐爐壁余熱、液體爐料熱量和燃料燃燒熱量，其中以燃料燃燒熱量為主，熔煉爐爐壁余熱和液體爐料熱量為輔，熱量去處主要是固體料溫升、熔化潛熱、液體料溫升和爐壁散熱。采用傳統(tǒng)熔煉技術(shù)時(shí)，每次倒?fàn)t后清爐，添加30%～50%的固體爐料等操作需要較長(zhǎng)時(shí)間打開(kāi)爐蓋和爐門，熔煉爐余熱散失嚴(yán)重。由于固體料比例高，軟化下塌階段耗時(shí)長(zhǎng)，料堆沒(méi)入液面后，液面下固液混合區(qū)固體比例高，固液轉(zhuǎn)化消耗的熱量更多，因此燃料消耗量大。新型熔煉技術(shù)開(kāi)創(chuàng)性的將液體爐料的范圍拓寬，從單一的電解鋁液變?yōu)槿蹮挔t剩余鋁液+電解鋁液，減少固體料在爐料中的比例，使得爐蓋和爐門開(kāi)啟時(shí)間大為縮短，熔煉爐爐壁余熱散失明顯減少；且軟化下塌階段耗時(shí)縮短，料堆沒(méi)入液面后，液面下固液混合區(qū)固體比例降低，固液轉(zhuǎn)化消耗的熱量明顯減少，因此燃料(天然氣)噸耗下降約 15%。同時(shí)相對(duì)于電解鋁液，熔煉爐剩余鋁液是經(jīng)過(guò)熔體精煉工藝凈化過(guò)的，質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于電解鋁液，液體爐料比例的增加對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響大為減弱。

熔煉燒損的產(chǎn)生大致可以分為兩個(gè)階段：爐料熔化階段產(chǎn)生的燒損和爐內(nèi)精煉處理產(chǎn)生的燒損。由于精煉處理工藝相同，所以由此產(chǎn)生的燒損應(yīng)該差別不大。從表3可知，傳統(tǒng)熔煉技術(shù)保溫爐燒損平均為0.67%，新型熔煉技術(shù)保溫爐燒損平均為0.57%，差別不大，推之，熔煉爐精煉處理燒損應(yīng)該也差別不大。所以導(dǎo)致?tīng)t次間燒損差別較大的原因主要在于爐料熔化階段產(chǎn)生的燒損不同，這也是兩種熔煉技術(shù)的根本區(qū)別所在。

采用傳統(tǒng)熔煉技術(shù)生產(chǎn)時(shí)，由于液體爐料(電解鋁液)比例小，無(wú)法浸沒(méi)固體料，固體爐料軟化下塌階段耗時(shí)長(zhǎng)，化料時(shí)間長(zhǎng)，高溫火焰直接沖擊在料堆之上，與鋁接觸面積大，導(dǎo)致燒損大。采用新型熔煉技術(shù)生產(chǎn)時(shí)，由于液體爐料(電解鋁液+剩余鋁液)比例大，基本可以浸沒(méi)固體料，高溫火焰直接沖擊在液面之上，與鋁接觸面積小，明顯縮短化料時(shí)間，燒損變小。但是由于剩余鋁液必須重新進(jìn)行后續(xù)爐內(nèi)精煉處理，會(huì)再產(chǎn)生一部分燒損，二者相互抵消，使得兩種熔煉技術(shù)燒損相差不大。

綜上分析，將熔煉爐液體爐料由單一的電解鋁液拓展為電解鋁液+剩余鋁液，在不增加新加爐料中電解鋁液比例的情況下，將液體爐料比例由64%左右提高到74%左右，大幅增加液體爐料供熱量，提高熔煉爐爐壁余熱的利用率，減少固體爐料固液轉(zhuǎn)化所需熱量，縮短爐料熔化時(shí)間，從而使得熔煉爐燃料(天然氣)噸耗降低15%左右。采用此種熔煉技術(shù)，由于液體爐料的比例超過(guò)70%，基本可以浸沒(méi)固體料，高溫火焰直接沖擊在液面之上，與鋁接觸面積小，改變爐料熔化階段的傳熱方式，降低化料階段燒損，只不過(guò)由于剩余爐料進(jìn)行再次精煉處理會(huì)產(chǎn)生一部分燒損，經(jīng)過(guò)中和，熔煉燒損持平。

綜上，此種液體爐料比例提升技術(shù)可明顯降低鑄軋熔煉燃料噸耗，燒損持平，且避免液體爐料比例超過(guò)70%而造成的產(chǎn)品質(zhì)量惡化。

4 結(jié)論

(1)采用傳統(tǒng)熔煉技術(shù)生產(chǎn)時(shí)，液體爐料(電解鋁液)比例平均為65.7%，熔煉爐天然氣噸耗平均為15.6m3/t；采用新型熔煉技術(shù)生產(chǎn)時(shí)，新加爐料中電解鋁液比例平均為64.4%，實(shí)際液體爐料比例平均達(dá)到74.2%，熔煉爐天然氣噸耗平均為12.3m3/t，天然氣噸耗下降平均為3.3m3/t，降幅達(dá)到21.2%?？紤]到試驗(yàn)中新型熔煉技術(shù)四爐一周期，熔煉爐天然氣噸耗平均為13.3m3/t，天然氣噸耗下降平均為2.3m3/t，降幅達(dá)到14.7%。按照天然氣2.7元/m3的單價(jià)計(jì)算，采用新型熔煉技術(shù)熔煉爐天然氣噸耗可以節(jié)約6.2元/t。

(2)采用相同的爐內(nèi)處理和爐外在線處理工藝處理熔體后，兩種熔煉工藝的最終熔體氫含量無(wú)明顯變化，均達(dá)到工藝要求(氫含量≤0.15ml/100g·Al)，熔體質(zhì)量完全達(dá)到工藝要求。坯料經(jīng)過(guò)冷軋軋制和涂層處理后表面質(zhì)量和力學(xué)性能均能滿足客戶需求。

(3)采用傳統(tǒng)熔煉技術(shù)生產(chǎn)，電解鋁液比例平均為65.5%時(shí)，新加爐料燒損為2.16%；采用新型熔煉技術(shù)生產(chǎn)，新加爐料電解鋁液比例平均為62.8%(液體爐料比例平均為70.6%)時(shí)，新加爐料燒損為2.24%；熔煉燒損基本相同。