再生铝与电热法铝硅钛合金结缘伴行展望

前些时间以中国再生铝产业形势预测为题报道了中国再生铝业的现状及未来发展方向报道显示历经数十年的中国再生铝业目前基本上还是初级铸造合金锭高端变形铝合金尚处于探索阶段拓展产品品种将是中国再生铝业今后发展方向

历经数十年发展然而中国再生铝产业迄今为止只能生产初级铝合金锭发人深思

一

年前出现的由铝硅钛三元合金配制的含钛上下的铝硅共晶合金用于汽车发动机中的活塞缸体缸盖等零部件制作经试验室试验工业性试验以及万万公里行车试验结果合金有以下优点有良好的细化结晶组织作用较高的耐热性较高的耐磨性能使活塞使用寿命延长左右合金经济效益明显由河南省科技委员会发布的鉴定证书注明ZLT活塞合金技术规格合金化学成分如下SiCuMgoMnoTiFeAl余量

来自全国个单位派出技术专家人参与鉴定其中多家汽车制造厂拖拉机厂活塞厂及内燃机配件制造厂汽车研究机构等鉴定具有很高的专业性权威性与此同时产出的铝硅钛亚共晶变形合金经过专业机构测试其机械性能接近LD可作为LD代用品广泛应用于建筑业运输业等诸多部门市场空间不可限量虽然上述产品因其生产方式生产方法不科学严重破坏电解工艺损坏电解槽被放弃禁用未能产业化但产品的优越性广泛适用性仍然给人留下深刻的印象以铝土矿直接电解违规蛮干严重破坏电解工艺伤损电解槽被放弃禁用理所当然但铝硅钛三元合金不应被忽视应探索研发其它方式方法进行生产

事实证明对矿石进行改性加工处理使其理化性能适应电解工艺要求的复合氧化铝作为电解添加剂与氧化铝混配进行电解经试验室试验可以在保持电解工艺正常运行的条件下产出含有少量钛及硅的铝硅钛三元合金可用于再生铝深加工可以产出上述ZLT的活塞合金和亚共晶变形合金可惜此法竟无人问津长期被忽视我国再生铝产业步履蹒跚数十年只能生产初级铸造铝合金锭

除了电解法之外还可以采用其它方式方法例如电热法碳热法化学置换法等关键是要有创新发展思维理念和意愿能勇于开拓创新在诸多方法中电热法产业化已有先例可炼制含钛高硅的铝硅合金以再生铝废杂铝稀释最为有效便捷科学合理如果能使再生铝产业与电热法结缘伴行或将是再生铝产业转型升级迅速产出高级铸造合金高端变形合金的最强劲有力的引擎使再生铝迅速走出低谷由弱转强面目一新为此笔者就电热法略述拙见如下

二

电热法炼制铝硅钛合金工艺过程中有些重要环节必须妥善处理倘漠然置之就会遭到挫折和失败国内外此类事例比比皆是上世纪年代我国抚顺本溪唐山上海等地都曾试过电热法炼制铝硅合金无一例外都因忽略了炼制铝硅合金的某些环节的特殊要求先后放弃了试验其主要原因一是炉子选用不当冶炼工艺事故频频无法正常生产二是炉料配备粗放随意产出合金含铁高用途受限同时球团耐热强度不高造碴多涨炉底事故频频发生

与大多数矿热还原工艺不同炼制铝硅合金有其特殊性有特殊要求首先它要求反应区能量密度足以保证产出的合金能连续不断及时地从出口顺利淌出而且保持均衡稳定要求反应区温度能稳定保持在之间温度低了反应不完全造渣多温度高了还原金属特别是铝会大量挥发要求物料成分尤其是还原剂成分稳定保持反应区导电率稳定工艺过程炉料要均匀下移在合金及时排出的同时CO及碴也及时均匀排出要求电极能埋得深电极消耗保持均衡总之反应区各项工艺要素电制度热制度平衡而不紊乱

长期试验研究和生产实践证明虽然大功率三相矿热炉也能取得较好的技术指标但与单相单电极炉相比却相形见绌因而单相单电极炉应是首选用三相三电极矿热炉炼制铝硅合金时各项消耗指标都偏高而且经常发生熔炼工艺紊乱尤其是功率小的炉子无法正常生产勉强维持产出的合金含铝量也达不到要求究其原因主要是

一小功率三相炉三根电极三个反应区即便较大的kVA炉子每相功率也只有kVA显然反应区的能量密度太小产量小无法连续出炉还原金属尤其是铝在炉子内停留时间过长大量挥发产率低合金中铝含量少只能达到

二三相炉电抗大功率因数低一般只有加以功率小相对地炉壁炉面炉底散热面积大热效率低电耗高

三炼制铝硅合金工艺要求采用低电压大电流这时有效电阻及无功电阻值在不断变化无法做到三相功率完全一致三个反应区能量密度均衡为了消除这种不均衡状态就要经常变动变压器二次相序迫使停电破坏了熔炼工艺金属产率低电耗增加与单相单电极炉比较铝及硅的损失都大如表

四三相电炉因三相功率不均衡需要调整致使三根电极上下移动频繁反应区能量密度均衡遭破坏各项工艺要素也随之变坏还原反应无法快速完全地进行生产出现紊乱炉子经常处于不满负荷状态

五三相电炉三根电极之间产生分流这不但降低了反应区的能量密度还使炉子上部的温度升高降低了炉料电阻迫使电极埋入深度变浅导致难熔物SiCAlC积存于炉底造成塌料涨炉底事故无法正常生产直至最终被迫放弃生产

认真总结经验同时并参考国外经验不难得出结论电热法炼制铝硅合金确实有其特殊性有一定难度但如果炉子选用得当炉子具备了炼制铝硅合金所必备的功能炼制铝硅合金是完全可行的前苏联数十年的经验证明炉子的功率必需保证反应区能量密度足够大足以保证每分钟的产量达到连续出炉同时带出积存于炉底部的碴三相炉的有功功率通常是kVA以上单相单电极炉的有功功率通常是kVA以上

在选用三相炉时kVA以上的炉子为了使三相有功功率保持平衡反应区能量密度均衡稳定建议采用二次低压补偿装置西安瑞弛冶金设备公司首创以使功率因数提高到左右如有适用调频装置亦应采用在采用三相能量平衡装置时可使三相能量保持平衡相电压V以使低电压大电流

在选用单相单电极时增设调频柜可使电耗降低功率因数达上下在利用闲置矿热炉时功率kVA的炉子改造后功率可增大倍不属国家规定淘汰之列新建kVA以上单相单电极低频炉建议采用X专利技术旧炉改造可采用两种方式交直交低频方式十二相同步逆变低频方式

X专利技术特点在于炉体安装在炉底平车上炉膛内安装有一根自焙电极采用低频交流电源炉体外装有可绕炉体移动的扒皮车炉底平车置于基础上车板上设有多条钢轨炉体放在钢轨上炉底平车的移动由油缸和管路组成液压系统控制可使炉体沿炉口方向移动以改变电极在炉膛中的位置电炉采用的交流电源是三相电源采用整流逆变电路技术后构成的单相低频交流电源亦即将三相市电经变压器变压再经可控硅整流逆变后构成单相低频交流电源扒皮车由车体及设于车体上的电焊机扒皮夹子汽动装置组成车轮放在炉体外侧的圆形轨道上

把三相矿热炉改造成单相单电极炉采用交直交低频方式与X专利技术不同之处是所利用的闲置矿热炉原有炉体是固定的而电极是可移动的可以根据工艺需要随时改变其与出口之间的距离采用十二相同步逆变低频方式时原有炉体也不变只将固定电极装置改为可移动原有变压器留用其接线为AY需再添一台YY性能变压器组成十二相同步逆变调频交流电源功率增大倍用上述两种方式改造的炉子所用电极的直径正好与原有炉体的直径相适应炉子具有的电气特性完全符合炼制铝硅合金的工艺要求

两台kVA经改造的单相单电极低频炉其产量高于一台普通kVA三相炉子的产量其创造的技术经济效益更优于后者前苏联长期实践经验证明采用单相供电的六根电极排成一行的长方形电炉炼制铝硅合金最有发展前途它具有良好的工艺与电气特性功率因数提高电耗下降

鉴于各地多有闲置三相矿热炉建议选择条件好的炉子就地或移地加以改造将其改造成为单相单电极低频炉改造后的炉子将具有诸多优点现以kVA三相炉子以十二相同步逆变低频方式改造为例加以说明

改造后的炉子功率增大为kVA完全可保证连续出炉的工艺要求

利用原有炉体设施可节省大量投资并不难在个月内投入生产

由于单相单电极能量密度大反应区各项技术要素稳定温度易于控制在所要求的之间

由于只有一根电极消除了电极间分流电极埋入深度大保证了电流通过电弧直达炉底反应区能量密度衡定还原反应正常进行提高了热效率减少了热损失

改造后的炉子电极与出炉口之间距离可调整电极可移动温度高保证了还原金属及炉渣及时排出金属收率提高同时中间产物SiCAlC等难熔物较易被AlO还原避免涨炉底现象发生

一根可移动电极可保持电炉满负荷运行功率利用率可达必要时改变电极与出炉口之间的距离超负荷运行可利用平谷峰电价制度于夜间谷时多用电以降低平均电价

由于一根电极暴露于空气中炉料中面积小因而消耗少铁质电极壳相应消耗少有利于降低合金含铁量

一根电极便于调频柜安装维护而低频的应用与推广是国家节能措施将工频Hz调低为Hz可以减少大电流线路的电抗节能降耗频率HZ具有直流的功能功率分布合理不偏弧电流集肤效应减少均匀流过电极温度高而平稳原料还原率高电磁搅拌力大微粒渣反复碰撞形成大颗粒易于分离使合金中混渣少质量高并有利于合金精制

单相单电极低频炉不但优于三相炉也优于直流炉直流电炉的功率在阳极炉底由于热量过于集中不能充分利用并造成局部过热导致还原金属大量挥发使金属收率降低电耗增大国外使用直流炉炼制铝硅合金每吨合金耗电度以上国内在炼制工业硅时每吨硅耗电竟高达度而低频炉可使电耗低于度吨合金

一根电极消除了三相三根电极的三角区便于操作特别是便于机械化自动化改造也便于采用中空电极用氮气将氧化铝刚玉或高铝矿粉与炭粉吹进反应区使其直接反应以提高合金中铝含量

单相单电极低频炉较三相炉排出烟尘少噪音小利于环保达标利于粉末提纯加密技术的应用实施无废料废渣生产

一座改造后的kVA单相单电极低频矿热炉可年产含钛铝硅合金约吨按每kVA计算的年产量约为普通三相炉倍改造一台kVA三相炉为kVA单相单电极低频炉所投资金不难在投产后一年内收回

正是由于单相单电极炉的优越功能上世纪年代前苏联一种被称为米格炉的单相单电极炉风行一时但由于对电网干扰大被禁止我国在上世纪年代由前苏联帮助建造的供炼硅用kVA单相双电极矿热炉采用连续出炉工艺吨硅单耗可较三相炉低约以上单相单电极炉较三相三电极优势明显然而迄今为止国内尚未有以单相单电极炉成功炼制铝硅合金案例注重点仍倾向于大功率三相三电极炉两家规模企业以铝硅合金立项建造的功率kVA矿热炉投产后都转产铁合金另外多家试炼制过铝硅合金的企业所选矿热炉都是三相三电极炉因而在首选单相单电极炉同时不可忽视三相三电极炉三相三电极炉经技术改造后完全可以适应炼制铝硅合金的工艺要求例如有功功率大于kVA的炉子采用二次低压补偿增设三相平衡自动调整装置和调频柜后按低电压大电流要求相电压控制在VV之间反应区下移电极埋入深使反应区能量达到最佳限度满足冶炼工艺要求炼制出合格合金使冶炼工艺运行正常稳定

至于炉料制备必须按确定的AlOSiO以下以AS表示平衡配料严格按操作规程进行这是炼制铝硅合金铝硅钛合金工艺得以正常进行的必备条件炉料需经加工清除其中有害杂质在所有杂质中最为有害的是FeO而合金中铁的含量很大程度决定合金的市场竞争力含铁过高用于稀释的原铝或再生铝废杂铝的量加大配制的合金成本高利润降低因此要求在炼制的合金成本不增加的前提下含铁愈低愈好为此特别限定合金的含铁量一般不超过

在限定炼制铝硅合金铁含量的条件下对原料选用加工方法特别是除铁方法的选定必须做足文章因为这涉及到市场供求如物料价格高低加工费用大小加工难易程度以及国家政策要求等诸多方面因素的综合分析评估等比方河南的氧化铝工业由于实施选矿拜耳工艺流程副产大量尾矿为使尾矿资源化获得国家免税待遇可选用除铁尾矿作原料也可以废弃低铝硅比铝土矿经除铁除杂后用以炼制铝硅合金两者都具有量大质优特点山西省资源条件更为优越高岭土普遍含铁低平均在上下朔州忻州等高铝煤产地排放的高铝粉煤灰煤矸石更为可贵平朔二矿所产粉煤灰中AlO含量达FeO含量只有不需要除铁加工另外怀仁某煤矿所产煤灰粉中AlO含量高达AS而FeO含量为如用作电热炼制铝硅合金原料也不需要除铁加工怀仁所产洗选矸不需要添加含AlO物料还原剂可选用洗选精煤完全可以在煤上多下功夫此外内蒙古陕北等地也有高铝煤矸石粉煤灰产出托克托电厂排放的粉煤灰AlO含量达SiOASFeO含量经高梯度磁分选可降至无需添加含AlO物料可直接用以制团实际上全国可资源利用的炼制铝硅合金原料可谓取之不尽用之不竭

原料制备的另一个重要环节是制团工艺球团要求细度导电度机械强度孔隙度等要充分满足冶炼工艺要求球团耐热强度决定冶炼过程造碴多少的决定因素耐热强度必须保证球团顺利进入反应区正常运转时约有的残碴形成其成分主要是多铝红柱石AlOSiO刚玉六铝酸钙CaAlOSiCAlOC等通常在连续出炉时被带出炉外返回流程如果球团耐热程度不够造碴过多无法及时排出炉外会引发涨炉底事故事故频发会造成无法正常生产

总之性能优越适用矿热炉优良合格球团是炼制铝硅合金的必备条件不可漠然置之

三

除了上述通用方式还可创新其他探索方法例如炼制铝硅钛合金或铝铁合金使其分离制取含铁低并含有其他有益成份的铝合金或含有少量铝的铁合金而产出的含有少量硅钛的铝合金与再生铝废杂铝熔配如同上述成分的铝硅亚共晶变形合金

上世纪年代我国铝硅铁首创焦作李封铁合金厂去前苏联参观访问回国后即试验电热法炼制铝硅铁合金一举成功投产后头天炼出的合金成分如下

如果能使铁含量保持到或以下运用振动法重力离心法或水淬磁选法或可能把铁含量降至含铁的铝硅合金与适量再生铝或废杂铝熔配可配制出含铁以下含钛适量的铝硅亚共晶变形合金合金机械性能经测试与LD接近可作为LD的代用品广泛应用于建筑业运输业等方面从而使产能过剩的铝硅铁就可在自救的同时助推再生铝业转型升级脱困转强

可配制的铝硅亚共晶变形合金成份及测试结果如下

AlSiTi合金可以轧制成板挤压成各种规格的棒管型材等勿需中间退火可直接将管毛料拉拔成一定规格尺寸的半成品

为保证得到具有较好综合性能的AlSi变形铝合金钛含量应该限制在的范围较适宜

AlSiTi合金板的机械性能在冷变形状态下抗拉强度屈服强度比工业纯铝高约kgmm延伸率基本相当在退火状态时AlSiTi合金的抗拉强度比工业纯铝高约kgmm屈服强度略高延伸率基本相同与同样状态下的LD合金相比抗拉强度略低延伸率相对较高

AlSiTi合金挤压棒的机械性能在退火状态下抗拉强度延伸率比工业纯铝高与同状态下的LD合金棒之抗拉强度基本接近但延伸率和硬度要略高些断面收缩率约低有希望成为退火状态下LD合金棒的代用材料

该合金成型性好型材可一次弯成角不裂如与废杂铝熔配废杂铝中铜锌等金属有益无害此外还有一种过共晶铝硅合金早已问世也应重视

关键仍是除铁的铁含量在稀释硅的同时也被稀释倘铁含量稀释不到位再以重力离心法二次除铁可将其清除到以下

研究表明铝硅铁合金中三元相为FeSiAlFeSiAlFeSiAl且在硅中溶解极小用振动法重力离心法水淬磁选法有可能把铁清除到上下自然混锌法亦可一试不论哪种方式产出的副产品都可再利用其经济效益仍可维持高位

利用铁在高温时能有效抑制铝的挥发碳热法炼制铝硅合金也是一个可行的选项国外许多国家都曾试验过日本企业以高温间接加热法以氧化铝氧化铁粉石墨粉按重量比混合制团在C高温下保温分钟炼制出铝铁FeAL的铝铁合金由于铁在铝中固溶度受熔体温度左右低温时固溶度随之降低共晶温度时降至其时铁呈原子团存在而不紊乱可以多种方式予以清除由于铁不熔于锌和铅也可以混锌法混铅法进行处理上世纪年代日本人还曾以高炉法进行试验产出的合金含铝以上含铁含硅虽然两种方式都未能产业化但都有改进优化余地具有一定参考价值