CN112342412A - 环保节能短流程铸造铝合金生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了环保节能短流程铸造铝合金生产工艺，其包括如下步骤：第一步，真空包内合金化制备得到铝合金溶体；第二步，铝合金溶体于低位炉中利用氟盐络合铝合金精炼剂进行精炼制备得到待浇注铝合金溶体；第三步，待浇注铝合金溶体铸造得到铝合金铸锭。本发明节省了高位炉预热和入铝后升温合金化所需要的天然气加热能源，大大降低了生产能耗；与现有铝合金生产工艺比较，从约5小时生产一炉次优化为约3小时一炉次，大大提高了生产效率；低了原料和人工成本；解决了用氯盐做精炼剂，产生铝灰无法回收利用问题，进一步节省了不可回收的铝灰处理成本。

Description

环保节能短流程铸造铝合金生产工艺

技术领域：

本发明涉及一种铸造铝合金生产工艺，特别是涉及一种环保节能短流程铸造铝合金生产工艺。

背景技术：

现有铸造铝合金锭的生产工艺一般是炉内进行铝合金的成分配制、合金化、添加精炼剂精炼、扒渣等工艺步骤。目前的铸造铝合金锭的生产工艺存在能耗高、热损失大、铸损高、生产效率低等问题。以A356铸造铝合金为例，其生产工艺为：在高位炉内加入金属硅并平铺在炉底，炉内升温对金属硅进行烘烤预热，真空包向炉内倒入高温原铝液，并在倒铝炉口处加入钛剂，利用原铝液将钛剂冲刷到炉内，使元素合金化，静置一段时间后进行扒渣，初步扒去铝液表面的浮渣；高位炉打眼，将高位炉铝液倒入低位炉，并在倒铝过程中将镁锭放置在流动的铝液中，利用高温流动的铝液将镁锭熔化至低位炉；倒炉完成后，在低位炉进行精炼，使用对应铝液重量的千分之五用量的精炼剂，配合精炼气体(氮气或氩气)，将精炼剂均匀吹入铝液中，将铝液中的氢和夹渣带出，逐渐在铝液表面形成一层可分离的浮渣，一般精炼时间为40分钟；精炼完成后进行扒渣，直至铝液表面无浮渣如镜面，才可以进行A356铝合金的铸造；铸造前需将流槽、过滤箱过滤板、铸机铸模充分烘烤干燥，后打开低位炉炉进行生产铸造。整个铸造生产过程从开始入硅到铸造完成，共需要5小时左右，该种A356铝合金铸造生产工艺流程存在如下缺点：

(1)、金属硅的预热和炉内的烘烤需要炉内具有一定的炉膛温度，烘烤金属硅需要给熔炼炉持续升温以保持炉内恒定温度，增加了生产能耗。

(2)真空包内铝液倒入高位炉后温度降至800℃左右，相比刚抽入的940℃原铝液，在运输及倒炉过程浪费了100℃以上，热损失高；

(3)高位炉内熔硅时间较长，每炉次平均约180分钟以上，铝完全溶解金属硅需要温度达到700℃以上，而真空包内铝液倒入高位炉后温度降至800℃左右，在熔硅过程中原铝液热量还在不断散失，无法满足长时间熔硅过程中的温度要求，因此需要对高位炉进行加热，维持反应温度，进一步增加了生产能耗；

(4)、低位炉精炼过程，为尽量减少烧损，铝合金熔体精炼温度一般控制在680℃-730℃之间，目前，为了符合铝合金熔体精炼温度条件，精炼剂熔点最好控制在700℃以下。现有精炼剂中一般是采用添加氯盐，如氯化镁、氯化钠、氯化钾等，来降低精炼剂整体共熔点，使得低熔点精炼剂在精炼温度下能够快速溶解，达到除渣除气作用。但现有氯盐精炼剂精炼后产生的铝灰中，由于含有上述氯盐，若添加进电解槽中，氯元素、钾元素等会对电解熔盐体系造成不良影响，如侵蚀炭块，缩减电解槽寿命等，因此，通过添加氯盐精炼剂对铝合金熔体精炼净化后产生的铝灰，由于含有氯盐化合物，无法被电解回收再利用，精炼后产生的铝灰大量堆积变为危废，还要花费大量费用处理铝灰；部分氯盐精炼剂在精炼过程中还会产生对环境有害的气体，污染环境。

(5)、真空包输送原铝液、熔硅合金化分步进行，而两个工艺步骤消耗时间均较长，导致整个铸造生产过程耗费时间较长，生产效率低下。

(6)、溶体成分的均匀化取决于金属硅的颗粒度，现大部分铝合金锭铸造生产使用的金属硅牌号为441，金属硅颗粒度在50～150mm，较大的金属硅颗粒减少了与铝液的接触面积，增加反应时间，使硅分子均匀扩散到熔融铝体中并合金化需要120min左右，因熔硅时间较长，每炉次平均约180分钟以上，生产效率低。

(7)、熔保炉的高位炉在长时间升温熔硅及扒渣的过程，造成1.8％的原铸损。

发明内容：

为解决以上技术问题，本发明的目的在于提供一种环保节能短流程铸造铝合金生产工艺。

本发明的目的由如下技术方案实施：环保节能短流程铸造铝合金生产工艺，其包括如下步骤：第一步，真空包内合金化制备得到铝合金溶体；第二步，铝合金溶体于低位炉中利用氟盐络合铝合金精炼剂进行精炼、静置、扒渣，制备得到待浇注铝合金溶体；第三步，待浇注铝合金溶体铸造得到铝合金铸锭。

优选的，所述第一步与所述第二步之间还包括有经高位炉进行倒铝步骤，将铝合金溶体倒入高位炉，并直接由高位炉炉眼导入低位炉，并在倒炉过程中，铝合金溶体冲刷并熔解倒铝流槽内添加的合金化元素铸锭。

优选的，所述第一步，真空包内合金化制备得到铝合金溶体包括如下步骤：(1)倒运高温原铝液预热真空包；(2)用预热后的真空包预热合金化元素；(3)真空包内注入高温原铝液，并在真空包抽铝完成后运输至铸造区期间完成铝与合金化元素的合金化，制备得到铝合金溶体。

优选的，所述步骤(1)倒运高温原铝液预热真空包：真空包经电解车间抽入高温原铝液，运输至铸造车间倒铝，用高温原铝液预热真空包，使得真空包内炉腔温度达到600-700℃。

优选的，所述步骤(1)中，需要倒运至少两次900℃以上的所述高温原铝液完成真空包的预热。

优选的，所述步骤(2)用预热后的真空包预热合金化元素：打开预热后的真空包顶部的人孔盖，加入筛选好的合金化元素后，关闭人孔盖，真空包密闭保温15-20分钟，利用真空包余热充分预热合金化元素。

优选的，所述(3)真空包内注入高温原铝液完成铝与合金化元素的合金化：抽取920℃以上的原铝液注入真空包内，真空包抽铝完成后运输至铸造区，在此期间，完成真空包内的铝与合金化元素的合金化，反应时间为20-40分钟，制备得到铝合金溶体。

优选的，所述氟盐络合铝合金精炼剂包括如下质量百分含量的组分：氟盐除渣组分60-80％、碳酸镁5-15％、氟化钙3-8％、氟硅酸钠5-15％、碳酸钠3-8％，以上各组分的质量百分含量之和为100％。

优选的，所述氟盐除渣组分包括冰晶石与氟化铝，所述冰晶石与所述氟化铝的质量比为1.5:1-3.0:1；所述冰晶石与所述氟化铝的质量比优选为66:34。

优选的，当铸造铝合金为A356铸造铝合金时，所述真空包内添加的合金化元素为金属硅颗粒和钛剂，所述金属硅颗粒的粒径为20-100mm，钛剂埋在金属硅颗粒中间，由真空包的人孔加入真空包内，所述钛剂为块状，颗粒度在20mm以上；所述倒铝流槽内添加的合金化元素为镁锭。

本发明的优点：

(1)本发明利用电解原铝液高温溶体对真空包进行预热，然后将合金化元素放入真空包内，利用原铝液高温溶体在真空包内的余热预热合金化元素，再用电解原铝液高温溶体在真空包内熔化合金化元素，充分利用了真空包的余热和电解原铝液的热能，在真空包内完成合金化，节省了高位炉预热和入铝后升温合金化所需要的天然气加热能源，大大降低了生产能耗；

(2)原铝液高温溶体在真空包内与合金化元素反应进行合金化，与现有工艺比较，充分利用了输送过程中原铝液高温溶体的热量损耗，能够满足合金化过程中反应温度要求，进一步降低了能耗；

(3)本发明在真空包内加入合金化元素后，运输至电解槽过程完成了合金化元素的烘烤，抽铝后利用真空包运输至铸造高位炉过程完成了合金化元素在铝液中的熔解合金化，相比原铝合金铸造生产工艺，本发明充分利用真空包在运输过程所消耗时间完成了合金化过程，与现有铝合金生产工艺比较，从约5小时生产一炉次优化为约3小时一炉次，大大提高了生产效率。

(4)本发明采用的精炼剂没有添加任何氯盐，增大氟盐的添加比例，并通过合理配置冰晶石与氟化铝的添加比例，将精炼剂共熔点温度降低至700℃以下，满足铝合金熔体精炼温度要求，能够达到较为理想的除气除渣效果，除氢率能达到60％以上，不低于50％，除渣率能达到70％以上，不低于60％，且不含有氯盐、六氯乙烷等组分，精炼过程中不会产生有毒有害物质，更加安全环保。

(5)精炼后产生的铝灰能够被电解回收再利用，且铝灰中的任意成分均对电解槽没有影响；铝灰回收利用降低原料成本同时，解决了大量铝灰堆放变为危废问题。

(6)本发明避免了二次加热，可有效降低熔硅过程的烧损，得到的合金液可直接进行精炼，同时，精炼剂精炼后扒渣时，渣铝分离效果好，扒渣过程带出铝少，综合降低0.5％的原铸损。

附图说明

图1为实施例1A356铝合金生产工艺流程图。

图2为实施例1制备得到的A356铝合金试样100倍下金相图片；

图3为现有常规A356铝合金制备工艺制备得到的A356铝合金试样100倍下金相图片。

具体实施方式：

实施例1：本实施例以A356铝合金为例，对环保节能短流程铸造铝合金生产工艺做进一步的说明。其具体包括如下步骤：

(1)6吨容量真空包经电解车间抽入原铝液，运输至铸造车间倒铝，用承装900℃以上的高温原铝液预热真空包，经过两次预热过程，真空包内炉腔温度达到600-700℃，具备加硅钛条件。

(2)筛选颗粒大小在20-100mm的金属硅450kg，并装入包袋中。

(3)将12kg钛剂埋在金属硅中间，在后续随金属硅一同倒入真空包内。钛剂被埋在金属硅之间可有效降低钛剂助燃剂的燃烧，若钛剂先加入真空包包底或后加入到金属硅上，由于钛剂助燃剂在真空包内先燃烧，抽铝后需要更多的熔融时间才能将钛熔解，且实收率较低。

(3)将充分预热的真空包，用天车吊运至真空包座上，打开真空包顶部的人孔盖。

(4)天车吊运装有金属硅和钛的包袋至真空包的人孔上方，包袋的底部被人孔内的高温烧开，金属硅和钛剂自然掉落进真空包内；然后，更换人孔密封圈的石棉绳，涂抹一圈石棉泥，保证真空包密闭性，关闭人孔盖。

(5)密闭的真空包保温15-20分钟，使金属硅利用真空包余热充分预热。

(6)天车吊运入硅钛保温后的真空包至电解槽进行抽铝；抽铝口***电解槽内，抽取原铝液5900kg。其中，电解槽选择标准为：槽况好，运行平稳；炉底沉淀少、炉底压降≤350mV；下水平≥19cm；电解铝液温度为920℃以上；

(7)真空包抽铝完成后运输至铸造区，在此期间，金属硅、钛剂与铝熔体进行合金化反应，反应时间为20-40分钟，制备得到铝合金溶体。现有技术真空包内抽取原铝液，运输至铸造一区温度只有820-850℃，倒入炉内后铝液温度还会下降很多，所以需提前将炉内的金属硅进行烘烤预热，炉内1.3吨金属硅充分预热需要30-60分钟，之后三个装满原铝液的真空包向炉内先后倒入；高位炉为天然气炉或电阻炉，升温速率慢且最高升到700-750℃，所以炉内溶体温度不高，硅块未筛分颗粒度较大，将炉内1.3吨金属硅完全合金化需要60-120分钟。本工艺中硅块经过筛分颗粒度较小，传热快，且每个真空包内金属硅量少，预热只需要15-20分钟。本工艺中金属硅在真空包内，熔化金属硅的是电解槽中900℃以上的高温铝液，且抽入铝液时铝液带动金属硅有一定的搅拌冲刷作用，更有利于快速熔解，所以熔融合金化时间为20-40分钟。

(8)将铝合金溶体倒入高位炉，并直接由高位炉炉眼导入低位炉，并在倒炉过程中，铝合金溶体冲刷并熔解倒铝流槽内添加的镁锭63kg。

(9)铝合金溶体于低位炉中利用氟盐络合铝合金精炼剂进行精炼、静置、扒渣，制备得到待浇注铝合金溶体，其中精炼工艺具体为：氟盐络合铝合金精炼剂在铝合金熔体中共熔点温度为669℃。惰性气体采用氩气，作为送料气体将氟盐络合铝合金精炼剂由低位炉底部加入铝合金熔体中，通过在低位炉外摆动精炼管，使得在低位炉内的精炼管出气口运动轨迹为“Z”或“N”形，从而保证精炼剂比较均匀的分散在铝合金熔体中，完成铝合金精炼。精炼过程中，精炼剂添加量为铝合金熔体总量的0.2％；精炼温度706℃；精炼时间40min；氩气压力0.21MPa；精炼前铝合金熔体氢含量0.40ml/100gAl，精炼后铝合金熔体氢含量为0.19ml/100gAl，除氢率52.5％；精炼前铝合金熔体渣含量为0.45mm²/kg，精炼静置后铝合金渣含量为0.12mm²/kg，除渣率73.3％。

本实施例所用氟盐络合铝合金精炼剂，其包括如下质量百分含量的组分：冰晶石528kg、氟化铝272kg，冰晶石与氟化铝总量占80％；碳酸镁50kg，占5％；氟化钙30kg，占3％；氟硅酸钠50kg，占5％；碳酸钠70kg，占7％，以上各组分的质量百分含量之和为100％。其中，所述冰晶石与所述氟化铝的质量比为66:34。所述冰晶石、所述氟化铝、所述碳酸镁、所述氟化钙、所述氟硅酸钠与所述碳酸钠的含水质量百分数均不高于0.5％，且不含化合水，纯度均在95％以上。

本实施例中，氟盐络合铝合金精炼剂的制备方法，其包括如下步骤：1、原料准备；2、所述氟盐除渣组分中的冰晶石与氟化铝粒化处理得颗粒料；3、物料混合后干燥包装制得成品氟盐精炼剂，其中，

1、原料准备：对所需原料进行检测，冰晶石、氟化铝、碳酸镁、氟化钙、氟硅酸钠与碳酸钠的含水质量百分数均不高于0.5％，且不含化合水，纯度均在95％以上。检测完成后过筛，然后按比例称取如下组分：冰晶石528kg、氟化铝272kg、碳酸镁50kg、氟化钙30kg、氟硅酸钠50kg、碳酸钠70kg，以上各组分总计1000kg。

2、所述氟盐除渣组分中的冰晶石与氟化铝粒化处理得颗粒料：将步骤(1)称取的冰晶石和氟化铝混合均匀，坩埚炉进行预热，将混合均匀的冰晶石和氟化铝加入到坩埚炉内，加热至700℃后保温30min，将冰晶石与氟化铝熔化，然后搅拌10min后浇铸凝固，形成凝固物料的粒度≤40mm；将凝固物料加入狼牙破碎机中破碎，本实施例所用狼牙破碎机型号为2PG-610x400，生产能力为5-50t/h，进料粒度≤40mm，出料粒度1-20mm。破碎后进行筛分，分别得到粒径≤0.5mm、粒径为0.5mm-2mm、粒径为2mm-4mm的物料；将不同粒径的物料按比例进行混合得到颗粒料，颗粒料中，粒径为2mm-4mm所占质量百分比含量0.5％-3％；粒径为0.5mm-2mm所占质量百分比含量95％-98％；粒径≤0.5mm所占质量百分比含量0.5-3％。

3、物料混合后干燥包装制得成品氟盐精炼剂：将步骤(2)制得的颗粒料与步骤(1)称取的除冰晶石和氟化铝以外的其他组分混合均匀后，干燥包装制得成品氟盐精炼剂。。

(10)除氢除渣后铝合金溶体流入铸造装置进行铸造得到A356合金锭。

本实施例利用电解原铝液高温溶体在真空包内熔化金属硅和钛剂，利用了真空包的余热和电解原铝液的温度，缩短了原有炉内烘硅、熔硅的时间，在真空包运输的过程中金属硅和钛剂已完全熔解了A356铝合金所需的金属硅和钛；根据试验结果，真空包内的溶体温度可达到750℃以上，所以真空包内的溶体倒入高位炉后不需再进行保温和熔炼，直接导入低位炉，并在倒铝过程加入镁锭熔解在铝液中，此时溶体已完成A356铝合金的配制。在低位炉内进行精炼、静置、扒渣后进行铸造。

本实施例高效在于将高位炉烘硅、熔硅、冲钛的工艺流程改变为真空包熔硅、熔钛的方式，在真空包内加入硅钛后，运输至电解槽过程完成了金属硅的烘烤，抽铝后利用真空包运输至铸造高位炉过程完成了硅钛在铝液中的熔解合金化，相比原有A356铝合金铸造生产工艺，节省出高位炉的生产时间。

本实施例节能在于完全利用了真空包内的余热和高温原铝液的热量，依靠真空包的保温性在包内进行A356合金的熔炼，节省了高位炉烘硅和入铝后升温熔硅的天然气加热能源。

本实施例采用的精炼剂没有添加任何氯盐，增大氟盐的添加比例，并通过合理配置冰晶石与氟化铝的添加比例，将精炼剂共熔点温度降低至700℃以下，满足铝合金熔体精炼温度要求，能够达到较为理想的除气除渣效果，除氢率52.5％，除渣率73.3％，且不含有氯盐、六氯乙烷等组分，精炼过程中不会产生有毒有害物质，更加安全环保。精炼后产生的铝灰能够被电解回收再利用，且铝灰中的任意成分均对电解槽没有影响；铝灰回收利用降低原料成本同时，解决了大量铝灰堆放变为危废问题。

通过试验，真空包熔硅熔钛的硅的实收率为97.28％，钛实收率为81.63％，均高于目前常规生产工艺的铸造实收率；另外，避免了二次加热，可有效降低熔硅过程的烧损，得到的合金液可直接进行精炼，同时，精炼剂精炼后扒渣时，渣铝分离效果好，扒渣过程带出铝少，综合降低0.5％的原铸损。

本实施例从熔炼到铸造实现了A356铝合金短流程化生产，真空包入炉到低位炉氮气精炼直接经过在线除气除渣装置，直接完成A356铝合金的铸造生产，从约5小时生产一炉次优化为约3小时一炉次，且整个短流程减少了至少3名人工劳动力。

如图2-3所示，利用本实施例制备得到的铝硅合金试样较常规熔硅工艺制备得到的铝硅合金试样，α-Al枝晶分布变得均匀且生成较小，这是因为在真空包内由于熔硅温度较高，使共晶硅颗粒细小，硅的圆整度大；真空包内抽入高温原铝液时铝液有一定冲刷力，熔硅的过程偏析程度较小，初生硅较少。

本实施例，真空包内注入高温原铝液，金属硅在高温原铝液的冲击搅拌作用下，Si从熔融铝中获得了足够大的动能，使硅分子热震动加剧，能摆脱周围其他分子对它的束缚，溶解并扩散到熔融铝体中，由高浓度区向低浓度区扩散，减少偏析，使铝硅合金成分更均匀。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.环保节能短流程铸造铝合金生产工艺，其特征在于，其包括如下步骤：第一步，真空包内合金化制备得到铝合金溶体；第二步，铝合金溶体于低位炉中利用氟盐络合铝合金精炼剂进行精炼、静置、扒渣，制备得到待浇注铝合金溶体；第三步，待浇注铝合金溶体铸造得到铝合金铸锭。

2.根据权利要求1所述的环保节能短流程铸造铝合金生产工艺，其特征在于，所述第一步与所述第二步之间还包括有经高位炉进行倒铝步骤，将铝合金溶体倒入高位炉，并直接由高位炉炉眼导入低位炉，并在倒炉过程中，铝合金溶体冲刷并熔解倒铝流槽内添加的合金化元素铸锭。

3.根据权利要求1或2所述的环保节能短流程铸造铝合金生产工艺，其特征在于，所述第一步，真空包内合金化制备得到铝合金溶体包括如下步骤：(1)倒运高温原铝液预热真空包；(2)用预热后的真空包预热合金化元素；(3)真空包内注入高温原铝液，并在真空包抽铝完成后运输至铸造区期间完成铝与合金化元素的合金化，制备得到铝合金溶体。

4.根据权利要求3所述的环保节能短流程铸造铝合金生产工艺，其特征在于，所述步骤(1)倒运高温原铝液预热真空包：真空包经电解车间抽入高温原铝液，运输至铸造车间倒铝，用高温原铝液预热真空包，使得真空包内炉腔温度达到600-700℃。

5.根据权利要求4所述的环保节能短流程铸造铝合金生产工艺，其特征在于，所述步骤(1)中，需要倒运至少两次900℃以上的所述高温原铝液完成真空包的预热。

6.根据权利要求3所述的环保节能短流程铸造铝合金生产工艺，其特征在于，所述步骤(2)用预热后的真空包预热合金化元素：打开预热后的真空包顶部的人孔盖，加入筛选好的合金化元素后，关闭人孔盖，真空包密闭保温15-20分钟，利用真空包余热充分预热合金化元素。

7.根据权利要求3所述的环保节能短流程铸造铝合金生产工艺，其特征在于，所述(3)真空包内注入高温原铝液完成铝与合金化元素的合金化：抽取920℃以上的原铝液注入真空包内，真空包抽铝完成后运输至铸造区，在此期间，完成真空包内的铝与合金化元素的合金化，反应时间为20-40分钟，制备得到铝合金溶体。

8.根据权利要求3所述的环保节能短流程铸造铝合金生产工艺，其特征在于，当铸造铝合金为A356铸造铝合金时，所述真空包内添加的合金化元素为金属硅颗粒和钛剂，所述金属硅颗粒的粒径为20-100mm，钛剂埋在金属硅颗粒中间，由真空包的人孔加入真空包内，所述钛剂为块状，颗粒度在20mm以上；所述倒铝流槽内添加的合金化元素为镁锭。

9.根据权利要求1或2所述的环保节能短流程铸造铝合金生产工艺，其特征在于，所述氟盐络合铝合金精炼剂包括如下质量百分含量的组分：氟盐除渣组分60-80％、碳酸镁5-15％、氟化钙3-8％、氟硅酸钠5-15％、碳酸钠3-8％，以上各组分的质量百分含量之和为100％。

10.根据权利要求9所述的环保节能短流程铸造铝合金生产工艺，其特征在于，所述氟盐除渣组分包括冰晶石与氟化铝，所述冰晶石与所述氟化铝的质量比为1.5:1-3.0:1；所述冰晶石与所述氟化铝的质量比优选为66:34。

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