一、概述
鋁電解槽中生產(chǎn)出的原鋁，在質(zhì)量上相差較大。另外，還含有一些金屬雜質(zhì)，氣體和非金屬固態(tài)夾雜物。鋁錠鑄造的任務(wù)是提高低品位鋁液的利用率，并盡可能除去其中的雜質(zhì)。原鋁中的雜質(zhì)可分為以下三類：第一類是金屬元素，如鐵、硅、銅、鈣、鎂、鈦、釩、硼、鎳、鋅、鎵、錫、鉛、磷等，其中主要元素是鐵和硅;第二類是非金屑固態(tài)夾雜物，Al2O3，AlN和Al4C3;第三類是氣體，H2，CO2，CO，CH4，N2，其中主要的是H2。在660C下，100g鋁液中大約溶解0.2cm3的氫氣。氣體在鋁液中的溶解度隨溫度升高而增加。從電解槽吸出的鋁液，都要經(jīng)過凈化處理，清除掉一部分雜質(zhì)，然后鑄成商品鋁錠(99.85%A1)。含99.996%Al純鋁(鋁絲φ2mm，硬拔者)，電阻率為2.668×10-8Ω·m。純鋁中如有雜質(zhì)元素，則電阻率增大。.影響最大者為鉻、釩、錳、鋰、鈦。影響較小者為銦、鉛、鋅、鎘、錫、鈹、鐵。
1.鋁中雜質(zhì)元素的平衡
用拜耳法從鋁土礦生產(chǎn)出的工業(yè)氧化鋁中，雜質(zhì)的含量相對(duì)于原料鋁土礦來說大為減少。除了從堿液中帶來的堿以外，雜質(zhì)元素的分析值總量通常少于1%。其中主要雜質(zhì)是SiO2和Fe2O3。除了氧化鋁給電解槽帶來雜質(zhì)外，炭陽極和熔劑冰晶石也帶來不少雜質(zhì)。炭陽極帶來的雜質(zhì)主要是鐵和硅，冰晶石也是這樣。
如果原料的雜質(zhì)元素全部析出在原鋁里，則所得鋁的品位只有99.7%Al。然而，實(shí)際生產(chǎn)出來的鋁卻具有較高的品位99.8%Al。這種差別主要是由于雜質(zhì)元素的蒸發(fā)造成的。鐵、鈦、磷、鋅和鎵從氧化鋁來的占多數(shù)，而硅和釩則從炭陽極來的占多數(shù)。從熔劑來的雜質(zhì)元素，以磷為多，約占磷總量的20%，其余硅、鐵，鈦和釩都很少。
平衡表的支出，硅和鐵都超過了從原料帶來的數(shù)量，其中硅超過60%左右，鐵超過37%左右。電解槽的內(nèi)襯材料，例如高灰分的槽底炭塊和炭糊以及耐火材料，是這些雜質(zhì)元素的另一個(gè)重要來源。此外，由于操作工具和陰極鋼棒遭受侵蝕，使鐵也進(jìn)入了平衡。其余幾種元素，收支接近平衡。
支出分配在原鋁和廢氣中的雜質(zhì)元素量是不一樣的。蒸發(fā)量最大的是磷，占收入總量的72%，釩占64.4%，鐵占62.4%，鈦占57.7%，鎵占49.6%，鋅占19.7%。最小的是硅，僅占收入總量的13.3%。之所以如此，原因是：①硅和鋅在電解質(zhì)里以比較難蒸發(fā)甚至不蒸發(fā)的化合物形態(tài)存在，倒如SiO2，ZnO或ZnF2。硅和鋅明顯地積累在鋁液里。鋁液被硅和鋅污染的程度，主要是由物料平衡中供入的硅化合物和鋅化合物總量來決定的。在這種情形下，槽罩的收集效率無關(guān)緊要。②鐵、鎵、鈦和鎳至少部分地以揮發(fā)性化合物的形態(tài)存在于體系中。這些化合物大概是在進(jìn)入電解質(zhì)之后才生成的。可能的化合物是Fe(CO)5，Ni(CO)4，TiF3，TiF4和GaF3等。如果槽罩的收集效率提高，則會(huì)在一定程度上影響鋁的質(zhì)量。③釩和磷只以揮發(fā)性化合物形態(tài)存在。可能的化合物，首先是氟化物(VF3和PF3)和五氧化二磷(P2O5)。由于電解質(zhì)中磷含量升高會(huì)影響電流效率，而鋁中釩量增多則會(huì)減小鋁的導(dǎo)電性能，所以可以預(yù)料到提高槽罩的收集效率會(huì)對(duì)原鋁質(zhì)量以及最佳生產(chǎn)效果方面帶來損害。
2.鋁錠的分類
鋁錠按成分不同分重熔用鋁錠、高純鋁錠和鋁合金錠三種：按形狀和尺寸又可分為條錠、圓錠、板錠、T形錠等幾種，下面是幾種常見的鋁錠;
重熔用鋁錠--15kg，20kg(≤99.80%Al)：
T形鋁錠--500kg，1000kg(≤99.80%Al)：
高純鋁錠--l0kg，15kg(99.90%～99.999%Al);
鋁合金錠--10kg，15kg(Al--Si，Al--Cu，Al--Mg);
板錠--500～1000kg(制板用);
圓錠--30～60kg(拉絲用)。
3.鋁錠鑄造工藝流程
出鋁—扒渣—檢斤—配料—裝爐—精練—澆鑄—重熔用鋁錠—成品檢查—成品檢斤—入庫
出鋁—扒渣—檢斤—配料—裝爐—精練—澆鑄—合金錠—鑄造合金錠—成品檢查—成品檢斤—入庫
二、原鋁凈化
從電解槽吸出的鋁液中含有各種雜質(zhì)，因此鑄造之前需要進(jìn)行凈化。工業(yè)上主要采用澄清、熔劑、氣體等凈化方法，也有的試用定向凝固和過濾方法進(jìn)行凈化。
1.熔劑凈化
熔劑凈化是利用加入鋁液中的熔劑形成大量的細(xì)微液滴，使鋁液中的氧化物被這些液滴濕潤(rùn)吸附和溶解，組成新的液滴升到表面，冷卻后形成浮渣除去。
凈化用的熔劑選用熔點(diǎn)低、密度小，表面張力小、活性大、對(duì)氧化渣有很強(qiáng)吸附能力的鹽組成。使用時(shí)，先將小塊熔劑裝入鐵籠里，再插入混合爐底部來回?cái)噭?dòng)，至熔劑化完后取出鐵籠，靜止5～10min。撈出表面浮渣即可澆鑄。根據(jù)需要也可將熔劑撤在表面上起覆蓋作用。
2.氣體凈化
氣體凈化是一種主要的原鋁凈化法，所用氣體是氯氣、氮?dú)饣蚵鹊旌蠚怏w。
(1)氯氣凈化。以前采用活性氣體氯氣作凈化劑(氯化法)。在氯化法中，把氯氣通入鋁液內(nèi)時(shí)生成很多異常細(xì)小的AlCl3，氣泡，充分地混合在鋁液內(nèi)。溶解在鋁液中的氫，以及一些機(jī)械夾雜物便吸附在AlCl3氣泡上，隨著AlCl3氣泡上升到鋁液表面而排出。通入氯氣時(shí)還能使某些比鋁更加負(fù)電性的元素氯化，如鈣、鈉、鎂等均因通入氯氣而生成相應(yīng)的氯化物，得以分離出來。所以氯化法是一種非常有效的原鋁凈化法。氯氣用量為每噸鋁500-700g。但因?yàn)檠鯕庥卸径冶容^貴重，為了避免空氣被污染和降低鋁錠生產(chǎn)的成本，故在現(xiàn)代鋁工業(yè)上已逐漸廢去了氯化法改成惰性氣體--氮?dú)鈨艋ā?
(2)氮?dú)鈨艋āＳ址Q為無煙連續(xù)凈化法，用氧化鋁球(418mm)作過濾介質(zhì)。N2直接通入鋁液內(nèi)。鋁液連續(xù)送入凈化爐內(nèi)，通過氧化鋁球過濾層，并受到氮?dú)獾臎_洗，于是鋁液中的非金屬夾雜物以及溶解的氫得以清除，然后連續(xù)排出，從而使細(xì)微的氮?dú)馀菥鶆蚍植荚谑芴幚淼匿X液內(nèi)起到凈化的作用。氮?dú)鈱?duì)大氣無污染，且凈化處理量大，每分鐘可處理200～600kg鋁液，凈化過程中造成的鋁損失量相對(duì)減少，故現(xiàn)在廣泛應(yīng)用。但它不象氯氣那樣能夠清除鋁液中的鈣、鈉、鎂。
(3)混合氣體凈化法。采用氯氣和氮?dú)獾幕旌衔飦韮艋X液，其作用是一方面脫去氫氣和分離氧化物，另一方面清除鋁中某些金屬雜質(zhì)(如鎂)，常用的組成是90%氮?dú)?10%氯氣。也有采用10%氯氣+10%二氧化碳+80%氮?dú)狻＿@樣效果更好，二氧化碳能使氯氣與氮?dú)夂芎玫臄U(kuò)散，可縮短操作時(shí)間。
四、鑄錠工藝
現(xiàn)在鋁錠鑄造工藝一般采用澆鑄工藝，就是把鋁液直接澆到模子里，待其冷卻后取出。
產(chǎn)品質(zhì)量的好壞主要在這一步驟，而且整個(gè)鑄造工藝，也是以這一過程為主。鑄造過程是一個(gè)由液態(tài)鋁冷卻、結(jié)晶成為固體鋁錠的物理過程。
1.連續(xù)澆鑄
連續(xù)澆鑄可分為混合爐澆鑄和外鑄兩種方式。均使用連續(xù)鑄造機(jī)。混合爐澆鑄是將鋁液裝入混合爐后，由混合爐進(jìn)行澆鑄，主要用于生產(chǎn)重熔用鋁錠和鑄造合金。外鑄是由抬包直接向鑄造機(jī)澆鑄，主要是在鑄造設(shè)備不能滿足生產(chǎn)，或來料質(zhì)量太差不能直接入爐的情況下使用。由于無外加熱源，所以要求抬包具有一定的溫度，一般夏季在690～740℃，冬季在700～760℃，以保證鋁錠獲得較好的外觀。
混合爐澆鑄，首先要經(jīng)過配料，然后倒人混合爐中，攪拌均勻，再加入熔劑進(jìn)行精煉。澆鑄合金錠必須澄清30min以上，澄清后扒渣即可澆鑄。澆鑄時(shí)，混合爐的爐眼對(duì)準(zhǔn)鑄造機(jī)的第二、第三個(gè)鑄模，這樣可保證液流發(fā)生變化和換模時(shí)有一定的機(jī)動(dòng)性。爐眼和鑄造機(jī)用流槽聯(lián)接，流槽短一些較好，這樣可以減少鋁的氧化，避免造成渦旋和飛濺，鑄造機(jī)停用48h以上時(shí)，重新啟動(dòng)前，要將鑄模預(yù)熱4h。鋁液經(jīng)流槽流入鑄模中，用鐵鏟將鋁液表面的氧化膜除去，稱為扒渣。流滿一模后，將流槽移向下一個(gè)鑄模，鑄造機(jī)是連續(xù)前進(jìn)的。鑄模依次前進(jìn)，鋁液逐漸冷卻，到達(dá)鑄造機(jī)中部時(shí)鋁液已經(jīng)凝固成鋁錠，由打印機(jī)打上熔煉號(hào)。當(dāng)鋁錠到達(dá)鑄造機(jī)頂端時(shí)，已經(jīng)完全凝固成鋁錠，此時(shí)鑄模翻轉(zhuǎn)，鋁錠脫模而出，落在自動(dòng)接錠小車上，由堆垛機(jī)自動(dòng)堆垛、打捆即成為成品鋁錠。鑄造機(jī)由噴水冷卻，但必須在鑄造機(jī)開動(dòng)轉(zhuǎn)滿一圈后方可給水。每噸鋁液大約消耗8-10t水，夏季還需附吹風(fēng)進(jìn)行表面冷卻。鑄錠屬于平模澆鑄，鋁液的凝固方向是自下而上的，上部中間最后凝固，留下一條溝形縮陷。鋁錠各部位的凝固時(shí)間和條件不盡相同，因而其化學(xué)成分也將各異，但其整體上是符合標(biāo)準(zhǔn)的。
重熔用鋁錠常見的缺陷有：①氣孔。主要是由于澆鑄溫度過高，鋁液中含氣較多，鋁錠表面氣孔(針孔)多，表面發(fā)暗，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生熱裂紋。②夾渣。主要是由于一是打渣不凈，造成表面夾渣;二是鋁液溫度過低，造成內(nèi)部夾渣。③波紋和飛邊。主要是操作不精細(xì)，鋁錠做的太大，或者是澆鑄機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)造成。④裂紋。冷裂紋主要是澆鑄溫度過低，致使鋁錠結(jié)晶不致密，造成疏松甚而裂紋。熱裂紋則由澆鑄溫度偏高引起。⑤成分偏析。主要是鑄造合金時(shí)攪拌不均勻引起的。
2.豎式半連續(xù)鑄造
豎式半連續(xù)鑄造主要用于鋁線錠、板錠以及供加工型材用的各種變形合金的生產(chǎn)。鋁液經(jīng)配料后倒入混合爐，由于電線的特殊要求，鑄造前需加入中間合盤Al-B脫出鋁液中的鈦、釩(線錠);板錠需加入Al-Ti--B合金(Ti5%B1%)進(jìn)行細(xì)化處理。使表面組織細(xì)密化。高鎂合金加2#精煉劑，用量5%，攪拌均勻，靜置30min后扒去浮渣，即可澆鑄。澆鑄前先將鑄造機(jī)底盤升起，用壓縮空氣吹凈底盤上的水分。再把底盤上升入結(jié)晶器內(nèi)，往結(jié)晶器內(nèi)壁涂抹一層潤(rùn)滑油，向水套內(nèi)放些冷卻水，將干燥預(yù)熱過的分配盤、自動(dòng)調(diào)節(jié)塞和流槽放好，使分配盤每個(gè)口位于結(jié)晶器的中心。澆鑄開始時(shí)，用手壓住自動(dòng)調(diào)節(jié)塞，堵住流嘴，切開混合爐爐眼，讓鋁液經(jīng)流槽流入分配盤，待鋁液在分配盤內(nèi)達(dá)到2/5時(shí)，放開自動(dòng)調(diào)節(jié)塞，使鋁液流進(jìn)結(jié)晶器中，鋁液即在底盤上冷卻。當(dāng)鋁液在結(jié)晶器內(nèi)達(dá)到30mm高時(shí)即可下降底盤，并開始送冷卻水，自動(dòng)調(diào)節(jié)塞控制鋁液均衡地流入結(jié)晶器中，并保持結(jié)晶器內(nèi)的鋁液高度不變。對(duì)鋁液表面的浮渣和氧化膜要及時(shí)清除。鋁錠長(zhǎng)度約為6m時(shí)，堵住爐眼，取走分配盤，待鋁液全部凝固后停止送水，移走水套，用單軌吊車將鑄成的鋁錠取出，在鋸床上按要求的尺寸鋸斷，然后準(zhǔn)備下一次澆鑄。
澆鑄時(shí)，混合爐中鋁液溫度保持在690～7l0℃，分配盤中的鋁液溫度保持在685-690℃，鑄造速度為190～21Omm/min，冷卻水壓為0.147～0.196MPa。鑄造速度與截面為正方形的線錠成比例關(guān)系：
VD=K
式中V為鑄造速度，mm/min或m/h;D為錠截面邊長(zhǎng)，mm或m;K為常值，m2/h，一般為1.2～1.5。
豎式半連續(xù)鑄造是順序結(jié)晶法，鋁液進(jìn)入鑄孔后，開始在底盤上及結(jié)晶器內(nèi)壁上結(jié)晶，由于中心與邊部冷卻條件不同，因此結(jié)晶形成中間低、周邊高的形式。底盤以不變速度下降。同時(shí)上部不斷注入鋁液，這樣在固體鋁與液體鋁之間有一個(gè)半凝固區(qū).由于鋁液在冷凝時(shí)要收縮，加上結(jié)晶器內(nèi)壁有一層潤(rùn)滑油，隨著底盤的下降，凝固的鋁退出結(jié)晶器，在結(jié)晶器下部還有一圈冷卻水眼，冷卻水可以噴到已脫出的鋁錠表面，為二次冷卻，一直到整根線錠鑄完為止。
順序結(jié)晶可以建立比較滿意的凝固條件，對(duì)于結(jié)晶的粒度、機(jī)械性能和電導(dǎo)率都較有利。比種鑄錠其高度方向上沒有機(jī)械性能上的差別，偏析也較小，冷卻速度較快，可以獲得很細(xì)的結(jié)晶組織。
鋁線錠表面應(yīng)平整光滑，無夾渣、裂紋、氣孔等，表面裂紋長(zhǎng)度不大于1.5mm，表面的渣子和棱部皺紋裂痕深度不許超過2mm，斷面不應(yīng)有裂紋、氣孔和夾渣，小于lmm的夾渣不多于5處。
鋁線錠的缺陷主要有：①裂紋。產(chǎn)生的原因是鋁液溫度過高，速度過快，增加了殘余應(yīng)力;鋁液中含硅大于0.8%，生成鋁硅同熔體，再生成一定的游離硅，增加了金屬的熱裂性：或冷卻水量不足。在結(jié)晶器表面粗糙或沒有使用潤(rùn)滑油時(shí)，錠的表面和角部也會(huì)產(chǎn)生裂紋。②夾渣。鋁線錠表面夾渣是由于鋁液波動(dòng)、鋁液表面的氧化膜破裂、表面的浮渣進(jìn)入鑄錠的側(cè)面造成。有時(shí)潤(rùn)滑油也可帶入一些夾渣。內(nèi)部夾渣是由于鋁液溫度過低、粘度較大、渣子不能及時(shí)浮起或澆鑄時(shí)鋁液面頻繁變動(dòng)造成。③冷隔。形成冷隔主要是由于結(jié)晶器內(nèi)鋁液水平波動(dòng)過大，澆鑄溫度偏低，鑄錠速度過慢或鑄造機(jī)震動(dòng)、下降不均而引起的④氣孔。這里所說的氣孔是指直徑小于1mm的小氣孔。其產(chǎn)生的原因是澆鑄溫度過高，冷凝過快，使鋁液中所含氣體不能及時(shí)逸出，凝固后聚集成小氣泡留在鑄錠中形成氣孔。⑤表面粗糙。由于結(jié)晶器內(nèi)壁不光滑，潤(rùn)滑效果不好，嚴(yán)重時(shí)形成晶體表面的鋁瘤。或由于鐵硅比太大，冷卻不均產(chǎn)生的偏析現(xiàn)象。⑥漏鋁和重析。主要是操作問題，嚴(yán)重的也造成瘤晶。
3.鑄錠質(zhì)量的保證
(1)重熔用鋁錠。鑄錠過程中最重要的技術(shù)條件是澆鑄溫度，在澆鑄過程中必須嚴(yán)格控制澆鑄溫度，一般高于鋁液凝固溫度30～50℃。
(2)線錠。線錠的澆鑄略為復(fù)雜，需控制的條件有鑄錠速度。鑄錠速度與鑄錠直徑有關(guān)。其澆鑄溫度保持680～690℃，冷卻水壓為0.147～0.196MPa，結(jié)晶器內(nèi)壁鋁液水平控制在30mm左右。控制好以上條件，并加強(qiáng)操作管理，即可獲得較好的質(zhì)量。
