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。

　　

　�、阼F、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入電解質(zhì)之后才生成的�？赡艿幕�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，則會在一定程度上影響鋁的質(zhì)量。

　　

　�、垅C和磷只以揮發(fā)性化合物形態(tài)存在�？赡艿幕�合物，首先是氟化物（VF3和PF3）和五氧化二磷（P2O5）。由于電解質(zhì)中磷含量升高會影響電流效率，而鋁中釩量增多則會減小鋁的導(dǎo)電性能，所以可以預(yù)料到提高槽罩的收集效率會對原鋁質(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低、密度小，表面張力小、活性大、對氧化渣有很強吸附能力的鹽組成。使用時，先將小塊熔劑裝入鐵籠里，再插入混合爐底部來回攪動，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、氮氣或氯氮混合氣體。

　　

　�。�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。但因為氧氣有毒而且比較貴重，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--氮氣凈化法。

　　

　�。�2）氮氣凈化法。又稱為無煙連續(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，并受到氮氣的沖洗，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)微的氮氣泡均勻分布在受處理的鋁液內(nèi)起到凈化的作用。氮氣對大氣無污染，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。采用氯氣和氮氣的混合物來凈化鋁液，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%氮氣+10%氯氣。也有采用10%氯氣+10%二氧化碳+80%氮氣。這樣效果更好，二氧化碳能使氯氣與氮氣很好的擴散，可縮短操作時間。

　　

　　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，而且整個鑄造工藝，也是以這一過程為主。鑄造過程是一個由液態(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�；旌蠣t澆鑄是將鋁液裝入混合爐后，由混合爐進行澆鑄，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，混合爐的爐眼對準(zhǔn)鑄造機的第二、第三個鑄模，這樣可保證液流發(fā)生變化和換模時有一定的機動性。爐眼和鑄造機用流槽聯(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，鑄造機停用48h以上時，重新啟動前，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，將流槽移向下一個鑄模，鑄造機是連續(xù)前進的。鑄模依次前進，鋁液逐漸冷卻，到達鑄造機中部時鋁液已經(jīng)凝固成鋁錠，由打印機打上熔煉號。當(dāng)鋁錠到達鑄造機頂端時，已經(jīng)完全凝固成鋁錠，此時鑄模翻轉(zhuǎn)，鋁錠脫模而出，落在自動接錠小車上，由堆垛機自動堆垛、打捆即成為成品鋁錠。鑄造機由噴水冷卻，但必須在鑄造機開動轉(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，或者是澆鑄機運行不平穩(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、自動調(diào)節(jié)塞和流槽放好，使分配盤每個口位于結(jié)晶器的中心。澆鑄開始時，用手壓住自動調(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)達到2/5時，放開自動調(diào)節(jié)塞，使鋁液流進結(jié)晶器中，鋁液即在底盤上冷卻。當(dāng)鋁液在結(jié)晶器內(nèi)達到30mm高時即可下降底盤，并開始送冷卻水，自動調(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。對鋁液表面的浮渣和氧化膜要及時清除。鋁錠長度約為6m時，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，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，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。同時上部不斷注入鋁液，這樣在固體鋁與液體鋁之間有一個半凝固區(qū).由于鋁液在冷凝時要收縮，加上結(jié)晶器內(nèi)壁有一層潤滑油，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，對于結(jié)晶的粒度、機械性能和電導(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滑油時，錠的表面和角部也會產(chǎn)生裂紋。②夾渣。鋁線錠表面夾渣是由于鋁液波動、鋁液表面的氧化膜破裂、表面的浮渣進入鑄錠的側(cè)面造成。有時潤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、渣子不能及時浮起或澆鑄時鋁液面頻繁變動造成。③冷隔。形成冷隔主要是由于結(jié)晶器內(nèi)鋁液水平波動過大，澆鑄溫度偏低，鑄錠速度過慢或鑄造機震動、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，潤滑效果不好，嚴(yán)重時形成晶體表面的鋁瘤�；蛴捎阼F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，并加強操作管理，即可獲得較好的質(zhì)量。