电工圆铝杆净化方法的现状与展望.pdf

2 0 1 3 年7 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 7 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 3 ．0 7 ．0 0 7 电工圆铝杆净化方法的现状与展望 侯世香，顾威，刘东雨 华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，北京1 0 2 2 0 6 摘要详细介绍了目前铝熔体的净化方法及其对电工圆铝杆性能的影响，并对净化工艺进行了展望。认 为目前较好的净化工艺是气体、熔剂联合吹炼 精炼 泡沫陶瓷过滤板过滤。 关键词电工圆铝杆；铝熔体；净化方法；展望 中图分类号iT G 2 9 2文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 0 7 一0 0 2 7 0 4 S t a t u sa n dP r o s p e c to fP u r i f i c a t i O nM e t h o d sf O rR o u n dA l u m i n u mP o l e H O U S h i x i a n g ，G UW e i ，L I UD o n g y u K e yL a b o r a t o r yo fC o n d i t i o nM o n i t o r i n ga n dC o n t r 0 1f o rP o w e rP 1 a n tE q u i p m e n to fM i n i s t r yo fE d u c a t i o n ， N o r t hC h i n aE l e c tr i cP o w e rU n i v e r s i t y ，B e 巧i n g1 0 2 2 0 6 ，C h i n a A b s t m c t T h ep u r i f i c a t i o nm e t h o d so fa l u m i n u mm o l t e na n dt h e i re f f e c t so np r o p e r t yo fe l e c t r i c a lr o u n da l u m i n u mp o l ew e r ei n t r o d u c e d ．T h ep r o s p e c to fp u r i f i c a t i o nm e t h o d so fa l u m i n u mm o l t e nw a se l a b o r a t e d ． T h eo p t i m u mp u r i f i c a t i o nm e t h o di sg a sa n df u s i n ga g e n tu n i t e db l o w i n g r e f i n i n g c o m b i n e dw i t hf i l t r a t i o nw i t hf o a m e dc e r a m i c sf i l t e rp l a t e ． K e yw o r d s e l e c t r i c a lr o u n da l u m i n u mp o l e ；a l u m i n u mm o l t e n ；p u r i f i c a t i o nm e t h o d s ；p r o s p e c t 电工圆铝杆是拉制电线电缆、导电线芯用圆铝 线和其他电工用铝导线的材料，其质量好坏直接影 响其使用性能。目前许多铝厂直接用电解铝液来生 产电工圆铝杆，工艺流程为；电解铝液一开口包内精 炼一混合炉内精炼一静置一在线除气一在线过滤一 浇注。取自电解槽的铝液温度较高及含氢量大，获 得的铝合金存在不同程度的气体和杂质，在轧制后 就会产生缩孔、针眼和起皮等缺陷。因此，在铸造前 必须对铝熔体进行精炼净化，除去这些缺陷，否则就 会降低电工圆铝杆的力学性能和导电率。 本文主要介绍精炼净化的方法。这些净化方法 有很多分类，如按工艺分为在线式和间歇式；按位置 分为炉内和炉外；按原理分为吸附式、非吸附式和复 合式‘1 3 等。 收稿日期2 0 1 3 一0 1 3 0 基金项目国家电网公司科技项目 D G l 7 2 0 1 2 0 0 0 4 9 作者简介侯世香 1 9 6 4 一 ，女，河北人，博士，副教授． 1在线净化 炉内净化因除渣效果差、熔体可能有二次污染， 精炼后熔体中仍残留一定的气体和夹杂，主要用于 中小型铝加工厂。铝合金熔炼时在除氢的同时也有 表面吸氢现象。为了减少液态铝吸气，应严格控制 炉料及辅助材料的质量，尽量减少液态合金在高温 下的保温时间并避免其过热，尽量在覆盖剂保护下 保温，并在浇铸前加入精炼剂进行除气处理。 传统的炉内处理方法效率低、净化效果差及存 在环境污染等。因此，炉内间歇式净化被炉外连续 净化取代是国内外铝加工企业净化工艺的必然趋 势。在同一装置中将除气净化和过滤除渣结合在一 起，进行多次、连续净化，可以显著提高铝合金熔体 的净化效果。采用惰性气体 精炼熔剂喷吹进行在 万方数据 2 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年7 期 线净化铝合金熔体[ 1 ] ，可以满足对熔体净化日益增 长的要求。 2 吸附式净化 吸附净化可以通过铝熔体与净化剂直接接触， 使净化剂与铝熔体中的气体和夹杂物发生物理或化 学作用而达到除气和除杂目的。 2 ．1 气泡浮游法 气泡浮游法是将气体 如惰性气体、活性气体或 混合气体 通入到铝熔体内部，形成气泡，分压差的 作用使铝熔体中的氢扩散进气泡并上浮而被排除。 上浮的气泡还能同时吸附部分夹杂而除杂。大多数 除氢技术都是建立在气泡浮游理论上的，气泡浮游 法又可分为单管吹气法、多孔喷吹法、固定喷吹法和 旋转喷吹法等[ 2 ‘3 ] 。 单管吹气法是通过一根石墨管 或钢管 向铝熔 体中吹入净化气体达到除氢目的。该法吹入的气泡 较大，在熔体中分布不均，且无搅拌，除气效率低。 多孔喷吹法是在石墨管前端装了多孔塞，减小了气 泡尺寸，但仍分布不均。固定吹气法是在处理炉的 底部或侧部安装一个或多个透气砖，高压气体和熔 剂通过透气砖往铝熔体中喷人并对铝熔体起到一定 的搅拌作用，熔体从设备的上方螺旋向下流动，气泡 上浮并均匀地分布到熔体中，但它是一种间歇式除 氢装置，不同炉次之间除氢效率的波动较大。 旋转喷吹法通过喷嘴的旋转把净化气体吹人铝 熔体后，在熔池底部平面上以辐射状喷出，沿螺旋轨 迹上升并逸出铝熔体] 。在气泡上升的过程中，熔 体中的氢和夹杂物等被带出液面，从而达到净化熔 体的目的。该技术净化效果好、可以在炉外进行连 续净化处理，而且操作简单、渣量少、无环境污染、可 自动化操作。除气效果取决于净化气体的性质、纯 度、气泡的均匀度和滞留时间。 2 ．2 过滤法 采用中性或活性材料制备过滤器，可以有效滤 去铝熔体中的夹杂物及吸附在夹杂表面的氢[ 4 。5 ] 。 过滤器的材质主要有刚玉微孔陶瓷管、玻璃纤维网 和泡沫陶瓷等。其中，刚玉微孔陶瓷管可以过滤掉 几微米的氧化物夹杂，优点是具有较好除渣效果，但 缺点是效率低。 玻璃纤维网的适应性强、操作简便、成本低，但 是由于它的开口面积小，容易堵塞浇注系统，并且过 滤不稳定。在使用过程中，玻璃纤维网需经常更换， 而且难以除去尺寸较小的夹杂物。国产玻璃纤维网 的孔眼尺寸为1 ．2m m 1 - 5m m ，每平方厘米孔眼 数为3 0 个，过滤流量约2 0k g ／m i n 。 泡沫陶瓷过滤器的孔隙率高、吸附面积大、操作 方便，对1 0 肚m 以上的氧化夹杂物的过滤效果最 好，但难以去除微小尺寸的氧化夹杂。该技术的发 展很快，为得到高质量的铝熔体，过滤板的孔径越细 小越好。在实际应用中，过滤法往往与吹气法相结 合。由于陶瓷泡沫较脆、容易破损、不能重复使用， 而且其孔道相对较直，因此夹杂物去除效率较低。 铝熔体通过过滤板的速度越小，杂质越容易被吸附， 推荐的速度为1 0 ～1 9m m ／s 。在5t ／h 的生产线 上，选用3 6 0m m 3 6 0m m 4 0m m 的孔、孔隙度 为2 0 ％～3 0 ％较合理[ 6 ] 。目前常用玻璃纤维滤网 与陶瓷多孔板复合。更换滤网时，不能先拔去旧滤 网后插入新滤网[ 7 ] 。 试验证明[ 5 ] ，采用高效净化熔剂 过滤工艺，在 熔剂加入量约3 ％、熔炼温度7 2 0 ℃时对铝熔体进 行净化处理，纯铝的含杂量和针孔率降低幅度分别 可达7 0 ％～8 2 ％和6 0 ％～8 8 ％。再辅以除气，铝材 的性能可以得到进一步的提高。熔剂过滤净化的关 键是将铝的熔化、熔剂过滤和熔剂高效除杂3 个过 程在熔炼过程中一次性完成，符合“排杂为主”的净 化原则，可以明显减少铝中夹杂物等所带来的缺陷。 傅高升[ 8 ] 等采用高效排杂熔剂 特定的过滤工 艺 晶粒细化处理，净化效果显著，除杂率及气孔降 低率分别达到8 3 ．6 ％和9 1 ．2 ％。明显提高了电工 铝杆的性能，在a r b 1 2 0M P a 时，延伸率达到 1 2 ．2 ％，比常规处理提高了6 2 ．7 ％，电阻率降低了 0 ．9 3 ％。 2 ．3 熔剂法 熔剂法是指向铝熔体中添加由碱金属或碱土金 属卤盐组成的混合物，如高温盐经熔化后制得的过 滤体，主要用来清除熔体中的非金属夹杂物。将熔 剂加入到铝合金熔体内部或表面后，熔体中的氢被 吸附或溶解并进入熔渣而被除去[ 4 ] 。其净化除渣效 果主要取决于熔剂的组成和净化工艺∞。7 ] 。 按净化机理的不同，净化熔剂分为精炼剂、覆盖 剂、清渣剂和清壁剂等，按精炼剂的净化作用可分为 固体精炼剂和气体精炼剂。常用的固体溶剂主要 有N a C l 、K C l 、N a 3 A l F 6 、N a F 、M n C l 2 、N a 2 C 0 3 等， 气体精炼剂主要包括[ 9 ] N 2 、C l 。、C 0 、C C l 2 F 2 、C 0 2 、 C C l 4 、C 2 C 1 6 等。 3 非吸附式净化 在吸附界面上进行的精炼属于吸附法，而非吸 万方数据 2 0 1 3 年7 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 9 附式净化在整个铝熔体中都会发生[ 4 ’9 ] 。非吸附式 净化是通过物理作用来破坏气体或夹杂物系统所处 的平衡状态，使气体和夹杂物从铝熔体中分离出来。 主要有稀土净化、静置和真空净化、气体的电迁移、 振荡除气和超声波净化、电磁场净化等。 3 ．1 稀土净化法 稀土净化法是利用稀土元素特殊的电子结构和 物理化学性质。混合稀土R E 与铝液中的氢有较强 的吸引力，可以形成稳定的高熔点化合物，从而固定 并除去铝熔体中的氢。稀土化学固氢净化已成为新 型铝熔体精炼方向之一。通常是以A l R E 中间合 金的形式加入，加入温度7 2 0 ～7 5 0 ℃。稀土可明显 减少铝液中的含氢量、夹杂物和有害元素，降低铸件 针孑L 率和孔隙度。该方法精炼效果好、操作简单、不 产生环境污染问题。但较高的稀土价格导致该方法 的推广还有一定难度[ 4 ] 。 添加混合稀土R E o ．0 2 ％～o ．2 ％ ，电工圆铝 杆的电阻率可降至 2 ．7 2 ～2 ．7 6 1 0 - 8Q m 。稀 土的含量为o ．1 ％～o ．3 ％时，对电工铝杆的导电性 没有影响[ 10 | 。 3 ．2 静置处理及真空法 利用熔体与夹杂物的密度差，在铝熔体浇注前 静置一段时间后‘9 | ，使夹杂物沉浮，达到从熔体中分 离的目的。静置温度7 3 0 ～7 6 0 ℃，静置时间3 0 m i n 左右口] 。但小尺寸的夹杂用该法难以除去，除 氢效果也不显著。 在密闭的、有一定真空度的环境中，氢在熔体和 气氛中的分压差的作用下会从熔体中上浮并逸出， 达到除气的目的。通常分为静态真空除气和动态真 空除气。静态真空除气时，液面上的氧化膜会阻碍 氢的扩散，降低除气效率[ 9 ] 。动态真空除气由于增 加了对铝熔体的搅拌，从而增加了熔体的传质系数， 因此除气效率较高。真空处理是降低铝熔体中氢含 量最有效的方法，但需真空密封设备，价格昂贵，因 此很少使用] 。 3 ．3 气体的电迁移 铝熔体在直流电的作用下，氢在负极被还原并 逸出[ 9 ] 。实践表明，在石墨坩埚中，将1 0 0k g 的 Z L l 0 2 熔体通入2 5 0 ～3 0 0A 的直流电 或者1 5 0 k g 的Z L l 0 5 熔体通人o ．5 ～o ．7A ／c m 2 的直流 电 ，通电时间2 0 ～4 0m i n ，可以降低质量分数2 8 ％ ～3 0 ％的氢含量。若采用海绵钛电极，除气率还可 以进一步提高，残留在熔体中的钛还能起到细化铝 合金晶粒的作用。 3 ．4 振荡除气及超声波处理法 铝熔体在受到高速定向往复振动时，在其内部 会因弹性波产生的空化现象而形成显微空穴，熔体 内的气体进入该显微空穴后，逐渐长大并最终以气 泡形式逸出[ 9 ] 。 在铝熔体中，超声波的空化作用也可以形成上 述空穴，从而除去铝液中的气体，一些非金属氧化夹 杂也随气泡的上浮而除去H ] 。超声波净化处理可除 气、除杂，同时提高过冷铝熔体中的形核率还能细化 晶粒。 3 ．5 电磁场净化法 因为氧化物夹杂和合金熔体间的电导率有一定 的差别。在电磁场中，电磁力只对金属液起作用，而 非金属氧化夹杂则不受影响，从而在熔体中产生一 个压力梯度，在该梯度的作用下，氧化物夹杂发生与 金属液受力方向相反的运动而被除去[ 4 ] 。因为外加 磁场的强度和方向可以很方便地调节，所以电磁场 净化法可有效去除1 0 弘m 以下的夹杂。是除去铝 合金熔体中夹杂物的新方法。 但是上述这些非吸附净化方法都没有得到广泛 的应用，主要原因是净化效果欠佳、设备和工艺复 杂、操作成本高等。 4 复合式净化 单一的精炼方法要做到同时高效除气、除杂很 困难，复合精炼处理已成为获得高品质铝液的主要 发展方向[ 1 卜1 2 ] 。对生产电工圆铝杆的电解铝液采用 联合净化处理，即气体、熔剂联合吹炼 精炼 泡沫 陶瓷过滤板过滤的工艺是合理有效的[ 6 ] 。 陈永禄等[ 1 3 ] 探讨了不同熔体净化处理工艺对 连铸连轧电工圆铝杆的组织、力学性能及电阻率的 影响。采用高效排杂熔剂 过滤工艺 细化剂，排 杂除气效果显著，在同一强度水平下，延伸率提高约 2 4 ％，电阻率也得到一定程度的降低。 采用高效排杂熔剂 晶粒细化 稀土变质处 理，可明显提高电工圆铝杆的冶金质量，除杂率及气 孔降低率分别提高了2 2 ．3 ％和7 4 ．7 ％，可有效提高 电工圆铝杆的综合性能，满足高强电工圆铝杆的性 能要求u4 | 。 杨钢等[ 1 朝待熔炼炉中铝合金液温度降至7 6 0 ～ 7 8 0 ℃时，由特制的精炼器用氮气将精炼剂 按炉料 量的o ．1 ％～o ．1 5 ％ 自熔池底部的铝熔体中喷出。 精炼器在熔池底部缓慢移动，使精炼剂和与铝液充 分接触，精炼时间2 5 ～3 0m i n ，铝液翻腾高度控制 万方数据 3 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年7 期 在5 0m m 以下，一般可去除6 0 ％以上的杂质，其除 杂率及气孑乙降低率分别达7 3 ．5 ％和9 2 ．1 ％。此净 化处理明显提高了电工圆铝杆的力学性能，并使其 电阻率有所降低。 5前景展望 传统的炉内处理方法已经逐渐被炉外连续净化 所取代。在线式连续除氢的效果好、稳定，可以获得 较好质量的熔体，而且对环境无危害，被广泛应用于 大型铝加工企业[ 9 ] 。近年来越来越多地采用惰性气 体一精炼熔剂喷吹方式进行在线净化处理铝熔体。 如生产优质的电工圆铝杆时，在生产线的熔炼炉与 浇包之间另设有熔体在线净化装置，包括过滤和连 续气体精炼二部分[ 1 ] 。 旋转喷气技术被认为是最先进有效的除氢方 法。喷吹时在铝熔体中所形成气泡的尺寸越小、分 散度越大、上浮速度越慢，除氢效果就越好。 近年来，中间包净化箱过滤技术简单、易操作、 除渣效果好、成本较低，已成为铝加工行业常规的净 化手段[ 6 ] 。 合理配置熔炼炉和保温炉，进行炉内精炼、在线 除气和过滤，合理选择除气装置和泡沫过滤板，保证 氮气和精炼剂质量，直接用电解液生产的电工园铝 杆，氢含量可降低到O ．1 0 ％～o ．1 3 ％[ 16 | 。 目前较好的工艺为气体、熔剂联合吹炼 精炼 泡沫陶瓷过滤板过滤[ 6 ] 。 4结论 采用炉外连续净化处理是国内外铝加工企业净 化工艺的发展趋势。电工圆铝杆最有希望的净化工 艺是包内熔剂 炉内精炼 单管吹氮 在线石墨转 子旋转喷吹氮气 泡沫陶瓷过滤板过滤，不仅可控 制缺陷产生，还能防止其引起的电阻率偏高。 参考文献 [ 1 ] 孙锋山，傅高升，陈永禄，等．高效排杂熔剂净化处理电 工圆铝杆的试验研究[ J ] ．热加工工艺，2 0 0 2 4 1 4 ． [ 2 ] 唐小龙．铝及铝一硅合金熔体净化处理及其机理研究 [ D ] ．广州华南理工大学，2 0 1 1 ． [ 3 ] 柳洋．铝中氢行为的计算机模拟研究[ D ] ．上海上海交 通大学，2 0 1 2 ． [ 4 ] 赵维．铝合金中夹杂物研究[ D ] ．南宁广西大学，2 0 0 8 ． [ 5 ] 傅高升，康积行，陈文哲，等．高效排杂溶剂过滤净化工 业纯铝[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 1 ，1 1 3 ；4 3 3 4 3 7 ． [ 6 ] 柴挨俊．生产高质量电工圆铝杆的几个关键技术[ J ] ． 铸造技术，2 0 1 2 8 1 0 0 2 1 0 0 4 。 [ 7 ] 於国良．影响连铸连轧法生产电工用铝杆质量因素分析 [ J ] ．上海有色金属，2 0 0 2 ，2 3 1 2 9 3 5 ． [ 8 ] 傅高升，孙锋山，陈永禄．电工铝杆用高效排杂净化熔剂 及其处理效果[ J ] - 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