再生铝与电热法铝硅钛合金结缘伴行展望

    前些时间,笔者以"中国再生铝产业2015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)30年前出现的由铝硅钛三元合金配制的含钛0.6%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5万、15万公里行车试验,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35%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ZL108T活塞合金技术规格、合金化学成分如下(%):Si:11-12,Cu:1.4-1.6,

    Mg:o.6-0.8,Mn:o.5-0.7,Ti:0.5-0.6,Fe:0.4-0.5,Al余量.

    来自全国26个单位派出技术专家34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LD2,可作为LD3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ZL108T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60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2050℃~2200℃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6300kVA炉子,每相功率也只有6300/3kVA,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30%~35%.(二)三相炉电抗大,功率因数低,一般只有0.78~0.88,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,

    (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SiC、Al4C3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13000kVA以上,单相单电极炉的有功功率通常是10000kVA以上.

    在选用三相炉时,16500kVA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0.93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50~55V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7%~10%,功率因数达0.93上下.在利用闲置矿热炉时,功率6300kVA的炉子改造后功率可增大1.58倍,不属国家规定淘汰之列,新建10000kVA以上单相单电极低频炉,建议采用8927416X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.

    8927416X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8927416X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A/Y,需再添一台Y/Y性能变压器,组成十二相同步-逆变-调频交流电源,功率增大2/1.265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6300kVA经改造的单相单电极低频炉,其产量高于一台普通16500kVA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5%~7%,电耗下降15%.

    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6300kVA三相炉子,以十二相同步——逆变——低频方式改造为例,加以说明:

    (1)改造后的炉子,功率增大为9960kVA,完全可保证连续出炉的工艺要求.

    (2)利用原有炉体、设施,可节省大量投资,并不难在3~5个月内投入生产.

    (3)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2050℃~2200℃之间.

    (4)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.

    (5)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SiC、Al4C3等难熔物较易被Al2O3还原,避免涨炉底现象发生.

    (6)一根可移动电极,可保持电炉满负荷运行,功率利用率可达100%,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.

    (7)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.

    (8)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50Hz调低为0~3Hz,可以减少大电流线路的电抗,节能降耗.频率0~3HZ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.

    (9)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2/3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15000度以上,国内在炼制工业硅时每吨硅耗电竟高达16500度,而低频炉可使电耗低于13000度/吨合金.(10)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.

    (11)单相单电极低频炉较三相炉排出烟尘少30%,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10000kVA单相单电极低频矿热炉,可年产含钛铝硅合金约6000吨,按每kVA计算的年产量约为普通三相炉1.3倍.改造一台6300kVA三相炉为10000kVA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40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50年代由前苏联帮助建造的供炼硅用5000kVA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10%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16500kVA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13000kVA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50V~55V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Al2O3/SiO2(以下以A/S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Fe2O3,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1.5%.

    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0.3%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Al2O3含量达47%,Fe2O3含量只有0.44%,不需要除铁加工.另外,怀仁某煤矿所产煤灰粉中Al2O3含量高达54.22%,A/S1.59,而Fe2O3含量为0.8%,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Al2O3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Al2O3含量达54.77%,SiO2:36.5%、A/S1,51、Fe2O3含量2.29%,经高梯度磁分选可降至0.6%,无需添加含Al2O3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14%~17%的残碴形成,其成分主要是多铝红柱石(3Al2O3.2SiO2)、刚玉、六铝酸钙(Ca.6Al2O3)、SiC、AlOC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90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3天炼出的合金成分如下:

    如果能使铁含量保持到10%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2%~3%,含铁2%~3%的铝硅合金与适量再生铝或废杂铝熔配,可配制出含铁0.7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LD2接近,可作为LD2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:1.Al-6%Si-1%Ti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.

    2.为保证得到具有较好综合性能的Al-6%Si变形铝合金,钛含量应该限制在0.5%~1.0%的范围较适宜.

    3.Al-6%Si-1%

    Ti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5~7kg/mm2,延伸率基本相当:在退火状态时,Al-6%Si-1%

    Ti合金的抗拉强度比工业纯铝高约5kg/mm2,屈服强度略高,延伸率基本相同,与同样状态下的LD2合金相比,抗拉强度略低,延伸率相对较高.

    4.Al-6%Si-1%Ti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LD2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15%有希望成为退火状态下LD2合金棒的代用材料.

    5.该合金成型性好,型材可一次弯成900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,2%~3%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0.5%以下.

    研究表明,铝硅铁合金中三元相为:Fe2SiAl8、FeSiAl6、FeSiAl4,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2%~3%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60:15:25混合制团,在21500C高温下,保温30分钟,炼制出铝铁Fe/AL2.61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0.03%~0.05%,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80年代日本人还曾以高炉法进行试验,产出的合金含铝60%以上,含铁20%~25%,含硅10%~15%,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.