再生鋁與電熱法鋁硅鈦合金結緣伴行展望

    前些時間,筆者以"中國再生鋁產(chǎn)業(yè)2015形勢預測"為題,報道了中國再生鋁業(yè)的現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向.報道顯示,歷經(jīng)數(shù)十年的中國再生鋁業(yè)目前基本上還是初級鑄造合金錠.高端變形鋁合金尚處于探索階段,拓展產(chǎn)品品種,將是中國再生鋁業(yè)今后發(fā)展方向.歷經(jīng)數(shù)十年發(fā)展,然而中國再生鋁產(chǎn)業(yè),迄今為止只能生產(chǎn)初級鋁合金錠,發(fā)人深思.

    (一)30年前出現(xiàn)的由鋁硅鈦三元合金配制的含鈦0.6%上下的鋁硅共晶合金,用于汽車發(fā)動機中的活塞、缸體、缸蓋等零部件制作,經(jīng)試驗室試驗,工業(yè)性試驗,以及5萬、15萬公里行車試驗,結果合金有以下優(yōu)點:有良好的細化結晶組織作用、較高的耐熱性、較高的耐磨性;能使活塞使用壽命延長35%左右,合金經(jīng)濟效益明顯.由河南省科技委員會發(fā)布的鑒定證書注明ZL108T活塞合金技術規(guī)格、合金化學成分如下(%):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.

    來自全國26個單位派出技術專家34人,參與鑒定,其中多家汽車制造廠、拖拉機廠、活塞廠及內(nèi)燃機配件制造廠、汽車研究機構等.鑒定具有很高的專業(yè)性、權威性.與此同時產(chǎn)出的鋁硅鈦亞共晶變形合金,經(jīng)過專業(yè)機構測試,其機械性能接近LD2,可作為LD3代用品,廣泛應用于建筑業(yè)、運輸業(yè)等諸多部門,市場空間不可限量.雖然上述產(chǎn)品因其生產(chǎn)方式、生產(chǎn)方法不科學,嚴重破壞電解工藝、損壞電解槽,被放棄、禁用,未能產(chǎn)業(yè)化,但產(chǎn)品的優(yōu)越性、廣泛適用性,仍然給人留下深刻的印象.以鋁土礦直接電解,違規(guī)蠻干,嚴重破壞電解工藝,傷損電解槽被放棄禁用,理所當然,但鋁硅鈦三元合金,不應被忽視,應探索、研發(fā)其它方式、方法進行生產(chǎn).

    事實證明,對礦石進行改性加工處理,使其理化性能適應電解工藝要求的復合氧化鋁,作為電解添加劑,與氧化鋁混配進行電解,經(jīng)試驗室試驗,可以在保持電解工藝正常運行的條件下,產(chǎn)出含有少量鈦及硅的鋁硅鈦三元合金,可用于再生鋁深加工,可以產(chǎn)出上述ZL108T的活塞合金和亞共晶變形合金.可惜此法竟無人問津,長期被忽視.我國再生鋁產(chǎn)業(yè)步履蹣跚數(shù)十年,只能生產(chǎn)初級鑄造鋁合金錠.

    除了電解法之外,還可以采用其它方式、方法.例如電熱法、碳熱法、化學置換法等.關鍵是要有創(chuàng)新發(fā)展思維理念和意愿,能勇于開拓創(chuàng)新.在諸多方法中,電熱法產(chǎn)業(yè)化已有先例.可煉制含鈦高硅的鋁硅合金,以再生鋁、廢雜鋁稀釋最為有效、便捷、科學合理.如果能使再生鋁產(chǎn)業(yè)與電熱法結緣伴行,或?qū)⑹窃偕X產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、迅速產(chǎn)出高級鑄造合金、高端變形合金的最強勁有力的引擎,使再生鋁迅速走出低谷,由弱轉(zhuǎn)強,面目一新.為此,筆者就電熱法略述拙見如下.

    (二)電熱法煉制鋁硅鈦合金工藝過程中,有些重要環(huán)節(jié)必須妥善處理,倘漠然置之,就會遭到挫折和失敗,國內(nèi)外此類事例比比皆是.上世紀60年代,我國撫順、本溪、唐山、上海等地都曾試過電熱法煉制鋁硅合金,無一例外,都因忽略了煉制鋁硅合金的某些環(huán)節(jié)的特殊要求,先后放棄了試驗.其主要原因,一是爐子選用不當,冶煉工藝事故頻頻,無法正常生產(chǎn);二是爐料配備粗放隨意,產(chǎn)出合金含鐵高,用途受限.同時球團耐熱強度不高,造碴多,漲爐底事故頻頻發(fā)生.

    與大多數(shù)礦熱還原工藝不同,煉制鋁硅合金有其特殊性,有特殊要求.首先,它要求反應區(qū)能量密度足以保證產(chǎn)出的合金能連續(xù)不斷、及時地從出口順利淌出,而且保持均衡穩(wěn)定;要求反應區(qū)溫度能穩(wěn)定保持在2050℃~2200℃之間,溫度低了反應不完全造渣多,溫度高了還原金屬特別是鋁會大量揮發(fā);要求物料成分尤其是還原劑成分穩(wěn)定,保持反應區(qū)導電率穩(wěn)定;工藝過程爐料要均勻下移,在合金及時排出的同時,CO及碴也及時均勻排出;要求電極能埋得深,電極消耗保持均衡;總之,反應區(qū)各項工藝要素、電制度、熱制度平衡而不紊亂.

    長期試驗研究和生產(chǎn)實踐證明,雖然大功率三相礦熱爐也能取得較好的技術指標,但與單相單電極爐相比卻相形見絀,因而單相單電極爐應是首選.用三相三電極礦熱爐煉制鋁硅合金時,各項消耗指標都偏高,而且經(jīng)常發(fā)生熔煉工藝紊亂,尤其是功率小的爐子,無法正常生產(chǎn),勉強維持,產(chǎn)出的合金含鋁量也達不到要求,究其原因主要是:

    (一)小功率三相爐,三根電極三個反應區(qū),即便較大的6300kVA爐子,每相功率也只有6300/3kVA,顯然反應區(qū)的能量密度太小,產(chǎn)量小,無法連續(xù)出爐,還原金屬尤其是鋁在爐子內(nèi)停留時間過長,大量揮發(fā),產(chǎn)率低,合金中鋁含量少,只能達到30%~35%.(二)三相爐電抗大,功率因數(shù)低,一般只有0.78~0.88,加以功率小,相對地爐壁、爐面、爐底散熱面積大,熱效率低,電耗高.

    (三)煉制鋁硅合金,工藝要求采用低電壓大電流,這時有效電阻及無功電阻值在不斷變化,無法做到三相功率完全一致,三個反應區(qū)能量密度均衡,為了消除這種不均衡狀態(tài),就要經(jīng)常變動變壓器二次相序,迫使停電,破壞了熔煉工藝,金屬產(chǎn)率低,電耗增加.與單相單電極爐比較,鋁及硅的損失都大,

    (四)三相電爐因三相功率不均衡,需要調(diào)整,致使三根電極上下移動頻繁,反應區(qū)能量密度均衡遭破壞,各項工藝要素也隨之變壞,還原反應無法快速、完全地進行,生產(chǎn)出現(xiàn)紊亂,爐子經(jīng)常處于不滿負荷狀態(tài).

    (五)三相電爐三根電極之間產(chǎn)生分流,這不但降低了反應區(qū)的能量密度,還使爐子上部的溫度升高,降低了爐料電阻,迫使電極埋入深度變淺,導致難熔物SiC、Al4C3積存于爐底,造成塌料、漲爐底事故,無法正常生產(chǎn),直至最終被迫放棄生產(chǎn).

    認真總結經(jīng)驗,同時并參考國外經(jīng)驗,不難得出結論,電熱法煉制鋁硅合金,確實有其特殊性,有一定難度,但如果爐子選用得當,爐子具備了煉制鋁硅合金所必備的功能,煉制鋁硅合金是完全可行的.前蘇聯(lián)數(shù)十年的經(jīng)驗證明,爐子的功率必需保證反應區(qū)能量密度足夠大,足以保證每分鐘的產(chǎn)量達到連續(xù)出爐同時帶出積存于爐底部的碴,三相爐的有功功率通常是13000kVA以上,單相單電極爐的有功功率通常是10000kVA以上.

    在選用三相爐時,16500kVA以上的爐子,為了使三相有功功率保持平衡,反應區(qū)能量密度均衡穩(wěn)定,建議采用二次低壓補償裝置(西安瑞弛冶金設備公司首創(chuàng)),以使功率因數(shù)提高到0.93左右.如有適用調(diào)頻裝置,亦應采用.在采用三相能量平衡裝置時,可使三相能量保持平衡,相電壓50~55V以使低電壓大電流.

    在選用單相單電極時,增設調(diào)頻柜,可使電耗降低7%~10%,功率因數(shù)達0.93上下.在利用閑置礦熱爐時,功率6300kVA的爐子改造后功率可增大1.58倍,不屬國家規(guī)定淘汰之列,新建10000kVA以上單相單電極低頻爐,建議采用8927416X專利技術.舊爐改造可采用兩種方式:交-直-交-低頻方式,十二相同步-逆變-低頻方式.

    8927416X專利技術特點在于,爐體安裝在爐底平車上,爐膛內(nèi)安裝有一根自焙電極,采用低頻交流電源.爐體外裝有可繞爐體移動的扒皮車.爐底平車置于基礎上,車板上設有多條鋼軌,爐體放在鋼軌上,爐底平車的移動由油缸和管路組成液壓系統(tǒng)控制,可使爐體沿爐口方向移動,以改變電極在爐膛中的位置.電爐采用的交流電源,是三相電源采用整流、逆變電路技術后,構成的單相低頻交流電源,亦即將三相市電經(jīng)變壓器變壓,再經(jīng)可控硅整流、逆變后,構成單相低頻交流電源.扒皮車由車體及設于車體上的電焊機、扒皮夾子、汽動裝置組成、車輪放在爐體外側(cè)的圓形軌道上.

    把三相礦熱爐改造成單相單電極爐,采用交-直-交-低頻方式,與8927416X專利技術不同之處是,所利用的閑置礦熱爐原有爐體是固定的,而電極是可移動的,可以根據(jù)工藝需要隨時改變其與出口之間的距離.采用十二相同步-逆變-低頻方式時,原有爐體也不變,只將固定電極裝置改為可移動,原有變壓器留用,其接線為A/Y,需再添一臺Y/Y性能變壓器,組成十二相同步-逆變-調(diào)頻交流電源,功率增大2/1.265倍.用上述兩種方式改造的爐子,所用電極的直徑正好與原有爐體的直徑相適應.爐子具有的電氣特性,完全符合煉制鋁硅合金的工藝要求.

    兩臺6300kVA經(jīng)改造的單相單電極低頻爐,其產(chǎn)量高于一臺普通16500kVA三相爐子的產(chǎn)量,其創(chuàng)造的技術、經(jīng)濟效益更優(yōu)于后者.前蘇聯(lián)長期實踐經(jīng)驗證明,采用單相供電的六根電極排成一行的長方形電爐,煉制鋁硅合金最有發(fā)展前途,它具有良好的工藝與電氣特性,功率因數(shù)提高5%~7%,電耗下降15%.

    鑒于各地多有閑置三相礦熱爐,建議選擇條件好的爐子,就地(或移地)加以改造,將其改造成為單相單電極低頻爐.改造后的爐子將具有諸多優(yōu)點.現(xiàn)以6300kVA三相爐子,以十二相同步——逆變——低頻方式改造為例,加以說明:

    (1)改造后的爐子,功率增大為9960kVA,完全可保證連續(xù)出爐的工藝要求.

    (2)利用原有爐體、設施,可節(jié)省大量投資,并不難在3~5個月內(nèi)投入生產(chǎn).

    (3)由于單相單電極能量密度大,反應區(qū)各項技術要素穩(wěn)定,溫度易于控制在所要求的2050℃~2200℃之間.

    (4)由于只有一根電極,消除了電極間分流,電極埋入深度大,保證了電流通過電弧直達爐底,反應區(qū)能量密度衡定,還原反應正常進行,提高了熱效率,減少了熱損失.

    (5)改造后的爐子電極與出爐口之間距離可調(diào)整(電極可移動)溫度高,保證了還原金屬及爐渣及時排出,金屬收率提高,同時中間產(chǎn)物SiC、Al4C3等難熔物較易被Al2O3還原,避免漲爐底現(xiàn)象發(fā)生.

    (6)一根可移動電極,可保持電爐滿負荷運行,功率利用率可達100%,必要時改變電極與出爐口之間的距離,超負荷運行,可利用"平谷峰"電價制度,于夜間(谷時)多用電,以降低平均電價.

    (7)由于一根電極,暴露于空氣中爐料中面積小因而消耗少,鐵質(zhì)電極殼相應消耗少,有利于降低合金含鐵量.

    (8)一根電極便于調(diào)頻柜安裝、維護,而低頻的應用與推廣,是國家節(jié)能措施,將工頻50Hz調(diào)低為0~3Hz,可以減少大電流線路的電抗,節(jié)能降耗.頻率0~3HZ具有直流的功能,功率分布合理,不偏弧,電流集膚效應減少,均勻流過電極,溫度高而平穩(wěn),原料還原率高,電磁攪拌力大,微粒渣反復碰撞形成大顆粒,易于分離,使合金中混渣少,質(zhì)量高,并有利于合金精制.

    (9)單相單電極低頻爐,不但優(yōu)于三相爐,也優(yōu)于直流爐.直流電爐2/3的功率在陽極(爐底),由于熱量過于集中,不能充分利用,并造成局部過熱,導致還原金屬大量揮發(fā),使金屬收率降低,電耗增大.國外使用直流爐煉制鋁硅合金,每噸合金耗電15000度以上,國內(nèi)在煉制工業(yè)硅時每噸硅耗電竟高達16500度,而低頻爐可使電耗低于13000度/噸合金.(10)一根電極,消除了三相三根電極的三角區(qū),便于操作,特別是便于機械化、自動化改造,也便于采用中空電極,用氮氣將氧化鋁、剛玉或高鋁礦粉與炭粉吹進反應區(qū),使其直接反應,以提高合金中鋁含量.

    (11)單相單電極低頻爐較三相爐排出煙塵少30%,噪音小,利于環(huán)保達標,利于粉末提純加密技術的應用,實施無廢料廢渣生產(chǎn).

    一座改造后的10000kVA單相單電極低頻礦熱爐,可年產(chǎn)含鈦鋁硅合金約6000噸,按每kVA計算的年產(chǎn)量約為普通三相爐1.3倍.改造一臺6300kVA三相爐為10000kVA單相單電極低頻爐,所投資金不難在投產(chǎn)后一年內(nèi)收回.

    正是由于單相單電極爐的優(yōu)越功能,上世紀40年代,前蘇聯(lián)一種被稱為‘米格爐’的單相單電極爐風行一時,但由于對電網(wǎng)干擾大被禁止.我國在上世紀50年代由前蘇聯(lián)幫助建造的供煉硅用5000kVA單相雙電極礦熱爐,采用連續(xù)出爐工藝噸硅單耗可較三相爐低約10%以上.單相單電極爐較三相三電極優(yōu)勢明顯.然而迄今為止國內(nèi)尚未有以單相單電極爐成功煉制鋁硅合金案例,注重點仍傾向于大功率三相三電極爐,兩家規(guī)模企業(yè)以鋁硅合金立項,建造的功率16500kVA礦熱爐,投產(chǎn)后都轉(zhuǎn)產(chǎn)鐵合金.另外多家試煉制過鋁硅合金的企業(yè),所選礦熱爐都是三相三電極爐,因而在首選單相單電極爐同時,不可忽視三相三電極爐.三相三電極爐經(jīng)技術改造后,完全可以適應煉制鋁硅合金的工藝要求.例如有功功率大于13000kVA的爐子,采用二次低壓補償,增設三相平衡自動調(diào)整裝置和調(diào)頻柜后,按低電壓大電流要求相電壓控制在50V~55V之間,反應區(qū)下移電極埋入深,使反應區(qū)能量達到最佳限度,滿足冶煉工藝要求,煉制出合格合金,使冶煉工藝運行正常穩(wěn)定.

    至于爐料制備,必須按確定的Al2O3/SiO2(以下以A/S表示)平衡配料,嚴格按操作規(guī)程進行,這是煉制鋁硅合金、鋁硅鈦合金工藝得以正常進行的必備條件.爐料需經(jīng)加工清除其中有害雜質(zhì),在所有雜質(zhì)中最為有害的是Fe2O3,而合金中鐵的含量很大程度決定合金的市場競爭力.含鐵過高,用于稀釋的原鋁(或再生鋁、廢雜鋁)的量加大,配制的合金成本高,利潤降低.因此,要求在煉制的合金成本不增加的前提下,含鐵愈低愈好,為此特別限定合金的含鐵量,一般不超過1.5%.

    在限定煉制鋁硅合金鐵含量的條件下,對原料選用、加工方法,特別是除鐵方法的選定,必須做足文章,因為這涉及到市場供求如物料價格高低、加工費用大小,加工難易程度,以及國家政策要求等諸多方面因素的綜合分析、評估等.比方河南的氧化鋁工業(yè),由于實施選礦—拜耳工藝流程,副產(chǎn)大量尾礦,為使尾礦資源化,獲得國家免稅待遇,可選用除鐵尾礦作原料,也可以廢棄低鋁硅比鋁土礦,經(jīng)除鐵、除雜后,用以煉制鋁硅合金,兩者都具有量大質(zhì)優(yōu)特點;山西省資源條件更為優(yōu)越,高嶺土普遍含鐵低,平均在0.3%上下,朔州、忻州等高鋁煤產(chǎn)地,排放的高鋁粉煤灰、煤矸石更為可貴.平朔二礦所產(chǎn)粉煤灰中Al2O3含量達47%,Fe2O3含量只有0.44%,不需要除鐵加工.另外,懷仁某煤礦所產(chǎn)煤灰粉中Al2O3含量高達54.22%,A/S1.59,而Fe2O3含量為0.8%,如用作電熱煉制鋁硅合金原料,也不需要除鐵加工,懷仁所產(chǎn)洗選矸不需要添加含Al2O3物料,還原劑可選用洗選精煤,完全可以在煤上多下功夫.此外內(nèi)蒙古、陜北等地也有高鋁煤矸石、粉煤灰產(chǎn)出,托克托電廠排放的粉煤灰Al2O3含量達54.77%,SiO2:36.5%、A/S1,51、Fe2O3含量2.29%,經(jīng)高梯度磁分選可降至0.6%,無需添加含Al2O3物料,可直接用以制團.實際上,全國可資源利用的煉制鋁硅合金原料可謂取之不盡,用之不竭.

    原料制備的另一個重要環(huán)節(jié)是制團工藝.球團要求細度、導電度、機械強度、孔隙度等要充分滿足冶煉工藝要求,球團耐熱強度決定冶煉過程造碴多少的決定因素,耐熱強度必須保證球團順利進入反應區(qū).正常運轉(zhuǎn)時約有14%~17%的殘碴形成,其成分主要是多鋁紅柱石(3Al2O3.2SiO2)、剛玉、六鋁酸鈣(Ca.6Al2O3)、SiC、AlOC等,通常在連續(xù)出爐時被帶出爐外,返回流程,如果球團耐熱程度不夠,造碴過多無法及時排出爐外,會引發(fā)漲爐底事故,事故頻發(fā)會造成無法正常生產(chǎn).

    總之,性能優(yōu)越適用礦熱爐,優(yōu)良合格球團,是煉制鋁硅合金的必備條件,不可漠然置之.

    (三)除了上述通用方式,還可創(chuàng)新其他探索方法,例如煉制鋁硅鈦合金或鋁鐵合金使其分離制取含鐵低,并含有其他有益成份的鋁合金或含有少量鋁的鐵合金,而產(chǎn)出的含有少量硅、鈦的鋁合金,與再生鋁、廢雜鋁熔配如同上述成分的鋁硅亞共晶變形合金.

    上世紀90年代,我國鋁硅鐵首創(chuàng)焦作李封鐵合金廠,去前蘇聯(lián)參觀訪問回國后即試驗電熱法煉制鋁硅鐵合金一舉成功,投產(chǎn)后頭3天煉出的合金成分如下:

    如果能使鐵含量保持到10%或以下,運用振動法、重力離心法、或水淬—磁選法,或可能把鐵含量降至2%~3%,含鐵2%~3%的鋁硅合金與適量再生鋁或廢雜鋁熔配,可配制出含鐵0.7以下,含鈦適量的鋁硅亞共晶變形合金,合金機械性能,經(jīng)測試與LD2接近,可作為LD2的代用品廣泛應用于建筑業(yè)、運輸業(yè)等方面,從而使產(chǎn)能過剩的鋁硅鐵就可在自救的同時助推再生鋁業(yè)轉(zhuǎn)型升級脫困轉(zhuǎn)強.

    可配制的鋁硅亞共晶變形合金成份及測試結果如下:1.Al-6%Si-1%Ti合金可以軋制成板、擠壓成各種規(guī)格的棒、管、型材等.勿需中間退火可直接將管毛料拉拔成一定規(guī)格尺寸的半成品.

    2.為保證得到具有較好綜合性能的Al-6%Si變形鋁合金,鈦含量應該限制在0.5%~1.0%的范圍較適宜.

    3.Al-6%Si-1%

    Ti合金板的機械性能,在冷變形狀態(tài)下抗拉強度、屈服強度比工業(yè)純鋁高約5~7kg/mm2,延伸率基本相當:在退火狀態(tài)時,Al-6%Si-1%

    Ti合金的抗拉強度比工業(yè)純鋁高約5kg/mm2,屈服強度略高,延伸率基本相同,與同樣狀態(tài)下的LD2合金相比,抗拉強度略低,延伸率相對較高.

    4.Al-6%Si-1%Ti合金擠壓棒的機械性能,在退火狀態(tài)下抗拉強度、延伸率比工業(yè)純鋁高,與同狀態(tài)下的LD2合金棒之抗拉強度基本接近,但延伸率和硬度要略高些,斷面收縮率約低15%有希望成為退火狀態(tài)下LD2合金棒的代用材料.

    5.該合金成型性好,型材可一次彎成900角不裂.如與廢雜鋁熔配,廢雜鋁中銅、鋅等金屬有益無害.此外還有一種過共晶鋁硅合金早已問世也應重視.

    關鍵仍是除鐵,2%~3%的鐵含量,在稀釋硅的同時也被稀釋.倘鐵含量稀釋不到位,再以重力離心法二次除鐵,可將其清除到0.5%以下.

    研究表明,鋁硅鐵合金中三元相為:Fe2SiAl8、FeSiAl6、FeSiAl4,且在硅中溶解極小.用振動法、重力離心法、水淬-磁選法有可能把鐵清除到2%~3%上下,自然混鋅法亦可一試.不論哪種方式,產(chǎn)出的副產(chǎn)品都可再利用,其經(jīng)濟效益仍可維持高位.

    利用鐵在高溫時能有效抑制鋁的揮發(fā),碳熱法煉制鋁硅合金,也是一個可行的選項.國外許多國家都曾試驗過.日本企業(yè)以高溫間接加熱法,以氧化鋁、氧化鐵粉、石墨粉按重量比60:15:25混合制團,在21500C高溫下,保溫30分鐘,煉制出鋁鐵Fe/AL2.61的鋁鐵合金.由于鐵在鋁中固溶度受熔體溫度左右,低溫時固溶度隨之降低,共晶溫度時降至0.03%~0.05%,其時鐵呈原子團存在而不紊亂,可以多種方式予以清除;由于鐵不熔于鋅和鉛也可以混鋅法、混鉛法進行處理.上世紀80年代日本人還曾以高爐法進行試驗,產(chǎn)出的合金含鋁60%以上,含鐵20%~25%,含硅10%~15%,雖然兩種方式都未能產(chǎn)業(yè)化,但都有改進優(yōu)化余地,具有一定參考價值.