為了提高鋁合金鑄錠質(zhì)量，我公司從國(guó)外引進(jìn)了一套新型鋁熔鑄機(jī)組。它包括：25 t圓形燃油（柴油）熔煉爐及傾翻式保溫爐，一臺(tái)雙轉(zhuǎn)子氣體精煉裝置（ALPUR），液壓式半連續(xù)鑄造機(jī)及相關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)。該雙轉(zhuǎn)子氣體精煉裝置在去除鋁熔體中的氣體、夾雜物和某些有害元素方面有較高的效率。本文就這方面作簡(jiǎn)要介紹。
1 25 t燃油熔煉爐中鋁熔體的氫含量
25 t燃油熔煉爐燃燒熱效率高，熔化速度快，污染性小，溫度可自動(dòng)控制。但是由于柴油燃燒使?fàn)t氣中的水分壓高，水分與Al反應(yīng)產(chǎn)生H2（3H2O＋2Al＝Al2O3＋3H2），氫通過物理吸附、化學(xué)吸附和擴(kuò)散進(jìn)入鋁熔體。燃油火焰爐爐氣中的水分壓為7.3×10-3MPa，爐氣中的水分壓越大，鋁熔體中所吸收的氫越多。以熔煉6061鋁合金為例，燃油火焰爐熔煉的熔體中氫含量高達(dá)0.296 mL／（100 g Al）。因此，必須在保溫爐與鑄造機(jī)之間的生產(chǎn)線上配率備效率較高的除氣裝置。
2 ALPUR除氣裝置的工作原理
（1）ALPUR是雙轉(zhuǎn)子氣體精煉裝置，通過轉(zhuǎn)子吹出精煉氣體，借助旋轉(zhuǎn)噴嘴產(chǎn)生微小氣泡。旋轉(zhuǎn)噴嘴由石墨制成，在噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮了氣泡均勻的噴出，還利用旋轉(zhuǎn)的葉輪打碎氣泡，增加氣泡與鋁熔體的接觸面積和接觸時(shí)間，提高凈化鋁熔體的效果。由于鋁合金熔體黏性大，如果出氣孔直徑太大則容易粘鋁而堵塞氣孔，根據(jù)氣體的流量和熔池內(nèi)金屬熔體的壓力，計(jì)算得出轉(zhuǎn)子氣孔的直徑為2 mm可保證凈化處理效果。
（2）ALPUR本身帶有兩個(gè)加熱器，用于在注入鋁熔體之前預(yù)熱容器，并可根據(jù)所鑄合金的特點(diǎn)保持或提高熔體溫度。
（3）在爐子出口的鋁熔體中含有一定量的雜質(zhì)（氫、堿性金屬、夾渣），這些雜質(zhì)將在ALPUR除氣凈化裝置中被除去。
ALPUR的處理工藝是基于氣體漂浮原理。轉(zhuǎn)動(dòng)體把惰性氣體或惰性氣體和氯氣的混合氣體以微小氣泡噴射并且均勻散射到熔體中，這些氣泡呈上浮趨勢(shì)，通過以下方式完成凈化鋁熔體：
①將氫溶解和吸附到氣泡中的方式去除氫；②堿性金屬與氯進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成氯鹽來(lái)去除堿性金屬；③夾渣由氣泡捕捉，較大的夾渣與氣泡碰撞被捕捉；較小的夾渣通過氣泡徑向截面捕捉。然后夾渣隨氣泡上升至表面形成浮渣，見圖1。
3 ALPUR除氫凈化裝置的氣路系統(tǒng)
ALPUR除氫凈化裝置的氣路主要包括具有兩個(gè)室的氣盤。
（1）惰性氣體室：①惰性氣體處理回路系統(tǒng)；②惰性保護(hù)氣體回路系統(tǒng)；③充氣密封回路系統(tǒng)；④氣動(dòng)閥門控制回路。
（2）氯氣室（當(dāng)使用惰性氣體和氯氣的混合氣體時(shí)）：①氯氣回路系統(tǒng)；②沖洗回路系統(tǒng)。
上述系統(tǒng)中，有保護(hù)鋁熔體防止其氧化的保護(hù)系統(tǒng)；有除氫、除渣的凈化系統(tǒng)；有防止氣路堵塞，提高生產(chǎn)效率的保護(hù)系統(tǒng)；有防止氣源出現(xiàn)故障時(shí)維持設(shè)備使其不受損壞的輔助系統(tǒng)。
4 噴頭轉(zhuǎn)速和氣體流量對(duì)鋁熔體凈化效果的影響
（1）噴頭轉(zhuǎn)速
旋轉(zhuǎn)噴頭在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中對(duì)氣泡的細(xì)化和氣泡在鋁液中的分散起重要作用，但同時(shí)也引起液面翻騰。隨著噴頭轉(zhuǎn)速不斷提高，甚至在鋁液中心形成一個(gè)喇叭形負(fù)壓區(qū)，加劇了鋁液吸氫、氧化和夾渣。噴頭的葉片不僅對(duì)鋁液有橫向攪拌作用，而且還有使氣、液混合物向上噴射的作用，這種噴射作用加劇了鋁液的翻騰。由于旋轉(zhuǎn)噴頭上葉片的機(jī)械作用，鋁液處于紊流狀態(tài)。并且由于離心力使鋁液在噴頭產(chǎn)生徑向運(yùn)動(dòng)，氣體隨鋁液流噴射到鋁液中去。噴頭的轉(zhuǎn)速較低時(shí)，噴頭對(duì)鋁液的攪拌作用較小，鋁液的紊流程度較低，葉片對(duì)氣體的機(jī)械分裂作用小，因而氣泡尺寸就較大；轉(zhuǎn)速較大時(shí)，鋁液的紊流程度加劇，葉片對(duì)氣體的機(jī)械分裂作用大，同時(shí)鋁液受到的離心力大，氣泡隨鋁液擴(kuò)散距離遠(yuǎn)，氣泡合泡幾率小，氣泡尺寸小。因此，綜合考慮轉(zhuǎn)速對(duì)氣泡的細(xì)化和對(duì)鋁液的干擾作用，在實(shí)際生產(chǎn)中噴頭轉(zhuǎn)速應(yīng)在250r／min左右為宜。
噴頭的葉片對(duì)去氫效率有重要作用。它能碰撞和破碎氣泡，使氣泡尺寸更小，同時(shí)利用離心力使氣泡散射出去，均勻分散，減少了氣泡的合并幾率，提高了去氫效果。
（2）氣體流量
氣體流量是對(duì)鋁熔體除氫的重要參數(shù)。在容量約為1.3 t的熔池內(nèi)要達(dá)到一定的除氫效果，必須有足夠的氣體噴射速度。氣體流量越大，去氫效率就越高。但是，氣流量也不可無(wú)限制的增加，供氣量可在1.5 m3／h～6.5m3／h內(nèi)調(diào)節(jié)。氣流量過大，則反應(yīng)室內(nèi)氣泡太多，相對(duì)而言要處理的鋁液量變少，氣、液接觸的時(shí)間縮短；同時(shí)當(dāng)氣流量過大時(shí)，加劇了鋁液的上下對(duì)流，使氣泡在鋁熔體中停留的時(shí)間大大縮短，從而降低去氫效果。為此，在實(shí)際生產(chǎn)中，為了減小上下對(duì)流的影響，提高氣體利用率，應(yīng)盡量避免使用過大的氣流量。單靠增大氣流量來(lái)提高去氫效率是難以奏效的，應(yīng)控制氣體的流量使鋁液面不產(chǎn)生翻騰。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)6061合金而言，在除氣率達(dá)到50％以上并且不產(chǎn)生鋁液翻騰情況下的氣體流量在4 m3／h～4.5 m3／h。
5 實(shí)際應(yīng)用效果
生產(chǎn)實(shí)踐證明，燃油（柴油）火焰爐熔煉鋁合金時(shí)，采用爐內(nèi)氣體精煉與雙轉(zhuǎn)子氣體精煉裝置（ALPUR）疊加的措施，可獲得滿意的鑄錠質(zhì)量。用ALSCAN型液態(tài)測(cè)氫儀測(cè)定了6061鋁合金熔體的氫含量，其結(jié)果是：①鋁合金熔煉后的含量為0.306mL／（100 g AL）；②用傳統(tǒng)的爐內(nèi)氣體精煉后熔體的含氫量為0.278 mL／（100 g Al）；③用ALPUR雙轉(zhuǎn)子氣體精煉后熔體的含氫量為0.136 mL／（100 g Al）。除氣率達(dá)到50％以上，可滿足下工產(chǎn)品的要求。
需要指出，影響鋁熔體中氫含量的因素是多方面的，有化學(xué)成分的影響，有熔煉溫度和時(shí)間的影響，有空氣相對(duì)濕度的影響，有熔鋁爐烘烤質(zhì)量的影響，等等。生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)它們對(duì)鑄錠的影響程度，調(diào)節(jié)雙轉(zhuǎn)子氣體精煉裝置的供氣量。
圖1 ALPUR熔池凈化鋁熔體示意圖 ALPUR除氫凈化裝置的氣路主要包括具有兩個(gè)室的氣盤。
（1）惰性氣體室：①惰性氣體處理回路系統(tǒng)；②惰性保護(hù)氣體回路系統(tǒng)；③充氣密封回路系統(tǒng)；④氣動(dòng)閥門控制回路。
（2）氯氣室（當(dāng)使用惰性氣體和氯氣的混合氣體時(shí)）：①氯氣回路系統(tǒng)；②沖洗回路系統(tǒng)。
上述系統(tǒng)中，有保護(hù)鋁熔體防止其氧化的保護(hù)系統(tǒng)；有除氫、除渣的凈化系統(tǒng)；有防止氣路堵塞，提高生產(chǎn)效率的保護(hù)系統(tǒng)；有防止氣源出現(xiàn)故障時(shí)維持設(shè)備使其不受損壞的輔助系統(tǒng)。
4 噴頭轉(zhuǎn)速和氣體流量對(duì)鋁熔體凈化效果的影響
（1）噴頭轉(zhuǎn)速
旋轉(zhuǎn)噴頭在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中對(duì)氣泡的細(xì)化和氣泡在鋁液中的分散起重要作用，但同時(shí)也引起液面翻騰。隨著噴頭轉(zhuǎn)速不斷提高，甚至在鋁液中心形成一個(gè)喇叭形負(fù)壓區(qū)，加劇了鋁液吸氫、氧化和夾渣。噴頭的葉片不僅對(duì)鋁液有橫向攪拌作用，而且還有使氣、液混合物向上噴射的作用，這種噴射作用加劇了鋁液的翻騰。由于旋轉(zhuǎn)噴頭上葉片的機(jī)械作用，鋁液處于紊流狀態(tài)。并且由于離心力使鋁液在噴頭產(chǎn)生徑向運(yùn)動(dòng)，氣體隨鋁液流噴射到鋁液中去。噴頭的轉(zhuǎn)速較低時(shí)，噴頭對(duì)鋁液的攪拌作用較小，鋁液的紊流程度較低，葉片對(duì)氣體的機(jī)械分裂作用小，因而氣泡尺寸就較大；轉(zhuǎn)速較大時(shí)，鋁液的紊流程度加劇，葉片對(duì)氣體的機(jī)械分裂作用大，同時(shí)鋁液受到的離心力大，氣泡隨鋁液擴(kuò)散距離遠(yuǎn)，氣泡合泡幾率小，氣泡尺寸小。因此，綜合考慮轉(zhuǎn)速對(duì)氣泡的細(xì)化和對(duì)鋁液的干擾作用，在實(shí)際生產(chǎn)中噴頭轉(zhuǎn)速應(yīng)在250r／min左右為宜。
噴頭的葉片對(duì)去氫效率有重要作用。它能碰撞和破碎氣泡，使氣泡尺寸更小，同時(shí)利用離心力使氣泡散射出去，均勻分散，減少了氣泡的合并幾率，提高了去氫效果。
（2）氣體流量
氣體流量是對(duì)鋁熔體除氫的重要參數(shù)。在容量約為1.3 t的熔池內(nèi)要達(dá)到一定的除氫效果，必須有足夠的氣體噴射速度。氣體流量越大，去氫效率就越高。但是，氣流量也不可無(wú)限制的增加，供氣量可在1.5 m3／h～6.5m3／h內(nèi)調(diào)節(jié)。氣流量過大，則反應(yīng)室內(nèi)氣泡太多，相對(duì)而言要處理的鋁液量變少，氣、液接觸的時(shí)間縮短；同時(shí)當(dāng)氣流量過大時(shí)，加劇了鋁液的上下對(duì)流，使氣泡在鋁熔體中停留的時(shí)間大大縮短，從而降低去氫效果。為此，在實(shí)際生產(chǎn)中，為了減小上下對(duì)流的影響，提高氣體利用率，應(yīng)盡量避免使用過大的氣流量。單靠增大氣流量來(lái)提高去氫效率是難以奏效的，應(yīng)控制氣體的流量使鋁液面不產(chǎn)生翻騰。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)6061合金而言，在除氣率達(dá)到50％以上并且不產(chǎn)生鋁液翻騰情況下的氣體流量在4 m3／h～4.5 m3／h。
5 實(shí)際應(yīng)用效果
生產(chǎn)實(shí)踐證明，燃油（柴油）火焰爐熔煉鋁合金時(shí)，采用爐內(nèi)氣體精煉與雙轉(zhuǎn)子氣體精煉裝置（ALPUR）疊加的措施，可獲得滿意的鑄錠質(zhì)量。用ALSCAN型液態(tài)測(cè)氫儀測(cè)定了6061鋁合金熔體的氫含量，其結(jié)果是：①鋁合金熔煉后的含量為0.306mL／（100 g AL）；②用傳統(tǒng)的爐內(nèi)氣體精煉后熔體的含氫量為0.278 mL／（100 g Al）；③用ALPUR雙轉(zhuǎn)子氣體精煉后熔體的含氫量為0.136 mL／（100 g Al）。除氣率達(dá)到50％以上，可滿足下工產(chǎn)品的要求。
需要指出，影響鋁熔體中氫含量的因素是多方面的，有化學(xué)成分的影響，有熔煉溫度和時(shí)間的影響，有空氣相對(duì)濕度的影響，有熔鋁爐烘烤質(zhì)量的影響，等等。生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)它們對(duì)鑄錠的影響程度，調(diào)節(jié)雙轉(zhuǎn)子氣體精煉裝置的供氣量。
