摘要：本文论述了再生铝熔体净化技术的应用与发展，为合理地应用再生铝熔体净化技术提供了一定的见解。

关键词：再生铝；熔体净化技术；应用与发展；分析与认识

1、前言

铝工业是发展国民经济与提高人民生活水平的基础工业，也是高能耗高碳排放工业。探索铝工业减排路径对实现我国碳达峰与碳中和目标至关重要。再生铝生产中所消耗的能源只有原铝的4.86%；碳排放量也仅为原铝的4.21 %，而且再生铝品质与原铝完全相同。目前在全世界再生铝产量占铝总产量的平均比例为33%，而2019年中国再生铝只占铝总产量的17%。与铝矾土炼铝相比，用回收废铝加工冶金质量合格的再生铝，其吨产的耗能和对环境的冲击分别仅为前者的5%和10%左右。与原生铝相比，每生产1吨再生铝相对原生铝可节约95％的能源，同时，节水10吨，少排放二氧化碳0.8吨、二氧化硫0.6吨。高效高质再生利用二次铝资源已成为世界（特别是我国）铝工业可持续发展倍受关注的课题。为了实现废铝的高效再生与利用，获得高性能的再生铝产品，铝熔体净化处理技术的研究是一项极具意义的工作。

2、对再生铝熔体净化技术应用的分析与认识

2.1、再生铝熔体净化方法

再生铝熔体中的有害物质主要有溶解气体（氢最有害）、机械夹杂的化合物以及金属杂质。按其作用原理可分为吸附净化和非吸附净化2个基本类型。

（1）、吸附净化法

吸附净化是指通过铝熔体直接与吸附剂（如各种气体、液体、固体精炼剂及过滤介质）相接触，使吸附剂与熔体中的气体和固态氧化夹杂物发生物理化学或机械作用，达到除气、除杂的目的。属千吸附净化的方法有吹气法、过滤法和熔剂法等。

（2）、非吸附净化法

非吸附净化是指不依靠向熔体中加吸附剂，而通过某种物理作用（如真空、超声波、密度差等）改变金属气体系统或金属夹杂物系统的平衡状态，从而使气体和固体夹杂物从铝熔体中分离出来的方法。非吸附净化的方法有静置处理、真空处理和超声波处理等。

静置处理是指将铝熔体在浇注前静置一段时间，由于夹杂物的密度比铝熔体的大，因此夹杂物会自发下沉，从而达到从熔体中分离的目的，小颗粒的夹杂很难用该方法除去。

真空处理是将熔体置于有一定真空度的密闭保温炉内，利用氢在熔体中和气氛中的分压差，使熔体中的氢不断生成气泡，而且上浮逸出液面而被除去的方法。

超声波处理是利用超声波在熔体中的空化作用，使液相连续性破坏成孔穴，该孔穴使溶解在铝液中的气体聚集在一起，超声波弹性振荡促使气泡的结晶核心形成，并促使气泡聚集到一定尺寸，从而保证气体的析出。由于超声波发生器的局限性，因此该方法很难处理大批量的铝熔体，进而限制了其工业应用。

2.2、国内外常用的再生铝熔体精炼技术

铝熔体的净化处理是铝熔体精炼的基础，在实际生产应用中，常用到的铝熔体净化处理技术往往都是上述几种净化法综合应用的最佳组合。

（1）、国外早期的铝熔体净化法

熔体ALCOA469净化法

其有两个净化处理室，每一室的底部有净化气体扩散器。净化气体为氯和惰性气体混合物， 氯的体积含量为l%～10%。第一净化室的过滤介质全为直径13mm～19mm的氧化铝球，厚152mm～38lmm。第二净化室的过滤介质有两层，底层为直径13mm～19mm的氧化铝球，厚51mm～254mm；上层是粒度3.37～6.35mm的氧化铝片，厚152mm～254mm。铝熔体连续经两次气体过滤净化后，每100g含气量为0.08cm3～0.15cm3。Na含量小于0.0001%，夹杂物含量很低。该装置成本低，结构简单，但由于其要定期更换氧化铝球， 因此使用前其要加热过滤床，即使用不方便。

现在比较成熟，而且已引入我国的铝熔体净化技术是由美国相继研发的SNIF法、Alpur法和MINT法。SNIF法和Alpur法这2种方法都是利用快速旋转的石墨气体喷头使精炼气体呈彶细气泡喷出分散于熔体中，从而达到去除熔体中的氢和部分氧化物夹杂的目的。Alpur较SNIF装置除气效果好，使用方便，设备结构简单，价格便宜，使用寿命长，炉内不用气体保护，清渣方便，而且深受广大用户的青眯。生产上常将Alpur和SNIF与泡沫陶瓷过滤相结合，净化效果更好。MINT法是通过固定在反应器底部锥形截面处的喷嘴向熔体中吹入净化气体，同时从上部沿圆筒形处理器切线方向注入铝液，使之呈螺旋状向下流动，把细小气泡均匀弥散分布到熔体中，把熔体中的氢除去。其熔体从反应器底部流出，通过上升管流入泡沫陶瓷过滤器，即氧化物夹杂则被过滤掉。该装置结构非常简单，没有同熔体接触的运动部件，占地面积小，更换合金品种方便，除渣效率高，更加适用千在多合金生产的熔铸机组上使用。

这三种方法和设备在线处理方法（炉外精炼）上虽然效果显著，但是其不适于中小铝厂使用，而且必须寻求适合我国国情的方法与设备。

（2）、旋转喷粉法

熔剂法和旋转喷吹法相结合形成铝合金净化新工艺。该法与炼钢中的喷粉冶金类似，它是借助惰性气体作为载体，将熔剂以粉末状喷入熔体来实现铝合金的净化处理。与传统的方法相比，旋转喷粉法的净化效果更佳，诸如FIP法和Heproject法等。由我国研发的FIP法，即俗称的喷射熔剂法。其是一种除气、熔剂排杂净化兼优的方法，而且于20世纪80年代初出现，即是未来很有发展前途的先进净化技术。Heproject铝熔体处理法，即旋转喷射溶剂法。其是一种移动式高效熔剂旋转喷射搅拌处理系统，而且是当前处理铝合金最先进的工艺，即是近些年工业发达国家广为使用的净化铝熔体的先进技术。其集净化处理（除气、涂杂、除钙等）、钠变质处理、磷晶粒细化处理等于一体，而且对环境无不利影响，成本费用适中。

（3）、泡沫陶瓷法

双级除气和双级过滤工艺（DDF）处理铝液的过程是将熔体先导入有旋转喷头的双级除去室，除去熔体中的氢，再将其导入装有2块不同孔径泡沫陶瓷过滤器的双级净化室，去除熔体中的细微杂质。该法的缺点是：

a）、装置分散，占用空间大；

b）、使用转子喷吹，引起熔体液面起伏，加剧氧化；

c）、双级过滤还不能除去大部分尺寸10μm以下的杂质，除气后氢的含量在0.08～0.12mL/（100gAl）；

d）、采用了污染环境的净化气体。

铝合金熔体复合净化方法是一种以除不溶性夹杂物为主的净化处理方法。该过滤净化装置由3种不同规格的泡沫陶瓷过滤器和2层溶剂过滤器组成。不同规格的陶瓷过滤器实现不同尺寸的非金属杂质的分级捕获，可完全除去尺寸10μm以下的非金属杂质，使铝合金中含氢量下降到0.08mL/（l00gAl）～0.12mL/（l00gAl）以下。这种工艺能过滤微盘级的氧化物夹杂，效果好而且成本低，设备结构简单，使用方便，适用于各种铝合金熔体的净化。其缺点是该工艺本身不具有除氢功能，过滤板需定期更换，易破损，常给生产带来麻烦。

（4）、真空处理

由于在熔炼温度范围内，铝液表面有致密的γ-Al2O3膜存在，阻碍氢的析出，因此，其必须清除表层氧化膜的阻碍作用才能获得好的除气效果。真空处理是物理净化的一种方法。其包括静态真空除气和动态真空除气等。

静态真空除气是在真空处理的同时，在熔体表面撒上一层溶剂，以便使氢气通过氧化膜除气，但除气效果并不是很好。相对于静态真空除气而言，动态真空除气是一种以除气为主的净化处理方法。其工艺过程是先将真空炉抽成10mmHg的真空，然后打开进料口密封盖，把从保温炉来的铝熔体借真空抽力喷入真空室内，喷入真空室内的熔体，呈细小弥散的液滴，因而，溶解在铝液中的氢能快速扩散出去，钠被蒸发燃烧掉。经动态真空处理后的铝熔体氢溶解度低于0.12mL/（100gAl）。动态真空除气工艺的优点是：除气效果好、无公害、处理过程造渣少；缺点是：除其它有害杂质的效果差，不能实现连续处理，设备结构复杂，设备价格昂贵，而且设备的密封性难以保证。

（5）、电磁净化法

这种净化方法的原理是利用金属与非金属电导率的不同而引起的电磁力差异来实现金属与非金属的分离。无论夹杂物与金属液之间的密度多么接近，二者的分离都能实现。这种方法理论上可有效去除粒径l0μm以下的夹杂物。该装置的最大优点是，可以自动分割富含夹杂熔体与净化后的纯净熔体，并将其连续不断地移除。其不仅效率高、无污染，而且稳定性高，即不受夹杂状态和热动力学因素影响。尤其对于那些粒径细小、密度与母液密度差别不大，而且用传统的净化方法难以除去的非金属夹杂物分离效率很高。但其也存在若磁场分布不均匀引起的流动、电极没渍而污染金属、设备投资相对较大和电磁场能利用率低等问题。

（6）、稀土元素精炼法

这是一种溶剂净化法。稀土化合物可与铝熔体反应生成稀土单质。这些单质既能与铝液中的氢反应，生成REH2和REH3，起到除氢的作用，又可与Al2O3反应置换出Al从而明显降低铝熔体中氧化夹杂的数量。该工艺充分运用稀土元素与铝熔体相互作用的特性，发挥稀士元素对铝熔体的精炼净化和变质功能，即能够实现对铝熔体的净化、精炼及变质的一体化处理。其不仅简洁高效，而且能够有效地改善再生铝的冶金质量。其在处理的全程中均不会产生有害废气和其他副产品，而且有望使废铝回收冶炼业的环境污染问题得到彻底解决。

（7）、LARS法

LARS（TM）是20世纪90年代中期开发成功的一种新型在线铝液精炼系统。其是目前国际上录先进的铝熔体精炼系统之一。LARS系统采用独特的构思，对设备结构进行精巧的改进，使其在线精炼效果得到明显提高。LARS系统的工艺可简单描述为：在LARS工艺过程中，熔体金属被惰性气体和卤素气体混合处理；气体通过特殊设计的石墨转子注入熔体金属中，从熔体金屈熔池底部产生细微分散的气泡，转子切割气泡并帮助去除结块的粉末杂质；这些气泡携带杂质、吸附的气体和碱金属杂质上升到熔体表面；熔体金属表面上的惰性气体压力保持正压，以避免铝和石墨砖被氧化，以及避免加热装置被腐蚀；其加入一定量的卤素气体，以便与碱金属反应生成氯化物。这些氯化物将依靠浮力上升到液面上并被排出。

LARS系统采用的独特技术包括：净化气体原位预热、净化气体与铝熔体的摩擦找拌、反应室的体积变化以防止气泡聚集、保护气体稷盖等。正是这些独特技术的应用，使LARS系统实现了有效地消除铝熔体内的杂质，从而达到了铝熔体纯净化的目的。如上所述，由于LARS在线铝液精炼系统可以去除99.9%的粒度大于20μm的所有杂质，因此其最适合应用于废铝的精炼。

3、结束语

再生铝熔体净化技术的研究应当是针对二次铝资源回收利用中急待解决的选择性除杂问题，展开再生铝熔体净化物理化学基础研究。这些研究结果对铝工业的循环经济和可持续发展具有重要意义。为了提高铝熔体净化技术水平，其可采取的措施如下：

（1）、在废铝料预处理阶段，加强废料的分离、分类，即从源头上减小炉内净化的压力；

（2）、针对熔剂需求量大、使用要求高的特点，积极开展低成本、环保、高效的精炼熔剂的相关研发工作；

（3）、引进和消化国外先进的铝熔体净化技术及装备，而且结合自身产品的要求，优化精炼工艺参数，从而进一步提高铝液品质；

（4）、提升铝熔体炉内处理技术的自动化水平，降低工人的劳动强度。

参考文献：

[1]殷云霞等.Na元素对6A02含金铸锭性能的影响[[J].铝加工.2016（03）：26-30；

[2]程炳超.铝合金杂质元素铁和钙的无害化研究[D]：北京交通大学.2016；

作者简介：闫磊（1988，05-），男，工程师，主要从事有色金属材料研发及相关的生产管理工作。