文：重庆大学 王甜
一 概述
二十一世纪，能源危机和环境问题不断升级，世界工业，尤其是处在工业化进程中的国家，工业发展模式必须进行转变，“两源”（资源和能源）消耗型的产品及其生产工艺、设备将逐渐被淘汰，取而代之的是新的更加符合现代工业发展理念的生产工艺和设备。
铸造是一个传统产业，是制造业的基础，也是我国国民经济的基础所在。到2009 年底，我国铸件总产量已经连续 10 年位居世界首位，并且铸件产量以每年10.9%的速度增加。但同时，铸造行业能源消耗巨大，特别是在我国，由于铸造工艺水平和企业装备水平比较落后，铸件生产的能耗是发达国家同类铸件的 1.5~2 倍，铸件重量却是发达国家同类铸件的 1.1~1.2 倍，铸件废品率也远远高于发达国家2~3%的水平，虽然铸件总产量居世界之首，但高性能、优质铸件的比例却只有 21%，近净形铸件只占 2%（美国占 13%）。
“十二五”规划时期是我国经济转型和持续发展的重要时刻和攻坚阶段，对于铸造行业的发展也是一个关键期。为了满足现代市场对铸件质量越来越苛刻的要求，满足我国经济建设的需要，以及铸造行业本身的生存和发展，必须不断提高和改善传统铸造工艺的水平，研究和创新特种铸造和先进铸造技术，同时，对相关设备和辅助设备进行改进，使得我国铸造行业朝由大变强的方向发展。
现代铝合金铸造业（本文主要指压铸行业）中，“铝合金熔体制备供应”过程作为铸造生产中最大能耗、材耗以及人力依赖的工序，和“型腔气体”这一瓶颈一起，成为现代液态成型产业向“高效率、高环保、高品质、智能控制以及无人化”方向发展的制约因素。如何以最低的能耗、最少的熔损、最低的成本、最少的人工，制备出冶金质量合格的铝合金熔体并定量定位提供给铸造成型设备，是实现“绿色高效、高品质、自动化、智能化、无人化”的技术基础。
在压铸铝合金熔体的制备和供应方面，我国铝合金熔炼车间多采用间断式熔化系统，通常先用集中熔化炉熔化铝料，然后将铝液转移到精炼炉中进行保温精炼，铝液符合生产条件后，通过熔体转运设备（如浇包）将铝液配送至各压铸机的机边保温炉中。整个熔炼过程中，铝液进行了多次转移，且没有相应的防护措施，造成熔体剧烈搅拌，加剧了元素的吸气和氧化。
目前国内大中型铝加工厂约有 700 多家，铝熔炼炉有 5000 多座，但一般规模都较小，熔化炉容量较小，且结构不合理，数据显示国内的重熔铸造能耗比工业发达国家的高 75%
以上，特别是 2003 年美国研制成功了一种等温熔炼炉，更是开创了熔炼技术的新时代，该等温熔炼炉的熔体供应模式与当前国内常规铝熔体工艺模式相比，具有流程短，无需多次转移铝液，全过程热损耗小等特点，可节能 70%，减排 80%，更是拉大了国内外的差距。而且，国内的化铝炉多为火焰反射炉，除去热效率低，加热不均匀等缺陷外，金属烧损也较为严重，一般可达 6%左右，而等温熔炼炉可在此基础上下降了 4 个百分点。因此，在现行铝合金熔体制备供应模式的基础上，尽可能缩短其工艺流程，对于提高熔体制备供应过程能源利用率，同时提高熔体质量，减少熔体烧损和吸气，具有重要意义。
二 现行铝合金熔体制备供应模式
1、现行压铸铝合金熔体制备供应模式
为满足单一牌号铸件大批量生产的需求，目前我国铝合金压铸生产广泛采用各工序分地点独立实施的生产模式，即铝合金熔炼、压铸、清理、成形后加工等工序在各独立场所进行，如图 2.1。铝合金压铸生产过程一般包括炉料准备、铝合金熔炼、压铸成形和压铸件清
理等主要工序过程，按照产品的工艺要求和客户需求，也可能包括机械加工，浸
渗处理以及涂漆工序。
在压铸厂或压铸车间的生产组织上，通常划分为主要部分和辅助部分。其中，主要部分包括压铸模具工部、熔炼工部、压铸工部、清理工部；辅助工部包括检验站（组）、模具修理站（组）、机器修理站（组）、备件库、材料库、成品库等。熔炼工部的任务是根据压铸件材料要求配制炉料及熔炼，为压铸工部提供合格金属液。清理及检验工部负责清除压铸件浇注系统、飞边毛刺等，并对压铸件进行质量检查，确定废品及合格品。
现行的铝合金压铸件生产实行的是熔炼和压铸工艺相分离的模式，即采用集中熔炼的方式为压铸工部提供铝合金熔体。
因此，一般情况下，压铸件的生产流程是：由材料库提供金属材料供熔炼工部进行合金熔炼，熔炼合格的铝合金熔体运送到压铸工部各个压铸机的机边保温炉中，由压铸工部压铸成形毛坯，送到清理工部进行清理，检验合格后成品压铸件入库。图 2.2 是压铸生产工部及生产过程。
采用这种生产模式最大的优势在于分工明确、任务单一、设备专业，是目前我国大规模生产的必然选择。
但是随着现代铸造行业的进一步发展，为了满足铸造行业“绿色高效、高品质、自动化、智能化、无人化”的发展需求，作为整个铝合金压铸生产过程中能耗最高的熔体制备供应阶段，成为行业推动“节能减排”的重点之一。如何以最低的能耗、最少的熔损、最低的成本、最少的人工制备出冶金质量合格的铝合金熔体并定量定位供应给铸造成型设备，已成为现代铝合金工业的发展重点。
目前，广泛应用于各压铸企业的熔体制备和供应模式是：集中熔化、精炼→转运→机边保温→机械浇注，主要包括熔体制备（即铝合金熔炼）和熔体供应（即铝合金熔炼后铸造前的全部过程）两个过程，涉及到的设备主要有熔化炉，精炼炉，浇包，机边保温炉，定量浇注设备（一般为给汤机）以及一些生产辅助设备等。
2、现行压铸铝合金熔体制备过程
合金熔炼有四种方法：分批熔炼、半分批熔炼、半连续熔炼和连续熔炼法。根据熔炼方法本身的特点和所生产的铝合金产品的性能要求，目前国内铝合金压铸企业采用的熔炼方法主要是分批熔炼法和半连续熔炼法。
铝合金熔体制备的一般工艺流程如图2.3，根据合金牌号及用户产品用途要求，严格控制化学成分及杂质含量进行配料计算得到每一炉的炉料所需的电解铝锭、中间合金以及铝合金废料，将炉料装入铝合金熔炼炉中进行快速熔化后，经扒渣、搅拌后，取样分析铝液的化学成分，并根据其分析结果对铝合金熔体进行化学成分调整。成分合格且温度符合工艺要求的铝合金熔体，转入保温炉中进行精炼、静置、扒渣和调温。铝合金熔体再经过晶粒细化装置晶粒细化以及在线精炼过滤装置除气、过滤后，即得到符合工艺要求的铝合金熔体。根据所熔炼的合金种类、熔化炉的种类以及合金铸造工艺的不同，铝合金的具体制备工艺流程存
在差别。
①炉料装炉
合理的装炉顺序对保证快速熔化、减少元素烧损、提高熔炉的生产率和熔体品质，保护炉底、炉墙，提高熔炉的寿命都具有重要的意义。对于火焰炉，确定装炉顺序的基本原则是：
1）易烧损的炉料装于炉底，或加入铝合金熔体中；
2）熔点较高的中间合金应装于炉料顶层；
3）大块废料和原铝锭装于中间层；
4）低熔点和易烧损的纯金属待炉料熔化后加入；
5）装炉前以废板材或短料铺底以保护炉底；
6）除铜、镁、锌外，其他炉料应当一次装入。
对装炉的基本要求是：紧密均匀，尽可能一次装入；炉料不与加热原件接触，不妨碍火焰正常流动；装炉时间尽量短，尽可能实现机械化、自动化。
②集中熔化
熔化是金属固体向液态转变的过程，这一过程的好坏，对产品的质量有决定性的影响。 熔化过程中随着炉料温度的升高，特别是当炉料开始熔化后，金属外表面所覆盖的氧化膜很容易破裂，将逐渐失去保护作用。气体在这个时候很容易侵入，造成内部金属的进一步氧化，并且已熔化的液滴或液流向炉底流动，当液滴或液流进入底部汇集起来时，其表面的氧化膜会混入荣体重，所以为了防止金属进一步氧化并减少进入熔体的氧化膜，在炉料软化下榻时，应当在金属表面撒上一层覆盖剂。
熔化过程必须有足够高的温度以保证金属及合金元素的充分熔化及溶解。加热温度高，熔化速度则快，同时也会使金属与炉气、炉衬等相互有害作用的时间缩短。生产时间表明，快速加热可以加速炉料的熔化，缩短熔化时间，对提高生产率和生产质量都是有利的。但在另一方面，过高的温度容易引起过热现象，特别是天燃气炉（或煤气炉），熔炼时炉膛温度高达 1200℃，在这样的高温下极容易产生局部过热，因此，在炉料熔化后，应适当搅拌熔体，以使熔池里各处温度均匀一致，同时这也与利于加速熔化。但熔化温度越高，熔体氧化吸气的倾向越大。#p#分页标题#e#
熔化时间是指装炉升温开始到熔体转炉位置，炉料以固态和液态形式停留在熔化炉内的总时间。熔化时间越长，熔化炉的生产率越低，炉料氧化吸气程度越严重。因此，在保证完成一系列操作工艺的前提下，尽量缩短熔化时间。
熔化时，应选择微氧化性气氛，因为：①还原性气氛中的 CO 对铝合金而言并不是还原性的，可使铝继续氧化，而氢和碳氢化合物只能限制铝合金的氧化，但不能使氧化铝还原，而且，氢和碳氢化合物还可与铝反应产生大量原子氢进入熔体，污染熔体；②把炉气控制在还原性气氛时，燃料处于不完全燃烧状态，放出的热量少，使炉温降低，热效率和生产率也相应降低，同时燃料消耗增大；③当炉气为微氧化气氛时，不仅燃料可以得到充分燃烧，而且铝熔体表面由于快速氧化形成一层致密氧化膜，使进一步的氧化过程进行的非常缓慢。
③熔体精炼
熔体精炼就是采用各种措施使铝熔体中不希望存在的气体与固体物质（夹杂）降到所允许的范围内，以确保材料的性能符合标准或某些特殊要求。铝合金熔体中存在的主要杂质是氢（占气态杂质的 70~90%）和氧化铝（占 80%以上），所以在一定意义上，铝合金熔体精炼就是降低氢和氧化铝的含量。
铝合金熔体中非金属夹杂物种类很多，这些非金属夹杂多数是由于铝在熔炼和铸造过程中与周围介质接触并相互作用产生的，同时，也有炉料带入的腐蚀物、油污、砂土、灰分以及残留溶剂等。一部分金属氧化物是固态状态时形成的，一部分是在熔炼过程即熔体状态时形成的。铝合金熔体中非金属夹杂物的形态和大小对材料性能有重大影响：细小、均匀弥散分布的夹杂颗粒在金属凝固时可以成为结晶的异质核心，同时可以阻碍晶粒长大，起到细化晶粒的作用。在熔体内聚结成粗大颗粒的杂质，与金属基体存在着明显的分界面，破坏金属的整体性、连续性，从而使铸锭和制品产生很多缺陷。实验证明，疲劳裂纹源主要发生在非金属夹杂处，尤其是混入铝合金的细碎氧化膜，最容易成为材料韧性断裂的根源，缩短产品的使用寿命。
铝合金熔体中的氢主要来源于铝熔体与水汽的反应，经推算分析得出铝合金固体中气体的分压比值为
，可见
即使很微小，平衡的
也可以达到很高的值。当 t=727℃时，
（干空气条件）也能与铝合金熔体发生反应，说明任何工具、溶剂等即使经过干燥，对熔体而言仍是潮湿的。自 20 世纪 60 年代以来，人们发现：铝合金熔体中的氢含量受夹杂含量的 影 响 很 大 ， 当 夹 杂 含 量 为 0.002% 和 0.02% 时 ， 相 应 的 氢 含 量 分 别 为0.2m L/(100g)Al 和 0.35m L/(100g)Al。在含氢量相同的情况下，夹杂含量越高，针孔率越高。而当铝合金熔体中的夹杂含量很低时，氢含量也很低。
铝合金熔体的精炼方法很多，就其原理而言主要分为吸附式和非吸附式两种基本类型。按精炼部位可分为炉内精炼、浇包精炼和在线式精炼（炉外连续精炼）。
吸附精炼是指通过铝合金熔体直接与吸附剂（如各种气体、液体和固体精炼剂）及过滤介质相接触，使吸附剂与熔体中的气体和固体非金属夹杂发生物理化学的、物理的或机械的作用，从而达到除气、除渣效果的方法，主要有吹气精炼、氯盐精炼、溶剂精炼、熔体过滤等。吸附精炼的原理：在除气方面主要利用气体分压定律除气，利用与氢形成化合物除气；在除渣方面，主要是吸附除渣、溶解除渣、化合除渣、过滤除渣。吸附精炼只对吸附剂接触的熔体起作用，熔体的净化程度取决于接触条件，即决定于熔体与吸附剂的接触面积、接触持续时间和接触的表面状态。吸附精炼是目前铝行业最为广泛采用的精炼方法。
非吸附精炼是指通过某种物理作用，改变金属-气体系统或金属-夹杂物系统的平衡状态，从而使气体和固体非金属夹杂物从铝合金熔体中分离出来的方法，其精炼效果取决于破坏平衡的外界条件及铝合金熔体与夹杂和气体的运动特性。属于非吸附精炼的有静置处理、真空处理、超声波处理、预凝固处理等。非吸附精炼的机理：在除气方面，主要利用温度和压力对铝熔体中气体溶解度的影响规律及高频震荡在熔体中产生“空穴”现象；在除渣方面，主要利用密度差和除气时的辅助浮选作用。目前，除了静置处理外，其他非吸附精炼方法在实际上生产中几乎未有应用。
④细化处理
研究和生产实践证明，铸锭组织对其半成品组织及性能有很大的影响，铸锭截面上的均匀细小晶粒组织是铸锭的最佳组织。向熔体中添加少量的特殊物质以促进熔体内部非均质生核细化铸锭组织的工艺，称为细化处理。
目前在铝工业使用中最为有效的细化剂是 Al-Ti 和 Al-Ti-B，常用中间合金细化剂含量为 Al-（3~6%）Ti 和 Al-5%Ti-1%B，其中，后者在实际生产中更为常用。 Al- Ti-B 中间合金的商品形状有 7kg 重的片块、0.4kg 重的块锭和 Φ9.0~10mm的杆料。块料适用于炉内处理，杆料适用于炉外处理。在 Al-Ti-B 中间合金中，其形核相主要是 Ti Al3和Ti B2，中间合金的细化效果主要取决于这两种化合物的形态、尺寸和分布状态。
Ti Al3有片状、块状和花瓣状三种形态，含有块状的 Ti Al3中间合金细化作用见效快，但衰退也快；含有片状 Ti Al3的中间合金细化作用见效慢，但可持续时间较长。
杆料 Al-Ti-B 合金适合于炉外处理，其理想加入点是接近保温炉出口的流槽，与金属流逆向加入，使晶粒细化剂充分溶解并均匀分布于整个熔体中。Al-Ti-B 块料加入后必须进行充分搅拌，加入后 10~20min 开始铸造，以便全部细化剂熔化并均匀分布于熔体中，铸造时间超过 3h，重新搅拌，使沉淀或集聚的 Ti B2颗粒重新分散，发挥作用。
在使用 Al-Ti-B 合金细化剂时，避免与氧化物接触也是保证 Al-Ti-B 起细化作用的关键，因为 Ti B2与氧化物的亲和力很强，阻碍其发挥细化作用。因此，杆料必须插入液面没有氧化物的干净铝熔体中。
三、现行铝合金熔体制备供应模式特点：
①多工序分步骤完成物料循环；
②熔化、精炼、保温浇注分离分地实施；
③熔体、物料在车间之间流转；
④精炼过程短暂，熔体内在品质不高；
⑤设备成套量大，投资高；
⑥工序分散，场地占用较多；
⑦熔体制备供应全流程人工操作和管理。
