鋁錠生產是一個高產量、利潤率極低的行業，每個百分點的成品率都至關重要。然而，許多熔煉廠會因熔渣損失5%至15%的金屬，因氫孔隙或表面缺陷而報廢2%至5%的鋁錠，並且難以保證各爐次鋁錠成分的一致性。這些損失並非不可避免——透過規範的熔煉過程、正確的助熔劑和脫氣處理以及精確的合金配比控制，這些問題都可以解決。
本文提供了一些經過驗證的實用策略，以最大限度地提高鋁錠鑄造的產量和質量，並專注於三個關鍵因素： 減少浮渣、消除氫孔隙、提高化學成分一致性.
鋁錠質量的三大支柱
成功的鋁錠生產依賴於三個相互關聯的品質支柱：
- 極少產生浮渣 ——回收原本會變成廢料的金屬
- 無孔隙 — 消除因氫氣引起的空隙，這些空隙會導致重熔問題和顧客拒收。
- 穩定的化學反應 — 每次加熱都符合規範限制，且變化極小
每個支柱都需要具體的做法，但它們共同構成了一個完整的品質系統。
第一支柱：減少浮渣形成
熔渣——形成於熔融鋁表面的富含氧化物的層——是鋁熔煉車間金屬損失的最大來源。依合金種類、爐型和操作規程的不同，熔渣的產生量佔熔體重量的1%到10%以上不等。熔渣由氧化鋁（Al₂O₃）和夾雜其中的金屬鋁組成。關鍵在於最大限度地減少從熔渣中回收的金屬鋁，並從根本上防止熔渣的形成。
浮渣形成機制
- 表面氧化： 熔融鋁與爐內氣氛反應生成氧化鋁（Al₂O₃）皮。
- 湍流： 裝料、攪拌和敲擊過程中產生的飛濺和攪拌會使空氣滯留在物料中，加劇氧化反應。
- 溫度： 溫度升高會呈指數級加速氧化－溫度每比最低溫度高50°C，浮渣就會增加30-50%。
- 雜質： 鎂和其他活性元素會增加浮渣的形成傾向
行之有效的浮渣去除策略
- 利用覆蓋通量（鹽通量）： 在熔體表面塗覆一層鹽熔劑（添加氟化物的氯化鈉-氯化鉀混合物），可將鋁與空氣隔離，進而減少氧化。每噸熔體使用3-8公斤鹽熔劑。
- 盡量降低爐溫： 操作溫度應盡可能低，以適應該合金的特性。對於大多數鑄造合金，保溫溫度應為 700–730°C，而不是 750–780°C。
- 避免不必要的攪拌： 每次攪拌都會破壞保護性的氧化層，並產生新的氧化表面。僅在需要調整成分或保持溫度均勻時才進行攪拌。
- 使用惰性氣體保護： 對於高價值合金，可在爐內通入氮氣或氬氣以置換氧氣。這可以減少40%至60%的熔渣。
- 浮渣處理： 使用浮渣壓機或旋轉鹽爐從產生的浮渣中回收 60-80% 的金屬鋁。
第二支柱：控制氫孔隙率
氫孔隙是鋁鑄件中最常見的內部缺陷。氫易溶於熔融鋁（700℃時溶解度約為0.65 cm³/100g），但幾乎不溶於固態鋁（660℃時溶解度約為0.036 cm³/100g）。當鋁凝固時，過量的氫會形成氣泡，這些氣泡會被困在鑄件內部形成孔隙。這些孔隙會降低鑄件的機械性能，導緻密封鑄件洩漏，並在熱處理過程中引起表面起泡。
氫的來源
- 水蒸氣： 主要來源－潮濕的空氣、潮濕的廢料、助熔劑中的水分或潮濕的耐火材料
- 碳氫化合物污染： 廢料中的油、油脂或有機殘留物
- 水合氧化物： 廢料表面的氫氧化鋁在加熱時會釋放水蒸氣。
有效的脫氣方法
| 方法 | 典型的氫還原反應 | 最適合 | 限制 |
|---|---|---|---|
| 透過石墨槍進行槍管脫氣（氮氣或氬氣） | 減少40-60%。 | 小型爐，批量操作 | 不一致，取決於操作符 |
| 旋轉葉輪脫氣 | 減少70-90%。 | 中大型熔爐，連鑄 | 設備成本較高，但效果極佳 |
| 線上脫氣（旋轉式或多孔塞式） | 減少75%至90%。 | 大批量連鑄 | 資本密集型，需要洗錢系統 |
旋轉式脫氣最佳實踐： 根據熔體尺寸，使用氬氣（首選）或氮氣，流量為 10–20 公升/分鐘，持續 10–20 分鐘。保持攪拌器轉速在 300–500 轉/分鐘。脫氣後，靜置 5–10 分鐘，待氣泡上升且氫氣逸出後再進行澆鑄。
在線氫氣測量
無法控制無法測量的事物。投資購買線上氫氣分析儀（例如 ALSCAN、ALSPEK 或減壓測試儀）以在鑄造前驗證氫氣含量。目標含量：
- 高端航空航天/汽車： <0.10 mL/100g 鋁
- 通用工程鑄件： <0.15 mL/100g 鋁
- 用於重熔的錠： <0.20 mL/100g 鋁
支柱三：穩定的化學成分
滿足合金元素（Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Zn、Ti 等）的規格要求，並將偏差降至最低，對於客戶驗收和後續加工至關重要。而要確保一致性，則需要精確添加中間合金元素並進行有效的熔體處理。
添加母合金的最佳實踐
中間合金 （例如，AlSi、AlCu、AlMn、AlTiB、AlSr）與純金屬相比，能夠更有效率、更精確地添加合金元素。最佳實踐包括：
- 預熱母合金 添加前先加熱至200–300°C，以避免熱衝擊和水分。
- 在適當的溫度下加入： 大多數中間合金的溶解溫度為 720–750°C；溫度過高會加速氧化，溫度過低會減緩溶解。
- 充分攪拌 加入後－用機械或電磁攪拌5-10分鐘，確保混合均勻。
- 抽樣並驗證 鑄造前；至少三個爐膛位置取樣
利用AlTiB進行晶粒細化
AlTiB（鋁-鈦-硼）中間合金 是鋁合金晶粒細化的業界標準。細小的等軸晶粒可以改善進給，減少熱裂紋，並提高機械性能。典型添加量：
- AlTi5B1（5% Ti，1% B）：一般應用 1–3 kg/ton
- AlTi3B3（3% Ti，3% B）：0.5–1.5 kg/噸，用於提高硼敏感性
- 澆鑄過程中（線上）添加，或在澆鑄前 5-10 分鐘（爐內）添加。
- 避免過度處理－過量的鈦或硼會形成粗大的金屬間化合物。
共晶矽（鋁矽合金）的改性
對於鋁矽鑄造合金（例如，A356、A380）， 鍶（AlSr10）或鈉改性 將粗糙、易碎的矽片轉化為細小的纖維狀共晶矽，顯著提高延展性。最佳實踐：
- AlSr10 添加量：0.2–0.5 公斤/噸（目標鍶含量 100–300 ppm）
- 脫氣後添加（鍶會與脫氣氣體反應）
- 褪色過程持續30-60分鐘－修改後立即進行。
整合熔化實務工作流程
為了確保鋁錠品質穩定，請遵循以下經過驗證的步驟：
- 準備工作： 將廢鋁和原鋁乾燥、清潔。去除油污、油漆和有機污染物。
- 融化： 盡量減少過熱度－熔化溫度達到 720–740°C，避免超過 760°C。
- 添加覆蓋焊劑： 熔化後立即加入鹽覆蓋助熔劑（3-5公斤/噸）以防止氧化。
- 合金化： 在 730–750°C 下加入中間合金（AlSi、AlCu、AlMn 等），並充分攪拌。
- 抽樣和分析： 核對成分；必要時進行調整。
- 脫氣： 用氬氣進行旋轉脫氣10-20分鐘。之後測量氫氣含量。
- 晶粒細化： 澆鑄後 10 分鐘內加入 AlTiB（1-2 公斤/噸）。
- 改質（如果是鋁矽合金）： 脫氣後加入 AlSr10（0.2–0.5 kg/噸），30 分鐘內澆鑄。
- 最後瀏覽一次： 澆鑄前立即去除浮渣。
- 鑄件： 保持澆注溫度和速度的穩定。
常見缺陷及糾正措施
| 缺點 | 視覺/感官指示 | 根本原因 | 糾正措施 |
|---|---|---|---|
| 氧化物浮渣（過量） | 厚厚的乾燥浮渣層；回收率低 | 高溫、暴露於空氣中、無覆蓋焊劑 | 降低溫度，添加覆蓋焊劑，使用惰性氣體保護層 |
| 氫孔隙率 | 骨折面或X光片上的針孔 | 潮濕的廢料、潮濕的環境、脫氣不足 | 廢料預熱、乾燥助熔劑、氬氣旋轉脫氣、線上氫氣測量 |
| 粗晶結構 | 蝕刻表面上的大型柱狀晶粒 | 晶粒未細化，冷卻速率低 | 加入 AlTiB 中間合金（1-2 公斤/噸） |
| 表面起泡 | 熱處理後起水泡 | 溶液處理過程中溶解氫膨脹 | 鑄造前減少氫氣含量，並以減壓試驗進行驗證 |
| 成分不符合規格 | 客戶限制範圍外的化學品 | 混合不均勻、母合金添加不當、偏析 | 改良攪拌，預熱母合金，用光譜儀驗證 |
案例：將收益率從 88% 提高到 95%
年產4萬噸A356合金錠的二次鋁冶煉廠，熔體產率為88%，其中12%因浮渣及其他因素損失。在實施了一項全面的改進計劃後，包括：
- 鹽覆蓋通量施用量從2公斤/噸增加到6公斤/噸
- 爐溫從760℃降至720℃保溫溫度
- 旋轉式脫氣取代了噴槍式脫氣
- AlTiB晶粒細化標準化
- 採用壓渣法從浮渣中回收金屬
六個月後的結果：
- 熔體產率從 88% 提高到 94.5%（提高了 6.5%）
- 每年新增可販賣金屬量：2600噸
- 因孔隙率問題導致的客戶拒收率從 4.2% 下降到 0.7%。
- 以目前鋁價計算，每年可節省 450 萬美元。
- 脫氣機和浮渣壓榨機的投資回收期：8 個月
在鋁錠生產中，要最大限度地提高產量和質量，需要係統地關注浮渣減少、氫氣控制和成分一致性。透過實施本文概述的最佳實踐——覆蓋熔劑、降低溫度、有效脫氣、精確控制母合金以及細化晶粒——鋁熔煉車間可以減少金屬損耗、消除氣孔缺陷，並交付符合最嚴格規格的鋁錠。 Bright Alloys 供應 鋁中間合金（AlSi、AlCu、AlMn、AlTiB、AlSr10、AlB）、晶粒細化劑及脫氣助熔劑 為高品質鋁錠生產的各個環節提供支援。