在SMM主办的2024SMM（第十九届）铝业大会暨首届铝产业博览会上，中铝工业服务有限公司总工程师李磊和大家一起探讨了铝熔炼铸造三个核心问题，并对新产品进行了介绍。

近年来，各铝加工企业对再生铝的大量使用，一方面推进循环经济的发展，另一方面更为重要的目的是降低企业的原材料成本，但据观察各铝企业的熔铸加工成本是不降反升，因何？这里从熔炼铸造的机理去解释三个主要参数的重要性以及实现三个主要参数优良性背后的逻辑基础。

三个主要参数是什么？

熔炼有两个，一个是铝水的纯度，另一个是铝水的纯洁度，铸造上有一个：铸造温度。

一、铝水的纯度

纯度：是从金属含量角度来说，除了有效金属元素外的其他金属元素统称为杂质金属元素。

●杂质金属元素的来源

①铝原料

a、电解铝：主要是碱金属，碱土金属。现在原铝中出现钒、硼等杂质元素。

b、原铝锭：相对来讲比较稳定。

c、废铝（回收铝）：比较复杂。

②熔化过程带入（操作工具，耐材等）

最具有明显的是铁元素。

③合金化过程中带入

过渡族元素铁、锰、钛、铬、锆等在液态铝的合金化过程

一、铝熔体的合金化机理

合金化元素是溶解于液态铝中而非熔化，（其原理并不比盐溶于水中更复杂）在相组成图中，主要表达了温度和铝、合金化元素之间的相互关系，液态铝是由大小不一的原子集团构成（在此称之为原子团），原子团内原子间仍保持较强的结合能，同时保持着固体的排列特征。原子集团是不稳定的，因各原子团能量不同，是可以分离重组的。原子团的稳定性和尺寸大小与温度有关系，温度越高，尺寸越小，越不稳定，合金化元素并没有确定的形态，它既可以以单质Fe的状态存在，也可以以化合物FeAl3的状态存在，但是不稳定，随温度的升高和下降，会溶解和生成。但浓度一定是从高浓度向低浓度扩散，遵守菲克第一定律。

既然是溶解的过程，那么遵守溶解的基本规律

（1）在特定温度下的饱和浓度，过渡族元素在铝水中的溶解度较低在铝熔点660℃时摩尔浓度小于1。

（2）溶解速度

以上两个“度”都与铝水温度成正比关系。

现有的合金化采用的产品是：

1、是铝中间合金

2、是金属添加剂

二、中间合金的相图和溶解视频

10%的合金相图，其固态组成为α铝+FeAl3的初晶相。从图片上我们可以看到中间合金是由初晶相和α铝组成的，从视频资料上看，我们可以看到初晶相的溶解过程 。业内很多人称中金合金已经形成了合金相，所以中间合金比添加剂对最终产品要好，现在看来是完全缺少依据的。

三、金属添加剂的合金化机理

金属添加剂实际上是直接加入的另一种变异形式，将纯金属进行粉末化（颗粒）处理，从而增加单位质量的体表面积来加快元素的溶解速度，其实质就是冰糖和沙糖溶解于水的差异。现在国内外金属添加剂的制造工艺将金属粉末颗粒与纯铝粉颗粒或采用氟铝酸钾或其他盐类作为助熔剂按特定的比例进行机械混合，然后通过高压压制成饼状物，铝粉进入铝液大部分会生成氧化铝，起到还原剂的作用，保证其他金属粉末不被氧化，所以其在铝水中的溶解时间较长，而氟铝酸钾仅仅起到一个助熔的作用，国内做添加剂使用的氟铝酸钾主要是铝钛丝的附产品六氟铝酸钾，国家已上表定为危废，厂家也在积极想办法将六氯变为四氟铝酸钾，至于效果如何这里不作评价。六氟分子量是258，四氟分子量是142.7，是可以化检出来的。

纯金属粉末是否可直接添加到铝液中，这里明确的告诉大家是可以的，但为什么没有这样做？

首先金属粉末与块状金属存在巨大差异

主要有以下几个不同：

1、金属粉末在一定目数的情况下是危险品（铁粉、锰粉、钛粉、铝粉等）。

2、金属粉末表面越具活性，则氧化越快，所以金属粉末的存放、运输有特定的要求。

如何解决粉末的危险性快速氧化的问题，这就是现在国内外的工艺将金属粉末颗粒与纯铝粉颗粒或采用氟铝酸钾或其他盐类作为助熔剂按特定的比例进行机械混合，然后通过高压压制成饼状物，此时已完全没有危险性。经压制后的金属粉末在存放和运输过程中很难被氧化。

中铝工业服务有限公司经过多年的工艺摸索和材料选择，最终推出完全金属粉末型添加剂。

生产过程应控制杂质金属元素带入母合金，如果不可避免的被带入到液态铝，如何排除？

1、碱金属或碱土金属属性

a、氧化法：因其活性比铝更好，只要通过搅拌铝水，使其与空气接触即可，（含量较高，温度较高主要采用这种方法。

b、化合法：现在市场所有的除钠、除钙、除镁剂，无论是以何种方式出现，最终是通过氯与其生成稳定盐类去除。

2、重金属元素，主要与它在液态铝的饱和溶解度相关，一般不太容易去除，现阶段主要采取络合的方法（硼化物）沉淀去除，更多采用变质的方法。

最后，纯度是一个相对的概念，一定要根据自己产品的需求来约定铝原材料及辅料采购的要求。过高的要求是另一种浪费和不负责任。

二、液态铝的纯洁度

纯洁度主要指的是铝的渣气含量，渣气主要指氧化铝和氢气，其主要来源如下：

1、原材料

电解铝、渣主要是氧化铝和电解质，这与抽铝操作有一定关系，另一方面电解铝为降电耗降低电解温度、造成电解质增加，
气（主要是氢气）这与电解铝原料氧化铝和氟化物含水有关。

2、铝锭较少

3、废铝，主要是比表面积同等条件下，比表面积越大，氧化物和油水含量则越高，渣气就越高

三、生产过程中产生（熔化过程）

1、加热方法：通过油、燃气、空气升温熔化铝；油、燃气主要是碳氢化合物，其燃烧后产物为CO2和H2O，空气是助燃剂，其中含大量的水，水气依湿度和用量的多少来确定H2 O的产生量。通常在精炼之前去讨论影响渣气含量对铝水的影响因素是没有太大意义，此时渣气含量都处于饱和或过饱和状态。渣气（氧化铝）含量在液态铝中是处于一个动态平衡的状态，在精炼之前是要排出，在精炼之后是要防止生成和进入。通常液态铝在精炼之后6-8小时气含量会再次饱和，在转炉等过程也会重新带入渣气（要重新精炼）。在液态铝生产的过程渣气的产生是不可避免的，我们必须要去清除它，下面主要讲一下液态铝另一个处理过程净化的方法和巡逻过程。

精炼主要有以下两种方式：

第一种，无介质方法（物理法）。

方法一：就是搅拌，对液态铝进行充分搅拌，不仅可以加快熔化速度和合金化过程，同时可以清除掉30%左右渣（细小的会聚积成大渣，缩短上浮或下降时间），和25%气（使氢形成气体，并聚积，当足够大时就可突破氧化皮的覆盖溢出铝水。其他还有静置，预凝固、真空、超声波等方法。

方法二：就是过滤，玻璃丝布，陶磁过滤板（管）、深床过滤、在线除气机，现在基本上已经成为一些铸造厂的标配。

第二种，有介质处理方法

方法一：气泡法

1、惰性气体气泡法，重点是气泡尺寸要足够细小，否则就是搅拌精炼，现在国内很多的转子带气体的方法，其实质上就是搅拌精炼。但当惰性气体与氯气按8:1或10:1进行精炼时，则可称为气泡精炼法。

2、活性气体精炼主要是指氯气精炼，真正意义上的气泡法精炼只有一种气体

氯气

Cl2+2Al→AlCl（分子态气泡）

Cl2+2H → HCl（分子态气泡）

这就是为什么很多厂家在做高端（产品）离不开氯气的根本原因，就目前为止没有任何工艺 方法比使用氯气除气效果更好。

单氯在自然界中是以三种方式存在的，第一气态（Cl2气）：当氩气和氮气与氯气按8:1或10:1除气精炼时，Cl2是可以充分转化为AlCl3的。国内一般大厂（有军工类产品）是有氯气站的。第二液态：四氯化碳国内明令禁止使用。第三固态：六氯乙烷，其应该是现在大多数厂家除气除碱金属的主要手段。

所以没有必要谈氯色变。

方法二：熔剂精炼法

铝熔体的精炼过程要解决以下三个问题：

第一、是除气

第二、对高镁合金或电解铝存在除碱金属问题。

第三、就是除渣，液态铝中的“渣”主要是Al2O3其余有MgO、SiO2等氧化物和氮化物，其与铝水是不润温，那么就要选择一种在高温铝水中以液态方式存在的物质，使其与氧化物有极好的润湿性能（只有液态物质才有润温之说），但其与高温铝液又完全不润温，其机理与水吸灰是一个道理。这时我们选择了NaCl/KCl（因为NaCl和KCl均为离子键，俗称惰性熔盐，其在高温液态铝中是不分解的）按45/55比例经重熔，其熔点为650℃同时脱去了结晶水，俗称3号熔剂，液态的3号熔剂对氧化铝有很好的润温和吸附功能。钠冰晶石是电解铝中电解质，其在液态下可以溶解4 % - 5 %氧化铝，是电解铝生产的必要条件。

氯化钠( N a C l ) 氯化钾( KC I ) 钠冰晶石(Na3AlF6 )依据熔盐熔度图按37/43/20比例经高温熔合而生成一个新的化合物(1号熔剂)，熔点为650℃-675℃。高温铝液中的液态氯盐因界面张力的存在而对氧化铝具有了润温吸附功能，同时冰晶石对氧化铝具有良好的溶解的能力。

在延伸牌号中采用了1号-2 Nacl、Kcl加Bacl,主要用于市场

无氟类产品的要求

1号-4中只加ALF 25%左右，其与六氯乙烷配套使用既可以除去电解质又可以除去碱金属。1号- 5既可做高硅合金的精炼剂又可作变质剂使用。

1号-6和1号-7，其除渣除气的效果可能会更好，但有待验证。

在自然界当中氯化镁多以MgCl•6H2O的方式存在，因其含有6个结晶水，在做2号类熔剂时要脱去6个结晶水，在高温时脱水是非常困难的， 无水氯化镁是层状结构， 层内为离子键， 层与层之间为分子键， 所以高温时氯化镁是可以分解为金属镁和氯气，但同时有可以化合生产氯化镁。

电解铝水的熔剂处理工艺方法

现在铝箔厂，无论是双零箔产品，还是单零箔产品，其夹渣物主要是氧化铝。我们很多厂经过了很严格的工艺控制过程，仍然会有氧化铝的存在。首先我们要讨论一下氧化铝的产生过程，氧化铝分为α氧化铝和γ氧化铝，那么在熔化过程当中产生的氧化铝基本是γ氧化铝，而当温度升高到900度以上时，γ氧化铝将转化为α氧化铝。α氧化铝一般极为细小，而γ氧化铝一般为片状，容易漂浮在铝水表面，而α氧化铝更容易悬浮在铝水当中。那么电解铝水当中因其原料就含有三分之一的α氧化铝，其中电解温度都超过900度以上，铝水当中悬浮着大量的α氧化铝，并且此时的α氧化铝尺寸极为细小，甚至是分子级的。所以一般的过滤除气手段是很难去除的。这也就是为什么用电解铝水做的双零箔或单零箔，其针孔夹渣物为氧化铝的根本原因，有些检测能谱当中也可以看到夹渣物中还含有少量的精炼剂成分，很多厂家认为其是熔剂夹渣。那么如何判断，夹渣缺陷是熔剂夹渣，还是氧化物夹渣，主要的依据是，如果夹渣物全部为熔剂成分，则判断为熔剂夹渣，如夹渣物以氧化物为主伴生少量熔剂成分，那么可以确定为氧化物夹渣，因为熔剂必须和氧化物伴生。现在很多厂的夹渣物出现了（Al2O3、MgO2）的情况，主要原因与前面提到以MgCl2为主的2号熔剂的MgO和水含量较高有直接关系。

在上个世纪80年代初。美国铝业把1号熔剂粉末和六氯乙烷完美的结合在了一起，就是现在的喷粉精炼剂的原型。其主要成分组成为：

在上个世纪80年代末期，行业内的第一家生产喷粉精炼的企业(这家企业在深圳在行业都属于大伽级的)所谓的行业标准，把1号熔剂的主要生产成分，从重熔改为了机混，使其反而成为了一种造渣造气的有害物质。问题在于相同的在成份组成的情况，机械混合和熔融是完全不一样的概念，举例说：经熔合后熔点为665℃左右，低于铝水，具有吸附功能。喷入铝液中，其是小液珠，在上浮的过程，可吸附氧化渣，而机混的上述熔剂。NaCl的熔点是820℃，KCl的熔点是780℃，冰晶石950℃，在喷粉精炼的过程是不形成液珠，只能是沿着气道浮在铝水表面；在铝熔铸生产过程中，单质的NaCl、KCl及氟盐与铝渣机械混合在一起，无法使得NaCl和KCl熔合；因此其完全没有吸附精炼和溶解氧化铝的作用。其在上浮过程还破坏了铝水的氧化膜，其过程完全是一种造渣过程，此时其本身就已成渣了，俗话说“精炼不停，渣不停”。

铸造温度（低温铸造）与液态铝的流动性之间的关联关系低温铸造是实现高品质铸锭的重要因素之一，铸锭的凝固过程中熔体中温度梯度愈小过冷度愈大，同等条件下铸造温度越接近结晶温度（过热度越小）也就通常所说的“低温铸造”这时过冷度就愈大，产生晶核的数量就会越多，晶粒就越细小。同时合金元素浓度愈大，则过冷度愈大。通过低温铸造的过程叙述，我们可以得出两个对液态铝最基本的要求。

第一：铸造温度，当铸造温度越接近于结晶温度，则晶粒越细小，液态和固态的两相密度会越接近，补缩的量会越少。“低温铸锭”是获得优良晶体结构必然的结果。

第二：液态铝的流动性，合金液的流动性愈好，则补缩的效果愈好，铸锭的密实就愈好，铸锭缺陷就愈少。

结论是：具有良好流动性的清洁铝水是铸件品质的先决条件

影响液态流动性的因素有三个前面讲过

第一：流动性与化学成份之间的关系结晶温度范围越宽则流动性越差。

举例说明：7075 铝合金半固态浆料制备工艺中7075的熔化温度在477-638℃其范围是非常宽的，在其制备过程当中合金的半凝固状态需要不断的搅拌从而打碎，新生成的合金相，此时的7075半凝固浆料是处于低温状态，那么其低温流动性的好坏是制备浆料工艺的关键，所以清洁具有良好流动性的铝水是工艺完成的先决条件。我们认为7075半浆料是压铸和半凝固锻造的主要原料，完全可以取代一体制造工艺中的铝原料和工艺方法，其防腐性能、强度和加工方法都可以取代现在的一体性压铸工艺的铝原料。

第二：流动性与温度的关系，温度越高则流动性越好。

第三：液态铝流动性与不溶于铝的悬浮物的增加和气体饱和程度而降低

目前某些电解铝厂在生产实践过程当中，实行了所谓低温熔炼的工艺方法，低温铸造与低温熔炼是完全两回事，现在很多电解铝为降能耗降成本，将熔炼降低到720℃以下，低温熔炼电解铝工艺主要会有以下问题存在。

1、碱金属的去除会有增加难度。

2、电解质及α氧化铝的遗传会大大增加。

3、合金化元素的均匀性细小化会大大降低，无论使用的是中间合金还是添加剂，比如锆、TiB等，现在铝材的所谓“夹杂”物已经不是传统的非金属氧化物而是中间化合物为主。

传统的工艺逻辑是无温度不铸造，这就要求我们在铸造时铸温一定要保持铝水有良好的流动性，一方面高温会造成铝水的氧化，再次生成氧化铝，而铸造理论却要求我们的铸造温度越接近结晶温度，则其铸锭品质越高，这是一对相互矛盾的关系，那么如何破解这一矛盾关系，就需要我们充分理解产生渣、气的成因，同时如何通过工艺手段控制，整个铸造过程中尽量不产生渣、气。这就需要我们有新的工艺手段和工艺逻辑，这里我只是把问题提出来，希望大家，能够多思考解决方案，我们公司也正在开发这类，新的工艺方法及产品，从而保证，从静置炉到铸盘，铝水无温降无氧化。

最后我们有几个合作项目，欢迎在坐有识之士一起共同开发。

1、在变形铝合金中最难做的是铝锂合金的铸锭，主要是在熔炼和铸造过程中，锂的氧化问题是主要问题，通过特殊熔盐覆盖和精炼是成本最低和最具操作性的方法，通过管式铸造法可以解决铸造的问题（我们有相应专利技术）

2、传统电解铝是氧化铝+电解质（钠冰）生产金属铝，海德鲁最新工艺是电解质（混合氯盐)+氯化铝生产金属铝，设备和工艺，都是现有的电解铝工艺设备，差别是氯盐电解法无碳排放，能耗只有现在的三分之一不到，惰性阳极也能做到无碳排放，但惰性阳极的制造难度大，电耗比现有电解铝工艺还要高3000度左右/吨铝。