铝加工产品熔铸工序节能降耗的方案与措施

　　节能降耗是社会经济发展的一个永恒话题，不仅可以为人类发展创造与积累更多的财富，而且对环境保护和子孙后代具有深远影响。随着全球经济一体化与建立循环经济发展的趋势日益显著，减少(Reduce)、再利用(Reuse)和再循环(Recycle)的“3R”发展路线逐步被各行各业所推崇且落实到国家经济发展纲要。

　　《中国制造2025》提出，坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针，通过“三步走”实现制造强国的战略目标。其体现为“四大转变”。

　　1）由要素驱动向创新驱动转变。

　　2）由低成本竞争优势向质量效益竞争优势转变。

　　3）由资源消耗大、污染物排放多的粗放制造向绿色制造转变。

　　4）由生产型制造向服务型制造转变。

　　我们从国家战略读到了创新、绿色等关键词。

　　刚刚出台的《中国制造2025》新材料技术路线图指明了铝合金产业目标：重点突破低能耗短流程、高效高精度加工新技术、新工艺及装备。高性能大规格材料制备及精密成形工艺与控制、服役性能评价技术。先进铝合金材料年产销量要达到100万吨。产业规模要达到500亿。可见低能耗短流程等节能减排也是我国材料产业的发展方向。

　　我国的铝加工业发展十分迅速，据《中国有色金属工业发展研究报告》数据显示：加工材产量1980年的不到30万吨，2010年我国铝材一年产量为2026万吨，2014年生产铝材为4845万吨，5年翻了一番多，我国已成为铝加工材名副其实的生产大国，其中山东、河南、广东三省名列三甲；山东一省就有1000万吨以上的产量，发展速度惊人。铝加工产业是能源消耗巨大，而熔铸工序作为铝加工最大的能源消耗工序，是国家实施节能减排的重点领域，逐步淘汰污染严重、能耗超标、陈旧落后的设备，发展合理工业布局，提高设备性能及配置，提升工艺技术水平成为铝合金工业节能环保发展主流趋势，也是业界研究和关注的焦点。

　　笔者在铝加工特大型企业工作多年，一直从事工艺创新、科研和新产品开发工作。为更好地落实国家战略，也出于央企的社会责任和知识分子的情怀，现综合对国内外铝合金熔铸技术发展现状的了解，从装备升级和工艺改创新进两个主要方面深入分析一下铝合金压力加工产品熔铸工序节能降耗的有效途径。

　　1  国内外铝合金熔铸工序发展特点及能源消耗现状

　　1.1 国内外铝合金熔铸工序发展特点

　　目前，整体的铝合金熔铸发展方向可以概括为节能、环保、高效和低成本。其中国外先进的铝合金熔铸工序发展特点概括为：设备向大型化、精密化、紧凑化、成套化、自动化方向发展；工艺技术不断创新，向节能降耗、精简连续、高速高效、广谱交叉的方向发展；淘汰传统的低档次的产品而发展高档高科技的新产品；管理水平全面实现自动化和现代化，体制和机制不断进行调整，以适应社会发展和市场变化的需要。我国铝合金熔铸工序发展特点则是正在进行疯狂引进、照抄照搬、大改组、大合并、上规模、上水平的改造过程；产品结构大调整，向中、高档和高科技产品发展；大搞科技进步，技术创新和信息开发，建立技术开发中心；大力进行体制与机制调整，与国际铝加工工业接轨。我国铝合金铸造硬件呈现“八国联军”形态，先进国家已经部署4.0战略，已经或正在组建智能工厂。整体看，我国铝合金熔铸行业发展远远落后国外先进生产水平。

　　1.2 国内外铝合金熔铸工序能源消耗现状

　　熔铸工序被誉为铝加工行业能源消耗最大的工序，采取有效措施实现熔铸工序的节能降耗就能够促进整个铝加工行业的能源消耗大幅度降低。传统的熔铸工序能源消耗大就是因为熔铸过程所决定的，要将固态的金属通过加热而形成液态金属，并在一定时间内保持，最后在形成固态的过程，因此，熔铸过程中金属在两种状态间的转变就是造成熔铸工序能源消耗大的根本所在，我们要研究熔铸工序的能源消耗就是要研究如何提高熔化效率、如何提高缩短生产辅助时间、如何提高产品的成品率，从而减少重复投料造成的能源消耗浪费。我国铝加工熔铸工序能源消耗主要靠硬件保障并刚刚开始尝试着对能源精细化管控，先进国家已经进入进入数据和软件的时代。

　　2  工装工具升级为铝合金熔铸工序节能降耗创造基础条件

　　先进的铝合金熔铸设备工装是铝加工业现代化的具体体现，是提高设备利用效率，更是节能降耗最为有效的手段之一，合理的选择熔铸工序的各种设备是铝加工长期发展的基石。

　　2.1 熔炼方式改进能够提高熔化效率，减少金属烧损，从而降低能源消耗

　　2.1.1选择合适的加热能源

　　熔化炉按加热能源的不同可分为电阻熔炼炉和火焰熔炼炉两种，两种设备各有优缺点，各自也将适用于不同的产品，其中电阻熔炼炉的优点是所熔炼的金属烧损小、工作环境好，但其炉膛高度小、容量小、生产效率低、生产成本高。而火焰熔炼炉能源有轻柴油、天然气、煤气、液化石油气等，其优点是生产成本低、生产效率高，是目前广泛使用的节能降耗的重要设备。

　　目前国外火焰熔炼炉的使用非常普遍，国内在消化吸收国外先进技术的基础上，也不断开发出新型燃油或燃气熔炼炉，应用已相当普遍。但是由于火焰熔炼炉在生产过程中火焰直接与铝接触，容易造成烧损大，且渣子多等问题，对于高端产品使用的铸锭坯料，多部分企业还是选择电阻熔炼炉为主。因此，各生产企业必须根据自身产品特点，选择合适的加工能源，在保证质量的前提下，最大限度实现节能降耗。

　　2.1.2选择合适的炉型

　　熔炼炉按装料形式不同分为圆形顶装料炉和矩形侧装料炉两种，不同的炉型与装料方式也会对生产操作和能源消耗带来明显的差异，通常情况下顶部开盖的圆形顶装料炉便于一次装入大量的炉料，消耗时间最少，是节能降耗的一种体现。但矩形侧装料炉具有熔化保温效果好、设备维护方便的优点，被广泛应用于生产使用过程中，尤其是近年来，开发出的先进的矩形侧装料炉为方便加料及扒渣，炉门采用由多个耐火材料的内衬连接组成的全宽幅炉门，可以垂直上升和下降，由两个位于炉壳侧墙上的液压缸驱动，采用低氮氧化物蓄热式烧嘴进行加热、燃烧系统的自动化控制，确保了铝熔体、炉膛温度的均匀及炉压的稳定，并且提高了炉子使用的安全性。因此，矩形侧装料炉发展与应用逐步广泛，节能降耗效果显著。

　　2.1.3增加电磁搅拌

　　在铝合金熔铸过程中，最关键的质量控制要点为化学成分均匀性与温度均匀性控制，同时减少氧化渣的形成。为加速熔化并减少烧损、提高生产效率，必须对熔体实施必要的搅拌，随着熔炼炉容量的增加，人工搅拌已经力所不能及，在此背景条件下，对铝合金熔炼过程中施加电磁力等外场搅拌的形式逐步形成并普及，据资料表明，在熔体熔炼过程中施加电磁搅拌具有如下优点：①提高熔化效率10%；②降低能耗10%；③减少烧损8%；④熔炼温度、化学成分更加均匀，提高了熔体质量。磁力搅拌器的应用价值对企业经济效益影响很大。

　　2.2 除气净化手段与设备不断升级，保证产品内部质量不断提升，从而降低能源消耗

　　在线熔体净化装置的应用显著降低了熔体渣、气及氧化膜等冶金缺陷的存在，不仅提高制品冶金质量，降低冶金缺陷，同时纯净的金属液降低铸造裂纹废品，从而显著降低工序能耗。多年来，经过不断的技术创新，在追求设备卓越性能的基础上，同时越来越注重金属压力料及能耗的损失，做得好的企业已经将净化装置枝解开进行节能分析，并根据企业制品要求合理选择净化装置。目前铝合金熔铸工序配备的除气过滤装置与能源消耗包括如下两个方面：

　　（1）除气装置：最早应用的在线除气装置有法国的 Alpur和美国的SNIF，目前世界上比较先进的在线除气装置为Hycast I-60SIR，其特点为转子置低，置于大流槽上，在铸造结束后铝液自动放干，避免箱内金属烧损及工艺压力料的损失。

　　（2）过滤装置：目前采用最为常规的过滤装置为泡沫陶瓷板CFF过滤，过滤级别不同其陶瓷片使用寿命不同，平均使用周期3~4炉，较短的使用寿命压力料损失较为严重，目前有的铝加工厂采用氧化铝球和砂状作为介质的深床过滤，可实现大批量制品的连续过滤，可以实现连续40炉不更换过滤介质，显著降低压力料等金属损失。还有采用陶瓷颗粒经粘结剂烧结而成的管式过滤等手段用于要求有些熔体冶金质量高的制品。

　　2.3 铸造装备自动化和智能化保证了铸锭成型能力，从而降低能源消耗

　　铸造装备精度及稳定性直接决定这铸锭的成型能力，从而决定着能源消耗与损失。国内外铝加工业熔铸工序普遍采用半连续铸造方式生产，铸造设备则经历了钢丝绳传动发展到了液压式传动方式，设备运行精度与稳定性大幅度提升，在控制系统上多数企业则采用了全自动控制铸造技术，利用激光测位仪控制保温炉倾动速度及转注流槽液位高度、采用激光或电容、感应式控制结晶器金属液位高度、填充速度，以及铸造速度、冷却水流量、润滑油量等工艺参数分阶段进行预设定从而实现自动控制铸造。工艺参数存档、调阅和再次使用功能，保障了批次间的稳定，也保证了组织和性能均一，铸锭成型保证能力显著增强，从而实现了能源消耗的降低。

　　2.4 合理进行设备匹配，节能降耗工作事半功倍

　　通常情况下，熔炼炉生产能力和生产工艺都小于铸造机的能力，熔化与成分调整等所需要的时间远远大于铸造过程所需的时间，铸造机设备利用率只有30%~70%，按照行业内通常做法，一台熔炼炉、一台保温炉、一台铸造机即简称1+1+1，为了充分发挥铸造机的能力，普遍将1+1+1形式改为2+2+1，以便达到充分利用提高生产效率，从而降低生产成本与能源消耗的目的。然而两种匹配的生产方式各有优点，2+2+1配置适用于合同批量大的生产组织（适用于除气双配置情况下两种合金生产），2+2+1配置适用于相同合金批量合同生产组织，1+1+1配置适用于小批量、多品种生产组织，因此，需要各企业根据自身生产的产品特点进行合理的设备匹配性研究，研究熔炼炉、保温炉与铸造机的对应关系。

　　3  工艺改进优化创新为铝合金熔铸工序节能降耗提供不竭动力

　　成品率的提升是降低生产成本与能源消耗的重要手段和普遍共识，设备再先进、生产效率再高，不能高的合格率批量生产出优质的产品，降低能源消耗就无从谈起，因此工序成品率的提升同样是降低铝合金熔铸工序能源消耗的重要手段，工序成品率的提升更是被铝加工企业尤其是熔铸企业视为质量及利益管控的主要抓手，各企业都致力于依托技术的不断创新、工艺路线的不断升级，以及加强与设备的匹配能力来实现成品率的提高，逐一研究整个工序的工艺合理搭配，优化工艺路线，尽量实现短流程。

　　3.1 合理选择投料配比，减少熔炼烧损，实现节能降耗

　　3.1.1提高炉料品质

　　提高炉料品质不但能提高铝熔体、锭坯与产品的品质，而且能提高能源效率、降低原材料消耗。尽量采用大的重熔锭，减少碎屑料的投入可以显著减少烧损，提高熔化速度，缩短熔炼时间，提高熔体的品质，实现节能降耗的目的。根据笔者对某单位36吨熔炼炉生产实践统计，得出如下的结论：一是投入两吨以上重熔铝锭，不投三级废料时，炉渣量最少，只有不到1.5%，二是投入一吨以下重熔铝锭，不投三级废料时，炉渣量达到2.0%，三是采用相应一级废料，几乎不投重熔铝锭时，炉渣量为2.5%，四是当投入复化锭和三级屑时，炉渣量最高，达到15%左右。上述统计同样说明了不同的炉料品质对能源消耗的影响，因此，各生产单位必须根据自身产品特点，合理控制炉料的大小、形状、配比，提高炉料的品质，实现节能降耗。

　　3.1.2选择合适的炉料加入方式

　　不同的金属元素、不同的形状都会对熔化过程造成影响，都会对能源消耗造成影响，因此炉料的尺寸与加入方式已经成为广大铝合金熔铸企业研究节能降耗的核心之一。一般情况下，向铝合金中添加合金化元素可以块、饼状中间合金的形式加入，也可以粉剂或压成饼状的形式加入，从节约能源的角度看，后者好于前者，后者可以省去中间合金的配制、熔炼与铸造，同时粉剂或压成饼状具有使用方便，熔化温度低，熔解速度快、实收率高等优点，因而能够大幅度降低能源消耗，实现节能降耗的目的，但是以粉状或压成饼状的形式加入往往被认为会增大烧损，增加渣含量的风险，从而降低产品的品质，因而对于高端的产品，往往大部分企业还是选择中间合金形式加入。各生产单位必须根据自身产品特点，选择合适的炉料加入方式，从而达到提高品质且节能降耗的效果。

　　3.2 选择合适的铸造方式并确实合理的铸造参数，提高产品成品率，实现节能降耗

　　铝合金半连续铸造技术经过长期的发展，铸造方式也同样经历了历次改进与变革，每一次变化都会带来产品质量的提升、生产效率的提高与能源消耗的降低。一般情况下，我们认为铸造方式由传统的普通模具铸造，到隔热模铸造，再到热顶铸造和低液位铸造，直至目前高校院所广泛研究的电磁铸造等。

　　传统普通模铸造的铸锭表面易产生冷隔、拉裂、非金属夹杂、金属浮出物及内部结晶组织缺陷。为了满足压力加工要求，铸锭不得不进行铣面或加大铣面量，这样就增加了几何废料造成金属损失，影响成品率提高，从而造成不必要的能源消耗。

　　隔热模铸造技术在传统铸造技术基础上进行了改进，生产的铸锭质量有了一定程度的提升，但是不能解决所有的质量问题。

　　热顶铸造技术与低液位铸造技术是现代化铝合金生产企业广泛使用的推行的一种熔铸技术，国内西南铝业和东北轻合金等航空材料提供商已经广泛普及和推广。热顶铸造技术在圆铸锭生产上应用最为广泛，尤其小直径圆铸锭铸造优势更为明显，外观质量优越，一次可以生产几根甚至几十根，不仅可以提高生产效率而且可以减少铸锭车皮量，大大降低了能源消耗与成本消耗。低液位铸造技术生产的扁铸锭外观质量优越，生产效率高，同样能够实现节能降耗的目的。当然铸造工艺参数持续优化、控制自动化、程序化需要不懈的努力。

　　3.3 发展新型熔铸工艺技术、短流程实现节能降耗

　　3.3.1利用电解铝液铸造铝合金铸锭

　　传统的铝合金熔铸工序最大的能源消耗环节就是固态炉料转化为液态的熔化过程，要想真正实现熔铸工序的节能降耗，必须紧紧抓住熔化环节这个牛鼻子，但无论是熔炼装备升级优化、还是炉料品质的提升都不能从根本上解决这一问题。近年来，随着铝合金熔铸技术的不断成熟，电解铝液直接铸造生产铝合金铸锭技术正在兴起且蓬勃发展，这样从根本上消除了熔化过程造成的能源消耗，而且减少了铸造为重熔铝锭的生产过程，降低了辅助的能源消耗与生产成本，因此电解铝液直接铸造铝合金铸锭坯料正在发展壮大，并且有替代传统铸造工艺的趋势，大部分铝合金铸造生产企业选址建在电解铝厂周围，便于生产组织。但是电解铝液直接铸造铝合金铸锭对生产工艺提出了更高的要求，对铝液运输安全提出了新的要求，相关生产企业必须采取有效的应对措施加以解决，从而实现最终的节能降耗。高成分、超高强和高强韧性铝合金牌号能否使用这种方式，需要系统研究和攻关。

　　3.3.2发展连铸连轧技术

　　除了减少炉料的熔化过程外，另一个发展方向就是减少后续热轧的加热工序，减少另一个能源消耗大户，因此发展普及了铝板带连续铸轧的熔铸新技术，连续铸轧技术代替了通常铸锭热轧工艺生产带坯所需的铸造、均火、锯切、铣面、加热、热轧等全部工序，显著降低金属损失及能耗的消耗。连铸连轧技术具有成本低、能耗消耗小、技术烧损小、设备投资少等优点，是新型熔铸发展的趋势，但受设备能力、产品规格、工艺技术等原因的限制，发展并不是很快，应尽快开展科学研究，发展连铸连轧核心技术，使铸造坯锭压延产品尽可能多的转移到铸轧产品。短流程永远是节能的主要方向。

　　3.3.3发展铸锭均热加热一体化工艺

　　发展铸锭均火加热一体化技术，即轧制前铸锭加热与均匀化退火同时进行，出炉后用于直接轧制的技术，可大大减少均火、加热总时间，从而降低能源消耗、提高生产效率，目前国内3xxx、5xxx合金等软合金已经逐步实现均火加热一体化技术，不仅释放了均火工序窄口，也在降低均火能耗上取得一定成绩，通过工序间配合降低铝加工综合能耗也成为各企业关注的重中之重。热加工时能源的精细化管控和冷加工的有效配合，甚至温加工是业界技术人员攻关重点。

　　3.4 发展再生铝的循环利用，实现节能降耗

　　铝最大的优点是其回收性强与可多次反复循环利用，不但对性能无影响，而且复化重熔时的氧化损失只有2%~3%，对工业进行的全面调查与评估显示，铝的循环利用优点异常突出，每生产1吨原铝，发电、输电损失与燃料运输所需的总能耗约45000kWh，排放二氧化碳约12吨，而生产1吨再生铝的能耗仅约2800 kWh，排放的二氧化碳只有约约600Kg，即可节电约95%，温室气体排放下降95%左右。生产原铝消耗的能或者说储藏于原铝中的能(Energ Banked) 在一次循环中即得到回收，仅有微量损失。金属再生利用是一项功在当代，利在千秋的环保事业，因此，废杂铝的回收再生对环保及生态的贡献不言而喻。日常使用和消耗的铝制品（包括汽车等产品部件）全生命周期策划和实施迫在眉睫！

　　4  结束语

　　优良的装备基础与合理的生产工艺是铝合金熔铸工序节能降耗的基础和保证，提高产品质量是节能降耗最为有效的抓手，节能降耗是铝合金熔铸工序一项需要长期坚持、常抓不懈的重点工作，中国铝合金熔铸工序节能降耗潜力巨大、产品质量提升空间巨大，要赶上发达国家铝合金熔铸能源控制水平、产品质量水平还有很长的路要走、还有很多核心技术需要突破，这就需要我们从事铝加工业的生产、科研、操作人员不断的摸索和提升，为我国十三五发展目标的实现，为中国制造2025目标的实现不断努力奋斗。