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摘要：铝制品对于居民日常生活当中具有重要的作用，在早期铝制品生产制作过程当中，因为自身工艺手段不完善，导致在电解铝液当中含有大量的氧化铝残留，这种残留物质严重的影响到铝制品自身质量。因此如何有效的清除电解铝液当中的氧化铝杂质，是目前在该行业当中亟需解决的问题之一。
关键词：高性能铝液净化;精炼设备;研发及产业化
引言
随着时代的发展，居民对于自身日常用品质量要求逐渐升高。之前在铝制品制作过程当中，普遍使用的是长流程制作工艺，在该制作流程当中，对于电解铝液当中氧化铝等杂质没有办法及时进行清除，严重影响铝制品质量。之前铝制品因为品质问题一直没有办法真正打开市场。
1产业背景
铝液净化与精炼设备的性能对提高加工效率和加工质量均具有重要作用。目前市场上的铝液净化与精炼设备存在着工人操作环境差，热、空气、粉尘污染严重等问题。铝液净化与精炼过程中不仅会对环境造成严重污染，同时也增加了加工的制造成本。当前，在全球环保意识不断增强和环保立法逐渐严格的大趋势下，如何在利用资源生产出不断满足人们物质和文化需求的产品的同时，尽可能地减少对环境造成的污染已经成为制造业面临解决的重要问题。在这一形势下，低环境负荷、高资源效益的绿色高性能铝液净化与精炼设备的制造已经成为了制造业寻求发展的必然制造模式。本项目研发的铝液净化与精炼设备是绿色制造实施的具体体现，它降低了铝液净化与精炼过程中可熔的扩散氢气与固体杂质颗粒的漂浮，已经成为了铝液净化与精炼设备研发制造领域的研究热点之一。
铝熔体净化处理是生产高质量铝铸件的基本措施，也是提高铝合金综合性能的重要手段。铝合金熔体精炼、除气效果对疏松、气孔、夹杂等的形成有明显影响，直接关系到铝铸件物理、力学及使用性能。
铝是一种活泼金属，易吸氢。铝液中的气体主要是氢气（约占 80%～90%），其次是氮气、氧气、一氧化碳等，主要是在铝熔炼和浇注过程中从空气中吸收的。氢气是唯一可以溶解在铝熔体中的气体，其溶解度随着铸造过程中金属的凝固而下降，在凝固过程中来不及析出而以气孔、针眼等形缺陷式存在铸件中，造成废品。这将会严重的影响铝（铝合金）的物理、力学性能（抗拉强度、屈服强度、伸长率及耐蚀性能等）。同时，含氢量高的熔体流动性也会变差，充型能力下降。
精炼是去除铝液中的气体和碱金属、非金属夹杂物等对铸造有害成分，保证获得高质量铝液的有效方法。过去，精炼处理仅仅实在熔炼炉或保温炉内进行。但是近年来为减少费用，增加产量，保证更稳定的产品质量，迫使许多用原铝生产加工的工厂和再生铝生产都采用在线精炼。
除气是精炼的重要步骤，是去除铝液中的有害气体的主要方法。除气的主要目的是在铸造之前或者尽量靠近铸造的地方消除溶解在铝熔体中的氢气。除氢的目标主要取决于铝合金产品的最终用途，如常规的6系挤压棒材氢含量指标一般为0.20ml/100gAl，航空用大扁锭氢含量指标一般为0.10ml/100gAl。
根据除气原理，铝熔体的除气方法可以分为吸附型和非吸附型。吸附型是指通過人为添加净化剂达到去除铝熔体中气体的方法。主要包括：熔剂法和气泡浮游法;非吸附型是指通过物理化学作用，打破系统原来的平衡状态，使气体从熔体中分离出来，达到新的平衡状态的方法。主要包括：真空除气、静置除气和超声波除气等。
2关键技术
2.1微正压型腔除气微气泡
在线式除气系统的除气效果，取决于除气微气泡在除气室内的有效工作时间。微气泡必须能够在整个除气箱体内形成除气气流而不形成涡流。为此，转子（包括除气气体喷嘴）的设计、工艺气体流量以及除气箱体型腔的几何形状等参数必须精准匹配，本项目在综合考虑效率和复杂度两方面问题的基础上，提出增大除气微气泡在铝液中的散布和停留时间，同时保持相对平整的熔体表面使得杂质可飘浮到液面并与铝液分离的方法。为此，根据进口铝液的流速设计相对复杂
的除气路径，并在除气室上部用惰性气体密封形成微正压空间，以降低由除气微气泡打破铝熔体表面而引起的杂质生成及金属氧化。
2.2石墨转杆高温连接
在铝铸造生产工艺中，铝熔体的温度为710℃，除气箱内氛围温度可以达到800℃以上。可以近似地认为，在800℃的环境条件下，不锈钢变形量大约是石墨的4倍，除气石墨杆与主轴的可靠连接，就是必要要考虑的问题。同时由于石墨杆的寿命及工艺需求，也需要石墨杆可以在生产过程中快速拆卸。本项目设计的高温联轴器，用以连接不锈钢主轴与长石墨杆，并传递动力及扭矩。同时利用联轴器自身构造设计，实现石墨杆在线快速装拆作业，而不致造成铸造中断，影响生产。
2.3空间阵列硅碳棒
除气过程中，为了保证除气微气泡的散布和和溶解吸收氢气，必须保证除气箱内的温度在一定的控制范围内。传统的硅碳棒加热器为平面形式，不能充分利用容器的体积，对容器内壁辐射不均匀，各硅碳棒的热负荷也不均匀，容器和硅碳棒的使用寿命都受到影响。本项目开发的新型空间阵列硅碳棒，整体为空间对称结构，充分利用圆柱形容器或保护套的空间，得圆柱形容器或保护套内壁受热均匀，连接件到各棒体的接线端的距离一致，距离一致使得电阻一致，使用时热负荷一致，同组硅碳棒性能变化一致，整体使用寿命得到延长。
2.4铸造前流槽加热
同前，为了保证除气微气泡的散布和和溶解吸收氢气，必须控制除气箱内的温度。由于除气箱内的加热器受空间限制，功率有限，难以单靠除气箱自带的加热器难以完全对低温铝液进行温度补偿。根据现场经验，铝液在进入除气箱前进行保温处理对除气效果有很大的影响，为此，本项目开发了铸造前流槽加热系统，以外挂形式对进出除气箱的铝液进行保温处理，以提高整个系统的除气效率。
3产业化发展效益
3.1项目预期产业化规模和经济社会效益
该项目研发工作完成后，研制铝液除气精炼设备可用于铝（铝合金）的铸造，铝（铝合金）的质量和加工效率明显超过目前国产主流在线式铝液除气精炼设备，设备的使用寿命可提高50以上。该铝液除气精炼设备使用性能可与目前进口主流在线式铝液除气精炼设备持平或超越，考虑成本的综合性价比远远超过目前进口主流在线式铝液除气精炼设备。该产品的研发成功产业化运作，将成为公司新的利润增长点，预计2023年底，累计新增销售收入920万元，实现利税182.4万元。公司新增申报知识产权不低于2项。
本项目研究工作的开展，为铝液除气精炼设备设计和研发提供了新的思路和新的研究领域，对丰富和发展铝液除气精炼设备的设计理论具有重要的学术价值，将对低环境负荷、高资源效益的绿色制造的实施起到积极的推动作用。研究成果的产业化推广对促进地方经济社会进步以及科技影响力提升均具有重要意义。
3.2对行业发展水平提升、产业结构优化和镇江市经济发展的带动作用
根据“十三五”有色金属工业规划，到2020年我国铝消费总量将达到4300万吨，中国铝消费的增长强劲孕育着巨大的市场发展空间，同时也吸引着大量的企业家不断涌入到铝加工行业当中。前瞻产业研究院数据显示，我国铝加工行业规模以上企业数量整体上呈现增长趋势，从2012年的671家增长至2017年的756家，年复合增长2.4%。
结束语
综上所述，现阶段铝加工、铸造及再生铝的生产过程中，要得到高质量的纯净铝液，必须使用合适的铝液净化与精炼技术。目前高性能铝液净化与精炼设备进口依赖较大，价格高昂，交付周期长。国内的厂家大多以仿制国外的机型为主。由于专利限制和对铝液净化核心技术掌握不足，使得国内设备生产厂家的产品无论从设计理念、结构、外观、质量和售后服务都存在不小的差距。
本项目拟开发的高性能铝液除气精炼设备的预期使用性能将大大超过国内普通铝液除气精炼设备，与国外知名企业的铝液除气精炼设备持平或超越。可以为企业带来巨大的经济效益，同时产业市场非常明朗。
作者简介：
李新春（1979.01.24—），男，壮族，广西南宁人，硕士研究生， 工程师，主要从事铝行业特种设备研发及制造工作。
关键词：高性能铝液净化;精炼设备;研发及产业化
引言
随着时代的发展，居民对于自身日常用品质量要求逐渐升高。之前在铝制品制作过程当中，普遍使用的是长流程制作工艺，在该制作流程当中，对于电解铝液当中氧化铝等杂质没有办法及时进行清除，严重影响铝制品质量。之前铝制品因为品质问题一直没有办法真正打开市场。
1产业背景
铝液净化与精炼设备的性能对提高加工效率和加工质量均具有重要作用。目前市场上的铝液净化与精炼设备存在着工人操作环境差，热、空气、粉尘污染严重等问题。铝液净化与精炼过程中不仅会对环境造成严重污染，同时也增加了加工的制造成本。当前，在全球环保意识不断增强和环保立法逐渐严格的大趋势下，如何在利用资源生产出不断满足人们物质和文化需求的产品的同时，尽可能地减少对环境造成的污染已经成为制造业面临解决的重要问题。在这一形势下，低环境负荷、高资源效益的绿色高性能铝液净化与精炼设备的制造已经成为了制造业寻求发展的必然制造模式。本项目研发的铝液净化与精炼设备是绿色制造实施的具体体现，它降低了铝液净化与精炼过程中可熔的扩散氢气与固体杂质颗粒的漂浮，已经成为了铝液净化与精炼设备研发制造领域的研究热点之一。
铝熔体净化处理是生产高质量铝铸件的基本措施，也是提高铝合金综合性能的重要手段。铝合金熔体精炼、除气效果对疏松、气孔、夹杂等的形成有明显影响，直接关系到铝铸件物理、力学及使用性能。
铝是一种活泼金属，易吸氢。铝液中的气体主要是氢气（约占 80%～90%），其次是氮气、氧气、一氧化碳等，主要是在铝熔炼和浇注过程中从空气中吸收的。氢气是唯一可以溶解在铝熔体中的气体，其溶解度随着铸造过程中金属的凝固而下降，在凝固过程中来不及析出而以气孔、针眼等形缺陷式存在铸件中，造成废品。这将会严重的影响铝（铝合金）的物理、力学性能（抗拉强度、屈服强度、伸长率及耐蚀性能等）。同时，含氢量高的熔体流动性也会变差，充型能力下降。
精炼是去除铝液中的气体和碱金属、非金属夹杂物等对铸造有害成分，保证获得高质量铝液的有效方法。过去，精炼处理仅仅实在熔炼炉或保温炉内进行。但是近年来为减少费用，增加产量，保证更稳定的产品质量，迫使许多用原铝生产加工的工厂和再生铝生产都采用在线精炼。
除气是精炼的重要步骤，是去除铝液中的有害气体的主要方法。除气的主要目的是在铸造之前或者尽量靠近铸造的地方消除溶解在铝熔体中的氢气。除氢的目标主要取决于铝合金产品的最终用途，如常规的6系挤压棒材氢含量指标一般为0.20ml/100gAl，航空用大扁锭氢含量指标一般为0.10ml/100gAl。
根据除气原理，铝熔体的除气方法可以分为吸附型和非吸附型。吸附型是指通過人为添加净化剂达到去除铝熔体中气体的方法。主要包括：熔剂法和气泡浮游法;非吸附型是指通过物理化学作用，打破系统原来的平衡状态，使气体从熔体中分离出来，达到新的平衡状态的方法。主要包括：真空除气、静置除气和超声波除气等。
2关键技术
2.1微正压型腔除气微气泡
在线式除气系统的除气效果，取决于除气微气泡在除气室内的有效工作时间。微气泡必须能够在整个除气箱体内形成除气气流而不形成涡流。为此，转子（包括除气气体喷嘴）的设计、工艺气体流量以及除气箱体型腔的几何形状等参数必须精准匹配，本项目在综合考虑效率和复杂度两方面问题的基础上，提出增大除气微气泡在铝液中的散布和停留时间，同时保持相对平整的熔体表面使得杂质可飘浮到液面并与铝液分离的方法。为此，根据进口铝液的流速设计相对复杂
的除气路径，并在除气室上部用惰性气体密封形成微正压空间，以降低由除气微气泡打破铝熔体表面而引起的杂质生成及金属氧化。
2.2石墨转杆高温连接
在铝铸造生产工艺中，铝熔体的温度为710℃，除气箱内氛围温度可以达到800℃以上。可以近似地认为，在800℃的环境条件下，不锈钢变形量大约是石墨的4倍，除气石墨杆与主轴的可靠连接，就是必要要考虑的问题。同时由于石墨杆的寿命及工艺需求，也需要石墨杆可以在生产过程中快速拆卸。本项目设计的高温联轴器，用以连接不锈钢主轴与长石墨杆，并传递动力及扭矩。同时利用联轴器自身构造设计，实现石墨杆在线快速装拆作业，而不致造成铸造中断，影响生产。
2.3空间阵列硅碳棒
除气过程中，为了保证除气微气泡的散布和和溶解吸收氢气，必须保证除气箱内的温度在一定的控制范围内。传统的硅碳棒加热器为平面形式，不能充分利用容器的体积，对容器内壁辐射不均匀，各硅碳棒的热负荷也不均匀，容器和硅碳棒的使用寿命都受到影响。本项目开发的新型空间阵列硅碳棒，整体为空间对称结构，充分利用圆柱形容器或保护套的空间，得圆柱形容器或保护套内壁受热均匀，连接件到各棒体的接线端的距离一致，距离一致使得电阻一致，使用时热负荷一致，同组硅碳棒性能变化一致，整体使用寿命得到延长。
2.4铸造前流槽加热
同前，为了保证除气微气泡的散布和和溶解吸收氢气，必须控制除气箱内的温度。由于除气箱内的加热器受空间限制，功率有限，难以单靠除气箱自带的加热器难以完全对低温铝液进行温度补偿。根据现场经验，铝液在进入除气箱前进行保温处理对除气效果有很大的影响，为此，本项目开发了铸造前流槽加热系统，以外挂形式对进出除气箱的铝液进行保温处理，以提高整个系统的除气效率。
3产业化发展效益
3.1项目预期产业化规模和经济社会效益
该项目研发工作完成后，研制铝液除气精炼设备可用于铝（铝合金）的铸造，铝（铝合金）的质量和加工效率明显超过目前国产主流在线式铝液除气精炼设备，设备的使用寿命可提高50以上。该铝液除气精炼设备使用性能可与目前进口主流在线式铝液除气精炼设备持平或超越，考虑成本的综合性价比远远超过目前进口主流在线式铝液除气精炼设备。该产品的研发成功产业化运作，将成为公司新的利润增长点，预计2023年底，累计新增销售收入920万元，实现利税182.4万元。公司新增申报知识产权不低于2项。
本项目研究工作的开展，为铝液除气精炼设备设计和研发提供了新的思路和新的研究领域，对丰富和发展铝液除气精炼设备的设计理论具有重要的学术价值，将对低环境负荷、高资源效益的绿色制造的实施起到积极的推动作用。研究成果的产业化推广对促进地方经济社会进步以及科技影响力提升均具有重要意义。
3.2对行业发展水平提升、产业结构优化和镇江市经济发展的带动作用
根据“十三五”有色金属工业规划，到2020年我国铝消费总量将达到4300万吨，中国铝消费的增长强劲孕育着巨大的市场发展空间，同时也吸引着大量的企业家不断涌入到铝加工行业当中。前瞻产业研究院数据显示，我国铝加工行业规模以上企业数量整体上呈现增长趋势，从2012年的671家增长至2017年的756家，年复合增长2.4%。
结束语
综上所述，现阶段铝加工、铸造及再生铝的生产过程中，要得到高质量的纯净铝液，必须使用合适的铝液净化与精炼技术。目前高性能铝液净化与精炼设备进口依赖较大，价格高昂，交付周期长。国内的厂家大多以仿制国外的机型为主。由于专利限制和对铝液净化核心技术掌握不足，使得国内设备生产厂家的产品无论从设计理念、结构、外观、质量和售后服务都存在不小的差距。
本项目拟开发的高性能铝液除气精炼设备的预期使用性能将大大超过国内普通铝液除气精炼设备，与国外知名企业的铝液除气精炼设备持平或超越。可以为企业带来巨大的经济效益，同时产业市场非常明朗。
作者简介：
李新春（1979.01.24—），男，壮族，广西南宁人，硕士研究生， 工程师，主要从事铝行业特种设备研发及制造工作。