一、概述

　　铝电解槽中生产出的原铝，在质量上相差较大。另外，还含有一些金属杂质，气体和非金属固态夹杂物。铝锭铸造的任务是提高低品位铝液的利用率，并尽可能除去其中的杂质。原铝中的杂质可分为以下三类：第一类是金属元素，如铁、硅、铜、钙、镁、钛、钒、硼、镍、锌、镓、锡、铅、磷等，其中主要元素是铁和硅；第二类是非金屑固态夹杂物，Al2O3，AlN和Al4C3；第三类是气体，H2，CO2，CO，CH4，N2，其中主要的是H2。在660C下，100g铝液中大约溶解0.2cm3的氢气。气体在铝液中的溶解度随温度升高而增加。从电解槽吸出的铝液，都要经过净化处理，清除掉一部分杂质，然后铸成商品铝锭(99.85％A1)。 含99.996％Al纯铝(铝丝φ2mm，硬拔者)，电阻率为2.668×10－8Ω·m。纯铝中如有杂质元素，则电阻率增大。．影响最大者为铬、钒、锰、锂、钛。影响较小者为铟、铅、锌、镉、锡、铍、铁。

　　1．铝中杂质元素的平衡

　　用拜耳法从铝土矿生产出的工业氧化铝中，杂质的含量相对于原料铝土矿来说大为减少。除了从碱液中带来的碱以外，杂质元素的分析值总量通常少于l％。其中主要杂质是SiO2和Fe2O3。除了氧化铝给电解槽带来杂质外，炭阳极和熔剂冰晶石也带来不少杂质。炭阳极带来的杂质主要是铁和硅，冰晶石也是这样。

　　如果原料的杂质元素全部析出在原铝里，则所得铝的品位只有99．7％Al。然而，实际生产出来的铝却具有较高的品位99．8％Al。这种差别主要是由于杂质元素的蒸发造成的。铁、钛、磷、锌和镓从氧化铝来的占多数，而硅和钒则从炭阳极来的占多数。从熔剂来的杂质元素，以磷为多，约占磷总量的20％，其余硅、铁，钛和钒都很少。

　　平衡表的支出，硅和铁都超过了从原料带来的数量，其中硅超过60％左右，铁超过37％左右。电解槽的内衬材料，例如高灰分的槽底炭块和炭糊以及耐火材料，是这些杂质元素的另一个重要来源。此外，由于操作工具和阴极钢棒遭受侵蚀，使铁也进入了平衡。其余几种元素，收支接近平衡。

　　支出分配在原铝和废气中的杂质元素量是不一样的。蒸发量最大的是磷，占收入总量的72％，钒占64.4％，铁占62.4％，钛占57.7％，镓占49.6％，锌占19.7％。最小的是硅，仅占收入总量的13.3％。之所以如此，原因是：①硅和锌在电解质里以比较难蒸发甚至不蒸发的化合物形态存在，倒如SiO2，ZnO或ZnF2。硅和锌明显地积累在铝液里。铝液被硅和锌污染的程度，主要是由物料平衡中供入的硅化合物和锌化合物总量来决定的。在这种情形下，槽罩的收集效率无关紧要。②铁、镓、钛和镍至少部分地以挥发性化合物的形态存在于体系中。这些化合物大概是在进入电解质之后才生成的。可能的化合物是Fe(CO)5，Ni(CO)4，TiF3，TiF4和GaF3等。如果槽罩的收集效率提高，则会在一定程度上影响铝的质量。③钒和磷只以挥发性化合物形态存在。可能的化合物，首先是氟化物(VF3和PF3)和五氧化二磷(P2O5)。由于电解质中磷含量升高会影响电流效率，而铝中钒量增多则会减小铝的导电性能，所以可以预料到提高槽罩的收集效率会对原铝质量以及最佳生产效果方面带来损害。 

　　2．铝锭的分类

　　铝锭按成分不同分重熔用铝锭、高纯铝锭和铝合金锭三种：按形状和尺寸又可分为条锭、圆锭、板锭、T形锭等几种，下面是几种常见的铝锭；

　　重熔用铝锭--15kg，20kg(≤99．80％Al)：

　　T形铝锭--500kg，1000kg(≤99．80％Al)：

　　高纯铝锭--l0kg，15kg(99．90％～99．999％Al)；

　　铝合金锭--10kg，15kg(Al--Si，Al--Cu，Al--Mg)；

　　板 锭--500～1000kg(制板用)；

　　圆 锭--30～60kg(拉丝用)。

　　3．铝锭铸造工艺流程

　　出铝—扒渣—检斤—配料—装炉—精练—浇铸—重熔用铝锭—成品检查—成品检斤—入库

　　出铝—扒渣—检斤—配料—装炉—精练—浇铸—合金锭—铸造合金锭—成品检查—成品检斤—入库

　　二、原铝净化

　　从电解槽吸出的铝液中含有各种杂质，因此铸造之前需要进行净化。工业上主要采用澄清、熔剂、气体等净化方法，也有的试用定向凝固和过滤方法进行净化。

　　1．熔剂净化

　　熔剂净化是利用加入铝液中的熔剂形成大量的细微液滴，使铝液中的氧化物被这些液滴湿润吸附和溶解，组成新的液滴升到表面，冷却后形成浮渣除去。

　　净化用的熔剂选用熔点低、密度小，表面张力小、活性大、对氧化渣有很强吸附能力的盐组成。使用时，先将小块熔剂装入铁笼里，再插入混合炉底部来回搅动，至熔剂化完后取出铁笼，静止5～10min。捞出表面浮渣即可浇铸。根据需要也可将熔剂撤在表面上起覆盖作用。

　　2．气体净化

　　气体净化是一种主要的原铝净化法，所用气体是氯气、氮气或氯氮混合气体。 

　　(1)氯气净化。以前采用活性气体氯气作净化剂(氯化法)。在氯化法中，把氯气通入铝液内时生成很多异常细小的AlCl3，气泡，充分地混合在铝液内。溶解在铝液中的氢，以及一些机械夹杂物便吸附在AlCl3气泡上，随着AlCl3气泡上升到铝液表面而排出。通入氯气时还能使某些比铝更加负电性的元素氯化，如钙、钠、镁等均因通入氯气而生成相应的氯化物，得以分离出来。所以氯化法是一种非常有效的原铝净化法。氯气用量为每吨铝500-700g。但因为氧气有毒而且比较贵重，为了避免空气被污染和降低铝锭生产的成本，故在现代铝工业上已逐渐废去了氯化法改成惰性气体--氮气净化法。

　　(2)氮气净化法。又称为无烟连续净化法，用氧化铝球(418mm)作过滤介质。N2直接通入铝液内。铝液连续送入净化炉内，通过氧化铝球过滤层，并受到氮气的冲洗，于是铝液中的非金属夹杂物以及溶解的氢得以清除，然后连续排出，从而使细微的氮气泡均匀分布在受处理的铝液内起到净化的作用。氮气对大气无污染，且净化处理量大，每分钟可处理200～600kg铝液，净化过程中造成的铝损失量相对减少，故现在广泛应用。但它不象氯气那样能够清除铝液中的钙、钠、镁。 

　　(3)混合气体净化法。采用氯气和氮气的混合物来净化铝液，其作用是一方面脱去氢气和分离氧化物，另一方面清除铝中某些金属杂质(如镁)，常用的组成是90％氮气+10％氯气。也有采用10％氯气＋10％二氧化碳+80％氮气。这样效果更好，二氧化碳能使氯气与氮气很好的扩散，可缩短操作时间。

　　四、铸锭工艺

　　现在铝锭铸造工艺一般采用浇铸工艺，就是把铝液直接浇到模子里，待其冷却后取出。

　　产品质量的好坏主要在这一步骤，而且整个铸造工艺，也是以这一过程为主。铸造过程是一个由液态铝冷却、结晶成为固体铝锭的物理过程。

　　1．连续浇铸

　　连续浇铸可分为混合炉浇铸和外铸两种方式。均使用连续铸造机。混合炉浇铸是将铝液装入混合炉后，由混合炉进行浇铸，主要用于生产重熔用铝锭和铸造合金。外铸是由抬包直接向铸造机浇铸，主要是在铸造设备不能满足生产，或来料质量太差不能直接入炉的情况下使用。由于无外加热源，所以要求抬包具有一定的温度，一般夏季在690～740℃，冬季在700～760℃，以保证铝锭获得较好的外观。

　　混合炉浇铸，首先要经过配料，然后倒人混合炉中，搅拌均匀，再加入熔剂进行精炼。浇铸合金锭必须澄清30min以上，澄清后扒渣即可浇铸。浇铸时，混合炉的炉眼对准铸造机的第二、第三个铸模，这样可保证液流发生变化和换模时有一定的机动性。炉眼和铸造机用流槽联接，流槽短一些较好，这样可以减少铝的氧化，避免造成涡旋和飞溅，铸造机停用48h以上时，重新启动前，要将铸模预热4h。铝液经流槽流入铸模中，用铁铲将铝液表面的氧化膜除去，称为扒渣。流满一模后，将流槽移向下一个铸模，铸造机是连续前进的。铸模依次前进，铝液逐渐冷却，到达铸造机中部时铝液已经凝固成铝锭，由打印机打上熔炼号。当铝锭到达铸造机顶端时，已经完全凝固成铝锭，此时铸模翻转，铝锭脱模而出，落在自动接锭小车上，由堆垛机自动堆垛、打捆即成为成品铝锭。铸造机由喷水冷却，但必须在铸造机开动转满一圈后方可给水。每吨铝液大约消耗8-10t水，夏季还需附吹风进行表面冷却。铸锭属于平模浇铸，铝液的凝固方向是自下而上的，上部中间最后凝固，留下一条沟形缩陷。铝锭各部位的凝固时间和条件不尽相同，因而其化学成分也将各异，但其整体上是符合标准的。

　　重熔用铝锭常见的缺陷有：①气孔。主要是由于浇铸温度过高，铝液中含气较多，铝锭表面气孔(针孔)多，表面发暗，严重时产生热裂纹。②夹渣。主要是由于一是打渣不净，造成表面夹渣；二是铝液温度过低，造成内部夹渣。③波纹和飞边。主要是操作不精细，铝锭做的太大，或者是浇铸机运行不平稳造成。④裂纹。冷裂纹主要是浇铸温度过低，致使铝锭结晶不致密，造成疏松甚而裂纹。热裂纹则由浇铸温度偏高引起。⑤成分偏析。主要是铸造合金时搅拌不均匀引起的。

　　2．竖式半连续铸造

　　竖式半连续铸造主要用于铝线锭、板锭以及供加工型材用的各种变形合金的生产。铝液经配料后倒入混合炉，由于电线的特殊要求，铸造前需加入中间合盘Al-B脱出铝液中的钛、钒(线锭)；板锭需加入Al-Ti--B合金(Ti5％B1％)进行细化处理。使表面组织细密化。高镁合金加2#精炼剂，用量5％，搅拌均匀，静置30min后扒去浮渣，即可浇铸。浇铸前先将铸造机底盘升起，用压缩空气吹净底盘上的水分。再把底盘上升入结晶器内，往结晶器内壁涂抹一层润滑油，向水套内放些冷却水，将干燥预热过的分配盘、自动调节塞和流槽放好，使分配盘每个口位于结晶器的中心。浇铸开始时，用手压住自动调节塞，堵住流嘴，切开混合炉炉眼，让铝液经流槽流入分配盘，待铝液在分配盘内达到2／5时，放开自动调节塞，使铝液流进结晶器中，铝液即在底盘上冷却。当铝液在结晶器内达到30mm高时即可下降底盘，并开始送冷却水，自动调节塞控制铝液均衡地流入结晶器中，并保持结晶器内的铝液高度不变。对铝液表面的浮渣和氧化膜要及时清除。铝锭长度约为6m时，堵住炉眼，取走分配盘，待铝液全部凝固后停止送水，移走水套，用单轨吊车将铸成的铝锭取出，在锯床上按要求的尺寸锯断，然后准备下一次浇铸。

　　浇铸时，混合炉中铝液温度保持在690～7l0℃，分配盘中的铝液温度保持在685-690℃，铸造速度为190～21Omm／min，冷却水压为0.147～0.196MPa。铸造速度与截面为正方形的线锭成比例关系：

　　VD＝K

　　式中 V为铸造速度，mm／min或m／h；D为锭截面边长，mm或m；K为常值，m2/h，一般为1.2～1.5。

　　竖式半连续铸造是顺序结晶法，铝液进入铸孔后，开始在底盘上及结晶器内壁上结晶，由于中心与边部冷却条件不同，因此结晶形成中间低、周边高的形式。底盘以不变速度下降。同时上部不断注入铝液，这样在固体铝与液体铝之间有一个半凝固区．由于铝液在冷凝时要收缩，加上结晶器内壁有一层润滑油，随着底盘的下降，凝固的铝退出结晶器，在结晶器下部还有一圈冷却水眼，冷却水可以喷到已脱出的铝锭表面，为二次冷却，一直到整根线锭铸完为止。

　　顺序结晶可以建立比较满意的凝固条件，对于结晶的粒度、机械性能和电导率都较有利。比种铸锭其高度方向上没有机械性能上的差别，偏析也较小，冷却速度较快，可以获得很细的结晶组织。

　　铝线锭表面应平整光滑，无夹渣、裂纹、气孔等，表面裂纹长度不大于1．5mm，表面的渣子和棱部皱纹裂痕深度不许超过2mm，断面不应有裂纹、气孔和夹渣，小于lmm的夹渣不多于5处。

　　铝线锭的缺陷主要有：①裂纹。产生的原因是铝液温度过高，速度过快，增加了残余应力；铝液中含硅大于0.8％，生成铝硅同熔体，再生成一定的游离硅，增加了金属的热裂性：或冷却水量不足。在结晶器表面粗糙或没有使用润滑油时，锭的表面和角部也会产生裂纹。②夹渣。铝线锭表面夹渣是由于铝液波动、铝液表面的氧化膜破裂、表面的浮渣进入铸锭的侧面造成。有时润滑油也可带入一些夹渣。内部夹渣是由于铝液温度过低、粘度较大、渣子不能及时浮起或浇铸时铝液面频繁变动造成。③冷隔。形成冷隔主要是由于结晶器内铝液水平波动过大，浇铸温度偏低，铸锭速度过慢或铸造机震动、下降不均而引起的④气孔。这里所说的气孔是指直径小于1mm的小气孔。其产生的原因是浇铸温度过高，冷凝过快，使铝液中所含气体不能及时逸出，凝固后聚集成小气泡留在铸锭中形成气孔。⑤表面粗糙。由于结晶器内壁不光滑，润滑效果不好，严重时形成晶体表面的铝瘤。或由于铁硅比太大，冷却不均产生的偏析现象。⑥漏铝和重析。主要是操作问题，严重的也造成瘤晶。

　　3．铸锭质量的保证

　　(1)重熔用铝锭。铸锭过程中最重要的技术条件是浇铸温度，在浇铸过程中必须严格控制浇铸温度，一般高于铝液凝固温度30～50℃。

　　(2)线锭。线锭的浇铸略为复杂，需控制的条件有铸锭速度。铸锭速度与铸锭直径有关。其浇铸温度保持680～690℃，冷却水压为0.147～0.196MPa，结晶器内壁铝液水平控制在30mm左右。控制好以上条件，并加强操作管理，即可获得较好的质量。