CN117980682A - 用感应炉熔融铝装料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种熔融铝装料的方法，包括：供给至少15重量％以高度为h且最大直径为d的基本圆柱形大锭块(11)的形式存在的铝装料(11，12，13)；将所述装料装载进高度为H、最大内径为D的基本圆柱形的感应炉(10)中，其中所述大锭块的高度方向与炉的高度方向基本平行；通过感应熔融装料以获得液态金属熔池(2)；任选地调整所述液态金属的成分，其中d的范围在0.7D至0.97D之间，优选在0.84D至0.92D之间。

Description

用感应炉熔融铝装料的方法

技术领域

本发明涉及使用感应炉熔融铝产品和制造铝合金半成品，尤其是轧制板、挤出坯或锻造块。

背景技术

铝生产的碳足迹，在通过回收现有原料获得产品时，比由电解法获得原铝低得多。因此，开发经济有效地对回收用原材料进行重熔的方法是重要的。此外，就碳排放而言，以电力方式实现熔融的感应炉比煤气炉有利，特别是所用的电是在没有排放的情况下获得时。

然而，由于感应炉的熔融速率较低、尺寸有限、装炉困难等原因，其工业效率往往低于煤气炉。

专利EP1101830描述了一种生产给定7000系铝合金的半成品(诸如板材、坯料或锻造块)的方法，特征在于其包括：a)提供待回收的产品，如系列7000中的至少一种第二合金的废料金属和机加工废料，其中至少有一种第二抗再结晶元素(诸如Zr或Cr)的目标含量高于所确定合金的最大可接受含量；b)至少有一个步骤对废料金属和废料进行精炼，以将第二抗再结晶元素的含量降至低于所确定合金中的最大可接受含量；c)用精炼过程得到的纯金属制造一份液态金属；d)通过浇铸液态金属(40)形成半成品(100)。

专利EP1913166描述了一种熔融含锂铝合金废料的方法，包括(i)供应含铝锂合金废料(供给步骤)；(ii)在一个熔炉中制备一个具有第一组成的初始液态金属床(初始液态金属床的制备步骤)；(iii)将所述废料装载在所述初始液态金属床上以在所述液态金属床的表面形成一个所述废料的漂浮层(装载步骤)；(iv)将所述废料层熔融，以获得一个具有第二组成的液态金属熔池，所述第二组成可以与第一组成相同或不同(层熔步骤)；(v)从所述具有第二组成的液态金属熔池中移出液态金属(移出步骤)。

专利US6393044描述了一种感应熔融系统，其使用由高电阻率或高导磁率的材料制成的坩埚和一个或多个感应线圈，所述感应线圈由多个彼此绝缘的铜导体组成的电缆线束形成以形成感应炉，所述感应炉与电源一起提供了结构紧凑的设计。

感应炉熔融尤其适用于熔融回收用原材料。

铝和铝合金制的回收用原材料(特别是被称为“废料”)的类型如标准EN 12258-3所述。

在许多工业中，诸如通过机加工、变形和切割半成品等工艺来制造金属成品的过程产生了大量的碎屑和机加工废料。在制造过程中，通过车削、棒料车削、刨削、铣削、端面车削、切边、钻孔、攻丝、车螺纹、锯削、铰孔、精加工或类似的操作，从半成品中去除这些多余的材料。这类废料既包括小的车削类碎片(如切屑)，也包括较大的切碎类碎片(如切割或剪切薄板或厚板、型材、板材、坯料产生的废料)。

回收方法中常用的其他类型废料是废旧包装，如废饮料罐或废包装。

废料可以有不同的形式，如处理的、散装的、粉碎的、成颗粒的、压实的、干净的、涂镀的、阳极化的、锻压的形式，用于直接熔融。

因此，在某些情况下，废料至少要经过一次初次转化，使其适合直接熔融，如压实(以生产例如“砖块(brique)”)或熔融(以生成重熔铸块(lingot de refusion)，例如“大锭块(bol)”)。这种初次转化可以简化废料和切屑的运输、装卸、熔融和/或储存过程，并通过减少残油和获得均匀组成的方式改善废料。

因此，重熔铸块是将金属浇铸成适合重熔的形式，可能经过一些冶金处理，目的是矫正成分和/或去除一些金属或非金属杂质。大锭块是一种重量一般为500千克的重熔铸块。根据本发明的大锭块是整块的(monolithique)。所谓整块，指的是大锭块由单一金属或合金组成，这是大锭块作为重熔铸块的固有特性。大锭块通常呈大致平行六面体，适合叉车搬运。大锭块通常储存起来，根据需要用于制造半成品，如轧制板、挤出坯、锻造块。

本发明所要解决的问题是提高包括在圆柱形感应炉中熔融过程的制造方法的生产效率和能源效率，特别是使用很大比例的回收用原材料的方法。

发明内容

本发明的第一个目的在于一种熔融铝装料的方法，其特征在于包括：

-供给铝装料，其至少15重量％的形式为基本呈圆柱形的大锭块，所述大锭块的高度为h，最大直径为d；

-将所述装料装载到高度为H、最大内径为D的圆柱形感应炉中，其中所述大锭块的高度方向与炉子的高度方向基本平行；

-将所述装料通过感应进行熔融，以得到液态金属熔池；

-任选地调整所述液态金属的成分，

其中，d的范围在0.7D至0.97D之间。

本发明的第二个目的在于适用于本发明的熔融方法的铝制大锭块，其基本呈圆柱形，高度为h，最大直径为d。

本发明的另一个目的在于一种半成品的制造方法，例如轧制板、挤出坯、锻造块、铸块或大锭块，其特征在于包括：

-通过本发明的熔融方法获得成分任选地调整的液态金属熔池；

-任选地过滤和/或处理所述液态金属(2)；

-通过浇铸所述液态金属形成所述半成品(100、101)。

本发明的另一个目的是用于浇铸本发明的大锭块的模具。

附图说明

[图1]图1示出了本发明方法的优选实施方案。

[图2]图2示出了根据本发明的大锭块。

[图3a]图3a示出了另一个根据本发明的大锭块，并显示了一张俯视图和两张截面图。

[图3b]图3b示出了另一个根据本发明的大锭块，并显示了透视图。

[图4]图4示出了对根据本发明的大锭块可能进行的处理。

[图5]图5示出了根据本发明的模具。

[图6a]图6a示出了采用平行六面体块的实施例装料。

[图6b]图6b示出了采用本发明大锭块的装料。

[图7]图7示出了根据本发明制造半成品的方法的实施方案。

[图8]图8为根据本发明实施方案的大锭块的截面图。

具体实施方式

除非另有说明，否则适用EN12258标准的定义，特别是EN12258-1和12258-3。

申请人发现，与预期相反，使用尺寸与熔炉尺寸相适应的基本为圆柱形的大锭块，可以显著缩短圆柱形感应炉的装载时间和熔融时间。

根据本发明，熔融铝装料的方法包括：

-供给铝装料；

-将装料装载到感应炉中；

-将所述装料熔融。

该方法如图1所示。

在本发明中，术语“铝”指纯铝以及含至少50％铝的所有铝合金，例如特别是如铝业协会(The Aluminum Association)出版的Teal Sheets中所述的合金。

在供给步骤中，至少15重量％的铝装料以基本圆柱形的大锭块(11)的形式存在，其高度为h，最大直径为d。根据大锭块的尺寸，一个大锭块可足以达到最小用量，但一般会使用多个，通常为二、三、四或者更多个大锭块。优选地，按重量计算，至少25％、优选至少35％、甚至至少50％、至少70％或至少90％的装料为基本圆柱形的大锭块(11)。根据本发明，基本圆柱形的大锭块的重量至少为100千克，优选至少为300千克，更优选至少为400千克，有利地至少为500千克。在本发明的一个实施方案中，基本圆柱形的一或多个大锭块的重量至少为700千克，有利地至少为1000千克，优选至少为1500千克。不过，重量小于700千克的大锭块，例如重量在100千克至700千克之间的大锭块，亦可单独使用或与重量较大的大锭块混合使用。

大锭块基本呈圆柱形，即其形状主要由一个或多个圆柱和/或一个或多个截头圆锥以相同旋转轴叠置而成，这样所有圆柱和/或截头圆锥的最大直径和最小直径相差不超过10％，优选不超过7％，优选不超过5％。因此，垂直于基本圆柱形的旋转轴的截面一般为圆形。任何垂直于基本圆柱形旋转轴的截面都可以由一个部分截断的圆组成，但截断部分占圆周长的比例小于50％，优选地小于40％。基本圆柱形可以有一个中心开口。基本圆柱形可包括支脚。基本圆柱形的高度h对应于垂直于最大直径的最大尺寸，即沿旋转轴的高度。优选地，大锭块为铝合金整块，其形式为具有高度h和最大直径d的基本圆柱形，其中d的范围为0.7D至0.97D，其中D为圆柱形感应炉的最大内径。

为完成装载，铝还以其他形式被使用，例如在不同制造步骤(如带材、板材、型材、棒材、管材、线材、锻件)中产生的铸块、坯料、板材和变形形式(13)的废料形式(12)，即生产废料，尤其是产生自切割、剪切或相似操作的切割废料，或使用过的产品(如废饮料罐或废包装、焚化炉废料)，以及由机加工或其他操作产生的主要由颗粒、切屑、碎片组成的车削屑，当所用废料为涂镀废料时，有利地进行剥离操作以获得剥离废料。使用过的废料优选磨碎。在本发明的一个实施方案中，按重量计，至少15％，优选至少30％，甚至40％的装料为变形产品(13)，优选为非常细碎的形式，如切碎废料、车削屑、废饮料罐或废包装。

这些任何形式铝的来源，可以是从金属化合物中还原提取的原铝，或是通过分解金属化合物或重熔金属(即已经过一次凝固的金属)提取的原铝。在一个实施方案中，根据本发明的大锭块是通过浇铸原金属获得的。在另一个实施方案中，根据本发明的大锭块是通过浇铸重熔金属获得的。优选地，根据本发明的大锭块通过浇铸重熔金属获得，所述重熔金属包括来自使用后产品的回收废料。在本发明的一个实施方案中，至少60％的装料来自重熔金属，优选生产废料或回收废料。

优选地，装料由经适当分类的2XXX或3XXX或4XXX或5XXX或6XXX或7XXX或8XXX系列合金组成。在一个有利的实施方案中，装料由含至少0.5重量％锂的2XXX系列合金组成，例如AA2050、AA2196或AA2198合金。在另一个有利的实施方案中，装料由3XXX系列合金组成，并含有至少30％的废饮料罐或废包装。

然后将装料装入一个基本圆柱形的无芯坩埚感应炉(10)，以下简称“圆柱形感应炉”，且在英文中被称为术语“coreless crucible induction furnace”。圆柱形感应炉的最大内径为D，与炉的坩埚的最大内径相对应。坩埚可以是可拆卸的，也可以是一体的。所谓基本圆柱形，是指其形状主要由一个或多个圆柱体和/或一个或多个截头圆锥以相同的旋转轴叠置组成，使得所有圆柱体和/或截头圆锥的最大直径和最小直径相差不超过10％，优选不超过7％，优选不超过5％。根据本发明，大锭块的最大直径d与炉子的最大内径D相适应，因此d在0.7D至0.97D的范围内，优选在0.84D至0.92D的范围内。根据本发明，大锭块的最大直径与炉子精确匹配的设计，以及其基本圆柱形的形状，尤其可与感应炉的线圈产生更好的感应耦合，还可以增加炉中的装载密度。此外，大锭块的高度h优选最多为最大直径d的50％，优选最多为40％，优选最多为30％，以避免大锭块在浇铸时出现冶金缺陷。

大锭块的装载方式是使大锭块的高度方向与炉子的高度方向大致平行。有利的是，无论装载的大锭块数量多少，装载都可在一次操作中完成。

有利的是，基本圆柱形的大锭块在其中心包括一个开口(111)。开口(111)特别允许插入搬运工具，例如，连接到叉车或桥式起重机上。

在一个实施方案中，根据本发明的大锭块的装载是在将炉子水平倾斜后进行的。例如，使用叉车倾斜并装载大锭块。在此实施方案中，使用圆周被截断的大锭块是有利的，这样可以确保倾斜时的稳定性，其高度h于是此时处于水平位置。在本实施方案中，当装载多个大锭块时，将大锭块倾斜并装载是有利的，例如，使用连接在叉车上的搬运工具，一次操作插入开口(111)中。在本实施方案中，使用相同的下述大锭块是有利的，其圆周已被截断，以确保倾斜时的稳定性。然后将炉子垂直向后倾斜，以便装入废料等其他装料。

在另一个实施方案中，大锭块是以竖直位置引入炉内的。例如，可以使用插入开口(111)的合适搬运工具搬运大锭块，并在不接触感应炉壁的情况下将其插入炉内。如果开一个如图2所示的圆形开口(可能是斜切)，则可以例如使用带有可伸缩芯轴的气动工具。也可以制作如图3所示的长方形开口。如图4所示，可将一个含矩形垫块(32)的搬运工具(3)插入长方形开口(111)中，然后用一根杆(31)转动，以便卡在大锭块下方。然后，可以使用桥式起重机轻松地搬运该组件，当大锭块被放置在炉中时，进行相反的操作以释放搬运工具(3)。

在这两种情况下，都可以直接插入一叠根据本发明的大锭块，这使装载操作得以快速进行，避免了坩埚耐火材料的降解，并且可以由一名操作员完成。

在一个实施方案中，首先用生产废料和/或回收废料(13)和/或铸块(12)部分填充炉子，然后引入本发明的大锭块，然后再次引入生产废料和/或回收废料，特别是在本发明的大锭块与炉壁之间的剩余空间中，最后用生产废料和/或回收废料和/或铸块完成装载。

在另一个实施方案中，首先引入本发明的大锭块，然后引入生产废料和/或回收废料，特别是在本发明的大锭块与炉壁之间的剩余空间中，最后用生产废料和/或回收废料和/或铸块完成装载。在一个实施方案中，不将根据本发明的大锭块置于炉子中心可能是有利的，这样便于引入生产废料和/或回收废料。

发明人发现，根据本发明，至少有一个大锭块位于熔炉的中间高度附近，这对更快的熔融和更低的能耗是有利的。因此，在一个有利的实施方案中，位于基本圆柱形的大锭块中间高度h/2处的直径与炉底，即与坩埚底部的距离，在H/2-H/4和H/2+H/4之间，优选在H/2-H/5和H/2+H/5之间。

然后通过感应炉熔融装料，得到液态金属熔池(2)。熔融可在惰性气氛或环境空气中进行，带盖或不带盖均可。使用的功率和频率根据所使用的熔炉和装料来选择。通常情况下，功率为最大功率的40％至100％，频率为50赫兹至400赫兹。频率特别要与感应炉的尺寸相适应。

应当注意的是，在一个实施方案中，熔融可以开始于在完全装载之前：一旦装料部分熔融，在某些情况下就可以恢复装料循环，例如，使用钳子、蜗杆或通过清空桶引入废料。

任选地随后将用于调整成分的合金元素装入熔炉，以达到目标组成。合金元素一般以单一元素高合金化的或含有这些元素的铝合金或纯添加金属的形式添加。用于添加合金元素的不同形式被称为“MAFM”，意为“母合金和填充金属”。

本发明还涉及一种制造半成品(100、101)的方法，例如轧制板、挤出坯、锻造块(100)、铸块或大锭块(101)，其中进行一个步骤，即对通过本发明的熔融方法获得的液态金属进行浇铸。该方法如图7所示。

任选地，浇铸金属也可以中间方式转移到大型熔炉(102)中，例如将来自多个感应炉的液态金属聚集在一起。

任选地，在浇铸之前，可以执行液态金属过滤和/或处理步骤。通常情况下，可以在“过滤袋”中的过滤介质上对液态金属进行过滤，或者在“脱气袋”中将惰性或活性的所谓“处理”气体引入液态金属熔池中。在该实施方案的一个有利替代方案中，该方法包括对金属进行气体处理以去除夹杂物。优选的气体大概率包括氯气，其余通常为氮气或氩气。

所述液态金属随后被导入液态金属凝固装置(或“浇铸机”)，以制备半成品如轧制板(100)、挤出坯、锻造块、铸块或大锭块(101)。

该方法也可以是半连续的，只取部分液态金属进行浇铸，炉内留有基部液体，固态铝被引入基部液体。

本发明还涉及一种适用于在圆柱形感应炉中熔融的基本圆柱形的铝大锭块。优选地，基本圆柱形的重量至少为700千克，优选至少为1000千克，甚至至少为1500千克。

大锭块的形状为所定义的基本圆柱形。任何垂直于基本圆柱形高度的截面都可以由一个部分截断的圆组成，但截断部分占圆周长的比例小于50％，优选小于40％。基本圆柱形可以有一个中心开口。基本圆柱形可包括支脚。基本圆柱形的高度h对应于垂直于最大直径的最大尺寸。优选地，根据本发明的大锭块具有一个中心开口(111)。在一个实施方案中，该开口为圆形如图2所示，可能地为斜切的。在另一个实施方案中，该开口为长方形如图3所示。有利的是，该长方形开口也为斜切的，如图3a的截面B-B所示，以尤其是便于大锭块的脱模。选择斜切角以在优化脱模与金属量之间的折衷，斜切角α的范围优选在15°至50°之间，优选在25°至35°之间。在一个实施方案中，长方形或圆形凹槽(114)允许搬运工具竖直或水平通过，并留有至少20毫米的膨胀间隙。

为了便于搬运，大锭块可以配备至少2条支脚(113)。在一个实施例中，大锭块上设有4条支脚。这样就可以用叉车从各个方向搬运大锭块，并将其切成两半，而不会失去稳定性。大锭块的几何形状特别可允许安全堆叠4个稳定高度，有利的是5或6个稳定高度，特别是对于由具有4个承载区的含4条支脚的大锭块。

在另一个不包括支脚的如图8所示(示出大锭块的横截面)的实施方案中，大锭块有两个缺口(115)，用于搬运大锭块。

有利的是，大锭块上有一个轴环(112)。轴环的作用是在填充大锭块模具和使用大锭块时给出视觉指示。没有轴环将提醒操作人员注意模具的最低填充量，并在必要时注意大锭块的较低强度。轴环还能确保最低操作高度。轴环处的直径可以代表最大直径。

在一个实施方案中，基本圆柱形的大锭块在端部被至少一个直径(114)截断。在一个实施方案中，直径在两端部被两个垂直的直径截断。

对直径进行截断的好处是，一方面，在炉子倾斜的实施方案中，可以竖直定位在大锭块的侧边上，从而便于导入；另一方面，在炉子不倾斜的实施方案中，通过将大锭块以90°角靠在框架上，便于水平定位，从而便于导入搬运系统并在大锭块定位到炉子中后取出，还便于在大锭块定位到炉子中后将废料导入炉内。然而，重要的是，为了最大限度地提高与感应炉线圈的感应耦合，形状必须保持基本圆柱形。

本发明还涉及用于浇铸根据本发明的大锭块的模具(4)。图5示出了本发明的模具。该模具具有便于大锭块脱模的形状，特别是例如通过使用本领域技术人员已知的模拟工具进行建模来调整离隙角。优选地，根据本发明的模具包括用于形成支脚并允许底部浇铸而不产生湍流的袋状物(413)，，具有减少氧化物形成的效果。有利的是，模具包括一个用于制造开口(111)的中心尖端(411)。在一个有利的实施方案中，用于制造开口(111)的中心尖端(411)是可拆卸的。优选地，中心尖端是镂空的，以改善冷却效果，避免出现气孔、气穴、收缩穴和凝固穴等冶金缺陷。此外，为避免冶金缺陷，大锭块的高度h优选最多为最大直径d的50％，优选最多为40％，优选最多为30％。因此，根据本发明的大锭块优选不存在气孔、气穴、收缩穴和凝固穴等冶金缺陷。根据本发明的模具优选由铸铁制成，如灰铸铁、球墨铸铁或铸钢。

本发明的大锭块具有许多优点。

首先，它可以改善圆柱形坩埚感应炉中的感应耦合，这主要得益于其整体呈圆柱形的形状，使其能控制与炉壁间的距离。因此，熔融时间至少缩短15％，优选至少缩短30％。此外，该几何形状还可将熔炼损失至少改善0.5％，优选至少1％。该几何形状还能将炉子的填充率至少改善15％，装料时间至少改善10％，从而提高生产效率。大锭块的几何形状还避免了拱形化(effet de voute)，从而提高了方法的安全性。由于装载方便，耐火材料受损的风险有限，从而提高了耐火材料的使用寿命。

根据本发明设计的模具有利的原因在于可以通过翻转快速脱模，通过最大限度的热交换加速凝固，以及获得无缺陷的大锭块。

实施例

在容量为500千克、内径D为500毫米的圆柱形感应炉中进行了不同装料的熔融试验。将竖直放置在炉子中心的平行六面体块的熔融与根据本发明的圆柱形大锭块的熔融进行了比较，圆柱形大锭块的总重量与平行六面体块相同，为100千克，最大直径为384毫米，且放置在线圈的中间高度(图6)。参照块也位于相对于线圈中间高度的中心位置。使用的频率为385赫兹，使用的功率相当于炉额定功率的50％。

试验示出，置于感应炉中间高度的大锭块(图6b)的熔融时间相对于竖直放置的平行六面体块(图6a)缩减37％。该试验另外也被用于设定熔融模型。

Claims (12)

1.熔融铝装料的方法，其特征在于包括：

-供给铝装料(11、12、13)，其至少15重量％的形式为高度为h且最大直径为d的基本圆柱形的大锭块(11)；

-将所述装料装载到高度为H、最大内径为D的圆柱形感应炉(10)中，其中所述大锭块的高度方向与炉的高度方向基本平行；

-将所述装料通过感应进行熔融，以得到液态金属熔池(2)；

-任选地调整所述液态金属的成分，

其中，d的范围在0.7D至0.97D之间，优选地在0.84D至0.92D之间。

2.根据权利要求1所述的方法，其中位于基本圆柱形的大锭块的中间高度h/2处的直径与炉底的距离在H/2-H/4和H/2+H/4之间。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中基本圆柱形的大锭块具有一个中心开口(111)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中基本圆柱形的大锭块在装载步骤中通过插入所述开口(111)的搬运工具(3)进行搬运。

5.制造半成品(100、101)的方法，所述半成品例如轧制板、挤出坯、锻造块，铸块或大锭块，其特征在于包括：

-根据权利要求1至4中任一项所述的熔融方法获得任选地进行成分调整的液态金属熔池；

-任选地过滤和/或处理所述液态金属(2)；

-通过浇铸所述液态金属形成所述半成品(100、101)。

6.根据权利要求5所述的制造半成品的方法，其中至少60％的装料来自重熔金属。

7.适于熔融的高度为h且最大直径为d的基本圆柱形的铝制大锭块。

8.根据权利要求7所述的大锭块，其具有至少两个支脚(113)。

9.根据权利要求7或8所述的大锭块，其中基本圆柱形的大锭块在端部被至少一个直径(114)截断。

10.用于浇铸高度为h且最大直径为d的基本圆柱形的铝制大锭块的模具(4)。

11.根据权利要求10所述的模具，其包含用于制造开口(111)的镂空的中心尖端(411)。

12.根据权利要求11所述的模具，其中用于制造开口(111)的中心尖端(411)是可拆卸的。