一、概述
鋁電解槽中生產出的原鋁，在質量上相差較大。另外，還含有一些金屬雜質，氣體和非金屬固態夾雜物。鋁錠鑄造的任務是提高低品位鋁液的利用率，并盡可能除去其中的雜質。原鋁中的雜質可分為以下三類：第一類是金屬元素，如鐵、硅、銅、鈣、鎂、鈦、釩、硼、鎳、鋅、鎵、錫、鉛、磷等，其中主要元素是鐵和硅;第二類是非金屑固態夾雜物，Al2O3，AlN和Al4C3;第三類是氣體，H2，CO2，CO，CH4，N2，其中主要的是H2。在660C下，100g鋁液中大約溶解0.2cm3的氫氣。氣體在鋁液中的溶解度隨溫度升高而增加。從電解槽吸出的鋁液，都要經過凈化處理，清除掉一部分雜質，然后鑄成商品鋁錠(99.85%A1)。含99.996%Al純鋁(鋁絲φ2mm，硬拔者)，電阻率為2.668×10-8Ω·m。純鋁中如有雜質元素，則電阻率增大。.影響最大者為鉻、釩、錳、鋰、鈦。影響較小者為銦、鉛、鋅、鎘、錫、鈹、鐵。
1.鋁中雜質元素的平衡
用拜耳法從鋁土礦生產出的工業氧化鋁中，雜質的含量相對于原料鋁土礦來說大為減少。除了從堿液中帶來的堿以外，雜質元素的分析值總量通常少于1%。其中主要雜質是SiO2和Fe2O3。除了氧化鋁給電解槽帶來雜質外，炭陽極和熔劑冰晶石也帶來不少雜質。炭陽極帶來的雜質主要是鐵和硅，冰晶石也是這樣。
如果原料的雜質元素全部析出在原鋁里，則所得鋁的品位只有99.7%Al。然而，實際生產出來的鋁卻具有較高的品位99.8%Al。這種差別主要是由于雜質元素的蒸發造成的。鐵、鈦、磷、鋅和鎵從氧化鋁來的占多數，而硅和釩則從炭陽極來的占多數。從熔劑來的雜質元素，以磷為多，約占磷總量的20%，其余硅、鐵，鈦和釩都很少。
平衡表的支出，硅和鐵都超過了從原料帶來的數量，其中硅超過60%左右，鐵超過37%左右。電解槽的內襯材料，例如高灰分的槽底炭塊和炭糊以及耐火材料，是這些雜質元素的另一個重要來源。此外，由于操作工具和陰極鋼棒遭受侵蝕，使鐵也進入了平衡。其余幾種元素，收支接近平衡。
支出分配在原鋁和廢氣中的雜質元素量是不一樣的。蒸發量最大的是磷，占收入總量的72%，釩占64.4%，鐵占62.4%，鈦占57.7%，鎵占49.6%，鋅占19.7%。最小的是硅，僅占收入總量的13.3%。之所以如此，原因是：①硅和鋅在電解質里以比較難蒸發甚至不蒸發的化合物形態存在，倒如SiO2，ZnO或ZnF2。硅和鋅明顯地積累在鋁液里。鋁液被硅和鋅污染的程度，主要是由物料平衡中供入的硅化合物和鋅化合物總量來決定的。在這種情形下，槽罩的收集效率無關緊要。②鐵、鎵、鈦和鎳至少部分地以揮發性化合物的形態存在于體系中。這些化合物大概是在進入電解質之后才生成的。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，則會在一定程度上影響鋁的質量。③釩和磷只以揮發性化合物形態存在。可能的化合物，首先是氟化物(VF3和PF3)和五氧化二磷(P2O5)。由于電解質中磷含量升高會影響電流效率，而鋁中釩量增多則會減小鋁的導電性能，所以可以預料到提高槽罩的收集效率會對原鋁質量以及最佳生產效果方面帶來損害。
2.鋁錠的分類
鋁錠按成分不同分重熔用鋁錠、高純鋁錠和鋁合金錠三種：按形狀和尺寸又可分為條錠、圓錠、板錠、T形錠等幾種，下面是幾種常見的鋁錠;
重熔用鋁錠--15kg，20kg(≤99.80%Al)：
T形鋁錠--500kg，1000kg(≤99.80%Al)：
高純鋁錠--l0kg，15kg(99.90%～99.999%Al);
鋁合金錠--10kg，15kg(Al--Si，Al--Cu，Al--Mg);
板錠--500～1000kg(制板用);
圓錠--30～60kg(拉絲用)。
3.鋁錠鑄造工藝流程
出鋁—扒渣—檢斤—配料—裝爐—精練—澆鑄—重熔用鋁錠—成品檢查—成品檢斤—入庫
出鋁—扒渣—檢斤—配料—裝爐—精練—澆鑄—合金錠—鑄造合金錠—成品檢查—成品檢斤—入庫
二、原鋁凈化
從電解槽吸出的鋁液中含有各種雜質，因此鑄造之前需要進行凈化。工業上主要采用澄清、熔劑、氣體等凈化方法，也有的試用定向凝固和過濾方法進行凈化。
1.熔劑凈化
熔劑凈化是利用加入鋁液中的熔劑形成大量的細微液滴，使鋁液中的氧化物被這些液滴濕潤吸附和溶解，組成新的液滴升到表面，冷卻后形成浮渣除去。
凈化用的熔劑選用熔點低、密度小，表面張力小、活性大、對氧化渣有很強吸附能力的鹽組成。使用時，先將小塊熔劑裝入鐵籠里，再插入混合爐底部來回攪動，至熔劑化完后取出鐵籠，靜止5～10min。撈出表面浮渣即可澆鑄。根據需要也可將熔劑撤在表面上起覆蓋作用。
2.氣體凈化
氣體凈化是一種主要的原鋁凈化法，所用氣體是氯氣、氮氣或氯氮混合氣體。
(1)氯氣凈化。以前采用活性氣體氯氣作凈化劑(氯化法)。在氯化法中，把氯氣通入鋁液內時生成很多異常細小的AlCl3，氣泡，充分地混合在鋁液內。溶解在鋁液中的氫，以及一些機械夾雜物便吸附在AlCl3氣泡上，隨著AlCl3氣泡上升到鋁液表面而排出。通入氯氣時還能使某些比鋁更加負電性的元素氯化，如鈣、鈉、鎂等均因通入氯氣而生成相應的氯化物，得以分離出來。所以氯化法是一種非常有效的原鋁凈化法。氯氣用量為每噸鋁500-700g。但因為氧氣有毒而且比較貴重，為了避免空氣被污染和降低鋁錠生產的成本，故在現代鋁工業上已逐漸廢去了氯化法改成惰性氣體--氮氣凈化法。
(2)氮氣凈化法。又稱為無煙連續凈化法，用氧化鋁球(418mm)作過濾介質。N2直接通入鋁液內。鋁液連續送入凈化爐內，通過氧化鋁球過濾層，并受到氮氣的沖洗，于是鋁液中的非金屬夾雜物以及溶解的氫得以清除，然后連續排出，從而使細微的氮氣泡均勻分布在受處理的鋁液內起到凈化的作用。氮氣對大氣無污染，且凈化處理量大，每分鐘可處理200～600kg鋁液，凈化過程中造成的鋁損失量相對減少，故現在廣泛應用。但它不象氯氣那樣能夠清除鋁液中的鈣、鈉、鎂。
(3)混合氣體凈化法。采用氯氣和氮氣的混合物來凈化鋁液，其作用是一方面脫去氫氣和分離氧化物，另一方面清除鋁中某些金屬雜質(如鎂)，常用的組成是90%氮氣+10%氯氣。也有采用10%氯氣+10%二氧化碳+80%氮氣。這樣效果更好，二氧化碳能使氯氣與氮氣很好的擴散，可縮短操作時間。
四、鑄錠工藝
現在鋁錠鑄造工藝一般采用澆鑄工藝，就是把鋁液直接澆到模子里，待其冷卻后取出。
產品質量的好壞主要在這一步驟，而且整個鑄造工藝，也是以這一過程為主。鑄造過程是一個由液態鋁冷卻、結晶成為固體鋁錠的物理過程。
1.連續澆鑄
連續澆鑄可分為混合爐澆鑄和外鑄兩種方式。均使用連續鑄造機。混合爐澆鑄是將鋁液裝入混合爐后，由混合爐進行澆鑄，主要用于生產重熔用鋁錠和鑄造合金。外鑄是由抬包直接向鑄造機澆鑄，主要是在鑄造設備不能滿足生產，或來料質量太差不能直接入爐的情況下使用。由于無外加熱源，所以要求抬包具有一定的溫度，一般夏季在690～740℃，冬季在700～760℃，以保證鋁錠獲得較好的外觀。
混合爐澆鑄，首先要經過配料，然后倒人混合爐中，攪拌均勻，再加入熔劑進行精煉。澆鑄合金錠必須澄清30min以上，澄清后扒渣即可澆鑄。澆鑄時，混合爐的爐眼對準鑄造機的第二、第三個鑄模，這樣可保證液流發生變化和換模時有一定的機動性。爐眼和鑄造機用流槽聯接，流槽短一些較好，這樣可以減少鋁的氧化，避免造成渦旋和飛濺，鑄造機停用48h以上時，重新啟動前，要將鑄模預熱4h。鋁液經流槽流入鑄模中，用鐵鏟將鋁液表面的氧化膜除去，稱為扒渣。流滿一模后，將流槽移向下一個鑄模，鑄造機是連續前進的。鑄模依次前進，鋁液逐漸冷卻，到達鑄造機中部時鋁液已經凝固成鋁錠，由打印機打上熔煉號。當鋁錠到達鑄造機頂端時，已經完全凝固成鋁錠，此時鑄模翻轉，鋁錠脫模而出，落在自動接錠小車上，由堆垛機自動堆垛、打捆即成為成品鋁錠。鑄造機由噴水冷卻，但必須在鑄造機開動轉滿一圈后方可給水。每噸鋁液大約消耗8-10t水，夏季還需附吹風進行表面冷卻。鑄錠屬于平模澆鑄，鋁液的凝固方向是自下而上的，上部中間最后凝固，留下一條溝形縮陷。鋁錠各部位的凝固時間和條件不盡相同，因而其化學成分也將各異，但其整體上是符合標準的。
重熔用鋁錠常見的缺陷有：①氣孔。主要是由于澆鑄溫度過高，鋁液中含氣較多，鋁錠表面氣孔(針孔)多，表面發暗，嚴重時產生熱裂紋。②夾渣。主要是由于一是打渣不凈，造成表面夾渣;二是鋁液溫度過低，造成內部夾渣。③波紋和飛邊。主要是操作不精細，鋁錠做的太大，或者是澆鑄機運行不平穩造成。④裂紋。冷裂紋主要是澆鑄溫度過低，致使鋁錠結晶不致密，造成疏松甚而裂紋。熱裂紋則由澆鑄溫度偏高引起。⑤成分偏析。主要是鑄造合金時攪拌不均勻引起的。
2.豎式半連續鑄造
豎式半連續鑄造主要用于鋁線錠、板錠以及供加工型材用的各種變形合金的生產。鋁液經配料后倒入混合爐，由于電線的特殊要求，鑄造前需加入中間合盤Al-B脫出鋁液中的鈦、釩(線錠);板錠需加入Al-Ti--B合金(Ti5%B1%)進行細化處理。使表面組織細密化。高鎂合金加2#精煉劑，用量5%，攪拌均勻，靜置30min后扒去浮渣，即可澆鑄。澆鑄前先將鑄造機底盤升起，用壓縮空氣吹凈底盤上的水分。再把底盤上升入結晶器內，往結晶器內壁涂抹一層潤滑油，向水套內放些冷卻水，將干燥預熱過的分配盤、自動調節塞和流槽放好，使分配盤每個口位于結晶器的中心。澆鑄開始時，用手壓住自動調節塞，堵住流嘴，切開混合爐爐眼，讓鋁液經流槽流入分配盤，待鋁液在分配盤內達到2/5時，放開自動調節塞，使鋁液流進結晶器中，鋁液即在底盤上冷卻。當鋁液在結晶器內達到30mm高時即可下降底盤，并開始送冷卻水，自動調節塞控制鋁液均衡地流入結晶器中，并保持結晶器內的鋁液高度不變。對鋁液表面的浮渣和氧化膜要及時清除。鋁錠長度約為6m時，堵住爐眼，取走分配盤，待鋁液全部凝固后停止送水，移走水套，用單軌吊車將鑄成的鋁錠取出，在鋸床上按要求的尺寸鋸斷，然后準備下一次澆鑄。
澆鑄時，混合爐中鋁液溫度保持在690～7l0℃，分配盤中的鋁液溫度保持在685-690℃，鑄造速度為190～21Omm/min，冷卻水壓為0.147～0.196MPa。鑄造速度與截面為正方形的線錠成比例關系：
VD=K
式中V為鑄造速度，mm/min或m/h;D為錠截面邊長，mm或m;K為常值，m2/h，一般為1.2～1.5。
豎式半連續鑄造是順序結晶法，鋁液進入鑄孔后，開始在底盤上及結晶器內壁上結晶，由于中心與邊部冷卻條件不同，因此結晶形成中間低、周邊高的形式。底盤以不變速度下降。同時上部不斷注入鋁液，這樣在固體鋁與液體鋁之間有一個半凝固區.由于鋁液在冷凝時要收縮，加上結晶器內壁有一層潤滑油，隨著底盤的下降，凝固的鋁退出結晶器，在結晶器下部還有一圈冷卻水眼，冷卻水可以噴到已脫出的鋁錠表面，為二次冷卻，一直到整根線錠鑄完為止。
順序結晶可以建立比較滿意的凝固條件，對于結晶的粒度、機械性能和電導率都較有利。比種鑄錠其高度方向上沒有機械性能上的差別，偏析也較小，冷卻速度較快，可以獲得很細的結晶組織。
鋁線錠表面應平整光滑，無夾渣、裂紋、氣孔等，表面裂紋長度不大于1.5mm，表面的渣子和棱部皺紋裂痕深度不許超過2mm，斷面不應有裂紋、氣孔和夾渣，小于lmm的夾渣不多于5處。
鋁線錠的缺陷主要有：①裂紋。產生的原因是鋁液溫度過高，速度過快，增加了殘余應力;鋁液中含硅大于0.8%，生成鋁硅同熔體，再生成一定的游離硅，增加了金屬的熱裂性：或冷卻水量不足。在結晶器表面粗糙或沒有使用潤滑油時，錠的表面和角部也會產生裂紋。②夾渣。鋁線錠表面夾渣是由于鋁液波動、鋁液表面的氧化膜破裂、表面的浮渣進入鑄錠的側面造成。有時潤滑油也可帶入一些夾渣。內部夾渣是由于鋁液溫度過低、粘度較大、渣子不能及時浮起或澆鑄時鋁液面頻繁變動造成。③冷隔。形成冷隔主要是由于結晶器內鋁液水平波動過大，澆鑄溫度偏低，鑄錠速度過慢或鑄造機震動、下降不均而引起的④氣孔。這里所說的氣孔是指直徑小于1mm的小氣孔。其產生的原因是澆鑄溫度過高，冷凝過快，使鋁液中所含氣體不能及時逸出，凝固后聚集成小氣泡留在鑄錠中形成氣孔。⑤表面粗糙。由于結晶器內壁不光滑，潤滑效果不好，嚴重時形成晶體表面的鋁瘤。或由于鐵硅比太大，冷卻不均產生的偏析現象。⑥漏鋁和重析。主要是操作問題，嚴重的也造成瘤晶。
3.鑄錠質量的保證
(1)重熔用鋁錠。鑄錠過程中最重要的技術條件是澆鑄溫度，在澆鑄過程中必須嚴格控制澆鑄溫度，一般高于鋁液凝固溫度30～50℃。
(2)線錠。線錠的澆鑄略為復雜，需控制的條件有鑄錠速度。鑄錠速度與鑄錠直徑有關。其澆鑄溫度保持680～690℃，冷卻水壓為0.147～0.196MPa，結晶器內壁鋁液水平控制在30mm左右。控制好以上條件，并加強操作管理，即可獲得較好的質量。
