技术丨关于铝型材挤压模具煲模工艺的研究分析与计算

铝挤压模具是铝材生产过程中的关键部件，当铝挤压机台使用后卸下模具，存在一定量的废铝堵塞在铝型材模具孔中，影响铝挤模具的返修和再次使用。煲模工序是将铝挤压模具用起重机吊入装有氢氧化钠溶液的碱槽内，待粘附在模具孔中的废铝部分溶解后，把模具清洗干净并敲出废铝，再将清理后的模具进行返修或重新投入使用。铝挤压模具的煲模过程中会产生含碱、含铝的废液。

铝挤压模具煲模工序是将模具浸没到氢氧化钠溶液中，氢氧化钠溶液会把铝合金溶解，因此，使模具变得干净，便于再次使用。但是氢氧化钠溶液里会很快富集溶解的铝，在继续溶解更多铝时，其溶解能力下降直至完全丧失，因此氢氧化钠溶液必须频繁地进行更换 [1]。

煲模过程中，模具孔中的废铝在氢氧化钠溶液中发生以下化学反应：

去掉铝的自然氧化膜：Al₂O₃+2NaOH==2NaAlO₂+H₂O(g)↑（水蒸气） 

溶解铝：2Al+2NaOH+2H₂O==2NaAlO₂ +3H₂↑ 

溶液分解：NaAlO₂+2H₂O==Al(OH)₃↓+NaOH

在实际生产中，煲模工序的氢氧化钠质量浓度约为200g/L～300g/L（质量分数约为16.7%～23.1%），煲模温度峰值可达到100℃，煲模时间视模具的具体情况而定（模具种类、模具大小、模具是否急用等）。煲模工人在日常生产操作中，主要存在以下几点问题：（1）无组织无计划地添加氢氧化钠，氢氧化钠消耗量大；（2）凭借经验更换氢氧化钠溶液，浪费严重；（3）为图省事，延长煲模时间。

年产量20万吨铝材企业，煲模工序中消耗氢氧化钠约2000吨，产生含碱、含铝的煲模废液约8000吨。煲模工序消耗大量的氢氧化钠，处理大量的煲模废液还需消耗大量的酸液。

根据对煲模工序实际生产情况的观察和了解，结合煲模工序所发生的化学反应，对煲模效率影响较大的因素主要有煲模时间、氢氧化钠浓度和煲模温度。因此，主要从这三点因素进行试验，并探究煲模废液中各物质浓度的变化情况。

取7支圆柱状小铝棒（直径D=21mm，长度L=100mm），重量为92.3±0.1g，配备7份500mL氢氧化钠质量浓度均为300g/L的氢氧化钠溶液。将铝棒分别置于氢氧化钠溶液中，分别放置1、2、3、4、5、6、12小时。到达目标时间后，测定溶液的总碱浓度、游离氢氧化钠浓度、铝离子浓度和溶液温度。取出铝棒，用滤纸轻擦干净后，称取铝棒重量。

试验现象具体如下：（1）铝棒表面有气泡冒出，气泡初期逐渐增加，一段时间后逐渐减少；（2）溶液反应放出热量，溶液初期逐渐升温至沸腾，一段时间后停止沸腾；（3）溶液颜色由白色逐渐变为灰色，随着反应时间的增加，溶液颜色加深并变得更加混浊；（4）溶液的液位逐渐下降；（5）溶液底部生成灰黑色沉淀物，并逐渐增加。

试验数据如表1所示：

注：7支铝棒的初始重量依次为92.25g、92.33g、92.20g、92.28g、92.35g、92.31g、92.32g，平均重量为92.29g。

图1 反应时间对溶液中各物质浓度的影响

由图1可知，随着反应时间的增加，总碱浓度不断增加。这是因为铝与氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠，偏铝酸根发生水解：AlO^2-+2H₂O Al(OH)₃+OH^- ，使得溶液呈强碱性，加上溶液中含有未消耗的氢氧化钠，所以总碱浓度不断增加。

随着反应时间的增加，游离氢氧化钠浓度逐渐减少，铝离子浓度逐渐增加，当反应约3小时后，游离氢氧化钠浓度和铝离子浓度的变化趋于平稳。这是因为随着反应时间的增加，氢氧化钠溶液里富集溶解的铝越来越多，铝离子浓度上升，再继续溶解更多铝时，氢氧化钠溶液的溶解能力逐渐下降，所以游离氢氧化钠浓度和铝离子浓度变化的速度逐渐下降。

图2 反应时间对溶液温度和铝棒减少重量的影响

由图2可知，当铝棒与氢氧化钠溶液接触后，溶液温度上升。这是因为氢氧化钠溶于水是放热的物理反应，铝与氢氧化钠溶液反应是放热的化学反应，使得溶液温度上升至沸腾，然后温度逐渐下降。随着反应时间的增加，铝棒重量逐渐减少，当反应约3小时后，铝棒重量的变化趋于平稳。这是因为随着反应时间的增加，氢氧化钠溶液的溶解能力逐渐下降，所以铝棒与氢氧化钠溶液反应的速度逐渐下降。

结合图1、图2分析，反应开始约3小时内，铝棒与氢氧化钠溶液反应的速度较快；反应约3小时后，铝棒与氢氧化钠溶液反应的速度较慢，与反应开始约3小时内铝棒与氢氧化钠溶液反应的速度对比，下降幅度明显。结合实际生产情况考虑，煲模时间控制在3小时左右，煲模效率较高，延长煲模时间对废铝的溶解效果不明显。

3.2 氢氧化钠浓度对溶解铝金属的影响

取5支圆柱状小铝棒（直径D=21mm，长度L=100mm），重量为92.3±0.1g，配备5份500mL氢氧化钠质量浓度依次为210g/L、240g/L、270g/L、300g/L、330g/L的氢氧化钠溶液，取5支铝棒分别置于氢氧化钠溶液中，立刻用记号笔在烧杯壁上的液面高度处作标记。每间隔1小时，取出铝棒，用滤纸轻擦干净后，称取铝棒重量。然后将铝棒重新置于氢氧化钠溶液中，加入室温的自来水至标记处。

铝棒重量如表2所示：

图3 氢氧化钠浓度对铝棒减少重量的影响

由图3可知，氢氧化钠浓度越高，铝棒重量的减少速度越快。由反应时间对溶解铝金属的影响可知，反应时间控制在3小时左右，溶解铝金属的效率较高。

当反应时间为3小时的时候，上述浓度为210g/L、240g/L、270g/L、300g/L、330g/L的5支铝棒减少重量依次为26.84g、37.82g、42.19g、49.91g、53.63g。取相邻浓度的反应3小时的铝棒减少重量相减，取绝对值，依次为：10.98g、4.37g、7.72g、3.72g。

当反应时间为3小时的时候，240g/L浓度的氢氧化钠溶液的铝棒减少重量，对比210g/L浓度的氢氧化钠溶液的铝棒减少重量提升较大（10.98g），因此，建议采用浓度≥240g/L的氢氧化钠溶液进行溶解铝金属；当反应时间为3小时的时候，330g/L浓度的氢氧化钠溶液的铝棒减少重量，对比300g/L浓度的氢氧化钠溶液的铝棒减少重量提升较小（3.72g），因此，建议采用浓度≤300g/L的氢氧化钠溶液进行溶解铝金属。

实际生产中，衡量废铝的溶解速度与生产成本，建议采用质量浓度为240g/L～300g/L的氢氧化钠溶液进行煲模。

3.3 反应温度对溶解铝金属的影响

取2支圆柱状小铝棒（直径D=21mm，长度L=100mm），重量为92.3±0.1g，配备2份500mL氢氧化钠质量浓度分别为150g/L、300g/L的氢氧化钠溶液，将烧杯置于恒温水浴加热装置中，设定温度为90℃。取2支铝棒分别置于氢氧化钠溶液中，立刻用记号笔在烧杯壁上的液面高度处作标记。每间隔1小时，取出铝棒，用滤纸轻擦干净后，称取铝棒重量。然后将铝棒重新置于氢氧化钠溶液中，加入室温的自来水至标记处。

铝棒重量如表3所示：

图4 反应温度对铝棒减少重量的影响

由图4可知，提高氢氧化钠溶液的温度，铝棒重量的减少速度明显加快。低浓度的氢氧化钠溶液升温后，其铝棒重量的减少速度可以在一定程度上，达到高浓度的氢氧化钠溶液室温下铝棒重量的减少速度。铝棒重量的减少速度加快的同时，水分蒸发速度也加快。实际生产中，可对煲模碱槽进行适当加热，同时要注意及时补水体，避免氢氧化钠溶液液位低于模具，从而影响煲模效率。补充水体时，应综合考虑成本，尽可能补加其它工序生产时产生的高温水体，能进一步加快废铝的溶解速度。

（1）煲模进行一段时间后，氢氧化钠溶液里富集溶解的铝越来越多，再继续溶解更多铝时，氢氧化钠溶液的溶解能力逐渐下降。煲模时间控制在3小时左右，煲模效率较高，延长煲模时间对废铝的溶解效果不明显。

（2）氢氧化钠浓度越高，煲模速度越快。衡量废铝的溶解速度与铝型材生产成本，建议采用质量浓度为240g/L～300g/L的氢氧化钠溶液进行煲模。

（3）升温有利于提高煲模速度，但是水分蒸发速度也加快。可对煲模碱槽进行适当加热，同时要注意及时补水体。补充水体时，应综合考虑成本，尽可能补加其它工序生产时产生的高温水体。

（4）合理节省氢氧化钠的使用量，提高煲模的效率，减少煲模废液的产生，将会给铝型材企业带来巨大的经济效益和环境效益。

参考文献：

[1] 刘静安，刘红杰.铝挤压模具蚀洗及氢氧化钠的回收[J].轻合金加工技术,2008,36(7):31-35.

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