1 前言

鋁擠壓模具是鋁材生產過程中的關鍵部件，當鋁擠壓機臺使用后卸下模具，存在一定量的廢鋁堵塞在鋁型材模具孔中，影響鋁擠模具的返修和再次使用。煲模工序是將鋁擠壓模具用起重機吊入裝有氫氧化鈉溶液的堿槽內，待粘附在模具孔中的廢鋁部分溶解后，把模具清洗干凈并敲出廢鋁，再將清理后的模具進行返修或重新投入使用。鋁擠壓模具的煲模過程中會產生含堿、含鋁的廢液。

2 煲模現狀

鋁擠壓模具煲模工序是將模具浸沒到氫氧化鈉溶液中，氫氧化鈉溶液會把鋁合金溶解，因此，使模具變得干凈，便于再次使用。但是氫氧化鈉溶液里會很快富集溶解的鋁，在繼續溶解更多鋁時，其溶解能力下降直至完全喪失，因此氫氧化鈉溶液必須頻繁地進行更換 [1]。

煲模過程中，模具孔中的廢鋁在氫氧化鈉溶液中發生以下化學反應：

去掉鋁的自然氧化膜：Al2O3+2NaOH==2NaAlO2+H2O(g)↑（水蒸氣）

溶解鋁：2Al+2NaOH+2H2O==2NaAlO2 +3H2↑

溶液分解：NaAlO2+2H2O==Al(OH)3↓+NaOH

在實際生產中，煲模工序的氫氧化鈉質量濃度約為200g/L～300g/L（質量分數約為16.7%～23.1%），煲模溫度峰值可達到100℃，煲模時間視模具的具體情況而定（模具種類、模具大小、模具是否急用等）。煲模工人在日常生產操作中，主要存在以下幾點問題：（1）無組織無計劃地添加氫氧化鈉，氫氧化鈉消耗量大；（2）憑借經驗更換氫氧化鈉溶液，浪費嚴重；（3）為圖省事，延長煲模時間。

年產量20萬噸鋁材企業，煲模工序中消耗氫氧化鈉約2000噸，產生含堿、含鋁的煲模廢液約8000噸。煲模工序消耗大量的氫氧化鈉，處理大量的煲模廢液還需消耗大量的酸液。

3 試驗探究

根據對煲模工序實際生產情況的觀察和了解，結合煲模工序所發生的化學反應，對煲模效率影響較大的因素主要有煲模時間、氫氧化鈉濃度和煲模溫度。因此，主要從這三點因素進行試驗，并探究煲模廢液中各物質濃度的變化情況。

3.1 反應時間對溶解鋁金屬的影響

取7支圓柱狀小鋁棒（直徑D=21mm，長度L=100mm），重量為92.3±0.1g，配備7份500mL氫氧化鈉質量濃度均為300g/L的氫氧化鈉溶液。將鋁棒分別置于氫氧化鈉溶液中，分別放置1、2、3、4、5、6、12小時。到達目標時間后，測定溶液的總堿濃度、游離氫氧化鈉濃度、鋁離子濃度和溶液溫度。取出鋁棒，用濾紙輕擦干凈后，稱取鋁棒重量。

試驗現象具體如下：（1）鋁棒表面有氣泡冒出，氣泡初期逐漸增加，一段時間后逐漸減少；（2）溶液反應放出熱量，溶液初期逐漸升溫至沸騰，一段時間后停止沸騰；（3）溶液顏色由白色逐漸變為灰色，隨著反應時間的增加，溶液顏色加深并變得更加混濁；（4）溶液的液位逐漸下降；（5）溶液底部生成灰黑色沉淀物，并逐漸增加。

試驗數據如表1所示：

注：7支鋁棒的初始重量依次為92.25g、92.33g、92.20g、92.28g、92.35g、92.31g、92.32g，平均重量為92.29g。

圖1  煮模煲模反應時間對溶液中各物質濃度的影響

由圖1可知，隨著反應時間的增加，總堿濃度不斷增加。這是因為鋁與氫氧化鈉溶液反應生成偏鋁酸鈉，偏鋁酸根發生水解：AlO2-+2H2O Al(OH)3+OH-，使得溶液呈強堿性，加上溶液中含有未消耗的氫氧化鈉，所以總堿濃度不斷增加。隨著反應時間的增加，游離氫氧化鈉濃度逐漸減少，鋁離子濃度逐漸增加，當反應約3小時后，游離氫氧化鈉濃度和鋁離子濃度的變化趨于平穩。這是因為隨著反應時間的增加，氫氧化鈉溶液里富集溶解的鋁越來越多，鋁離子濃度上升，再繼續溶解更多鋁時，氫氧化鈉溶液的溶解能力逐漸下降，所以游離氫氧化鈉濃度和鋁離子濃度變化的速度逐漸下降。

圖2 反應時間對溶液溫度和鋁棒減少重量的影響

由圖2可知，當鋁棒與氫氧化鈉溶液接觸后，溶液溫度上升。這是因為氫氧化鈉溶于水是放熱的物理反應，鋁與氫氧化鈉溶液反應是放熱的化學反應，使得溶液溫度上升至沸騰，然后溫度逐漸下降。隨著反應時間的增加，鋁棒重量逐漸減少，當反應約3小時后，鋁棒重量的變化趨于平穩。這是因為隨著反應時間的增加，氫氧化鈉溶液的溶解能力逐漸下降，所以鋁棒與氫氧化鈉溶液反應的速度逐漸下降。

結合圖1圖2分析，反應開始約3小時內，鋁棒與氫氧化鈉溶液反應的速度較快；反應約3小時后，鋁棒與氫氧化鈉溶液反應的速度較慢，與反應開始約3小時內鋁棒與氫氧化鈉溶液反應的速度對比，下降幅度明顯。結合實際生產情況考慮，煲模時間控制在3小時左右，煲模效率較高，延長煲模時間對廢鋁的溶解效果不明顯。

3.2  氫氧化鈉濃度對溶解鋁金屬的影響

取5支圓柱狀小鋁棒（直徑D=21mm，長度L=100mm），重量為92.3±0.1g，配備5份500mL氫氧化鈉質量濃度依次為210g/L、240g/L、270g/L、300g/L、330g/L的氫氧化鈉溶液，取5支鋁棒分別置于氫氧化鈉溶液中，立刻用記號筆在燒杯壁上的液面高度處作標記。每間隔1小時，取出鋁棒，用濾紙輕擦干凈后，稱取鋁棒重量。然后將鋁棒重新置于氫氧化鈉溶液中，加入室溫的自來水至標記處。

鋁棒重量如表2所示：

圖3  氫氧化鈉濃度對鋁棒減少重量的影響

由圖3可知，氫氧化鈉濃度越高，鋁棒重量的減少速度越快。由反應時間對溶解鋁金屬的影響可知，反應時間控制在3小時左右，溶解鋁金屬的效率較高。當反應時間為3小時的時候，上述濃度為210g/L、240g/L、270g/L、300g/L、330g/L的5支鋁棒減少重量依次為26.84g、37.82g、42.19g、49.91g、53.63g。取相鄰濃度的反應3小時的鋁棒減少重量相減，取絕對值，依次為：10.98g、4.37g、7.72g、3.72g。當反應時間為3小時的時候，240g/L濃度的氫氧化鈉溶液的鋁棒減少重量，對比210g/L濃度的氫氧化鈉溶液的鋁棒減少重量提升較大（10.98g），因此，建議采用濃度≥240g/L的氫氧化鈉溶液進行溶解鋁金屬；當反應時間為3小時的時候，330g/L濃度的氫氧化鈉溶液的鋁棒減少重量，對比300g/L濃度的氫氧化鈉溶液的鋁棒減少重量提升較小（3.72g），因此，建議采用濃度≤300g/L的氫氧化鈉溶液進行溶解鋁金屬。實際生產中，衡量廢鋁的溶解速度與生產成本，建議采用質量濃度為240g/L～300g/L的氫氧化鈉溶液進行煲模。

3.3  反應溫度對溶解鋁金屬的影響

取2支圓柱狀小鋁棒（直徑D=21mm，長度L=100mm），重量為92.3±0.1g，配備2份500mL氫氧化鈉質量濃度分別為150g/L、300g/L的氫氧化鈉溶液，將燒杯置于恒溫水浴加熱裝置中，設定溫度為90℃。取2支鋁棒分別置于氫氧化鈉溶液中，立刻用記號筆在燒杯壁上的液面高度處作標記。每間隔1小時，取出鋁棒，用濾紙輕擦干凈后，稱取鋁棒重量。然后將鋁棒重新置于氫氧化鈉溶液中，加入室溫的自來水至標記處。

鋁棒重量如表3所示：

圖4  反應溫度對鋁棒減少重量的影響

由圖4可知，提高氫氧化鈉溶液的溫度，鋁棒重量的減少速度明顯加快。低濃度的氫氧化鈉溶液升溫后，其鋁棒重量的減少速度可以在一定程度上，達到高濃度的氫氧化鈉溶液室溫下鋁棒重量的減少速度。鋁棒重量的減少速度加快的同時，水分蒸發速度也加快。實際生產中，可對煲模堿槽進行適當加熱，同時要注意及時補水體，避免氫氧化鈉溶液液位低于模具，從而影響煲模效率。補充水體時，應綜合考慮成本，盡可能補加其它工序生產時產生的高溫水體，能進一步加快廢鋁的溶解速度。

4  結語
       本文介紹了鋁擠壓模具煲模工序的現狀，針對煲模消耗大量氫氧化鈉的情況，進行試驗分析和對比，探討能夠提高效率和節約成本的方案。

（1）煲模進行一段時間后，氫氧化鈉溶液里富集溶解的鋁越來越多，再繼續溶解更多鋁時，氫氧化鈉溶液的溶解能力逐漸下降。煲模時間控制在3小時左右，煲模效率較高，延長煲模時間對廢鋁的溶解效果不明顯。

（2）氫氧化鈉濃度越高，煲模速度越快。衡量廢鋁的溶解速度與鋁型材生產成本，建議采用質量濃度為240g/L～300g/L的氫氧化鈉溶液進行煲模。

（3）升溫有利于提高煲模速度，但是水分蒸發速度也加快。可對煲模堿槽進行適當加熱，同時要注意及時補水體。補充水體時，應綜合考慮成本，盡可能補加其它工序生產時產生的高溫水體。

（4）合理節省氫氧化鈉的使用量，提高煲模的效率，減少煲模廢液的產生，將會給鋁型材企業帶來巨大的經濟效益和環境效益。