废铝再生因具有资源循环、节能减排、原料成本低和生产周期短等优点受到铝合金熔铸行业的普遍关注,因此研究和开发废杂铝再生工艺和设备,进一步提高废杂铝再生过程的能源利用率和铸件质量将具有重要的经济和社会价值。本文主要研究废杂铝再生过程工艺参数与能源利用率、熔体质量的关系,建立铝合金熔铸的工艺能效模型,制定出一条高能效的废杂铝再生工艺流程,提出再生铝合金质量控制和预报的方法,促进废杂铝再生工业绿色生产和质量升级。针对当前铝合金熔铸行业缺乏评价能源利用率的统一指标的问题,本文提出了一种同时考虑能量流和物质流更具有科学性的工艺能效概念,表征为消耗单位能量所产出的合格品质量。为了解决熔铸过程全流程的复杂性,将其拆解为熔化、合金化、精炼和变质四个主要工序,并分别建立了它们的工序能效计算模型。每个工序的耗能事件均包括物料熔化吸热、均匀化耗能、炉体散热、烟气散热、炉门散热、炉用工具吸热、炉渣耗能和气体溶解热。通过对各工序的耗能事件进行分析发现,主要耗能项依次是烟气散热、物料熔化吸热和炉门散热,三项总计占全流程总能耗的90%以上。定义了能效敏感度,并以此来衡量各工序能效对总工艺能效的影响程度。研究表明,熔化工序和合金化工序对总工艺能效的影响更显著,它们的能效敏感度分别达到了 83.58%和12.09%。采用理论和试验相结合的方法,研究了各工序工艺参数对工序能效的影响规律。结果表明,熔化工序的工艺参数对能耗影响程度由大到小依次为炉气温度、熔炼温度、炉门开启时间和熔炼时间,它们对熔化工序能效的影响规律均可近似看作线性影响规律。分析了合金化物料种类、质量和烧损率对合金化工序能效的影响规律,得出“宁补料不冲淡、尽量不补硅”的合金化调整原则。最后以新型双室炉为熔炼设备,制定了具有提高能效约40%且可大量处理废杂料的新熔铸工艺。该工艺具有通过炉前配料和转炉配料实现精准配料、浸溶式连续熔化、固体原料在线检测、化学成分零调整、化学成分与气渣含量同步检测等先进特点,显著缩短了熔炼时间,提高了能源利用率。为了实现化学成分的精准调控,对铝合金化学成分进行了数字化表征。根据化学成分要求特点设定了优、良、合格、差四个等级,并制定了“差等级隶属度非零项”和“隶属度最大”相结合的原则对铝合金化学成分等级进行评定。然后利用修正后的模糊预控模型并结合废杂原料在线检测技术建立了熔化炉合金液化学成分优化控制方案,实例验证表明该方案对控制熔化炉合金液的化学成分具有良好效果。实验研究了以废杂铝为原料再生A356铝合金熔炼过程中典型化学成分的变化规律。当熔炼温度恒定时,随着保温时间的延长,Mg含量呈直线下降规律变化,Fe含量呈直线上升规律变化,Sr、Ca含量均呈逐渐减小的Exp3P2规律变化。基于这些实验规律,建立了合金元素和微量元素的含量预报模型,经生产验证预报误差均小于10%。研究了以废杂铝为原料再生A356铝合金微观组织与工艺参数之间的相关关系。结果表明,在保温初期α-Al平均晶粒尺寸均随保温时间延长而减小,且熔炼温度越高晶粒细化速率越快。当保温时间超过3h后,640℃保温的α-Al平均晶粒尺寸继续减小,其他更高熔炼温度保温的平均晶粒尺寸呈现上升趋势,且熔炼温度越高,晶粒粗化程度越严重;α-Al枝晶的二次枝晶臂间距在低温熔炼时随保温时间无明显变化,在高温熔炼时随保温时间延长逐渐减小;共晶硅形貌随着保温时间的延长表现出由细纤维状向片层状转化的劣化变质效果趋势,且熔炼温度越高,变质劣化保温时间越短。共晶硅尺寸在720℃保温过程中呈先减小后增大的规律,其演变机制可用共晶硅溶解及团簇分解理论和化学元素对共晶硅形核的影响进行解释。采用Matlab语言中的GUI功能,将上述研究结果程序化,得到了铝合金熔铸过程能效分析和质量预报软件。该软件具有铝合金熔铸过程能效分析与质量预报两大功能,适用于天然气蓄热炉熔炼铝合金的能效分析以及亚共晶铝硅合金中镁、铁、锶、钙四种元素含量的预报,并且设置了其他牌号铝合金任意元素的含量预报和显微组织预报的程序接口,用于质量预报功能的拓展。