（材料加工工程专业论文）铝合金熔体旋转喷吹除气净化技术的研究.pdf

摘要 本文针对锚合金熔体除气净化方面存在的问题，对铝合金熔体旋转喷吹除 气净化工艺及其设备进行了研究。 首先，在理论上分析了铝合金熔体旋转喷吹除气净化过程，并用计算机模 拟了不同工艺因素条件下的熔体温度场和流场分布。 然后，在此基础上，对设备主体的各个组成部分进行了详细的分析与设计， 尤其对旋转喷吹组件的设计，提出了在转杆内部安装一条进气管道，降低管道 内部的温度，有效防止喷射熔刘因为高温变软丽堵塞喷头。对于铝合金熔体旋 转喷吹除气净化设备的气路系统，重点从气路系统的进气环节和调节环节进行 了设计研究，提出了利用数字组合阀的原理进行间断性地改变进气流量的设计 思路，可以在一定的旋转速度下，增加进气流量而不会引起铝合金熔体翻腾。 从硬件和软件方面对铝合金熔体旋转喷吹除气净化设备的先进控制技术方案进 行了研究。硬件方面重点利用西门子p l c 对控制系统各个组成环节控制原理与 方法进行了设计研究。软件方面采用西门予s 7 2 0 0 系列编程软件sr i e p 7 编写了 设备的控制软件。同时，充分考虑了设备的安全性和可靠性，设计了手动控制 和自动控制两种模式，在自动控制模式下设计了紧急停止，防止在紧急情况下， 后果进一步恶化。 最后，利用自行设计的铝合金熔体旋转喷吹除气净化设备，分别迸行了 c 0 2 - n a o h 和c 0 2 一c a ( o h ) ：水模拟试验，分析得到了最佳的工艺参数。 n 北i 业大学坝l 学位论文 本文对于商质餐铝合金熔休n 勺净化以及优质铝合金铸件的生产具有重要的 现实意义。 关键词：铝合金熔体净化，旋转喷吹，除气，p l c 控制，水模拟。 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ed e g a s s i n ga n dp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yo fm o l ，t e na l u m i n u m a l l o y sb yr o t a r yi m p e l l e ri si n v e s t i g a t e d ，a i m e d a tt h ee x i s t e n tp r o b l e m si nt h ea s p e c t o f t h ed e g a s s i n ga n dp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yo f m o l t e na l u m i n u ma l l o y s f i r s t l y , d e g a s s i n ga n dp u r i f i c a t i o np r o c e s so fm o l t e na l u m i n u ma l l o y sb yr o t a r y i m p e l l e ri sa n a l y z e di nt h e o r yb r i e f l y , a n dt e m p e r a t u r ef i e l da n df l o wf i e l do f m o l t e n a l u m i n u ma l l o y si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa r es i m u l a t e db yc o m p u t e r o nt h i sb a s i s ，a l lp a r t so ft h ce q u i p m e n ta r ea n a l y z e da n dd e s i g n e di nd e t a i l e s p e c i a l l y , i nt h ed e s i g no fs p i m f i n gr o t o las p e c i a lp i p e l i n ei sf i x e di n s i d et h er o t a t e p o l e ，t od e c r e a s et h et e m p e r a t u r ei n s i d et h er o t a t ep o l ea n dp r e v e n tt h es p r a yf l u x s o f t e n i n go w i n gt o t h eh i g ht e m p e r a t u r ea n ds p i n n i n gr o t o rj a m m i n g i nt h e p n e u m a t i cs y s t e mo f t h ed e g a s s i n ga n dp u r i f i c a t i o ne q u i p m e n to fm o l t e na h t m i n u m a l l o y sb yr o t a r yi m p e l l e r , g a s - i np a r ta n da d j u s t m e n tp a r ta r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l y t h ef l u xc a nb ea l t e r e dc o n t i n u a l l y , w h i c hc a ni n c r e a s et h ef l u x ，b u tn o tc a u s et h e m o l t e na l u m i n u ma l l o y ss u r g ew i t ht h es a m er o t a t es p e e d a d v a n c e dc o n t r o l l i n g s c h e m e sf o rt h ed e g a s s i n ga n dp u r i f i c a t i o ne q u i p m e n to fm o l t e na l u m i n u ma l l o y sb y r o t a r yi m p e l l e ri si n v e s t i g a t e di nt h ev i e wo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nh a r d w a r e ，t h e t h e o r ya n dm e t h o d st o u s es i e m e n sp l cf o rc o n t r o ls y s t e ma r ea n a l y z e da n d d e s i g n e d i nd e t a i l i n s o f t w a r e ，t h ec o n t r o l s o f t w a r ef o rt h ed e g a s s i n ga n d p u r i f i c a t i o ne q u i p m e n to f m o l t e na h a n i n u ma l l o y sb yr o t a r yi m p e l l e ri sp r o g r a m m e d i n 妒少j ft 拳帧 学位论文 i ns t e p 7 a tt h es a m et i m e ，t h es a f e t ya n ds t e a d yo ft h ed e g a s s i n ga n dp u r i f i c a t i o n e q u i p m e n to fm o l t e na l u m i n u ma l l o y sb yr o t a r yi m p e l l e ri sf u l l yc o n s i d e r e d t h e m a n u a lc o n t r o la n da u t o c o n t r o lm o d e la r ed e s i g n e d ，a n dt h ee m e r g e n c i e ss t o pi ss e t i na u t o c o n t r o lm o d e lt oa v o i dt h ep r o b l e m sw o r s e ni ne m e r g e n c y a tl a s t ，c 0 2 - n a o t ia n dc 0 2 一c a ( o h ) 2w a t e rs i m u l a t i o nt e s t sa r ed o n e r e s p e c t i v e l yo nt h ed e g a s s i n ga n dp u r i f i c a t i o ne q u i p m e n to fm o l t e na l u m i n u ma l l o y s b yr o t a r yi m p e l l e r t h ea p p r o p r i a t et e c h n o l o g yp a r a m e t e r sc a r lb eg o t t h ew o r k so ft h i s p a p e ri s o fs p e c i a li m p o r t a n c et ot h ed e g a s s i n ga n d p u r i f i c a t i o no fm o l t e na l u m i n u ma l l o y s a n dt h ep r o d u c t i o no fl a r g e - s i z et h i n - w a l l c a s t i n g so f h i g h - q u a l i t y k e yw o r d ：p u r i f y i n go f m o l t e na 1a l l o y s ，s p i n n i n gr o t o r ，d e g a s s i n g p l cc o n t r 0 1 ，w a t e rs i m u l a t i o n i v 揶章绪论 第一章绪论 1 1 选题意义 在航空航天等国防技术领域，大型铝合金构件的应用越来越多，对构件的 要求越来越高。除了要保证其化学成分、力学性能和尺寸精度外，还不允许铸 件有缩孔、气孔、渗漏、夹渣等缺陷。铝合金熔体净化处理是生产高质量铝铸 件的基本保证措施之一，也是提高铝合金综合性能的主要手段。铝合金熔体精 炼效果对疏松、气孔、夹杂等的形成有重要影响，且直接影响铝铸件的物理性 能、力学性能以及使用性能。有效的铝合金熔体净化处理是获得优质铝合盒构 件的首要前提。没有高质量的铝合金熔液，即使以后的变质晶粒细化处理再有 效，加工成形控制再先进，高质量的铸件也是很难想象的。而且缺陷一旦从开 始就存在，即使以后采取合理的铸造工艺以及热处理工艺，缺陷仍然会顽固地 存在、难以弥补。因此，人们非常重视铸造铝合金熔体中的气体和夹杂物，并 采取各种措施排除铝合金熔体中的气体和夹杂物。 由于氢是唯一大量溶于铝熔体中的气体( 1 1 。氢几乎不溶于固态铝，而在液 态铝中的溶解度很大，并随温度的升高而增长。氢在固相线上下的溶解度分别 为每1 0 0g 铝液氢含量o 6 5m l 和0 0 3 4m l ( t 2 在o 1m p a 的条件下) ，即氢在 固液两相的溶解度相差约1 9 1 倍，而每1 0 0g 铝合金熔体中正常的氢含量约为 0 1 0 0 4 0m l 【扪。因此，铝合金熔体除气净化主要任务就是除氢，主要存在 的问题也是铝合金的含氢量较商，铝合金熔体除气净化技术还不能满足高质量 、j ? ，s 7 o 硕l 学位论土 铝合金构什的生产要求。通常要求每l o o g 铝中有0 1 o 2 m l 的氢，而像飞机 零件用铝利，要求每】o o g 含氢量不超过0 0 6 m i ，。 目前，销合金熔体纯净化和均质细品化的综合处理，被认为是获得优质铝合 金必须解决的共性技术基础问题。有许多相关的研究，如：各种铝熔体除气去 渣的净化方法( 物理的和化学的) ，各种电、磁场对熔体的处理方法，研究合金 熔体的结构及熔体的热历史对凝固组织的影响，快速凝崮粉末冶金铝合金的研 究等等。同时，铸造铝合金生产过程中熔炼变质和净化仍是造成环境污染的主 要环节【3 1 。在铝合金变质中现仍大量使用n a c i 、n a f 、k c i 和n a 3 a 1 f 6 ，这些盐 类对环境有严重腐蚀作用，对工人身体，骨骼都会造成损害。由于n a 变质效果 维持时间很短，近年来应用s r ( 锶) 作为长效变质剂来替代n a 变质，但由于 合金中含s r 而增加合金针孔趋向，从而使精炼难度加大，而且，s r 变质铸件产 生疏松的倾向极大。铝合金精炼常规工艺中精炼效果较好的是应用c 1 2 气和诸多 盐类，它们的副产品a 1 c 1 3 ，h c i 和c 1 2 气对人体，对环境及设各都造成严重的 损害，而且c 1 2 i 是破坏大气臭氧层的最根本祸首。虽然人们已经意识到问题的 严重性，并在力求改进工艺，选_ i j ；| 无毒低毒的精炼变质材料来改善或解决环境 污染，多年的努力仍不尽人意，无毒无污染的精炼工艺如用n 2 ，a r 2 等惰性气 体精炼剂往往还不能达到诸如有严重环境污染的c 2 c 1 6 精炼处理所能达到的效 果。近年来发展的“无公害”精* 4 d r 4 ，不仅效果欠佳，而且由于其基本成分为 碳酸盐和硝酸盐及少量c 2 c 1 6 ，故其排放物中大量含有温室气体c 0 2 ，氮氧化 物，c 1 2 气及粉李仍1 同4 i 能达到绿色清清生产标准。另外，为了改善铝合金的力 2 j 一章绪论 学性能，常用a l 。1 i ，a i 。n b 合金作为品粒细化剂实现品粒细化。但a i t i 或a l 一1 、i b 合金的制备同样会对环境造成污染。因此，铝合金熔体净化处理就 义重新成为一个必须重视解决的问题，有必要进行更深入的研究。 固内铝加工企业虽然采用了几种具有国际先进水平的在线除气设备，如 s n i f 、m i n t 、a l p u r 和r d u 等，但并未掌握技术关键，而且在观念上只重 视除气，没有真正理解“渣( a 1 2 0 3 ) 既尽，气必除”，“排渣是除气的基础”， 而且轻视保护，没有掌握“以防为主，以排为辅”的原则。虽然采用了与国外 相同的除气净化方法和技术，但是我国的铝合金熔体除气净化处理水平仍然与 国际先进水平有一定的差距。铝合金熔体除气净化技术的深入研究仍然具有一 定的理论意义和重大的现实意义，虽然做了很多工作，但仍有必要继续做更多 的探索。 1 2 文献综述 1 2 1 铝合金熔体中的气体和夹杂物 1 气体 铝合金熔体中的气体主要是氢气( 约占8 0 9 0 ) 4 1 ，其次是氮气、氧 气、一氧化碳等。氢是唯一大量溶于铝熔体中的气体。氢在铝合金熔体中主要 以下列几种形式存在 ：原子态，即 h 】溶解于铝熔液中；分子态，h 以h 2 存在 于a 1 2 0 3 的裂缝中，形成负曲率半径的氢气泡：化合态，氢原子与铝液中的某些 元素形成氢化物。其中只有氢分子可能形成气孑l 。氢分子与氯原子处于动态平 衡状态，即2 【】曹4a 在余属结晶过程中，氢原子，氢分子和氢化物分别以 1 ：；t 。丢嗽k 学铺论史 不同形式析出：氢原了扩散至金属表面，然后脱离吸附状态( 蒸发) ：氢分子以 气泡形式从会属液排除：氢化物以非金属夹杂物形式排除。气泡从金属液中。l ： 浮析m 时，其中一部分气泡未能【。浮至界面，则留在金属液中使铸件产生针孔。 氧几乎不溶于固态铝，而在液态铝中的溶解度很大，并随温度的升高而增 长。如图( 卜1 ) ： 1 0 0 0 5 0 0 温度( 摄氏度) 图卜1 氢在铝液中的溶解度 由于溶解度的不同，氢气就倾向于从熔体中逸出，当氢气压力大于表面张 力和液体静压力时即形成气泡，进而在铸件或铸锭中产生气孔。多年的研究和 实践已经确认：铝合金熔体中氨的主要来源是铝液与水汽的反应。在高- 于二4 0 0 。c 时，铝和空气中的水蒸气接触后产生下列反应 5 】： 3 h 2d ( 汽) 十2 爿2a i = 0 3 + 3 3 h 2 0 ( 汽) + 2 a l i 液) 2a 1 2 q + 6 打】 生成一部分氢原了和一部分氢分子，前者为铝液吸收，后者进入空气。通过热力 籀一章绪论 学计算可以得山，在彳，一马( ) 一h 2 体系内，即使水蒸气压很小，平衡氢分压也可 达到很高值，足以加速氢原子在铝液巾的扩散。假设7 2 7o c 时大气中水蒸气分压 为1 3 3 3 2 2 4 p a ，那么，在铝液一气体界面上的氢分压i u 达到8 9 x 1 0 9 m p a ，锅液中 含氢量可达到3 2 4 x 1 0 5 c m 3 l o o g 【6 1 。上式是一个极其有害的反应。z e 9 3 4 k 1 1 2 3 k 范围内，该反应在标准状态下自由能变化p 的计算公式为： f o = 一6 7 6 2 4 19 3 9 t 式中t 为反应温度( k ) 。由此式可见，熔炼温度愈高，铝液与水汽就愈易发生 反应，其危害也就愈大。为了控制铝液与水汽的这个有害反应，炉料及熔炼工 具经表面清理后，必须预热，除去表面吸附的水汽，方能进入铝液。各种溶剂 走变质及使用前必须烘干或脱水预熔，炉衬必须烘干，砂型中的水分也应该严 格控制。然而实践经验证明，即使严格遵守工艺操作，也不能完全避免铝液与 水汽的反应。根据计算，当t = 1 0 0 0 k 时，在空气干燥条件下( 水汽分压 易一= 2 5 9 x 1 0 “m p a ) ，水汽就能与铝液发生反应。任何经过烘干的炉料，工具、 溶剂、砂型所剩余的水分也都足够引起反应。因此，在铝液中总是含有一定数 量的氢。 2 夹杂物 夹杂物一般是指存在于液相线温度以上的任何圃相或液相的外生杂质 7 ，8 1 。 铝合金熔体中常见的非金属夹杂有氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等，大都 以颗粒状或膜状存在，典型的颗粒尺寸在l 3 0nm 范围内。除来自炉料外，主 要是由于熔化浇注过程中铝与氧反应所形成的。铝表面氧化膜厚大约为2 5 o n m ，接近熔点时增至2 0 0 n m ，液面上的氰化膜不仅更厚，而且结构也变了：而 向铝液的一侧是致密的，刈铝液柯保护作用；而外侧则是疏松的，内有直径为5 1 0 n m 的小孔，并被氢、空气、水汽所充满，如果将液膜搅入铝液内部，使铝液 既增渣也增气【9 1 。此外，在商合金熔体中还会出现一些不希望有的初生金属问 化合物，如a 1 ，z r ，a 1 。t i 掣l o 】。含f e 的铝合金可能会形成多种富f e 的金属间 化合物，妻d a 1 。；f e 3 s i 。，b a 1 。f e s i ，8 一a 1 j f e s i 。，一a 1 8 m 9 3 f c s i 。等【1 1 】。 值得注意的是：铝合金熔体中的气体和夹杂存在很强的交互作用，铝液中的 含氢量受夹杂含量的影响很大，当夹杂含量w 为0 0 0 2 和0 0 2 时，相应的 氢含量分别为0 2 c m 3 l o o g a l 和0 3 5 c m 3 l o o g a 。在含氢量相同的条件下，夹 杂含量越高，针孔率也越高。相反，当铝液中夹杂量很低时，含氢也低，即使 人为地向铝液中通入氢，也会自动地脱出，很快恢复到原来的含量。即使是少 量夹杂的存在，也能显著降低形成气孔的临界浓度值【1 纠。另一方面，在t r 无夹 杂”( 或夹杂含量极低) 的情况下，形成气孔的临界氢浓度值可以高达每1 0 0g 铝含氢0 3m l 1 3 】。因此，除渣和除氨应该是同时进行，同样重要，不论哪种精 炼净化工艺，除氢和除夹杂物的作用往往兼而有之，但又各有侧重。 1 2 2 各种铝合金熔体净化方法简介 铝合金熔体净化处理按处理所处的生产环节的不同，可将其分为炉内处理 和炉外处理两大类 1 4 】。 铝合金熔体炉内净化技术又可以分为吸附净化处理技术和非吸附净化处理 技术。吸附法主要是依靠精烁剂产生吸刚氧化夹杂的作用，同时清除氧化夹杂 一 始一章拼论 及其表而依附的氢气，达到净化铝液的日的。：作吸附法主要是依靠其它物理、 化学作用来达到净化铝液的同的。吸附法的精炼作用只发生在吸附界面上，非 吸附法则同时作用于整体铝液。吸附法主要有惰性气体吹洗、活性气体吹洗、 混合气体吹洗、氯赫( 六氯乙烷) 净化、无毒精炼剂净化、熔剂法精炼等；非 吸附法主要有真空净化处理法( 静态真空处理、动态真空处理) 、超声波净化处 理法、电磁净化处理法( 直流电、交流电、旋转磁场、行波磁场净化处理法) 、 压力结晶法、稀土元素固氢法等。 在吸附净化处理技术中，采用氯气精炼，与液态铝生成三氯化铝，与氢气 生成氯化氢，兼有物理和化学的净化作用，精炼效果明显，但是对环境及设备 都造成严重的损害，而且氯气是破坏大气臭氧层的最根本祸首。后来改用氮气 精炼，甚至用9 9 9 9 9 的高纯氮气精炼，不仅成本提高，精炼效果也较差。虽 然人们已经意识到问题的严重性，并在力求改进工艺，多年的努力仍不尽人意， 无毒无污染的精炼工艺( 如用氮气，氩气等惰性气体精炼) 往往还不能达到诸 如有严重环境污染的氯气精炼处理所能达到的精炼效果。近年来，国外普遍采 用混合气体精炼，即在高纯氮气或氩气中加入少量的活性气体，在强化铝合金 熔馋除氢作用的同时，有利于去除铝合金熔体内部的夹杂物并在铝合金熔体表 面造成干性渣，可以达到很好的精炼效果，而且可以人为地控制氯气混入量， 对环境影响不大。常用的复合净化气体的组成有：n 2 ( 或a r ) c 1 2 ：n 2 ( 或a r ) 一c 1 2 一c o ；n 2 ( 或a r ) c c l 4 等 1 5 。 溶剂法是通过吸附、溶解氧化物夹杂及吸附其上的氢，上浮至液面进入熔 渣中，达刽除渣、除e 的目的。熔剂般 1 碱会属或碱士金属卤盐的混合物组 成，加入钳液后，利用接触相之阃润湿性的差异，吸附、溶解铝液中的氧化夹 杂及吸附其上的氢，匕浮至液面而进入熔渣，达到除杂排气的目的。由于熔剂 价格低廉，这种方法使用较广，但是对悬浮微细夹杂的去除能力较差。熔剂法 的除杂效果与熔剂本身的物理，化学特性直接相关，同时在很大程度上取决于工 艺条件，如：熔剂用量，熔剂与熔体的接触条件，温度等。熔剂法处理常以经验 积累为主，难以充分发挥熔剂作用。在现代汽车铸造铝合金生产中，此法逐渐 为其它技术所取代。 在非吸附净化处理技术中，稀土元素储氢法( 化学固氢法) 利用稀土元素 ( l a ，yc e 等) 与氢的强大亲和力，生成稳定的高熔点化合物( 胄e 日2 ) 弥散 质点，以固体形式吸收铝液中大量的氢，降低含氢量。在铝合金熔体净化方面 发挥着越来越重要的作用，同时，稀土元素在变质处理方面也得到广泛的应用， 因此，稀土化学固氢净化铝合金熔体己经成为新型铝合金熔体精炼剂的一个发 展方向。目前，杨长贺等已开发出稀土一惰性气体( 氩) 联合除气新方法【15 1 ， 丁文江等开发出j d n i 型多功能稀土熔剂，据称是一种“绿色环保型熔剂， 1 6 ， x q a 3 5 6 合金的除气净化效果显著，并具有一定的变质细化作用，但未见到工业 化应用的报道。 真空处理法是利用在真空中铝合金熔体的吸气倾向趋于零，而从铝合金熔 体中析出氢的倾向很强烈的原理，使得已经溶入铝合金熔体的氢不断析出，在 氢气泡上浮的过程中也带走非金属夹杂物，从而使得铝合金熔体得以净化。具 有：不会污染合金液：可以在变质后进行净化而不会破坏钠的变质作用，避免 变质过程中的一：次吸氢、氧化；针孔率显著下降，机械性能显著提高等优点。 从环境保护、不使用净化剂和净化效果的角度看，是一种有前途的净化技术。 可以分为静态真空净化处理和动态真空净化处理。 超声波净化的基本原理就是向铝合金熔体中通入弹性波会在铝合金熔体 内部引起“空穴”，破坏铝合金熔体的连续性，产生大量的显微空穴，溶于铝合 金熔体中的氢便进入这些空穴，成为气泡核心，继续长大成气泡，逸出铝合金 熔体，达到净化的目的。 电磁净化主要是去除夹杂物，利用铝合金熔体与夹杂物的导电率差来实现 分离：能够产生电磁力，实现电磁净化作用的方案很多，最主要的有：直流电 场正交稳恒磁场、交流磁场、交变电场、行波磁场、旋转磁场和电磁搅拌、高 频磁场以及超强磁场等。但是从铝合金熔体中去除夹杂的基本机制归结为：夹 杂物与收集器碰撞并被捕获，从而与熔体分离。可以实现金属的连续净化，提 高生产效率，便于实现自动化，降低劳动强度。 但是，真空净化处理、超声波净化处理、电磁净化处理以及其它非吸附净 化处理方法或者由于净化效果欠佳，或者由于设备、工艺复杂，成本高，都还 没有得到工业上的广泛应用。 炉内处理主要用于中小型铝加工厂，不仅除渣效果不佳，而且熔体有二次 污染的可能。为提高净化处理效果和保证熔体质量的稳定可靠，炉外连续净化 处理得到迅速发展。按其主要作用可以分为：以除气为主的a i rl i q u i d e 法等： 以过滤除渣为主的玻璃纤维网、陶瓷管和陶瓷泡沫过滤法等；除气除渣兼有的 9 - _ o ，i 。、? 颂l 学位论艾 a l c o a 4 6 9 、f i l d 、s n i f 、a l p u r 、m i nr 、r d u 、g b f 法等。单就除气( 氢气) 来讲，炉外除氢净化总体上叫描述为气泡浮游法，叩通过菜种方法在铝液中造成 人量气泡，利用氢在铝液中和气泡中的分压差，使铝液中的氢不断进入在铝液中 卜浮的气泡，最后随气泡逸出液面，达到除氢的目的。同时在气泡上浮的过程中 带走一部分夹渣，达到去渣的目n iz 7 j 。 a i r - l i q u i d e 法是连续净化处理铝合金熔体的一种较简单的方式，其底部有 透气砖( 塞) ，氮气通过透气砖形成微小气泡，在熔体中上升，气泡在与熔体接 触及运动过程中吸收气体，吸附夹杂，并将其带出表面，从而产生净化效果。 如图( 卜2 ) ： n 2 图卜2a i r - l i q u i d e 法熔体处理装置 f i g 1 2t h ee q u i p m e n td e a l j n gw i t ha l u m i n u m a l l o y m e l tb y a i r - l i q u i d e m e t h o d 玻璃纤维网过滤法、刚玉微孔陶瓷管过滤法以及陶瓷泡沫过滤法以除渣为 主，当熔体通过孔道时，夹杂物被阻滞、沉降以及受介质表面的吸附和范德瓦 尔力作用，将熔体中的夹杂物颗粒过滤除去。 a l c o a 4 6 9 法由美国铝业公司开发成功，熔体通过两次氧化铝球的过滤。在 前帝绪论 过滤床的底部设有气体扩散器，熔体在过滤的同时吹入氮气、氖气或少量的氯 气进行清洗。如图( 卜3 ) ： 入 氧 铝 薄 隔板 出口 氧化 铝球 图卜3a l c o a 4 6 9 法熔体处理装置 f i g 1 3t h ee q u i p m e n td e a l i n gw i t ha l u m i n u ma l l o y m e l t b y a l c o a 4 6 9 m e t h o d f i l d 法由英国铝业公司研制成功，中间隔板将装置分为两室，熔体通过表 层熔剂进入第一室，气体扩散器吹出的氮气对熔体进行吹洗。熔体通过第一室 涂有熔剂的氧化铝球和第二室未涂有熔剂的氧化铝球的过滤，得以净化。如图 ( 1 - 4 ) ： 氧化铝 图卜4f 1 l d 法熔体处理装置 扩 f i g 1 4t h ee q u i p m e n td e a l i n gw i t ha l u m i n u ma l l o y m e l t b y f i l d m e t h o d 7 0 年代，美国碳化物联合公司研制s n i f ( s p i n n i n g n o z z l e i n e r t f l o t a t i o n ) 法。 其净化原理是从高速旋转的喷嘴f 柚熔体中吹入惰性气体或含有少量氯c 的惰性 气体，从而达到除气同时使夹杂物卜浮分离。其净化过程铝合金熔体通过装置 的人口进入第一净化区，山第4 旋转喷嘴进行净化，然后通过隔板进入第_ 净 化区进行二次净化，熔体经炉底石墨管流回装置前部的储料室，最后通过上部 出口流出。可使氢含量降到0 1 0 5 m i 1 0 0 9 n 1 ，5 0 u m 以上夹杂物除掉率达到8 0 以上，碱金属量降到5 p p m 以下。如图( 卜5 ) 图卜5s n i f 法熔体处理装置 f i g 1 5t h ee q u i p m e n td e a li n gw i t ha l u m i n u ma l l o ym e l tb ys n i fm e t h o d a l p u r 装置及其工艺由法国彼施涅( p e c h i n e y ) 公司研制，自1 9 8 1 年问世以 来在铝合金加工j 世界得到了广泛的应用。在静置炉与铸轧机之间安放一个处理 箱，在处理箱中利用活性气体或惰性气体对铝合金熔体进行处理，清除其中的 氢和其它杂质。特殊结构的a l p u r 旋转散射器即转子可以将吹入的气体造成大 量的弥散气泡，达到较好的净化效果。其除氢率可达7 0 0 。 m i n t ( m e l ti n l i n et r e a t m e n t ) 法是美国联合铝业公司于8 0 年代初推出的一 种适合铝合金加工生产中在线处理铝合金熔体的新方法，对铝合金熔体中的氢、 第审结论 非金属夹杂物、碱金属都有很好的净化效果。此法的原理是：熔体沿切向进入 除气室圆筒形上部并呈螺旋状向下流动，气体由除气室底部的高压喷嘴剁入除 。e 室，以小气泡形式弥散在整个熔体中，通过使铝液充分流动来延长铝液与气 泡的接触时间；经过除气的铝液再经s e l e e 泡沫陶瓷过滤器过滤。该法利用：” 喷射惰性细小气泡除氢+ 陶瓷泡沫过滤夹杂”的综合作用，排杂除i 的效果较 好。除氢率达到5 4 ，净化后铝合金熔体中的氢含量可降到0 1 2 m 1 1 0 0 9 a 1 ， 5 0 u r n 以上夹杂物除掉率达到8 0 以上，碱金属n a 量降到3 p p m 以下。如图 ( 1 6 ) ： 图卜6m i n t 法熔体处理装置 f i g 1 6t h ee q u i p m e n td e a l i n gw i t ha l u m i n u ma l l o y m e l tb y m i n t m e t h o d 2 0 世纪8 0 年代初还出现了一种f i p 法【1 引，它以氩气或氦气为载体，通过 喷管将粉状精炼剂和惰性气体混合喷射到铝液中，既具有很高的除氢效率，又 能很好地去除夹杂物。近年来，哈尔滨工业大学致力于该法在铸造铝合金的应 片j 研究，试验表明它能显著降低 卜s i 合金的针孔率，效果优于传统的单管吹 气法 1 8 1 。 随后，在f p 法和r 1 d 法的基础上，出现了一种旋转喷射熔剂法( 称之 h e p r o j c c l 法) ，并于1 9 9 3 年首次获得i ：业应用f 1 9 j 。这种方法将熔剂和气体混 合在一起，利用旋转喷头的作用喷射出米，集精炼处理，钠变质处理，磷晶粒 细化处理等于一体，且剥环境无不利影响，成本费用适中。通过比较a 3 5 6 合金 的处理效果，h e p r o j e c t 法比r i d 法和f i p 法的处理时间短，效果更显著【2 0 1 。 最近，美国a i m e x 公司开发出了删尺s w 技术 2 t , 2 2 】。它包含了三方面独 特的设计思路，即：采取了惰性气体就地预热，惰性气体对铝液进行摩擦搅拌， 防止气泡聚集等措施，可从根本上消除铝熔体的物理杂质( 氢气，夹杂物) ， 冶金杂质( 钠，钙，锂，钾等碱金属) 和化学杂质( 碱金属盐和金属间化合物 熔渣) ，从而达到净化效果。l a r s t m 处理的变形铝合金全部达到了超声波检 测m i12 1 5 4 a 级标准，并已用于航空航天合金领域【2 2 1 。 尽管铝合金熔体净化有众多的工艺方法，但是仍然满足不了铝行业的生产 需要，特别是航空航天等军品铝合金的生产。目前，铸造铝合金生产过程中精 炼净化仍足久久未能彻底解决的基本问题，大量的废品在工厂里面产生，很多 高质量的铝合金铸件不能生产。 传统的炉内处理方法由于效率底、净化效果差、劳动强度大及环境污染等 缺点，已经逐渐被炉外连续净化取代。采用炉外连续净化处理取代炉内间隙式 净化处理是国内、外铝加工企j 他普遍发展趋势。一种单一的精炼方法要做到同 时高效除气和除夹杂物是很困难的。真空处理的除气效果好，但除杂效果不理 第一章结论 想，过滤法去除r 央杂物效果显著，但除气效果较差，若要同时两利效果兼备 最好采用复合精炼技术。因此，复合精炼处理已成为获得高品质铝液的一j j 要发 腱方向。炉外连续净化也已经由单一功能向多功能发展，采用联合净化技术 把除气净化和过滤除杂相结合，即在以气体熔剂进行除氢净化的j 司时，加上 种去除夹杂物作用较强的净化处理工艺，在同一装置中对熔体实现多次连续净 化，从而大大提高净化效果。 需要指出的是，在复合精炼技术中，各种基本精练技术之间的组合并不是 随意的，而需要一定的理论依据。倪红军等【2 3 】对a 3 5 6 合金进行了“稀土溶剂法 + r i d 法”的复合精练研究，发现采用j d n i 稀土溶剂精练后，又用r i d 吹气精练， 虽然进一步降低了氢含量，但引入多余的氢，这部分氢消耗了部分稀土元素， 使得稀土变质效果退化，与仅经过j d n i 精练的a 3 5 6 合金相比，抗拉强度和伸长 率分别下降了5 6 和2 3 3 。 同时，由于铝合金熔体的除氢过程是除气一吸气的动态过程，由铝合金熔 体内部的除氢过程和铝合金熔体表面的氧化吸氢过程组成，除氢效果由这两个 方向相反过程的动态平衡所决定。因此，在提高净化效率的同时，对炉内铝合 金熔休加强清沽保护，采用控制炉温、炉内正压、炉气等，避免铝合金熔体与 炉气接触，有效地防止气体进入及其氧化物夹杂形成，有效避免铝合金熔体二 次污染。如西南铝加工厂开发的d f u 铝熔体净化装置( 如图i - 8 ) ，采用净化尾气 作为保护气体，严密封闭铝合金熔体表面，防止外部空气进入，可有效地避免 由于铝合金熔体表面翻腾吸气而造成的熔体污染【2 4 1 。 加热盖 加热元件 过滤板 过滤箱体 加热棒 放流口 阿卜7d f ij 们熔体挣化裟置除气过虑箱体结构示意圈 f i g - 17s k e t c ho fl h ee q u i p m e n t ( d f u ) d e a l i n gw i t ha l u m i n u ma l l o ym e l t 1 2 3 国内外旋转喷吹除气净化设备简介 铝合金熔体旋转喷吹除气净化法用旋转喷头从铝合金熔体底部喷出气 体熔荆，在喷头旋转过程中，由喷头叶片喷出的流体，产生强烈的紊流，可 以产生比单管或多管更加细小的气泡，同时，旋转喷头高速旋转可使气泡均 布、弥散，先被辐射状喷射出去，并在离心力及上浮力的联合作用下沿螺旋 状路线上浮至表面，从而有效地增大了气一液接触界面，促进了气一液界面 的更新，延长了气一液界面的接触作用时间，显著改善铝台金熔体净化的动 力学条件，从而可以获得极佳的净化效果，已经成为国内外公认的铝合金熔 体的高效除氢技术，受到更多t h j 户的青昧。聚用旋转喷头喷吹气体熔剂的方 法已经成为国内外铝台金熔体净化技术的重要发展趋势。 国外已经有许多专利产品出现，例如：美国联合碳化物公司的s n i f 法、 法国彼西涅公司的a l p u r 法、英国f o s e e o 公司的r d u 、美国h i t c h c o c k 公 司的r i d 法、澳大利亚p y r o t e c k 公司丌发的旋转喷射熔剂法的系列设备、 意大利铝业公司工艺研究部( c e n t r ot e c n i c op r o c e s s i a l u m l n i a 意大利铝业公司工艺研究部( c e n t r ot e c n i c op r o c e s s i a l u m l n i a 第一章绪论 s e a ) 研究和开发的a l u d e f ( 铝除气与过虑) 等。 国内也在引进些国外的先进净化技术和设备的基础上，开始了铝合金 熔体净化技术的研究。例如：人连理工大学与华东销加工厂没 1 一研制了i ) u t - - 8 9 铝液净化设备、西南铝加工厂消化呸筻收m t n 7 后对其改掣研制的d f u 、 东北大学与石家庄铝厂研制的d g l 3 精炼装置、涿神公司在消化吸收a i 。p u r 的基础上开发的c q 5 0 0 精炼装鼍等。 1 2 4 铝合金熔体净化效果检验方法简介 因含氢量过高造成的废品约占全部铝铸件废品的一半，为了防止这些缺陷 的出现，在整个生产过程巾氯含量必须减少到非常低的水平，因此，人们住深 入地、定量地研究氢的影响时，需要对铝及铝合金中的含氧量进行现场检测 即是对铝液中的含氢量进行炉前检测，准确测定锚合金熔体中的氢含量，作为 净化效果的检验标准，判断是否已经达到净化要求。这是保证铸件、铸锭乃至 各种铝材及制品质量的重要工序，尤其在采用大型熔炉进行大批量生产时，意 义更大。为实现对铝液的质量控制，国内外一直致力于研究铝液的除氢方法和 除氢装置，同时对铝液中含氢量的测定方法也提出了相当高的要求。虽然与合 金材料学和凝固等方面的研究相比，熔体质量控制相对落后，但是铝熔体的测 氢方法和测氢装置的研究在国内外也获得了一定的发展，所研制的测氢装置有 2 0 多种。大体上可分为二类：间接法和直接法。虽然国内外对铝及锅合金q 一含 氢量的检测方法较多，但是无论是在最终检测除气效果，还是易操作性，适用 合金范围和结果精度等方面，都存在许多不够完善的地方。有些虽然比较简单、 经济， 日| 是只能相刑比较定性地表示净化效果，缺乏必要的精度和州靠。e i ：有 些虽然在原埋卜能够定量地精确榆测，但是由丁检测过程中各种影响因素的作 用，得到的定量的检测结果的可信度不能够很好地傈证，而且相对来l j | ：，使用 成本、维修成本比较高，也不能方便、快速的检测。近年来国内也特别晕视铝 熔体测氢技术的研究，在测氢仪器的研究和使用方面，我罔消化了t e l e g a s t 型、t e l e g a s i i 型液态测氢仪和r h q 0 2 固态测氢仪，而且在此基础上先后硎制 出t e l i - i 型、e l h i i 型、e t , h i n a 型及乩h i i i b 型测氢仪 2 引，但是仍然存在 较多问题有待改进，如探头短，探头寿命不长、不耐热、温下易老化，标定误 差太大，功能不够完善等等。 从总体上看，目前最先进的当数美国t e l e g a s ，英匮| 1 y s e a n 和德国e f r o m m 等公司已商品化的备生产的并种测氢议，我国存这方面的研究与国外相比还有 一定的差距。 1 2 5 铝合金熔体净化效果对性能的影响 近些年来，由于汽车制造业和航卒航天工业的需要，铝合金铸造得到了较 大的发展。但是由于铝铸件的“不可靠性”，阻碍了它的扩大应用，尤其是在航 空结构上的应用。嗣一个零件，不同的厂或者同一个厂的不同炉次，甚至同一 个厂同一炉次浇铸出来的铸件在性能上都可能存在较大差异。其主要根源就在 于目前绝大多数铸件都易于产生疏松这一影响微结构完整性的缺陷2 6 。由于铝 合金熔体巾的氢和夹杂和疏松之阃存在极强的交互作用，人们早就意n 到其重 要性，并不断发展铝台金熔体净化技术，但是铝合会熔体的净化效果到底对恺 鹅一章绪论 能有多大的影呐，亦即净化效果一性能的关系往往不甚明确。 下图是铝合金熔体质量检测技术的示意阁 图1 _ 8 铝合金熔体质罱检测技术示意图 通过列1 含氢量的分析、氧化夹杂的分析和生核及共硅晶粒数量的分析，可 以对铝台金熔体的质量有一个比较合理的评价。尤其是含氢量的分析、氧化夹 杂的分析直接和铝合金熔体净化处理相关，铝合会熔体净化效果真接影响着含 氢量和氧化夹杂量，进而影响铝合金熔体的收缩性能、浇注性能、形成热裂倾 向、流动性及填充型腔性能，最后会影响到铸件的缺陷( 疏孔、疏松、热裂等) 。 铝合金熔体净化效果和疏松n 勺关系 函势，主乒萼孙| 学t 谴论殳 铝合会熔体的净化效果主要有溶解的氢和非会属央杂决定。氢是导致疏松 形成的最主要因素；非金属夹杂可以成为气孔的异质核心，促进疏松的形成， 并由于其行为的“不确定性”，导致疏松变化较大，严重影响铸件的可靠性。一 般认为，疏松的形成是凝固收缩和氧的析出共问作用的结果。影响疏松的因素 很多，但是，很多研究者认为，氢含量是所有相关因素中最具有决定性的一个。 z h o u 等的研究结果表明27 。，孔隙度与冷却速度成反比，而与初始的氢含量成正 比。当冷却速度大于5o c i s 时，州主要l b 氢的浓度所决定。k a 0 等也认为2 引， 当g o ”，蝶6 2 0 6 k o 4 s 16 m m 2 时，疏松仅取决于氢的食量而与温度指标无关， 其中g 为温度梯度，v s 为凝固速度。f a n g 等指m 2 引，对应一定的冷却速度存 在一个临界的氢含量，在此浓度时形成一定残余体积分数的气孔，且i i 南界氧含 量随着冷却速度的提高而增加。然而，氢并不是一个独立存在的因素。当氢作 为一个交7 工1 7 7 i 素时，其对疏松的影响强烈地依赖于其它因素。夹杂( 尤其是氧 化物夹杂) 就是个十分典型的例子。即使是少量夹杂的存在，也能显著降低 形成气孔的1 i 台i 界氢浓度值。另一方面，在“无夹杂“( 或夹杂含量极低)