（材料加工工程专业论文）铝熔体与氢的相互作用.pdf

“东大学硕士学位论文 摘要 众所周知，铝合金中的含氢量直接关系到铝合会的品质优劣， 铝合会的除氢就成为一一个重要的研究方向。本文通过一系列实验分 析研究了t 艺因素下铝熔体与氢的相互作用，并在实验的基础上进 行理论分斫，试图揭示铝熔体与氢的相互关系，为铝熔体除氧技术 打下基础。 文中具体研究了熔炼温度、保温时间、夹杂物和环境潮湿度与 氢含量的关系，并对真空条件下铝合金熔炼、氮气和s d j l 型熔 剂联合除氢等工艺进行了实验探讨。 研究发现，随着温度的升高，铝熔体中的氢含量增加。而央杂 物的含量会随蓍铝熔体温度的升高而减少，铝熔体中的含氢量随着 保温时间的延长而增加。通过研究夹杂物与铝熔体中氢含量的关系 发现，熔体中的氢主要是夹杂物带入的，随着夹杂物含量的升高， 铝合会熔体中的氢含量会随之增加。 实验研究还指出，过热和增加湿度均使得铝熔体的含氢量增 加，特别是湿度的影响更为显著。针对这一现象，本文还探讨了真 空精炼工艺。随着真空度的提高，铝熔体中的氢含量减少；同样， 利用氮气和s d j 一1 型熔剂也能够使氢含量达到低水平，除氢效果 好。 本文重点研究氢的扩散过程，从理论匕验证了铝合余除氢的过 程，并指出析氢速度的变化规律。最后通过一系列试验与理论分析， 提出了吸氢、呼氢过程的宏观概念一一氢阻r 。该参数反映了氢的 宏观运动过程。在此基础上探讨了该参数与扩散系数的关系，并指 出与扩敞系数相比，r 反映了除氢的相关因素，并分析了影响该参 数的诸多因素，指出熔池的深度主要影响了析氢过程的速度，而面 积的影响则是有限的。对呼氢、吸氢过程数学模型的建立和分析为 赊氢的定性分析建立了良好的基础。 关键词：锚合金含氢量熔炼工艺 氢阻 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti sw e l lk n o w nt h a tt h eq u a l i t yo fa l u m i n u ma l l o y sh a s m u c ht od ow i t ht h e h y d r o g e n c o n t e n ti nt h e a l l o y s t h e d e h y d r o g e n a t i o n o fa l u m i n u m a l l o y s i st h e no f h i g h i m p o r t a n c et os t u d y i nt h ist h e s i s as e r i e so fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nm a d e t os t u d yt h er e l a t i o nb e t w e e nh y d r o g e na n da l u m i n u mm e l t s t h e o r e t i c a l a n a l y s i sb a s e do nt h e s e e x p e r i m e n t s h a sb e e n a l s og i v e nh e r ei no r d e rt h a tam a c r o s c o p i cr e l a t i o nb e t w e e n h y d r o g e n a n da l u m i n u mm e l t sc a nb er e v e a l e d ，a n dt h a ta g o o d f o u n d a t i o nc a nb el a i df o rf u r t h e r s t u d y 0f d e h y d r o g e n a t i o nt e c h n o l o g y q u a n t i t a t i v e c o r r e l a t i o n so f h y d r o g e n c o n t e n tw i t h m e l t i n gt e m p e r a t u r e ，m e l t i n gt i m e ，i m p u r i t i e s a n dt h e e n v i r o n m e n t a l h u m i d i t y h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d s o m e e x p e r i m e n t a l m e t h o d sl i k e d e h y d r o g e n a t i o nt e c h n o l o g y u n d e rav a c u u mc i r c u m s t a n c ea n dt h ec o m b i n e d d e h y d r o g e n a t i o n t e c h n o l o g y o f g a s e o u sn i t r o g e nt o g e t h e r w i t hs d j 一1f l u xh a v eb e e ne x c l u s i v e l yd i s c u s s e d t h ee x p e r i m e n t si n d i c a t et h a th y d r o g e nc o n t e n ti nt h e a t u m i n m nm e l t sw i l li n c r e a s ea st e m p e r a t u r ei n c r e a s e sa n d t h ei n c r e m e n tw i l ln o tb es o h i g h t h ei m p u r i t i e s w i l l h o w e v e rd e c r e a s ea st e m p e r a t u r ej 力c r e a s e s t h ec o n t e n to f h y d r o g e n i nm e l t sw i l li n c r e a s ew h e nt h em e l t i n gt i m e i s p r o l o n g e d i n s p e c t i o no nt h er e l a t i o nb e t w e e ni m p u r i t i e sa n d h y d r o g e n c o n t e n ti nm e l t sd e d u c e st h a tm o s to fh y d r o g e n e n t e r st h em e l t s b yw a y o f i m p u r i t i e s ah i g hi m p ur i t y c o n t e n tc o r r e s p o n d sa l w a y st o a h i g hh y d r o g e n c o n t e n ti n m o l t e na l u m i n u ma l l o y s i ti sa ls of o u n di nt h ee x p e r i m e n t st h a th i g h e rh u m i d i t y a n d o v e r h e a t i n g w i l li n c r e a s et h ec o n t e n to f h y d r o g e n ， i i 山东大学硕士学位论文 一一 e s d e c i a l l yt h ei n f l u e n c eo fh u m i d i t y u p o nt h i sf a c t ，m e l t i n g a l u m i n u m a 1 1 0 y s i nv a c u u mi ss t u d i e d w i t hv a c u i t y i n c r e a s i n g ，t h e c o n t e n to fh y d r o g e ni n a l u m i n u mm e l t sw i l l d e c r e a s ea n d i tw i l lr e a c h a f a i r l y l o w l e v e l s i m i l a r l y ， n i t r o g e n a n ds d j 一1f l u x c a na l s or e d u c e t h ec o n t e n to f h y d r o g e ni n a l u m i n u mm e l t sa n do b t a i nas a t i s f a c t o r ye f f e c t o fd e h y d r o g e n a t i o n t h ed i f f u s i o no fh y d r o g e na n do x i d e sc o m p r i s e sa l s oa n i m p o r t a n tp a r to f t h i sp a p e r t h ed e h y d r o g e n a t i o np r o c e s s ls a l s oe x d l o r e df r o ma t h e o r e t i c a lv i e w ap r i n c i p l e o ft h e s e p a r a t i n gs p e e d o f d e h y d r o g e n a t i o n is g i v e n t h r o u g h e x p e r i m e n t a l a n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ， am a c r o s c o p l c c o n c e p t is p r o p o s e dh e r e ，i e p a r a m e t e r rf o r h y d r o g e n r e s i s t a n c e ，w h i c hg i v e s ag o o dd e s c r i p t i o no fm a c r o s c o p i c m o v e m e n to fh y d r o g e n c o m p a r e dt o d i f f u s i o nf a c t o r ，t h i s d a r a m e t e rrc a nd e p i c tab e t t e rr e l a t i o n s h i p o ft h er e l a t e d f a c t o r si nt h ep r o c e s so fd e h y d r o g e n a t i o ni n t h em e l t s o m e f a c t o r s a f f e c t i n g t h i s p a r a m e t e r a r ed i s c u s s e d i t i sf o u n d t h a tt h ed e p t ho fm o l t e np o o la f f e c t ss u b s t a n t i a l l yt h es p e e d o fd e h y d r o g e n a t i o nw h i l et h ea r e ao fm o l t e np o o l d o e so n l y al e s sc o n t r i b u t i o n t h ee s t a b l i s h m e n t o ft h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fh y d r o g e na b s o r p t i o n f o u n d a t i o nf o rt h eq u a l i t a t i v e k e y w o r d ：a l l o y m e l t i n gt e c h n i c s a n ds e p a r a t i o nw i l ll a yag o o d a n a l y s i so fd e h y d r o g e n a t i o n i i i h y d r o g e n h y d r o g e n c o n t e n t r e s i s t a n c e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导帅的指导卜，独最进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任伺 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签私： 埠 日期：厕争p ， 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复e f j 件和电子版，允许论文被套阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ：缉翩氇缮 期：! 壁垒堡生! 翻 山东大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 铝及其合金的发展与展望 铝的来源广，比重小，塑性高，并具有良好的导热性、导电性和抗蚀 性。在纯锅中加入其它金属或非金属元素，能制成各种可供压力力工或铸 造用的铝合金，具有比纯铝更为优异的工艺性能和使用性能。 铝及其合金的影 ：多同有优点，决定了它在工业上愈来愈重要的地位和 广泛的应用。它不但大量应用于航天、航空工业，而且也应用于运输部门。 特别是在当今能源紧张的情况下，各国都在大量采用铝铸件代替黑色金属。 然而，在铝铸件的生产中，气孔和夹杂这两种缺陷却严重影响了铸件的质 量，从而使其应用范围受到一定的限制12 1 。分析铝合金中的气体后发现 h ，占全部气体的6 0 9 0 1 ，且合金中的气孔存在遗传性，它使铸件 机械性能明显f 降，并影响到铝合金的耐蚀和阳极氧化性能。铝熔体中的 夹杂按形状分为两类：第一类是在铝熔体的宏观组织中分布不均匀的大块 夹杂物，它使组织不连续，在铸造时使铸件渗漏或成为腐蚀的根源，明显 降低合金的强度和塑性：第二类夹杂在铝熔体中呈弥散状，它使铝熔体粘 度增大，降低凝同时铝熔体的补缩能力。但是目前很难控制熔体中的氧利 夹杂含量，而其含量的增加必然导致铸件机械性能下降，致使铸件报废。 因此，有必要研究铝合金熔体中氢与夹杂之问的内在联系，以及寻求除氢 和除夹杂的方法。 1 2 铝合金中气体的来源与溶入方式 铝合金中氢的来源可分以下三个方面1 ： i 、水气。主要来自如下三个方面： ( 1 ) 炉气； ( 2 ) 未经充分干燥的炉料、精炼剂、覆盖剂、变质剂； ( 3 ) 未经充分干燥的炉衬、坩埚和工具上的涂料，残留在坩埚工具和 炉料上的含水熔剂。 氢以原子态进入铝熔体，可由下式表示： 山东大学硕士学位论文 2 a i + 3 h 2 0 a 1 2 0 3 + 6 h i i 、油污。来自带有油脂的炉料和工具。同样的，氢以原子忿熔入铝熔体： 4 m 3 a 1 + c 。h 。曹m 3 a 1 4 c 3 + n h i i i 、炉料上带有的含水腐蚀物，如：a 1 2 0 3 3 h 2 0 ，a 1 2 0 3 h 2 0 及a i ( o h ) 3 ， 腐蚀物受热分解，释放出水，其水气与铝反应生成氢。氢仍以原子态 熔入铝熔体： a 1 2 0 3 n i - t 2 0 a 1 2 0 3 + n h 2 0 2 a l ( o h ) 3o a 1 2 0 3 十3 h 2 0 h 2 0 铮2 h + o 1 3 铝合金中夹杂的来源与生成 铝合金中夹杂物主要是各种合金元素和铝发生化学反应，以及钳与氧 气、水汽发生化学反应形成的化合物。在反应过程中产生大量的熔渣”1 ， 未能及时排出就形成了夹杂。 l 。4 氢在铝合金熔体中的存在形态 气体元素在金属中主要有三种存在形态：固溶体、化合物和气态鸭1 。 若气体以原予状态溶解于金属中，则以固溶体形态存在；若气体与金属中 某些元素的亲和力大于气体本身的亲和力，气体就与这些元素形成化合物； 另外，气体还能以分子状态凝聚成气泡存在于金属中。 铝合余从固态变为液态时，氨在铝熔体中的溶解度急剧增加。有资料 表明1 ，s 。s 。- 1 2 0 ( 即铝熔体中氢的溶解度是固态铝合金中的2 0 倍) 。 当幸吕合金熔体凝固时，氢达到过饱和。由于生长蔫的晶粒内含氢量低，剩 余的氢就被驱赶到未结晶的铝熔体中，并且，氢在边界层上的含量大大高 于金属液中的含量，促使氢在铝熔体结晶界面上内吸附1 0 l 。铝合金中的央 杂物为气泡的形成提供了形核界面。气核形成后，过饱和的气体就向气核 扩散，使气泡不断氏大。当气泡长大到临界尺寸时，。t 泡所受浮力大f 界 面对气泡的吸附力，气泡则力图从金属液中析出。如果气泡在结晶过程中 因种种原因未能上浮至液面，则留在合金中使铸件产生气孔。 有资料表明，铝熔体中a 1 2 0 3 的增多，会增加铝熔体含气量，而且很 难除去。a 1 2 0 3 含量很低时，铝熔体含氢量也低，即使人为的通入氡。i ， 山东大学硕士学位论文 也会自动析出氢气，并很快恢复到原来的含量。为此，有人提出假设，a 1 2 0 3 和h 在铝熔体中形成复合物i l ly a 1 2 0 3 一- n h + ，因而，除了溶解于铝合会液 中的氢以外，还有复合物中所包含的氢，自然含氧量就高了。不过，这种 假设还有待于进一步探讨。 黄良余1 通过实验观察证实，a 1 2 0 3 吸附氢属于物理吸附，氢i 存在 于a 1 2 0 3 的裂缝中，形成负曲率半径的氢气泡。 1 5 铝合金熔体吸氢热力学与动力学分析 从热力学观点看，由于大气中的氢分压( 5 1 0 。5 大气压) 远比铝熔 体中的氯分压低。因此溶于铝熔体中的氢是不稳定的，有强烈自铝熔体内 部向大气扩散的趋势。其次，通过研究氢溶入铝熔体的过程发现，分7 二态 的氢并不能溶入铝熔体中，只有离解为原子态的氢才能溶入铝熔体。 熔炼时，铝熔体和水汽发生反应产生的氢溶入铝熔体中，氢在铝熔体 中的溶解度s 与熔炼温度t 、炉气中的水气分压磊。有关，并服从下列关 系1 2 1 1 一! l s = m , p 2 8 7 + 式中：e s 一氢的克分子溶解热； m 一常数； t 一铝熔体的热力学温度，k ； r 一气体常数； s 一氢在铝熔体中的溶解度，m l 1 0 0 9 ； 易，。一铝熔体上的水气分压，毫米汞柱。 已知氢在铝熔体中的溶解过程是吸热过程，e s 是j f 值，由 ! 式看出， 只。，和t 越大，氢在铝熔体中的溶解度就越大。 根据热力学计算只能确定氢在铝熔体中溶解过程的限度和方向，而要 了解吸氢的速度和最终结果，则必须分析铝熔体中的吸氢动力学过程，金 属吸收气体包括下列四个动力学过程： ( 1 ) 气体分子撞击到金属表面； ( 2 ) 在金属表面卜气体分子离解为原子，即h 2 2 h ； ( 3j 金属表面_ 二气体原子的吸附； 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 气体分子扩散并溶入金属内部。 吸附可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附仅内范德华力引起，吸附 时，气体分子不离解，气体本身仍为稳定的相，而且具有较大的体积。随 着温度的升高，气体分予的浓度降低，动能增大，吸附量减小。化学吸附 是气体利金属原了之间的化学结合，具有一定的亲和力，气体分子必须先 离解为原予爿能被锅熔体吸收。氢被金属吸附的同时，丌始向金属内部扩 散，以原子一离子状态溶入铝熔体中。整个吸气过程巾，占支配地位的是 扩散过程。扩散速度决定了金属的吸气速度。 氢在金属中的扩散速度可用下式表示： f d = k p h l e 1 ” 式中：e 一扩散热： r 一。气体常数； t 一金属温度； 只，一氢分压； k 一常数。 从 ：式可见，氢分压乓，和铝熔体温度越高，扩敲系数越大，吸氢的 速度就越大。 但是氧化央杂能强烈地吸附氢，在吸附力作用f ，氢的扩散速度f 降， 阻滞了氢在铝熔体中的扩散。 1 6 常用测氢方法简介2 1 1 6 1 第一i 泡法 这种方法是根据铝熔体表面冒出第一个气泡时的温度、压力来测定含 氢量。由于含氢量是根据公式计算而不是直接测量，所以有时这种方法被 称为“间接定氢法”。由氢在铝熔体中的溶解度公式： l g s 。：一呈+ b + o 5 l g 疡， ， 定出a 、b 、t 、巧，即可求出s h 。其中尸，由第一气泡法确定，该，i 法设 l u 东大学硕士学位论文 备简单，使用方便，但第一气泡很难判断。 1 , 6 2 热真空萃取法( t h e r m a lv a c u u me x t r a t i o nm e t h o d ) 该法可测得铝熔体中的全部气体，获得很可靠的数据。在测量时将 试样在真空中加热垒固相线温度以下，溶于铝合会中的氢析出后聚集隆专 f j 的容器巾，测得在标准状态下的容积，即可求得绝对含氢量。但是咳法 所用的设备复杂，操作技术水平要求很高，使用不方便，目前仅限于科研 单位进行研究使用。 1 6 3c h a p e l 法 该法可以连续测量熔体中的含氢量，且测量迅速，但是次只能测试 菜一点的含氢量，不能对整个熔池进行测量。最近瑞士f m a 公司研制出 新型的a l u 9 0 型行走式无探头钢池测氢仪，克服了上述缺点。 1 6 4r p t 法( r e d u c e dp r e s s u r et e s t ) 该法是目前较为常用的一种方法。其基本原理是：把待测熔体霄于一一 密闭容器中，并瞬f 刚抽成真空，随着熔体的冷却，其中的氢释放h 来，通 过测量容器内的氢分压，仪器即可自动算出熔体中的含氢量。 此外，还有其它测量铝熔体中含氢量的方法。 1 7 铝熔体的除氢技术方法及现状 铅熔体净化方法可概括于图卜l 。按照工艺节奏分为在线式和刚歇式 两种。在线式连续除气法由于除氢效果好，能够保证熔体较好的质量而且 比较稳定，对环境无危害，因此在大型铝加工企业中获的广泛应用；而问 歇式则由于除氧效果差，逐渐被淘汰。按照作用原理川。分为吸附精炼和非 吸附精炼两种方法1 。吸附精炼是指通过铝熔体直接与吸附剂( 如各种气 体、液体、固体精炼剂及过滤介质) 相接触，使吸附剂与熔体中的气体和 圆体央杂物发生物理化学的、物理的或者机械的作用，达到除气、除杂的 目的。属于吸附净化的方法有：吹气法、过滤法、熔剂法等等。非吸刚精 炼是指不依靠i 柚熔体中加吸附剂，而通过某种物理作用( 如真空、超声波 、密度差等) ，改变会属体系统或者金属央杂物系统的平衡状念，从而使7l 山东大学硕士学位论文 体和夹杂物从铝熔体中分离出来的方法。属于非吸附净化的有：真空处理 、超声波处理、静置处理等。 图1 1 铝熔体除氢技术 6 、111llllil、，iiiliilll 山东大学硕士学位论文 1 7 1 吸附精炼法 吹气法( 气体浮游法) 吹气法是将惰性气体( 如氩气等) 、氮气等通入到铝熔体中，形成气 泡，熔体中的氢在分压差的作用l i 扩散进入气泡，并随气泡卜浮，1 排出， 达到除气的| _ = = | 的。气泡在上浮的过程中还能吸附夹杂物，起到除渣作用 1 5 1 。吹气法源于2 0 世纪7 0 年代1 6 1 ，按气体的导入方法可分为：单管吹7 i 法、多孔喷头吹气法、固定喷吹法和旋转喷吹法等等。其除气效果一方面 取决子惰性气体的性质及纯度：另一方面取决于气泡在熔体的分散均匀程 度、气泡的大小、气泡在熔体中的滞留时间等。气泡越小，分散越均匀、 上浮速度越慢，则除氢效率越好。到目前为n ：，旋转喷吹法是除氢效果最 好的方法之一7 1 8 1 。 旋转喷吹法，丰要是依靠转头的形状以及高速旋转的速度来打破气泡 并控制。气泡的大小和分布的。转头是此项技术的核心，不同的转头，产生 气泡的大小不同，但产生的气泡大小均为m m 级。转头转速一般在3 0 0 一 5 0 0 r m i n ，吹气压力在2 3 个大气压之间。其缺点是：除气效率在7 0 以 f ，气泡不够小，达不到um 级，这是由转头的形状所决定的，转头转速 过高，容易日l 起熔体翻腾，产生吸气现象，也会使熔体中心区域压力降低t 产生合泡现象1 9 1 。 过滤法 过滤法是指让铝熔体通过中性或活性材料制造的过滤器，以分离悬浮 在熔体中固体央杂物的净化方法。过滤材质采用玻璃布、刚玉球以及泡沫 陶瓷。过滤法主要是除去熔体中的夹杂物及吸附寄生在夹杂物中的氢，过 滤方法有多种，其中效果最好的有过滤管法和泡沫陶瓷过滤板法1 2 0 1 。 床式过滤器体积大，安装和更换过滤介质困难，仅适用于大批单一合 金的生产，其最新进展是n o r w a y 科技大学等单位正在研制的紧凑深床过滤 器。该装置中铝熔体向下流动，装置底部中央由+ 透气塞导入惰性气体， 与透气塞上方的铝熔体上升管形成气体提升泵，目的是提高过滤能力的同 时，更有效利用过滤球。此装置小巧紧凑，便于填装，易于清空和移动等 操作2 。 刚玉管过滤器过滤效率高，但价格昂贵而且使用不方便，目前仅同本 山东大学硕士学位论文 采用。相反，泡沫陶瓷过滤器使用方便，过滤效果好，价格低，已得到广 泛应用。发达国家中5 0 以上的铝合金熔体都采用泡沫陶瓷过滤板过滤。 该技术发展迅速，为满足高质量产品对熔体质量的要求，过滤板的孔释越 来越细。国外产品己形成1 5 7 0 p p i 等多种规格，同时还有小少新产品晰 世，较有发展前途的是s e l e e 公司的复合过滤板，该过滤板分为上f 两层。 上i 面一英寸的孔径较大，下面一英寸的孔径较小，品种规格有3 0 5 0 、 3 0 6 0 、3 0 7 0 p p i 等等，复合过滤板较普通过滤板效率高，通过的金属量 更人。另一种是v e s u v l u sh i t e c hc e r a m i c s 生产的新型波浪高表面积过 滤板，此种过滤板的表面积比传统过滤板高3 0 ，金属通过量得以增加。 国内9 0 年代初丌始研制生产泡沫陶瓷过滤板，目前生产厂家众多，规模都 较小，由于工业基础差，技术落后等原因，尚未生产出规格达4 0 p p i 的产 品，而且普遍存在盲孔、通孑l 较多等缺点，有待于进步提高2 2 1 0 熔剂法 按铸造名词围家标准，铝合金用熔剂分类如图卜2 ： 图1 2 铝台金用溶剂分类 除气熔剂( d e g a s s i n gf l u x ) 是指用来除去熔融金属和合金中气体 的物质，主要包括( 1 ) 气态熔剂( g a s e o u sf l u x ) ，由最初的单一气体n ：、 c k 等，发展到近年来的混合气体，如5 0 c l ：+ 5 0 n z 、15 c l 。+ 1 1 c 0 + 5 0 n 一、 2 c o t ，f ：+ 2 3 c 0 ：+ 7 5 n2 等；( 2 ) 液态熔剂( 1 i q u i df l u x ) 如c c l 一、t i c i 一 等：( 3 ) 固态熔剂( s o l i df l u x ) 如c z c i e 、m n c lz 、n a 。a 1f e 等。 覆盖熔剂( p r o t e c t i o nf l u x ) 是指用来覆盖在金属熔池表面，形成 液态隔离物的物质，不仅能够隔离大气，减少大气对金属的作用，有的还 能促进冶金反应。熔剂要求表面张力小，防护力和覆盖能力人，i 天i 此覆盖 熔剂熔点较低，如某些氯盐和光卤石( m g c lz k c l ) 、m g c - ( 3 3 ) 一k c l 等。 善 。，。、l 一 一 一 圈圆圈 囹 山东大学硕士学位论文 覆盖剂表面张力太小，不利于扒渣，因此对表面张力太小的覆盖剂需要添 加稠化剂，如ct f 。、m 9 0 或m g f 。等。氟盐、二：价碱土金属与睾吕熔体之问的 界面张力比氯盐、碱金属要大，故覆盖剂中常含有n a f 、a 1f ，或n a s if “等。 精炼熔剂( r e f i n in gf i u x ) ，主要是用来清除熔体中的非金属央杂物的物 质，如高温盐经熔化后制得的过滤体。 精炼是指利用各种添加剂和化学复合物对铝熔体进行处理。这些复合 物通常是无机物而且具有多项功能，象除气、净化及合金化功能等。净化 是指用活性或惰性气体除去熔体中的夹杂物及杂质气体等杂质。 在露天的开口炉中熔化铝时，一般在熔体表面上加n a c l 一k c i 盐覆盖 剂以减少铝熔体的氧化并促进铝熔体的凝聚提高金属的回收利用率。另 一方面，熔剂也通常用米清除炉壁的氧化层以减少氧化夹杂物。它还能有 效地除去铝熔体中央渣杂质的含量，并减少撇铝的数量。 1 7 2 菲吸附净化法 非吸附净化法包括：静置处理、真空处理、超声波处理等方法。 静置处理是指将铝熔体在浇注前静置一段时间，由于夹杂物的密度比 铝熔体的大，所以夹杂物会自发下沉，从而达到从熔体中分离的日的，但 小颗粒夹杂难以用该法除去。 真空处理是指将熔体置于有一一定真空度的密闭保温炉内，利用氢在熔 体中和密闭容器中的分压差，使熔体中的氢不断生成氢气，并上浮溢出液 面而被除去的方法。真空处理是降低铝熔体中的含氢量的最有效方法，但 是这种方法需要真空密封设备，价格昂贵，而且造成熔体温度的损失较大， 除渣能力有限。 超声波是2 0 世纪9 0 年代发展起来的一项新的铝熔剂净化技术，其原 理是利用超声波在熔体中的空化作用，使液相连续性破坏，形成产穴，该 空穴使溶解在铝熔体中的气体聚集在一起，超声波弹性振荡能够促进气泡 结晶核，i i , 的形成，并促使气泡聚集到一定尺寸，从而保证了气体的析出。 由于超声波发生器具有一定的局限性，使得该方法很难处理大批量的铝熔 体，限制了其在r 业中的应用。 山东大学硕士学位论文 1 7 3 主要铝熔体净化方法的装置特点 目前已研制出多种在线式高效连续除气的方法和设备，其中主流方法 和设备有三种 2 3 - 2 5 1 ：种足以s n i f 除气法为代表的旋转喷吹浊( 包括 a l c o a 6 2 2 法和a l p u r 法等) ，该法能得到细微气泡，上l 气泡停留时问长， 使熔体和气泡接近于完全混合，达到很高的接触效率；第二种是以m i n t 法为代表，使熔体沿切向进入除气室圆筒形上部，并早螺旋状向卜j 流动， 气体山除气室圆锥形底部的高压喷嘴射入除气室，以小气泡形式进入熔体 并弥散在整个熔体巾，通过这种使铝熔体充分流动的方法来延长铝熔体和 气泡的接触时问，提高铝熔体和气泡的接触效率；第三种是以f i 为代表的 喷射熔剂法，采用氩气或氮气为载体，通过喷管将粉状精炼剂和惰性气体 混合喷射到铝熔体中，既具有很高的除气效率，又能很好的除去夹杂物。 。t 述主要除氢方法和装置的特点见表】一1 。由于测氢手段尚未标准化各 食业的合金牌弓、设备型号、除氢工艺和生产条件也不尽相同，目前只能 近似比较各种除氢方法的除氢水平，资料表明”】，国际先进水甲为0 0 1 0 1 m 1 1 0 0 9 ，国内先进水平为大约0 1 m 1 1 0 0 9 。 表卜1主要精炼装置的方法和特点“2 8 2 9 除氢除夹安装维护 名称方法内容通用性投资备注 效果杂费用费用 不能处理商纯铝合 旋转喷吹除氨单品种 金，囡转子、定子 s n i f 法气并与熔体完最高良好较高较高大批量 较年熔池内衬均州_ l 多墨材料制成，内禽 全混合生产 杂质元素，污染台 熔体沿剧筒形1 ；具备保温功能， 处理槽切向引每铸次问需将金属 入，成螺旋状多品种 较 液放净，这种间歇 m i n t 法f 流，规定喷较高良好较低较低合金的 少 是操作导致1 i 同铸 嘴喷出高压气生产次的除氢率波动较 体白r 而上与人。 熔体充分混合喷嘴数需足够多 喷管将粉状熔单、多 体币惰性气体品种人较可采削各种喷头， f l 法很高很好很低很低 混合喷射到钒批量生 少包括旋转法 熔体中 山东大学硕士学位论文 要在现有的技术基础上进一步提高铝熔体的除氢水平，还需要继续发 展和完善除氢理论。目前较为成熟的铝熔体除氢理论是由s i g w o r t h 、e n g h 和p e d e r s o n 等拥5 威学者提出和发展的除氢动力学模型 2 7 1 。该模型以熔体 内的除氢动力学过程作为主要研究对缘，并考虑了氢通过表面层在熔体与 大气问传质对除氢效率的影响，认为氢在边界层的传质是除氢过程的控制 环节。目前，人们虽然充分认识到了大量细小气泡对高效除氢的必要性， 但还未对气泡在熔体中的运动、分布、存在及气泡对熔体的搅拌和混合特 性进行深入的研究i 2 8 1 o 因此，必须尽快进行包括流体流动分析在内的更加 深入，更加基础的研究，同时还要致力于试验手段和研究方法的改进与创 新。 1 8 本章小结 本章主要介绍了铝熔体析氢和呼氢的动力学过程，介绍了常用的测氢 方法以及铝熔体除氢技术的现状。 山东大学硕士学位论文 参考文献： 1 、f 肇经铸造铝合金中的气孔和非金属夹杂物北京：兵器h i l 版礼 1 9 8 9 2 、a m e r ic a nf o u n d r y m a ns o c ie t y a n a ys iso f d e f e c ts ，【) y 1 n b 1 9 9 4 3 、：苏 _ o切自i 温茄，黄良余译有色金属及其合金中的气体北京冶金h l k 出版社l 9 8 9 4 、刘相法边秀房，马家骥铝硅合金锭中气孔的遗传现象及控制铸造投术，1 9 9 4 ： 5 8 5 、施延藻主编铸造实川手册尔北学院出版丰十1 9 8 8 6 、刘相法a 1 t ib 中间合金的遗传性研究山东【：业人学博十学位论文1 9 9 7 6 7 、p s m o h a t g e x p e r i m e n t a l i na ic a s t i n g sa f st r a ns a c t i o n s1 9 9 5 ：1 0 3 ： 5 5 5 5 6 4 8 、李庆春铸件形成理论基础机械工业出版社 1 9 8 2 9 、d a hl le o n q u a n t i t a t i v cm e a s u r e m e n to fh y d r o g e n jnm 0 1 te ea 1u m in 1u m a 1 1o y s b y ar e d u c e dp r ess u r et e c h n i q u e 3 0 “a n n u a l 抛p l i go f 、砌p i n v e s t m e n tc a s t l b gi n s t i t u t e 1 9 8 8 j1 8 1 0 、边秀房，刘相法，马家骥铸造金属遗传学山东科学技术出版社1 9 9 8 i i 、黄良余，张少宗铝合金精炼理论要点和工艺原则，特种铸造及响色台金 1 9 9 8 ：2 ：4 l 一一4 2 1 2 、铸造有色合金及其熔炼联合编写组铸造有色合金及其熔炼国防i ：业出版 社1 9 8 02 13 、干k 海，倪红军，孙宝德，周尧和。铝熔体除氢技术的进展。铸造，2 0 0 0 l4 、c h e nx g e fr ic ie n c yo fi m p e l l e rd e g a s s i n ga n dr e g a s s i n gp h e n o m e n a i n a l ur i l l n u m c nsa f st r a n s a c t i o n s ，1 9 9 4 ：1 9 1 l 9 7 15 、b o bm b e y o n dr o t a r yd e g a s s i n g f o u n d r yt r a d ej o u r a n l ，19 9 5 ( 6 ) ：2 9 8 3 3 0 1 6 、觉惊知，武殿梁，程军。铝合金旋转喷吹技术用于动态小熔池。华北i ：学院学 报，1 9 9 8 ( 2 ) ：i 3 3 i 3 7 i7 、c l e g ga a t u m i n u md e g a ss i n gp r a c t i c e f o u n d r y ，1 9 9 2 ( 5 ) ：6 9 7 9 18 、张发明，彭学仕。使j _ ；js n i p 净化装置应注意的几个问题。轻合金加1 ：技术，1 9 9 6 ( 3 ) ：1 0 12 1 9 、g e o f f r e y ks l g w o r t h 1 h er 0 1 eo fm ix i n gd u r i n gd e g a s s i n g o fm n l t e n a 1u m in u ma l u m l n u mt r a n s a n c t i o n s ，1 9 9 9 ( 1 ) ：5 9 6 9 2 0 、g a r yp a r h e r t a b bw i l l i a r o sa n dj e n n i f rb 1 a c k p r o d u c t i o ns c a l ee v a h lc t t l o n o fan e wd es i g nc e r a m icf o a mf i l t e r l i g h tm e t a ls ，19 9 9 ：1 0 5 7 1 0 6 2 1 2 山东大学硕士学位论文 2 1 、 l a rl ir lbt a y l o i ，n a r tc a s s e t e ea n de 1 id u k er e c e n te x p e r ier t c ew i t ht h e a l a nc o m p a c td e g a ss e sir tt w op l a n t s l i g h tm e t a ls 2 0 0 0 ：7 7 9 7 8 4 2 2 、唐剑，黄平等。销合金熔铸技术的现状及发展趋势。销加i ：，2 0 0 1 ( 2 4 ) ：5 8 2 3 、杨常贺。有色金属净化。大连理t 大学出版社1 9 8 9 2 4 、牛搬臣。m l n i 、铝熔体在线处理评定试验总结。轻台金加j 技术，1 9 9 0 ( 4 ) ：16 2 3 2 5 、f u q u af i a d v a n c el n j e e t i o nt r e a t m e n t s ys t e m f ora 1 l l m jn u l l ls i l i c 0 n a l l o y s , a f s t r a m s 1 9 8 7 ：6 3 5 6 4 2 2 6 、t 建华。我国铝合金现状及发展趋势。全国有色金属加。i ：学术会议沦义集，1 9 9 9 ， 2 4 3 2 ，4 7 27 、e n g hta ，p e d e r s o npr e m o v a lo fh y d r o g e nf r o mm o l t e na l u m l t l u mb y g a s p u r gl n gl i g h t l e t a l s ，1 9 8 4 ：1 3 2 9 1 3 4 4 2 8 、张发明。使川s n i f 净化装置应注意的几个问题。轻合金加j ：技术，1 9 97 ( 1 2 ) ：l 3 2 9 、 日 古田止博。锅熔体除气! j 过滤。轻合金加l 技术，1 9 8 6 ( 9 ) ：1 4 2 0 1 3 山东大学硕士学位论文 第二章实验方法 2 1 试验方案 为探索除氢的有效方法，研制出性能更优良的铝合金，根据拟订的研 究内容，结台材料液态结构及遗传性教育部重点实验室及校内外的相关仪 器，本文实验采用如图2 1 所示的技术路线。 围2 - 1 研究的技术路线 实验采用英国s e v e r ns c i e n c e 公司生产的h y s c a n l l 型测氢仪来测量铝 熔体中的含氢量。其测试原理为减压法( p r t ) 。目前国内外测试铝熔体中 含氢量的方法有很多1 ，所研制的测氢仪器有近2 0 种，大体l l j 分为二类： 耿样法和直接法。目前美副t e l e g a s 、英国h y s c a n 和德图e f r o m m 等公司 ，l 产的各种先进测氢仪已经商业化。 山东大学硕士学位论文 2 2 原料的准备 为了便于研究不同实验情况下铝熔体与氢的关系，本实验采用几种典 型的材料，如a l 一1 2 s i 、z l l 0 5 合金、a i t i b 、a i s i 合会、a l l i 等，他们 分别划应的实验为：温度与含氢量的关系、保温时间与含氢量的关系、央 杂物与含氢量的关系、环境潮湿度与含氢量的关系、真空环境下铝熔体巾 化学元素的的变化、氮气和s d j 一1 型熔剂联合除氨等。 2 , 3 测氢设备及工作原理 铝熔体中含氢量的测定采用英国s e v e r ns c i e n c e 公司生产的 h y s c a ni i 测氢仪。该仪器主要由样品池、真空泵、皮拉尼真空计、控温风 扇、数字显示器、打印机等组成。它采用减压真空技术来测景铝台会熔体 中的含氢量，并结合自动控制技术，可实现铝合金熔体含氢量控制、渗断 和测量等