（材料加工工程专业论文）铝熔体中夹杂物和氢的去除研究.pdf

铝熔体中夹杂物和氢的去除研究 摘要 铝材中的气孔( 氢) 和夹杂物( a 1 2 0 3 ) 会直接或间接地影响其强度、塑性 变形性能及最终使用性能等，铝熔体中夹杂物和氢的去除对提高铝合金性能具有 重要的作用。本论文采用搅拌熔融活性熔剂、活性涂层陶瓷过滤器( 泡沫陶瓷和 陶瓷颗粒) 和陶瓷过滤器与熔融活性熔剂复合方法去除铝熔体中的夹杂物，并研 究其净化机理和工艺。对净化前后试样的力学性能、断口形貌、夹杂物数量和大 小等进行了系统的研究。另外，初步研究了s r c e o 9 5 y o 0 5 0 3 - 8 导质子陶瓷膜电化 学法分离铝熔体中氢的原理和方法。 熔盐化学热力学分析表明，夹杂物在熔融熔剂中的润湿性比在铝熔体中润 湿性好，夹杂物具有从铝熔体迁移到熔融熔剂的趋势。用表面更新动力学模型较 好地描述了夹杂物从铝滴表面迁移到旋转熔融熔剂中的过程以及旋转铝滴中的 夹杂物重新分布规律，并且发现旋转熔融熔剂中的微量元素会扩散到旋转铝滴 中。力学性能检测表明，搅拌熔融熔剂处理后的拉伸试样的抗拉强度增加8 5 9 ，伸长率略微减小。通过比较处理前后的拉伸试样断口撕裂纹和韧窝，处理后 的拉伸试样的断口撕裂纹和韧窝要细小。金相观察表明，处理后的金相试样中的 夹杂物数量和尺寸比没有处理的金相试样中的夹杂物数量和尺寸分别要少和小， l e c o 分析软件统计显示夹杂物的体积分数由1 2 3 ( 没有处理) 降到0 9 2 ( 处 理工艺，转速5 0 0 r p m ) 。提高旋转熔融熔剂的转速和增加搅拌熔融熔剂的次数都 有利于提高除夹杂效率。由于搅拌熔融熔剂( 转速5 0 0 _ r p m ) 中的微量元素扩散 到铝熔体引起铝晶粒细化，处理后的铝晶粒尺寸大约是没有处理的铝晶粒尺寸的 三分之一，这是引起试样拉伸强度上升的主要原因。 合成了一种熔化温度范围为7 0 0 c 左右的活性涂层( 一种玻璃釉，对夹杂物 a 1 2 0 3 具有粘性和溶解性) ，并且活性涂层的成分不会扩散到铝熔体中，通过比较 发现，无硼的活性涂层成分会扩散到铝熔体中。将活性涂层制备成悬浮液涂覆到 陶瓷过滤器表面上，制备出活性涂层复合陶瓷过滤器。热力学分析表明，夹杂物 在熔融活性涂层中的润湿性比在铝熔体中的润湿性好，夹杂物具有从铝熔体迁移 到涂层上的趋势。动力学研究表明，在活性涂层捕获夹杂物没有被铝熔体冲刷掉 的条件下，铝流体的流速和过滤压力的增大以及孔径的减小均有利于提高活性涂 层捕获夹杂物的效率。实验结果表明，过滤效果最好的是用直径为0 7 m m 活性 涂层陶瓷颗粒过滤铝熔体，过滤后的拉伸试样的伸长率提高1 7 9 l ，而抗拉强 度没有变化。通过比较过滤前后的拉伸试样断口裂纹和韧窝发现，过滤后的拉伸 试样断口裂纹和韧窝分别变细和减小。o 7 m m 活性涂层陶瓷颗粒过滤后的试样与 没有过滤的试样中的夹杂物数量和尺寸相比分别要少和小，仅有少数尺寸在6 岬 左右的夹杂物。当活性涂层陶瓷颗粒装在可透气的耐火砖管内时，尽管活性涂层 能够捕获一部分夹杂物，但是过滤后的铝熔体与空气接触会产生新的夹杂物，反 而达不到过滤效果。用尺寸相对较大和涂层相对较厚的陶瓷颗粒过滤铝熔体可以 达到尺寸相对较小和涂层相对较薄的陶瓷颗粒过滤铝熔体的效果。另外，无涂层 的陶瓷过滤器捕获夹杂物效率较低，而活性涂层陶瓷过滤器捕获夹杂物效率高并 且方便快捷，它在铝加工工业中有着广阔的应用前景。 在陶瓷过滤器表面上的熔融活性熔剂容易被铝熔体冲刷掉，使得陶瓷过滤器 达不到活性过滤的效果。用陶瓷过滤器与熔融活性熔剂复合法过滤铝熔体，即把 陶瓷过滤器浸泡在熔融活性熔剂中，陶瓷过滤器把铝熔体分散成细小的铝流体流 过熔融活性熔剂层，并且保持整个复合过滤装置随铝熔体液面上升而上升，可以 达到复合过滤效果。用熔融活性熔剂和直径3 m m 陶瓷颗粒与4 0 p p i 泡沫陶瓷复 合法过滤铝熔体，可以有效地去除尺寸大于2 0 9 r n 左右的夹杂物。 在6 9 0 7 8 0 c 温度范围，用n 2 - - h 2 混合气体测试s r c e o 9 s y o 0 5 0 3 - 5 导质子 陶瓷膜。测试结果表明，实际测量燃料电池电动势值比理论计算电池电动势值要 低，电导率变化在4 7 x1 0 - 81 1x 1 0 6 ( 阽e m ) d 之间。在7 2 0 c ，用热力学计算燃 料电池( s o f c ) 效率，s o f c 效率为7 3 8 ，动力学计算s o f c 反应活化能约为1 1 8 k j m o l ，电极反应由异相反应控制。用s r c e o 9 5 y o 0 5 0 3 6 导质子陶瓷膜电化学分离 铝熔体中的氢，当通直流电( 电压5 0 v ，电流1 2 8 a ) 3 0 分钟后，测试结果显示 氢含量由0 1 5 m l 1 0 0 9a 1 降到0 1 2 m l 1 0 0 9a 1 ，降低了2 0 ，但拉伸试样的力 学性能变化不明显。 在上述研究的基础上，本文提出了搅拌熔融熔剂净化铝熔体的机理、活性涂 层捕获夹杂物的机理。本论文的创新之处在于建立了旋转铝滴中的夹杂物迁移到 i i 旋转熔融熔剂中的表面更新动力学模型，合成出一种能够涂覆到陶瓷过滤器表面 上的活性涂层，涂有这种活性涂层的陶瓷过滤器能够有效地捕获铝熔体中的夹杂 物并溶解a 1 ：0 。，初步研究了导质子陶瓷膜电化学分离铝熔体中氢的机理。 关键词：铝熔体夹杂物搅拌熔剂釉涂层扩散过滤导质子陶瓷膜 电化学除氢 i s t u d yo nt h er e m o v a 工o fi n c l u s i o n a n d h y d r o g e nf r o mm o l t e na l u m i n u m a b s t r a c t p i nh o l e s ( h y d r o g e n ) a n di n c l u s i o n si na l u m i n u mc a r li n f l u e n c ed i r e c t l yo r i n d i r e c t l yo ns t r e n g t h ，p l a s t i cd e f o r m a t i o n a n df i n a lp e r f o r m a n c eo fa l u m i n u m p r o d u c t s t h e r e f o r e ，i ti sa ni m p o r t a n tp r o c e s s t oi m p r o v ea l u m i n u m a l l o ym e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e ，r e m o v i n gi n c l u s i o n sa n dd e g a s s i n g f r o mm o l t e na l u m i n u m i nt h i sp a p e r , t h ei n c l u s i o n sa rer e m o v e df r o mm o l t e na l u m i n u mu s i n gt h es t i r r e dm o l t e na c t i v ef l u x ， c e r a m i c f i l t e r i n gm e d i u m ( c e r a m i cf o a mf i l t e r a n dc e r a m i cp a r t i c l e ) w i ma c t i v e c o a t i n g ，c o m b i n i n gb o t hm o l t e na c t i v ef l u xa n dc e r a m i cf i l t e r i n gm e d i u m ，a n dt h e p u r i f y i n gm e c h a n i s ma n dt e c h n o l o g ya r ef u r t h e ri n v e s t i g a t e d m e c h a n i c a lp r o p e r t y , f r a c t u r es u r f a c e ，s i z ea n dq u a n t i t yo ft h ei n c l u s i o n sa r es y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e d u s i n gt h ep u r i f i e dm o l t e na l u m i n u ma n du n p u r i f i e dm o l t e na l u m i n u m i na d d i t i o n , r e m o v a lo f h y d r o g e n f r o mm o l t e na l u m i n u mi sr e s e a r c h e di n i t i a l l yu s i n g s r c e o 9 5 y o 0 5 0 3 - 6c o n d u c t o rp r o t o nc e r a m i cm e m b r a n eu n d e re l e c t r i cf i e l dc o n d i t i o n t h et h e r m o d y n a m i ct h e o r ys h o w st h a tt h e r m o d y n a m i cs t a b i l i t yo ft h ei n c l u s i o n s i nm o l t e na l u m i n u mi sw o r s et h a nt h a ti nm o l t e nf l u x a sar e s u l t ，t h ei n c l u s i o n st e n d t ob et r a n s f e r r e df r o mt h em o l t e na l u m i n u mt o t h em o l t e nf l u x a f t e rm o l t e n a l u m i n u m ( 9 9 6 5 ) b e i n gt r e a t e du s i n gs t i r r e dm o l t e nf l u x ，i ti sf o u n dt h a tt e n s i l e s t r e n g t ho ft r e a t e ds p e c i m e ni n c r e a s e sb y8 5 9 ，b u ti t se l o n g a t i o ns l i g h t l yd e c r e a s e s s e me x a m i n a t i o ns h o w st h a tf r a c t u r ec r a c k sa n dd i m p l e so ft r e a t e dt e n s i l es p e c i m e n a r eu n i f o r m l yf i n e ra n ds m a l l e rt h a nt h o s eo fu n t r e a t e dt e n s i l es p e c i m e n q u a n t i t i e s a n ds i z e so ft h ei n c l u s i o n si nt r e a t e ds p e c i m e na r eo b v i o u s l ys m a l l e ra n df e w e rt h a n t h o s ei nu n t r e a t e dm e t a l l o g r a p h i cs p e c i m e n , a n dv o l u m ef r a c t i o n so ft h ei n c l u s i o n s a r ed e c r e a s e df r o m1 2 3 ( u n t r e a t e d ) t o0 9 2 ( t r e a t e dp r o c e s s ，5 0 0 r p m ) a c c o r d i n gt o s t a t i s t i c a lr e s u l to ft h el e c oa n a l y t i c a ls o f t w a r e t h ee f f i c i e n c yo fr e m o v i n gi n c l u s i o n i n c r e a s e sw h e nr o t a t es p e e da n dt i m e so fs t i r r i n gm o l t e nf l u xi n c r e a s e e x p e r i m e n t a l i v r e s u l t ss h o wt h a tt h eq u a n t i t i e so ft h ei n c l u s i o n si nt e n s i l es p e c i m e n ( 7 0 0 r p m ) a r e f e w e rt h a ni nt e n s i l es p e c i m e n ( 5 0 0 r p m ) ，b u tc o n t e n t so ft r a c ei m p u r i t ye l e m e n t si n t h ef o r m e ri sh i g h e rt h a nt h a ti nt h el a t t e r m o r e o v e r , g r a i nr e f i n e m e n to fa l u m i n u mi s p r o d u c e db e c a u s et r a c ei m p u r i t ye l e m e n t si nm o l t e nf l u xu n i f o r m l yd i f f u s ei n t of i n e a l u m i n u md r o p sd u r i n gm o l t e na l u m i n u mt r e a t e dw i t hs t i r r e dm o l t e nf l u x ( 5 0 0 r p m ) t h eg r a i ns i z e si nt r e a t e dm e t a l l o g r a p h i cs p e c i m e na r ea p p r o x i m a t eo n et h i r do ft h e g r a i ns i z e si nu n t r e a t e dm e t a l l o g r a p h i cs p e c i m e n ，w h i c hc a u s e si n c r e a s eo ft e n s i l e s t r e n g t h i na d d i t i o n ，t h el a r g eq u a n t i t i e so ff l u x e sa n dd i f f i c u l ts t i r r i n gp r o c e s sa r e s o m ed e f i c i e n c i e so fp u r i f y i n gm o l t e na l u m i n u m 谢t hs t i r r i n gm o l t e nf l u x t h ea c t i v ec o a t i n g ( e n a m e l ) w i t hc o r r o s i o nr e s i s t a n c et om o l t e na l u m i n u m ， v i s c o s i t ya n ds o l u b i l i t y t oi n c l u s i o nh a sb e e ns y n t h e s i z e da b o u t7 0 0 m e l t i n g t e m p e r a t u r e ，w h i c ha r ep r e p a r e di n t oe n a m e ls u s p e n d i n gl i q u i da n dc o a t e do nt h e s u r f a c eo fc e r a m i c f i l t e r i n gm e d i u m t h et h e r m o d y n a m i ct h e o r y s h o w st h a t w e t t a b i l i t yo ft h ei n c l u s i o n si nm o l t e ne n a m e l i sb e t t e rt h a ni nm o l t e na l u m i n u m ，a n d t h ei n c l u s i o n sh a v eat r e n dt ot r a n s f e rf r o mm o l t e na l u m i n u mt om o l t e na c t i v ec o a t i n g a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fk i n e t i ca n a l y s i s ，i ff l o w i n gv e l o c i t yo fm o l t e na l u m i n u m a n df i l t e r i n gp r e s s u r ei n c r e a s ea sw e l la sp o r ed i a m e t e ro fc e r a m i cf i l t e rd e c r e a s e ， e f f i c i e n c yo fr e m o v i n gi n c l u s i o n so fc e r a m i cf i l t e r sw i t ha c t i v ec o a t i n ga l s oi n c r e a s e s u n d e rc a p t u r e di n c l u s i o n sb e i n gn o tw a s h e da w a yc o n d i t i o n e x p e r i m e n t a lt e s ts h o w s t h a tt h eb e s tf i l t r a t i o nr e s u l ti st h ec o a t e dc e r a m i cp a r t i c l e so f0 7 r a mi nd i a m e t e r f i l t e r i n gm o l t e na l u m i n u m a n de l o n g a t i o no ff i l t e r e dt e n s i l es p e c i m e ni n c r e a s e sb y 1 7 9 1 ，a n di t st e n s i l es t r e n g t hh a r d l yc h a n g e s m o r e o v e r , t h ee l e m e n t si na c t i v e c o a t i n gd on o td i f f u s ei n t ot h em o l t e na l u m i n u ma c c o r d i n gt ot h ei n d u c t i v ec o u p l e p l a s m ae m i s s i o ns p e c t r o s c o p y ( i c p - a e s ，i r i s - 1 0 0 0t y p e ) d e t e c t i o nr e s u l t s b yo b s e r v i n g t h e f r a c t u r ec r a c k sa n dd i m p l e so ff i l t e r e da n du n f i l t e r e dt e n s i l es p e c i m e n ，i ti ss h o w nt h a t t h ef r a c t u r ec r a c k sa n dd i m p l e so ff i l t e r e dt e n s i l es p e c i m e na r er e s p e c t i v e l yf i n e ra n d s m a l l e rt h a nt h o s eo fu n f i l t e r e dt e n s i l es p e c i m e n m e t a l l o g r a p h i co b s e r v a t i o ns h o w s t h a tt h eq u a n t i t i e sa n ds i z e so ft h ei n c l u s i o n si nf i l t e r e dt e n s i l es p e c i m e na r eo b v i o u s l y f e w e ra n ds m a l l e rt h a nt h e s eo fu n f i l t e r e dt e n s i l es p e c i m e n ，a n dt h e r ea r eo n l yf e w i n c l u s i o n so f6 岫i nd i a m e t e r t h o u g ha c t i v ec o a t i n gc a nc a p t u r es o m ei n c l u s i o n s v u s i n gc o a t e dc e r a m i cp a r t i c l e sf i l l e di na l la i r p e r m e a b l ef i r e b r i c kt u b e ，f i l t e r e dm o l t e n a l u m i n u mc a nc o n t a c tw i t ha i rt op r o d u c es e c o n d a r yi n c l u s i o n sd u r i n gf i l t e r i n g p r o c e s s o nt h eo t h e rh a n d ，f i l t e r i n ge f f e c to fr e l a t i v e l yl a r g ea n dt h i c kc e r a m i c p a r t i c l e sw i t l lc o a t i n ga l m o s tr e a c h e sf i l t e r i n ge f f e c to fr e l a t i v e l ys m a l la n dt h i n c e r a m i cp a r t i c l e sw i t hc o a t i n g m o r e o v e r , e f f i c i e n c yo fc a p t u r i n gi n c l u s i o ni sl o wt o t h eu n c o a t e dc e r a m i cf i l t e r t h ec e r a m i cf i l t e r sw i t ha c t i v e c o a t i n gh a v eh i 曲 e f f i c i e n c ya n d c o n v e n i e n c eo f r e r n o v i n gt h ei n c l u s i o n sf i o mm o l t e na l u m i n u m ，w h i c h h a sw i d ea p p l i e dp r o s p e c ti na l u m i n u mp r o c e s si n d u s t r y t h ea c t i v ef l u xo nt h es u r f a c eo fc e r a m i cf i l t e r i n gm e d i u mi se a s i l yw a s h e da w a y w h e nt h em o l t e na l u m i n u mi s f i l t e r e d ，w h i c hh a sn oe f f e c to fa c t i v ef i l t r a t i o n h o w e v e r , t h em o l t e na l u m i n u mi sf i l t e r e ds i m u l t a n e o u s l yb yb o t hc e r a m i cf i l t e r i n g m e d i u ma n dt h ea c t i v ef l u x t h ec e r a m i cf i l t e r i n gm e d i u mi s d i p p e di n t om o l t e n a c t i v ef l u x ，a n dt h em o l t e na l u m i n u mi sd i s p e r s e db yt h ec e r a m i cf i l t e r i n gm e d i u m i n t of i n ef l u i d so fm o l t e na l u m i n u mp a s s i n gt h r o u g hm o l t e na c t i v ef l u x c o m p o u n d f i l t e r i n ga p p a r a t u si sr a i s e da l o n gw i t hr a i s eo fm o l t e na l u m i n u m ，w h i c hr e a c h e s c o m p o u n df i l t e r i n ge f f e c t t h ei n c l u s i o n sa b o u t2 0 p r oi nd i a m e t e ra r er e m o v e df i o m m o l t e na l u m i n u mu s i n gc o m p o u n d f i l t e r i n ga p p a r a t u so fc e r a m i cp a r t i c l e so f3 m m i n d i a m e t e ra n dm o l t e na c t i v ef l u x s r c e o 9 5 y 0 0 5 0 3 6c o n d u c t o rp r o t o nc e r a m i cm e m b r a n ei st e s t e du s i n gm i x e dg a s ( n 2 - h 2 ) a t6 9 0 - - - 7 8 0 cr a n g e ，r e s p e c t i v e l y i m p e d a n c es p e c t r ae x a m i n a t i o ns h o w s t h a tm e a s u r e de l e c t r i cp o t e n t i a lv a l u eo ff u e lc e l li sl o w e rt h a nt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n v a l u eo ff u e lc e l l ，a n dc o n d u c t i v i t yo fc o n d u c t o rp r o t o nc e r a m i cm e m b r a n ei s4 7 1 0 。s _ 1 1 1 0 。6 ( q c m ) 一r a n g e a t7 2 0 c ，s o f ce f f i c i e n c yi s7 3 8 a c c o r d i n gt o c a l c u l a t i n gr e s u l t so ft h e r m o d y n a m i ct h e o r y k i n e t i cc a l c u l a t i o ns h o w st h a ta c t i v a t i o n e n e r g yo fc h e m i c a lr e a c t i o ni sa b o u t118k j m o l ，a n de l e c t r o d er e a c t i o ni sc o n t r o l l e d b yh e t e r o g e n e o u sr e a c t i o n m o r e o v e r , h y d r o g e ni nm o l t e na l u m i n u mi ss e p a r a t e db y s r c e o 9 5 y 0 0 5 0 3 - _ 5c o n d u c t o rp r o t o nc e r a m i cm e m b r a n eu n d e re l e c t r i cf i e l dc o n d i t i o n a r e rd i r e c tc u r r e n tb e i n gi m p o s e da b o u t3 0m i n u t e s ，h y d r o g e nc o n t e n ti nm o l t e n a l u m i n u mr e d u c e sf r o mo 1 5 m l 1 0 0 9a it o0 1 2 m l 1 0 0 9a 1 ，a n dd e c r e a s e sb y2 0 ， b u tt e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o no ft e n s i l es t r e n g t hh a r d l yi n c r e a s e s a c c o r d i n gt oa b o v er e s e a r c h i n gr e s u l t s ，m e c h a n i s mo fm o l t e na l u m i n u mp u r i f i e d w i t hs t i r r i n gm o l t e nf l u xa n dm e c h a n i s mo fi n c l u s i o n sc a p t u r e dw i t ha c t i v ec o a t i n g a l ep u tf o r w a r di nt h i sp a p e r i n n o v a t i o n si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ：s u r f a c er e n e w a l k i n e t i cm o d e lo fi n c l u s i o n si n r o t a t i o n a la l u m i n u md r o p l e t st r a n s f e r r i n gi n t ot h e s t i r r e dm o l t e nf l u xi se s t a b l i s h e d a c t i v ec o a t i n go nt h es u r f a c eo fc e r a m i cf i l t e ri s s y n t h e s i z e d ，a n dt h ei n c l u s i o n si nm o l t e na l u m i n u ma r ec a p t u r e db yc e r a m i cf i l t e r s w i t ha c t i v ec o a t i n ga n dd i s s o l v e di na c t i v ec o a t i n g ( a 1 2 0 3 ) m e c h a n i s mo fr e m o v i n g h y d r o g e ni nm o l t e na l u m i n u mi s r e s e a r c h e di n i t i a l l yw i t hb o t hs r c c o 9 5 y o 0 5 0 3 - s c o n d u c t o rp r o t o nc e r a m i cm e m b r a n ea n de l e c t r o c h e m i s t r y k e y w o r d ：m o l t e na l u m i n u m i n c l u s i o ns t i r r e dm o l t e nf l u x d i f f u s i o n a c t i v ec o a t i n g ( e n a m e l )f i l t r a t i o n c o m p o u n df i l t r a t i o n c o n d u c t o rp r o t o nc e r a m i cm e m b r a n e e l e c t r o c h e m i c a ls e p a r a t i o nh y d r o g e n i 上海交通大学上海父逦大罕 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：f 每呜 日期：跏，月矽日 上海交通大学上海父逋大芋 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 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、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密面，在上年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：【毒3 吻 厂、 日期：年月日 指导教师签名： 孙，哿渺 日期：伊哆年易月【口日 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 引言 铝是工业应用中仅次于钢铁的第二大金属，目前全世界原铝的年产量已超过2 0 0 0 万吨。 由于具有较高的比强度、良好的抗疲劳性能和成形性能、高耐腐蚀性能和高电导率等优越性 能，铝合金已在汽车制造、航空航天、包装、电力、电子电器、建筑等各个工业领域得到了 广泛应用【l - 3 1 。 我国已成为世界第三大铝材消费国，铝材的产量也排在世界第二位，同时我国又是世 界最大的铝材进口国，这是因为我国铝材行业与先进国家相比，在生产规模、装机控制水 平以及产品质量等方面还存在巨大差距，其中国内铝坯、尤其是高质量的铝坯供给能力不 足、缺口大是突出的问题。制约铝坯质量提高和产量扩大的一个重要因素是铝坯中的气体 和非金属夹杂物含量偏高，使铝坯后续加工困难，表明现有的铝熔体除气和去除夹杂物技 术还不能满足生产实际要求【4 1 。 铝是一种活泼金属，在熔炼过程中易与水汽反应生成氧化夹杂和氢，同时在熔铸过程中 一些非金属夹杂物也容易进入铝熔体。这些夹杂物在铝铸锭中会造成疏松、气孔、夹渣等缺 陷，直接影响铝材质量。另外氧化膜也是一种裂纹，在紊流作用下，氧化膜进入铝熔体中。 当铝液凝固后，就会在铸件内形成弯弯曲曲的裂纹路径，当这种裂纹路径贯穿铸件两个表面 时，就会导致铸件的渗漏f 5 1 。 氢在液态铝合金中和固态铝合金中的饱和溶解度相差极大( 约为1 7 倍) 嗍。当铝液凝固 时，溶解在铝液中的氢析出产生气孔，气孔不仅减少铸件有效截面积，且造成局部应力集 中，成为材料断裂的裂纹源。 在铝加工业中，去除铝合金中非金属夹杂和氢的方法主要有泡沫陶瓷和陶瓷颗粒过滤 除夹杂法【7 8 一、静置【1 0 1 、气体精炼【1 1 1 、熔剂除夹杂法【l i l 2 1 、气泡浮游法除氢【5 ，1 1 噜，这些方 法存在这样或那样的问题。因此，本论文将从热力学和动力学角度研究去除铝熔体中夹杂物 和氢的机理，探讨净化铝熔体的新思路和新工艺，以适应大规模工业生产需要。 1 2 铝熔体中的非金属夹杂物 1 2 1 夹杂物来源和类型 铝的化学性质非常活泼，在熔炼过程中容易与空气中的水分反应，生成氢气和氧化铝夹 杂物( a 1 2 0 3 ) ，同时也与空气中的0 2 发生化学反应，生成a 1 2 0 3 夹杂物。铝熔体在精炼处 理和运输过程中，氧化物、炉膛碎片等夹杂物容易带入铝熔体中，形成非金属夹杂物。此外， 电解铝生产过程中还会产生一些非氧化物形式夹杂物，如t i b 2 、a h c 3 、m g m 2 0 4 等等【1 3 】。 l 第一章文献综述 表1 1 铝合金中的典型夹杂物1 7 ，1 8 ，1 9 2 0 】 t a b l e1 - 1t y p i c a li n c l u s i o n si na l u m i n u ma l l o y s 夹杂种类化学式形态 密度( g c m ) 尺寸( 岬) 含量( p p m ) 来源 颗粒粒0 2 3 0 a 1 2 0 3 3 9 7 膜膜1 0 - 5 0 0 0 颗粒粒0 1 - 5 m g o 3 5 8氧化反应 氧化物膜膜1 0 5 0 0 0 6 - 1 6 耐火材料 颗粒 粒0 1 - 5 m g a l 2 0 4 3 6 膜膜1 0 5 0 0 0 s i 0 2 颗粒2 6 60 5 5 氯化物颗粒1 9 8 2 1 6o 1 5 氯精炼、冰晶石电解 盐类 氟化物颗粒1 9 8 2 1 60 1 5 1 液，盐炉回收边角料 a 1 4 c 3 颗粒2 3 6o 5 2 52 1 2 碳化物高温铝热反应 s i c颗粒3 。2 2 颗粒 氮化物a l n3 2 61 0 5 03 1 2高温铝热反应 膜 4 01 5 0初生金属间化合物 c r ) s i 根据夹杂物的形成过程，可以把夹杂物分为一次和二次夹杂物。一次夹杂物又称外来夹 杂物，它是铝锭在熔炼过程中与外界接触发生作用产生的夹杂物。如炉料表面砂土和炉衬、 浇包、浇道碎片等与铝熔体作用，形成熔渣而滞留在铝熔体中。这类夹杂物的一般特征是外 形不规则，尺寸比较大；二次夹杂物又称为炉内生成夹杂物，主要形成于充型过程，其中表 面紊流是造成二次夹杂的一个主要原因。它是铝锭在熔炼过程中，各种物理化学反应形成的 夹杂物。炉内生成夹杂物一般来说分布比较均匀，颗粒也比较小。对于重力充型，当充型速 度超过临界值( 约0 5 r n s ) 时，惯性力的作用下使液流前端的氧化膜打破，造成氧化物夹杂 分布于整个铸件内【1 4 , 1 5 】。另外，二次夹杂因不易去除，隐蔽性大，具有更大的危害性。 根据夹杂物的化学成分，铝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，表1 1 列出一些夹杂物的形态、密度、尺寸、含量以及来源。此外，在铝合金熔体过 2 第一章文献综述 程中还会出现一些不希望有的初生金属间化合物，如a 1 3 z r ，a 1 3 t i 等。含f e 铝合金可能会 形成多种富f e 的金属间化合物，如a - a 1 1 5 f e 3 s i 2 ，璺- a 1 5 f e s i ，6 札f e s i 2 ，- a l s m 9 3 f e s i 6 等 3 1 。s i m e n s e n 和b e r g ”1 的研究表明，在工业纯铝中主要有以下几种类型夹杂：6 - ，1 6 p p m 氧 化物、3 1 2 p p m 氮化物( 如a i n ) 、2 - 1 2 p p m 碳化物( 如a h c s ) 和不超过1 p p m 冰晶石、硼 化物。此外，经过晶粒细化的铝合金中一般含有1 0 1 0 0 p p m t i b 2 和v b 2 。 1 。2 2 夹杂物对铝合金的危害 在铝合金铸件中的非金属夹杂会对铸件的性能及可靠性带来极大危害性，主要表现在以 下几个方面： 夹杂物的存在会增加铝熔体粘度，降低铝合金的铸造性能，促进形成疏松等铸造缺陷。 大多数夹杂物与金属基体在弹性性能上有较大的差别，在金属变形过程中，夹杂物周围就会 产生愈来愈大的应力集中，从而使之开裂或者夹杂物与基体的连接遭到破坏，为疲劳裂纹的 萌生提供核心及形成显微空隙，并影响裂纹的扩展过程，降低零件的抗疲劳性能