（材料加工工程专业论文）7075铝合金旋转喷吹精炼工艺的研究.pdf

哈尔滨理t 大学丁学硕f ：学位论文 7 0 7 5 铝合金旋转喷吹精炼工艺的研究 摘要 7 0 7 5 铝合金为高强铝合金，广泛应用于航空、航天、国防、兵器、交 通运输等领域，但目前国内生产的7 0 7 5 铝合盒的气体含量偏高，导致产生 大量疏松废品，降低成材率。因此探索新型精炼工艺，提供合理的精炼工艺 以提高7 0 7 5 铝合金的除气率成为国内外研究的热门课题。 本文首先利用正交实验的方法探讨了旋转喷吹工艺参数对7 0 7 5 铝合金 精炼效果的影响，结果表明：在旋转喷吹的各个工艺因素中，转子转速对旋 转喷吹精炼效果的影响最大，气体流量、精炼时间次之，静止时间的影响最 小；优化后的最佳除气净化工艺参数为在4 0 0r m i n 转子转速下，以0 4 m 3 h 的气体流量旋转精炼1 5m i n ，然后静置6m i n 。 其次，对传统的c 2 c 1 6 精炼工艺和旋转喷吹精炼工艺的除气率进行了对 比实验研究，结果表明：传统的c 2 c 1 6 铝合金精炼的除气率为3 0 ，而旋转 喷吹精炼的除气率可达到7 0 。 在上述研究基础上，对c 2 c 1 6 和旋转喷吹混合精炼的工艺方法进行了研 究，结果表明：这种混合精炼的除气率可达到7 8 。 最后，对各个工艺参数下的试样进行了气孔分布状况的观察、硬度实验 和拉伸实验，并研究了热处理工艺对旋转喷吹精炼后试样的气孔分布状况和 力学性能的影响。结果表明：c 2 c 1 6 精炼得到的试样气孔含量较高，硬度值 ( h r b ) 平均为5 5 ，抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为3 5 2 m p a 、3 1 8 m p a 和4 2 ；而旋转喷吹精炼的试样气孔含量较低，硬度值( h r b ) 平均为6 3 ， 抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为3 9 6 m p a 、3 5 8 m p a 和4 7 ；c 2 c 1 6 和 旋转喷吹混合精炼后的气孔含量更低，硬度值( h r b ) 平均可达到6 7 ，抗拉强 度、屈服强度和延伸率分别为4 4 6 m p a 、3 9 8 m p a 和5 3 ；旋转喷吹精炼后 的铝合金经固溶和时效热处理后，硬度和拉伸性能都升高，而且固溶加时效 比只固溶的效果更好。 关键词铝合金；旋转喷吹；精炼；正交实验 哈尔滨理丁大学t 学硕上学位论文 r e s e a r c ho fr e f i n i n gp r o c e s so f7 0 7 5 a 1a l l o y sb y s p i n n i n gr o t o rd e g a s s i n g a b s t r a c t t h e7 0 7 5a l u m i n u ma l l o y sh a v eb e e nw i d e l yu s e dt oa v i a t i o n ，a e r o s p a c e ， d e f e n s e ，w e a p o n s ，t r a n s p o r t a t i o n ，a n do t h e rf i e l d sb e c a u s eo ft h e i rh i g hs t r e n g t h h o w e v e r ，e v e r yy e a ral a r g ea m o u n to fs p o i l e dp r o d u c t so f7 0 7 5a l u m i n u ma l l o y s h a v eb e e np r o d u c e db e c a u s eo fh i g hl e v e l so fg a sc o n t e n t t h e r e f o r e ，e x p l o r ea n e wr e f i n i n gp r o c e s sa n dp r o v i d ear e a s o n a b l er e f i n i n gp r o c e s st oi n c r e a s et h e d e g a s s i n gr a t eo f7 0 7 5a l u m i n u ma l l o yh a sb e c o m et h ef o c u so ft h es t u d ya t h o m ea n da b r o a d f i r s t ，t h i sp a p e re x p l o r e dt h ef a c t o r so ft h es p i n n i n gr o t o rd e g a s s i n g p u r i f i c a t i o np r o c e s so nt h e7 0 7 5a l u m i n u ma l l o y sr e f i n e m e n t ，t h er e s u l ts h o w s t h a tt h er o t a t i o n a ls p e e do fr o t o rh a ss i g n i f i c a n te f f e c to np u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c y ， g a sf l o wa n dr e f i n i n g t i m e h a v eal i r l ee f f e c t ，a n dp u r i f i c a t i o ne f f e c to f g e o s t a t i o n a r yt i m ei st h el e a s t t h eo p t i m u mp u r i f i c a t i o np a r a m e t e r ss e l e c t e db y o r t h o g o n a lt a b l ea sf o l l o w s ，r o t o rs p e e do f4 0 0r m i n ，i n e r tg a sf l o wo f0 4m l h ，r e f i n i n gt i m eo f15m i n ，a n dg e o s t a t i o n a r yt i m eo f6m i n s e c o n d ，t h ec o m p a r i s o no fd e g a s s i n gr a t eb e t w e e ns p i n n i n gr o t o rd e g a s s i n g p u r i f i c a t i o np r o c e s sa n dc o n v e n t i o n a lc 2 c 1 6p u r i f i c a t i o nh a db e e ns t u d i e d t h e r e s u l ts h o w st h a tt h ed e g a s s i n gr a t eo ft h et r a d i t i o n a lc 2 c 1 6r e f i n i n gm e t h o di s3 0 p e r c e n t ，a n dt h ed e g a s s i n gr a t eo fs p i n n i n gr o t o rd e g a s s i n gc a nr e a c hu pt o 7 0 p e r c e n t o nt h eb a s i so ft h e s es t u d i e s ，t h ec 2 c 1 6a n ds p i n n i n gr o t o rd e g a s s i n gm i x e d p u r i f i c a t i o nh a db e e ns t u d i e d t h er e s u l ts h o w st h a td e g a s s i n gr a t eo ft h i sm i x e d p u r i f i c a t i o nc a nr e a c hu pt o7 8p e r c e n t f i n a l l y , t h ep o r o s i t y d i s t r i b u t i o no f s a m p l e su n d e rv a r i o u sp r o c e s s p a r a m e t e r sw a st ob eo b s e r v e d ，a n dt h eh a r d n e s s a n dt e n s i l ep r o p e r t yw e r e m e a s u r e d t h ei n f l u e n c eo fh e a tt r e a t m e n to nt h ep o r o s i t yd i s t r i b u t i o na n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h es a m p l e sh a da l s ob e e nr e s e a r c h e d t h er e s u l ts h o w s i i 哈尔滨理丁人学工学硕1 ：学位论文 t h a t ：t h es a m p l e su s e db yc 2 c 1 6r e f i n i n gh a v eh i g h e rl e v e l so fp o r o s i t y ，t h e a v e r a g eh a r d n e s s ( h r b ) v a l u eo f5 5 ，a n dt h et e n s i l es t r e n g t h ，y i e l ds t r e n g t ha n d e l o n g a t i o no f3 5 2 m p a 3 18 m p aa n d4 2 r e s p e c t i v e l y , t h es a m p l e su s e db y s p i n n i n gr o t o rd e g a s s i n gp u r i f i c a t i o nh a v el o w e rl e v e l so fp o r o s i t yc o n t e n t ，t h e a v e r a g eh a r d n e s s ( h r b ) v a l u eo f6 3 ，a n dt h et e n s i l es t r e n g t h ，y i e l ds t r e n g t ha n d e l o n g a t i o no f3 9 6 m p a 3 5 8 m p aa n d4 7 r e s p e c t i v e l y t h ec 2 c 1 6a n ds p i n n i n g r o t o rd e g a s s i n gm i x e dp u r i f i c a t i o nh a v et h em i n i m u mp o r o s i t yc o n t e n t ，t h e a v e r a g eh a r d n e s s ( h r b ) v a l u eo f6 7 ，a n dt h et e n s i l es t r e n g t h ，y i e l ds t r e n g t ha n d e l o n g a t i o no f4 4 6 m p a ，3 9 8 m p aa n d5 3 r e s p e c t i v e l y t h eh a r d n e s s ，t e n s i l e s t r e n g t h ，y i e l ds t r e n g t ha n de l o n g a t i o no f7 0 7 5a l u m i n u ma l l o y su s e db ys p i n n i n g r o t o rd e g a s s i n gp u r i f i c a t i o nh a v eb e e ni n c r e a s e da f t e rt h es o l u t i o na n da g i n gh e a t t r e a t m e n t a n dt h ee f f e c ta f t e ra g i n gi sb e t t e rt h a nt h a to fa f t e rs o l u t i o nt r e a t m e n t k e y w o r d s a l u m i n u ma l l o y s ，s p i n n i n gr o t o rd e g a s s i n g ，p u r i f i c a t i o n ，o r t h o g o n a l t a b l ee x p e r i m e n t i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( 7 0 7 5 铝合金旋转精炼工艺 的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人己 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 占熬 o 日期：a 咿曙年乡月心同 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 ( 7 0 7 5 铝合金旋转喷吹精炼工艺的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨 理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解 哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门 提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密叫。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 声建式 日期：击船年；刷妇 导师签名：了三西荡 日期：2 诉3 月心日 | 哈尔滨理t 大学t 学硕i j 学位论文 1 1 课题的来源及意义 第1 章绪论 1 1 1 课题的来源 本课题为哈尔滨市科技攻关计划项目。项目号为：2 0 0 5 a a 5 c g 0 4 6 。 1 1 2 课题研究的目的和意义 7 0 7 5 铝合金为高强铝合金，其最终产品广泛应用于航空、航天、国防、兵 器、交通运输等各领域。但东北轻合金公司每年都会因7 0 7 5 铝合金的气体含 量偏高，导致大量疏松废品，降低成材率，仅2 0 0 3 年就出现4 0 0 吨的废品， 每吨按5 0 万元计算，损失两千多万元，给企业带来了巨大的经济损失。而且 这种缺陷经常出现在正常工艺参数范围内，有时同一批合会锭，合金的成分、 熔铸工艺及轧制工艺都相同，有的合格，有的却因气含量高轧制后出现气泡、 气孔等缺陷，造成报废。探索新型精炼工艺，提供合理的精炼工艺，解决工业 化生产过程中出现的因含气量高而导致的成材率低的技术难题，整体提高我国 铝加工的技术水平，使7 0 7 5 铝合金的质量大幅度提高，达到国际先进水平， 具有重要的理论意义和实际价值。并且可大大提高7 0 7 5 铝合金的成材率，大 幅度降低生产成本，扩大7 0 7 5 铝合金的应用范围，将给企业带来巨大的经济 效益和社会效益。 1 2 国内外铝合金精炼技术发展概况 铝合金材料具有优良特性。诸如密度小，比强度和比刚度高，弹性好，抗冲 击性能良好，耐腐蚀，耐磨，高导电，高导热，易进行表面处理，良好的加工成型性 以及高回收特性等。因此，在汽车、航空航天产业及其相关产业，铝合金材料的 需求量越来越大，用途范围较广。做为铝加工行业，应当发挥各种工艺装备的优 势，不断地开发具有附加值，应用于汽车、航空航天领域的铝合金产品，具有极 大的潜力【1 1 ，而气体( 氢) 与夹杂物( a 1 2 0 3 ) 冶金缺陷的存在会直接影响到铝合 金产品的强度、塑性变形性能及最终的使用性能等【2 i 。因此，要想获得高质量的 哈尔滨理t 人学t 学硕j ：学位论文 产品，就得在铸件或加工件用的坯锭前设法消除这些冶金缺陷，以提高铝合金熔 体的纯净度。对铝合金生产厂家来说，对铝合金熔体采用合理的净化处理技术 是提高熔体纯净度的关键。应当充分认识到铝合金熔体净化处理在铝合金材料 应用领域的地位与重要性，重视研究开发净化方法及对应的除气除渣熔剂等措 施【3 1 。 铝合金熔体的净化方法按其作用原理可分为吸附净化与非吸附净化两个基 本类型1 4 】。吸附净化是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与固体氧化夹杂物发生物理化 学的，物理的或机械的作用，达到除气除杂的目的。如吹气法、过滤法、熔剂法 等。非吸附净化是指不依靠向熔体中加吸附剂，而通过某种物理作用( 如真空、 超声波、密度差等) ，改变金属一气体系统或金属一央杂物系统的平衡状态，从 而使气体或固体夹杂物从铝熔体中分离出来的方法。如静置处理、真空处理、 超声波处理等。 过滤法是指让铝合金熔体通过中性或活性材料制造的过滤器，以分离悬浮 在熔体中的固体夹杂物的净化方法。过滤材质有玻璃布、刚玉球以及泡沫陶 瓷。过滤法只能除去熔体中的夹杂物，但除氢效果甚微。 溶剂法是在铝合金熔炼过程中，将熔剂加入到熔体内部，通过一系列物理化 学作用，达到除气除杂的目的。除了以除气、除渣为目的的熔剂外，还有一些其 它熔剂，如覆盖剂、清渣剂等。各种熔剂重复使用，造成熔剂成本增高，也会增 加人为的引入杂质的几率。 吹气法又称气泡浮游法。其原理是在铝液中通入惰性气体或不溶于铝液的 活性气体，或加入氯盐( 氯化物) 与铝液反应生成气体，在铝液内产生大量外逸气 泡。传统的气泡浮游法除气净化技术，如单管吹气法和多孔吹头法只能满足某 方面的条件，难以满足净化的各项要求。多孔吹头法虽比单管法产生更小些气 泡，但改善作用不大。 单管吹气是较早的吹气精炼方法，就是直接将精炼气体通过一个管子吹入 熔体，属于炉内精炼。由于吹管内径大( 或在吹管上钻孔) ，在铝液中产生的气 泡大，铝液易飞溅，而气泡上浮速度快，降低了气泡与铝液的接触面积和作用 时间，精炼效果较差1 5 l 。目前采用此种精炼方法的厂家已很少。 为了进一步提高铝液精炼效果，在单管吹气基础上发展起来的微孔吹头精 炼工艺得到了较快的发展。由于精炼气体通道的微细化，在铝液中产生气泡直 径在1 3 r a m ，上浮速度慢，有效地增加了气体与铝液的作用时问和作用面积， 图1 1 为微孔吹头的水模拟照片1 6 1 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图1 1 微孔吹头的水模拟照片 f i g 1 1p h o t os i m u l a t i o no fw a t e ro fm i c r o p o r o u sb l o w i n g 静置处理是指将铝熔体在浇注前静置一段时间，由于夹杂物密度比铝熔体 的大，所以夹杂物会自发下沉，从而得到从熔体中分离的目的，小颗粒夹杂物很 难用该方法除去。 真空处理是将熔体置于真空室内，在一定的温度下静止一段时间，铝液中 的氢或因温度下降引起的溶解度降低，或因含氢量超过溶解度，氢自动从铝液 中呈气泡排除并带走夹杂物的方法。真空处理是降低铝熔体中氢的最有效方 法。但这种处理设备需真空密封设备价格昂贵，而且造成熔体温度的损失较大， 除杂能力也极为有限，因此在工业生产中很少采用【7 】。 超声波处理是指在向铝液中通入超声波时，铝液内部会产生“空穴现 象，破坏了铝液的连续性，形成无数显微空穴，使氢原子渗入空穴，并形核长 大成气泡上浮，带走夹杂物的方法。 目前，国内外对除气方面研究较多，人们已经不满足炉内净化，为了达到 更高的标准，现在主要精力已经放在研制专门的在线除气设备上。在线除气是 指在浇注前让熔体流过一个在线的专门除气设备，使熔体含气量大幅度减少， 然后在短时间内浇注。这样缩短了熔体与大气的接触时间，可以尽量避免二次 吸气，除气效果更佳。设计优良的设备可以起到良好的除气精炼效果，大幅度 提高产品质量，降低废品率和减少生产成本【8 1 。 早期的在线除气装置比较简单。a i r - l i q u i d e 法熔体处理装置就是一种非常 简单的除气精炼方式【9 j 。其底部装有透气砖( 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 哈尔滨理丁人学t 学硕j ：学位论文 将其带出表面，从而产生净化效果，但效果不甚理想。其装置示意图如图1 2 所示【1 0 i 。 n 2 1 隔板2 透气砖 图l - 2a i r - l i q u i d e 法熔体处理装置示意图 f i g 1 2t h es c h e m a t i co fa i rl i q u i d eo fm e l t t r e a t m e n tp l a n t a l c o a 4 6 9 法由美国铝业公司( a l c o a ) 开发成功，其装置的示意图如图1 3 所 示【1 。 入口出口 1 隔板2 氧化铝薄片3 氧化铝球4 气体扩散器 图1 3a l c o m 6 9 法熔体处理装置示意图 f i g 1 - 3t h es c h e m a t i co f a i c o m 6 9o fm e l t t r e a t m e n tp l a n t 在装置中，熔体通过两次氧化铝球的过滤。在两过滤床的底部设有气体扩 哈尔滨理丁人学t 学硕：l j 学位论文 散器，熔体在过滤的同时吹入氮、氩或少许氯( 1 1 0 ) 进行清洗。 英国铝业公司( b a c o ) 研制成功的一种连续净化法f i l d 法，如图1 4 所示。此 方法是用中间隔板将装置分为两室，熔体通过表层熔剂进入第一室，从气体扩 散器吹出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 未涂熔剂的氧化铝球滤床的过滤，得以净化。图1 4 为f i l d 法熔体处理装置 示意刚1 2 1 。 1 隔极2 烙剂3 气体扩散器 4 涂有熔剂的氧化铝球5 氧化铝球 图1 - 4f i l d 法熔体处理装置示意图 f i g 1 - 4t h es c h e m a t i co ff i l do f m e l t t r e a t m e n tp l a n t 过滤法与吹气法相结合，还有m i n t 法【1 3 1 ，是固定喷头的气体精炼法，此 法是美国联合铝业公司于上世纪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、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射入除气室，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，排杂除气的效果较好，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 l 1 0 0 9 a 1 ，5 0 l t m 以上夹杂物除掉率 达到8 0 以上，碱金属n a 量降到3 1 0 4 以下【1 4 i 。该装置是国外较早、并且早 期时广泛应用于生产的除气装置。精炼气体从固定的喷嘴喷入熔体，起到净化 哈尔滨理t 人学丁学硕i 二学位论文 除气作用，然后熔体经过一个过滤装置过滤，再进行浇注。装置示意图如1 5 所示【”】。 喷 图1 5m i n t 法除气+ 过滤装置示意图 f i g 1 5t h es c h e m a t i co fm i n td e g a s s i n g + f i l t e rd e v i c e 东北轻合金有限责任公司( 中国一铝) 在面对7 系变形铝合金含气量大、废 品率居高不下的情况下，自主研发了一套铝熔体双级除气双级过滤净化装置， 主要包括双级净化炉( x 2 级除气双级过滤炉) ，炉子电控、温控、气控系统，熔 体流道和浇铸系统。其中炉体部分如图1 - 6 所利1 6 】： l 一铁壳；2 一硅酸铝保温层；3 一整体炉衬；4 一一级透气砖除气：5 一二级透气砖除气； 6 一一级陶瓷板过滤；7 一二极陶瓷过滤；8 一熔体静置室；9 一出口；1 0 - - 入口 图1 - 6 双级净化炉炉体平面结构示意图 f i g 1 6t h es c h e m a t i co ft w o - s t a g ep u r i f i c a t i o nf u m a c es t r u c t u r e 哈尔滨理t 人学丁学硕f ：学位论文 熔体净化流程：从入口流入炉内的熔体经过第一次除气后，从隔墙下端的 流口流入第二除气室进行第二次除气；然后从中间隔离墙的流口流入第一过滤 室进行第一次过滤，流入第二过滤室进行第二次过滤；熔体再流入静置室，静 置后从出口流进分流盘进入铸模进行铸造【1 7 i 。 在8 0 年代德国即出现了旋转喷吹的设备，核心技术在于旋转吹头，图1 7 为r o t o s t r e a m 装置的三种转头【1 8 1 。 2 1 f i l 转头2 - t l r 转头3 - s p r 转头 图1 7r o t o s t r e a m 装置的三种转头 f i g 1 7t h r e eo r b i t a lh e a d s o f r o t o s t r e a m 旋转吹头设计成不同的形式。图中左侧的转头，由上、下两个部件组成， 由上向下抽运，容易磨损，寿命较短。图1 7 中间的转头，在设计上实际是旋 转器的上部件，它容易制造，但抽吸力小，适合于与小块状熔剂一起使用，它 们起一部分除气作用。图中右侧的转头是整体单件转头，抽吸口在下部，由下 向上抽运，抽吸力强，寿命介于前面的两种之间。单体结构转头的除气效果优 于其他两种 1 9 , 2 0 。 从除气角度来看，所采用的装置着重使用于精炼的气体能在精炼容器内熔 体中形成均匀，细密的气泡，并使通过容器的熔体尽可能多的受到精炼气体的 吹洗，而能满足上述要求的方法应首推法国的a l p u r 法和美国的s n i f 法【2 啦2 1 。 这两种方法的共同特点是在精炼容器内设置了能旋转的气体喷头，使精炼气体 通过旋转喷头喷出，形成微细气泡，并通过转子的搅动，使气泡均匀并分散到 整个熔池中，从而获得较好的精炼效果。所采用的精炼气体仍以氩气、高纯氮 气或它们与氯气的混合气体【2 3 1 。 哈尔滨理丁人学丁学硕一i ：学位论文 由法国彼施涅( p e c h i n e y ) 公司研制的a l p u r 装置及工艺，自1 9 8 1 年问世以 来在铝j n - r 业界得到了广泛应用，我国近几年来也先后引进了几台，比如东北 轻合金有限责任公司在比较先进的2 5 吨生产线上就引进了a l p u r 作为在线除 气精炼设备【2 4 1 。 a l p u d 2 5 】净化方法是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熔体进行处理，清除其中的氢和其它杂 质。为达到较好效果，必须将吹入的气体在铝熔体中“造成”大量的弥散气 泡，特殊结构的a l p u r 旋转散射器即转子可达到这种效果。气体的散射是靠液 态金属与气体的两种不同运动在接触点耦合而实现的；同时，通过搅拌作用， 增加了气、液之间的接触。吹入的弥散气泡在上浮过程中通过物理吸附或化学 反应而将氢及杂质除去，以实现净化。图1 8 是a l p u r 净化装置示意刚2 6 1 。 4 1 一转子，2 一耐火材料衬里，3 一隔板， 4 一金属入口，5 一金属出口，6 一气源 一图1 8a l p u r 净化装置示意图 f i g 1 - 8t h es c h e m a t i co f a i p u rp u r i f i c a t i o np l a n t s n i f 法、a l p u r 法和r d u 法，这3 种具有代表性的旋转喷吹法，基本原理都属 于气泡浮游法，其技术路线都是依靠旋转喷头在铝熔体底部喷吹气体熔剂，从而 达到净化铝熔体的目的1 2 7 1 。3 种方法的主要差别是在旋转喷头的结构设计上， 吹头形状的选择是精炼设备的关键所在，是目前国内外各种型号精炼机的专利 保护技术。国外在该领域的专利技术有十几种，而国内几乎还是空白。这体现 了国内科技工作者对知识产权没有给与足够的重视。吹头形状对获得细小、弥 散、分布均匀的气泡影响很大，也是影响铝液最终含氢量和去氢效率的关键因 哈尔滨理t 人学工学硕上学位论文 素f 2 8 1 。 图1 - 9 出示了这3 种旋转喷头的结构示意图f 2 9 】。这3 种喷头产生的气泡一 般都在毫米级范围内。 2 1 - r d u 喷头2 - s n i f 喷头3 - a l p u r 喷头 图1 93 种铝熔体净化用的旋转喷头的结构简图 f i g 1 - 9c o n s t r u c t i o ns c h e m a t i c o ft h r e eo r b i t a lh e a d so fa l u m i n u ma l l o y sp u r i f i c a t i o n 朱兆军等人通过水模拟旋转喷吹除气系统的模型，认为转子转速对除氢率 影响最大，气流量次之。实际旋转喷吹净化过程中应在不引起液面翻滚和吸气 前提下，尽可能选取高的转速和大气流量；旋转喷吹的除氢效果远优于c 2 c 1 6 的除气效烈3 0 1 。 根据“除杂即除氢”这一理论，净化处理技术已经经历了一个由最初的 c 2 c 1 6 和无公害熔剂压入法向惰性气体和熔剂的联合喷射法的转变，并且已有了 较为完善的工艺设备，如s i n f , m i n t 除氢装置掣3 1 1 。其中，问世于2 0 世纪7 0 年代的旋转喷吹法除气效果较好，但除渣效果不是很理想，而2 0 世纪8 0 年代发 展出的f i 法( 即联合精炼法) 综合效果经实验证明较为显著 3 2 - 3 5 】。段边锋等人认 为：f i 法使用气体和粉状熔剂进行联合精炼，效果比单纯使用气体或熔剂效果 要好【3 6 】。分析认为其特点表现在以下几个方面：1 ) 气体的喷吹使熔剂均匀弥散 地分布在液体中，使气体和熔剂颗粒与铝液能充分接触；2 ) 熔剂的加入使得气 泡上升时外面有一层熔剂薄膜，因此在有熔剂存在的情况下，不再是气泡而是熔 剂吸附了氧化物。因此，段认为：微观通道的存在使气泡与金属液的接触面积增 大，气泡内外压差增大，并且微观通道的不断消失与产生增加了气泡在铝液中存 在的时间，这对提高精炼效果都是十分有利的【”i 。 哈尔滨理t 大学t 学硕。l j 学位论文 1 3 铝合金除气精炼的原理 铝合金在熔炼的过程中无时不刻不在吸收空气中的氢气，因此铝合金精炼 的过程就是选择合理的工艺在熔炼过程中除去氢气的过程，其原理就是采用合 理的方法来阻止外界的氢气进入熔体和尽量排出熔体中含有的氢气。 1 3 1 吸氢的过程 、铝是非常活泼的金属，除了惰性气体外，几乎所有的气体都可能与之发生 反应。在大气下熔炼，金属表面与炉气或大气相触，会发生一系列物理化学作 用，可能产生气体的吸附和溶解，或产生氧化物、氢化物、氮化物和碳化物 等。而铝与气体的亲和力，按顺序为：h 2 、c m h n 、c 0 2 、c o 、n 2 。其中所溶 解的气体中，氢占9 0 左右。 氢进入铝液中是三个过程：吸附、扩散、溶解。氢与铝的结合力强，能吸 附在液面上，然后离解为原子，当金属液表面氢的分压大于氢在金属内部的分 压时，氢在分压差及金属结合力的作用下，开始向铝液内扩散，即溶解于金属 中。 气体在金属液体中的扩散速度与金属厚度、气体分压、温度有关，公式 为： v ：等6 e e n 髓 弘i p e “ ( 1 - 1 ) 式中：v 为扩散速度；玎为常数；d 为金属厚度；e 为激活能：尸为气体分 压；r 为气体常数；丁为温度。 由于氢是结构比较简单的双原子气体，其原子半径很小，故较易溶于金属 中。氢在铝中的溶解是按照：吸附一扩散一溶解的过程进行。 即： h 2 ，2 h ，2 【h 】( 1 2 ) 氢与铝不起化学反应而是以离子状态存在于晶体点阵的间隙内，形成间隙 固溶体。 在一定大气压下，在固态时氢几乎不溶于铝，由固态到液态时，氢在铝中 的溶解度出现一个突变。这种溶解度急剧变化的特点，决定了铝在凝固时，使 氢原子从金属中析出成为分子氢，最后以疏松、气孔的形式存在于铸锭中，严 重影响产品的性能【3 8 i 。 水蒸汽状态的氢并不容易被铝液吸收，但是在金属熔融状态的高温下，分 哈尔滨理工人学t 学顾。l 学位论文 子水要与铝起反应，形成氧化物并生成原子状态的 h 】。 2 a l + 3 h 2 0 a 1 2 0 3 + 6 【h 】( 1 3 ) 所分解出来的 h 原子，即溶于金属熔体内。 可见，吸氢是由于水蒸汽的存在，水蒸汽的来源主要是一下几个方面： 1 空气中的水蒸气，特别是潮湿季节，水蒸气的含量更大。 2 从原材料中带来的水份。 3 燃料。例如利用天然气做燃料时，天然气中含有水份。 4 耐火材料。有些耐火材料表面是极易吸附水蒸气的，有些耐火材料本 身就是用水作为溶剂，烘干时不彻底1 3 9 】。 1 3 2 气体除气精炼原理 金属的氧化使熔体产生大量的金属氧化物，由于这些氧化物不溶于熔体， 且比重与熔体相差不大，因此极易溶于熔体中；金属的吸气使熔体内含有大量 的气体( 主要是氢气) 4 们。熔体中的气体和氧化物夹杂物危害很大，它们是铸锭 产生气孔、疏松、夹渣、氧化膜等缺陷，恶化合金制品性能的总根源【4 1 1 。 精炼是在熔炼后期或铸造之前用熔剂或气体或其他方法对熔体进行处理， 使熔体去气和除渣【4 2 1 。目前，气体精炼是除氢的最行之有效的方法。结合固体 溶剂、混合气体精炼的复合精炼法是最常用的除气方法。 气体精炼法又称气泡浮游法，它是将气体( 如氮气、氩气等) ，通入到铝熔体 内部，形成气泡，熔体中的氢在分压差的作用下扩散进入到这些气泡中，并随气 泡的上浮而被排除，达到除气的目的【4 3 1 。气泡在上浮的过程中还能吸附部分氧 化夹杂，起到除杂的作用。以气体为精炼剂吹入熔体，降低熔体含气量，减少 熔体中的非金属夹杂物。气体精炼法种类较多，根据所吹入气体之性质，气体 精炼法可分为惰性气体精炼法、活性气体精炼法、混合气体精炼法。 1 惰性气体精炼法这罩指的惰性气体，是指气体不与熔体和溶解于熔体 中的气体起化学反应，并且其本身不溶于熔体或溶于熔体的量非常少，不影响 铸锭质量。 对铝合金而言，可用为精炼的惰性气体有氩气a t 2 、氦气h e 、氮气n 2 ， 其中，首选氮气，因氮气在8 0 0 时很少与铝起反应，也不溶于铝中。惰性气 体除气原理是利用分压差去气。 当氮气吹入熔体中时，产生大量气泡。在氮气泡与金属的接触面上，开始 时气泡内的气体与金属中的气体( 氢) 之间存在着压力差，则金属中的气体要向 哈尔滨理工人学t 学硕十学位论文 气泡内扩散。分压差越大，扩散速度越快。当气泡内的氢的分压达到熔体中氢 的分压时，扩散停止，达到平衡。气泡上浮到液面，熔体中的氢也就被带入大 气中。 由于惰性气体除气是靠扩散进行的，因此存在时间限制，气泡上浮较快， 来不及达到平衡，除气效果就会显著降低。同时，除气效果还受惰性气体纯度 的影响。虽然如此，对于要求不高的民品还是可以用惰性气体精炼除气，因为 它操作简便，无毒无害，安全可靠，也没有使晶粒粗大的倾向1 4 5 1 。 2 活性气体精炼法这旱指的活性气体，是指能与溶于熔体中的气体发生 化学反应，应应生成物不溶解于熔体中的这样一些气体。目前工业上最常用于 铝合金除气的活性气体是氯气c 1 2 【矧。 氯气除气原理除了和惰性气体除气的原理相同外依靠( 分压差扩散除气) ， 它本身还与铝生成三氯化铝( a l c l 3 蒸汽) ，并且还直接与氢发生化学反应，使净 化效果提高。同时它对熔体中的夹杂物还有一定的浮选净化作用，可将悬浮于 熔体中的夹杂物吸附在气泡表面带到液面上。 氯与铝、氢的化学反应如下： 3 c 1 2 + 2 a l = 2 a i c l 3 1 ( 1 - 4 ) c 1 2 + h 2 = 2 h c l t( 1 5 ) 生成的h c l 还能与铝反应： 6 h c i + 2 a 1 = 2 a i c l 3 t + 3 h f l ( 1 6 ) 反应生成的h c l 气泡上升的很快，大部分来不及与铝发生反应就逸出液 面，因此这一反应不能完全进行。h c i 和没有反应的氯气在熔体液面上形成一 层保护气体，可以起到惰性气体除气的作用。 氯气的除气作用，主要还是由于a i c l 3 ，因为a 1 c 1 3 蒸汽使气泡增加和细 化，加强了除气效果。a i c l 3 和h c i 对于金属中的气体是中性的，因此它们的 除气原理与惰性气体相同。 可见，活性气体与氢发生反应，起到初步除气作用后，关键在于其生成物 也能除气，其除气机理与惰性气体相同【4 7 】。 氯气除气效果显著，但是有较为严重的缺点： ( 1 ) 氯气有毒，有强烈的腐蚀作用，有害人体健康，对设备腐蚀严重。 ( 2 ) 氯气能与铝中的细化剂钛( t i ) 作用生成t i c l 3 ，破坏了钛的一次晶核作 用，影响细化效果。因此通入熔体的气体时间稍长时，易使铸锭组织粗化。 3 混合气体精炼法惰性气体和活性气体除气精炼各有优缺点，把他们混 合起来使用，可以发挥它们的优点，减少它们的不利影响。现在生产中常用的 哈尔滨理t 大学t 学硕：l 学位论文 是含有1 0 - - 2 0 氯，8 0 9 0 氮的混合气体进行除气。也有用氩一氯混合 气体精炼的。在通入气体方面，有些采用透气砖，有些采用专门的设备，例如 多孔旋转喷头，使气泡更加细小，除气效果更好【4 引。 吹气法的效果一方面取决于气体的性质和纯度，气体的密度大，粘度大，则 在熔体中的上浮速度慢，停留时间长，有利于提高除气效果：气体的纯度高，含水 量少，也有利于提高除气效果。另一方面，更主要的取决于气泡的大小和气泡在 熔体中的分散程度，如果吹入的气泡直径越小，分布越均匀弥散，则气泡比表面 积越大，熔体中的氢扩散进气泡的路程越短，气泡上浮越慢，作用时间越长， 除气率越高。另外还取决于吹气时间、吹气压力、吹气温度等工艺参数【4 9 】。 1 4 铝合金除气精炼发展趋势 熔炼铝合金熔体中产生的渣( a 1 2 0 3 ) 会吸附氢气。大量的实验数据和实践经 验表明：只有首先着眼于铝液中氧化夹杂物( a 1 2 0 3 ) 为主的净化，有效地降低夹杂 物含量，尤其是悬浮在铝液中弥散的夹杂物数量，才能防止铝液增氢，消除去氢 障碍，从而获得纯净的铝液，浇出优质铸件。现在人们越来越理解“渣( a 1 2 0 3 ) 既 尽，气必除这一现象了，并总结出“除渣为主，去气为辅”的铝合金精炼工艺 原则【5 0 1 。消除气孔和排除氧化央杂的工艺原则，可以概括为“防、排、溶”。 防：就是严防水气及各种夹杂物进入熔池中；排：就是排除铝液中的氧化夹杂 和氢气；溶：就是使铝液中的氢在凝固时能部分地甚至全部地固溶在合金组织 中，不致在铸件中产生气孔。“溶”的效果很明显，因此在工艺上必须掌握“以 防为主，以排为辅的原则【5 1 i 。 巫瑞智等人认为，气体精炼的发展趋势是：( 1 ) 尽量增大精炼气泡与铝熔体 间接触的比表面积；( 2 ) 使气泡在铝熔体中均匀分布，可有效地减小铝熔体中氢 向气泡扩散的距离；( 3 ) 增大气泡在铝熔体中的运动速度，促使气一液界面的更 新加快，从而提高传质系数k ；( 4 ) 在气体除氢的同时，在铝熔体液面上撒一层 具有阻止吸氢的覆盖剂，则能使除氢一吸氢的动态平衡总是向着有利于除氢的 方向进行【5 2 1 。 一般的除气装置都采用了n 2 或m 作为精炼气体，能有效去除铝熔体中的 氢。如在精炼气体里加入少量的c 1 2 、c c l 4 或s f 6 等物质，还能很好地除去熔 体中碱金属或碱土金属。然而，上述除气装置的体积较大，铸件间需放干料或 需加热保温，运行费用高昂。 除气装置新的发展方向是在不断提高除气效率的同时，通过减小金属容 哈尔滨理t 大学t 学硕i ：学位论文 积，消除或减少铸件间金属的放干，取消加热系统来降低运行费用，如 a l c a n 开发的紧凑型除气装置a c d ，该装置是在一般流槽上用多个小转子进 行精炼，转子间用隔板分隔。该装置在铸件间无金属存留，无需加热保温，且 运行费用大幅下降，除气效果较传统装置好【5 3 1 。另一种有前途的装置是加拿大 c a s t h o u s et e c h n o l o g yl i t 研制的流槽除气装置，该装置的宽度和高度与流槽接 近，在侧面下部安装固定喷嘴供气，该装置占地极少，放干料极少，操作简 单，除气效率高。西南铝2 0 0 0 年也研制成了类似的紧凑型除气装置c d u ，该 装置在仅使用a r 或n 2 的情况下除气率达到5 0 以上，占地1 x 0 5 m ，无加热 保温，放干料约3 0 k g ，而造价仅为传统除气装置的1 4 - - 1 3 ，运行费用降低3 0 以上，是一种极具推广应用价值的除气装置f 5 4 1 。 目前，蒋海燕等研制出脉冲进气旋转喷吹技术和装置，通过脉冲进气的方式 进行旋转喷吹，可获得比普通旋转喷吹法更加细小的气泡( o 1 m m ) ，并且在增加 气流量或提高转头转速时，能延长铝熔体出现旋涡的滞后时间【5 5 1 。脉冲进气法