铝及铝合金的净化.doc

铝及铝合金液的净化1铝合金液净化的目的：排除铝或铝合金液中的气体或是夹杂物；探讨铝合金液体中气体和夹杂物的来源及其相互关系。2铝液中气体和夹杂物的来源：经研究分析，铝液中的气体成分主要是氢气（约占80%-90%），其余是氮气，氧气，一氧化碳等。氢气主要来源于铝液与水蒸气的反应。生产中的使用的任何工具，溶剂等，即使烘干，但相对于铝液来说仍然是潮湿的，还会使其吸氢。氢在铝液中以两种形式存在：（1）约占90%的氢分解为原子状态溶解在铝液中，称溶解氢；（2）约占10%的氢以分子状态吸附于夹杂物的表面或是缝隙中，称吸附型。铝液中的夹杂物除来自炉料外，还来自融化浇注过程中铝与氧反应所形成的氧化物。铝液表面有1层氧化膜，接近熔点时，不仅厚度增加，而且结构也发生变化；面向铝液的一侧是致密的，对铝液有保护作用，但背向铝液的一侧则是疏松的，内部形成大量微小的气孔，并被铝液中，氢，氧，水汽所充满。如果将液膜搅入铝液中，不仅增加铝液夹杂物，同时也增加气体。3铝液净化的原则和方法：通过对铝合金溶液中气体，夹杂物来源及相互关系分析，以寻求最佳的净化方法，同时还必须要有合理的铸造工艺相配合，才能防止在铸件中才生气空和夹杂物，以获得优质健全的铸件。消除铝铸件中的气孔和夹杂物的工艺原则，有人概括为“防，排，溶”。“防”要精选熔化使用的炉料，严防水汽及各种脏物进入熔炉中。“排”采用精炼剂净化铝液，排除铝液中的氢气和氧化夹杂物。“溶”就是使铝液中的氢在凝固时，能够部分地甚至全部地固溶在合金组织内，不致以气孔的形式存在于铸件中。当采用金属型铸造、压铸、低压铸造、反压铸造、挤压铸造等工艺时，即使品质较差的铝液，也能获得无气孔的合格铸件。铝合金净化方法按其作用原理可分为吸附净化和非吸附净化2个基本类型。1吸附净化法吸附净化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固态氧化夹杂物发生物理化学或机械作用,达到除气、除杂的目的。属于吸附净化的方法有吹气法、过滤法和熔剂法等。吹气法又称气泡浮游法,它是将惰性气体(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这些气泡中,并随气泡的上浮而被排除,达到除气的目的。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。过滤法是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的固态夹杂物的净化方法。过滤材质一般使用玻璃布、刚玉球以及泡沫陶瓷。过滤法主要是去除熔体中的夹杂物,除氢效果甚微,所以在实际应用中,过滤法往往与吹气法相结合。熔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。除了以除气除杂为主要目的的熔剂外,还有一些其他的熔剂,如覆盖剂、清渣剂等2非吸附净化法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)改变金属气体系统或金属夹杂物系统的平衡状态,从而使气体和固体夹杂物从铝熔体中分离出来的方法。属于非吸附净化的方法有静置处理、真空处理和超声波处理等。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目的,小颗粒的夹杂很难用该方法除去。真空处理是将熔体置于有一定真空度的密闭保温炉内,利用氢在熔体中和气氛中的分压差,使熔体中的氢不断生成气泡,并上浮逸出液面而被除去的方法。超声波处理是利用超声波在熔体中的空化作用,使液相连续性破坏成孔穴,该孔穴使溶解在铝液中的气体聚集在一起,超声波弹性振荡促使气泡的结晶核心形成,并促使气泡聚集到一定尺寸,从而保证气体的析出。由于超声波发生器的局限性,该方法很难处理大批量的铝熔体,限制了其工业应用。4 国内外常用铝熔体净化处理工艺：1 真空处理在熔炼温度范围内,铝液表面有致密的-Al2O3膜存在,阻碍氢的析出,因此,必须清除表层氧化膜的阻碍作用才能获得好的除气效果。真空处理是物理净化的一种方法。包括静态真空除气和动态真空除气。静态真空除气是在真空处理的同时,在熔体表面撒上一层溶剂,以便使氢气通过氧化膜除气,除气效果并不是很好。相对于静态真空除气而言,这是一种以除气为主的净化处理方法。其工艺过程是先将真空炉抽成10 mmHg的真空,然后打开进料口密封盖,把从保温炉来的铝熔体借真空抽力喷入真空室内,喷入真空室内的熔体,呈细小弥散的液滴,因而,溶解在铝液中的氢能快速扩散出去,钠被蒸发燃烧掉。经动态真空处理后的铝熔体氢溶解度低于0. 12 mL/(100 gAl)。动态真空除气工艺的优点是：除气效果好、无公害、处理过程造渣少;缺点是:除其它有害杂质的效果差,不能实现连续处理,设备结构复杂,设备价格昂贵,而且设备的密封性难以保证。2 旋转喷粉法熔剂法和旋转喷吹法相结合形成铝合金净化新工艺。该法与炼钢中的喷粉冶金类似,它是借助惰性气体作为载体,将熔剂以粉末状喷入熔体来实现铝合金的净化处理,与传统的方法相比,旋转喷粉法的净化效果更佳,如FIP法和Heproject法等。FIP法,即喷射熔剂法是一种除气、熔剂排杂净化兼优的方法,于20世纪80年代初出现,是未来很有发展前途的先进净化技术。Heproject(HeprojectMo-bileRotaryFluxFeeder)铝熔体处理法是一种移动式高效熔剂旋转喷射搅拌处理系统,是当前处理铝合金最先进的工艺,是近些年工业发达国家广为使用的净化铝熔体的先进技术,它集净化处理(除气、涂杂、除钙等)、钠变质处理、磷晶粒细化处理等于一体,且对环境无不利影响,成本费用适中。3 泡沫陶瓷法双级除气和双级过滤工艺7处理铝液的过程是将熔体先导入有旋转喷头的双级除去室,除去熔体中的氢,再将其导入装有2块不同孔径泡沫陶瓷过滤器的双级净化室,去除熔体中的细微杂质。其结构如图1、图2所示。这样的装置分散,占用空间大;使用转子喷吹,引起熔体液面起伏,加剧氧化;双级过滤还不能除去大部分尺寸10m以下的杂质,除气后氢的含量在0. 080. 12mL/(100 gAl);采用了污染环境的净化气体。铝及铝合金熔体复合净化方法8-9是一种以除不溶性夹杂物为主的净化处理方法。其装置如图3所示。该过滤净化装置由3种不同规格的泡沫陶瓷过滤器和2层溶剂过滤器组成。不同规格的陶瓷过滤器实现不同尺寸的非金属杂质的分级捕获,可完全除去尺寸10m以下的非金属杂质,使铝合金中含氢量下降到0. 080. 12 mL/(100 gAl)以下。这种工艺能过滤微量级的氧化物夹杂,效果好而且成本低,设备结构简单,使用方便,适用于各种合金。其缺点是该工艺本身不具有除氢功能,过滤板需定期更换,易破损,常给生产带来麻烦。4 除气除杂净化处理法Alcoa469除气法10,是一种将铝液在线处理的工艺,可实现铝液连续净化,采用氩-氯混合气体精炼和氧化铝球过滤。其处理装置如图4所示。在此装置中,熔体先经粗过滤床过滤,再经细过滤床过滤流向铸造机,经过处理的铝液氢溶解度可控制在015 mL/(100 gAl)以内。该装置成本低,结构简单,但由于要定期更换氧化铝球,使用前要加热过滤床,使用不方便。5 电磁净化法这种净化方法的原理是利用金属与非金属电导率的不同而引起的电磁力差异来实现金属与非金属的分离。无论夹杂物与金属液之间的密度多么接近,二者的分离都能实现。这种方法理论上可有效去除粒径10m以下的夹杂物。该装置的最大优点是,可以自动分割富含夹杂熔体与净化后的纯净熔体,并将其连续不断地移除。不仅效率高、无污染,而且稳定性高,不受夹杂状态和热动力学因素影响12。尤其对于那些粒径细小、密度与母液密度差别不大,并且用传统的净化方法难以除去的非金属夹杂物分离效率很高。但也存在着磁场分布不均匀引起的流动、电极浸渍而污染金属、设备投资相对较大和电磁场能利用率低等问题。6稀土元素精炼法这是一种溶剂净化法,稀土化合物可与铝熔体反应生成稀土单质,这些单质既能与铝液中的氢反应,生成REH2和REH3,起到除氢的作用,