铝合金精炼除气和再水气过程的试验研究

铝合金精炼除气和再水气过程的试验研究

随着对洛阳铸造的需求增加，要求越来越高的金银质量，人们对精炼方法和精炼机的研究越来越多。一些新的精炼方法不断涌现出来,如真空精炼、超声波精炼、电渣精炼、气体-熔剂联合精炼等。精炼工艺不断改进,如气体精炼时采用多孔吹头。实质上,铝熔体的精炼处理是除气-吸气的动态平衡过程,即由铝液内部除氢过程和铝液表面氧化吸氢过程组成。净化效果则由这两个方向相反的过程的动态平衡所决定。如果只重视除氢净化过程,而忽视吸氢过程,即使采用好的精炼剂和精炼设备,也达不到理想的精炼效果。作者在本文中将通过试验,研究铝合金熔体精炼处理后的除氢-吸氢变化,从理论和实践两个方面探讨了精炼处理铝熔体的氢动力学规律,从而解决了在实际生产中熔体精炼处理后应何时进行浇注的问题。一、铝熔体中氢含量的检测原料为各种铝合金材料、DSG-B、DSG-3(这两种精炼剂为山东工业大学热处理厂生产)及C2Cl6精炼剂。采用坩埚式电阻炉熔化炉料。测氢设备为英国SEVERNSCIENCE公司制造的测氢仪HyscanⅡ(HydrogeninAluminumAnalyser)。具体性能指标为:氢含量的单位为ml/100g,测氢原理为RPT(ReducedPressureTest),测量范围为0~1.00ml/100g,测量精度0.01ml/100g。每次熔化1.5kg铝料,对熔化好的铝合金液在精炼温度下,按铝液重的0.7%加入精炼剂,进行处理。在精炼前后的各个不同时刻,测试铝熔体中的氢含量。测氢方法为:开机后大约抽20~30分钟的真空,然后对仪器进行自动调零,自然调零完毕,空测一次,若仪器正常,即可进行测试。把特制的取样钢勺预热,然后取样约100g,打开样品室盖,迅速倒入样品室中,真空系统瞬间(大约3~5s)抽真空,之后测试开始,大约5分钟后,测试完毕,打印机打印出结果(包括测试序号、日期、试验时间和氢含量)。二、熔喷非碳质材料的氢含量和静置时间的关系图1为铝液精炼处理(分别采用DSG-B、DSG-3和C2Cl6对铝液进行处理)前后,随静置时间的延长,铝熔体中氢含量的变化。图中“0”时刻表示精炼处理前熔体中的原始氢含量,3min则为精炼处理时间。由图可知,精炼处理后随时间的延长,熔体中氢含量逐渐降低,静置一段时间(5min)之后,氢含量达到最低,除气效果最佳。图2是精炼处理(DSG-3精炼剂)前后,熔体中氢含量和静置时间的关系。图中显示,若精炼后立即扒去铝液表面浮渣,铝液需静置5~6分钟,除气效果达到最佳;若带渣静置,最佳静置时间为10~12分钟。图3是测氢后试样的断面宏观照片。图3a、3b、3c分别为精炼处理前、除气效果达到最佳时、熔体再吸氢后试样断面宏观照片,和图1中的a、b、c各点分别相对应。从照片中可以很直观的看出,三个时刻熔体氢含量的差别。图4是精炼处理的铝熔体中氢原子运动模型。图4a、4b、4c分别代表铝熔体平衡时、精炼除气时和再吸氢时氢动力学状况。三、精密度与时间的关系由试验结果看出,铝熔体精炼处理后,存在一个最佳静置时间。图1中各曲线的前半段为除氢曲线,可见,在3分钟精炼处理后,除氢效果并不是立即达到最好,熔体氢含量有一个逐渐降低的过程,需要一定的静置时间。我们认为,这可以用除气机理来解释。上述熔剂法除氢,其作用机理是:熔剂在铝液中发生化学反应,产生不溶于铝液的气体并形成大量气泡,铝液中的氢向气泡中扩散或以此为基底形核形成氢气泡,随着气泡上浮而逸出铝液。无论用DSG还是C2Cl6精炼剂,处理时都看到铝液表面不断翻腾,有大量气泡冒出,待铝液表面平静,即认为除气完毕。而实际上,虽然铝液表面静止,但铝液内部尚有大量还未上浮或正在上浮的小气泡。这些小气泡和我们看到的大气泡不同,肉眼难以观察到,而且数量巨大。由于这些小气泡体积小、数量多、比表面大、分布均匀,其除气效果要好于大气泡,因此,刚处理完毕,熔体氢含量并不低或降低不明显。由于铝液有一定的粘度,加上铝液内部渣的阻碍,铝液中这些小气泡的上浮需一定的时间,故精炼后铝液静置一段时间,除气效果才能达到最好,氢含量最低。此时浇注最佳,可获得高质量的铸件。精炼后铝液表面的浮渣,也影响静置时间的长短,如图2所示。若精炼处理后,不立即扒去铝液表面的浮渣,需要静置的时间较长。因为渣中可能吸附一些气体,使铝液上下部位的气体的浓度差较小,而粘度大,铝液内部小气泡上浮动力小,上浮速度小;另外,铝液表面浮渣的存在也阻碍表层附近的气体向炉气中扩散,因此,需要的静置时间较长,可达10~12分钟。若在精炼处理后,立刻扒去铝液表面的浮渣,就使得铝液上、下部位的浓度差增大,而且表层气体向炉气中扩散速度加快,内部小气泡上浮速度也加快,故所需的静置时间短,只有5~6分钟。图1、图2中各曲线后半段为再吸氢段。铝液始终处在呼氢-吸氢的动态平衡中,如图4a所示。精炼处理时,在最佳静置时间之前,由于外在的因素(比如加入精炼剂或通入氮气、氯气等)的存在,使铝液强制呼氢,且呼氢速度远远大于吸氢速度,表现为熔体处于呼氢过程,氢含量降低,如图4b所示;而在最佳静置时间之后,由于精炼后,铝熔体中氢含量低于此条件下氢在铝中的溶解度,从吸氢动力学角度分析,铝液要强烈吸氢,且吸氢的速度大于呼氢速度,吸氢过程起主导作用,因此,曲线的后半部分逐渐上升,熔体氢含量增加,如图4c所示。四、浮渣静置时间铝熔体精炼处理后