鋁合金圓鑄錠的熔體凈化_圖文

1、Lw2010-第四屆鋁型材技術(shù)(國際論壇鋁合金圓鑄錠的熔體凈化慶毅(深圳市阿爾泰克冶金材料有限公司,深圳518052摘要:鋁合金管,棒,型材作為鋁合金加工材的一個主要部分,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于建筑、運輸、電子、航 空、航天、兵器等各行各業(yè)。作為鋁合金管,棒,型材的的主要鑄造坯料,鋁合金圓鑄錠的冶金質(zhì)量將直 接影響后續(xù)加工產(chǎn)品的質(zhì)量。關(guān)鍵詞:鋁熔體;凈化;在線除氣裝置;過濾;檢測鋁合金鑄錠的冶金質(zhì)量通常特指鋁合金鑄件的內(nèi)在質(zhì)量,主要是包括三個部分:一是鋁合金鑄錠內(nèi)在 成份的均勻性以及成份控制水平,也就是通常說的合金化;二是鋁合金鑄錠內(nèi)部的晶粒結(jié)構(gòu)合理和均勻性, 即晶粒細(xì)化;三是鋁合金鑄錠的內(nèi)部雜質(zhì)水

2、平,包括氣體雜質(zhì)和非金屬夾雜,也就是熔體凈化;本文將根 據(jù)鋁合金圓鑄錠的特點,重點介紹關(guān)于鋁合金熔體凈化的質(zhì)量控制,以及檢測方法。1鋁合金熔體中氣體雜質(zhì)的來源熔煉鋁合金過程中,從大氣、燃料、爐料、耐火材料、熔鑄工具等帶入的氣體種類較多,如H2、C02、 CO、CnHm(碳?xì)浠衔?、H20和02等。但只有那些容易分解成原子的氣體,才能有較多的數(shù)量溶入鋁液 中去。 氣體元素在金屬中以三種形態(tài)存在:以分子態(tài)氣體夾雜或氣泡形態(tài)懸浮在鋁熔體中;以氧化物、氮化 物、氫化物等固態(tài)化合物形態(tài);以原予或離子形態(tài)分布于金屬原子間或晶格中;鋁液中所溶解的氣體中95%是氫。鋁合金中的含氣量,主要指含氫量。熔煉時周圍空

3、氣中的氫氣含量并不多,所以氫的來源主要是通過水分與鋁液反應(yīng)而產(chǎn)生的氫原子。低 于250時,鋁和空氣中的水氣接觸。發(fā)生下列反應(yīng):2AI+6H20-'2Al(OH3+3H2AI(OH3是一種白色粉末,沒有防氧化作用,且易潮濕。這種帶有AI(OH3腐蝕層的鋁在高于400。C的 條件下將進(jìn)一步發(fā)生下列反應(yīng):2Al(OH:3-"A1203-I-6H】2AI(OH3-2A1203+3H20在熔煉時,A1203即成為氧化夾雜物,氫則溶入鋁液,增加鋁液中的含氣量。在鋁合金熔煉的高溫下, 也可以合并成如下的反應(yīng):2A1+3H20=A1203-6H】反應(yīng)生成這種原子態(tài)氫,很少一部分跑到大氣中,大

4、部分就進(jìn)入鋁液中,彌散在鋁合金的原予間隙中。 實踐證明,不同的季節(jié)和地區(qū),因空氣的濕度不同,鑄錠中的含量也隨之而異,其含氣量隨空氣濕度 的增大而增加。鋁液遇到H20反應(yīng)極為劇烈,即使在大氣中僅存少量水蒸氣,也足以和鋁液發(fā)生反應(yīng),生成的氫則溶Lw2010.第四屆鋁型材技術(shù)(國際論壇于鋁液。2鋁合金熔體中非金屬雜質(zhì)的來源鋁合金在熔化和轉(zhuǎn)注過程中,鋁與爐氣中的氧及水氣作用,生成A1203、MgO、Si02、和Ah03.MgO, 加上殘余的細(xì)化劑A1TiB中間合金的粗大TiB粒子。在熔體凈化時產(chǎn)生的氯化物、氮化物及碳化物。耐火磚碎片、脫落的流槽和工具上的涂料。最多的是 A1203、Mgo、A12M90

5、4,形態(tài)以薄片狀為主。鋁合金熔體中其他的非金屬夾雜部分來源于熔鋁爐底內(nèi)襯,熔鋁爐的爐襯多以氧化物為耐火材料,這 些氧化物在高溫下的穩(wěn)定性取決于氧化物的生成自由能,凡生成自由能小于Ah03的生成自由能的氧化物是 穩(wěn)定的,在熔煉過程中不受鋁液浸蝕;生成自由能高于Al:03的生成自由能,其氧化物將與鋁及其他活性金 屬發(fā)生如下反應(yīng):3S102+4AI一2A1203+3Si3FeO+2AI'-'A1203+3FeCr203+2A1-A1203+2CrSi02+Mg-.-2MgO+Si是產(chǎn)生非金屬夾雜的另外一個來源,所以,對于熔煉爐來說,在整個熔池部分的爐襯,采用A1203成 分大于75%

6、的耐火材料,可以大大減少爐襯對鋁熔體的污染傾向。3影響氣體含量的因素鋁合金中的合金元素的對于氫含量也有很大的影響,與氣體結(jié)合力較大的合金元素,如鈦、鋯、鎂等 會使合金中的氣體溶解度增大。而銅、硅、錳、鋅等元素可降低鋁合金中氣體的溶解度。熔煉環(huán)境的氣體分壓,在溫度相同的條件下,氣體在金屬中的溶解度隨爐氣成分中的氫氣分壓增大而 增大。故火焰爐熔煉的鋁熔體中的氫溶解度比電爐中的大。當(dāng)氫分壓一定時,溫度越高鋁熔體吸收的氫也越多,鋁熔體表面氧化膜狀態(tài)及熔煉時間對氣體在鋁熔 體中的溶解度也有影響。4鋁合金的凈化對于高品質(zhì)的鑄件,就需要高品質(zhì)的鑄錠,對于鋁合金鑄錠的熔體凈化,是改善鑄錠冶金質(zhì)量的重要 方面。

7、對于鋁合金圓鑄錠的鑄造工藝方面,盡可能避免鋁錠和廢料的露天存放;在滿足鑄造要求的前題下, 降低熔煉和鑄造溫度,都有益于降低鋁合金鑄錠的氫含量。鋁合金的凈化工藝分兩個環(huán)節(jié),一是爐內(nèi)精煉, 二是在線精煉:無論是爐內(nèi)精煉還是在線精煉,其除氣的基本原理有三種:(1惰性氣體擴(kuò)散法惰性氣體擴(kuò)散除氣的機理,是采用高純度的惰性氣體中的鋁液中的氫分壓差,通過原子擴(kuò)散,使氫原 子擴(kuò)散到惰性氣體氣泡內(nèi)形成氫分子,并隨著氣泡上升帶出鋁液,實現(xiàn)除氫的目的。惰性氣體氣泡在上升 的過程中,通過張力吸附的原理,同樣可以吸附一部分小顆粒的非金屬夾雜,達(dá)到除雜的目的。為了實現(xiàn) 除氣除渣的高效,需要在氣量等同的條件下,減小氣泡直徑

8、,增大氣泡數(shù)量,增加氣體的比表面積。Lw20lO-第日月鋁型材技術(shù)(國際論壇螄圈l情性氣體陸氣障磕機理(2采用氯氣或者混合氣體凈化氯氣本身不溶于鋁合金熔體,但能與過量鋁液發(fā)生化學(xué)反應(yīng),實現(xiàn)除氣除渣。2AI+3CIz=2AICl3fc12+2EH-2HCI(3采用精煉劑精煉除氣除渣:精煉劑的除氣機理是通過其中的氣化成分.比如:六氯乙烷高溫分解出的氯氣,氟硅酸鈉高溫牛成的 四氟化硅等,吸附氫原子上浮除氣。精煉劑除渣的原理是通過精煉劑與熔體中的氧化夾雜物發(fā)生吸附和溶 解來實現(xiàn)。昂易溶解鋁渣的成分是氟氯酸鈉.也就是常說的冰晶石。常用的噴粉精煉刺以氯化物為基礎(chǔ), 加氟化物,如caR、Na,AIF6等來吸

9、附、溶解AlcOa.以增強凈化效果。利用它們與铞反應(yīng)生成不溶于鋁 液的低沸點化合物(如AICl3沸點1827,在鋁液中形成氣泡,上浮時起除氣、清除雜質(zhì)的作用。常用的 氯鹽有氯化鋅、氯化錳,四氯化碳、六氧乙烷等,在熔件中的反應(yīng)如下:3ZnCl2+2AI=2AICl3f+3Zn3MnCl2+2AI-2AICl3f+3Mn3c2c”2Aml3f+3C2ck用氧鹽精煉的缺點是產(chǎn)生刺激性氣體,惡化勞動條件.而且對設(shè)備有嚴(yán)重腐蝕作用。近年來有的工廠 采用以硝酸鹽加c粉為豐的無毒精煉荊。典型的配方如表3.9所示。在鋁熔體中.無毒精煉劑發(fā)生下列反應(yīng): 4N刑03+5c=2c03+2N2f+3C02fN2和co

10、都不溶于鋁液,在上浮時起到精煉效果,精煉刺中Na觚、Na2SiF6即起了精煉作用.也起了 緩沖作用吣N C02等役有刺激性,改善了勞動條件。但近年研究表明,在凈化過程中,硝酸鹽與碳反應(yīng)Lw2010第四屆鋁型材技術(shù)(國際論壇并不充分,往往會產(chǎn)牛對人體育害的氮氧化物.這已引起了們的關(guān)注。4i爐內(nèi)精練昔:i臺金熔煉的爐內(nèi)精煉,最早是采用氮氯混合精煉,到目前為止依然被證明為最有效的精煉方法.目 前,在國內(nèi)的一些軍工合金熔煉過程中依然被使用,氮氯混臺精煉的缺陷是有毒和擰染環(huán)境,現(xiàn)在國內(nèi)鋁合金圓鑄錠最常用的爐內(nèi)精煉方法.是采用精煉劑噴耪精煉。噴粉精煉是1990年開始在國 內(nèi)慢慢推廣的一種技術(shù),相比較于傳統(tǒng)

11、的精煉劑精煉,采用了高純氮氣作為載體,噴射進(jìn)鋁熔體中,在實 現(xiàn)傳統(tǒng)精煉荊精煉的條件下,增加了氣體精煉,效果好,也是目前國內(nèi)最常用的爐內(nèi)耩煉方法。由于精煉劑在生產(chǎn)的過程中不可避免的還有永分.即使目前雖好的精煉荊,也含有至少不低于01%的 水,也就是說,精蠊荊在精煉的過程中同時也會引八水汽,增加氫含量,最終除氣的效果是一個動卷平衡 的結(jié)果。按照精煉劑的推薦使用量,每噸15公斤來計算.由精煉劑引入的氫含量為,0083摩爾,折合成氣體 含量為018毫升每100克鋁。通常來說.爐內(nèi)采用精煉劑噴粉精煉除氣后的極限氫含量不小于022q26毫升每100克瞽;。對于鋁合金圓鑄錠的氫含量要求,通常對于普通型材用圓

12、錠含氫量要求為小于018毫升每100克鋁,工 業(yè)材和高品質(zhì)犁材為小于016毫升每100克鋁。對于特殊要求的航空型材含氧量要求小于012毫升每100克 鋁。朋2爐內(nèi)遘氣磚42在線精煉為了達(dá)到更好的除氣除渣效果,突破爐內(nèi)精練的局限.在鋁臺金圓鑄錠上采用在線精煉裝置已經(jīng)開始 越來越廣泛。Lw2010.第四屆鋁型材技術(shù)(國際論b圈3箱式髓裝置生產(chǎn)線 圈4流槽式腺氣裝置生產(chǎn)拽鋁焙體在線除雜主要是采用三種方式:玻璃絲布過濾,泡沫陶瓷板過濾.管式過濾和深床過濾; 玻璃絲布過濾鋁熔件在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用。該法是讓熔體通過玻璃絲布過濾器.使夾雜受到機械阻隔 呵過濾.屬于闋狀過濾,通過柵欄作用機械分離宏觀粗大的夾雜

13、物。優(yōu)點是使用成本低.結(jié)構(gòu)簡單,安裝 隨意,對鑄錠晶粒組織無影響,缺點是除渣效果差。目前最常用且最有效的過濾除雜方式是采用泡沫陶瓷過濾板過濾,其過濾機理是利用鋁漣通過狹窄彎曲通道,通過阻擋、沉積、吸附三種微觀作用:將鋁液中的夾雜物留存在過濾板內(nèi),實現(xiàn)除雜效果。 r 一譬鼢 宣翰 豳田5泡沫陶瓷過濾扳及過濾箱 田6蛙濾機理示囂田第四屆型村技術(shù)（國際）論壇 目翟 圈過濾氍毪導(dǎo)對照衰 圈瞥式過濾暑 管式過濾器和深床過濾都是高精度過濾對于有特殊要求的鋁合金圓鑄錠，是必須采用的，其優(yōu)點是 凈化精度高，過濾效糶好，缺點是采購和使用成本高，占地面積大，殘鋁高，容易導(dǎo)致細(xì)化劑失效。 鋁合金熔體凈化效果檢測 鋁臺金熔體氫含量測定，常用的有兩種方式。一種的是定性側(cè)氫，采用減壓凝固法，爐前取樣，抽真 空凝固觀察切樣表面，或測定試樣密度，然后根據(jù)外觀雷譜和密度確定氫含量。此種方法操作簡單，取 樣快，通常在”甫使用，可蚍用于每爐測定，確定鑄造條件。 一露國 鎏譬 圖田外定量涮洼倥 第四屆