铝及铝合金熔体净化方法研究

铝及铝合金熔体净化方法研究

摘要：论述了国内外铝合金熔体净化工艺和净化剂的研究现状，并简要介绍了我国铝合金净化的行业现状，提出了铝熔体提高净化效果的主要途径及发展方向。本文同时介绍了铝及铝合金熔炼过程中铝熔体中存在的可溶的和不溶的杂质氢及氧化物夹杂及其所造成的冶金缺陷，论述了铝熔体净化处理的重要性，分析了传统的铝熔体炉内分批净化处理所存在的不足，说明了先进的净化处理工艺产生的背景，从理论上阐明了铝熔体净化的机理，详细地分析了这些先进的净化处理工艺与设备的特点、处理效果及所存在的问题，指出了铝熔体净化处理工艺的发展方向。

关键词：熔体净化铝合金

1 引言

在航空航天等国防技术领域，大型铝合金构件的应用越来越多，对构件的要求越来越高，除了要保证其化学成分、力学性能和尺寸精度外，还不允许铸件有缩孔、气孔、渗漏、夹渣等缺陷。铝合金熔体净化处理是生产高质量的铝铸件的基本保证措施之一，也是提高铝合金综合性能的主要手段。铝合金熔体精炼效果对疏松、气孔、夹杂等的形成有重要影响，且直接影响铝铸件的物理性能、力学性能以及使用性能。没有高质量的铝合金熔液，即使以后的变质、晶粒细化处理再有效，加工成形控制再先进，采取合理的铸造工艺以及热处理工艺，缺陷一旦从开始就产生，仍然会顽固地存在、难以弥补，高质量的铸件也是很难想象的。因此，人们非常重视铸造铝合金熔体中的气体和夹杂物，并采取各种铝合金熔体净化措施排除气体和夹杂物[1-3]。

目前，铝合金熔体纯净化和均质细晶化的综合处理，被认为是获得优质铝合金必须解决的共性技术基础问题。有许多相关的研究如：各种铝熔体除气去渣的净化方法（物理的和化学的），各种电、磁场对熔体的处理方法，研究合金熔体的结构及熔体的热历史对凝固组织的影响，快速凝固粉末冶金铝合金的研究等等。铝合金熔体净化处理按处理所处的生产环节的不同，可将其分为炉内处理和炉外处理两大类。铝合金熔体炉内净化技术按照净化作用的机理又可以分为吸附净化处理技术和非吸附净化处理技术。吸附法，主要是依靠精炼剂产生吸附氧化

夹杂的作用，同时清除氧化夹杂及其表面依附的氢气，达到净化铝液的目的。非吸附法，依靠其它物理、化学作用来达到净化铝液的目的。吸附法的精炼作用只发生在吸附界面上，非吸附法则同时作用于整体铝液。吸附净化处理技术主要有惰性气体吹洗、活性气体吹洗、混合气体吹洗、氯盐（六氯乙烷）净化、无毒精炼剂净化、熔剂法精炼等；非吸附净化处理技术主要有真空净化处理法（静态真空处理、动态真空处理）、超声波净化处理法、电磁净化处理法（直流电、交流电、旋转磁场、行波磁场）、压力结晶法、稀土元素氢法等[4-5]。

在吸附净化处理技术中，采用氯气精炼，与液态铝生成三氯化铝，与氢气生成氯化氢，兼有物理和化学的净化作用，精炼效果明显，但是对环境及设备都造成严重的损害，而且氯气是破坏大气臭氧层的最根本祸首。后来改用氮气精炼，甚至用的高纯氮气精炼，不仅成本提高，精炼效果也较差。虽然人们已经意识到问题的严重性，并在力求改进工艺，多年的努力仍不尽人意，无毒无污染的精炼工艺（如用氮气，氩气等惰性气体精炼）往往还不能达到诸如有严重环境污染的氯气精炼处理所能达到的精炼效果。近年来，国外普遍采用混合气体精炼，即在高纯氮气或氩气中加入少量的活性气体，在强化铝合金熔体除氢作用的同时，有利于去除铝合金熔体内部的夹杂物并在铝合金熔体表面造成干性渣，可以达到很好的精炼效果，而且可以人为地控制氯气混入量，对环境影响不大。

在非吸附净化处理技术中，稀土元素储氢法（化学固氢法）利用稀土元素特殊的电子结构和物理化学性质，和生成高熔点化合物弥散质点，以固体形式吸收铝合金熔体中的大量的氢，在铝合金熔体净化方面发挥着越来越重要的作用，同时，稀土元素在变质处理方面也得到广泛的应用，因此，稀土化学固氢净化铝合金熔体已经成为新型铝合金熔体精炼剂的一个发展方向。目前，杨长贺等已开发出稀土惰性气体（氩）联合除气新方法，丁文江等开发出新型多功能稀土熔剂，据称是一种“绿色环保型熔剂”，对合金的除气净化效果显著，并具有一定的变质细化作用，但未见到工业化应用的报道。尽管铝合金熔体净化有众多的工艺方法，但是仍然满足不了铝行业的生产需要，特别是航空航天等军品铝合金的生产。国内铝加工企业虽然也采用了几种具有国际先进水平的在线除气设备，但并未掌握技术关键，而且在观念上只重视除气，而且轻视保护，没有掌握“以防为主，以排为辅”的原则。虽然采用了与国外相同的除气方法和技术，而且在引进和消

化的同时加以改进，但是我国的铝合金熔体处理水平仍然与国际先进水平有一定的差距。目前，铸造铝合金生产过程中精炼净化仍是久久未能彻底解决的基本问题，大量的废品在工厂里面产生，很多高质量的铝合金铸件不能生产。

2 熔体净化方法

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两个基本类型。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的、物理的或机械的作用，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、熔剂法等等。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。

2.1吹气法

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[6-7]吹气法是20世纪70 年代发展起来的铝熔体净化工艺[3-4]，主要用于除氢，按其气体导入方式，可分为单管吹气法、多孔喷头吹气法、固定喷吹法、旋转喷吹法。吹气法的效果一方面取决于惰性气体的性质和纯度，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、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[8-10]。旋转喷吹法是吹气法中效果最好的方法[6-7]，它主要是依靠转头的形状，以及适当高转速的转头对气泡的破碎来控制气泡的大小和分布的，转头是这些方法的技术核心，不同的转头，产生的气泡大小不同，不论那种方法，产生的气泡一般为mm级。转头转速300～500 r/ min ，吹气压力恒定在2～3 个大气压之间。旋转喷吹法为存在的缺点主要表现在除气率低，一般在70 %以下;气泡尺寸不够小，达不到μm级，这是由转头形状所决定的，转头转速过高，易引起熔体翻腾，产生吸气现象，也会使熔体中心区域压力降低产生合泡现象。2.2 过滤法