铝及铝合金熔体净化处理

铝及铝合金熔体净化处理铝料的表面都有一层厚薄不均的氧化膜，有时还吸附水分，夹杂灰沙，粘有油污，涂有油漆等。

在熔化时，铝料在高温环境中进一步氧化，氧化膜厚度增加，并与气氛中的水分起化学反应，生成氧化铝和氢，使氧化夹杂和气体含量增加。

所以，铝料熔化以后，必须进行净化处理，以清除铝液内部的杂质和气体。

用于净化铝液的物质统称为熔剂。

熔剂在室温多数是固体或气体，也有个别熔剂是液体，如CCl4。

固体熔剂的优点是体积小，容易运输和储存，但都具有较强的吸湿性，必须密封包装。

为了提高固体熔剂的净化效果，可将熔剂压紧成紧密小块用铝箔包裹，放入长柄的钻孔容器内插入熔池底部。

对以NaCl和KCl的混合盐为基体的熔剂，可先按配比将混合盐熔化后，加入难熔组分，例如Na3AlF6，经搅拌冷却后注入密封铁箱内。

熔剂使用前应存放在室温较高的干燥地点，如熔炉旁，以防受潮。

在熔炉内施加覆盖熔剂，可以减少熔化消耗，阻止铝液从炉膛气氛中吸收气体，但覆盖熔剂的耗用量大(约相当于铝料重量的10%)，使生产成本提高，中小型铝加工厂一般不采用。

净化熔剂的使用通常是在铝料熔化以后将按配比混合的粉状熔剂撒在熔池表面，然后用长柄工具搅动铝液促使灰渣上浮。

在搅动过程中，部分熔剂加入熔池内部，与铝液发生化学反应，生成不溶于铝的气态物质，在气泡上升过程中起除气和除灰的作用。

使用较多的一种熔剂是2份冰晶石与1份氯化铵混合的粉末，其净化铝液时的化学反应如下：Na3AlF6＋Al→2AlF3＋3NaNH4Cl＋2Al→AlN＋AlCl＋2H2AlF3＋2Al→3AlFAlCl3＋2Al→3AlCl6AlF＋3O2→2Al2O3＋2AlF36AlCl＋3O2→2Al2O3＋2AlCl3以上化学反应中所生成的Al2O3，AlN和H2，连同铝液中原有的Al2O3和H2一起被AlF3和AlCl3气泡带出液面。

有时也用Na2SiF6作为熔剂，但其净化效果不如Na3AlF6。

用Na2SiF6作熔剂时的化学反应如下：Na2SiF6＋2Al→2AlF＋2Na＋SiNa2SiF6＋2Al→2NaF＋SiF43SiF4＋2Al2O3→3SiO2+4AlF3以以NaCl和KCl的混合盐为基体的熔剂成分为1、铝合金中气体的来源熔炼铝合金过程中，从大气、燃料、炉料、耐火材料、熔剂、熔铸工具等带入的气体种类较多，如：H2、CO2、CO、N2、C n H n(碳氢化合物)、H2O和O2等。

但只有那些容易分解成原子的气体，才能有较多的数量溶入铝液中去。

具体说，铝液所溶解的气体中80～90%是氢。

所以铝合金中的含气量，主要是指含氢量。

熔炼时周围空气中的氢气含量并不多，所以氢的主要来源是通过水分与铝液反应而产生的氢原子。

2Al＋3H2O＝Al2O3＋6[H ]。

这种原子态氢，一部分跑到大气中，一部分就进入铝液中。

实践证明，不同的季节和地区，因空气的湿度不同，铸锭中的气体含量也随之而异，其含气量随空气湿度的增大而增加。

1.2 影响气体含量的因素(1)合金元素的影响：与气体结合力较大的合金元素，如钛、锆、镁等会使合金中的气体溶解度增大，而铜、硅、锰、锌等合金元素可降低铝合金中气体的溶解度。

铜、硅含量对氢在铝熔体中溶解度的影响(2)气体分压的影响：在温度相同的条件下，气体在金属中的溶解度随炉气成分中的氢气分压增大而增大。

故火焰炉熔炼的铝熔体中的氢溶解度比电炉中的大。

(3)温度的影响：在氢分压一定时，温度越高铝熔体吸收的氢也越多。

此外，金属表面氧化膜状态及熔炼时间对气体在铝熔体中的溶解度也有影响。

2、铝液中的夹杂物液态铝与氧气、氮气、硫、碳等元素发生化学反应而生成的化合物及混入的其它夹杂物中，以氧化夹杂物(Al2O3)对金属的污染最大。

一般在铸锭中氧化夹杂物的总量占0.002%～0.02%。

铝合金中夹杂物的来源：(1)铝合金在熔化状态时表面与炉气中氧化性气体作用而生成的氧化物，如Al2O3等。

这种氧化膜在铝液表面可以保护铝液不再被氧化。

但这种表面膜一旦破裂便裹入铝液中，因Al2O3熔点高(2050℃)、密度(3.5~4.0)比铝液大，不上浮，故易在铸件中形成氧化物夹杂。

(2)炉料中所含氧化物也是合金中氧化物夹杂的一个重要来源。

如铝锭、中间合金等原含有Al2O3等夹杂物，铝锭表面的铝锈Al(OH)3等，在熔炼时都能直接污染铝液。

铝合金中与氧亲和力小于铝的合金元素，如硅、锌、铜等，在氧化薄膜的保护下不易氧化，即使有少量的元素被氧化了，得到的氧化物也较致密，不破坏氧化铝膜的连续性。

所以铝－硅、铝－铜、铝－锌类合金在大气下熔炼不用加覆盖剂。

铝合金中对氧亲和力对于铝的元素是镁。

镁比铝轻，比铝更容易氧化。

氧化后生成的氧化镁，本身不致密又能破坏致密的氧化铝薄膜。

由于镁能破坏氧化铝薄膜的保护作用，所以熔炼铝镁类合金时，要在熔剂法规下进行。

.3、铝及铝合金熔体净化处理一般所谓“去气”是指去除合金中的气体，“精炼”是指去除合金中的夹杂物。

去气精炼的目的就是清除或尽量降低氧化物夹杂和气体，以提高金属的净化程度。

故去气和精炼通常统称净化处理。

对铝合金熔体纯净度的要求，一般是由于品种和用途的不同有一定的差别。

通常含氢量要求小于0.2ml/100gAl，但对于特殊要求的航空材料应在0.1ml/100gAl以下。

非金属夹杂物由于检测时不能精确定量，就很难有定量要求。

铝及铝合金的净化方法很多，大体可归纳为炉内净化和炉外净化两类。

目前国内普遍采用N2－Cl2混合气体及熔剂精炼，陶瓷片过滤净化方法。

一些大、中型铝加工厂还引进了在线处理装置，如SNIF(Spinning Nozzle Inert Flotation)、MINT(Melt In-Line Treatment system)等，使熔体质量进一步提高。

3.1炉内净化处理1、氮气净化：氮气化学性质不活泼，在精炼温度下与铝液及其它溶解的气体不发生化学反应，也不溶于铝熔体中。

把氮气通入铝液能形成大量气泡。

在这些氮气气泡中氢分压等于零，因此熔体中的氢会向气泡扩散，从而去除了熔体中的气体。

在气泡上浮过程中，遇到夹杂物时，由于表面张力的作用，夹杂物就粘附在气泡表面上，最后气泡把夹杂物带到液面的渣中。

由此可见，在去除气体的同时也清除了夹杂物。

用氮气去气精炼，精炼温度应控制在690～710℃范围内，温度过高，氮气可能与铝起化学反应。

氮气压力控制在10～15kPa范围内。

含镁的合金不宜采用氮气净化，因为精炼温度下能生成Mg3N2，影响合金质量，同时氮的除气作用并不完全。

2、氯气净化：氯气不溶于铝合金熔体，但能与铝生成氯化铝。

2Al＋3Cl2＝2AlCl3↑氯气还能与合金中的氢发生反应，生成易挥发的氯化氢。

Cl2＋2[H]＝2HCl↑。

也有部分氯气以气态逸出。

这些气体都以气泡形式从铝液中浮起，起去气除渣的作用，净化效果好。

但氯气有毒，有害于人体健康，对周围设备腐蚀严重，为此必须有完好的通风防护设备。

3、混合气体精炼：但用氮气净化效果差，用氯气又对环境和设备有害，所以目前多采用混合气体净化，以提高净化效果，减少其有害作用。

混合气体有两气体混合：N2－Cl2(9:1或8:2)或三气体混合：N2－Cl2－CO(8:1:1)。

在铝液中的反应如下：2Al2O3＋6Cl2＝4AlCl3↑＋3O2↑3O2＋6CO＝6CO2↑3CO2↑2323AlCl3和3CO2都有精炼作用，又能部分分解Al2O3，所以明显提高净化效果。

4、熔剂净化：熔剂精炼作用主要是通过与熔剂中的氧化夹杂物发生吸附和溶解作用而实现。

常用的精炼剂以氯化物为基础，加入氟化物，如CaF2、Na3AlF6等来吸附、溶解Al2O3，以最大净化效果。

常用的熔剂成分及用途如下。

它们能够清除氧化夹杂，也可以去除一些气体，但不彻底。

精炼时，先调整铝液温度到高于浇注温度20～30℃。

把熔剂撒在铝合金熔体表面，由于铝合金使用的熔剂密度比铝液小，它们都浮在上面。

搅拌5～10min，搅拌后再静置5～10min，然后清除合金上面的渣并撒上覆盖剂，精炼完毕即可浇注。

5、氯盐净化：氯盐净化的原理是利用它们和铝反应生成不溶于铝液的低沸点化合物(如AlCl3沸点182.7℃)，在铝液中形成气泡，上浮时起去气、清除杂质的作用。

常用的氯盐有氯化锌(ZnCl2)、氯化锰(MnCl2)、六氯乙烷(C2Cl6)、四氯化碳(CCl4)、四氯化钛(TiCl4)等，在熔体中的反应如下：2ZnCl2＋2Al＝2AlCl3↑＋3Zn2MnCl2＋2Al＝2AlCl3↑＋3Mn3C2Cl6＋2Al＝3C2Cl4↑＋2AlCl3↑3TiCl4＋4Al＝4AlCl3↑＋3Ti用氯盐精炼的缺点是产生刺激性气体，恶化劳动条件，而且对设备有严重腐蚀作用。

近年来有的工厂采用以硝酸盐为主的无毒精炼剂。

典型的配方如下。

在铝熔体中无毒精炼剂发生下列反应：4NaNO3＋5C＝2NaCO3＋2N2↑＋3CO2↑。

N2和CO2都不溶于铝液，在上浮时起精炼作用。

精炼剂中Na3AlF6、Na2SlF6既起精炼作用，也起缓冲作用。

N2和CO2等没有刺激性，改善了劳动条件。

在真空下铝液吸气的倾向趋于零，而且溶解在铝液中的氢有强烈的析出倾向，生成的气泡在上浮过程中将氧化物夹杂带出铝液，使铝锭得到净化。

实践证明，真空处理去气效果很好，但去除杂质的作用很小。

3.2炉外净化处理1、玻璃丝布过滤：玻璃丝布过滤铝熔体在国外已广泛应用。

该法是让熔体通过玻璃丝布过滤器，使夹杂受到机械阻隔而过滤。

过滤网尺寸通常为0.6mm×0.6mm×1.7mm，可安放于静置炉与结晶槽之间的任何熔体通过的部位。

但玻璃丝布只能除去尺寸较大的夹杂，对微小夹杂无效并且只能使用一次。

2、陶瓷过滤器过滤：刚玉微孔陶瓷管过滤装置中装有外径100mm，内径60mm，长500～900mm 的陶瓷过滤管数根。

铝熔体通过陶瓷管大小不等、曲折的微细孔道，熔体中的杂质被阻碍、沉降及介质表面对杂质产生吸附和范德瓦尔斯力作用，将熔体中杂质颗粒滤去。

20目刚玉微孔陶瓷管能滤去5微米以上的杂质颗粒，16目可滤去8～10微米杂质颗粒。

陶瓷管的寿命一般可通过300～600吨铝液。

加工锻件与饮料罐薄板的铸锭熔体宜用此法净化。

3、泡沫陶瓷板过滤：泡沫陶瓷是近年来发展起来的新型陶瓷过滤材料。

一般制成50mm厚，长宽为200～600mm的过滤板，孔隙度高达0.8~0.9。

泡沫陶瓷板在过滤铝液时，铝液流经陶瓷曲折的孔眼，其中含的夹杂颗粒等因受到铝液流轴向压力、摩擦力、表面吸附力等的联合作用，被滞留在陶瓷板的孔眼内表面和缝隙洞穴处，从而使夹杂颗粒和铝液分离。

经过一段时间后，滞留在陶瓷板上的渣子也参与吸附和截留渣子。

其吸附和截留铝液的能力远大于陶瓷板，使陶瓷过滤板有可能滤掉比它本身的孔眼小得多的渣子。