铝熔体在线除气净化机制研究

铝熔体在线除气净化机制研究

柯东杰;陈群;李宇航

【摘要】阐述液态铝液在线除气的物理化学原理,分析国内外铝液在线除气的研究状况和存在的不足.创新性地采用同实际铝液流量相当的动态水模拟试验进行研究,发现了动态两相流运动中存在合泡和短流现象.并提出有效的解决措施.同时发明了多项专利技术,发挥产学研密切配合的优势,研发出节能减排的在线除气工艺技术和装备.

【期刊名称】《轻合金加工技术》

【年(卷),期】2012(040)008

【总页数】10页(P13-22)

【关键词】铝合金;在线除气;动态水模拟;工艺研究

【作者】柯东杰;陈群;李宇航

【作者单位】福州麦特新高温材料有限公司,福建麦特新铝业科技有限公司,福建福州350001;福州麦特新高温材料有限公司,福建麦特新铝业科技有限公司,福建福州350001;福州麦特新高温材料有限公司,福建麦特新铝业科技有限公司,福建福州350001

【正文语种】中文

【中图分类】TG292

铝及其合金在熔炼炉内高温熔炼过程中，来自纯金属锭、中间合金、废料、高温炉

气、耐火材料和工具对铝熔体纯洁度的影响，使铸锭产生气孔和夹渣等冶金缺陷。因此在生产过程中采用熔剂和惰性气体精炼来减少冶金缺陷的产生，然而炉内精炼处理均存在以下问题:

(1)纯惰性气体精炼流量大、气泡大、熔体翻滚严重，容易氧化造渣，除气效果较好，但除渣效果差;且大流量氩气成本高，用氮气容易生成MgN和AlN，净化程

度不良。

(2)氯气净化毒性和活性大，反应太激烈，害处多，净化效果更差。

(3)混合气体精炼用氮气和氯气混合或者氩气和氯气混合气体精炼，提高净化效果

不明显，对人体健康有害，对周围设备腐蚀严重，为此必须有完好的通风防护设备。

(4)纯熔剂净化虽能较好清除氧化夹渣，也可以去除一些气体，但不彻底，还会带

来熔剂夹渣。

(5)真空处理去气效果很好，但去除杂质的作用很小，而且设备造价、运行成本昂贵。

综上所述，当今最经济实用有效的具有熔剂净化效果和气体净化效果的炉内喷粉精炼是铝合金熔体最有效的精炼方法［1］。但是在熔炼炉内的铝熔体的氢含量均在0.24 mL/100 g～3.0 mL/100 g之间，使铸锭达不到通常的质量要求，必须进一

步净化;由此发展了炉外在线除气和过滤净化处理技术，本文重点阐述在线除气工

艺技术的进步。

炉外处理方法很多，按其主要作用可分为以除气为主的，如Air-Liquid法;以除渣

为主的，如玻璃丝布、陶瓷管和泡沫陶瓷过滤法等;除气除渣兼有的，如

AlCOA469、FILD、SNIF、AlPur、MINT、RDU、GBF等。经过几十年的发展，国外已经有许多用于在线旋转喷吹净化工艺的专利产品，例如:美国联合碳化物公

司的SNIF法、法国彼西涅公司的ALPUR法、英国Foseco公司的RDU法、Foseco日本公司的GBF法、美国Hitchcock公司的RID法、澳大利亚Pyroteck

公司开发的旋转喷射熔剂法的系列设备、意大利铝业公司工艺研究部研发的ALUDEF(铝除气与过滤)等。

国内在引进一些国外先进净化技术和设备的基础上，开展了铝合金熔体净化技术的研究。例如:大连理工大学与华东铝加工厂设计研制了DUT－89铝液净化设备，西南铝加工厂消化吸收MINT技术后研制的DFU，琢神公司在消化吸收ALPUR的基础上开发的CQ500精炼装置等等。从2001年起，麦特新公司依托高校而成立的铝熔体处理技术的综合性研究应用团队，承担高校课题“大流量液态金属连续除气净化技术研究”，对国内外各种形式的铝熔体在线除气净化技术进行模拟试验研究和对实践应用参数进行对比，取得了一些成果。

1 在线除气净化的理论依据

1.1 惰性气体除气净化的物理化学过程描述

氢在铝中的溶解度决定于与铝熔体接触的气相中氢气的分压。当铝熔体中的氢含量对应的平衡状态的氢分压大于与铝熔体接触的实际气体中氢分压时，铝熔体中的氢会向气相中扩散而实现除氢。这就是气泡浮游法除氢的原理。据此向熔体中通入纯净的惰性气体，因为惰性气泡氢的分压p'H2=0，而熔体中氢含量对应的平衡状态的氢分压p H2＞0，熔体中的氢会向气泡中扩散，复合成氢气分子随气泡排出熔体。

为了用尽可能少的惰性气体除掉尽可能多的铝熔体中的氢，在线惰性气体除氢应遵循以下原则:(1)隋性气体中氢和氧的含量越低越好;(2)吹入熔体中的惰性气体形成的气泡数量越多、越细小、越弥散越好;(3)气泡在铝熔体中停留的时间越长越好。

为此惰性气体除气设备多采用高速旋转喷头，从喷头叶片喷出的流体，产生强烈的紊流。从高速旋转的喷头喷射出来的气泡，在靠近喷头处，被由喷头叶片喷出的熔体和周围速度相对较慢的熔体迅速捕获，气泡受到两层流体产生的紊流切应力的作用，当大于气泡的承受能力时被从中切断，分裂为两个气泡。分裂的气泡再被其他

相切的液体层所捕获，就能继续分裂成更小的气泡，直到两层流体间的切应力不足以使气泡破碎或气泡脱离此切应力的作用范围为止。从而可以产生比单管或多管更加细小、更加均匀的气泡，有效增加比表面积，也有效增加传质扩散能力，同时延长了气-液界面的接触时间，在净化气体进气流量一定时，使得净化气泡逸出铝熔

体时其中氢的浓度更大，有效利用了净化气体，从而可以获得极佳的净化效果。

预热吹入铝熔体的惰性气体，可以减少因惰性气体升温导致的气泡体积增大;使除

气室腔体的横截面积沿高向逐渐增大可以减少由于气泡上升，熔体中压力下降使气泡体积增大带来的气泡合并的可能;若能实现负压除气也可进一步改善除气效果。

铝熔体的除氢过程是除气-吸气的动态过程，由铝熔体内部的除氢过程和铝熔体表

面的氧化吸氢过程组成。除氢效果由这两个方向相反过程的动态平衡所决定。铝熔体除氢净化效果很大程度上取决于铝熔体和大气以及铝熔体和净化气泡的传质扩散系数，同时，夹杂的去除效率也很大程度上取决于相互之间的碰撞、净化气泡对夹杂的吸附以及净化气泡的大小和分布等。总之，铝熔体内部的动力学条件对净化效率有很大的影响。

除气过程可以分为两种情况:一种是能够形成氢气泡的除氢过程;另一种是不能形成

氢气泡的除氢过程。

对于前者，大致可以分为三个阶段:首先是气泡的形核，然后是气泡的生长和上浮，最后是气泡的逸出。除非真空除气，通常第一阶段的气泡形核会很困难，因而对第一种情况下再多加讨论。

实际除气主要是通过形成其他种类的气泡而除氢，例如前述的气泡浮游法除氢。

铝熔体中的氢向外来初始无氢的气泡迁移的除氢动力学过程可以分解为以下五个步骤:

(1)通过对流和扩散，熔体中的氢迁移到铝熔体与气泡的气-液界面;

(2)氢原子由溶解状态转变为吸附状态;