铝合金圆铸锭的熔体净化_图文

1、Lw2010-第四届铝型材技术(国际论坛铝合金圆铸锭的熔体净化庆毅(深圳市阿尔泰克冶金材料有限公司,深圳518052摘要:铝合金管,棒,型材作为铝合金加工材的一个主要部分,已经被广泛应用于建筑、运输、电子、航 空、航天、兵器等各行各业。作为铝合金管,棒,型材的的主要铸造坯料,铝合金圆铸锭的冶金质量将直 接影响后续加工产品的质量。关键词:铝熔体;净化;在线除气装置;过滤;检测铝合金铸锭的冶金质量通常特指铝合金铸件的内在质量,主要是包括三个部分:一是铝合金铸锭内在 成份的均匀性以及成份控制水平,也就是通常说的合金化;二是铝合金铸锭内部的晶粒结构合理和均匀性, 即晶粒细化;三是铝合金铸锭的内部杂质水

2、平,包括气体杂质和非金属夹杂,也就是熔体净化;本文将根 据铝合金圆铸锭的特点,重点介绍关于铝合金熔体净化的质量控制,以及检测方法。1铝合金熔体中气体杂质的来源熔炼铝合金过程中,从大气、燃料、炉料、耐火材料、熔铸工具等带入的气体种类较多,如H2、C02、 CO、CnHm(碳氢化合物、H20和02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。 气体元素在金属中以三种形态存在:以分子态气体夹杂或气泡形态悬浮在铝熔体中;以氧化物、氮化 物、氢化物等固态化合物形态;以原予或离子形态分布于金属原子间或晶格中;铝液中所溶解的气体中95%是氢。铝合金中的含气量,主要指含氢量。熔炼时周围空

3、气中的氢气含量并不多,所以氢的来源主要是通过水分与铝液反应而产生的氢原子。低 于250时,铝和空气中的水气接触。发生下列反应:2AI+6H20-'2Al(OH3+3H2AI(OH3是一种白色粉末,没有防氧化作用,且易潮湿。这种带有AI(OH3腐蚀层的铝在高于400。C的 条件下将进一步发生下列反应:2Al(OH:3-"A1203-I-6H】2AI(OH3-2A1203+3H20在熔炼时,A1203即成为氧化夹杂物,氢则溶入铝液,增加铝液中的含气量。在铝合金熔炼的高温下, 也可以合并成如下的反应:2A1+3H20=A1203-6H】反应生成这种原子态氢,很少一部分跑到大气中,大

4、部分就进入铝液中,弥散在铝合金的原予间隙中。 实践证明,不同的季节和地区,因空气的湿度不同,铸锭中的含量也随之而异,其含气量随空气湿度 的增大而增加。铝液遇到H20反应极为剧烈,即使在大气中仅存少量水蒸气,也足以和铝液发生反应,生成的氢则溶Lw2010.第四届铝型材技术(国际论坛于铝液。2铝合金熔体中非金属杂质的来源铝合金在熔化和转注过程中,铝与炉气中的氧及水气作用,生成A1203、MgO、Si02、和Ah03.MgO, 加上残余的细化剂A1TiB中间合金的粗大TiB粒子。在熔体净化时产生的氯化物、氮化物及碳化物。耐火砖碎片、脱落的流槽和工具上的涂料。最多的是 A1203、Mgo、A12M90

5、4,形态以薄片状为主。铝合金熔体中其他的非金属夹杂部分来源于熔铝炉底内衬,熔铝炉的炉衬多以氧化物为耐火材料,这 些氧化物在高温下的稳定性取决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 稳定的,在熔炼过程中不受铝液浸蚀;生成自由能高于Al:03的生成自由能,其氧化物将与铝及其他活性金 属发生如下反应:3S102+4AI一2A1203+3Si3FeO+2AI'-'A1203+3FeCr203+2A1-A1203+2CrSi02+Mg-.-2MgO+Si是产生非金属夹杂的另外一个来源,所以,对于熔炼炉来说,在整个熔池部分的炉衬,采用A1203成 分大于75%

6、的耐火材料,可以大大减少炉衬对铝熔体的污染倾向。3影响气体含量的因素铝合金中的合金元素的对于氢含量也有很大的影响,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、锌等元素可降低铝合金中气体的溶解度。熔炼环境的气体分压,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。当氢分压一定时,温度越高铝熔体吸收的氢也越多,铝熔体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。4铝合金的净化对于高品质的铸件,就需要高品质的铸锭,对于铝合金铸锭的熔体净化,是改善铸锭冶金质量的重要 方面。

7、对于铝合金圆铸锭的铸造工艺方面,尽可能避免铝锭和废料的露天存放;在满足铸造要求的前题下, 降低熔炼和铸造温度,都有益于降低铝合金铸锭的氢含量。铝合金的净化工艺分两个环节,一是炉内精炼, 二是在线精炼:无论是炉内精炼还是在线精炼,其除气的基本原理有三种:(1惰性气体扩散法惰性气体扩散除气的机理,是采用高纯度的惰性气体中的铝液中的氢分压差,通过原子扩散,使氢原 子扩散到惰性气体气泡内形成氢分子,并随着气泡上升带出铝液,实现除氢的目的。惰性气体气泡在上升 的过程中,通过张力吸附的原理,同样可以吸附一部分小颗粒的非金属夹杂,达到除杂的目的。为了实现 除气除渣的高效,需要在气量等同的条件下,减小气泡直径

8、,增大气泡数量,增加气体的比表面积。Lw20lO-第日月铝型材技术(国际论坛蛳圈l情性气体陆气障磕机理(2采用氯气或者混合气体净化氯气本身不溶于铝合金熔体,但能与过量铝液发生化学反应,实现除气除渣。2AI+3CIz=2AICl3fc12+2EH-2HCI(3采用精炼剂精炼除气除渣:精炼剂的除气机理是通过其中的气化成分.比如:六氯乙烷高温分解出的氯气,氟硅酸钠高温牛成的 四氟化硅等,吸附氢原子上浮除气。精炼剂除渣的原理是通过精炼剂与熔体中的氧化夹杂物发生吸附和溶 解来实现。昂易溶解铝渣的成分是氟氯酸钠.也就是常说的冰晶石。常用的喷粉精炼刺以氯化物为基础, 加氟化物,如caR、Na,AIF6等来吸

9、附、溶解AlcOa.以增强净化效果。利用它们与铞反应生成不溶于铝 液的低沸点化合物(如AICl3沸点1827,在铝液中形成气泡,上浮时起除气、清除杂质的作用。常用的 氯盐有氯化锌、氯化锰,四氯化碳、六氧乙烷等,在熔件中的反应如下:3ZnCl2+2AI=2AICl3f+3Zn3MnCl2+2AI-2AICl3f+3Mn3c2c”2Aml3f+3C2ck用氧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 采用以硝酸盐加c粉为丰的无毒精炼荆。典型的配方如表3.9所示。在铝熔体中.无毒精炼剂发生下列反应: 4N刑03+5c=2c03+2N2f+3C02fN2和co

10、都不溶于铝液,在上浮时起到精炼效果,精炼刺中Na觚、Na2SiF6即起了精炼作用.也起了 缓冲作用吣N C02等役有刺激性,改善了劳动条件。但近年研究表明,在净化过程中,硝酸盐与碳反应Lw2010第四届铝型材技术(国际论坛并不充分,往往会产牛对人体育害的氮氧化物.这已引起了们的关注。4i炉内精练昔:i台金熔炼的炉内精炼,最早是采用氮氯混合精炼,到目前为止依然被证明为最有效的精炼方法.目 前,在国内的一些军工合金熔炼过程中依然被使用,氮氯混台精炼的缺陷是有毒和拧染环境,现在国内铝合金圆铸锭最常用的炉内精炼方法.是采用精炼剂喷耪精炼。喷粉精炼是1990年开始在国 内慢慢推广的一种技术,相比较于传统

11、的精炼剂精炼,采用了高纯氮气作为载体,喷射进铝熔体中,在实 现传统精炼荆精炼的条件下,增加了气体精炼,效果好,也是目前国内最常用的炉内耩炼方法。由于精炼剂在生产的过程中不可避免的还有永分.即使目前虽好的精炼荆,也含有至少不低于01%的 水,也就是说,精蠊荆在精炼的过程中同时也会引八水汽,增加氢含量,最终除气的效果是一个动卷平衡 的结果。按照精炼剂的推荐使用量,每吨15公斤来计算.由精炼剂引入的氢含量为,0083摩尔,折合成气体 含量为018毫升每100克铝。通常来说.炉内采用精炼剂喷粉精炼除气后的极限氢含量不小于022q26毫升每100克瞽;。对于铝合金圆铸锭的氢含量要求,通常对于普通型材用圆

12、锭含氢量要求为小于018毫升每100克铝,工 业材和高品质犁材为小于016毫升每100克铝。对于特殊要求的航空型材含氧量要求小于012毫升每100克 铝。朋2炉内遘气砖42在线精炼为了达到更好的除气除渣效果,突破炉内精练的局限.在铝台金圆铸锭上采用在线精炼装置已经开始 越来越广泛。Lw2010.第四届铝型材技术(国际论b圈3箱式髓装置生产线 圈4流槽式腺气装置生产拽铝焙体在线除杂主要是采用三种方式:玻璃丝布过滤,泡沫陶瓷板过滤.管式过滤和深床过滤; 玻璃丝布过滤铝熔件在国内外已广泛应用。该法是让熔体通过玻璃丝布过滤器.使夹杂受到机械阻隔 呵过滤.属于阕状过滤,通过栅栏作用机械分离宏观粗大的夹杂

13、物。优点是使用成本低.结构简单,安装 随意,对铸锭晶粒组织无影响,缺点是除渣效果差。目前最常用且最有效的过滤除杂方式是采用泡沫陶瓷过滤板过滤,其过滤机理是利用铝涟通过狭窄弯曲通道,通过阻挡、沉积、吸附三种微观作用:将铝液中的夹杂物留存在过滤板内,实现除杂效果。 r 一譬鼢 宣翰 豳田5泡沫陶瓷过滤扳及过滤箱 田6蛙滤机理示嚣田第四届型村技术（国际）论坛 目翟 圈过滤氍毪导对照衰 圈瞥式过滤暑 管式过滤器和深床过滤都是高精度过滤对于有特殊要求的铝合金圆铸锭，是必须采用的，其优点是 净化精度高，过滤效粜好，缺点是采购和使用成本高，占地面积大，残铝高，容易导致细化剂失效。 铝合金熔体净化效果检测 铝台金熔体氢含量测定，常用的有两种方式。一种的是定性侧氢，采用减压凝固法，炉前取样，抽真 空凝固观察切样表面，或测定试样密度，然后根据外观雷谱和密度确定氢含量。此种方法操作简单，取 样快，通常在”甫使用，可蚍用于每炉测定，确定铸造条件。 一露国 鎏譬 图田外定量涮洼倥 第四届