铝合金的精炼

1、铝合金的精炼精炼：从熔体中除去气体、非金属夹杂物和有害元素，以获得优良金属液的工艺方法和操作过程。精炼的目的：通过加入熔剂或气泡等介质的吸附作用去除杂质。当金属熔化成分调整完毕后，接下来就是铝液的精炼工序。铝合金精炼的目的是经过采取除气、除杂措施后获得高清洁度的、低含气量的合金液。一气体及夹杂来源铝液中气体及氧化夹杂的主要来源是h20,而h20则是从搅入铝液的表面氧化膜上、炉料表面（特别是受潮气腐蚀的炉料）、熔化浇注工具以及精炼剂、变质剂、炉衬烘干及烧结不良等带入铝液。而搅入铝液的氧化膜以及夹杂物较多的低品级炉料（如溅渣、碎块重熔锭）将在铝液中形成氧化物夹杂物。为此,应从熔炼浇注过程中注意下列

2、各点:熔炼工具使用前应仔细地除去粘附在表面的铁锈、氧化渣、旧涂料层等脏物,然后涂上新涂料,预热烘干后方可使用。熔化浇注工具和转运铝液的坩锅在使用前均应充分预热（包括大炉）。炉料炉料在使用前应保存在干燥处,如炉料已经受潮气腐蚀则在配料前进行吹砂以除去表面腐蚀层。回炉料表面常常粘附砂子（SiO2）（主要是重力铸造和部分低压铸造使用砂芯），部分SiO2和铝液会发生下列反应：4Al+3SiO-2AlO+3Si223所生成的Al2O3及剩余SiO2均在铝液中形成氧化夹杂，故在加这类料前也应经吹砂后使用。由切屑、渣包等重熔铸成锭的三级回炉料中常含有较多氧化夹杂物及气体,故其使用量应受到严格的限制，一般不超

3、过炉料总量的15%，对重要铸件则应完全不用。炉料表面也不应有油污、切削冷却液等物，因为各种油脂都是具有复杂结构的碳氢化合物，油脂受热而带入氢。炉料在加入铝液时必须预热至150180C以上，预热的目的一方面时是为了安全，防止铝液与凝结在冷炉料表面上的水分相遇而发生爆炸事故；另一方面是为防止将气体和夹杂物带入铝液。炼剂、变质剂因其中有些组元很易吸收大气中的水分而潮解，有些则本身含有结晶水。因此，在使用前应经充分烘干，某些物质如ZnCl2则需经重熔去水份后方能使用。一般的精炼剂都带有0.5%左右的结晶水，所以精炼剂在使用前要防止包装破损，而再次吸水。（自然脱水和自然吸水的现象叫风化和潮解）熔化、浇注

4、过程的操作熔化搅拌铝液应平稳，尽量不使表面氧化膜及空气搅入铝液中。应减低液流的下落高度和减少飞溅。浇注时浇包嘴应尽量接近浇口杯以减少液流的下落高度，并应匀速浇注，使铝液的飞溅及涡流减至最少。（在铸造作业中，坩埚底部约50100mm深处的铝液中沉积有较多量的AlO等夹杂物，因此不能用来浇注铸件）。23熔炼温度、熔炼及浇注过程的持续时间升高温度将加速铝液与屯0、o2之间反应，氢在铝液的溶解度也随熔炼温度的升高而急剧增加，当温度高于900C时，铝液表面氧化膜成为不致密的，更使上述反应显著加剧，故大多数铝合金的熔炼温度一般不超过750C。至于铝液表面氧化保护膜疏松的铝一镁合金，铝液与屯0、02间的反应

5、对温度的升高更为敏感，因此对铝镁合金的熔炼温度限制更严（一般不超过700C）。熔炼及浇注过程的持续时间（尤其是精炼后至浇注完毕相距的时间）越长，则铝液中之气体及氧化夹杂物含量也越高。因此，应尽量缩短熔炼及浇注的持续时间，特别是应尽量缩短精炼至浇注完毕的时间，如浇不完则应重新精炼，在天气潮湿地区以及产品要求针孔度级别较高，或是易产生气孔、夹杂的合金，则浇注时间应限制得更短。二精炼的方法精炼有下列几种方法：r通气法：通氮、通氯、通氩或以上气体的混合物浮游法精炼非吸附精炼吸附精炼过滤化学方法使用氯盐：ZnCl、CCl、AlCl、CCl、TiCl等243264熔剂：清渣剂活性介质J非活性介质稀土合金除

6、氢钛屑处理直流电除氢真空处理：处于真空条件下的铝液，外界气压极低，所以铝液中溶解的氢及其他气体，均有向外析出的强烈倾向。物理方法超声波处理旋转电场（电磁）吸附精炼：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或机械作用,达到除气、除杂的目的。浮游法：在铝液中造成大量的无氢气泡，也就是说气泡中的氢分压为0，溶于铝液中的氢在动力学上具有不断进入气泡的驱动力，从而在气泡中建立氢的分压，并不断增加，直到气泡中的氢分压和铝液中的氢浓度达到平衡，气泡在上浮的过程中还会吸附氧化夹杂物，并上浮逸出液面，达到除氢的效果。过滤：让铝熔体

7、通过中性或活性材料制造的过滤器,以分离悬浮在熔体中的固态夹杂物的净化方法。表面过滤：固体杂质主要沉积在过滤介质表面，如过滤布、过滤网。内部过滤：铝液携带夹杂物沿曲折的通道和孔隙流动，与过滤板泡沫状骨架接触时受到直接拦截、吸附、沉积等作用。当熔体在孔洞中流动时，过滤板通道是弯曲的，流经通道的熔体改变流动方向，其中的夹杂物与孔壁砧撞而牢固的粘附在孔壁上.随着过滤的进行，孔道有效过滤面积逐渐减少，透过能力下降，过滤精度提高。如：泡沫陶瓷过滤板具有多层网络、多维通孔，孔与孔之间连通。泡沫陶瓷过滤板是清除铝熔体中夹杂的最有效方法。至于金属过滤网、纤维布过滤，只能除去铝合金熔体中的大块夹杂物，但对微米级以

8、下的夹杂物无法去除，而且金属滤网还会污染铝合金。过滤法的特点:除渣效果较好，因而提高铝液的流动性，消除气孔的异质核心（渣），减少气孔，提高铸件的机械性能、切削加工性能。过滤法适合于处理二次熔体等含夹杂较多的铝液但过滤法的除氢效果不好为了提高过滤法的除气效果，人们把过滤和气体精炼结合起来非吸附净化：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。稀土合金除氢：稀土化合物可与铝熔体反应生成稀土单质,这些单质既能与铝液中的氢反应,生成REH2和REH3,起到除氢的作用,又可与Al2O

9、3反应置换出Al从而明显降低铝熔体中氧化夹杂的数量。电磁净化法：这种净化方法的原理是利用金属与非金属电导率的不同而引起的电磁力差异来实现金属与非金属的分离。超声波处理是利用超声波在熔体中的空化作用,使液相连续性破坏成孔穴,该孔穴使溶解在铝液中的气体聚集在一起,超声波弹性振荡促使气泡的结晶核心形成,并促使气泡聚集到一定尺寸,从而保证气体的析出。吸附精炼的各种方法A惰性气体净化法这里所说的惰性气体，是指不与熔融铝中的气体及杂质起化学反应，又不溶解于熔融铝中的气体。通常使用氮气或氩气。氮气被吹入铝液后，形成许多细小的气泡，气泡在铝熔体中通过的过程中，氧化物夹杂被吸附在气泡的表面，氢不断吸入气泡中，随

10、气泡上浮到熔体表面，氧化物夹杂停留在熔体表面，H逸出而进入大气中，使用氮气精练时除气速度较慢，也不可能将金属内的气体完全除净，对于非金属杂质的净化作用很小，且在高温下与铝反应成氧化铝，因此氮气净化法只适用于对铸锭的含氮量要求不太高的铸造生产。B活性气体净化法氯气：精炼效果好，但是设备复杂，有腐蚀性，对环境危害大，适用于铝硅合金；对铝来说，活性气体主要是氯气，活性气体能与溶解在金属的气体及夹杂物发生化反应，生成不与金属起反应也不溶于金属的气体和化合物；或者活性气体与金属反应生成另一种气体，它不再溶于金属中只吸收氢气，并上浮将金属中的氢原子带出。氯气本身不溶与铝中，但氯与铝及溶解于铝液中的氢迅速发

11、生化学反应。Cl+H2HClf+184.8KJ223Cl+2A12AIC1f+1.6MJ23反映生成物HCl和AlCl3（沸点183度）都是气态，不溶于铝液，和未参加反应的氯一起都能起净化作用，净化效果比氮气要好的多，但氮气有剧毒，对人体有害，污染环境易腐蚀设备及加热元件，且易使合金铸锭组织粗大，使用时应注意通风及防护。C/混合气体净化法单纯用氮精练效果差，用氯又对环境及设备有害，所以多采用混合气体精练，以提高精炼效果减少其有后害作用。混和气体有两种气体混合，N2-Cl2，混合比例多采用9：1或8：2效果好；也有三种气体混合N-Cl-CO,混合比例一般为8：1：1。混合气体在铝液中反映如下：2

12、2AlO+6Cl4A1C1f+3Of232323O+6CO-6COf22AlO+3Cl+3CO2A1C1f+3COf23232生成的AlCl3和CO2都有精炼作用，又能部分分解氧化铝，所以明显地提高精炼效果。D/溶剂净化法溶剂的精炼作用主要是靠其吸附和溶解氧化夹杂的能力，铝及铝合金的溶剂一般由碱金属及碱金属的氯化物和氟化物组成，溶剂除渣作用主要是利用溶剂对溶体中的氧化铝渣发生吸附来实现的，实践证明溶剂除气效果比气体净化除气的效果要差，而除渣效果比气体净化要好的多。铝及铝合金在铸造过程中所使用的溶剂主要有三大类：精炼剂、覆盖剂、打渣剂。E/气体-溶剂混合净化法惰性气体（氮氩）中，常含有一定量的氧

13、水分。净化铝熔体时，在吹入的气泡表面形成很薄但很致密的氧化膜，往往覆盖全部气泡表面阻碍从熔体中析出的氢气入气泡，降低净化效果，在净化气体中加入少量细粉溶剂，夹带溶剂的气泡进如熔体后，粉状溶剂溶化，以液体溶剂膜形包围着气泡表面，将气泡表面的氧化膜溶解，吸附使其瓦解，这时氢从熔体中经熔炼剂膜扩散进入气泡中，要比经过氧化膜的速度快得多，同时也防止了熔体与净化气体中的水分直接接触，此法净化效果突出，能达到较低的含氢量，且由于溶剂膜提高了气泡表面的活性，加强了吸附除渣的能力，除渣效果也好。F/炉外连续处理如果炉内处理精炼效果不佳，而且熔体又有二次污染的可能，为了提高净化处理的效果和保证熔体质量的稳定可靠

14、，炉外连续净化处理得到迅速发展，炉外连续净化处理是在金属熔体从熔炼炉放出，铸造成型之前进行，也称熔体在线处理或联机处理，主要是采用过滤和通入气体并使之在熔体中快速旋转等方法实现。此外，熔体净化还有动态真空处理，静置法，振动法等，一般在工厂中常用的净化方法主要是通入氮气和加入溶剂。炉外过滤装置大致可分为机械除渣作用和物理化学除渣作用两种，机械除渣作用是流体动力的作用下，熔体在流经过滤介质的机械阻挡作用，磨擦作用及布朗扩散作用，使杂质沉积和阻滞于过滤介质的孔隙越小，厚度越大，金属熔体流速越低，过滤效果越好。过滤装置的净化，是使流经该装置的熔体通过一层（或几层）过滤板，所用的过滤板可截留几何尺寸大于

15、某一数值的固相浮渣，从而净化熔体。专门的除气净化装置，靠一个（或几个）可旋转的气体喷嘴将纯净的氮气喷入熔体。喷嘴的出气口处呈叶轮形状，不停旋转的叶轮不断地将氮气打散成微小的气泡散布到熔体各个部位熔体中的氢就扩散进入氮气气泡，并随气泡的自动上升，从熔体上表面逸出而脱离熔体，达到除气净化的目的按其原理来说，精炼工序有二方面的功能：对溶解态的氢，主要依靠扩散作用使氢脱离铝液；对氧化物夹杂，主要通过加入熔剂或气泡等介质表面的吸附作用来去除。为了提高铝液的洁净度，一般采用联合精炼的方法，能取得较好的效果。生产中常用的精炼剂：气体精炼剂：惰性气体：不与铝熔体反应且在熔体中不溶解或溶解极微的气体，如氩气、氮

16、气等。活性气体（能与熔体产生化学反应但不对铝熔体造成污染的气体，如氯气、氟利昂、六氟化硫等）混合气，如氮-氩、氩-氯、氮-氟利昂、氩-六氟化硫、氮-氯-一氧化氮等。基本要求：保证达到预期精炼效果所必需的气体纯度。豊口几冲气萍稱炼来询王丢性捷%偉瞎盹凰气氧气執利诰7Aj-rit点（J时肝十航擅対.弭2B01，口仙1溯期F他QJ熔S:一曲-210|-155-VL7廉点zt-ms.9-.8-N.H雷嵐/lam-K1.7BL.25J.2141.443650此科FkK-&.56。.甌Q.31也旳9I,ft1(/P-Ui23HID121.13*Etl-JL33jtWs比TJZLW.Jn皿MnCJa125*

17、2.W网曲US,4叫北“SKI*1撫W1.50-6S.9s?nhK1dqI2QS.2A2.II1W8（用力F嶼升举3吒宅詳井qf:b畑丁42.09呃31怨電几举1馭1co*J5112LSOT-22.R76.BIX1pqn化位lieu18?.?lL72?-24.11沁4H7.41克的Hit产牛加童”.#J4C常用餐合苗办组戍顶粗泊悔理牝学怙前分F式W-FffW*frl.-|i-i0小&ftK1EM冶F4|.W2.19W2I7U4KtM.却2,5（冏I5Ws祁.IM3.ISI3W1250UIK_Kft4AIF,tJ.-sW伽Ug1ISO迟斤华MftttM*r&2.303.I4U266MftWhl2

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19、幣昔金*:电期！=用炼和“，：.J按使用目的的溶剂分类：防止氧化和吸气用的覆盖剂（要求小的表面张力和低的熔点）。除氢脱气的除气剂。除去氧化物夹杂用的净化剂。除去钠、镁、钾、钙等杂质元素的元素清除剂。清炉分离铝液用的除渣剂（对铝液有大的表面张力而对氧化渣要有较小的表面张力）。细化变质用的变质剂。除气一般都是采用浮游法来除气，其原理是在铝液中通入某种不含氢的气体产生气泡，利用这些气泡在上浮过程中将溶解的氢带出铝液，逸入大气。为了得到较好的精炼效果，应使导入气体的气管尽量压入熔池深处，气管下端距离炉子底部100150毫米，以使气泡上浮的行程加长，同时又不至于把沉于铝液底部的夹杂物搅起。通入气体时应使

20、气管在铝液内缓慢地横向移动，以使熔池各处均有气泡通过。尽量采用较低地通气压力和速度，因为这样形成的气泡较小，扩大了气泡的表面积，且由于气泡小，上浮速度也慢，因而能去除较多的夹杂和气体。同时，为保证良好的精炼效果，精炼温度的选择应适当，温度过高则生成的气泡较大而很快上浮，使精炼效果变差。温度过低时铝液的粘度较大，不利于铝液中的气体充分排出，同样也会降低精炼效果。气泡体积越小，数量越大，越均匀分散，和铝液接触面积越大，在铝液中停留时间越长，除气效果越好。用超声波处理铝液也能有效地除气。它的原理是通过向铝液中通入弹性波，在铝液内引起“空穴”现象，这样就破坏了铝液结构的连续性，产生了无数显微真空穴，溶

21、于铝液中的氢就迅速地逸入这些空穴中成为气泡核心，继续长大后呈气泡状逸出铝液，从而达到精炼效果。除杂对于非金属夹杂，使用气体精炼方法能够有效去除，对于要求较高的材料还可以在浇注过程中采用过滤网的方法或使熔体通过熔融熔剂层进行机械过滤等来去除。对于金属杂质，一般的处理方法有以下几种：1、化有害因素为有利因素。即通过合金化方法将其变为有益的第二相，以利于材料性能的发挥。2、由含铝废料熔炼成的铝合金往往含有超标的金属元素，应尽量将其除去。可以采用选择性氧化，可将与氧亲和力比铝与氧亲和力大的各种金属杂质从熔体中除去。例如，镁、锌、钙、锆等元素，通过搅拌熔体而加快这些杂质元素的氧化，这些金属氧化物不溶于铝

22、液中而进入渣中，这样就可以通过撇渣而将其从铝熔体中去除。3、使用元素清除剂进行选择性反应，达到去除金属杂质的目的。三、单管喷吹和旋转喷吹的精炼特性比较：1、单管吹惰性气体净化工艺的气液两相流都属于泡状流范围，几乎所有用于铸造生产的间隙化净化工艺，都属于局部喷吹工艺，局部喷吹造成的流型是上下大循环对流，气泡卷流是一个正圆锥体，锥角随气流量增加，受气泡浮力和抽引液流的惯性作用，液面中心突起，随每个气泡的逸出而扰动，中心表面液体的更新速率最快，容易吸气造渣。2、污染净化动态平衡：去氢净化过程实际上由铝液内部去氢净化过程和铝液即污染过程所组成，净化效果由这两个方向相反的过程的动力平衡所决定，人们往往只注意去氢净化过程而忽视表面氧化-吸氢过程，因而得不到理想的效果。铝液表面氧化-吸氢现象和炉气中的H2O浓度及液面扰动程度有关，当净化温度不变，表面Al0膜破裂时，产生水气与铝液的反应：2A1+3HO-Al0+3H，生成新的氧化膜，氢溶入铝232232液中，这一过程周而复始的循环着，液面不断被更新，污染，更新频率越高，吸氢