铝合金熔体净化工艺概述课件.ppt

1、铝合金熔体净化工艺概述 一、一、概述概述 1 1、铝合金的熔炼要求：、铝合金的熔炼要求：1）成分合格：靠配料计算，注意元素烧损；2）温度合适：适中，720750；3）含氢量H少；夹杂少（固相Al2O3）；4）进行变质（AlSi合金Si量大于6%时）。前二条是熔炼所有合金的共性，2、3条是铝合金的特性，也就是重点。2、铝合金的熔炼特点：铝合金的熔炼特点：熔化时间长；容易氧化；容易吸气；容易吸收金属杂质。因此，在熔炼的过程中极易被污染，防止杂质的污染是铝及铝合金熔炼时的一个重要问题。铝合金熔体净化是保证铝合金材料冶金质量的关键技术，是学术界和企业界广泛关注的问题。铝合金熔体净化的目的，主要是降低熔

2、体中含氢量含氢量和氧化夹杂物氧化夹杂物的含量。3 3、对铝合金熔体洁净度的要求：、对铝合金熔体洁净度的要求：氢含量一般国内先进水平为0.15ml/100gAl，国际领先水平为0.10ml/100gAl。氧化夹杂物不允许有微米级的颗粒和聚集物。可见，对铝合金熔体的洁净度要求是非常严格的。Al2O3夹杂细小，比重与Al相差不多，漂浮在铝液中。夹杂和 H 的关系：a）表面的Al2O3膜能保护Al液不继续被氧化；b)同时也使过饱和的H不能向大气扩散；c）当温度900时，-Al2O3 转变为-Al2O3，比重变大，膜开裂,-Al2O3膜下沉，铝液夹杂增多。必须低温熔炼低温熔炼。4、铝合金精炼应遵循的原则

3、：铝合金精炼应遵循的原则：消除气孔和氧化夹杂的工艺原则，可以概括为：“防”、“排”、“溶”三个字。“防”就是严防水气及各种脏物进入熔池中。“排”就是排除铝液中的氧化夹杂和氢气。“溶”就是使铝液中的氢在凝固时能部分地甚至全部地固溶在合金组织中,不致在铸件中生成气孔。安排和选择“防”、“排”、“溶”三套工艺措施在熔炼工艺上必须掌握“以防为主,以排为辅”的原则。实践证明,最好精炼方法的着眼点,仍在“防”字。“溶”的效果很明显,当采用金属型铸造、压铸、低压铸造、负压铸造和挤压铸造时,质量较差的铝液,也能获得合格的铸件。5 5、净化方法分类、净化方法分类 铝合金净化方法按其作用原理可分为吸附净化和非吸附

4、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、固体熔剂及过滤介质）相接触，使吸附剂与熔体中的气体和固态氧化夹杂物发生化学的、物理的或机械的作用，从而达到除气、除杂质的目的。吸附净化方法有：吹气法、过滤法、熔剂法等。铝合金熔体净化方法众多，按作用机理特征，可归纳如下：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（比如真空、超声波、比重等）或化学方法，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。非吸附净化方法有：静置处理、真空处理、超声波处理等。二、二、铝合金净化原理铝合金净化原理 1 1、去氢动力学条件、去

5、氢动力学条件 可归根为两条：铝液中的空隙率；气-液两相接触面积。空隙率和气-液两相接触面积越大,去氢动力学条件越好。2 2、污染净化动态平衡污染净化动态平衡 去氢净化过程实际上由铝液内部去氢净化过程和铝液表面氧化吸氢过程即污染过程所组成,净化效果由这两个方向相反的过程的动态平衡动态平衡所决定，人们往往只注意去氢净化过程而忘记表面氧化吸氢过程，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PH2O及液面扰动程度有关,当净化温度不变,表面Al2O3膜破裂时,产生水气和铝液的反应:2Al+3H2O Al2O3+3H2 生成新的氧化膜,氢溶入铝液中,这一过程周而复始地循环着，液面不断被更新,污染

6、。更新频率越高,吸氢、造渣就越严重。这就是单管或多孔吹头的缺点。旋转喷头使惰性气体在剪切力作用下喷入铝液中，使气泡尺寸变小,增加了气液接触面积,延长了气泡在铝液中运动的距离和停留时间,使气泡体积增加,增大空隙率。由于气泡尺寸小,上升动能小,因而液面扰动小；其次,气泡分布较均匀,液面随整个熔体一起向旋转搅动方向转动,表面更新率低。因此净化效果好。3 3、铝液中的、铝液中的AlAl2 2O O3 3和和H H2 2之间的相互作用之间的相互作用 铝液中含有较多的Al2O3杂质后,会增加铝液的含氢量,而且很难除去,反之,Al2O3含量很低,含氢量也低,即使人为地通入氢气,也会自动脱气,恢复到原来的含氢

7、量,用这种纯净的铝液浇注铸件,很少会出现气孔，可见铝液中的Al2O3和H2之间存在着密切的孪生关系。Al2O3吸附氢气属于物理吸附,氢存在于Al2O3裂隙中,形成曲率半径为负的氢气泡。现代铝熔体熔剂净化机制认为:只有首先着眼于铝液中氧化夹杂物Al2O3为主的净化,有效地降低夹杂含量,尤其是悬浮在铝液中的弥散状的夹杂物数量,才能防止铝液增氢,消除去氢障碍,从而获得纯净的铝液,浇出健全的铸件。铝合金熔炼工艺历来只提“除气”、“变质”,而很少或不提“除渣”,实际上除渣和去气是同时发生的,由于渣是有形的,看得见,除渣效果更容易判断和控制,因此更应予以重视。现在人们已越来越理解“渣Al2O3既尽,气必除

8、”这一现象了，并总结出“除渣为主,去气为辅”的铝液精炼工艺原则。三、铝合金熔体净化工艺三、铝合金熔体净化工艺 1、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入到这些气泡中，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。吹气法是20世纪7、80年代发展起来的铝熔体净化工艺，主要用于除氢，按其气体导入方式，可分为单管吹气法、多孔吹头吹气法、固定喷吹法(以MINT法为代表)，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，气体的密度大，粘度大，则在熔体中的上浮速度慢，

9、停留时间长，有利于提高除气效果；气体的纯度高，含水量少，也有利于提高除气效果。另一方面，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、作用时间越长，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。2 2、过滤法、过滤法 让铝熔体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叫过滤法。过滤材质可以是玻璃布、金属网、泡沫陶瓷过滤器、松散颗粒填充床等。一般广泛使用的是玻璃布、刚玉球以及陶瓷泡沫。国产玻璃布的孔眼尺寸为1.2mm 1.5mm，孔眼数为3

10、0个/cm，流量为200kg/min。玻璃布过滤法的特点是适应性强、操作简便、成本低、但过滤效果不稳定，只能除去尺寸较大的夹杂物，对微小夹杂物效果较差，且玻璃布只能用一次，需要经常更换。陶瓷泡沫是近年来发展起来的新型陶瓷过滤材料，它是由氧化铝和氧化铬等组成的陶瓷浆料，借助聚氨酯泡沫成型，再经干燥、烧结而成。孔隙率高达 80%90%。它的特点是使用方便，过滤效果好，过滤时不需要很高的压头，价格便宜。但陶瓷泡沫较脆，易破损，通常只能使用一次。为了增加过滤效果，可采用双级过滤法，如DFU法等。3 3、熔剂法、熔剂法 熔剂法是将熔剂加入到熔体内部，通过一系列物理化学作用，达到除气除杂的目的。熔剂的除杂

11、能力是由熔剂对熔体中氧化夹杂物的吸附作用和溶解作用以及熔剂与熔体之间的化学作用所决定的。因为氧化夹杂物是不被铝液润湿的，二者之间的界面张力很小。熔剂吸附熔体中的氧化夹杂后，能使系统的表面自由能降低，因此，熔剂具有自动吸附氧化夹杂的能力，这种吸附作用是熔剂除杂的主要原因这种吸附作用是熔剂除杂的主要原因。熔剂和夹杂物之间的界面张力愈小，而溶剂和金属的界面张力及铝液和夹杂物之间的界面张力愈大，则熔剂的吸附性愈好，除杂作用愈强。熔剂对氧化物的溶解作用是由熔剂的本性所决定的，通常，当熔剂的分子结构与某些氧化物的分子结构相近或化学性质相近时，在一定温度下可以产生互溶。熔剂的除气作用主要表现在三个方面：1）

12、随络合物的除去而除去被氧化夹杂所吸收的部分络合氢；2）熔剂产生分解或与熔体相互作用时形成气态产物，进行扩 散除氢，如产生AlCl3、N2、CO2和SiF4等；3）由于熔体表面氧化膜被溶解而使得溶解的原子氢向大气扩 散变得容易。目前的熔剂往往功能单一，或只能去气除杂、或只能覆盖，造成熔炼成本增高，操作重复，更主要的是增大了人为引入杂质的几率，故而研制开发集覆盖保护、净化、变质、细化等功能于一体的新型熔剂仍是今后的发展方向。熔剂的成分:固态熔剂主要是氯盐和氟盐以及其他添加物的混合物。大多数的熔剂是以KCl-NaCl为基础的，等摩尔的KCl-NaCl在665形成低熔点共晶。另一种常用成分是NaF，它

13、和KCl-NaCl在 607形成三元共晶，常用的覆盖剂含有47.5KCl、47.5%NaCl和5NaF，对于覆盖剂来说，要提高其流动性，其熔点宜低些。其他覆盖剂是以MgCl2-KCl或光卤石(MgCl2.KCl)为基的，MgCl2-KCl可以在424形成低熔点共晶，而光卤石则在485熔化。这些覆盖剂具有很好的流动性，能在铝液表面形成一薄层。但是，由于MgCl2很贵，所以它一般用在无钠熔剂中。这种熔剂用于含Mg超过2%的合金，或在高镁含量的铝合金中用于除钙。熔剂材料的基本物理性质及一些添加物对熔剂性质（如流动性、润湿性以及化学活性）的影响见表 1。根据熔剂的作用，可分成四类：覆盖剂、除渣剂、清炉

14、剂和除气剂。熔剂材料的基本物理性质 4 4、复合净化技术、复合净化技术 一种具有除气、熔剂排杂净化兼优的方法，即喷射熔剂法（Flux Injection Process，简称 FIP法）于20世纪80年代初出现，据称是未来很有发展前途的先进净化技术。一种移动式高效熔剂旋转喷射搅拌处理系统是当前处理铝合金最先进的工艺，是近些年工业发达国家广为使用的净化铝熔体的先进技术，它集净化处理（除气、杂、除钙等）、钠变质处理、磷晶粒细化处理等于一体，且对环境无不利影响，成本费用适中。5 5、提高铝熔体净化效果的主要途径、提高铝熔体净化效果的主要途径 避免片面追求低氢含量的倾向，才有利于开发研制更为有效的铝液

15、净化新技术。在以除杂为主的净化方法中，过滤法一般是在除气后浇注前进行的（如过滤网安放在浇口或流槽等处），其除杂机理主要是机械的和物理的作用，对悬浮在熔体中微细夹杂的排除作用并不显著，并且该法难以实现先排杂后除气的原则；熔剂法对排杂有良好作用，但其排杂效果很大程度上取决于熔剂本身特性及净化工艺条件，传统的处理法是压入法或覆盖法，净化工艺条件差，易造成“死角”，难以发挥熔剂的作用。尽管目前已出现喷射熔剂法，明显改善了净化工艺条件，但是需专用设备，增加了成本，实际生产中的工艺控制也不稳定。经多年的研究与实践，福州大学开发了一种新的净化方法，即高效活性熔剂过滤净化方法高效活性熔剂过滤净化方法，它将铝的

16、熔化熔剂排杂熔剂过滤结合起来，实现于熔化的全过程中，无需专用设备，工艺简单、操作方便、成本低，净化效果显著，除杂率可达 80%左右，针孔率明显降低，若再辅以除气，则效果更为显著，已在废铝再生技术及高性能材料铝压力罐原块的国产化、用料低品化等系列研究中获得了实际应用。6 6、铝合金的非吸附净化方法、铝合金的非吸附净化方法 1）静置处理 静置处理是将铝熔体在浇注前静置一段时间，由于夹杂物的密度比铝熔体的大，所以夹杂物会自发下沉，从而达到从熔体中分离的目的。但静置处理很难将小颗粒的夹杂去除。2）真空处理 真空处理是将熔体置于有一定真空度的密闭保温炉内，利用氢在熔体中和气氛中的分压差，使熔体中氢不断生

17、成气泡，并上浮逸出液面而被除去。真空处理是降低铝熔体中氢含量最有效的方法，但这种处理需要真空密封设备，价格昂贵，而且造成熔体温度的损失较大，除杂能力也极为有限，在工业生产中很少使用。3）超声波处理 超声波处理是20世纪90年代发展起来的一项新的净化方法，目前已在进行工业应用方面的研究，其原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。由于超声波发生器的局限性，该方法很难处理大批量的铝熔体，限制了其工业应用。上海交通大学开发的铝合金新型净化熔剂稀土熔剂（JDN-1型）的使用效果。熔剂喷射装置示意图