铝合金熔体多种净化方法及新工艺技术浅谈
来源： 坚美铝型材厂 大沥铝材网
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前沿
铝及铝合金在熔炼过程中，表面极易被氧化生成Al2O3, 同时也极容易吸进气体，特别是氢气。由于氢和氧化夹杂物的存在，会影响铸棒的纯净度，使铸棒产生气孔、夹渣等缺陷，容易造成后工序成品缺陷，特别是大铸锭铝棒，如果含氢量高或杂质含量高，极易在挤压过程中发生氢脆和膛模现象，对产品质量和生产效率有很大的危害。因此，在实际生产中，我们需采用合理的净化方法提高铝熔体的纯净度，为后工序提供优质的铝棒。
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铝熔体净化方法
铝合金熔体的净化方法按其作用原理可分为吸附净化与非吸附净化两个基本类型。吸附净化是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及固体氧化夹杂物发生物理化学、物理或机械的作用, 达到除气除杂的目的。如吹气法、过滤法、熔剂法等。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) , 改变金属与气体系统或金属与夹杂物系统的平衡状态, 从而使气体或固体夹杂物从铝熔体中分离出来。如静置处理、真空处理、超声波处理等。
2.1吹气法
吹气法又称气泡浮游法,是20世纪70年代发展起来的铝熔体净化工艺，尤其对除氢有良好的效果。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。
随着对熔体纯净度要求的提高，除氢技术也在不断的改善和发展，已从原始的单管喷吹到多孔吹头，发展到目前的旋转喷头。20世纪80年代以来，采用旋转喷头吹气处理方法已成为国外先进的铝液净化技术的主要发展趋势，如美国联合碳化物公司研制的SNIF法，即旋转喷嘴惰性气体浮游法。该设备设有两个石墨制的气体旋转喷嘴，气体通过喷嘴的转子形成细小分散的小气泡，同时随着转子搅动的熔体使气泡均匀的分散到整个熔体中，增加了气体与液体之间的接触面积，延长了气泡在铝液中的运动距离和停留时间，使气体体积增加，吸附熔体中的气体和氧化夹杂物浮游到熔体表面，从而达到除气、除杂的净化效果。这种方法的除氢效率约为单管喷吹法的3倍。单管喷吹处理后熔体的含氢量约为0.2ml/100mg，而用SNIF法净化处理后的熔体含氢量可以达到0.08ml/100mg以下。因此，各大铝熔铸厂也纷纷学习采用旋转喷头吹气法对铝液进行净化处理。
2.2过滤法
过滤法主要是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。该法主要去除熔体中的夹杂物,对除氢效果甚微,所以在实际应用中,过滤法往往与吹气法相结合运用。
过滤方式有多种，效果最好的有刚玉过滤管和泡沫陶瓷过滤板。刚玉过滤管过滤效率高，但价格较昂贵、使用不方便；泡沫陶瓷过滤板是近几年发展起来的新型陶瓷过滤材料，它的特点是使用方便、过滤效果好、价格低，在全世界广泛使用，发达国家50％以上的铝合金熔体都采用泡沫陶瓷过滤板过滤。目前，一般采用箱式泡沫陶瓷过滤板技术的较多，它是一套带有气体预热盖系统的过滤箱。铝液从过滤板通过时，熔体中的夹杂物经过过滤器机械阻隔而达到排除分离的目的。这种方式过滤效果好，其过滤精度可为2μm，过滤效率达99％。
2.3溶剂法
熔剂法是在铝合金熔炼过程中,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。熔剂的除杂能力主要是通过与熔体中的氧化膜及非金属夹杂物发生吸附、溶解和化学作用来实现的。熔剂和夹杂物之间的界面张力愈小,熔剂的吸附性愈好,除杂作用愈强。目前，较先进的做法是熔剂法和旋转喷吹法相结合工艺方法——旋转喷粉法。它是借助惰性气体作为载体,将熔剂以粉末状喷入熔体来实现铝合金的净化处理，与传统的方法相比，旋转喷粉法的净化效果更佳。值得注意的是，在生产中如果各种熔剂叠加使用，容易造成熔剂成本增高,还会增加人为引入杂质的几率。
2.4非吸附净化法
非吸附净化法有:静置处理、真空处理、超声波处理等。静置处理是指将铝熔体在浇铸前静置一段时间,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,小颗粒的夹杂较难用该方法除去。
真空处理是将熔体置于有一定真空度的密闭保温炉内,利用氢在熔体和气氛中的分压差,使熔体中的氢不断生成气泡,并上浮逸出液面而被除去的方法。真空处理是降低铝熔体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,而且会使熔体温度的损失较大,除杂能力也极为有限,因此在工业生产中很少使用。
超声波处理是20世纪90年代发展起来的一项铝合金熔体净化方法,其原理是利用存在于熔体中的微气核空化泡在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生生长和崩溃,使液相连续性破坏成孔穴,让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,从而促使气体的析出。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。
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熔体净化新工艺
3.1永磁搅拌技术
为提高铝熔体的纯净度，减少金属烧损，实际生产中宜采用一种非直接接触式的搅拌方式来实现这一目的。永磁搅拌技术就是其中一种非直接接触高温熔体的搅拌技术。
3.1.1永磁搅拌机工作原理
永磁搅拌装置相当于一个使用永磁体磁场的电机，感应器相当于电机的定子，铝熔液相当于电机的转子。磁场和熔炼炉中的铝熔体相互作用产生感应电势和感生电流，这种感生电流又和磁场作用产生电磁力，从而推动铝溶液作定向运动，起到搅拌作用。永磁搅拌的工作原理如图1所示：
图1 永磁搅拌工作原理图
3.1.2永磁搅拌与人工搅拌的比较
永磁搅拌与人工搅拌比较有如下优点：
（1）被搅拌熔体化学成分均匀，提高熔体品质，减少了人为引起的化学成分均匀程度差异。在搅拌过程中由于熔体处于动态，从而有利于其中的非金属夹杂物和气体的逸出，提高了熔体的纯净度；
（2）非直接接触式搅拌，避免了人为对熔体的“二次污染”，并减少了氧化铝渣的生成；
（3）可提高炉内熔体温度的均匀性，熔体表层和底部温差可以控制在10℃以内，从而可以避免熔体局部过热和过烧现象的发生，减少金属烧损3％～5％；
（4）不用开炉门操作，可减少能耗约20％；
（5）可加速液体和未熔化炉料间的热交换，加快铝熔化速度，通常可提高熔化效率约20％；
（6）永磁搅拌的定向流动，利于氧化渣在熔体表面的聚集，便于扒渣，同时还可改善工人劳动强度。
3.2透气砖熔炼技术
传统吹气法是将氮气通入自制的钢管内,由操作工人将其伸到炉内铝液内进行吹气。该法的弊端是除气不均匀,周期长,劳动条件差,并且对铝液造成污染。然而，采用炉底透气砖熔炼技术除气可解决传统除气工艺存在的弊端。
3.2.1透气砖的设计描述
如图2所示，透气砖由透气砖芯（透气工作砖、透气安全砖、透气室、气体密封罩）、座砖、引气管、外壳等组成。其中，透气砖砖芯材质为多孔性锥形的耐火材料，其透气特性主要来自原材料特殊的结晶颗粒筛选工艺和静压力成型压砖工艺。砖芯上口敞开，下口接引气管，气体通过引气管进入分散到多孔的砖芯里面。砖芯的外围包裹一层预制成型的浇铸料保护层，即座砖，主要用于保护透气。
图2 透气砖结构简图
在透气砖底部有三个进气孔，分别供给三个不同压力、流量的气体。对气体的流量进行精确的控制，对于熔体达到良好的精炼效果至关重要，为此采用PLC并由触摸屏模拟显示对气体流量进行监控。在铝合金熔炼过程中，首先脉冲供气吹入合金化气，形成沸腾脉冲变化的造浪技术，促使铝液三维对流，减少温差，并形成有规律、无序对流和湍流等搅拌过程，随着气体逸出充满炉膛，从而实现惰性气体保护下的合金化过程；接着进行净化处理过程，脉冲供气吹入净化气，产生小气泡，达到小气泡浮选净化的效果；在整个熔炼过程中，一直吹入基气，保证少量连续供气背压，防止脉冲供气间隔瞬间可能引起的负压和停炉时灰粉堵塞透气眼的现象。
3.2.2透气砖和传统吹气法的比较
透气砖和传统吹气法的比较有如下优点：
（1）熔体温度和化学成分均匀；
（2）不开炉门操作，减少能耗；
（3）缩短精炼时间，提高热效率；
（4）减少炉渣的形成；
（5）操作可靠，工人的劳动强度降低。
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结束语
由于铝合金熔体中气体(H2)和氧化夹杂(Al2O3)等缺陷的存在会直接影响到铝合金产品的强度、塑性变形性能及最终的使用性能等，为此需提高铝合金熔体的纯净度以设法消除这些缺陷。本文简要介绍了铝合金熔体的各种净化方法及技术特点,并简述了最近发展的熔体净化新工艺。在铝型材的生产过程中，铝棒质量的好坏对产品的性能有着极其重要的影响，尤其是工业材的生产，对铝棒的质量好坏有更高的要求。而铝棒质量又主要取决于铝熔体的纯净度。因此，各生产厂家应认真对待这一问题，结合企业生产实际制定出最适宜的净化方法，提高铝熔体的纯净度，为保障企业产品的优良性能把好源头关。
为了提高企业对铝合金熔体高洁净化问题的重视，了解熔体中固态、气态夹杂产生原理和分布规律，研讨去除措施，加大铝合金熔体高洁净化先进技术推广力度，推动全国铝加工行业技术进步和产业升级进程。有色金属产业技术创新战略联盟联合中南京华冶金技术研究院、苏州大学等单位共同举办《铝合金熔体高洁净化专业技术研高级修班》于2018年12月18-19日福州市召开。