铝及铝合金熔体净化方法研究

铝及铝合金熔体净化方法研究摘要：论述了国内外铝合金熔体净化工艺和净化剂的研究现状，并简要介绍了我国铝合金净化的行业现状，提出了铝熔体提高净化效果的主要途径及发展方向。

本文同时介绍了铝及铝合金熔炼过程中铝熔体中存在的可溶的和不溶的杂质氢及氧化物夹杂及其所造成的冶金缺陷，论述了铝熔体净化处理的重要性，分析了传统的铝熔体炉内分批净化处理所存在的不足，说明了先进的净化处理工艺产生的背景，从理论上阐明了铝熔体净化的机理，详细地分析了这些先进的净化处理工艺与设备的特点、处理效果及所存在的问题，指出了铝熔体净化处理工艺的发展方向。

关键词：熔体净化铝合金1 引言在航空航天等国防技术领域，大型铝合金构件的应用越来越多，对构件的要求越来越高，除了要保证其化学成分、力学性能和尺寸精度外，还不允许铸件有缩孔、气孔、渗漏、夹渣等缺陷。

铝合金熔体净化处理是生产高质量的铝铸件的基本保证措施之一，也是提高铝合金综合性能的主要手段。

铝合金熔体精炼效果对疏松、气孔、夹杂等的形成有重要影响，且直接影响铝铸件的物理性能、力学性能以及使用性能。

没有高质量的铝合金熔液，即使以后的变质、晶粒细化处理再有效，加工成形控制再先进，采取合理的铸造工艺以及热处理工艺，缺陷一旦从开始就产生，仍然会顽固地存在、难以弥补，高质量的铸件也是很难想象的。

因此，人们非常重视铸造铝合金熔体中的气体和夹杂物，并采取各种铝合金熔体净化措施排除气体和夹杂物[1-3]。

目前，铝合金熔体纯净化和均质细晶化的综合处理，被认为是获得优质铝合金必须解决的共性技术基础问题。

有许多相关的研究如：各种铝熔体除气去渣的净化方法（物理的和化学的），各种电、磁场对熔体的处理方法，研究合金熔体的结构及熔体的热历史对凝固组织的影响，快速凝固粉末冶金铝合金的研究等等。

铝合金熔体净化处理按处理所处的生产环节的不同，可将其分为炉内处理和炉外处理两大类。

铝合金熔体炉内净化技术按照净化作用的机理又可以分为吸附净化处理技术和非吸附净化处理技术。

吸附法，主要是依靠精炼剂产生吸附氧化夹杂的作用，同时清除氧化夹杂及其表面依附的氢气，达到净化铝液的目的。

非吸附法，依靠其它物理、化学作用来达到净化铝液的目的。

吸附法的精炼作用只发生在吸附界面上，非吸附法则同时作用于整体铝液。

吸附净化处理技术主要有惰性气体吹洗、活性气体吹洗、混合气体吹洗、氯盐（六氯乙烷）净化、无毒精炼剂净化、熔剂法精炼等；非吸附净化处理技术主要有真空净化处理法（静态真空处理、动态真空处理）、超声波净化处理法、电磁净化处理法（直流电、交流电、旋转磁场、行波磁场）、压力结晶法、稀土元素氢法等[4-5]。

在吸附净化处理技术中，采用氯气精炼，与液态铝生成三氯化铝，与氢气生成氯化氢，兼有物理和化学的净化作用，精炼效果明显，但是对环境及设备都造成严重的损害，而且氯气是破坏大气臭氧层的最根本祸首。

后来改用氮气精炼，甚至用的高纯氮气精炼，不仅成本提高，精炼效果也较差。

虽然人们已经意识到问题的严重性，并在力求改进工艺，多年的努力仍不尽人意，无毒无污染的精炼工艺（如用氮气，氩气等惰性气体精炼）往往还不能达到诸如有严重环境污染的氯气精炼处理所能达到的精炼效果。

近年来，国外普遍采用混合气体精炼，即在高纯氮气或氩气中加入少量的活性气体，在强化铝合金熔体除氢作用的同时，有利于去除铝合金熔体内部的夹杂物并在铝合金熔体表面造成干性渣，可以达到很好的精炼效果，而且可以人为地控制氯气混入量，对环境影响不大。

在非吸附净化处理技术中，稀土元素储氢法（化学固氢法）利用稀土元素特殊的电子结构和物理化学性质，和生成高熔点化合物弥散质点，以固体形式吸收铝合金熔体中的大量的氢，在铝合金熔体净化方面发挥着越来越重要的作用，同时，稀土元素在变质处理方面也得到广泛的应用，因此，稀土化学固氢净化铝合金熔体已经成为新型铝合金熔体精炼剂的一个发展方向。

目前，杨长贺等已开发出稀土惰性气体（氩）联合除气新方法，丁文江等开发出新型多功能稀土熔剂，据称是一种“绿色环保型熔剂”，对合金的除气净化效果显著，并具有一定的变质细化作用，但未见到工业化应用的报道。

尽管铝合金熔体净化有众多的工艺方法，但是仍然满足不了铝行业的生产需要，特别是航空航天等军品铝合金的生产。

国内铝加工企业虽然也采用了几种具有国际先进水平的在线除气设备，但并未掌握技术关键，而且在观念上只重视除气，而且轻视保护，没有掌握“以防为主，以排为辅”的原则。

虽然采用了与国外相同的除气方法和技术，而且在引进和消化的同时加以改进，但是我国的铝合金熔体处理水平仍然与国际先进水平有一定的差距。

目前，铸造铝合金生产过程中精炼净化仍是久久未能彻底解决的基本问题，大量的废品在工厂里面产生，很多高质量的铝合金铸件不能生产。

2 熔体净化方法铝合金净化方法按其作用原理可分为吸附净化和非吸附净化两个基本类型。

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的、物理的或机械的作用，达到除气、除杂的目的。

属于吸附净化的方法有:吹气法、过滤法、熔剂法等等。

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。

2.1吹气法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[6-7]吹气法是20世纪70 年代发展起来的铝熔体净化工艺[3-4]，主要用于除氢，按其气体导入方式，可分为单管吹气法、多孔喷头吹气法、固定喷吹法、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，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、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[8-10]。

旋转喷吹法是吹气法中效果最好的方法[6-7]，它主要是依靠转头的形状，以及适当高转速的转头对气泡的破碎来控制气泡的大小和分布的，转头是这些方法的技术核心，不同的转头，产生的气泡大小不同，不论那种方法，产生的气泡一般为mm级。

转头转速300～500 r/ min ，吹气压力恒定在2～3 个大气压之间。

旋转喷吹法为存在的缺点主要表现在除气率低，一般在70 %以下;气泡尺寸不够小，达不到μm级，这是由转头形状所决定的，转头转速过高，易引起熔体翻腾，产生吸气现象，也会使熔体中心区域压力降低产生合泡现象。

2.2 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。

过滤材质一般使用玻璃布、刚玉球以及泡沫陶瓷。

过滤法主要是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，例如图1 是两种连续净化装置示意图。

另外还有FILD 法、Alcoal81 法、Alcoa469 法、Alusuisse DUF2S 法等都是集除气除杂为一体的、图1 连续净化装置示意图单级或多级的、连续的铝熔体净化方法[11-13]。

2.3熔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。

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。

除了以除气除杂为主要目的的熔剂外，还有一些其他的熔剂，如覆盖剂、清渣剂等。

各种熔剂的重复使用，造成熔炼成本增高，增加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之一。

目前，国内外研制和使用的熔剂种类繁多，如美国著名的Pyrotek 公司生产的各种熔剂；国内陈渭臣等研制的JGJ21 型铝合金熔剂[9]和上海交通大学研制的JDLF21 和JDLF22 铝合金熔剂[10]等。

熔剂法和旋转喷吹法相结合形成了铝合金净化新工艺——旋转喷粉法，该法与炼钢中的喷粉冶金类似，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，如FI 法和He-project 法等。

[14-15]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，小颗粒的夹杂很难用该方法除去。

真空处理是将熔体置于有一定真空度的密闭保温炉内，利用氢在熔体中和气氛中的分压差，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，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新的铝合金熔体净化方法，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。

3 铝及铝合金熔体净化处理3.1 基本原理铝料的表面都有一层厚薄不均的氧化膜，有时还吸附水分，夹杂灰沙，粘有油污，涂有油漆等。

在熔化时，铝料在高温环境中进一步氧化，氧化膜厚度增加，并与气氛中的水分起化学反应，生成氧化铝和氢，使氧化夹杂和气体含量增加。

所以，铝料熔化以后，必须进行净化处理，以清除铝液内部的杂质和气体。

用于净化铝液的物质统称为熔剂。

熔剂在室温多数是固体或气体，也有个别熔剂是液体，如CCl4。

固体熔剂的优点是体积小，容易运输和储存，但都具有较强的吸湿性，必须密封包装。

为了提高固体熔剂的净化效果，可将熔剂压紧成紧密小块用铝箔包裹，放入长柄的钻孔容器内插入熔池底部。

对以NaCl和KCl 的混合盐为基体的熔剂，可先按配比将混合盐熔化后，加入难熔组分，例如Na3AlF6，经搅拌冷却后注入密封铁箱内。

熔剂使用前应存放在室温较高的干燥地点，如熔炉旁，以防受潮。

在熔炉内施加覆盖熔剂，可以减少熔化消耗，阻止铝液从炉膛气氛中吸收气体，但覆盖熔剂的耗用量大(约相当于铝料重量的10%)，使生产成本提高，中小型铝加工厂一般不采用。

净化熔剂的使用通常是在铝料熔化以后将按配比混合的粉状熔剂撒在熔池表面，然后用长柄工具搅动铝液促使灰渣上浮。