鋁合金熔體凈化的研究

□文/張淑婷 王 磊 楊曉華 陸在平

北京礦冶研究總院金屬材料所

鋁合金熔體凈化的研究

Study on Purification of A lum inium A lloy M elting Body

□文/張淑婷 王 磊 楊曉華 陸在平

北京礦冶研究總院金屬材料所

論述了國內(nèi)外鋁合金熔體凈化工藝和凈化劑的研究現(xiàn)狀，并簡(jiǎn)要介紹了我國鋁合金凈化的行業(yè)現(xiàn)狀，指出現(xiàn)有工藝應(yīng)用和研究的不足。提出了鋁熔體提高凈化效果的主要途徑及發(fā)展方向?yàn)椋涸谠O(shè)備方面，應(yīng)努力實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，提高普及率，從而提高我國鋁合金行業(yè)的整體凈化水平；在鋁熔體凈化劑的發(fā)展方面，集凈化、覆蓋、精煉于一體的多功能綠色新型無污染熔劑及凈化機(jī)理的研究是今后的努力方向。

鋁合金 熔體 熔劑 凈化

近年來鋁合金材料大致向兩個(gè)方向發(fā)展：一是發(fā)展高強(qiáng)高韌等高性能鋁合金新材料，以滿足航空航天等軍事工業(yè)和特殊工業(yè)部門的需要；二是發(fā)展一系列可以滿足各種條件用途的民用鋁合金新材料[1，2]。

與國外相比，我國鋁合金研究的整體水平還比較落后，基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)裝備水平及其完善程度都與國外的差距很大。目前，鋁合金研究的重點(diǎn)之一是研究和采用各種先進(jìn)的熔體凈化與變質(zhì)處理方法，去除鋁液中的氣體和夾雜物，降低雜質(zhì)含量，提高鋁熔體的純度，從而改善鋁合金的性能。這也是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中廢鋁回收亟待解決的技術(shù)難題。

一、國內(nèi)外鋁合金凈化的研究現(xiàn)狀

在國外熔劑凈化理論的研究方面，R．R．Roy[3]研究了以NaCl、KCl為基的鹽熔劑與鋁熔體之間的表面張力，結(jié)果表明含有5%NaF的NaC l-KC1基的鹽熔劑配方比較合理，用于廢鋁熔體的凈化處理能夠獲得優(yōu)良的凈化效果。Utigard等[4]在報(bào)道中提到的僅是以NaCl、KCl為基的常見鹽熔劑以及常見使用方法和使用效果，國外學(xué)者的研究重點(diǎn)放在除氫技術(shù)和除氫裝置上。

文獻(xiàn)[5]介紹了一種降低液態(tài)鋁中鈉的方法，是在電解槽內(nèi)將液態(tài)鋁用過濾床過濾，該過濾床中充滿了一種活性粒子，其由石墨、焦碳、煤焦油顆粒的一種或幾種構(gòu)成，合適的粒子直徑為1～20mm。該過濾床的主體材料由剛玉、氧化鋯、碳酸鎂或玄武巖組成。鋁液在進(jìn)入過濾床前溫度應(yīng)控制在785℃～885℃之間，而流出后的溫度在770℃～870℃之間。該過濾法可將鈉的含量從15×10-6降低到1×10-4。該專利還指出液態(tài)鋁的過濾速度可以介于7～12t/(h·m3)。文獻(xiàn)[6]介紹了去除鋁液中堿金屬元素或堿土金屬元素的方法，是將AlF3顆粒以1~10g/m in的速度沖入載氣中，氣流的速度是40～200L/m，載氣將AlF3顆粒連續(xù)不斷地帶入鋁液中，鋁液合適的溫度為690℃～780℃。該方法的特點(diǎn)是使用較少的A lF3就可以起到良好的凈化效果。載氣主要是氬氣，其中還包括一定量的鹵化烴氣體。

在設(shè)備方面，文獻(xiàn)[7]公開了一種集吸附氫氣和過濾裝置的氣體凈化設(shè)備，專利稱該設(shè)備簡(jiǎn)單，通過使用該設(shè)備可以降低成本，提高效率，且延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，特別是在凈化過程中可以再生一部分熱量，這部分熱量彌補(bǔ)了被氣體帶走而損失的熱量，從而提高了凈化效率。該設(shè)備的特點(diǎn)是將傳統(tǒng)設(shè)備中的兩部分結(jié)構(gòu)集中到1個(gè)加熱器和過濾器中，而且吸氫和過濾可以在較高溫度進(jìn)行，可用于過濾鎳和純鋼，其用于過濾的組件呈圓柱形。此外，文獻(xiàn)[8]公開了一種凈化液態(tài)鋁、銅、黃銅以及青銅的設(shè)備。

國內(nèi)在熔劑領(lǐng)域的研究還是比較多的。上海交通大學(xué)的倪紅軍等[3]在鋁熔體理論及新型熔劑研究方面走在國內(nèi)前列，提出了鋁熔體凈化的新理論——鋁熔體覆蓋保護(hù)和化學(xué)凈化原理。根據(jù)該原理他們研制了三種集精煉、變質(zhì)和細(xì)化為一體的新型綠色多功能熔劑，即JDN-I稀土熔劑和JDN-Ⅱ、JDN-Ⅲ玻璃熔劑，并研究了這三種熔劑對(duì)鋁熔體的凈化工藝、凈化效果和對(duì)鋁及鋁合金組織和性能的影響，深入分析了三種新熔劑的作用機(jī)制。

國內(nèi)關(guān)于精煉劑的專利中，對(duì)設(shè)備和方法的報(bào)道較多，而對(duì)精煉劑配比和成分的報(bào)道較少。南京晨光機(jī)器廠的貝文韜等[9]申請(qǐng)了“鋁硅合金變質(zhì)精煉劑”專利，該專利公開了兩種Al-Si合金的變質(zhì)精煉劑，使用該精煉劑可以使精煉和變質(zhì)合二為一。

文獻(xiàn)[10]提供的方法和設(shè)備已用于鋁熔體的精煉，此方法及設(shè)備所得鋁熔體的氣體及鈉含量降低到一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)。日本鋼管株式會(huì)社和吉澤石灰工業(yè)株式會(huì)社聯(lián)合申請(qǐng)的專利[11]介紹了由Al、M gO與CaO作為M gO源及CaO源，以白云石為精煉劑，添加到鐵水中時(shí)通過鐵水中的反應(yīng)產(chǎn)生Mg蒸氣，利用該M g蒸氣進(jìn)行精煉反應(yīng)的方法。貴州送變電工程公司的邱鋒[12]公開了“一種導(dǎo)電鋁精煉一變質(zhì)復(fù)合劑及其制備方法和其應(yīng)用方法”的專利，該發(fā)明用于給導(dǎo)電鋁精煉提供既起精煉又起變質(zhì)作用的復(fù)合精煉劑，其具有原料容易獲得、成本低廉、制作過程簡(jiǎn)單、使用方便、效果好等優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)出的電工鋁條的純凈度和晶粒度達(dá)到要求，綜合性能和質(zhì)價(jià)比高。

二、我國鋁合金凈化的行業(yè)現(xiàn)狀

通常鋁熔體中含有0.4～0.8m l/1 0 0 g A l的氫，鋁熔體除氣處理后的氫含量一般都在0.1～0.2m l/1 0 0 g A l，而飛機(jī)零件氫含量有時(shí)要求不超過0.1m l/100g A l，此外，高質(zhì)量的鋁箔電子工業(yè)用的鋁材的氫含量要求在0.06m l/100gA l以下，國際先進(jìn)水平為0.05～0.08m l/100gAl，而目前國內(nèi)鋁熔體除氣的先進(jìn)水平能達(dá)到0.10m l/100gAl左右。除雜處理后，工業(yè)純鋁中的夾雜物含量一般在0.1%以上，夾雜物的尺寸大部分都大于10μm，國際除夾雜物的水平達(dá)到熔體中的夾雜物含量為0.02%，夾雜物的尺寸小于7μm。我國最新的研究表明，采用攪拌熔劑過濾法可有效去除7μm 以上的夾雜物[13～15]。

在我國電解鋁廠中，早期都采用氯化法。氯化法的精煉效果很好，但對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，20世紀(jì)60年代末我國已明令禁止使用。目前的N2-C l2混合氣體精煉法是在氯化法的基礎(chǔ)上派生的，使用氮?dú)獾哪康木褪菫榱藴p少氯化物的污染。該法中熔劑用于第一次精煉，采用氣體用于第二次精煉，混合氣體中通常氮?dú)夂繛?2%～90%，精煉工藝全部在爐內(nèi)進(jìn)行[16～18]。

近幾年，為了縮短鋁液在爐內(nèi)的停留時(shí)間，提高鑄錠質(zhì)量，應(yīng)用較廣的凈化方法是爐外精煉處理。為進(jìn)一步降低鋁坯和鋁熔體中的氫和氧含量，國內(nèi)數(shù)家鋁加工廠從國外引進(jìn)了幾種具有國際先進(jìn)水平的在線除氣凈化裝置，如SNIF、M INT、ALPUR等[18,20]。

我國青海鋁廠二期工程用熔劑與M INT聯(lián)合法進(jìn)行純鋁板錠生產(chǎn)。整個(gè)工藝采取兩次精煉，第一次采用熔劑在混合爐內(nèi)進(jìn)行，第二次采用M INT系統(tǒng)進(jìn)行爐外處理，M INT裝置結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示，M INT系統(tǒng)除氫量達(dá)50%以上，去除氧化物夾雜效率達(dá)90%以上[21]。西南鋁加工廠用該方法生產(chǎn)3004板材及1145箔材，經(jīng)M INT處理的鋁液含氫量減少50%，鈉含量減少71%，鉀含量減少79%，鈣含量減少34%。

我國東北輕合金加工廠使用SNIF裝置用于罐材生產(chǎn)。SNIF裝置有T型和S型，T型SNIF裝置及旋轉(zhuǎn)噴嘴如圖2所示，SNIF裝置的核心是旋轉(zhuǎn)噴嘴(圖3)。該方法采取三種措施來清除鋁液中的夾雜、氫和堿金屬，即微小而均勻分布的惰性氣泡、能量(攪拌)和少量的氯氣與熔劑[22]。SNIF法除氫效果比較好，經(jīng)處理后鋁液含氫量減少為0.04～0.07m l/100gAl，Na、Li含量在2×10-4%以下，1～l0μm的非金屬夾雜物也能被除去。

此外，液態(tài)鋁的精煉還有ALPUR法以及真空處理法。ALPUR法的原理與SNIF法基本相同。撫順鋁廠于20世紀(jì)80年代購置了1臺(tái)ALPUR系統(tǒng)用于生產(chǎn)鋁板坯料。真空處理法在德國和俄羅斯應(yīng)用較多，尤其在俄羅斯，即使在非真空狀態(tài)下也能達(dá)到較好的處理效果。在線處理系統(tǒng)雖然能達(dá)到較好的除氫除雜效果，但生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)采用這些方法除氫除雜設(shè)備成本巨大，關(guān)鍵零部件使用壽命較短，生產(chǎn)的合金種類受設(shè)備的制約，有的污染比較嚴(yán)重[23～25]。

20世紀(jì)80年代初出現(xiàn)了噴吹熔劑法(Flux in jectionp rocess，簡(jiǎn)稱FI法)，90年代推出了旋轉(zhuǎn)葉輪法(Rotary im pe lle r degassing，簡(jiǎn)稱RID法)。目前，在FI法和RID法的基礎(chǔ)上，發(fā)展了旋轉(zhuǎn)噴吹熔劑法精煉，其凈化效果相對(duì)較好，可使熔體中的氫從0.35m l/100gAl降至0.08m l/100gAl，使其流動(dòng)性提高10%，減少渣中的鋁含量達(dá)95%，但設(shè)備投資大、維護(hù)費(fèi)用高[15]。

三、結(jié)語

1. 我國關(guān)于鋁合金凈化的研究與國外相比，整體水平還比較落后。目前，國外學(xué)者將研究的重點(diǎn)放在凈化技術(shù)和裝置上，而國內(nèi)在理論研究方面做的工作較多，在關(guān)鍵凈化設(shè)備上仍依賴進(jìn)口。

2. 鋁合金研究重點(diǎn)之一是研究和采用各種先進(jìn)的熔體凈化和變質(zhì)處理方法，去除鋁液中的氣體和夾雜物，降低雜質(zhì)含量，提高鋁熔體的純度，從而改善鋁合金的性能。

3. 在凈化熔劑方面，國內(nèi)現(xiàn)有的鋁熔體凈化劑種類盡管很多，但配方大同小異，應(yīng)用范圍窄，傳統(tǒng)有毒及污染較大的熔劑使用非常普遍，因此集凈化、覆蓋、精煉于一體的多功能新型綠色熔劑及凈化機(jī)理的研究是今后的努力方向。

4. 在設(shè)備方面，應(yīng)努力實(shí)現(xiàn)設(shè)備國產(chǎn)化，同時(shí)提高關(guān)鍵部件的使用壽命，降低設(shè)備的生產(chǎn)和使用成本，提高設(shè)備的普及率，從而提高我國鋁合金行業(yè)的整體凈化水平。

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