正交試驗設計在鋁合金用熔劑研制中的應用

馬 濤

(河北四通新型金屬材料股份有限公司，河北 保定071105)

0 前言

目前，鋁合金熔體凈化的方法有過濾凈化、非吸附凈化和吸附凈化等三大類[1]，其中，吸附凈化主要有惰性氣體噴吹法、活性氣體噴吹法、混合氣體噴吹法、熔劑凈化法等，熔劑凈化法是將熔劑噴入熔體中，氧化物夾雜和氫在熔劑的溶解、吸附作用下，上浮至液面而去除。熔劑凈化法由于使用方便、價格低廉、凈化效果較好等優(yōu)勢，在工業(yè)生產中有著較廣泛的應用。鋁合金用熔劑一般由多種化合物組成，其研制的主要內容是確定化合物的組成及含量，通過試驗來驗證其凈化效果。由于可選用的材料較多，加之含量在一定范圍內變化，因此，若按照常規(guī)的全面試驗方法需要進行大量的試驗，工作量大，難以獲取最優(yōu)的配方組合。

正交試驗方法是用于多因素試驗的一種方法，它是根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些代表點具有“均勻”和“齊整”的特點[2]。鋁合金用熔劑配方組成可選用的材料多，且其含量對配方也有著比較顯著的影響，因此，本文采用正交試驗設計方法對鋁合金用熔劑配方進行篩選，通過凈化試驗結果分析來確定熔劑的最佳配方。

1 鋁合金用熔劑配方組成

鋁合金用熔劑常用的材料有氯化物、氟化物、稀土化合物、碳酸鹽、硫酸鹽等，其中各類物質的作用如下。

1.1 氯化物

熔劑常用的氯化物主要包括KCl、NaCl、MgCl2等堿金屬或者堿土金屬的氯化物，該類化合物不與鋁發(fā)生反應，表面張力小，有較強的潤濕Al2O3的作用[3]。MgCl2與氧化夾雜物的潤濕性好，但是其吸濕性也強，一般只用于高鎂鋁合金熔劑中。NaCl和KCl的混合鹽是各種鋁合金熔劑中常見的基本組元，其液態(tài)密度分別為1.55g/cm3和1.5g/cm3，等摩爾的KCl-NaCl混合物在鋁熔體中能形成低熔點(約650℃)共晶的熔融體，顯著低于鋁液的密度，在熔煉溫度下能呈液態(tài)浮于合金液表面。它們的粘度小，流動性好，能很好地鋪展在熔體表面，對熔體起到保護作用，并且與氧化夾雜物有較強的潤濕作用。

1.2 氟化物

在以NaCl-KCl為基體的熔劑中，適量的氟化物具有吸附、溶解Al2O3等氧化夾雜物，適當控制混合鹽熔點的作用，同時還能使熔劑-鋁液界面氧化膜易于破裂和去除，降低鋁液對夾渣的粘附，促使夾雜遷移至界面，同時也使熔劑排雜的效率由30%提高到70%-90%[4]。常用的氟化物有 Na3AlF6、CaF2、K3AlF6、K2SiF6、Na2SiF6等， 其中，Na3AlF6能使熔劑易熔且流動性好，加速反應物的擴散過程，有利于排雜凈化，是最經濟最常用的氟化物之一。K2SiF6、Na2SiF6可與Al2O3反應生成SiF4活性氣體，具有一定的除氣作用。

1.3 稀土化合物

稀土化合物可降低熔劑-鋁液表面張力，有助于熔劑與氣體、夾雜的充分接觸而提高捕捉氣體、夾雜的效果，主要起到變質、除氣、除雜作用[3]。熔劑用稀土化合物主要選擇稀土鹵化物或稀土碳酸鹽化合物。稀土鹵化物以氟化物最穩(wěn)定，難溶于水，可在空氣中放置，而氯化物易吸潮，可溶于水。稀土鹵化物在鋁中可置換出稀土單質。稀土碳酸鹽也難溶于水，能與鋁發(fā)生化學反應，生成稀土單質和CO2起變質和凈化作用。稀土還能與氫相互作用生成穩(wěn)定的稀土氫化物REH2、REH3，起到固氫作用[5]。

1.4 碳酸鹽、硫酸鹽

熔劑中常用的碳酸鹽有 Na2CO3、K2CO3、CaCO3等，硫酸鹽有Na2SO4、K2SO4、CaSO4等，主要起發(fā)熱保溫作用，一般硫酸鹽的發(fā)熱保溫效果強于碳酸鹽。

2 正交試驗設計方案及結果

根據熔劑上述組成的性質，本文以K2SO4(A)、K2SiF6(B)、Na3AlF6(C)、RECO3(D)的質量百分比作為考察因素，每個因素選取3個水平，詳見表1，并以等摩爾的NaCl-KCl(質量百分比分別為45%和55%)作為熔劑的基體，選用正交表L9(34)安排試驗。

表1 試驗因素水平Table 1 Level of test factors

2.1 熔劑試驗品制備

制備熔劑所用的原材料采用工業(yè)級產品，純度≥98%，水分≤0.25%，粒度：-30目，其中30-150目之間的不低于70%，每種配方使用的原材料均為同一批次。按照每個配方的材料比例配制試驗品，加入罐式混料機混合20分鐘。將混合好的熔劑加入烘干機內，設定溫度200℃，烘干0.5小時，保證熔劑最終水分≤0.05%。

2.2 凈化效果判定標準

本文采用K模對精煉后的鋁液含渣量進行定量檢測，作為判定熔劑凈化效果的標準。K模檢測技術是對原料金屬制造及鑄造的鋁液中的溶劑及異物量進行評價的一種檢測方法[6]，該方法通過向K模模具中注入鋁液，鑄造出鑄塊，再由鑄塊斷面的異物量判斷出鋁液的純凈度，以K值的大小來表示。圖1、圖2分別為K模和鑄塊。

圖1 K模示意圖Fig.1 Diagram of K mold

圖2 K模鑄塊Fig.2 K mold Ingot

K值計算：夾渣數(shù)量用M表示，小塊數(shù)量用N表示，則K值計算方法為：K值=M/N。結果判定：K值=0時，為非常純凈的鋁液，結果判定為AA級；K值＜0.1時，為純凈的鋁液，結果判定為A級；K值0.1-0.5 時，為比鉸純凈的鋁液，結果判定為 B 級；K 值 0.5-1.0 時，為較為純凈的鋁液，結果判定為C級，屬合格但是需要進行進一步精煉處理；K值＞1.0時，為受污染的鋁液，結果判定為D級，屬不合格，鋁液不能使用。

2.3 正交試驗設計結果及分析

在 15 噸燃氣式組合爐生產的 A356.2 合金(主要成分：Si：6.5-7.5%，Mg：0.3-0.45%，主要用于制造汽車輪轂)中，每個正交方案進行 3爐次試驗，每爐熔劑的加入量為30千克，采用氮氣載入噴粉的形式，流量為2.5-3.0千克/分鐘。每爐次含渣量檢測取澆鑄前期(澆鑄開始第5分鐘)、中期(澆鑄開始第20分鐘)、后期(澆鑄開始第45分鐘)各3塊K模，以3爐次的K值平均值為判定標準，并對試驗數(shù)據進行直觀分析，結果詳見表2。

表2 正交試驗設計結果Table 2 Results of orthogonal experimental design

根據表2的試驗結果進行方差分析，結果詳見表3。

表3 方差分析結果Table 3 Results of variance analysis

由表2、表3結果可知，Na3AlF6(C)的極差的最大，K2SO4(A)的極差最小，影響鋁液純凈度的主次因素依次為Na3AlF6(C)＞K2SiF6(B)＞RECO3(D)＞K2SO4(A)，并且直觀分析與方差分析結果一致。因此，最佳的熔劑配方為A2B2C3D1，K值平均值為0.082，鋁液達到A級的純凈度。

按照相同的樣品制備及試驗條件，選用最佳配方熔劑在A356.2合金中再次進行 5 爐次試驗，5 爐次 K 值分別為 0.089、0.056、0.081、0.068、0.075，平均值為 0.074，鋁液均達到 A 級的純凈度，進一步驗證了配方的穩(wěn)定性。

3 結論

選用正交試驗設計方法對熔劑配方試驗方案進行設計，并在A356.2合金中進行了凈化效果驗證，通過對試驗結果的直觀分析和方差分析，確定了最佳的熔劑配方為冰晶石16%，氟硅酸鉀6%，碳酸稀土3%，硫酸鉀15%，氯化鈉27%，氯化鉀33%，使用該配方熔劑精煉后的鋁液純凈度可達到A級。

［1］譚群燕，王燕紅.鋁合金熔體處理技術[J].熱加工工藝，1999，36(17)：65-67.

［2］方開泰，馬長興.正交與均勻試驗設計[M].北京：科學出版社，2001.

［3］倪紅軍，孫寶德，蔣海燕，等.新型鋁合金熔劑的研究[J].特種鑄造及有色合金，2001，21(2)：13-14.

［4］官可湘，李潔，倪大興.鋁及鋁合金熔體凈化劑研究進展[J].化學世界，2007，48(6)：370-373.

［5］Raja,Roy Y S.Interfacial Tension between Aluminum Alloy and Molten Salt Flux[J].Materails Transactions,JIM，1997，38(6)：546-552.

［6］張名濤，尹明洪，祁向東.鑄造鋁液含渣量定量快速檢測技術淺談[C]//2012(第22屆)重慶市鑄造年會論文集.重慶：重慶市機械工程學會鑄造分會，2012.