高溫電解鋁液在線凈化工藝研究

卓伊玲 浦佳惠 梁壽芳 司精亞 楊途才

【摘 ?要】介紹高溫電解鋁液凈化的原理及主要方法，然后進行凈化工藝進行說明，了解其重要性，讓我們可以更加的深入的去了解凈化工藝。熔體凈化已經(jīng)成為鋁合金熔鑄工作的一個重要環(huán)節(jié)，凈化技術(shù)對于確保鋁合金的冶金質(zhì)量，提高產(chǎn)品的最終使用性能具有非常重要的意義。

【關(guān)鍵詞】高溫電解鋁液;凈化工藝;鋁合金

引言

鋁是僅次于鋼鐵的第二大金屬，廣泛應(yīng)用于包裝、建筑、交通運輸、電力、航空、艦船等領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟與國防建設(shè)中具有極其重要的戰(zhàn)略地位。鋁熔體質(zhì)量影響鋁制品質(zhì)量，潔凈的液體金屬是獲得優(yōu)質(zhì)鋁制品的保證。氫和Al2O3等非金屬夾雜物是影響鋁熔體冶金質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在鑄錠中，非金屬夾雜物大都以顆粒狀或膜狀存在，破壞鋁。基體的連續(xù)性，降低基體強度，惡化了鋁材的塑性加工性能，降低了鋁材的耐腐蝕性能和抗斷裂韌性，為疲勞裂紋的萌生提供了核心，所以高溫電解鋁液凈化工藝尤為重要，研究凈化工藝可以改善鋁的組織性能，使鋁的使用大大提升。

高溫電解鋁液存在的問題：電解鋁液的主要特點除了高溫外，氫和Al2O3等非金屬夾雜物也是影響鋁熔體冶金質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在鑄錠中，非金屬夾雜物大都以顆粒狀或膜狀存在，破壞鋁基體的連續(xù)性，降低基體強度，惡化了鋁材的塑性加工性能，降低了鋁材的耐腐蝕性能和抗斷裂韌性，為疲勞裂紋的萌生提供了核心。為了保證鋁材質(zhì)量，避免和減少產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量缺陷，在熔鑄過程需要采取專門的工藝措施除去鋁合金中的氣體、非金屬夾雜物和其他有害金屬。所以我們要采取一些凈化工藝對這些有害物質(zhì)進行去除。

高溫電解鋁液時會產(chǎn)生氫氣和非金屬夾雜物，所以我們要采用一些工藝手段去消除這些雜質(zhì)。最主要的特點歸納起來就是除氫氣+除夾雜（凈化）;合金化+溫度成分均勻化+晶粒細化;在此基礎(chǔ)上節(jié)能降耗，節(jié)約生產(chǎn)成本，所謂的凈化這里理解為除氣+除夾雜。

高溫電解鋁液是會產(chǎn)生很多的氣體和夾雜物，使鋁的的性能會大大降低，造成了鋁的銷售降低，客戶購買率減少，所以對電解鋁液進行凈化是必不可少的。凈化工藝的改善使得鋁的性能大大提升，我們對鋁的運用也就越來越多，鋁作為僅次于鋼鐵的第二大金屬，它的存在是非常有意義的，因此對凈化工藝的研究是特別有必要的。

1.凈化原理及途徑

在鋁及鋁合金加工領(lǐng)域，材料的純凈度高低對產(chǎn)品質(zhì)量影響非常大，目前在進行熔體精煉凈化時，一般采用的方法是向熔體中吹入惰性氣體，利用熔體中的氣泡與氫存在分壓差的特點擴散進這些氣泡中，使溶體中細小的氧化鋁、氧化鎂、氧化鍶等氧化物附著在氣泡壁上并隨氣泡的上浮而被排除，從而達到除氣、除渣的目的，A356鋁合金作為鋁合金的一種，其凈化也得到廣泛的重視。如圖1所示：通入惰性氣體到高溫的鋁合金溶液時，因為惰性氣體范學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與鋁業(yè)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通入后產(chǎn)生大量細小的不溶于鋁合金溶液的氣泡，鋁合金熔體中的夾雜物被吸附在惰性氣體氣泡的表面，隨氣泡慢慢上升到鋁液表面，形成鋁渣，撈出即可達到除渣的目的，從而凈化鋁液。同時，氫也會隨著氣體上浮到鋁液表面，進到空氣中，達到去氫的效果。

使用電解鋁液的鋁熔鑄生產(chǎn)過程中最主要的特點歸納起來就是 除氫氣+除夾雜（凈化）;合金化+溫度成分均勻化+晶粒細化;在此基礎(chǔ)上節(jié)能降耗，節(jié)約生產(chǎn)成本，所謂的凈化這里理解為除氣+除夾雜。首先，可以對氣體進行凈化，熔體中主要存在的氣體是氫氣，但氫氣不與鋁形成實際化合物，可是氫氣在鋁當中可以形成很大的溶解，可知鋁中的氫不是來源于大氣或爐氣中 呈游離狀態(tài)存在的氫氣，而主要來源于水蒸氣。因此影響鋁熔體中氫含量的因素可總結(jié)為：熔體溫度和水蒸氣分壓;合金成分;熔體中氧化夾雜物的含量和性質(zhì);熔煉時間;鋁熔體中的含氫量。此外，還與爐料原始狀態(tài)，爐襯、熔劑、工具等的干燥程度及操作質(zhì)量等因素有關(guān)。我們可以采用分壓差脫氣原理、預(yù)凝固脫氣原理和振動脫氣原理對氣體進行脫氣。分壓差原理就是通過氣體的溶解度不同，然后控制氫氣的壓強與其他氣體壓強不同進行分壓，使得氫氣分離出來，并快速排出去。預(yù)凝固脫氣原理是利用氣體溶解度隨著金屬溫度的降低而減小，特別是熔點溫度變化最大的特點，讓熔體緩慢冷卻到 凝固，就可使溶解在熔體中的大部分氣體自行擴散析出，然后在快速重熔，使鋁中的氫氣減少。振動脫氣原理是采用氣體在極高的頻率下發(fā)生位移運動，運動時產(chǎn)生的頻率不一樣，使得在振動過程中產(chǎn)生微小孔洞，讓金屬當中的氣體從孔洞當中溢出去，從而進行脫氣凈化。這三種方法都可以有效的去除氫氣，讓鋁的性能提升。

2.實驗

實驗中所采用的原材料為純鋁、Si、Mg、鋁鈦硼中間合金、塊狀六氯乙烷、耐火材料等。A356鋁合金試樣中主要組元的質(zhì)量分數(shù)如表1所示，各成分分別為：Si（7%）、Mg（0.4%），余量為Al。實驗所需的主要設(shè)備有：Nabertherm坩堝熔煉爐（型號：A25;溫度范圍：30～1300℃）、加熱電阻爐（型號：SX2-8-10;最高上升溫度為1000℃）、澆注模具、溫度計及扒渣工具、鐘罩、攪拌棒、澆注工具等。將預(yù)先稱好量的純鋁放入熔煉爐內(nèi)，緩慢加熱到750℃。純鋁完全熔化后，把稱好的Al-Si放到熔煉爐中，待Al-Si完全熔后，再把事先用鋁箔包好的Mg加入爐中（Mg用鐘罩罩住，完全浸入鋁液中，不停地旋轉(zhuǎn)鐘罩，不能讓Mg與空氣接觸，防止Mg在高溫中燃燒）。待中間合金完全融化，保溫20 min，加入六氯乙烷除氣，扒渣，靜置半個小時。

從圖a和b為鋁合金熔體未經(jīng)凈化處理的試樣與圖c和d 鋁合金熔體經(jīng)過凈化處理后的試樣對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過凈化處理后的試樣在金相顯微鏡下觀察到的試樣微觀組織雜質(zhì)含量少，在晶界處含雜質(zhì)、鋁渣含量較少，這說明經(jīng)凈化處理的試樣熔體在澆注成型過程中大大減少了雜質(zhì)的參入，能有效地提高熔體的質(zhì)量。 要對鋁當中的夾雜物進行除渣，針對鋁熔體的凈化除渣原理主要包括澄清除渣原理、吸附除渣原理和過濾除渣原理。其中澄清除渣利用部分金屬氧化物與金屬本身密度差以及氧化物夾雜的粒徑，在一定的過熱條件下，金屬的懸混氧化物渣可以和金屬分離;吸附凈化主要是利用精煉劑的表面作用，當氣體 精煉劑或溶劑精煉劑在熔體中與氧化物夾雜相遇時，雜質(zhì)被精煉劑吸附在表面上，從而改變了雜質(zhì)顆粒的物理性質(zhì)，隨精煉劑一起被除去;過濾除渣原理是近代發(fā)展起來的新技術(shù)，從過濾方式的除渣機理來看，大致可分機械除渣和物理化學(xué)除渣兩種。機械除渣作用主要是靠過濾介質(zhì)的阻 擋作用、摩擦力或流體的壓力使雜質(zhì)沉降及堵滯，從而凈化熔體。物理化學(xué)除渣作用主要是介質(zhì)表面的吸附和范德華力的作用。用著三種方法進行除渣可以有效的去除鋁當中的雜質(zhì)。

3.結(jié)論

對這些除氣和除渣的方法進行研究，雖然現(xiàn)在還是沒有很大的程度上完全除掉鋁當中的雜質(zhì)，但是我們知道最大的除氣效果，可純凈惰性氣體的連續(xù)過流中得到，而最充分的除渣處理可通過過濾來保證。我們可以從這個方面入手。

（1）除氣工藝：在生產(chǎn)過程當中可以采用保溫靜置爐，爐旁放置精煉小車，精煉小車有除氣的功能，通過噴吹惰性氣體利用分壓差原理除去熔體中的氫氣。其二是靜置工序的設(shè)置，有利于熔體中的氣泡的 上浮，從而達到除氣的目的。

（2）除渣工藝：在生產(chǎn)過程當中可以采用設(shè)置了保溫靜置爐，其作用有三方面，其一是利用澄清原理靜置除渣的作用，要求其靜置時間大于15min;其二是加入精煉劑和熔劑等進行爐內(nèi)除渣處理;其三是在爐側(cè)設(shè)置了精煉小車，該精煉設(shè)備具有除渣的功能，主要是除堿金屬的功能。

參考文獻

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基金資助：2019年度廣西高校自治區(qū)級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目201910609076。