一种铝及铝合金熔体净化工艺的制作方法

本发明涉及铝材料熔炼，具体涉及一种铝及铝合金熔体净化工艺。

背景技术：

1、铝合金熔体净化处理是生产高质量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。有效的铝合金熔体净化处理是获得优质铝合金构件的首要前提。

2、由于氢是唯一大量溶于铝熔体中的气体。氢几乎不溶于固态铝，而在液态铝中的溶解度很大，并随温度的升高而增长。氢在固相线上下的溶解度分别为每100g铝液氢含量0.65ml和0.034ml，即氢在固液两相的溶解度相差约19.1倍，而每100g铝合金熔体中正常的氢含量约为0.10～0.40ml。因此，铝合金熔体除气净化主要任务就是除氢，主要存在的问题也是铝合金的含氢量较高，铝合金熔体除气净化技术还不能满足高质量合金的生产要求。通常要求每l00g铝中有0.1～0.2ml的氢，而像飞机零件用铝合金，要求每100g含氢量不超过0.06ml。

3、氢在铝合金熔体中主要以下列几种形式存在：原子态，即h溶解于铝熔液中；分子态，h以h2存在于a1203的裂缝中，形成负曲率半径的氢气泡：化合态，氢原子与铝液中的某些元素形成氢化物。其中只有氢分子可能形成气孔。由于溶解度的不同，氢气就倾向于从熔体中逸出，当氢气压力大于表面张力和液体静压力时即形成气泡，进而在铸件或铸锭中产生气孔。多年的研究和实践已经确认：铝合金熔体中氢的主要来源是铝液与水汽的反应。在高于400℃时，铝和空气中的水蒸气接触后产生下列反应：

4、3h2o(汽)十2ai(液)＝al2o3+3h2

5、3h2o(汽)十2ai(液)＝al2o3+6{h}

6、生成一部分氢原了和一部分氢分子，前者为铝液吸收，后者进入空气。熔炼温度愈高，铝液与水汽就愈易发生反应，其危害也就愈大。为了控制铝液与水汽的这个有害反应，炉料及熔炼工具经表面清理后，必须预热，除去表面吸附的水汽，方能进入铝液。各种溶剂使用前必须烘干或脱水预熔，炉衬必须烘干。然而实践经验证明，即使严格遵守工艺操作，也不能完全避免铝液与水汽的反应,因此，在铝液中总是含有一定数量的氢。

7、夹杂物一般是指存在于液相线温度以上的任何固相或液相的外生杂质。铝合金熔体中常见的非金属夹杂有氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等，大都以颗粒状或膜状存在，典型的颗粒尺寸在l～30um范围内。除来自炉料外，主要是由于熔化浇铸过程中铝与氧反应所形成的。铝表面氧化膜厚大约为2～10nm，接近熔点时增至200nm，液面上的氧化膜不仅更厚，而且结构也变了：而向铝液的一侧是致密的，对铝液可起到保护作用；而外侧则是疏松的，内有直径为5～10nm的小孔，并被氢、空气、水汽所充满，如果将液膜搅入铝液内部，使铝液既增渣也增气。此外，在铝合金熔体中还会出现一些不希望有的初生金属间化合物，如a13zr，a13ti等，含fe的铝合金可能会形成多种富fe的金属间化合物。值得注意的是：铝合金熔体中的气体和夹杂存在很强的交互作用，铝液中的含氢量受夹杂含量的影响很大，当夹杂含量w为0.002％和0.02％时，相应的氢含量分别为0.2ml/100g-al和0.35ml/l00g-al。在含氢量相同的条件下，夹杂含量越高，针孔率也越高。相反，当铝液中夹杂量很低时含氢也低，即使人为地向铝液中通入氢，也会自动地脱出，很快恢复到原来的含量。即使是少量夹杂的存在，也能显著降低形成气孔的临界浓度值。因此，除渣和除氢应该是同时进行，同样重要，不论哪种精炼净化工艺，除氢和除夹杂物的作用往往兼而有之，但又各有侧重。

8、目前，铝合金熔体纯净化和均质化的综合处理，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力学对凝固组织的影响，快速凝固/粉末冶金铝合金的研究等等。铝合金精炼常规工艺中精炼效果较好的是应用c12气和诸多盐类，它们的副产品a1c13，hcl和c12气对人体，对环境及设各都造成严重的损害。但是无毒无污染的精炼工艺如用n2，ar2等惰性气体精炼剂往往还不能达到诸如有严重环境污染的c2c16精炼处理所能达到的效果。近年来发展的“无公害”精炼剂，不仅效果欠佳，而且由于其基本成分为碳酸盐和硝酸盐及少量c2c16，故其排放物中大量含有温室气体c02，氮氧化物。另外，为了改善铝合金的力学性能，常用al-ti、al-ti-b合金作为晶粒细化剂实现晶粒细化。但al-ti、al-ti-b合金的制备同样会对环境造成污染。

技术实现思路

1、本发明提供了一种铝及铝合金熔体净化工艺，解决上述铝及铝合金熔炼过程中存在的除氢气和精炼问题。

2、为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：

3、一种铝及铝合金熔体净化工艺，包括熔炼炉内处理步骤和熔炼后熔体处理步骤，所述熔炼后溶体处理步骤包括熔体内旋转喷吹惰性气体，在惰性气体逸出熔体过程中带出氢气。

4、优选地，所述惰性气体为氩气，所述氩气的喷吹压力保持在0.2～0.6mpa，所述氩气通过伸入熔体内的中空转棒在自转过程中从转棒底端喷入熔体内。

5、优选地，所述中空转棒的底端距离腔室底部距离为20～50cm，所述氩气的通入体积为熔体内氢气体积的400～500倍。

6、优选地，所述熔炼后溶体处理步骤还包括双级过滤处理，具体为将喷吹氩气处理后的熔体连续通过30目和50目的陶瓷过滤板。

7、优选地，所述熔炼炉内处理步骤包括：

8、(1)在熔炼炉内向铝或铝合金熔体内加入除碱剂，除碱剂的加入量为1kg/t.al；

9、(2)在熔炼炉底部铺设透气砖，通过透气砖向熔炼炉内通入氮气。

10、优选地，所述除碱剂由如下重量份的组分组成：kc1 20～25份、nacl 35～40份、na2alf4 15～20份、sif2 4～8份、naco3 1～5份、naso4 1～3份。

11、本发明的优点在于：

12、本发明炉内采用除碱剂精炼吸附+炉底透气砖通入高纯氮气的精炼组合工艺在熔炼炉内开展除碱元素除渣除气，炉外采用旋转喷吹除气工艺配套30ppi+50ppi双级过滤的除气除渣工艺。其中炉底透气砖除气除渣工艺达到了国内先进工艺，该工艺选用先进炉底透气砖材料，通过炉底透气砖将惰性气体持续渗透炉内与熔体中的氢发生反应，达到除氢目的；同时生成的气泡上浮过程中在分压差的作用下带出一部分氢，气泡上浮过程碰撞或解除夹杂，在界面张力的作用下将其带出熔体，实现净化。炉底透气技术不仅可以实现连续除气除渣，还避免了人工炉内精炼对铝液造成的二次污染。

13、本发明有效解决复杂成分铝合金熔体的渣含量，使得铝液中渣含量小于0.5mm2/kg-al；同时解决了熔体中氢气含量问题，使得氢含量控制量0.08ml/100g-al。

技术特征：

1.一种铝及铝合金熔体净化工艺，其特征在于，包括熔炼炉内处理步骤和熔炼后熔体处理步骤，所述熔炼后溶体处理步骤包括熔体内旋转喷吹惰性气体，在惰性气体逸出熔体过程中带出氢气。

2.根据权利要求1所述一种铝及铝合金熔体净化工艺，其特征在于，所述惰性气体为氩气，所述氩气的喷吹压力保持在0.2～0.6mpa，所述氩气通过伸入熔体内的中空转棒在自转过程中从转棒底端喷入熔体内。

3.根据权利要求2所述一种铝及铝合金熔体净化工艺，其特征在于，所述中空转棒的底端距离腔室底部距离为20～50cm，所述氩气的通入体积为熔体内氢气体积的400～500倍。

4.根据权利要求3所述一种铝及铝合金熔体净化工艺，其特征在于，所述熔炼后溶体处理步骤还包括双级过滤处理，具体为将喷吹氩气处理后的熔体连续通过30目和50目的陶瓷过滤板。

5.根据权利要求1-4任一项所述一种铝及铝合金熔体净化工艺，其特征在于，所述熔炼炉内处理步骤包括：

6.根据权利要求5所述一种铝及铝合金熔体净化工艺，其特征在于，所述除碱剂由如下重量份的组分组成：kc1 20～25份、nacl 35～40份、na2alf4 15～20份、sif2 4～8份、naco31～5份、naso4 1～3份。

技术总结
本发明公开了一种铝及铝合金熔体净化工艺，涉及铝材料熔炼技术领域，本发明炉内采用除碱剂精炼吸附+炉底透气砖通入高纯氮气的精炼组合工艺在熔炼炉内开展除碱元素除渣除气，炉外采用旋转喷吹除气工艺配套30ppi+50ppi双级过滤的除气除渣工艺。其中炉底透气砖除气除渣工艺达到了国内先进工艺，该工艺选用先进炉底透气砖材料，通过炉底透气砖将惰性气体持续渗透炉内与熔体中的氢发生反应，达到除氢目的；同时生成的气泡上浮过程中在分压差的作用下带出一部分氢，气泡上浮过程碰撞或解除夹杂，在界面张力的作用下将其带出熔体，实现净化。炉底透气技术不仅可以实现连续除气除渣，还避免了人工炉内精炼对铝液造成的二次污染。

技术研发人员：王昕平,叶强,何生平,李永富
受保护的技术使用者：国电投宁夏青铜峡新材料有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12