一种铝及铝合金熔体净化工艺

技术领域

本发明涉及铝材料熔炼技术领域，具体涉及一种铝及铝合金熔体净化工艺。

背景技术

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。

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。

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H

3H

3H

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。

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A1

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C1

发明内容

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。

为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：

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。

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。

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。

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。

优选地，所述熔炼炉内处理步骤包括：

(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；

(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。

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、Na

本发明的优点在于：

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。

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0.5mm

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为旋转喷吹净化装置的俯视示意图和装置实物图；

图2为中空转棒的实物图；

图3为透气砖的设置示意图；

图4为双级过滤装置的实物图；

图5铝合金熔体除氢处理前后的氢含量检测值；其中，左图为除氢前氢含量检测值，右图为除氢后氢含量检测值。

图6为旋转喷吹除气6061除氢过程曲线图；

图7为旋转喷吹除气同时的除渣效果；

图8为6061铝合金夹渣分析报告；

图9为除碱前原铝液Na元素含量折线图；

图10为除碱后的铝合金成品元素分析报告。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

实施例1：按如下方法净化铝合金熔体：

(1)将6061铝合金投入熔炼炉内并于740℃加热融化形成熔体，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，除碱剂由如下重量份的组分组成：KC1 20份、NaCl 35份、Na

(2)熔炼完毕后，将铝合金熔体由熔炼炉内转移到旋转喷吹净化装置的除气室内，加热保温，向熔体内插入长1240-1260mm的中空转棒(如图2所示)，直至所述中空转棒的底端距离除气室的腔室底部距离为20～50cm，中空转棒的上端连接电机的输出轴，下端为盘状，盘内呈辐射状设有若干出气道，出气道均连通中空转棒的中空内腔，出气道从盘外沿处开口，氩气经过中空内腔和出气道从外沿开口处喷入熔体内。通入氩气时，中空转棒在电机带动下发生自转，转速为450rpm，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盘外沿开口喷入熔体内(如图1所示)。氩气的通入体积为熔体内氢气体积的400倍，氩气的喷吹压力保持在0.2Mpa。

除气装置的进出口采用潜流设计，同时加入惰性气体，抑制铝溶体表面的氧化。加热采用氮化硅加热器保护套。图1中熔体的流向最大限度的延长铝溶体中气泡滞留的时间。

(3)双级过滤处理：将除气后的熔体注入双级过滤装置中，此时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。过滤装置如图4所示，右侧槽内为30目过滤板，熔体经过右侧槽过滤后流入左侧的50目过滤板上继续过滤，完成双级过滤。

旋转喷吹除气净化法是气泡浮游法的一种，旋转喷吹除气净化法是在铝合金熔体中通入惰性气体或不溶于铝合金熔体的活性气体，在流经下部正在旋转的喷头叶片时被打碎并高速喷出，产生大量的外来气泡。由于气泡中氢的分压力为零，因此，溶于铝合金熔体中的氢按照除氢动力学原理不断进入气泡，直到气泡中氢的分压力增加到与铝合金熔体中氢的浓度满足一定的关系时才达到平衡。气泡浮出液面后，气泡中的氢也就进入大气。同时，气泡还兼有吸附铝合金熔体中氧化夹杂的作用，也带走了吸附在氧化夹杂物上的氢。

旋转喷吹除气净化铝合金熔体的过程中，旋转喷头高速旋转，喷头旋转过程中，由喷头叶片喷出的流体，产生强烈的紊流。从高速旋转的喷头喷射出来的气泡，在靠近喷头处，被由喷头叶片喷出的液体和周围速度相对较慢的液体迅速捕获，气泡受到两层流体产生的紊流切应力的作用，当大于气泡的承受力时，便从中切断，分裂为两个气泡。分裂的气泡再被其它相切的液体层所捕获，就能继续分裂成更小的气泡，直到两层流体间的切应力不足以使气泡破碎或气泡脱离此切应力的作用范围为止。从而可以产生比单管或多管更加细小、更加均匀的气泡，有效增加比表面积，也有效增加传质扩散能力，同时延长了气液界面的接触作用时间，在净化气体进气流量一定时，使得净化气泡逸出铝合金熔体时其中氢的浓度更大，有效利用了净化气体，从而可以获得极佳的净化效果。

a.热力学分析

当外界的净化气泡进入铝合金熔体后，由于它不含氢，氢在其中的分压P

u

因为溶解在铝合金熔体中的氢原子之间对铝合金熔体的作用很小，所以以假设铝合金熔体为理想溶液，设铝合金熔体中氢的浓度为C

u

由以上两式可知：u

当达到规定的除气程度时，所需要的净化气体的最小体积。如果惰性气体一定，也可以算出除气程度。在实际情况中，净化气泡上浮速度较快，未达到平衡状态就已经逸出，因此，所需要的惰性气体量大于平衡计算值。而且，在除气进行到一定程度，氢在铝合金熔体中的溶解量逐渐减少，使得氩气或其它惰性气体的除氢效率明显下降。例如为了达到0.06ml/l00g-Al含量的除氢水平，除气体积比必须高达400Ar/H

b.动力学分析

根据热力学分析的结果，只能确定氢在铝液中的溶解过程的限度和方向，因此，要了解除氢的速度和最终结果，必须分析铝合金熔体除氢的动力学过程，进而能够更好地检验除氢的效果。铝合金熔体的除氢过程是除气一吸气的动态过程，由铝合金熔体内部的除氢过程和铝合金熔体表面的氧化吸氢过程组成。除氢效果由这两个方向相反过程的动态平衡所决。铝合金熔体除氢净化效率很大程度上取决于铝合金熔体和大气以及铝合金熔体和净化气泡的传质扩散系数，同时，夹杂的去除效率也很大程度上取决于相互之间的碰撞、净化气泡对夹杂的吸附以及净化气泡的大小和分布等。总之，铝合金熔体内部的动力学条件对净化效率有很大的影响。

除气过程可以分为两种情况：一种是能够形成氢气泡的除氢过程；另一种是不能形成氢气泡的除氢过程。对于能够形成氢气泡的除氢过程，大致可以分为三个阶段：首先是气泡的形核；然后是气泡的生长和上浮；最后是气泡的逸出。在铝合金熔体中，气泡的形核必须满足以下两个条件：1)铝合金熔体溶解的氢气处于过饱和状态而具有析出压力；2)气泡内气体压力大于作用于气泡的外压；对于不能够形成氢气泡的除氢过程，主要是指通过形成其它种类的气泡而除氢，例如旋转喷吹氮气或氩气等。铝合金熔体中的氢向外来初始无氢的气泡迁移的除氢动力学过程可以分解为以下五个步骤

I.通过对流和扩散，铝合金熔体中的氢迁移到铝液与气泡的气一液界面；

II.氢原子由溶解状态转变为吸附状态；

III.气液界面吸附的氢原子彼此相互作用结合为氢分子；

IV.氢分子从气一液界面脱附；

V.氢分子扩散进入气相，并随气泡上浮而逸出铝液。

第一个阶段，主要是步骤I，气体原子从铝合金熔体内部向铝合金熔体表面或气泡表面迁移。惰性气体上浮过程中，与铝合金熔体产生相对运动。第二阶段，主要包括步骤II、步骤III、步骤IV，气体原子从溶解状态转变为吸附状态，并在吸附层中发生反应，生成气体分子从表面脱附。第三阶段，气体分子扩散进入气体空间或气泡内，进行得很快，不会成为控制环节，不予考虑。

因此，应该整体考虑旋转喷吹除气净化铝合金熔体的过程，根据实际情况选择合适的进气流量和旋转速度，合适的除气时间、静止时间以及除气温度等工艺参数，改善净化过程，提高净化效果。

c.合金熔体旋转喷吹除气净化过程的模拟选型分析

转子系统在工作时，要受到结构离心力和振动应力等的耦合作用，而耦合函数的建立与系统的转速有很大关系。转子工作时，在寻求转速的变化范围时临界转速必须予以考虑。一般来说，在各阶临界转速下，转子的振幅达到最大，并伴随着共振的发生，转子工作在极不稳定的状态下，一旦较长时间在临界转速下工作，系统就很可能发生破坏，进而引起事故。铝合金熔体旋转喷吹除气净化设备旋转喷吹组件基本上可以等效为一根两个滚动轴承支撑的直棒连接一个通气圆盘的简单转子系统。在转子系统中，影响临界转速一个最主要原因就是系统的支撑方式，因此，合理的设计和安排滚动轴承的位置是很必要的。一般来说，由于受到哥氏力的负反馈效应和陀螺效应的作用，柔性转子系统工作在一、二阶个临界转速之间是稳定的。因此在设计转速的时候，一般使其大于一阶临界转速，而小于二阶临界转速。

模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型，而固有频率与振型恰好是承受动态载荷结构设计中的重要参数。转予系统振动时，危害最大的是低频高幅振动，而高频振动的研究一般来说是很复杂的，且其危害性不大，所以选型应用只考虑了前十阶的固有频率。

转杆在振动过程中的形状分御，在数值计算时应用参数化表示振I晤分布、频率分布以及振动点的位移、速度、加速度等。本文计算是采用ANSYS模态振动分析，以转杆的材料性能参数、几何参数和载荷分布为基本的分布变量，用参数化设计语言APDL实现了振动问题的有限元数值模拟，得出了在各阶频率下的振幅、振型以及振动应力应变等。由于影响振动参数的主要由振动体的材料性能、几何参数和支撑方式，所以在数值模拟过程中只要最大振幅在要求范围内，就认为转杆工作在设计允许的范围内，也就是说转杆的选材合理、几何形状满足要求、支撑方式设计合理。

经过对比筛选，最终选择长度1240-1260mm的转子长度，转子使用氮化硼材料制作，除气室采用双转子双室设计(如图1所示)。铝合金熔体旋转喷吹除气净化处理效果如图5～10所示。

实施例2：其余均与实施例1相同，不同之处在于：除碱剂由如下重量份的组分组成：KC1 25份、NaCl 40份、Na

氩气的通入体积为熔体内氢气体积的500倍，氩气的喷吹压力保持在0.6Mpa。

为准确反映生产过程铝合金熔体中的氢含量，采用英国HYCAL测氢仪进行熔体内氢气含量的测定，经过实施例1处理后的铝合金熔体内的氢气含量如图5所示。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。