鋁及鋁合金中雜質(zhì)含量影響因素探析(2)

1、鋁及鋁合金中雜質(zhì)含量影響因素探析(2)3氟化鹽中的雜質(zhì)元素在Al電解條件下，陰極主反應(yīng)是析出Al,當(dāng)條件變化使Na+和Al3+析出電位的差值減小時，Na和Al可以在陰極共同放電析出。陰極析出的金屬Na大部分被炭素陰極和內(nèi)襯所吸收，剩余的則進入Al液。在Al電 解 過 程 中，金 屬Na還 可 以 化 學(xué) 反 應(yīng) 方 式 生成23,28,電解Al液中含有一定量的Na元素是不可避免的。電解Al液中的Na含量主要受電解質(zhì)的摩爾比和電解槽溫度等因素影響，酸性較強時，電解Al液中的Na含量較低29,見圖1.目前，國內(nèi)各電解鋁廠為了降低電解溫度和能耗，電解質(zhì)摩爾比通?？刂圃?.12.5范圍內(nèi)，槽溫控制在9

2、40970 范圍內(nèi)，此時電解Al液中的Na含量通常為0.004%0.008%.電解Al液中Ca含量隨電解質(zhì)中CaF2含量增多而增加，兩者之間存在如下反應(yīng)平衡30.此反應(yīng)的平衡常數(shù)K值較小，因此Al置換Ca的可能性并不大。當(dāng)電解質(zhì)中的CaF2含量為4%時，原Al中Ca含量約為0.000 5%.Al電解過程中氟化鹽主要存在兩個方面的消耗：原材料中H2O、Na2O和SiO2等雜質(zhì)會與電解質(zhì)中的AlF3和冰晶石生成Al2O3和氟化物反應(yīng)見下式；AlF3在電解溫度下飽和蒸氣壓較高，會有一部分揮發(fā)損耗31.因此，除電解槽啟動所需的氟化鹽外，在生產(chǎn)過程中還需要定期補充氟化鹽以保持電解質(zhì)組成的穩(wěn)定，其中的雜質(zhì)

3、（主要是Si元素）不可避免地會給電解Al液帶來污染。在電解生產(chǎn)過程中更換下來的殘陽級和極上料通常會被運送至專門的車間進行清理和破碎處理，重新返回流程。由于極上料直接接觸陽極鋼爪，其中不可避免地含有一定量的磷生鐵渣和氧化皮。通常情況下，從殘陽極表面清理下來的極上料在破碎磨粉過程中Fe含量還會進一步增加（見圖2），當(dāng)這些破碎粉料返回電解槽用作陽極覆蓋料時，將給電解質(zhì)熔體和電解Al液帶來污染。4 Fe質(zhì)工具對Al中Fe含量的影響高溫條件下，F(xiàn)e、Al原子可以相互擴散，在Fe質(zhì)基體與鋁液之間形成以Fe2Al5、FeAl3為主的腐蝕產(chǎn)物層，該產(chǎn)物層與基體之間結(jié)合強度低、脆性大，并且層間常伴有裂紋出現(xiàn)32

4、35.Fe質(zhì)工具在Al及鋁合金生產(chǎn)過程中經(jīng)常處于一個動態(tài)腐蝕條件下，表面生成的腐蝕產(chǎn)物在熱應(yīng)力和Al液的沖刷作用下很容易剝落，進而污染Al液。電解過程中因電解槽破損使陰極鋼棒受到侵蝕，或過程控制不當(dāng)使陽極鋼爪或磷生鐵環(huán)接觸到電解質(zhì)熔體、或不慎將Fe質(zhì)工具掉入電解槽或在其中浸泡時間過長等原因均可導(dǎo)致電解Al液中Fe含量增加。特別是當(dāng)電解槽處于熱行程時，槽底沉積物發(fā)生熔化，會加劇槽底裂縫的擴展，浸入裂縫的Al液可將其中的Fe、Si雜質(zhì)元素帶出，影響Al液品質(zhì)。當(dāng)電解槽出現(xiàn)扎固縫滲Al、陰極炭塊斷裂和陰極化棒等情況時，電解Al液中的雜質(zhì)含量將有明顯上升，嚴(yán)重時將不得不停槽大修，見圖3.澆注過程中取樣

5、勺、噴粉精煉管和攪拌車扒板等工具通常是Fe質(zhì)材料，也容易增加熔體中Fe含量。表3為某電解廠鑄造車間重熔用Al錠生產(chǎn)過程中Al液中Fe含量的變化情況。5耐火材料對Al中Si含量的影響當(dāng)電解質(zhì)溫度較高、過熱度較大時，沉積在電解槽幫結(jié)殼中的雜質(zhì)就會不斷地溶入電解質(zhì)和Al液中，導(dǎo)致側(cè)部槽幫過空。在沒有槽幫保護的情況下，鋁電解槽的SiC-Si3N4側(cè)壁磚容易遭受熔體的侵蝕，尤其是在電解液/空氣兩相交界面區(qū)域。當(dāng)電解槽SiC-Si3N4磚側(cè)壁遭到?jīng)_刷侵蝕，特別當(dāng)有硅磚脫落時，Al液中Si含量將有明顯增加（達到0.15%以上），而且回歸比較緩慢，見圖4.熔鋁爐砌筑時通常使用Al2O3-SiO2系耐火材料，在

6、熔池渣線部位的耐火材料由于Al液、Al渣及爐氣的長時間作用，容易發(fā)生侵蝕和損毀。耐材損毀的主要原因是：Al液容易滲入耐火材料；鋁合金中的某些合金元素（如鎂）對耐火材料氧化物有很強的還原能力；鋁合金中的某些合金元素有較高的蒸氣壓，其蒸氣比Al液更容易滲入耐火材料，隨之又被氧化36.生產(chǎn)過程中的熱沖擊和機械沖擊加速爐材的變質(zhì)、脫落和損毀，進而使鋁液中Si含量有一定程度的增加。表4為某電解廠鑄造車間重熔用鋁錠生產(chǎn)過程中鋁液Si含量的變化情況。6結(jié)語影響鋁及鋁合金中雜質(zhì)含量的因素是多方面的，包括生產(chǎn)過程中使用的原輔材料和工具、生產(chǎn)運行狀況和操作質(zhì)量等。在生產(chǎn)過程中應(yīng)注意上述因素的影響，以利于進行雜質(zhì)元素的控制。參考文獻1 高建衛(wèi)。硼化物對鋁熔體中雜質(zhì)鐵的凈化作用及機理D.上海：上海交通大學(xué)，2009.2 劉宏亮。雜質(zhì)元素Si對超高強鋁合金組織和性能的影響D.上海：上海交通大學(xué)，2011.3 張春波，郭淑蘭，徐忠艷。Fe、Si雜質(zhì)對7A04鋁合金組織和性能的影響J.輕合金加工技術(shù)，2003,31（1）：38-40