有色金屬熔煉與鑄錠3

1、1.2.1夾雜物的種類與形態(tài)夾雜物的種類與形態(tài) （1）夾雜物的種類）夾雜物的種類 按結構類型按結構類型：非金屬化合物、氧化物、氯化物、硫化物：非金屬化合物、氧化物、氯化物、硫化物 以及硅酸鹽等。以及硅酸鹽等。 按形態(tài)類型：按形態(tài)類型：夾雜可分為塊狀夾雜物夾雜可分為塊狀夾雜物 (其尺寸其尺寸10m) (破壞金屬的完整性，形成流線破壞金屬的完整性，形成流線) 和彌散夾雜物和彌散夾雜物(其尺寸其尺寸5m) (懸浮狀態(tài)，形核核心懸浮狀態(tài)，形核核心)。Al中中Al2O3夾雜物的形態(tài)夾雜物的形態(tài)(兩維）兩維）Al中中Al2O3夾雜物的形態(tài)夾雜物的形態(tài)(三維）三維）Al中團簇狀中團簇狀Al2O3夾雜物的微觀

2、形態(tài)夾雜物的微觀形態(tài)金屬流線形態(tài)金屬流線形態(tài)Al 在夾雜物上的形核在夾雜物上的形核 （1）夾雜物的來源）夾雜物的來源 雜質(zhì)的吸收和積累主要是熔煉過程中，金屬熔體與爐襯、爐渣、 爐氣及操作工具相互作用的結果，夾雜主要是金屬和非金屬氧化物。 ：1.2.2夾雜物的來源與危害夾雜物的來源與危害（2）夾雜物的危害）夾雜物的危害 金屬熔體凝固后，夾雜物便以固態(tài)分布于合金的晶體內(nèi)、晶界或局部區(qū)金屬熔體凝固后，夾雜物便以固態(tài)分布于合金的晶體內(nèi)、晶界或局部區(qū)域，對合金的性能、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)加工過程帶來嚴重的危害。域，對合金的性能、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)加工過程帶來嚴重的危害。 鋁合金熔體中的夾雜物通常以塊狀、針狀、片狀

3、等形態(tài)存在鋁合金熔體中的夾雜物通常以塊狀、針狀、片狀等形態(tài)存在, ,嚴重破嚴重破壞材料基體的完整性壞材料基體的完整性, ,非金屬氧化夾雜物與鋁合金材料的基體有著不同的非金屬氧化夾雜物與鋁合金材料的基體有著不同的彈性模量，膨脹系數(shù)等性能參數(shù)，鋁合金材料在外力作用下彈性模量，膨脹系數(shù)等性能參數(shù)，鋁合金材料在外力作用下, ,容易在氧化容易在氧化夾雜相的尖角處產(chǎn)生應力集中夾雜相的尖角處產(chǎn)生應力集中, ,降低了材料的強度以及塑性降低了材料的強度以及塑性, ,尤其是對材料尤其是對材料的疲勞強度和斷裂產(chǎn)生嚴重的危害的疲勞強度和斷裂產(chǎn)生嚴重的危害, ,脆硬的氧化夾雜相與鋁合金基體有著脆硬的氧化夾雜相與鋁合金基

4、體有著較大的硬度差別較大的硬度差別, ,在加工變形過程中嚴重地阻礙材料塑性變形過程中的正在加工變形過程中嚴重地阻礙材料塑性變形過程中的正常流動，同時脆硬的氧化夾雜相與合金基體間容易形成微裂紋和不均勻的常流動，同時脆硬的氧化夾雜相與合金基體間容易形成微裂紋和不均勻的變區(qū)變區(qū), ,在應力作用下鋁合金材料容易產(chǎn)生脆斷在應力作用下鋁合金材料容易產(chǎn)生脆斷, ,合金材料中的氧化夾雜相與合金材料中的氧化夾雜相與合金基體的過度處容易成為材料破壞的斷裂源合金基體的過度處容易成為材料破壞的斷裂源, ,加速材料的破斷過程。加速材料的破斷過程。夾雜物的危害表現(xiàn)形式：夾雜物的危害表現(xiàn)形式： 1) 1) 割裂基體組織，腐

5、蝕的根源，降低力學性能、延伸率和疲勞性能；割裂基體組織，腐蝕的根源，降低力學性能、延伸率和疲勞性能； 2) 2) 合金液的粘度增加，降低流動性和補縮能力；合金液的粘度增加，降低流動性和補縮能力； 3) 3) 使切削加工性能變壞；使切削加工性能變壞； 4) 4) 使鑄件在加工中開裂；使鑄件在加工中開裂； 5) 5) 使鑄件在熱處理時起泡；使鑄件在熱處理時起泡； 6) 6) 成為吸氣和形成氣泡的核心；成為吸氣和形成氣泡的核心； 7) 7) 加速變形金屬與摸具間的磨損加速變形金屬與摸具間的磨損; ; 8) 8) 塑性變形成為應力集中和開裂的根源（塑性變形成為應力集中和開裂的根源（箔材軋制時的針孔及擠

6、壓縮箔材軋制時的針孔及擠壓縮 尾缺陷尾缺陷）；）； 9) 9) 在熔體中形成宏觀缺陷，在晶內(nèi)和晶界形成微觀缺陷。在熔體中形成宏觀缺陷，在晶內(nèi)和晶界形成微觀缺陷。1.2.3夾雜物的形成過程，氣體與夾雜物的作用夾雜物的形成過程，氣體與夾雜物的作用 夾雜物的形成途徑夾雜物的形成途徑(1) 金屬間化合物金屬間化合物：由于Al對其固溶極限很小時，容易形成金屬 間化合物，F(xiàn)eAl3、A1-Fe-Si、 A1-Mn-Si、TiAl3；(2) 氧化物氧化物：-Al2O3、-Al2O3、MgO；（與O2、H2O反應)(3) 鹵化物鹵化物：AlCl3、MgCl2 ；（與Cl2反應)(4) 碳化物碳化物：Al4C3

7、（與C2Cl6反應)(5) 硼化物硼化物：AlB2、TiB2（添加AlTiB細化劑)(6) 碳化物碳化物：TiC（添加AlTiC細化劑)3.2.2夾雜物的聚集與偏聚夾雜物的聚集與偏聚 (1) 碰撞、吸附碰撞、吸附聚集聚集：在熔體狀態(tài)，因溫度、濃度起伏及對流的結果； (2) 偏聚偏聚：在熔體凝固過程中，在晶界、晶內(nèi)偏聚，形成微觀夾雜。 氣體與夾雜物的作用氣體與夾雜物的作用 Al熔體中， H的含量受夾雜物的影響很大， H與夾雜物存在共生關系，其機理是：形核界面理論，夾雜為H形核提供了現(xiàn)成的界面，即依附于夾雜形核，并長大，同時，H為夾雜物的聚集提供了有力條件。，有化學分析、金相分析法、過濾法、超聲波

8、法，中子活化法等。檢測方法檢測方法：主要分為離線檢測和在線檢測；：主要分為離線檢測和在線檢測；離線檢測方法離線檢測方法主要有定量金相法、化學分析法、澳一甲醇法、固態(tài)超聲波檢主要有定量金相法、化學分析法、澳一甲醇法、固態(tài)超聲波檢測法、斷口檢查法、壓力或真空過濾法；測法、斷口檢查法、壓力或真空過濾法；在線檢測方法在線檢測方法主要有電阻率法等。主要有電阻率法等。斷口檢查法（1）低倍組織法：）低倍組織法：放大810倍，適于宏觀大顆粒夾雜的形態(tài)與分布檢查；（2）斷口檢查法：）斷口檢查法：斷口低倍組織分析，適于宏觀大顆粒夾雜的檢查；K=S/nS夾雜物總數(shù) n試樣片數(shù)（3）金相檢查法：）金相檢查法：適于大、

9、小顆粒夾雜的檢查。（4）超聲波探傷法：）超聲波探傷法：利用回波檢查夾雜的大小和分布。（5）溴甲醇法：）溴甲醇法：溶劑，過濾，烘干，灰化，稱重。（6）真空過濾取樣法）真空過濾取樣法。1接真空2液位極點指示器3真空表4真空罐5保溫層6樣杯塞7過濾網(wǎng)8石墨樣杯9鋁液液面10保溫套 真空過濾取樣法裝置圖 1.3.1熔體凈化的目的和要求熔體凈化的目的和要求 （1）熔體凈化的目的熔體凈化的目的 由于爐料和鋁合金液在熔煉、轉(zhuǎn)送、澆注過程中吸收了氣體，產(chǎn)生了夾雜物，使合金液的純度降低，流動性變差，澆注后會使鑄件(鑄錠)產(chǎn)生多種鑄造缺陷，影響力學和加工工藝性能以及抗腐蝕性能、氣密性、陽極氧化性能及外觀質(zhì)量，故必

10、須在澆注前，對其作精煉、凈化處理，目的是排除這些氣體和夾雜物，提高合金液的純凈度。 （2）熔煉所要達到的要求：熔煉所要達到的要求：含含H量量：航空、航天工業(yè)Al材料和特殊要求般材料 要求 0.1cm3/100gAl； 一般材料要求0.152.0cm3/100gAl；通常鋁合金熔體中含有0. 40. 8 ml/100g Al的氫,鋁熔體除氣處理后,氫的含量國內(nèi)先進水平為0.15 ml/P100g Al ,國際領先水平為0. 10 ml/100g AlAl ,我非金屬夾雜物非金屬夾雜物：目前尚無法精確檢測其含量，只能根據(jù)試驗數(shù)據(jù)要求為準；有害雜質(zhì)元素有害雜質(zhì)元素：按合金品種的相應標準。 （3）熔體

11、凈化的發(fā)展方向熔體凈化的發(fā)展方向 。按凈化目的按凈化目的, ,鋁熔體凈化劑分為鋁熔體凈化劑分為：氣體凈化劑、排雜熔劑及凈化熔劑三種。氣體凈化劑、排雜熔劑及凈化熔劑三種。氣體凈化劑氣體凈化劑：指向鋁熔體中通入氣體或加入能產(chǎn)生凈化氣體的物質(zhì)：指向鋁熔體中通入氣體或加入能產(chǎn)生凈化氣體的物質(zhì), ,利用利用氫在鋁熔體和氣泡中的分壓差使其擴散進入氣泡內(nèi)氫在鋁熔體和氣泡中的分壓差使其擴散進入氣泡內(nèi), ,同時氣泡在上浮的過同時氣泡在上浮的過程中捕獲夾雜浮渣等程中捕獲夾雜浮渣等, ,從而達到除氫除雜的目的。從而達到除氫除雜的目的。排雜熔劑排雜熔劑：以除雜為主：以除雜為主, ,其除雜的本質(zhì)是利用夾雜與鋁熔體間物理

12、或化學其除雜的本質(zhì)是利用夾雜與鋁熔體間物理或化學質(zhì)上的差異實現(xiàn)兩者的分離質(zhì)上的差異實現(xiàn)兩者的分離, ,達到除雜去氫的目的。達到除雜去氫的目的。凈化熔劑凈化熔劑：其凈化實質(zhì)是利用液態(tài)熔劑凈化熔體時夾雜與熔體之間潤濕性：其凈化實質(zhì)是利用液態(tài)熔劑凈化熔體時夾雜與熔體之間潤濕性的差異的差異, ,使夾雜物自發(fā)地由熔體遷入熔劑中使夾雜物自發(fā)地由熔體遷入熔劑中, ,同時利用氣體擴散和溶解吸附同時利用氣體擴散和溶解吸附達到除雜去氫的目的。達到除雜去氫的目的。熔體凈化的發(fā)展方向熔體凈化的發(fā)展方向：操作簡單、成本低廉且無毒無公害的多功能熔劑：操作簡單、成本低廉且無毒無公害的多功能熔劑覆蓋保護、除氫除雜和細化變質(zhì)等

13、功能于一體。覆蓋保護、除氫除雜和細化變質(zhì)等功能于一體。1.3.2 熔體凈化原理熔體凈化原理 合金液的凈化除氣和除雜，綜合起來，可分為爐內(nèi)精煉和爐外精煉兩大類。按精煉原理又可分為吸附法、非吸附法及過濾法等。 脫氣原理脫氣原理 （1）加入一種物質(zhì)，與熔體中之氣體反應而生成一種不溶解或可溶解之新物質(zhì)，從而將氣體排除； Ca2HCaH2 比重小上??； （2）借助惰性氣體，利用分壓差原理除氣； 動力學過程動力學過程: :溶于鋁液中的氫原子經(jīng)歷著向凈化劑溶于鋁液中的氫原子經(jīng)歷著向凈化劑(Ar(Ar 或或N N2 2等等) ) 氣泡周邊氣泡周邊遷移遷移; ; 在氣泡周邊被吸附在氣泡周邊被吸附, , 并締結為

14、氫分子而進入氣泡并締結為氫分子而進入氣泡; ; 最后隨氣泡向上最后隨氣泡向上浮游而逸出鋁液浮游而逸出鋁液. .K -表觀傳質(zhì)系數(shù) （3）借助活性氣體，形成化合氫除氣； Al+3Cl2=2AlCl3其揮發(fā)溫度很低，形成氣體。 同時，Cl2+2H=2HCl 2 Al +6HCl=2AlCl3+3H2 同樣，利用分壓差原理除氣 （4）預凝固脫氣原理； 利用溫度對溶解度的影響規(guī)律，緩慢冷卻凝固，再快速重熔，獲得純凈熔體。改善除氫動力學條件以提高鋁液內(nèi)部除氫效率:(1) 氣泡數(shù)量大, 氣流量愈大, 氣液接觸作用的比表面積就愈大;(2) 氣泡直徑小,在相同供氣流量下, 氣泡尺寸小, 則其數(shù)目自然多, 從而

15、有效 地增大氣液接觸作用的比表面積,有利于增大傳質(zhì)系數(shù)K; (3) 氣泡在鋁熔池中均勻分布,這樣可有效地減小鋁液中溶解的氫向氣泡擴散的 距離,除氫動力學過程中, 氫在液相中的擴散常成為限制性環(huán)節(jié),氣泡均布 相當于強化了擴散過程或傳質(zhì)能力;(4) 氣泡在鋁液中運動速度vb大。由此增大對鋁液內(nèi)部的攪動速度, 強化氣液 界面更新, 提高液相中傳質(zhì)能力(相當于有效增大K 值);(5) 氣泡在鋁液中有足夠的停留時間。這樣可使氣泡攜氫(去氫) 的潛能得以充 分發(fā)揮, 也相當于增加氣泡的去氫作用時間t。 （5）振動脫氣原理； 通過空化效應及氣體擴散作用除氣。UltrasonictransducerWater

16、coolingArgonUltrasonic generatorPowercontroller transducer HeaterTemp sensor Melt圖 實驗裝置示意圖圖圖 A356A356不同濕度下氣孔圖不同濕度下氣孔圖 a-40%, b-60%a-40%, b-60%圖圖 A356A356合金不同濕度下保溫時間對合金不同濕度下保溫時間對H H含量的影響曲線含量的影響曲線圖圖 A356A356合金超聲除氣處理密度變化曲線合金超聲除氣處理密度變化曲線圖圖 超聲波傳播過程中質(zhì)點運動和波動示意圖超聲波傳播過程中質(zhì)點運動和波動示意圖熔體中壓力波動示意圖熔體中壓力波動示意圖空化效應空化效應

17、： 超聲波在液體媒質(zhì)中傳播時超聲波在液體媒質(zhì)中傳播時, ,在液體中微小區(qū)域會形成局部的暫時負在液體中微小區(qū)域會形成局部的暫時負壓區(qū)壓區(qū), ,當超聲強度超過液體張力時當超聲強度超過液體張力時, ,液體薄弱部位被撕開而產(chǎn)生大量的氣液體薄弱部位被撕開而產(chǎn)生大量的氣泡，當氣泡內(nèi)壓力達到某臨界值時瞬間崩潰破裂泡，當氣泡內(nèi)壓力達到某臨界值時瞬間崩潰破裂, ,分裂后的氣泡又不斷的分裂后的氣泡又不斷的長大和潰滅長大和潰滅, ,小氣泡迅速崩潰時在氣泡內(nèi)產(chǎn)生高壓小氣泡迅速崩潰時在氣泡內(nèi)產(chǎn)生高壓, ,并且由于氣泡周圍的并且由于氣泡周圍的液體高速沖入氣泡而在氣泡附近的液體中產(chǎn)生強烈的局部激波液體高速沖入氣泡而在氣泡附

18、近的液體中產(chǎn)生強烈的局部激波, ,從而產(chǎn)生從而產(chǎn)生了循環(huán)的空化效應一期了循環(huán)的空化效應一期。圖圖 液體中形成的空化氣泡示意圖液體中形成的空化氣泡示意圖 超聲波在鋁熔體傳播時波形變化圖a無空化， b空化初期， c完全空化 （6）氧化脫氣原理；氫與Cu2O可以進行下列可逆反應： Cu2O2H 2Cu+H2O Cu2O分解壓力大于H2O的分解壓力，在一定溫度和壓力條件下，增加Cu2O就可以去除H，根據(jù)反應式的平衡關系： H2O=常數(shù)，可見，當熔體中存在Cu2O時，使H含量降低。 除雜原理除雜原理 （1）沉淀除雜原理沉淀除雜原理stokes定律：定律：式中，式中， 粒子的沉降速度，粒子的沉降速度， 1

19、 ，2分別為粒子和熔體的密度分別為粒子和熔體的密度， 熔體黏度熔體黏度 Al液體中夾雜物密度對比圖 熔體 熔劑 夾雜夾雜1溶劑23溶體夾雜雜1熔體/溶劑、 2熔體/夾雜、 3夾雜/溶劑的界面張力Q1Q3Q2cos 1 3 2cos 因為因為熔體/夾雜不潤濕不潤濕90所以 3 1+ 2 S 3（S 2S 1）0所以 3 1+ 2 吸附條件吸附條件潤濕條件潤濕條件（3）溶解除雜原理溶解除雜原理 Al2O3與Na3AlF6相互溶解，935C時，能溶劑18.5的Al2O3 ，NaCl -KCl中加入10% 的Na3AlF6能溶劑0.15%的Al2O3。 （4）過濾除雜原理過濾除雜原理 在擴散、直接攔截

20、、重力和表面張力作用下的截留過程。 大于30微米的顆粒是機械攔截截留的； 小于于30微米的顆?？勘砻鎻埩亓舻?； （4）過濾除雜原理過濾除雜原理 過濾時通過專門的過濾介質(zhì)（濾床），通過機械作用和物理過濾時通過專門的過濾介質(zhì)（濾床），通過機械作用和物理化學作用，使夾雜物選擇性滯留、吸附過程?；瘜W作用，使夾雜物選擇性滯留、吸附過程。 陶瓷濾床是一種開口氣孔率高達陶瓷濾床是一種開口氣孔率高達80 %90 % ,密度為密度為0.13 g/ cm30. 6 g/ cm3 ,具有獨特的三維立體網(wǎng)絡骨架和相互貫通氣孔具有獨特的三維立體網(wǎng)絡骨架和相互貫通氣孔結構的多孔陶瓷制品。結構的多孔陶瓷制品。濾床的微分界

21、面圖濾床的微分界面圖截留的夾雜物截留的夾雜物懸浮的質(zhì)點懸浮的質(zhì)點濾床的顆粒濾床的顆粒界面積界面積A 單位體積的過濾介單位體積的過濾介質(zhì)截留夾雜物的變化率質(zhì)截留夾雜物的變化率是熔體中夾雜物濃度的是熔體中夾雜物濃度的函數(shù)：函數(shù)：表征過濾器特征的主要指標是動力學參數(shù)K, 它可按方程(2)求出。但是K是系數(shù)Ko的函數(shù),并與濾床的截留物的/ m 值有關,方程1系數(shù)Ko是流過濾器熔體速度Um、夾雜物尺寸d i、濾器顆粒尺寸d g的函數(shù)并與熔體種類有關。測定Ko 只需要短期試驗, 而測定m則需長時間的試驗。 1.3.3鋁及鋁合金凈化處理鋁及鋁合金凈化處理表表 Al熔體中夾雜物的種類熔體中夾雜物的種類表表 A

22、l熔體中夾雜物的種類熔體中夾雜物的種類-續(xù)表續(xù)表表表 常見的去除夾雜工藝常見的去除夾雜工藝表表 常見的去除夾雜工藝常見的去除夾雜工藝-續(xù)表續(xù)表。 1.3.3鋁及鋁合金凈化處理鋁及鋁合金凈化處理 爐內(nèi)處理：爐內(nèi)處理： (1) 惰性氣體吹洗惰性氣體吹洗 N、Ar不與Al和H起反應，同時，不在Al中溶解，除氣時為分壓差原理，由于最初的氣泡壓力為0，所以，在氣泡與Al熔體的界面上有H的分壓差，使溶劑在Al熔體的H不斷吸入氣泡。 (2) 活性氣體吹洗活性氣體吹洗 Cl2氣不溶解Al中，但與H反應形成HCl、與Al反應形成AlCl3（沸點為183C）均為氣態(tài)；同時，除Na效果顯著，但有害，腐蝕現(xiàn)象。 (3

23、) 混合氣體吹洗混合氣體吹洗N、Ar除氣效果差，Cl2有危害，N2Cl2，9:1或4:1、N2-Cl2-CO，8:1:1；反應如下：2Al2O36Cl2=4AlCl33O23O2+6CO=6CO22Al2O33Cl2+3CO=2AlCl33CO2 ，同時，生成的AlCl3和CO2都有精煉作用； (4)氯鹽凈化（靠氣體吸附）氯鹽凈化（靠氣體吸附）C2Cl6與Al反應，反應式為：一步：Al+C2Cl6=Al+C2Cl4Cl2兩步：Al+C2Cl4=Al+CCl4C三步：Al+CCl4=Al+2Cl2CC2Cl4氣體C2Cl6為白色晶體，密度為2,不溶于Al，沸點為121C，熔煉溫度下，為氣體，與未

24、完全反應的C2Cl6和分解的C2Cl4、CCl4Cl2一起參與精煉，但其反應快，不容易控制，近年來，制成了自沉的精煉劑，其成分為：25% C2Cl645%Mn-Fe+27%BaSO4+3%(NaBF4+NaF)熔劑罐爐子溶劑罐爐子(4)溶劑精煉（靠吸附）溶劑精煉（靠吸附）形成共晶鹽：形成共晶鹽：45KCl55KCl構成的熔劑，熔點只有650度，表面張力小，為覆蓋劑，CaF6 ，NaF是為了提供表面張力，使溶劑的分離性，加入NaAlF6為了提高溶解性。 (5)氣體熔劑混合吹洗氣體熔劑混合吹洗 用惰性氣體中含有少量的氧和水氣，O在氣泡周圍形成Al2O3薄膜，使得H進入氣泡的難度增加，研究表明當O含

25、量達到12%V時，凈化效果幾乎為零，但是，加入少量的熔劑，包覆在氣泡的周圍，使氧化膜熔解，使H進入，同時，熔劑使夾雜吸附，另外，避免了水氣與熔體的接觸。 (6)真空處理真空處理靜態(tài)真空處理靜態(tài)真空處理降壓至降壓至1.331.331010-3-3MpaMpa，熔體在靜態(tài)進行真空除氣。，熔體在靜態(tài)進行真空除氣。動態(tài)真空處理：在真空條件下，以小流噴射，接觸面積大，不受氧化膜的影動態(tài)真空處理：在真空條件下，以小流噴射，接觸面積大，不受氧化膜的影響，使響，使H H溢出。溢出。爐外處理（在線處理）爐外處理（在線處理） （a）在線處理的優(yōu)點）在線處理的優(yōu)點： （b）分類：）分類：爐子內(nèi)處理有效果不佳及二次污

26、染的問題，勞動強度高，存在公害的問題，爐子內(nèi)處理有效果不佳及二次污染的問題，勞動強度高，存在公害的問題，爐外處理可以和連續(xù)鑄造、連續(xù)鑄軋及與晶粒細化聯(lián)合進行在線處理。爐外處理可以和連續(xù)鑄造、連續(xù)鑄軋及與晶粒細化聯(lián)合進行在線處理。 除氣有除氣有： Air-liguid；除渣有除渣有： 網(wǎng)狀、陶瓷管、泡沫陶瓷過濾；網(wǎng)狀、陶瓷管、泡沫陶瓷過濾；除氣除渣兼顧除氣除渣兼顧： FILD無煙在線除氣、無煙在線除氣、SNIF旋轉(zhuǎn)噴嘴惰性氣體浮選法、旋轉(zhuǎn)噴嘴惰性氣體浮選法、 ALPUR Al 凈化、凈化、MINT熔體在線處理法、熔體在線處理法、RDU快速除氣法快速除氣法/ GBF氣泡流過濾方法。氣泡流過濾方法。

27、鋁熔體凈化處理方法鋁熔體凈化處理方法, , 大致可分為三大類大致可分為三大類: :(1) (1) 以除氣為主的方法有挪威以除氣為主的方法有挪威ASV ASV 公司的動態(tài)真空除氣法公司的動態(tài)真空除氣法; ;(2) (2) 以除不溶性夾雜物為主的凱撒公司的陶瓷管過濾法，以除不溶性夾雜物為主的凱撒公司的陶瓷管過濾法， 和柯那爾公司的泡沫陶瓷過濾法和柯那爾公司的泡沫陶瓷過濾法; ;(3) (3) 既可除氣既可除氣, , 又可去夾雜物的有英國鋁業(yè)公司的又可去夾雜物的有英國鋁業(yè)公司的FILD FILD 法法, , 美國鋁業(yè)公司的美國鋁業(yè)公司的Al-Coa469 Al-Coa469 法法, , 美國聯(lián)合碳化

28、物公司的美國聯(lián)合碳化物公司的SNIFSNIF（spinning nozzle inert floation)法法, , 法國彼西涅公司的法國彼西涅公司的AlpurAlpur 法法, , 美國聯(lián)合鋁業(yè)公司的美國聯(lián)合鋁業(yè)公司的MINT MINT 法法。動態(tài)真空除氣法動態(tài)真空除氣法 鋁液表面有致密的鋁液表面有致密的AlAl2 2O O3 3 膜存在膜存在, , 阻礙氫的析出。阻礙氫的析出。 空除氣的工藝過程是先將真空爐抽成空除氣的工藝過程是先將真空爐抽成10mmHg10mmHg的真空的真空, , 然后打開進料口然后打開進料口密封蓋密封蓋, ,把從保溫爐來的鋁熔體借真空抽力噴入真空室內(nèi)把從保溫爐來的鋁

29、熔體借真空抽力噴入真空室內(nèi), , 噴入真空室內(nèi)的噴入真空室內(nèi)的熔體熔體, , 呈細小彌散的液滴呈細小彌散的液滴, , 因而因而, , 溶解在鋁液中的氫能快速擴散出去溶解在鋁液中的氫能快速擴散出去, , 鈉鈉被蒸發(fā)燃燒掉。被蒸發(fā)燃燒掉。 1隔板，隔板，2氮氣通入管，氮氣通入管，3液態(tài)熔劑，液態(tài)熔劑，4燃燒噴嘴燃燒噴嘴5涂熔劑的氧化鋁球涂熔劑的氧化鋁球6氧化鋁球氧化鋁球7氮擴散器氮擴散器兼有兼有：氣體凈化、：氣體凈化、熔劑凈和過濾凈熔劑凈和過濾凈 化化的作用。的作用。 1入口，入口，2出口，出口，3、5旋轉(zhuǎn)噴嘴，旋轉(zhuǎn)噴嘴，4石墨管，石墨管，6發(fā)熱體發(fā)熱體N2Cl2 SNIF SNIF 法是美國聯(lián)合

30、碳化物公司發(fā)明的一種在線式鋁熔體處理裝置。法是美國聯(lián)合碳化物公司發(fā)明的一種在線式鋁熔體處理裝置。該裝置是用惰性氣體噴入快速旋轉(zhuǎn)的石墨噴嘴該裝置是用惰性氣體噴入快速旋轉(zhuǎn)的石墨噴嘴, , 噴嘴是由錠子和轉(zhuǎn)子組成噴嘴是由錠子和轉(zhuǎn)子組成, , 惰性氣體從高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和錠子之間的縫隙惰性氣體從高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和錠子之間的縫隙( 5 mm) ( 5 mm) 噴出噴出, , 惰性氣惰性氣體變成極細的彌散氣泡體變成極細的彌散氣泡, , 由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)攪拌金屬液由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)攪拌金屬液, , 使得彌散氣泡均使得彌散氣泡均勻分布在整個熔體中勻分布在整個熔體中, , 增大了氣體與熔體的接觸面積增大了氣體與熔體的

31、接觸面積, , 使可溶性氫更有效使可溶性氫更有效地進入氣泡中地進入氣泡中, , 使之與氣泡一起上浮排除使之與氣泡一起上浮排除, , 從而達到快速、高效地從熔體從而達到快速、高效地從熔體中清除氫和部分氧化物夾雜的目的。中清除氫和部分氧化物夾雜的目的。 該裝置是密封的該裝置是密封的, , 能防止凈化后熔體再度被污染。經(jīng)能防止凈化后熔體再度被污染。經(jīng)SNIF SNIF 裝置處理裝置處理的鋁熔體脫氫效果可達的鋁熔體脫氫效果可達76 % , SNIF 76 % , SNIF 裝置脫氫效果見表：裝置脫氫效果見表：表表SNIF 裝置脫氫效果表裝置脫氫效果表熔體流動方向玻璃布過濾網(wǎng)流槽擱板玻璃絲布過濾法玻璃絲

32、布過濾法特點：結構簡單，使用成本低，只能使用一次，小粒子無效。熔體流動方向陶瓷過濾管0P陶瓷管過濾法陶瓷管過濾法（適于高質(zhì)量的鋁熔體處理）規(guī)格：20目：5以上， 16目：8以上， 管壽命：300600t（開始時）熔體壓頭：P2cos/r為Al熔體的表面張力，P為熔體壓頭Pa，r 毛細孔道半徑，為Al熔體與介質(zhì)界面接觸角熔體流動方向泡沫陶瓷片熔體出口熔體入口泡沫陶瓷過濾泡沫陶瓷過濾 特點特點：氧化Al和氧化鉻等制成的海綿狀陶瓷過濾片，初始壓頭為100150 mm，通過后僅為210mm。規(guī)格規(guī)格：580580mm*51mm的過濾片，Q56噸/小時圖圖 三級泡沫陶瓷過濾復合凈化裝置示意圖三級泡沫陶瓷

33、過濾復合凈化裝置示意圖 三級泡沫陶瓷過濾復合凈化法是南通大學與東北輕合金廠最新研發(fā)三級泡沫陶瓷過濾復合凈化法是南通大學與東北輕合金廠最新研發(fā)的一種具有自主知識產(chǎn)權的復合凈化裝置?？娠@著降低鋁合金熔體中的的一種具有自主知識產(chǎn)權的復合凈化裝置?？娠@著降低鋁合金熔體中的非金屬夾雜物和氫的含量非金屬夾雜物和氫的含量,使使10m 以下的微小非金屬夾渣含量小于以下的微小非金屬夾渣含量小于0. 02 % ,氫含量小于氫含量小于0. 08 mL/ 100 g。 三級泡沫陶瓷過濾復合凈化法三級泡沫陶瓷過濾復合凈化法,這種復合凈化方法可以代替旋轉(zhuǎn)噴吹這種復合凈化方法可以代替旋轉(zhuǎn)噴吹凈化裝置和過濾裝置凈化裝置和過濾

34、裝置,既可縮短工藝又可節(jié)約投資和使用維護費用。既可縮短工藝又可節(jié)約投資和使用維護費用。AlpurAlpur 法由法國普吉公司發(fā)明法由法國普吉公司發(fā)明, 1981, 1981年年10 10 月取得專利。該方法與月取得專利。該方法與SNIF SNIF 法除氣工藝類似法除氣工藝類似, , 但噴嘴設計與但噴嘴設計與SNIF SNIF 不同不同, , 其結構更為簡單。在噴頭上有其結構更為簡單。在噴頭上有兩種不同形式的通道兩種不同形式的通道, , 一種是徑向排列的一種是徑向排列的8 8 條小通道條小通道(1(13mm) , 3mm) , 小通道小通道同轉(zhuǎn)動的中空心軸相通同轉(zhuǎn)動的中空心軸相通, , 噴入惰性

35、氣體噴入惰性氣體; ; 另一種為錐形排列的另一種為錐形排列的8 8 條大通道條大通道(8(815mm) , 15mm) , 通道中心交點與噴頭轉(zhuǎn)動軸同心通道中心交點與噴頭轉(zhuǎn)動軸同心, , 通道中心線與轉(zhuǎn)動軸成通道中心線與轉(zhuǎn)動軸成4545角角, , 噴頭上有噴頭上有4 4 個葉片個葉片, , 在高速轉(zhuǎn)動下攪拌金屬液在高速轉(zhuǎn)動下攪拌金屬液, , 使氣泡細小而分使氣泡細小而分布均勻布均勻, , 它同時能攪動熔體進入噴嘴內(nèi)使金屬液與氣充分混合它同時能攪動熔體進入噴嘴內(nèi)使金屬液與氣充分混合, , 因此使凈化因此使凈化效果提高。據(jù)資料介紹效果提高。據(jù)資料介紹, , 除氣效率可達除氣效率可達75 %75 %

36、。 Alpur Alpur 法凈化工藝是基于吸附凈化原理法凈化工藝是基于吸附凈化原理, , 通過轉(zhuǎn)子吹出精煉氣體通過轉(zhuǎn)子吹出精煉氣體, , 借助旋轉(zhuǎn)噴嘴產(chǎn)生均勻分布的微小氣泡借助旋轉(zhuǎn)噴嘴產(chǎn)生均勻分布的微小氣泡, , 并與反應室內(nèi)的熔體充分并與反應室內(nèi)的熔體充分接觸反應使熔體凈化。接觸反應使熔體凈化。 精煉氣體可以是氮氣或氫氣精煉氣體可以是氮氣或氫氣, , 也可以是氮氣或氫氣與氯氣的混合也可以是氮氣或氫氣與氯氣的混合氣體。在線除氣裝置可以產(chǎn)生三個方面的熔體凈化效果氣體。在線除氣裝置可以產(chǎn)生三個方面的熔體凈化效果 除氫。氫氣或氮氣的流量在除氫。氫氣或氮氣的流量在4 45.5m5.5m3 3/h/h

37、時時, ,可以取得理想的除氣可以取得理想的除氣 效果效果, ,鋁液氫含量不大于鋁液氫含量不大于0.3ml/100gAl0.3ml/100gAl時時, , 除氣效率可達除氣效率可達50%50%以上以上; ; 除渣除渣, ,通過彌散的氣泡捕捉夾渣通過彌散的氣泡捕捉夾渣, , 并將夾渣帶到熔體表面而除去并將夾渣帶到熔體表面而除去; ; 除堿金屬除堿金屬, ,氯氣與堿金屬氯氣與堿金屬(Na Li)(Na Li)和堿土金屬和堿土金屬(Cu)(Cu)形成鹽形成鹽, , 很容易很容易 去除去除, ,使用氮氣或氮氣與使用氮氣或氮氣與5%5%的氯氣混合氣體作為精煉氣體的氯氣混合氣體作為精煉氣體, , 可以可以

38、效除去效除去 熔體中的鈉。熔體中的鈉。 考慮到氯氣對人體有害、污染環(huán)境考慮到氯氣對人體有害、污染環(huán)境, , 該公司目前沒有使用氯氣。該公司目前沒有使用氯氣。高純石墨葉輪熔體出口熔體入口ALPUR(aluminium purifier)Al 凈化凈化特點，熔體與氣體強制接觸，氣體為Ar3Cl2，除氣率為60。圖圖AL PUR 法裝置示意圖法裝置示意圖快速除氣裝置之葉輪機構快速除氣裝置之葉輪機構RDU(rapid degas unit)快速除氣裝置快速除氣裝置特點：強制氣液混合，氣體為Ar3Cl2 。基于旋轉(zhuǎn)噴頭的基于旋轉(zhuǎn)噴頭的Ar-CClAr-CCl4 4 鋁合金熔體凈化技術鋁合金熔體凈化技術（

39、b)b)處理處理 從含氫量的實測值和電鏡照片可以看出從含氫量的實測值和電鏡照片可以看出, ,本系統(tǒng)具有很高的除氣除本系統(tǒng)具有很高的除氣除渣效果。渣效果。 主要有兩方面原因主要有兩方面原因: :首先是本系統(tǒng)采用了旋轉(zhuǎn)噴頭首先是本系統(tǒng)采用了旋轉(zhuǎn)噴頭, ,在凈化氣體從噴頭在凈化氣體從噴頭中噴出時中噴出時, ,被噴頭葉輪打碎得十分細小并且均勻被噴頭葉輪打碎得十分細小并且均勻, ,顯著地提高了凈化氣體的顯著地提高了凈化氣體的比表面積。比表面積。 其次其次, ,由于噴頭的旋轉(zhuǎn)攪拌作用由于噴頭的旋轉(zhuǎn)攪拌作用, ,細小的凈化氣泡能均勻的分布于金屬細小的凈化氣泡能均勻的分布于金屬液中液中, ,加上金屬液的粘性作

40、用及氣泡上升的螺旋路徑加上金屬液的粘性作用及氣泡上升的螺旋路徑, ,凈化氣泡停留在金屬凈化氣泡停留在金屬液中的時間較長液中的時間較長, ,使金屬液中所含的氫原子可充分擴散到凈化氣泡中使金屬液中所含的氫原子可充分擴散到凈化氣泡中, ,并與并與某些凈化氣體發(fā)生反應某些凈化氣體發(fā)生反應, ,這些細小的凈化氣泡還可以將細小的夾雜物吸附這些細小的凈化氣泡還可以將細小的夾雜物吸附出液面。因此出液面。因此, ,旋轉(zhuǎn)噴頭顯著地改善了凈化氣體的除氣除渣動力學過程。旋轉(zhuǎn)噴頭顯著地改善了凈化氣體的除氣除渣動力學過程。從方程式中可以看出從方程式中可以看出, ,通過化學反應通過化學反應ClCl2 2 可以直接去除鋁液中

41、的氫原可以直接去除鋁液中的氫原子子, ,這是其化學凈化作用。另外這是其化學凈化作用。另外, , 這兩個反應的產(chǎn)物在鋁液中都呈這兩個反應的產(chǎn)物在鋁液中都呈氣態(tài)氣態(tài), ,并且它們都不溶于鋁液并且它們都不溶于鋁液, ,這樣它們就可以和其它凈化氣體這樣它們就可以和其它凈化氣體(Ar(Ar 、N N2 2 ) ) 一起起到物理凈化作用。就是通過擴散一起起到物理凈化作用。就是通過擴散, ,使氫原子進入凈化氣使氫原子進入凈化氣泡中。泡中。熔體入口熔體出口MINT(melt in-line treatment)熔體在線處理法熔體在線處理法特點： 高速度，氣泡小，分散好，同時，上部有阻尼裝置，保持熔體液面。MI

42、NTMINT 法是美國聯(lián)合鋁業(yè)公司研制法是美國聯(lián)合鋁業(yè)公司研制,1982 ,1982 年以后開始在工業(yè)上使用。該年以后開始在工業(yè)上使用。該方法是將熔體從裝置上方成切線方向流入反應器內(nèi)方法是將熔體從裝置上方成切線方向流入反應器內(nèi), , 并以螺旋狀向下并以螺旋狀向下流動。在反應器底部裝有高壓氣體噴嘴流動。在反應器底部裝有高壓氣體噴嘴, , 噴入細小的氬噴入細小的氬- - 氯氣泡氯氣泡, ,氣泡氣泡上浮上浮, , 熔體向下流動熔體向下流動, , 在漩渦流動作用下在漩渦流動作用下, , 把細小氣泡均勻彌散分布把細小氣泡均勻彌散分布到熔體中到熔體中, , 把熔體中的氫除去。熔體從反應器底部流出把熔體中的

43、氫除去。熔體從反應器底部流出, ,通過上升管流通過上升管流入泡沫陶瓷過濾器入泡沫陶瓷過濾器, , 氧化物夾雜則被過濾掉。氧化物夾雜則被過濾掉。該裝置用氬氣加上該裝置用氬氣加上015 %015 %3 %3 %的氯氣的氯氣, ,除氫效率可達除氫效率可達48 %48 %73 % , 73 % , 見見表表4 ; 4 ; 金相低倍檢查除氧化物夾雜的效率可達金相低倍檢查除氧化物夾雜的效率可達90 % , 90 % , 除除H H效果見表。效果見表。表表 MINT除氫效果表效果除氫效果表效果表表MINTMINT除夾雜物效果表除夾雜物效果表 MINT特點：結構最簡單, 沒有同熔體接觸的運動部件, 占地面積小

44、, 更換合金品種方便, 除渣效率高, 更加適用于多合金生產(chǎn)的熔鑄機組上使用。Alcoa 469 除氣法除氣法 是美國鋁業(yè)公司研究成功的鋁液在線處理工藝是美國鋁業(yè)公司研究成功的鋁液在線處理工藝, 可實現(xiàn)鋁液連續(xù)凈化。該裝可實現(xiàn)鋁液連續(xù)凈化。該裝置有置有2 個處理室個處理室(稱為兩單元稱為兩單元) ,采用氬采用氬- 氯混合氣體精煉和氧化鋁球過濾。氯混合氣體精煉和氧化鋁球過濾。 在此裝置中在此裝置中, 熔體先經(jīng)粗過濾床過濾熔體先經(jīng)粗過濾床過濾, 再經(jīng)細過濾床過濾流向鑄造機。在再經(jīng)細過濾床過濾流向鑄造機。在2 個過濾床的底部設有氣體擴散器個過濾床的底部設有氣體擴散器, 氣體的流向與熔體的流向相反并均勻

45、分布到氣體的流向與熔體的流向相反并均勻分布到整個過濾床截面上。整個過濾床截面上。 經(jīng)經(jīng)Alcoa 469 Alcoa 469 法處理的鋁液氫溶解度可控制在法處理的鋁液氫溶解度可控制在0.15 mL0.15 mL/ 100gAl / 100gAl 以內(nèi)以內(nèi), , 除除H H效果見下表。效果見下表。表表 Alcoa 469 Alcoa 469 裝置除氫效果表裝置除氫效果表超聲除夾雜超聲除夾雜圖1是金屬懸浮液的超聲場強耦合系統(tǒng)（裝置），它是一種差頻電致伸縮式單軸超聲懸浮反應系統(tǒng)，聲懸浮是高能超聲作用下的一種非線性效應，其基本原理是超聲駐波與物體間的相互作用，物體運動主要受到指向波節(jié)（或波腹）的聲輻射

46、力、Stokes拖力、重力以及浮力的影響，使物體穩(wěn)定于超聲波波節(jié)（或波腹）處，從而呈現(xiàn)一種懸浮狀態(tài)，同時由差頻形成的移動駐波，使懸浮產(chǎn)生移動效應。圖圖1 金屬懸浮液超聲場強耦合系統(tǒng)金屬懸浮液超聲場強耦合系統(tǒng)由于使反應物懸浮金屬液體中，其超聲的空化與聲流作用，以及超聲波改善金屬液體的潤濕性、降低液體與懸浮相的界面張力效應，進而增強了其反應活性，促進了合金化過程，也可以提高增強相與基體金屬的潤濕性和相容性。金屬懸浮液的超聲場強耦合系統(tǒng)（裝置），由功率調(diào)解器1、17、超聲波發(fā)生器2、16、超聲波換能器3、15、水冷套4、14、變幅稈5、13、氣體接口6、加料口7、上耦合輻射塊8、鑄模11、保溫爐9、下耦合輻射塊12等組成。其中，超聲波能量的傳遞過程為：換能器3、15發(fā)射的超聲波，通過變幅稈5、13進行振幅放大后，再通過由Ti-6Al-4V 合金制造的上、下耦合輻射塊8、12，將超聲波能量直接耦合到金屬液體10中，上、下耦合輻射塊8、12端面的振動幅值和聲壓，分別由輸入換能器的功率調(diào)解器1、17控制。金屬懸浮液的超聲場強耦合系統(tǒng)（裝置）的特點和基本參數(shù)為：金屬懸浮液的超聲場強耦合系統(tǒng)（裝置）的特點和基本參數(shù)為：（1）超聲波