鋁合金熔體凈化的研究

□文/張淑婷 王 磊 楊曉華 陸在平

北京礦冶研究總院金屬材料所

鋁合金熔體凈化的研究

Study on Purification of A lum inium A lloy M elting Body

□文/張淑婷 王 磊 楊曉華 陸在平

北京礦冶研究總院金屬材料所

論述了國內外鋁合金熔體凈化工藝和凈化劑的研究現狀，并簡要介紹了我國鋁合金凈化的行業現狀，指出現有工藝應用和研究的不足。提出了鋁熔體提高凈化效果的主要途徑及發展方向為：在設備方面，應努力實現國產化，提高普及率，從而提高我國鋁合金行業的整體凈化水平；在鋁熔體凈化劑的發展方面，集凈化、覆蓋、精煉于一體的多功能綠色新型無污染熔劑及凈化機理的研究是今后的努力方向。

鋁合金 熔體 熔劑 凈化

近年來鋁合金材料大致向兩個方向發展：一是發展高強高韌等高性能鋁合金新材料，以滿足航空航天等軍事工業和特殊工業部門的需要；二是發展一系列可以滿足各種條件用途的民用鋁合金新材料[1，2]。

與國外相比，我國鋁合金研究的整體水平還比較落后，基礎理論研究和技術裝備水平及其完善程度都與國外的差距很大。目前，鋁合金研究的重點之一是研究和采用各種先進的熔體凈化與變質處理方法，去除鋁液中的氣體和夾雜物，降低雜質含量，提高鋁熔體的純度，從而改善鋁合金的性能。這也是可持續發展戰略中廢鋁回收亟待解決的技術難題。

一、國內外鋁合金凈化的研究現狀

在國外熔劑凈化理論的研究方面，R．R．Roy[3]研究了以NaCl、KCl為基的鹽熔劑與鋁熔體之間的表面張力，結果表明含有5%NaF的NaC l-KC1基的鹽熔劑配方比較合理，用于廢鋁熔體的凈化處理能夠獲得優良的凈化效果。Utigard等[4]在報道中提到的僅是以NaCl、KCl為基的常見鹽熔劑以及常見使用方法和使用效果，國外學者的研究重點放在除氫技術和除氫裝置上。

文獻[5]介紹了一種降低液態鋁中鈉的方法，是在電解槽內將液態鋁用過濾床過濾，該過濾床中充滿了一種活性粒子，其由石墨、焦碳、煤焦油顆粒的一種或幾種構成，合適的粒子直徑為1～20mm。該過濾床的主體材料由剛玉、氧化鋯、碳酸鎂或玄武巖組成。鋁液在進入過濾床前溫度應控制在785℃～885℃之間，而流出后的溫度在770℃～870℃之間。該過濾法可將鈉的含量從15×10-6降低到1×10-4。該專利還指出液態鋁的過濾速度可以介于7～12t/(h·m3)。文獻[6]介紹了去除鋁液中堿金屬元素或堿土金屬元素的方法，是將AlF3顆粒以1~10g/m in的速度沖入載氣中，氣流的速度是40～200L/m，載氣將AlF3顆粒連續不斷地帶入鋁液中，鋁液合適的溫度為690℃～780℃。該方法的特點是使用較少的A lF3就可以起到良好的凈化效果。載氣主要是氬氣，其中還包括一定量的鹵化烴氣體。

在設備方面，文獻[7]公開了一種集吸附氫氣和過濾裝置的氣體凈化設備，專利稱該設備簡單，通過使用該設備可以降低成本，提高效率，且延長了設備的使用壽命，特別是在凈化過程中可以再生一部分熱量，這部分熱量彌補了被氣體帶走而損失的熱量，從而提高了凈化效率。該設備的特點是將傳統設備中的兩部分結構集中到1個加熱器和過濾器中，而且吸氫和過濾可以在較高溫度進行，可用于過濾鎳和純鋼，其用于過濾的組件呈圓柱形。此外，文獻[8]公開了一種凈化液態鋁、銅、黃銅以及青銅的設備。

國內在熔劑領域的研究還是比較多的。上海交通大學的倪紅軍等[3]在鋁熔體理論及新型熔劑研究方面走在國內前列，提出了鋁熔體凈化的新理論——鋁熔體覆蓋保護和化學凈化原理。根據該原理他們研制了三種集精煉、變質和細化為一體的新型綠色多功能熔劑，即JDN-I稀土熔劑和JDN-Ⅱ、JDN-Ⅲ玻璃熔劑，并研究了這三種熔劑對鋁熔體的凈化工藝、凈化效果和對鋁及鋁合金組織和性能的影響，深入分析了三種新熔劑的作用機制。

國內關于精煉劑的專利中，對設備和方法的報道較多，而對精煉劑配比和成分的報道較少。南京晨光機器廠的貝文韜等[9]申請了“鋁硅合金變質精煉劑”專利，該專利公開了兩種Al-Si合金的變質精煉劑，使用該精煉劑可以使精煉和變質合二為一。

文獻[10]提供的方法和設備已用于鋁熔體的精煉，此方法及設備所得鋁熔體的氣體及鈉含量降低到一個新的標準。日本鋼管株式會社和吉澤石灰工業株式會社聯合申請的專利[11]介紹了由Al、M gO與CaO作為M gO源及CaO源，以白云石為精煉劑，添加到鐵水中時通過鐵水中的反應產生Mg蒸氣，利用該M g蒸氣進行精煉反應的方法。貴州送變電工程公司的邱鋒[12]公開了“一種導電鋁精煉一變質復合劑及其制備方法和其應用方法”的專利，該發明用于給導電鋁精煉提供既起精煉又起變質作用的復合精煉劑，其具有原料容易獲得、成本低廉、制作過程簡單、使用方便、效果好等優點，生產出的電工鋁條的純凈度和晶粒度達到要求，綜合性能和質價比高。

二、我國鋁合金凈化的行業現狀

通常鋁熔體中含有0.4～0.8m l/1 0 0 g A l的氫，鋁熔體除氣處理后的氫含量一般都在0.1～0.2m l/1 0 0 g A l，而飛機零件氫含量有時要求不超過0.1m l/100g A l，此外，高質量的鋁箔電子工業用的鋁材的氫含量要求在0.06m l/100gA l以下，國際先進水平為0.05～0.08m l/100gAl，而目前國內鋁熔體除氣的先進水平能達到0.10m l/100gAl左右。除雜處理后，工業純鋁中的夾雜物含量一般在0.1%以上，夾雜物的尺寸大部分都大于10μm，國際除夾雜物的水平達到熔體中的夾雜物含量為0.02%，夾雜物的尺寸小于7μm。我國最新的研究表明，采用攪拌熔劑過濾法可有效去除7μm 以上的夾雜物[13～15]。

在我國電解鋁廠中，早期都采用氯化法。氯化法的精煉效果很好，但對環境污染嚴重，20世紀60年代末我國已明令禁止使用。目前的N2-C l2混合氣體精煉法是在氯化法的基礎上派生的，使用氮氣的目的就是為了減少氯化物的污染。該法中熔劑用于第一次精煉，采用氣體用于第二次精煉，混合氣體中通常氮氣含量為82%～90%，精煉工藝全部在爐內進行[16～18]。

近幾年，為了縮短鋁液在爐內的停留時間，提高鑄錠質量，應用較廣的凈化方法是爐外精煉處理。為進一步降低鋁坯和鋁熔體中的氫和氧含量，國內數家鋁加工廠從國外引進了幾種具有國際先進水平的在線除氣凈化裝置，如SNIF、M INT、ALPUR等[18,20]。

我國青海鋁廠二期工程用熔劑與M INT聯合法進行純鋁板錠生產。整個工藝采取兩次精煉，第一次采用熔劑在混合爐內進行，第二次采用M INT系統進行爐外處理，M INT裝置結構及工作原理如圖1所示，M INT系統除氫量達50%以上，去除氧化物夾雜效率達90%以上[21]。西南鋁加工廠用該方法生產3004板材及1145箔材，經M INT處理的鋁液含氫量減少50%，鈉含量減少71%，鉀含量減少79%，鈣含量減少34%。

我國東北輕合金加工廠使用SNIF裝置用于罐材生產。SNIF裝置有T型和S型，T型SNIF裝置及旋轉噴嘴如圖2所示，SNIF裝置的核心是旋轉噴嘴(圖3)。該方法采取三種措施來清除鋁液中的夾雜、氫和堿金屬，即微小而均勻分布的惰性氣泡、能量(攪拌)和少量的氯氣與熔劑[22]。SNIF法除氫效果比較好，經處理后鋁液含氫量減少為0.04～0.07m l/100gAl，Na、Li含量在2×10-4%以下，1～l0μm的非金屬夾雜物也能被除去。

此外，液態鋁的精煉還有ALPUR法以及真空處理法。ALPUR法的原理與SNIF法基本相同。撫順鋁廠于20世紀80年代購置了1臺ALPUR系統用于生產鋁板坯料。真空處理法在德國和俄羅斯應用較多，尤其在俄羅斯，即使在非真空狀態下也能達到較好的處理效果。在線處理系統雖然能達到較好的除氫除雜效果，但生產中發現采用這些方法除氫除雜設備成本巨大，關鍵零部件使用壽命較短，生產的合金種類受設備的制約，有的污染比較嚴重[23～25]。

20世紀80年代初出現了噴吹熔劑法(Flux in jectionp rocess，簡稱FI法)，90年代推出了旋轉葉輪法(Rotary im pe lle r degassing，簡稱RID法)。目前，在FI法和RID法的基礎上，發展了旋轉噴吹熔劑法精煉，其凈化效果相對較好，可使熔體中的氫從0.35m l/100gAl降至0.08m l/100gAl，使其流動性提高10%，減少渣中的鋁含量達95%，但設備投資大、維護費用高[15]。

三、結語

1. 我國關于鋁合金凈化的研究與國外相比，整體水平還比較落后。目前，國外學者將研究的重點放在凈化技術和裝置上，而國內在理論研究方面做的工作較多，在關鍵凈化設備上仍依賴進口。

2. 鋁合金研究重點之一是研究和采用各種先進的熔體凈化和變質處理方法，去除鋁液中的氣體和夾雜物，降低雜質含量，提高鋁熔體的純度，從而改善鋁合金的性能。

3. 在凈化熔劑方面，國內現有的鋁熔體凈化劑種類盡管很多，但配方大同小異，應用范圍窄，傳統有毒及污染較大的熔劑使用非常普遍，因此集凈化、覆蓋、精煉于一體的多功能新型綠色熔劑及凈化機理的研究是今后的努力方向。

4. 在設備方面，應努力實現設備國產化，同時提高關鍵部件的使用壽命，降低設備的生產和使用成本，提高設備的普及率，從而提高我國鋁合金行業的整體凈化水平。

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