用氬氣懸吹精煉凈化ZL104合金工藝研究

（西安西工大超晶科技發(fā)展有限責(zé)任公司，西安 710016）

摘 要：本文以ZL104鋁合金為例，通過對氬氣懸吹精煉凈化實際操作中的精煉時間、精煉次數(shù)和精煉溫度的不同優(yōu)化出一套能提高鋁合金氬氣懸吹精煉凈化效果的方案，對于提高鋁合金熔煉時的精煉質(zhì)量具有積極作用。

關(guān)鍵詞：氬氣懸吹; 精煉凈化;鋁合金

獲得潔凈的鋁合金熔體是獲得優(yōu)質(zhì)鋁合金鑄件的保證和前提，而熔體精煉是獲得潔凈的液態(tài)金屬最常用、最有效的手段之一，因此，鑄造鋁合金的精煉是熔煉過程中最重要的工序。鋁合金精煉的方法較多，總的可分為兩大類：一類為吸附法;另一類為非吸附法，但其總的目標(biāo)都是提高精煉效率、改善合金質(zhì)量、減輕環(huán)境污染等[1，6]。從國內(nèi)外發(fā)表的大量資料中可以看出對于精煉作用的機(jī)理研究已經(jīng)比較充分。精煉過程的制約因素主要還是在動力學(xué)方面[2]。因此，本文對懸吹精煉凈化實際操作過程的參數(shù)做出一些提高和完善，將會發(fā)現(xiàn)一些新的思路，具有積極地意義。

1 試驗方法

1.1 實驗原理

旋轉(zhuǎn)噴吹法是借助專門設(shè)計的吹頭向合金中通入氬氣，利用吹頭的快速旋轉(zhuǎn)作用，在熔體深處形成快速運動的氣水渦流，使氣泡尺寸變得很細(xì)小，分布得很均勻（幾乎充滿坩堝內(nèi)熔體的各部位）。氣泡尺寸細(xì)小、分布均勻、上浮速度緩慢、熔體被合理地攪動，因而顯著地擴(kuò)大了作用界面、作用范圍、延長了作用時間、增加了氫向氣泡內(nèi)擴(kuò)散傳質(zhì)的濃度梯度，故強(qiáng)化了除氣的作用。從而顯著改善了浮游精煉的效果方法的原理如圖l所示[3]。

ZL104合金在60KW電阻爐中熔煉，每一爐料熔煉110kg并保證每一爐料組成的一致性。實驗采用SG-Ⅲ氬氣旋吹凈化設(shè)備，旋轉(zhuǎn)噴吹吹入的惰性氣體為99.99%氬氣，氬氣壓力為0.5 MPa 。為了優(yōu)化旋轉(zhuǎn)噴吹精煉工藝參數(shù)，試驗選取影響精煉效果較為明顯的3個因素：精煉次數(shù)、精煉時間、精煉溫度。惰性氣體流量為0. 6～0.7 m3/ h ，轉(zhuǎn)速為400r/ min，使用SGJ鋁液精煉檢測儀抽真空進(jìn)行精煉效果驗證，并使用精度為0.1g的電子秤進(jìn)行比重稱量計算[4]。

1.2 實驗步驟方法

步驟一：取精煉前樣，抽真空、測比重，標(biāo)記為1號、密度為ρ1，在730℃下，一次精煉30分鐘，取樣抽真空、測比重，標(biāo)記為2號、密度為ρ2;

步驟二：分三次精練，精煉溫度730℃，精煉30分鐘每隔10分鐘取一次樣，每次取樣都進(jìn)行打渣，對取的試樣進(jìn)行抽真空、測比重，標(biāo)記為3號、ρ3、4號、ρ4、5號、ρ5;

步驟三：比較兩種不同次數(shù)、時間下精煉效果，取效果最好的方案分別在740℃、750℃三個溫度下進(jìn)行精煉實驗并驗證其精煉效果，取樣抽真空、測比重，標(biāo)記為6號、ρ6、7號、ρ7。

2 實驗數(shù)據(jù)及分析

2.1 傳統(tǒng)工藝對ZL104合金精煉凈化的影響（見圖2）

圖a為精煉之前的ZL104合金取樣抽真空后的照片，抽真空過程中出氣量極大，試樣上部因出氣遺留的凹坑較多，分析其中含有較多的氣、渣未除盡所致;

圖b為在730℃一次性精煉30分鐘后的ZL104合金取樣抽真空后的照片，抽真空過程中有大量氣體析出，但氣泡大小相比樣1已經(jīng)大幅減少和減小，在試樣表面依然有大量Φ2-Φ3大小的氣孔出現(xiàn)，說明精煉效果比較樣1已有改善，但與期望效果差距較大，有待提高;

2.2 梯度精煉工藝對ZL104合金精煉凈化的影響（見圖3）

圖b為在730℃一次性精煉30分鐘后的ZL104合金取樣抽真空后的照片，在試樣表面有大量Φ2-Φ3大小的氣孔出現(xiàn)，說明精煉效果較差;

圖c為在730℃一次性精煉10分鐘后（僅進(jìn)行一次打渣）的ZL104合金取樣抽真空后的照片，抽真空過程中析出氣體較多，氣泡較大，與圖b相比分析原因在于精煉時間過短導(dǎo)致精煉效果較差，渣、氣極有可能未除盡;

圖d在730℃進(jìn)行兩次精煉10分鐘后（共進(jìn)行兩次打渣）的ZL104合金取樣抽真空后的照片，抽真空過程中析出氣體，在表面殘留了3-5個Φ1左右的氣孔，與樣3比較，精煉效果顯著提高，這也驗證了樣3中含有較多渣、氣未除盡的說法，但精煉效果已經(jīng)能夠滿足要求，但還需嘗試再提高;

圖e為在730℃進(jìn)行三次精煉10分鐘后（共進(jìn)行三次打渣）的ZL104合金取樣抽真空后的照片，抽真空過程中未見有氣體析出，樣5表面光潔，取樣5前打渣時發(fā)現(xiàn)渣量較前兩次打渣時已明顯減少，初步說明精煉效果非常理想，但需算其比重，以驗證其內(nèi)部含[H]量;

2.3 精煉溫度對ZL104合金精煉凈化的影響（見圖4）

圖e為在730℃進(jìn)行三次精煉10分鐘后（共進(jìn)行三次打渣）的ZL104合金取樣抽真空后的照片，抽真空過程中未見有氣體析出，樣5表面光潔，取樣5前打渣時發(fā)現(xiàn)渣量較前兩次打渣時已明顯減少，初步說明精煉效果非常理想。

圖f為在740℃進(jìn)行三次精煉10分鐘后（共進(jìn)行三次打渣）的ZL104合金取樣抽真空后的照片，抽真空過程中有極少量氣體析出，表面相對光潔圓滑，局部有較小凸起，初步說明精煉效果比較理想，但與圖e相比略有不足，需算其比重，以驗證其內(nèi)部含[H]量的大小;

圖g為在750℃進(jìn)行三次精煉10分鐘后（共進(jìn)行三次打渣）的ZL104合金取樣抽真空后的照片，抽真空過程中有氣體析出，并造成試樣表面出現(xiàn)了5-6個約Φ0.5的氣孔，與圖f相比除氣時氣體較多，初步說明是精煉溫度升高引起的吸氫傾向加重。

2.4 試樣比重結(jié)果分析

由表1中可以看出：

①2號試樣比重優(yōu)于1號試樣，這就充分說明一次性精煉30分鐘對于爐料精煉凈化有一定提高，但比較有限，與期望差距較大;

②3號、4號和5號試樣隨著精煉次數(shù)的增加，比重也在不斷提高，2號與5號試樣相比較，比重提高效果較為明顯，精煉凈化效果明顯改善;

③從730℃開始，由于溫度的升高，試樣的比重逐漸下降，由第三次打渣時渣量較少得出，由于溫度的升高，其精煉除氣負(fù)擔(dān)加重，從而精煉凈化除氣效果降低;

④實驗中，部分比重高于測氫比重儀廠家和手冊中的ZL104密度，分析其可能由于測量誤差、實驗用水、環(huán)境溫度等多方面因素導(dǎo)致，相關(guān)問題有待于進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。

2.5 綜合分析

（1）在懸吹過程中，石墨棒中心的部分浮渣由于渦流作用而被帶入鋁液，精煉凈化次數(shù)的增加的同時，也增加了打渣次數(shù)，每次打渣后有利于下次精煉過程中鋁液中的夾渣因浮渣濃度降低而在很大程度上上浮至鋁液表面并被能夠被及時去除;

（2）精煉溫度對鋁合金液精煉效果的影響主要是由不同溫度下鋁合金粘度、氫在鋁液內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)和鋁合金液吸氫速度發(fā)生變化所產(chǎn)生的，隨著鋁合金液精煉溫度的提高， 鋁液精煉效果應(yīng)該提高[7]， 但是， 在鋁合金液溫度到740℃ 以上， 精煉效果反而降低， 這是由于用鋁鍶對ZL104合金變質(zhì)時鋁液溫度升高而導(dǎo)致鋁合金的吸氫傾向大幅增加而使精煉凈化的負(fù)擔(dān)加重所致。

3 結(jié)論

（1）精煉溫度為730℃、精煉時間為30分鐘，每10分鐘打渣一次（前兩次打渣靜置可以適當(dāng)時間縮短，第三次打渣靜置10分鐘），精煉除渣、除氣效果的較為明顯;

（2）精煉溫度至740℃以上，溫度越高，吸氫傾向越嚴(yán)重，除氣效果越差。

參考文獻(xiàn)：

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[3]朱承興.先進(jìn)的鋁合金精煉技術(shù)-旋轉(zhuǎn)噴吹法[J].特種鑄造及有色合金，1992，168（03）：23-25.

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