精煉劑對高鎂鋁合金爐前凈化效果的影響

陳俊丹 殷智 侯經韜 紀劍峰

（新疆眾和股份有限公司 烏魯木齊 830000）

1 前言

隨著焊接技術的發展，鋁及鋁合金焊接結構已廣泛應用于民用領域[1]，如各種化工容器、交通工具、飛機、火箭、宇宙探測器等，以及高速列車、地鐵列車、城市輕軌是國家重點投資扶持的產業。這些焊接結構的性能，在基材一定的情況下，主要取決于焊接工藝和焊絲的合金成分和性能。其中，焊絲是影響焊縫金屬成分、組織、液-固相線溫度、近縫區母材的熱裂性、焊縫的耐腐蝕性及力學性能的重要因素[2]。鎂含量3%-5%的高鎂鋁合金作為高強度變形鋁合金中的重要一類，在焊材領域應用廣泛，高鎂鋁合金由于鎂元素極易氧化吸氣，鋁熔體處理的主要任務是降低渣含量和氫含量，熔體處理分為爐前和鑄造過程中兩個階段，其中爐前除氣除渣手段是精煉。

2 研究內容

2.1 粉末狀和顆粒狀精煉劑處理后爐前除氣效果對比

根據凈化機理，爐內處理可分為吸附凈化和非吸附凈化兩大類，吸附凈化依靠精煉劑的吸附作用達到去除氧化夾雜和氣體的目的[3]，其中氬氣噴吹粉末狀熔劑法所用的熔劑主要是堿金屬的氯鹽和氟鹽的混合物，工業上常用的幾種熔劑見表1，選取鋁鎂合金使用的粉末狀KCl、MgCl2、CaF2混合精煉劑與某公司生產的新型顆粒狀精煉劑進行爐前除氣效果平行實驗對比，新型顆粒精煉劑的成分及熔點見表2。爐前原材料固體料比例嚴格控制在20-25%，合金元素均采用中間合金配料，精煉溫度控制在730-740℃，精煉分為兩次，每次精煉劑用量1Kg/噸鋁，同過調整噴吹速度控制每次精煉時間20-25 分鐘。精煉后每爐次靜置40 分鐘后使用叉車進行人工扒渣，15分鐘內扒至鋁液表面干凈，開鑄15分鐘待鋁熔體液面穩定后在爐眼處的流槽內使用ELH-IV 測氫儀按照標準操作規程進行氫含量測量，粉末狀和顆粒狀精煉劑各測量10 爐次，測氫數據取連續測量4 次的平均值。

表2 新型顆粒狀精煉劑的成分及用途

粉末狀KCl、MgCl2、CaF2混合精煉劑與某公司生產的新型顆粒狀精煉劑進行爐前除氣效果平行實驗對比，兩種精煉劑精煉后氫含量各測定10爐次，結果見圖1。據測定，存在于鋁合金中的氣體，氫占85%以上，因而“含氣量”可視為含氫量的同義詞，根據精煉后的氫含量數據對比，可以看出顆粒狀熔劑的爐前除氣效果略優于粉末狀精煉劑。

圖1 粉末狀與顆粒狀熔劑精煉后氫含量對比

熔入鋁合金中的氫并不來自爐氣中的極微量的氫，因為大氣中的氫分壓約為5*10-6MPa，這遠比鋁液中的氫分壓低。根據熱力學原理，熔于鋁液中的氫是不穩定的，有自鋁液內部自動向大氣方向擴散逸出的傾向[4]。其次，多項研究表明，分子態的氫并不能直接熔于鋁液中，只有離解成原子態的氫才能熔于鋁液中，這比鋁合金熔體的氫分壓低的多，由此可見鋁及鋁合金熔體的氫并非主要來源于大氣，生產實踐和科學證明，影響鋁合金熔體吸氫的主要因素來源于大氣中水蒸氣分壓和熔煉溫度，熔劑能改變熔體表面氧化膜的狀態，使熔體表面上那層堅固致密的氧化膜破碎成為細小顆粒，有利于氫從氧化膜層顆粒中逸出。普通的粉狀精煉劑一般熔點在600-680℃，而新型顆粒精煉劑通過氯鹽晶型的改變使熔劑熔點低于460℃，可以更快速的與鋁熔體反應，增強了熔劑的除氣能力。

2.2 粉末狀和顆粒狀精煉劑處理后爐前渣含量對比

鋁熔體精煉處理后殘留渣含量是直觀反應熔劑除雜能力的關鍵指標，渣含量的測定使用ABB 公司PODFA 法，PODFA 法是國內外鋁行業認可度最高的一種鋁熔體渣含量測定方法，使用設備型號為ABBPrefil，取樣操作按照測渣儀操作規程。使用粉狀精煉劑和顆粒狀精煉劑處理后（其他條件及參數控制范圍相同）各取6 爐次（1 個/爐）PoDFA 測渣樣品，使用司特爾Tegramin-25 自動磨拋機磨拋至陶瓷與鋁基體界面光亮陶瓷過濾片與鋁基體清晰，在蔡司Axio Lab.A1 金相顯微鏡50 倍下觀察界面處渣的多少，在100倍下用標準（125微米*125微米）的柵格進行渣面積估計，通過估計的格子數對比兩種熔劑精煉處理后熔體殘留渣含量。粉末狀熔劑精煉后6 爐次測渣樣品顯微照片見圖2，顆粒狀熔劑精煉后6爐次測渣樣品顯微照片見圖3；粉末狀熔劑和顆粒狀熔劑精煉后6爐次測渣樣品渣含量面積結果見表3。

圖2 粉末狀熔劑精煉后測渣樣品顯微照片

圖3 顆粒狀熔劑精煉后測渣樣品顯微照片

表3 粉末狀與顆粒狀熔劑精煉后測渣樣品分析結果

鋁及鋁合金熔體與空氣中氣體反應生成的氧化夾雜物主要是A1203夾雜物，而且反應錯綜復雜。生成物的結構也多樣，鋁液和各種氣體反應可以生成氧化鋁、氮化鋁、碳化鋁等。氧化鋁化學穩定性高。在鋁液中不分解。除上述夾雜物之外，鋁熔體中還可能含有熔煉爐和澆包的耐火材料磚、熔劑及其它形式的中間化合物等夾雜物。另外鋁合金熔體精煉處理和運輸過程中，氧化物、爐膛碎片等夾雜物容易帶入鋁熔體中，形成夾雜物。此外，電解鋁生產過程中還會產生一些非氧化物形式夾雜物，如A14C3、MgAl204等，在鋁合金熔煉過程中還會出現一些不希望有的初生金屬間化合物。高鎂鋁合金爐前處理后樣品中，通過ABB 夾雜物相數據庫分析，爐前樣品中主要以氧化物、MgAl204和MgO 為主，其中氧化物夾雜占比達到80%以上，通過表3的分析結果對比，顆粒狀熔劑除雜效果明顯好于粉末狀精煉劑，主要原因是顆粒狀精煉劑熔點低反應迅速，有利于渣的上浮。

3 結論

研究了粉末狀KCl、MgCl2、CaF2混合精煉劑與某公司生產的新型顆粒狀精煉劑爐前精煉后凈化效果，從氫含量和渣含量兩個方面對比兩種熔劑的凈化效果，顆粒狀熔劑相對于粉末狀精煉劑，爐前除氣效果有所提高，除渣效果提高更為明顯。通過凈化效果對比，應用顆粒狀精煉劑可以更好的保證高鎂合金爐前熔體質量。