铝合金熔体净化的研究

□文/张淑婷 王 磊 杨晓华 陆在平

北京矿冶研究总院金属材料所

铝合金熔体净化的研究

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

□文/张淑婷 王 磊 杨晓华 陆在平

北京矿冶研究总院金属材料所

论述了国内外铝合金熔体净化工艺和净化剂的研究现状，并简要介绍了我国铝合金净化的行业现状，指出现有工艺应用和研究的不足。提出了铝熔体提高净化效果的主要途径及发展方向为：在设备方面，应努力实现国产化，提高普及率，从而提高我国铝合金行业的整体净化水平；在铝熔体净化剂的发展方面，集净化、覆盖、精炼于一体的多功能绿色新型无污染熔剂及净化机理的研究是今后的努力方向。

铝合金 熔体 熔剂 净化

近年来铝合金材料大致向两个方向发展：一是发展高强高韧等高性能铝合金新材料，以满足航空航天等军事工业和特殊工业部门的需要；二是发展一系列可以满足各种条件用途的民用铝合金新材料[1，2]。

与国外相比，我国铝合金研究的整体水平还比较落后，基础理论研究和技术装备水平及其完善程度都与国外的差距很大。目前，铝合金研究的重点之一是研究和采用各种先进的熔体净化与变质处理方法，去除铝液中的气体和夹杂物，降低杂质含量，提高铝熔体的纯度，从而改善铝合金的性能。这也是可持续发展战略中废铝回收亟待解决的技术难题。

一、国内外铝合金净化的研究现状

在国外熔剂净化理论的研究方面，R．R．Roy[3]研究了以NaCl、KCl为基的盐熔剂与铝熔体之间的表面张力，结果表明含有5%NaF的NaC l-KC1基的盐熔剂配方比较合理，用于废铝熔体的净化处理能够获得优良的净化效果。Utigard等[4]在报道中提到的仅是以NaCl、KCl为基的常见盐熔剂以及常见使用方法和使用效果，国外学者的研究重点放在除氢技术和除氢装置上。

文献[5]介绍了一种降低液态铝中钠的方法，是在电解槽内将液态铝用过滤床过滤，该过滤床中充满了一种活性粒子，其由石墨、焦碳、煤焦油颗粒的一种或几种构成，合适的粒子直径为1～20mm。该过滤床的主体材料由刚玉、氧化锆、碳酸镁或玄武岩组成。铝液在进入过滤床前温度应控制在785℃～885℃之间，而流出后的温度在770℃～870℃之间。该过滤法可将钠的含量从15×10-6降低到1×10-4。该专利还指出液态铝的过滤速度可以介于7～12t/(h·m3)。文献[6]介绍了去除铝液中碱金属元素或碱土金属元素的方法，是将AlF3颗粒以1~10g/m in的速度冲入载气中，气流的速度是40～200L/m，载气将AlF3颗粒连续不断地带入铝液中，铝液合适的温度为690℃～780℃。该方法的特点是使用较少的A lF3就可以起到良好的净化效果。载气主要是氩气，其中还包括一定量的卤化烃气体。

在设备方面，文献[7]公开了一种集吸附氢气和过滤装置的气体净化设备，专利称该设备简单，通过使用该设备可以降低成本，提高效率，且延长了设备的使用寿命，特别是在净化过程中可以再生一部分热量，这部分热量弥补了被气体带走而损失的热量，从而提高了净化效率。该设备的特点是将传统设备中的两部分结构集中到1个加热器和过滤器中，而且吸氢和过滤可以在较高温度进行，可用于过滤镍和纯钢，其用于过滤的组件呈圆柱形。此外，文献[8]公开了一种净化液态铝、铜、黄铜以及青铜的设备。

国内在熔剂领域的研究还是比较多的。上海交通大学的倪红军等[3]在铝熔体理论及新型熔剂研究方面走在国内前列，提出了铝熔体净化的新理论——铝熔体覆盖保护和化学净化原理。根据该原理他们研制了三种集精炼、变质和细化为一体的新型绿色多功能熔剂，即JDN-I稀土熔剂和JDN-Ⅱ、JDN-Ⅲ玻璃熔剂，并研究了这三种熔剂对铝熔体的净化工艺、净化效果和对铝及铝合金组织和性能的影响，深入分析了三种新熔剂的作用机制。

国内关于精炼剂的专利中，对设备和方法的报道较多，而对精炼剂配比和成分的报道较少。南京晨光机器厂的贝文韬等[9]申请了“铝硅合金变质精炼剂”专利，该专利公开了两种Al-Si合金的变质精炼剂，使用该精炼剂可以使精炼和变质合二为一。

文献[10]提供的方法和设备已用于铝熔体的精炼，此方法及设备所得铝熔体的气体及钠含量降低到一个新的标准。日本钢管株式会社和吉泽石灰工业株式会社联合申请的专利[11]介绍了由Al、M gO与CaO作为M gO源及CaO源，以白云石为精炼剂，添加到铁水中时通过铁水中的反应产生Mg蒸气，利用该M g蒸气进行精炼反应的方法。贵州送变电工程公司的邱锋[12]公开了“一种导电铝精炼一变质复合剂及其制备方法和其应用方法”的专利，该发明用于给导电铝精炼提供既起精炼又起变质作用的复合精炼剂，其具有原料容易获得、成本低廉、制作过程简单、使用方便、效果好等优点，生产出的电工铝条的纯净度和晶粒度达到要求，综合性能和质价比高。

二、我国铝合金净化的行业现状

通常铝熔体中含有0.4～0.8m l/1 0 0 g A l的氢，铝熔体除气处理后的氢含量一般都在0.1～0.2m l/1 0 0 g A l，而飞机零件氢含量有时要求不超过0.1m l/100g A l，此外，高质量的铝箔电子工业用的铝材的氢含量要求在0.06m l/100gA l以下，国际先进水平为0.05～0.08m l/100gAl，而目前国内铝熔体除气的先进水平能达到0.10m l/100gAl左右。除杂处理后，工业纯铝中的夹杂物含量一般在0.1%以上，夹杂物的尺寸大部分都大于10μm，国际除夹杂物的水平达到熔体中的夹杂物含量为0.02%，夹杂物的尺寸小于7μm。我国最新的研究表明，采用搅拌熔剂过滤法可有效去除7μm 以上的夹杂物[13～15]。

在我国电解铝厂中，早期都采用氯化法。氯化法的精炼效果很好，但对环境污染严重，20世纪60年代末我国已明令禁止使用。目前的N2-C l2混合气体精炼法是在氯化法的基础上派生的，使用氮气的目的就是为了减少氯化物的污染。该法中熔剂用于第一次精炼，采用气体用于第二次精炼，混合气体中通常氮气含量为82%～90%，精炼工艺全部在炉内进行[16～18]。

近几年，为了缩短铝液在炉内的停留时间，提高铸锭质量，应用较广的净化方法是炉外精炼处理。为进一步降低铝坯和铝熔体中的氢和氧含量，国内数家铝加工厂从国外引进了几种具有国际先进水平的在线除气净化装置，如SNIF、M INT、ALPUR等[18,20]。

我国青海铝厂二期工程用熔剂与M INT联合法进行纯铝板锭生产。整个工艺采取两次精炼，第一次采用熔剂在混合炉内进行，第二次采用M INT系统进行炉外处理，M INT装置结构及工作原理如图1所示，M INT系统除氢量达50%以上，去除氧化物夹杂效率达90%以上[21]。西南铝加工厂用该方法生产3004板材及1145箔材，经M INT处理的铝液含氢量减少50%，钠含量减少71%，钾含量减少79%，钙含量减少34%。

我国东北轻合金加工厂使用SNIF装置用于罐材生产。SNIF装置有T型和S型，T型SNIF装置及旋转喷嘴如图2所示，SNIF装置的核心是旋转喷嘴(图3)。该方法采取三种措施来清除铝液中的夹杂、氢和碱金属，即微小而均匀分布的惰性气泡、能量(搅拌)和少量的氯气与熔剂[22]。SNIF法除氢效果比较好，经处理后铝液含氢量减少为0.04～0.07m l/100gAl，Na、Li含量在2×10-4%以下，1～l0μm的非金属夹杂物也能被除去。

此外，液态铝的精炼还有ALPUR法以及真空处理法。ALPUR法的原理与SNIF法基本相同。抚顺铝厂于20世纪80年代购置了1台ALPUR系统用于生产铝板坯料。真空处理法在德国和俄罗斯应用较多，尤其在俄罗斯，即使在非真空状态下也能达到较好的处理效果。在线处理系统虽然能达到较好的除氢除杂效果，但生产中发现采用这些方法除氢除杂设备成本巨大，关键零部件使用寿命较短，生产的合金种类受设备的制约，有的污染比较严重[23～25]。

20世纪80年代初出现了喷吹熔剂法(Flux in jectionp rocess，简称FI法)，90年代推出了旋转叶轮法(Rotary im pe lle r degassing，简称RID法)。目前，在FI法和RID法的基础上，发展了旋转喷吹熔剂法精炼，其净化效果相对较好，可使熔体中的氢从0.35m l/100gAl降至0.08m l/100gAl，使其流动性提高10%，减少渣中的铝含量达95%，但设备投资大、维护费用高[15]。

三、结语

1. 我国关于铝合金净化的研究与国外相比，整体水平还比较落后。目前，国外学者将研究的重点放在净化技术和装置上，而国内在理论研究方面做的工作较多，在关键净化设备上仍依赖进口。

2. 铝合金研究重点之一是研究和采用各种先进的熔体净化和变质处理方法，去除铝液中的气体和夹杂物，降低杂质含量，提高铝熔体的纯度，从而改善铝合金的性能。

3. 在净化熔剂方面，国内现有的铝熔体净化剂种类尽管很多，但配方大同小异，应用范围窄，传统有毒及污染较大的熔剂使用非常普遍，因此集净化、覆盖、精炼于一体的多功能新型绿色熔剂及净化机理的研究是今后的努力方向。

4. 在设备方面，应努力实现设备国产化，同时提高关键部件的使用寿命，降低设备的生产和使用成本，提高设备的普及率，从而提高我国铝合金行业的整体净化水平。

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