ADC12稀土铝合金熔炼工艺的优化＊

2022-12-17车海亮雒卫廷田澍任小文杜永利

中国科技纵横 2022年20期

车海亮雒卫廷田澍任小文杜永利

（山西吕梁学院，山西吕梁 033000）

1. ADC12稀土铝合金的基本特性

ADC12稀土铝合金在实际的生产中具有较高的使用价值，其性能较好，性质稳定，耐腐蚀并且强度较高，可以在铸造的过程中实现多种形态的改变。在ADC12稀土铝合金的结构中，由于其为铝合金，因此Al元素含量相对较高，其中所含的Mg、Cu元素可以为相应的稀土铝合金提供有效的耐腐蚀保护以及力学性能方面的提升。但是在实际的应用中，应注意ADC12稀土铝合金与Fe元素的相互接触与反应，这两种元素在接触的过程中会出现相互之间的化学反应，进而造成最终铸造的铝合金元件出现性能下降的情况，影响其实用价值[1]。

2. ADC12稀土铝合金的熔炼方法选择

2.1 化料方法

在ADC12稀土铝合金的熔炼过程中，需要对铝合金进行相应的熔炼，其中涉及多种方法的使用。比较常见的熔炼化料方法有电解方法和燃气分解方法，这两种方法在ADC12稀土铝合金的熔炼化料过程中都能起到较好的作用，发挥出较好的效果。在电解熔炼化料方法中，会使用到电解铝液来实现对于稀土铝合金的熔炼效果，一般会将电解铝液的温度提升到700℃～800℃，将其注入炉内，之后将铝合金材料放入到炉内，使两者之间发生化学反应，进而促使相应的稀土铝合金逐渐开始融化，继而实现对于ADC12稀土的熔炼以及化料操作。而且这种方式进行化料操作消耗的能源相对较少，成本相对较低。但是由于电解铝液具体的形式为液体，并且ADC12稀土铝合金在实际的化学反应过程中会产生大量的杂质以及气体，这会导致最终ADC12稀土铝合金的化料完成后出现设备内部的杂质堵塞问题[2]。

在燃气化料方式方面，可以实现对于ADC12稀土铝合金的有效化料，其化料效率与电解化料方式差别不大，主要使用的是天然气为原材料进行铝合金的化料操作，由于这种方法的使用原料为气体，因此在实际的操作过程中，稀土铝合金的实际操作中不会产生杂质，并且对于化料之后的铝液质量也有一定的提升作用，但是在过程中的能耗相对较大，与电解方式相比能耗要上升20%左右。

2.2 配料要求

在ADC12稀土铝合金的熔炼过程中，除了化料之外，还需要将稀土铝合金的铝液进行定型操作，这需要使用到废料作为准备材料参与到实际的定型中，因此在配料的准备方面需要进行严格的考虑。在废料的选择方面，可以将废料分为3个等级，一级废料在实际应用中需要达到板材厚度为1mm～1.5mm，相对厚度较大，二级板材厚度为0.3mm～1.0mm，三级废料的板材厚度为0.03mm～0.3mm。在废料的选择中，需要根据最终的铝合金熔炼结果以及加工生产产品的种类进行相应的调整，一般最终生产的产品厚度与稀土铝合金的实际废料厚度有关。

3. ADC12稀土铝合金的材料控制

在现今的ADC12稀土铝合金熔炼过程中，材料准备的铝锭在质量以及处理方面都有一定的要求。部分稀土铝合金采用的铝锭是纯度相对较高的铝锭，这种原材料在实际的应用过程中不会出现杂质较多的情况，可以实际投入到熔炼过程中。但是由于该种原材料相对的成本过高，因此需要在实际的稀土铝合金熔炼过程中实现对于稀土铝合金的回炉铝合金的质量检查，保证铝锭在实际的应用中可以满足铝合金熔炼操作中的国家规定标准。由于回炉铝锭的实际质量相对不佳，因此需要做好对于铝合金原材料的除渣以及精炼的操作，保证铝合金材料的质量前提下才能将相应的ADC12稀土铝合金原材料放入设备中进行熔炼操作。

在除渣过程中，需要对铝合金进行详细的操作。由于稀土铝合金的性质相对比较活泼，因此在实际的除渣过程中，想要采用铝液静止悬浮的方式除渣是不可行的，需要使用相应的除渣剂进行稀土铝合金的杂质消除。除渣剂中含有的特殊盐成分对于稀土铝合金来说具有分离作用，其能够与铝合金中的Al2O3发生反应，实现铝渣的初步分离，将其吸附后排出。并且在渣排出之后，还需要对相应的稀土铝合金进行炒灰处理，进一步将其中的铝液排出，并将其中相应的渣进行清除。在进行除渣的过程中需要按照5∶6的比例进行除渣剂以及铝锭原材料的投入，并且在实际的除渣过程中需要以恒定的速度搅拌20min左右。在过程中，铝液会逐渐升温至700℃，需要在过程中注意相应的防烫措施，以避免出现事故。

在铝合金的原材料中，想要保证熔炼之后的铝合金的质量，还需要进行精炼。由于铝原材料在制作过程中会出现气泡产生，因此在实际的稀土铝合金制作中，需要将相应的稀土铝合金进行精炼，将其中的气泡去除干净。需要使用到氮气来作为精炼的原材料，在操作过程中，将氮气打成微小气泡后喷入原材料中，之后均匀控制旋转除气机的转速，对原材料进行全面地精炼，氮气压力尽量保持在0.2MPa左右，整个精炼的过程需要持续3min～5min，期间不能够中断，这需要相应人员注意，保证原材料可以与氮气之间有着充分的接触。

4. ADC12稀土铝合金的熔炼过程

4.1 稀土铝合金的保障炉检查

ADC12稀土铝合金在熔炼过程中的主要设备应用就是保障炉，在保障炉中，可以实现对于稀土铝合金材料的反应与熔炼工作。因此需要对保障炉的质量进行检查，确保保障炉的质量可以达标。在进行熔炼之前，要对保障炉中进行清理操作，避免在进行铝合金熔炼操作之前对保障炉造成污染，并且还要对过程中使用到的铝合金保障炉各类工具进行清理，保证相应的工具能够满足ADC12稀土铝合金的熔炼需求。需要在保障炉的内壁上涂刷一层氮化硼来维持熔炼过程中的稳定性，避免在熔炼过程中出现保障炉与材料之间的交互。在保障炉的材料投入方面，需要保证废料与材料之间的比例为5:6，并且废料与材料中并不含有任何杂质，进而保证保障炉在进行稀土铝合金的熔炼之前的清洁程度。

4.2 熔炼过程

在熔炼过程中，最先需要使用700℃的温度将保障炉烘烤约9min左右的时间，保证保障炉中的水汽蒸发，提前进行预热[3]。在实际的操作中，需要预先将铝合金材料放在炉中进行熔化，过程中需要保证铝合金熔化的温度一直保持在730℃～750℃，最高不得超过760℃，一旦超过这个温度，铝合金在实际的熔炼过程中就会出现氧化反应，造成最终熔炼的铝合金质量以及成色出现问题。在铝合金融化至液体形态之后，向其中注入Cu、Fe等金属参加熔炼反应，保证铝合金最终的熔炼成色，加入相应的废料之后，炉内的温度会有所下降，大约下降至700℃左右，此时需要让其与铝合金溶液充分融合，实现对铝液内杂质的充分去除，需要进行相应的搅拌，避免两者之间的反应不充分。时间约1min，之后需要将温度提升至740℃，继续加强对于铝合金溶液的杂质去除。此时可以加入除渣剂与精炼剂，两者的含量约为1%即可。在加入相应的反应剂来促使稀土铝合金发生反应过程中，需要保证在加入之后进行适当搅拌，搅拌需要保持匀速，速度不能过快，很容易导致铝液溅出，该过程整体需要维持2min～3min即可，之后进行扒渣操作，将浮在表面的杂质残渣进行清理，保证铝液熔炼之后的纯度。在熔炼除渣之后，将升温至750℃的稀土铝合金放入水冷铜模中进行冷却塑形。

4.3 烧损率控制

在稀土铝合金的熔炼过程中，由于铝的化学性质相对活泼，并且稀土铝合金的熔炼温度掌握变动范围相对较大，因此，在铝合金熔炼过程中经常出现熔炼烧损的情况，很容易导致稀土铝合金熔炼工作的成本增加，不利于铝合金熔炼工作的进一步发展。在对稀土铝合金的烧损率进行控制中，需要对熔炼工艺方面进行控制优化。最先就是对稀土铝合金中的装料过程进行控制，在电解化料的方法中，需要使用电解铝液，在进行熔炼之前，将电解铝液以常温形态注入炉中，之后再将原材料放进其中，在相对低温下，两者之间的反应速率相对较小，因此，稀土铝合金的实际熔炼效果波动也并不大，可以保证烧损率的控制。一般正常的烧损率都会在52%左右，但是能够通过工艺的改进之后，其烧损率可以下降约4%左右。

对燃气化料法而言，在熔炼之前可以先将废料放入保障炉中，之后在保障炉中放入稀土铝合金以及其他原料。这种工艺的使用方法可以让材料之间实现相互充分的融合，并且在实际应用中可以保障炉内的稳定性。在进行熔炼的时候，需要将温度控制在760℃以下，避免铝出现氧化反应导致烧损情况出现，并且需要在过程中不断地搅拌，以保证铝液与其他材料之间的充分反应与融合，并且在铝合金熔炼中降低氧化反应出现的概率，让铝合金在实际的熔炼过程中保持自身状态的平稳。通过对搅拌2min～3min与搅拌1min的铝液反应情况最终的烧损率情况来看，前者的烧损率相对于后者的烧损来说下降了1.2%。在精炼过程中需要控制精炼剂的质量，由于精炼剂对于实际的铝合金精炼会起到重要的影响作用，因此在实际的使用过程中，需要严格控制精炼剂的种类以及精炼剂的使用剂量。使用两种质量不同的精炼剂，对过程中的烧损率进行对比，质量较好的精炼剂在烧损率方面达到了2%，而对于质量相对不佳的精炼剂的熔炼使用过程中，其烧损率达到了2.7%，两者之间的烧损率对比具有一定的差距，可以对稀土铝合金熔炼过程中的成本进行控制，以提升ADC12稀土铝合金的实际熔炼效果。

4.4 稀土合金的凝固作用机制

在稀土铝合金的熔炼过程中，最终需要涉及铝合金的熔铸以及凝固，因此在实际容量中添加相应的元素来促使铝与其之间的相互融合，有利于提升铝在熔炼过程中的质量以及效果提升。在铝合金的凝固机制中，一般经常采用的元素是Cu、Mg等物质，这部分物质在加入到铝合金溶液中时具备较好的溶解度，在650℃的温度条件下可以实现0.05%左右的溶解度。但是在实际的应用中，Y元素对于铝合金熔炼中的溶解度方面具有更加显著的效果，其在实际的熔炼中可以起到溶解度的提升作用。在650℃的温度条件下，其在铝合金中的溶解度为0.19%，相对于Mg、Cu等物质来说具有更卓越的溶解度。这是因为Y原子与Al原子之间的互补性，由于Al原子中的结构是一种晶粒形状，其表面有缝隙，并不规则，但是Y原子在与Al原子相互反应之后会在原子表面实现相互之间的契合。这种情况能够让两者之间形成微小晶粒，保证其在铝合金熔炼过程中的凝固性能。Y元素在铝合金熔炼中具有良好的凝固作用，对现今的稀土铝合金发展具有重要意义。

4.5 铝溶体中杂质净化工艺

4.5.1 杂质种类

在铝合金的熔炼过程中，会出现铝合金溶液中的杂质问题，会导致最终水冷凝固的铝模块出现内气泡或者边缘断裂的情况，对实际的ADC12稀土铝合金熔炼的质量产生不佳的效果。因此，在铝合金熔炼过程中，一般会出现的杂质种类有：一是铝合金的溶体夹渣，这是因为在铝合金的熔炼过程中温度超过750℃，导致铝合金的原子与分子出现颜色改变，进而造成了夹渣的出现；二是铝溶体含镁夹渣，这种夹渣是因为在铝合金中出现了氧化反应，这种反应会导致铝合金中的镁出现烧损状态，进而导致杂质的出现。

4.5.2 吹气法

想要净化铝合金在熔炼过程中出现的相应的杂质，可以使用吹气法，这种方法在实际使用中比较常见，通过氢气在铝溶体中的扩散与反应使氢气向着上部逐渐扩散，以此来实现对于过程中的铝溶体中杂质的吸附与上浮，进而实现铝熔炼过程中杂质与气体的清除。

4.5.3 过滤法

过滤法是采用各类材料来实现对于铝合金溶液中杂质的去除，在材料的选择与使用方面，最好使用相应的中性材料，避免在过滤过程中出现铝合金与其之间的反应，在实际的过滤法使用过程中，可以对铝合金中的杂质进行有效的过滤，实现铝合金熔炼的最终纯度提升。但是其对于铝合金溶体中的气体清除相对效果有限，需要使用到相应的吹气法来实现两者之间的相互操作，从而促进整体的铝合金熔炼纯度的提升。

4.5.4 溶剂法

溶剂法去除杂质的方式在稀土铝合金熔炼过程中的使用比较常见，不论是精炼还是除渣剂的使用，本质上都是一种溶剂法进行杂质去除的使用方法。在实际的溶剂法使用过程中，其主要是依靠使用过程中的溶剂分子张力以及溶剂与杂质之间的相互吸附实现对于杂质的去除。

4.5.5 非吸附净化法

这种方法在稀土铝合金的熔炼过程中的使用频率相对较低，因为其原理是通过铝合金与杂质之间的密度不同，通过真空或者静置的形式方法将相应的稀土铝合金中的杂质排除，进而实现杂质的去除。