对铝合金熔炼阻燃方法及炉渣处理方法的探究
发布时间：2015-07-08 09:23
摘 要：铝合金在熔炼浇铸过程中容易发生剧烈的氧化燃烧。熔剂保护和气体保护是目前国内外应用最为广泛的铝合金阻燃方法，但同时带来了环境污染等问题。因此，人们希望通过合金化的方法达到阻燃的目的，并且已经取得了进展。正确的处理铝炉渣，回收渣中的铝来降低熔损具有重要的意义。
关键词：铝合金；阻燃；炉渣；方法
铝合金具有比重小、比强度和比刚度高、阻尼性能好、切削加工性能好等优点。过去铝合金主要应用在航空航天领域，随着汽车、 电子 工业 的迅猛 发展 ，铝合金正在得到更加广泛的应用，预计铝合金将成为21世纪的重要轻质高强度材料。但是一些阻碍铝合金大规模应用的关键技术还没有解决，铝合金在铸造、锻压和热处理过程中发生的氧化燃烧就是其中之一。多年来人们一直致力于寻找阻止铝合金在熔炼过程中氧化燃烧的方法。
1 合金化阻燃
添加合金元素到铝合金中，在熔炼过程中形成象al 2 o 3 那样致密的氧化膜，便可阻止铝的氧化。通常添加元素与氧的亲和力要求大于铝与氧的亲和力（一般可用元素氧化物的生成热大致表示亲和力的大小）；还要求致密度系数α值大于1，但也不尽如此，如钙的α值只有0.69，但在铝合金中添加一定量的钙，阻燃性能却提高很多。
很早以前，人们就知道在铝合金中添加钙、铍等元素可以提高铝合金的阻燃性能，但由于受到添加量的限制，长期以来只是做为提高抗氧化性的辅助措施，然而最近的研究取得了新的进展。WWw.lw881.com①钙：日本较早有专利报道铝合金中添加钙可以阻燃；英国人哈德的研究表明钙可以增强液态铝的抗氧化性能。日本九州工业研究院的秋山茂等人研究发现，当纯铝中添加的钙含量达到5%时，出现第一个氧化燃烧点时的温度比纯铝的提高约250℃，而且只要不发生机械破坏，燃烧点就难以产生；且证实在铝钙二元合金的表面生成了一层致密的氧化膜，其主要成分是氧化钙。但是由于添加大量钙会严重恶化铝合金的机械性能，使这一方法无法应用于生产实践。②铍：铍与氧的亲和力大于铝与氧的亲和力，而且氧化铍的α值大于1，十分致密，可以阻止铝合金进一步氧化。但是铍含量过高时，会引起晶粒粗化和增大热裂倾向，因此一般铝合金的含铍量限定在0.02%以内。最近的研究表明，如果铍增加到一定程度，可以极大地提高铝合金的阻燃性能。与此同时采取其它措施，不仅可以将晶粒降低到原来的尺寸，提高合金的机械性能，而且这种合金还具有比原合金更好的流动性和抗热裂性能。消除了过量铍元素带来的负作用，形成了具有阻燃性能的新型铝合金，但是这一合金应用到实际生产中还有很多问题待解决。在以后的热处理和机加工过程中也会减少铝燃烧着火的危险，同时对环境也不会产生严重污染，因此有极大的应用前景。
2 金阻燃的方法
2.1 熔剂保护法
熔剂保护法是利用低熔点的无机化合物在较低的温度下熔化成为液态，在铝合金液面铺开，阻止铝液与空气接触，从而起到保护作用。覆盖剂一般要满足以下要求：熔点比铝合金的低，密度比铝合金的小，较小的粘度，不含有对金属液质量有害的杂质及夹杂物。
根据以上要求，同时考虑熔剂的氧化亲和性应比铝合金的更强，一般选择碱金属和碱土金属的氟化盐和氯化盐，其中也包括氧化铝和惰性氧化物。
2.2 熔剂阻燃的缺点
虽然熔剂阻燃法简便易行，且保护效果好，但是存在以下缺点：
（1）熔剂的主要成分是卤族盐，在使用过程中产生大量有刺激性气味的气体（如 hcl、cl 2 ），给环境造成危害。
（2）在浇铸过程中熔剂易混入铸件，产生熔剂夹杂，损害合金的机械性能和耐腐蚀性能。
（3）当合金中含有稀土元素时，熔剂与稀土元素发生反应降低了稀土添加剂的实收率。鉴于以上原因，熔剂保护法的应用在国外已经大大减少。
3 气体保护法
3.1 常用保护气体
在发达国家，通常用气体保护熔炼铝合金且取得了较好的效果。气体保护是在铝合金液的表面覆盖一层惰性气体或者能与铝反应生成致密氧化膜的气体，从而隔离空气中的氧。目前用的主要保护气体是sf 6 、so 2 、co 2 、ar等。
3.2 sf 6 混合气体保护方法
单纯sf 6 覆盖其保护作用只能维持几分钟，为了达到满意效果，一般在sf 6 气体中混合空气和其他气体如干燥的co 2 。目前一般认为采用sf 6 混合气体保护铝合金熔液的方法是最好的。它几乎是一种无毒的保护方法，同时，不含有熔剂夹杂，极大的提高了合金的抗腐蚀性能。实践证明，sf 6 混合气体保护熔炼的高纯az91e铝合金的抗盐雾腐蚀性能超过了低碳钢和铝合金a380。因此sf 6 混合气体保护方法在国外得到广泛的应用，但是在国内很少采用。
4 降低铝熔损的炉渣处理方法
4.1 减少铝炉渣的措施
铝合金熔炼过程中，随着渣量增加，铝的熔损也增多，而渣量的多少与熔炼温度、炉料状态、生产工艺等因素有关。我厂从以下几方面减少渣量：
（1）合理的炉子几何尺寸及加料顺序；
（2）严格控制熔炼温度，防止过热，火焰喷射应有一定的角度，以便快速熔化，缩短熔炼时间；
（3）合适的熔剂量和精炼时间，搅拌要平稳，不破坏熔体表面氧化膜，适时对铝熔体覆盖；
（4）对废杂铝分类、清洗，对比表面积大的细碎炉料用压力机打包；
（5）扒渣前对渣处理。
4.2 对炉渣的处理
（1）扒渣前的处理。
精炼后浮到熔体表面的渣，与熔体的浸润性较好，湿润角小于90°,渣中混有相当数量的熔体，这一部分熔体呈颗粒状分散在渣中，与渣粘附在一起。熔体温度低时两者的湿润性更好，若此时扒渣，随渣带出的熔体重量约是渣重量的60%。我厂将炉渣量1‰～2‰的造渣剂均匀地撒地熔体表面，来减少渣中的含铝量。造渣剂与铝液的反应如下：
na 2 sif 6 →2naf+sif 4
2naf+al 2 o 3 →naalo 2 +naalof 2
4naf+2al 2 o 3 →3naalo 2 +naalf 4
6naf+al 2 o 3 →2alf 3 +3na 2 o
反应物alf 3 与铝、氧发生放热反应，所释放的热量，使粘性熔渣成为松散粉末状的干性渣。这样，铝熔体与渣中氧化物的湿润性变小，使混在渣中的颗粒状铝滴脱离而出，回到熔体中。
（2）出炉后的铝渣处理。
应当指出，经过上述处理后扒出的渣仍混有铝滴。我厂在扒渣时，首先将其扒入带有孔眼的铁箱内，使一部分粘附在渣上的铝熔体可渗漏出。扒渣完毕后，再将渣倒入准备好的坑内（经特殊处理），向渣中撒一些造渣剂，同时搅拌，使渣与造渣剂混匀，5～10min后从坑内将渣扒出。依靠造渣剂的快速升温作用使渣温达到950℃左右，渣中铝滴周围的氧化膜破裂，而铝滴借助自身重力逐渐汇集落到坑底。
经过二次处理的渣就只含有较少量的铝粒了，将冷却后的渣存放在一定地方，从中拣选其中的铝粒。
关键词：铝合金；阻燃；炉渣；方法
铝合金具有比重小、比强度和比刚度高、阻尼性能好、切削加工性能好等优点。过去铝合金主要应用在航空航天领域，随着汽车、 电子 工业 的迅猛 发展 ，铝合金正在得到更加广泛的应用，预计铝合金将成为21世纪的重要轻质高强度材料。但是一些阻碍铝合金大规模应用的关键技术还没有解决，铝合金在铸造、锻压和热处理过程中发生的氧化燃烧就是其中之一。多年来人们一直致力于寻找阻止铝合金在熔炼过程中氧化燃烧的方法。
1 合金化阻燃
添加合金元素到铝合金中，在熔炼过程中形成象al 2 o 3 那样致密的氧化膜，便可阻止铝的氧化。通常添加元素与氧的亲和力要求大于铝与氧的亲和力（一般可用元素氧化物的生成热大致表示亲和力的大小）；还要求致密度系数α值大于1，但也不尽如此，如钙的α值只有0.69，但在铝合金中添加一定量的钙，阻燃性能却提高很多。
很早以前，人们就知道在铝合金中添加钙、铍等元素可以提高铝合金的阻燃性能，但由于受到添加量的限制，长期以来只是做为提高抗氧化性的辅助措施，然而最近的研究取得了新的进展。WWw.lw881.com①钙：日本较早有专利报道铝合金中添加钙可以阻燃；英国人哈德的研究表明钙可以增强液态铝的抗氧化性能。日本九州工业研究院的秋山茂等人研究发现，当纯铝中添加的钙含量达到5%时，出现第一个氧化燃烧点时的温度比纯铝的提高约250℃，而且只要不发生机械破坏，燃烧点就难以产生；且证实在铝钙二元合金的表面生成了一层致密的氧化膜，其主要成分是氧化钙。但是由于添加大量钙会严重恶化铝合金的机械性能，使这一方法无法应用于生产实践。②铍：铍与氧的亲和力大于铝与氧的亲和力，而且氧化铍的α值大于1，十分致密，可以阻止铝合金进一步氧化。但是铍含量过高时，会引起晶粒粗化和增大热裂倾向，因此一般铝合金的含铍量限定在0.02%以内。最近的研究表明，如果铍增加到一定程度，可以极大地提高铝合金的阻燃性能。与此同时采取其它措施，不仅可以将晶粒降低到原来的尺寸，提高合金的机械性能，而且这种合金还具有比原合金更好的流动性和抗热裂性能。消除了过量铍元素带来的负作用，形成了具有阻燃性能的新型铝合金，但是这一合金应用到实际生产中还有很多问题待解决。在以后的热处理和机加工过程中也会减少铝燃烧着火的危险，同时对环境也不会产生严重污染，因此有极大的应用前景。
2 金阻燃的方法
2.1 熔剂保护法
熔剂保护法是利用低熔点的无机化合物在较低的温度下熔化成为液态，在铝合金液面铺开，阻止铝液与空气接触，从而起到保护作用。覆盖剂一般要满足以下要求：熔点比铝合金的低，密度比铝合金的小，较小的粘度，不含有对金属液质量有害的杂质及夹杂物。
根据以上要求，同时考虑熔剂的氧化亲和性应比铝合金的更强，一般选择碱金属和碱土金属的氟化盐和氯化盐，其中也包括氧化铝和惰性氧化物。
2.2 熔剂阻燃的缺点
虽然熔剂阻燃法简便易行，且保护效果好，但是存在以下缺点：
（1）熔剂的主要成分是卤族盐，在使用过程中产生大量有刺激性气味的气体（如 hcl、cl 2 ），给环境造成危害。
（2）在浇铸过程中熔剂易混入铸件，产生熔剂夹杂，损害合金的机械性能和耐腐蚀性能。
（3）当合金中含有稀土元素时，熔剂与稀土元素发生反应降低了稀土添加剂的实收率。鉴于以上原因，熔剂保护法的应用在国外已经大大减少。
3.1 常用保护气体
在发达国家，通常用气体保护熔炼铝合金且取得了较好的效果。气体保护是在铝合金液的表面覆盖一层惰性气体或者能与铝反应生成致密氧化膜的气体，从而隔离空气中的氧。目前用的主要保护气体是sf 6 、so 2 、co 2 、ar等。
3.2 sf 6 混合气体保护方法
单纯sf 6 覆盖其保护作用只能维持几分钟，为了达到满意效果，一般在sf 6 气体中混合空气和其他气体如干燥的co 2 。目前一般认为采用sf 6 混合气体保护铝合金熔液的方法是最好的。它几乎是一种无毒的保护方法，同时，不含有熔剂夹杂，极大的提高了合金的抗腐蚀性能。实践证明，sf 6 混合气体保护熔炼的高纯az91e铝合金的抗盐雾腐蚀性能超过了低碳钢和铝合金a380。因此sf 6 混合气体保护方法在国外得到广泛的应用，但是在国内很少采用。
4 降低铝熔损的炉渣处理方法
4.1 减少铝炉渣的措施
铝合金熔炼过程中，随着渣量增加，铝的熔损也增多，而渣量的多少与熔炼温度、炉料状态、生产工艺等因素有关。我厂从以下几方面减少渣量：
（1）合理的炉子几何尺寸及加料顺序；
（2）严格控制熔炼温度，防止过热，火焰喷射应有一定的角度，以便快速熔化，缩短熔炼时间；
（3）合适的熔剂量和精炼时间，搅拌要平稳，不破坏熔体表面氧化膜，适时对铝熔体覆盖；
（4）对废杂铝分类、清洗，对比表面积大的细碎炉料用压力机打包；
（5）扒渣前对渣处理。
4.2 对炉渣的处理
（1）扒渣前的处理。
精炼后浮到熔体表面的渣，与熔体的浸润性较好，湿润角小于90°,渣中混有相当数量的熔体，这一部分熔体呈颗粒状分散在渣中，与渣粘附在一起。熔体温度低时两者的湿润性更好，若此时扒渣，随渣带出的熔体重量约是渣重量的60%。我厂将炉渣量1‰～2‰的造渣剂均匀地撒地熔体表面，来减少渣中的含铝量。造渣剂与铝液的反应如下：
na 2 sif 6 →2naf+sif 4
2naf+al 2 o 3 →naalo 2 +naalof 2
4naf+2al 2 o 3 →3naalo 2 +naalf 4
6naf+al 2 o 3 →2alf 3 +3na 2 o
反应物alf 3 与铝、氧发生放热反应，所释放的热量，使粘性熔渣成为松散粉末状的干性渣。这样，铝熔体与渣中氧化物的湿润性变小，使混在渣中的颗粒状铝滴脱离而出，回到熔体中。
（2）出炉后的铝渣处理。
应当指出，经过上述处理后扒出的渣仍混有铝滴。我厂在扒渣时，首先将其扒入带有孔眼的铁箱内，使一部分粘附在渣上的铝熔体可渗漏出。扒渣完毕后，再将渣倒入准备好的坑内（经特殊处理），向渣中撒一些造渣剂，同时搅拌，使渣与造渣剂混匀，5～10min后从坑内将渣扒出。依靠造渣剂的快速升温作用使渣温达到950℃左右，渣中铝滴周围的氧化膜破裂，而铝滴借助自身重力逐渐汇集落到坑底。
经过二次处理的渣就只含有较少量的铝粒了，将冷却后的渣存放在一定地方，从中拣选其中的铝粒。
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