一、再生鋁的熔煉
(一)金屬合金熔煉的基本任務就是把某種配比的金屬爐料投入熔爐中,經過加熱和熔化得到熔體,再對熔體進行成分調整,得到合乎要求的合金液體。并在熔煉過程中采取相應的措施控制氣體及氧化夾雜物的含量,使其符合規定成分(包括主要組元或雜質元素含量),保證鑄件得到適當組織(晶粒細化)高質量合金液。
由于鋁元素的特性,鋁合金有強烈產生氣孔的傾向,同時也極易產生氧化夾雜。因此,防止和去除氣體和氧化夾雜就成為鋁合金熔煉過程中最突出的問題。為了獲得高質量的鋁合金液,對其熔煉的工藝就必須嚴格把關,并采取措施從各個方面加以控制。
(二)鋁合金熔煉工藝過程
裝爐→熔化(加銅、鋅、硅等)→扒渣→加鎂、鈹等→攪拌→取樣→調整成分→攪拌→精煉→扒渣→轉爐→精煉變質及靜置→鑄造。
裝爐:正確的裝爐方法對減少金屬的燒損及縮短熔煉時間很重要。對于反射爐,爐底鋪一層鋁錠,放入易燒損料,再壓上鋁錠。熔點較低的回爐料裝上層,使它最早熔化,流下將下面的易燒損料覆蓋,從而減少燒損。各種爐料應均勻平坦分布。
熔化:過程及熔煉速度對鋁錠質量有重要影響。當爐料加熱至軟化下榻時應適當覆蓋熔劑,熔化過程中應注意防止過熱,爐料熔化液面呈水平之后,應適當攪動熔體使溫度一致,同時也利于加速熔化。熔煉時間過長不僅降低爐子生產效率,而且使熔體含氣量增加,因此當熔煉時間超長時應對熔體進行二次精煉。
扒渣:當爐料全部熔化到熔煉溫度時即可扒渣。扒渣前應先撒入粉狀熔劑(對高鎂合金應撒入無鈉熔劑)。扒渣應盡量徹底,因為有浮渣存在時易污染金屬并增加熔體的含氣量。
加鎂與加鈹:扒渣后,即可向熔體中加入鎂錠,同時應加熔劑進行覆蓋。對于高鎂合金,為防止鎂燒損,應加入0.002%~0.02%的鈹。鈹可利用金屬還原法從鈹氟酸鈉中獲得,鈹氟酸鈉是與熔劑混合加入。
攪拌:在取樣之前和調整成分之后應有足夠的時間進行攪拌。攪拌要平穩,不破壞熔體表面氧化膜。
取樣:熔體經充分攪拌后,應立即取樣,進行爐前分析。
調整成分:當成分不符合標準要求時,應進行補料或沖淡。
熔體的轉爐:成分調整后,當熔體溫度符合要求時,扒出表面浮渣,即可轉爐。
熔體的精煉:變質成分不同,凈化變質方法也各有不同。
(三)成分調整
在熔煉過程中,金屬中各元素均由于它們自身的氧化而減少,它們被氧化程度的多少,不僅與本身對氧的親和力的大小有關之外,還與該元素在液體合金中的濃度(活度)、生成氧化物的性質、以及所處的溫度等因素有關。一般來說,對氧親和力較大的元素損失多些,鋁、鎂、硼、鈦和鋯等對氧親和力很強;碳、硅、錳等其次;鐵、鈷、鎳、銅及鉛等較弱。所以,在熔煉合金中對氧親和力較強的元素,將要被“優先氧化”而造成過多的損耗;相反,那些對氧親和力較弱的元素,則能相對的受到“保護”而損耗少些。
通過熔煉后,合金化學成分中某元素因氧化損耗而使其含量增加或降低,應視該元素與基體金屬元素的相對損耗而定。相對損耗多的元素其含量將降低,稱為“燒損”;相對損耗少的元素,含量將增加,可稱“燒增”;為能正確控制熔體的化學成分,在選配金屬爐料時,應考慮到熔煉后的變化,在各元素加入量上進行相應的補償。
在實際的熔煉中,合金中元素的燒損程度還受原材料品質、熔劑及爐渣、操作技術、特別是生成氧化物的性質的影響。
(四)熔煉過程中氣體和氧化物的防止
前面已經談到,鋁液中氣體及氧化夾雜的主要來源是H2O,而H2O則是從攪入鋁液的表面氧化膜上、爐料表面(特別是受潮氣腐蝕的爐料)、熔化澆注工具以及精煉劑、變質劑中帶入鋁液。而攪入鋁液的氧化膜以及夾雜物較多的低品級爐料(如濺渣、碎塊重熔錠)將在鋁液中形成氧化物夾雜物。為此,應從熔煉澆注過程中注意下列各點:
1.坩鍋和熔化澆注工具。使用前應仔細地除去粘附在表面的鐵銹、氧化渣、舊涂料層等臟物,然后涂上新涂料,預熱烘干后方可使用。熔化澆注工具和轉運鋁液的坩鍋在使用前均應充分預熱。
2.爐料。爐料在使用前應保存在干燥處,如爐料已經受潮氣腐蝕則在配料前進行吹砂以除去表面腐蝕層。回爐料表面常常粘附砂子(SiO2),部分SiO2和鋁液會發生下列反應:4Al+3SiO2→2Al2O3+3Si所生成的Al2O3及剩余SiO2均在鋁液中形成氧化夾雜,故在加這類料前也應經吹砂后使用。由切屑、濺渣等重熔鑄成錠的三級回爐料中常含有較多氧化夾雜物及氣體,故其使用量應受到嚴格的限制,一般不超過爐料總量的15%,對重要鑄件則應完全不用。爐料表面也不應有油污、切削冷卻液等物,因為各種油脂都是具有復雜結構的碳氫化合物,油脂受熱而帶入氫。
爐料在加入鋁液時必須預熱至150℃~180℃以上,預熱的目的一方面是為了安全,防止鋁液與凝結在冷爐料表面上的水分相遇而發生爆炸事故;另一方面是為防止將氣體和夾雜物帶入鋁液。
3.精煉劑、變質劑。 因其中有些組元很易吸收大氣中的水分而潮解,有些則本身含有結晶水。因此,在使用前應經充分烘干,某些物質如ZnCl2則需經重熔去水份后方能使用。
4.熔化、澆注過程的操作。熔化攪拌鋁液應平穩,盡量不使表面氧化膜及空氣攪入鋁液中。應盡量減少鋁液的轉注次數,轉注時應減低液流的下落高度和減少飛濺。澆注時澆包嘴應盡量接近澆口杯以減少液流的下落高度,并應勻速澆注,使鋁液的飛濺及渦流減至最少。在澆注完鑄件后,勺中剩下的鋁液不應倒回坩堝而澆入錠模,否則將使鋁液中氧化夾雜不斷增加。在坩堝底部約50mm~100mm深處的鋁液中沉積有較多量的Al2O3等夾雜物,因此不能用來澆注鑄件。
5、熔煉溫度、熔煉及澆注過程的持續時間。升高溫度將加速鋁液與H2O、O2之間反應,氫在鋁液的溶解度也隨熔煉溫度的升高而急劇增加,當溫度高于900℃時,鋁液表面氧化膜成為不致密的,更使上述反應顯著加劇,故大多數鋁合金的熔煉溫度一般不超過760℃。至于鋁液表面氧化保護膜疏松的鋁-鎂合金,鋁液與H2O、O2間的反應對溫度的升高更為敏感,因此對鋁鎂合金的熔煉溫度限制更嚴(一般不超過700℃)。
熔煉及澆注過程的持續時間(尤其是精煉后至澆注完畢相距的時間)越長,則鋁液中之氣體及氧化夾雜物含量也越高。因此,應盡量縮短熔煉及澆注的持續時間,特別是應盡量縮短精煉至澆注完畢的時間,工廠中一般要求在精煉后2小時內澆完,如澆不完則應重新精煉,在天氣潮濕地區以及鑄件要求針孔度級別較高,或是易產生氣孔、夾雜的合金,則澆注時間應限制得更短。
二、再生鋁的精煉除雜
當金屬熔化成分調整完畢后,接下來就是鋁液的精煉工序。鋁合金精煉的目的是經過采取除氣、除雜措施后獲得高清潔度的、低含氣量的合金液。精煉有下列幾種方法:
加入氯化物(ZnCl2、MnCl2、AlCl3、C2Cl6、TiCl4等);通氣法(通入N2、Cl2 或N2和Cl2 混合物);真空處理法;添加無毒精煉劑法;超聲波處理。
按其原理來說,精煉工序有兩方面的功能:對溶解態的氫,主要依靠擴散作用使氫脫離鋁液;對氧化物夾雜,主要通過加入熔劑或氣泡等介質表面的吸附作用來去除。
(一)除氣
一般都是采用浮游法來除氣,其原理是在鋁液中通入某種不含氫的氣體產生氣泡,利用這些氣泡在上浮過程中將溶解的氫帶出鋁液,逸入大氣。為了得到較好的精煉效果,應使導入氣體的鐵管盡量壓入熔池深處,鐵管下端距離坩鍋底部100mm~150mm,以使氣泡上浮的行程加長,同時又不至于把沉于鋁液底部的夾雜物攪起。通入氣體時應使鐵管在鋁液內緩慢地橫向移動,以使熔池各處均有氣泡通過。盡量采用較低地通氣壓力和速度,因為這樣形成的氣泡較小,擴大了氣泡的表面積,且由于氣泡小,上浮速度也慢,因而能去除較多的夾雜和氣體。同時,為保證良好的精煉效果,精煉溫度的選擇應適當,溫度過高則生成的氣泡較大而很快上浮,使精煉效果變差。溫度過低時鋁液的粘度較大,不利于鋁液中的氣體充分排出,同樣也會降低精煉效果。
用超聲波處理鋁液也能有效地除氣。它的原理是通過向鋁液中通入彈性波,在鋁液內引起“空穴”現象,這樣就破壞了鋁液結構的連續性,產生了無數顯微真空穴,溶于鋁液中的氫就迅速地逸入這些空穴中成為氣泡核心,繼續長大后呈氣泡狀逸出鋁液,從而達到精煉效果。
(二)除雜
對于非金屬夾雜,使用氣體精煉方法能夠有效去除,對于要求較高的材料還可以在澆注過程中采用過濾網的方法或使熔體通過熔融熔劑層進行機械過濾等來去除。
對于金屬雜質,一般的處理方法是化有害因素為有利因素。即通過合金化方法將其變為有益的第二相,以利于材料性能的發揮。如果一定要去除的,多數情況下是利用不同元素沸點差異進行高溫低壓選擇性蒸餾,來達到除去金屬雜質的目的。
由含鋁廢料熔煉成的鋁合金往往含有超標的金屬元素,應盡量將其除去。可以采用選擇性氧化,可將與氧親和力比鋁與氧親和力大的各種金屬雜質從熔體中除去。例如,鎂、鋅、鈣、鋯等元素,通過攪拌熔體而加快這些雜質元素的氧化,這些金屬氧化物不溶于鋁液中而進入渣中,這樣就可以通過撇渣而將其從鋁熔體中去除。
還可以利用溶解度的差異的方法來除去合金中的金屬雜質。例如將被雜質污染的鋁合金與能很好溶解鋁而不溶解雜質的金屬共熔,然后用過濾的方法分離出鋁合金液體,再用真空蒸餾法將加入的金屬除去。通常用加入鎂、鋅、汞來除去鋁中的鐵、硅和其他雜質,然后用真空蒸餾法脫除這些加入的金屬。例如將被雜質污染的鋁合金與30%的鎂共熔后,在近于共晶溫度下將合金靜置一段時間,濾去含鐵和硅的初析出晶相,再在850℃下真空脫鎂,此時蒸氣壓高的雜質如鋅、鉛等也與鎂一起脫除,除鎂后的純凈鋁合金即可鑄錠。
為了進一步提高鋁合金液質量,或者某些牌號鋁合金要求嚴格控制含氫量及夾雜物時,可采用聯合精煉法,即同時使用兩種精煉方法。比如氯鹽-過濾聯合精煉,吹氬-熔劑聯合精煉等方法都能獲得比單一精煉更好的效果。
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