铝液净化工艺.pptx
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铝液净化工艺.pptx
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铝液净化工艺,*,第一节概述,随着铝合金在航空航天、导弹、汽车工业等行业的广泛深入的应用,对铝合金的质量要求日益严格,除要求合格的化学成分和力学性能外,还要求有合格的内在质量和表面质量,而传统的熔铸工艺,因其所含气体和非金属杂质超标,不能满足这些要求。
为了减少气体和非金属杂质的影响,人们一方面对配制合金的原材料及熔炼过程提出了严格的要求,一方面致力于研试应用先进的熔体净化新技术。
铝液净化成为铝合金极其重要的生产环节,先进的净化技术对于确保铝合金的冶金质量,提高产品的最终使用性能具有非常重要的意义。
铝合金在熔铸过程中易于吸气和氧化,因此在熔体中不同程度地存在气体和各种非金属夹杂物,使铸锭产生疏松、气孔、夹杂等缺陷,显著降低铝材的力学性能、加工性能、疲劳抗力、抗蚀性、阳极氧化性等性能,甚至造成产品报废。
此外,受原辅材料的影响,在熔体中可能存在一些对熔体有害的其它金属,如Na、Ca等碱及碱土金属,部分碱金属对多数铝合金的性能有不良影响,如钠在含镁高的Al-Mg系合金中除易引起“钠脆性”外,还降低熔体流动性而影响合金的铸造性能。
因此,在熔铸过程中需要采取专门的工艺措施,去除铝合金中的气体、非金属夹杂物和其它有害金属,保证产品质量。
第二节:
熔体净化的定义,过去几十年,冶金工业者采用精炼的措施提高熔体的质量,所谓精炼就是向熔体中通入氯气、惰性气体或某种氯盐去除铝合金中的气体、夹杂物和碱金属。
随着现代科学技术的发展,出现许多新的铝合金熔体净化的方法,这些方法的内容已经超出了精炼一词所包含的意义,因此现代科学技术引进了熔体净化的概念。
所谓熔体净化,就是利用一定的物理化学原理和相应的工艺措施,去除铝合金熔体中的气体、夹杂物和有害元素的过程,它包括炉内精炼、炉外精炼及过滤等过程。
铝及铝合金对熔体净化的要求,根据材料用途不一样而有所不同,一般来说,对于一般要求的制品,其氢含量宜控制在0.15-0.2mL/(100gAl)以下,非金属夹杂的单个颗粒应小于10m;而对于特殊要求的航空材料,双零箔等氢含量应控制在0.1mL/(100gAl)以下,非金属夹杂的单个颗粒应小于5m。
当然由于检测方法的不同,所测氢含量值会有所差异。
非金属夹杂一般通过铸锭低倍和铝材超声波探伤定性检测,或测渣仪定量检测。
碱金属钠一般应控制在5*10-4%以下。
第三节:
铝及铝合金熔体净化原理,脱气原理脱气的主要方法有三种,分别是分压脱气、预凝固脱气和振动脱气。
分压脱气原理利用气体分压对熔体中气体溶解度影响的原理,控制气相中氢的分压,造成与熔体中溶解气体平衡的氢分压和实际气体的氢分压间存在很大的分压差,这就产生来了较大的脱氢驱动力,使氢很快的排除。
如向熔体中通入纯净的惰性气体,或将熔体置于真空中,因为最初惰性气体和真空中氢的分压PH20,而熔体中溶解氢的平衡分压PH2远大于0,在熔体与惰性气体的气泡间及熔体与真空之间,存在较大的分压差,,这样熔体中的氢气就会很快的向气泡或真空中扩散,进入气泡或真空中,复合成分子状态排除。
这一过程一直进行到气泡内氢分压与熔体中氢的平衡分压相等,即处于一种新的平衡状态时为止,该方法是目前应用最广泛最有效的方法。
3.1.2预凝固脱气原理影响金属熔体中气体溶解度的因素除气体的分压外,就是熔体的温度。
气体的溶解度随着金属温度的降低而减小,特别在熔点温度上气体溶解度变换最大。
根据这一原理,让熔体缓慢冷却到凝固,这样就可使熔体中的大部分气体自行扩散析出。
然后再快速重熔,即可得到气体含量较低的熔体。
但要特别注意熔体的保护,防止重新吸气。
3.1.3振动脱气原理金属液体在振动状态下凝固时,能使晶粒细化,这是由于振动能促使金属中产生分布很广的细晶核心。
实验也表明振动也能有效的达到除气的目的,而且振动频率越大效果越好。
一般使用500020000Hz的频率,可使用声波、超声波、交变电流或磁场等方法作为阵源。
振动除气的基本原理就是液体分子在极高频率的振动下发生移位运动。
在运动时,一部分分子与另一部分的分子之间的运动是不和谐的,所以在液体内部产生无数显微空穴都是真空的,金属液体中的气体很容易扩散到这些空穴中去,结合形成分子态,形成气泡而上升逸出。
除渣原理目前主要的除渣方法有澄清除渣、吸附除渣和过滤除渣三种方法。
澄清除渣原理一般金属氧化物与金属本身之间的密度总是有差异的。
如果这种差异较大,再加上氧化物的颗粒也较大,在一定的过热条件下,金属的悬混氧化物渣可以与金属分离,这种分离作用也叫澄清作用。
澄清除渣对许多金属,特别是轻金属合金不是主要有效的方法,还必须辅以其他方法。
但是根据物理学的基本原理,它仍不失为一种基本的方法。
在铝合金精炼过程中,首先仍要用这一简单的方法来将一部分固体杂质和金属分开。
一般静置炉的应用就是为了这个目的。
当然静置炉的作用不仅是为澄清分离,还有保温和控制铸造温度的作用,所以有时也称保温炉。
3.2.2吸附除渣原理吸附净化主要是利用精炼剂的表面作用,当气体精炼剂或熔剂精炼剂在熔体中与氧化物夹杂相遇时,杂质被精炼剂吸附在表面上,从而改变了杂质颗粒的物理性质,随精炼剂一起被除去。
若夹杂物能自动吸附到精炼剂上,则根据热力学第二定律,熔体、杂质和精炼剂三者之间满足下列关系:
金杂金剂剂杂,其中金杂熔融金属与杂质之间的表面张力;,金剂,熔融金属与精炼剂之间的表面张力;,剂杂-精炼剂与杂质之间的表面张力;,因为铝液和氧化夹杂物Al2O3是相互不润湿的。
即金属与杂质之间的触角120,如图所示其力的平衡应有如下关系:
因金剂为正值,故符合热力学的表面能关系,所以铝液中的,夹杂物Al2O3能自动吸附在精炼剂表面上而被除去。
剂杂-金杂,cos=(金剂,剂杂,金剂,金剂0金属液,图1,3.2.3过滤除渣原理由于上述两种方法都不能将熔体中的氧化夹杂物分离的足够干净,常给铝加工材的质量带来不良影响,所以近代采用了过滤除渣的方法,获得了良好的效果。
过滤除渣主要分为机械除渣和物理化学除渣,机械除渣的作用主要靠过滤介质的阻挡作用、摩擦力或流体压力使杂质沉降及堵滞,从而净化熔体。
物理化学作用主要是介质表面的吸附和范德华力的作用,无论哪种作用。
熔体通过一定厚度的过滤介质时,由于流速的变化、冲击或者反流作用,杂质较容易被分离。
通常过滤介质的间隙越小,厚度越大,金属熔体的流速越低,过滤效果越好。
炉内净化处理炉内净化处理亦称为分批处理。
根据净化机理,炉内净化处理可分为吸附净化和非吸附净化两大类。
吸附净化依靠精炼剂产生的吸附作用达到去除氧化夹杂和气体的目的。
下面就介绍几种常见的吸附净化法。
3.3.1.1浮游法A惰性气体吹洗法惰性气体指与熔融铝及溶解的氢不起化学反应,又不溶解于铝中的气体,通常使用的是氮气或氩气。
氮气被吹入铝液后,形成许多细小的气泡,气泡在从熔体中通过的过程中与熔体中的氧化夹杂物相遇,夹杂被吸附在气泡的表面并随气泡上浮到熔体表面,已被带至在液面的氧化物不能自动脱离气相而重新融入铝液中,停留在铝液表面就可以聚集除去。
由于吸附是发生在气泡与熔体接触的界面上,只能接触有限的熔体,除渣效果受到限制,为提高净化效果,吹入精炼气体产生的气泡量越多,气泡半径越小,分布越均匀,吹入的时间越长除渣效果越明显。
氧化夹杂物,氮气泡,图2浮游除渣原理图,铝液,吹入氮气,氮气除气是根据分压脱气原理,由于氮气泡中最初的PH20,在气泡和铝液中氢的平衡分压之间存在差值,使熔于金属中的氢不断扩散到气泡中。
直到气泡中氢的分压和铝液中氢的平衡分压相等时才停止,气泡浮出液面后,气泡中的氢也逸出进入大气中,因此气泡上升过程既带出氧化夹杂物,也带出氢气,通氮气时的铝液温度控制在710-720,以免氮气和铝液发生反应形成氮化铝。
B活性气体吹洗对于铝来说,实用的活性气体主要是氯气,氯气本身也不溶于铝液,但氯和铝及溶于铝液中的氢都能发生下列化学反应:
Cl2+H22HCl3Cl2+2Al2AlCl3反应生成物HCl和AlCl3都是气态,不溶于铝液,它和未参加反应的氯一起都能起到精炼作用,因此净化效果比吹氮要好的多,同时除钠效果也显著。
虽然氯气的精炼效果好,但对人体的伤害大,污染环境,易腐蚀设备及加热组件,且易使合金铸锭的结晶组织粗大,使用时应注意通风和防护。
C混合气体吹洗单纯用氮气等惰性气体精炼效果有限,而氯气精炼效果虽好但又对环境及设备有害,所以将二者结合采用混合气体精炼,既提高了精炼效果,又减少了其有害作用。
混合气体有两气混合,如N2-Cl2,也有三气体混合,如N2-Cl2-CO。
N2-Cl2的混合气比采用91或82效果较好,三气混合N2-Cl2-CO混合比为811。
现在为了减少环境污染,世界发达国家普遍采用25Cl2作为混合气体的组成部分,从使用效果看几乎没有差异,但对减少环境污染及其有利。
D氯盐净化许多氯盐在高温下可以与铝发生反应,生成挥发性的AlCl3而起到净化作用:
Al+3MeClAlCl3+3Me式中Me表示金属,但不是所有的氯盐都能发生上述反应,一般氯盐的分解压需大于氯化铝的分解压或者它的生成热小于氯化铝的生成热,这种氯化盐在高温下才能与铝发生反应,常用的氯化盐有氯化锌(ZnCl2)、氯化锰(MnCl2)、六氯乙烷(C2Cl6)、四氯化碳(CCl4),四氯化钛(TiCl4)等。
因氯盐皆有吸潮的特点,使用时要特别注意脱水和保持干燥;Zn对部分铝合金含量有限制,使用时注意用量。
E无毒精炼剂无毒精炼剂的特点是不产生有刺激气味的气体,并且有一定的精炼作用。
它主要由硝酸盐等氧化剂和碳组成。
在高温下发生下列反应:
4NaNO3+5C2Na2O+2N2+5CO2反应生成的N2和CO2起到精炼作用,加入六氯乙烷、冰晶石、食盐及耐火砖粉是为了提高精炼效果和减慢反应速度。
3.3.1.2熔剂法,铝合金净化所用的熔剂主要是碱金属的氯盐和氟盐的混合物。
熔剂精炼的作用主要是靠其吸附和溶解氧化夹杂物的能力。
其吸附作用根据热力学应满足下列条件:
金杂金剂剂杂,熔融金属与杂质之间的表面张力;金杂熔融金属与熔剂之间的表面张力;金剂剂杂熔剂与杂质之间的表面张力;,即要求金杂、金剂越大,剂杂越小,熔剂的精炼效果越好,但是单一的盐类难以满足上述要求,所以常常根据熔剂的不同用途和其对工艺性能的要求,用各种盐类配制成各种成分的熔剂。
实践证明,氯化钾、氯化钠等氯盐的混合物对氧化铝有极强的润湿及吸附能力。
氧化铝特别是悬混于铝液中的氧化膜碎屑,为富凝聚性及润湿性的熔剂吸附包围后,便改变了氧化物的性质、比重及形态,从而通过上浮更快的被排除。
3.3.2非吸附净化非吸附净化是根据熔体中氢的溶解度与熔体上方氢分压的平方根关系,在真空下铝液吸气的倾向趋于零,而溶解在铝中的氢有强烈的析出倾向,生成的气泡在上浮过程中能将非金属夹杂吸附在表面,是铝液得到净化。
非吸附净化(真空净化)主要有静态真空处理、静态真空处理加电磁搅拌、动态真空除气三种方法。
其中动态真空处理不但脱气速度快,净化效果好,而且对环境没有任何污染,是一种很有前途的净化方法。
但是目前来说,非吸附净化(真空净化)由于受到一定条件的限制,实际中应用很少。
3.4炉外净化处理一般而言,炉内熔体净化处理对铝合金熔体净化是相当有限的,要更进一步提高铝合金熔体的纯洁度,更主要的是靠炉外在线净化处理,才能更有效的除去熔体中的有害气体和非金属夹杂物。
炉外净化处理根据处理的方式和目的,又可分为以除气为主的在线除气,以除渣为主的在线熔体过滤处理,以及两者兼而有之的在线处理。
根据产品质量的要求不同,可以采用不同的熔体在线处理方式,下面就实践中常用的几种在线处理方式做简要介绍。
在线除气在线除气是各大铝加工企业熔铸重点研究和发展的对象,其种类繁多,典型的有采用透气塞的过流除气方式Air-Liquicle法,采用固定喷嘴方式的MINT法,以及应用更广、除气稳定可靠的旋转喷头除气法,下面就几种常见的在线除气方式和效果加以简介。
Air-Liquicle法Air-Liquicle法是炉外在线处理的一种初级形式,主要工作机理是在装置底部铺有透气砖,氮气通过透气砖形成微小的气泡,在熔体中上升,气泡在和熔体接触及运动的过程中吸附气体,同时吸附夹杂物,带出表面,产生净化效果,但效果不理想,一般除气率达到15-30。
3.4.1.2MINT法MINT法(Melt-In-line-Treatment-System),是美国联合铝业发明,的一种熔体炉外在线处理装置,装置图所示,铝熔体从反应器的人口以切线进入圆形反应室,使熔体在其中旋转,反应室下部装有气体喷嘴,分散喷出小气泡,靠旋转熔体使气泡均匀分散到整个反应器中,产生较好的净化效果,熔体从反应室进入陶器泡沫器中,可进一步除去金属夹杂物。
净化气一般为氩气。
1,1入口,2-反应器,嘴子中心线陶器泡沫器,SAMRU法SAMRU除气装置是西南铝业有限责任公司吸收MINT装置的一些优点,独立开发的装置,该装置采用矩形反应室,其梯形底部装有1218个喷嘴,反应室静态容量为11.5t,处理能力为320600/min,最好与泡沫陶瓷板联合使用。
Alpur旋转除气法Alpur法是法国彼西涅公司研制的在线熔体处理装置,是利用旋转喷嘴,使精炼气体呈微小气泡喷出分散于熔体中,但与SINF的喷嘴不同,它同时能搅动熔体进入喷嘴内与气泡接触。
3.4.1.5SNI旋F转喷头法SNIF法是旋转喷嘴惰性气体浮游法的简称。
此装置在两个反应室设有两个石墨的气体旋转喷嘴,气体通过喷嘴转子形成分散细小的气泡,同时转子搅动熔体使气泡均匀地分散到整个熔体中去,从而产生除气、除渣的熔体净化效果。
此法避免了单一方向吹入气体造成气泡的聚集,上浮形成气体连续通道,使气体与熔体接触时间缩短,而影响净化效果,吹入气体为Ar或N2(Ar为最佳),为了提高净化效果可混入2%-5%Cl2,也可添加少量溶剂。
3.4.1.6DFU与DDF旋转喷头除气法DFU(DeagssingandFiltrationUnit是)西南铝业有限责任公司在我国最先开发应用的旋转喷头除气与泡沫陶瓷过滤相结合的熔体净化装置。
它的除气原理与SNIF法和Alpur法相近,它的除气箱采用单旋转喷头法除气,内部由隔离板分为除气和静置区,内置浸入式加热器,可在铸造或非铸造期间对金属熔体进行加热和保温,它采用的是Ar气或N2气,加入1-3的Cl2或CCl4气体,可提高净化效果。
DDF旋转喷头除气法也是西南铝业研发应用的一种旋转喷头法除气和泡沫陶瓷相结合的铝熔体净化装置之一。
其原理和方法与DFU旋转除气原理基本相同,不同之处是其处理量增大了。
熔体过滤过滤是去除铝熔体中非金属夹杂物最有效的和最可靠的手段,从原理上讲有饼状过滤和深过滤之分。
过滤的方式有多种多样,最简单的是玻璃丝布过滤,效果最好的是过滤管和泡沫陶瓷过滤板,下面就各种过滤方式和常见的过滤装置做简要介绍。
玻璃丝布过滤用玻璃丝布过滤铝熔体在国内外已广泛应用,一般用于转注过程和结晶器内熔体过滤,国产玻璃丝布孔眼尺寸为1.2mm1.5mm,过流量约为200Kg/min,此法特点是适应性强,操作简便,成本低,但过滤效果不稳定,只能拦截而除去尺寸较大的夹杂,对微小的夹杂几乎无效。
所以用于要求不高的铸锭生产,且玻璃丝布只能使用一次。
床式过滤器床式过滤器是一种过滤效果较好的过滤装置,它的体积庞大,安装和更换过滤介质时费力,仅适用于大批量单一合金的生产,因而使用厂家较少,在我国目前还未开发研究,目前世界上主要应用的有两种:
FILD法Alcoa法。
刚玉管过滤刚玉管过滤器过滤效率高,能有效的除去熔体中体积较小的非金属夹杂物,使合于加工锻件、罐料和双零箔等产品使用,但刚玉管过滤使用价格昂贵,使用不方便。
3.4.2.4泡沫陶瓷过滤板泡沫陶瓷过滤板因使用方便,过滤效果好,价格低,在全世界被广泛使用,在发达国家有50以上的铝合金熔体都采用泡沫陶瓷过滤板过滤,泡沫陶瓷过滤板一般为厚50mm,长宽为200600mm的过滤片,孔隙度高达0.80.9mm。
它过滤不需要很高的压头,初期为100150mm,过滤后只需要210mm,过滤效果好且价格低,但是泡沫陶瓷过滤板较脆,易破损,一般情况下只使用一次,若使用两次以上必须采用熔体保温措施,但使用一般不超过7次,48小时内必须更换新的过滤板。
陶瓷过滤板的制作过程,采用三维网状结构和连通气孔的有机泡沫绵作载体,,将其侵入具有触变性的特殊陶瓷浆料中,并采取特殊的辊挤工艺,使陶瓷浆料均匀敷与载体的骨架上,然后经烘干固化再高温焙烧而成。
使用方法1、清洁过滤箱。
2、轻轻把过滤板放入过滤箱内,并用手压紧过滤板周围的密封衬垫,以防铝液旁流。
3、均匀预热过滤箱和过滤板,使之接近铝液温度。
预热以除去水份,并有利于初始的瞬间过滤。
预热可采用电或燃气加热来实施。
正常情况下,约需15-30分钟。
4、浇铸时注意观察铝液压头的变化,正常起始压头是100-150。
当铝液开始通过时,压头会降至75-100以下,随后压头会慢慢有所增加。
5、正常过滤过程中,避免敲击、振动过滤板。
同时应使流槽充满铝水,避免铝水太大的扰动。
6、过滤结束后,及时取出过滤板,清洁过滤箱。
不同规格过滤板对应的铝液流量及可过滤总量,尺寸规格(英寸),铝液流量(kg/min),孔隙率20ppi,孔隙率30ppi,可过滤总量(t),第四节熔体净化技术的发展趋势,多年来,世界上各大铝加工企业为提高产品质量,不断追求提高材料的冶金质量,为了达到这个目的,不断研发熔体净化技术,以达到提高熔体纯洁度的目的,本节就熔体净化技术的发展趋势做简要介绍。
4.1.炉内处理的发展趋势前面讲了炉内熔体处理主要有气体精炼、熔剂精炼等方式。
炉内处理技术由于受到条件的限制,其发展较慢,绝大多数企业基本停留在炉内气体精炼的方式,只有少数一些比较先进的大企业在炉内处理方面有所发展,较有代表的有两种,一种是从炉顶或炉墙向炉内插入多根喷枪或,旋转喷头进行气体或喷粉式气体精炼。
该技术最大的缺点就是喷枪易碎和密封困难,因而没有广泛使用,另一种是在炉底均匀的安装多个透气塞,由计算机控制精炼气体和精炼时间,该方法是比较有效的炉内净化处理方法。
4.2炉外在线净化技术的发展由于炉内处理净化技术发展有限,全世界各大铝加工熔铸企业重点研究发展对象是炉外熔体在线净化技术,其主要的发展方向是不断提高熔体纯洁度,不断地追求高效、廉价的净化技术,满足铝加工熔体净化技术的发展需求。
目前,使用的的MINT、SINF、Aplur等除气装置,其除气效果均满足产品质量要求,但这些装置体积较大,铸次需放干或加热保温,运行费用昂贵,除气装置新的发展方向是不断提高除气效率的同时,通过减小金属处理容积,消除或减少铸次间金属的放干,取消加热系统来降低运行费用。
由加拿大Casthousetechnologyli研t制的溜槽除气装置是一种很有前途的除气装置,该装置宽度和高度与溜槽接近,在侧面下部安装固定的喷嘴供气,该装置占地小,放干料极少,操作简单,除气效率高,投资少,特别适用于中小型熔铸厂熔体净化处理。
熔体过滤也是铝熔体净化处理发展的重要对象,同样提高过滤效果、有效除气非金属夹杂物是熔体过滤发展的重点。
前面所提到的各种过滤方法,都是很有效的过滤方式。
目前各国所研究的熔体过滤方式各种各样,但研究较多的还是泡沫陶瓷过滤板,有不少新的品种出现。
为提高过滤精度,过滤板的孔径由50ppi发展60ppi,70ppi,并出现了复合过滤板,既过滤板分为上下层,上面25mm的孔径极大,下面25mm孔径较小,品种规格有30/50ppi、30/60ppi、30/70ppi。
复合过滤板过滤效率高,通过的金属量更大。
当前,在一些铝加工发达的先进企业,采用双级泡沫过滤板过滤,其前一级过滤板孔径较粗,后一级过滤板孔径较小,如30/40ppi、30/50ppi、30/60ppi甚至40/70ppi等配置,在国内西南铝业采用类似的双级陶瓷过滤板。
总之,随着铝加工产品质量的提高,熔体质量要求不断翻新,其熔体净化技术不断进步,以满足产品质量要求,这也是铝熔体净化发展的必然趋势。
谢谢大家!
铸造一车间*年5月,
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