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旋转喷吹法对ZL104铸造铝合金精炼的试验研究
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com
更新时间：2015-03-24
。国外常用的精炼工艺有真空-过滤法、吹气-过滤法、氯盐-过滤法、吹气-熔剂法等。其中吹气-过滤法应用最为普遍，如美国的Alcoa469法、Mint法，法国的Alpur法，英国的Fild法等。
一.前言
铸造铝合金的精炼是熔炼过程中的最重要的工艺方法，而精炼工艺由生产特点、技术水平等因素决定，目前存在的精炼方法有许多种，其中国内应用最广泛的是六氯乙烷压入法。近年来国内外相继推出了多种方法：如两气或三气法、多孔吹气法、高效熔剂法、熔剂喷吹法、过滤法、旋转喷吹法以及无毒精炼剂法等。这些方法大都是单一的精炼方法，有的偏重于除气，有的偏重于除杂。随着对铝合金铸件质量要求的提高，仅仅用单一的精炼方法很难同时将铝液中的气体和非金属夹杂物降低到很低的水平。国外在这方面发展较快，目前基本都使用联合精炼工艺，尤其是在大型生产线上。国外常用的精炼工艺有真空-过滤法、吹气-过滤法、氯盐-过滤法、吹气-熔剂法等。其中吹气-过滤法应用最为普遍，如美国的Alcoa469法、Mint法，法国的Alpur法，英国的Fild法等。另外，为避免炉内处理后在出炉、输送等环节上出现铝液的氧化和吸气，国外大都采用在线精炼处理的方法，而国内在此方面相对落后。本论文是用旋转喷吹法对ZL104合金进行精炼研究。
二.精炼实验方案设计：
1.实验材料及设备
实验用的铝合金为ZL104合金，合金化学成分符合GB1173-86的要求。熔炼设备用SDL-3型坩埚电阻炉，容量为50kg，由可控硅电源供电，加热部分为硅碳棒，功率25kW，电炉用镍鉻-镍硅热电偶测温，且可以实现自动控温。精炼设备为旋转喷吹净化机。
2.旋转喷吹法机理
旋转喷吹净化装置是华北工学院铸造工程研究中心自行研制开发的，它由支脚、圆盘底托、吹头及其传动部分、电气控制系统、气路供应系统和干燥器等组成。其中吹头及其导杆部分是该装置的核心。它们是由专用石墨制造，其中导杆起联接吹头和通气的作用，而吹头结构是根据精炼铝合金容器大小及性能指标专门设计而成。吹头结构简图如图1所示。旋转喷吹法基本原理是通过吹头向合金中吹入氩气，利用吹头的快速旋转作用在熔体深处形成快速运动的气液涡流，使通入熔体的气体被破碎成细小（<5mm）的气泡群，分布都很均匀（几乎充满坩埚内熔体的各个部位），从而显著改善了浮游精炼的效果。由于气体是通过导杆进入铝液中，受铝液压力及其粘度的影响，在一定的气体流量作用下将产生喷吹现象。其精炼装置示意图如图2所示。由于精炼气泡尺寸细小、分布均匀、上浮速度缓慢、熔体被合理地搅动，因而显著地扩大了作用界面及作用范围、延长了作用时间、增加了氢向精炼气泡内扩散的浓度梯度，故强化了除气过程。熔池深处的强力搅拌也促进了细小夹杂（主要为Al2O3）的集聚，有利于浮游排除，而合金的液面只有平稳的旋转，不发生强烈的翻腾，所以成渣少、吸气少。这样就显著地改善了精炼的动力学条件，使精炼速度快、效果好。精炼介质可采用氩气，避免了加入熔剂形成夹杂，显著改善了用氯气或氯盐精炼时造成严重污染环境的局面，避免了对工人身体的损害。
实验过程中没有烟雾及刺激性气体放出，液面没有强烈的搅动，只有平稳的旋转，表面氧化膜一般不会破裂，一旦有气泡破裂，其下的H2和Ar就会马上溢出，H2和空气中的O2快速反应生成H2O，Ar覆盖在熔池上方保护铝液，故铝液表面氧化程度很轻。因此，该实验扒除的浮渣基本上是从铝液内部带出来的，铝液的"纯净度"很高。
表3数据是用极差法进行处理后，得出四个因素由主到次顺序为：吹头转速→氩气流量→静置时间→旋转时间，按正交表选出的最佳方案为：在600 r/min的转速下、以0.4 m3/h的流量旋转6min并静置5 min 。从图3可看出：含氢量在0.20 ml/100g以上的铝液在真空下凝固后合金内存在大量的气孔，有些气孔还特别大（如图3 中a、b、c）；含氢量在0.10 ml/100g～0.20 ml/100g间的断面上还有少量细小孔洞（如图3中d、e）。含氢量在0.10 ml/100g以下的断面上用肉眼已经看不见气孔了(如图3中f)据此可推断，在一般铝合金铸造中，只要含氢量达到0.10 ml/100g以下就应该能满足生产需要了。
五. 结论
(1)用旋转喷吹法精炼铝液最佳工艺参数组合：旋转速度600 r/min；气体流量0.4 m3/h；精炼时间6 min；静置时间5min ，除氢率可达到70% 以上。
(2)旋转喷吹法是一种有效的铝液精炼方法，它具有精炼效果好、无污染、损耗小、精炼气体消耗少等优点。
铸造铝合金的精炼是熔炼过程中的最重要的工艺方法，而精炼工艺由生产特点、技术水平等因素决定，目前存在的精炼方法有许多种，其中国内应用最广泛的是六氯乙烷压入法。近年来国内外相继推出了多种方法：如两气或三气法、多孔吹气法、高效熔剂法、熔剂喷吹法、过滤法、旋转喷吹法以及无毒精炼剂法等。这些方法大都是单一的精炼方法，有的偏重于除气，有的偏重于除杂。随着对铝合金铸件质量要求的提高，仅仅用单一的精炼方法很难同时将铝液中的气体和非金属夹杂物降低到很低的水平。国外在这方面发展较快，目前基本都使用联合精炼工艺，尤其是在大型生产线上。国外常用的精炼工艺有真空-过滤法、吹气-过滤法、氯盐-过滤法、吹气-熔剂法等。其中吹气-过滤法应用最为普遍，如美国的Alcoa469法、Mint法，法国的Alpur法，英国的Fild法等。另外，为避免炉内处理后在出炉、输送等环节上出现铝液的氧化和吸气，国外大都采用在线精炼处理的方法，而国内在此方面相对落后。本论文是用旋转喷吹法对ZL104合金进行精炼研究。
二.精炼实验方案设计：
1.实验材料及设备
实验用的铝合金为ZL104合金，合金化学成分符合GB1173-86的要求。熔炼设备用SDL-3型坩埚电阻炉，容量为50kg，由可控硅电源供电，加热部分为硅碳棒，功率25kW，电炉用镍鉻-镍硅热电偶测温，且可以实现自动控温。精炼设备为旋转喷吹净化机。
2.旋转喷吹法机理
旋转喷吹净化装置是华北工学院铸造工程研究中心自行研制开发的，它由支脚、圆盘底托、吹头及其传动部分、电气控制系统、气路供应系统和干燥器等组成。其中吹头及其导杆部分是该装置的核心。它们是由专用石墨制造，其中导杆起联接吹头和通气的作用，而吹头结构是根据精炼铝合金容器大小及性能指标专门设计而成。吹头结构简图如图1所示。旋转喷吹法基本原理是通过吹头向合金中吹入氩气，利用吹头的快速旋转作用在熔体深处形成快速运动的气液涡流，使通入熔体的气体被破碎成细小（<5mm）的气泡群，分布都很均匀（几乎充满坩埚内熔体的各个部位），从而显著改善了浮游精炼的效果。由于气体是通过导杆进入铝液中，受铝液压力及其粘度的影响，在一定的气体流量作用下将产生喷吹现象。其精炼装置示意图如图2所示。由于精炼气泡尺寸细小、分布均匀、上浮速度缓慢、熔体被合理地搅动，因而显著地扩大了作用界面及作用范围、延长了作用时间、增加了氢向精炼气泡内扩散的浓度梯度，故强化了除气过程。熔池深处的强力搅拌也促进了细小夹杂（主要为Al2O3）的集聚，有利于浮游排除，而合金的液面只有平稳的旋转，不发生强烈的翻腾，所以成渣少、吸气少。这样就显著地改善了精炼的动力学条件，使精炼速度快、效果好。精炼介质可采用氩气，避免了加入熔剂形成夹杂，显著改善了用氯气或氯盐精炼时造成严重污染环境的局面，避免了对工人身体的损害。
3.铝合金含氢量测试
精炼前后的含氢量用一台英国产HYSCANⅡ型测氢仪测试。其基本工作原理如下：当测氢仪进入工作状态后，向测试腔中浇入定量（100g）铝液，然后测试腔被快速抽到一定真空度，关闭抽真空的阀门，另一阀门自动打开并开始抽氢，氢被抽到一特定容器后测出其体积，通过内置电脑的一系列复杂计算后，测氢仪即显示出浇入铝液的含氢量（ml/100g），整个过程只需5分钟。
4.旋转喷吹精炼工艺因素及实验
旋转喷吹除气工艺涉及到旋转头的结构、吹头转速、气体流量、旋转时间、气体压力、精炼后的静置时间等众多因素，借鉴前人经验，本试验的旋转头作固定使用，通气压力统一定为0.2～0.3atm。所以，本试验的主要影响因素有：
A．吹头转速 B.气体流量 C．旋转时间 D．静置时间
具体因素水平表如表1
为获得准确可靠的实验结果，本实验制定了严格的精炼工艺，即每炉内加入45公斤新铝合金材料，精炼温度720∽730℃，吹头伸入铝液内至埚底50mm ，每炉次完成三个实验号，即在一定转速下，通过改变其它三个因素，测定两个试样的含氢量，取其平均值，作为该工艺条件下铝液的含氢量。试样采用标准取样勺100g从铝液面以下50∽70mm处取出，倒入测氢仪试样腔中，测定其含氢量，然后将冷却后的测氢试样沿中央部位锯开，在砂纸上磨平，经10% NaOH 溶液腐蚀后，观察其剖面气孔分布情况。
三.实验结果
1.铝液在不同工艺条件下含氢量的变化
实验过程中没有烟雾及刺激性气体放出，液面没有强烈的搅动，只有平稳的旋转，表面氧化膜一般不会破裂，一旦有气泡破裂，其下的H2和Ar就会马上溢出，H2和空气中的O2快速反应生成H2O，Ar覆盖在熔池上方保护铝液，故铝液表面氧化程度很轻。因此，该实验扒除的浮渣基本上是从铝液内部带出来的，铝液的"纯净度"很高。
表3数据是用极差法进行处理后，得出四个因素由主到次顺序为：吹头转速→氩气流量→静置时间→旋转时间，按正交表选出的最佳方案为：在600 r/min的转速下、以0.4 m3/h的流量旋转6min并静置5 min 。从图3可看出：含氢量在0.20 ml/100g以上的铝液在真空下凝固后合金内存在大量的气孔，有些气孔还特别大（如图3 中a、b、c）；含氢量在0.10 ml/100g～0.20 ml/100g间的断面上还有少量细小孔洞（如图3中d、e）。含氢量在0.10 ml/100g以下的断面上用肉眼已经看不见气孔了(如图3中f)据此可推断，在一般铝合金铸造中，只要含氢量达到0.10 ml/100g以下就应该能满足生产需要了。
五. 结论
(1)用旋转喷吹法精炼铝液最佳工艺参数组合：旋转速度600 r/min；气体流量0.4 m3/h；精炼时间6 min；静置时间5min ，除氢率可达到70% 以上。
(2)旋转喷吹法是一种有效的铝液精炼方法，它具有精炼效果好、无污染、损耗小、精炼气体消耗少等优点。
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