铝合金熔体的精炼方法及工艺技术

一、方法和原理概述

    从熔体中除去气体、夹杂物和有害元素，以获得优良铝液的工艺方法和操作过程叫精炼。也有人称为净化。铝合金精炼方法很多，就其作用原理可以分为吸附精炼和非吸附精炼两个基本类型。按精炼部位可分为炉内精炼、在线式精炼或炉外连续精炼和浇包精炼三类。
    吸附精炼是指通过铝熔体直接与吸附剂(如各种气体、液体和固体精炼剂及过滤介质)相接触，使吸附剂与熔体中的气体和固态非金属夹杂物发生物理化学的、物理的或机械的作用，从而达到除气、除渣的方法。吸附精炼只对吸附剂到达的部分熔体起作用，熔体净化程度取决于接触条件，即决定于熔体与吸附剂的接触面积、接触的持续时问和接触的表面状态。属于吸附精炼的有：吹气精炼、氯盐精炼、熔剂精炼、熔体过滤等。吸附精炼的净化机理在除气方面主要是利用气体分压定律除气、利用与氢形成化合物除气；在除渣方面主要是吸附除渣、溶解除渣、化合除渣、过滤除渣。在采用活性精炼剂时，还同时兼有除去熔体中钠、钙、镁、锂等金属杂质(比铝活泼的金属杂质)的作用。吸附精炼是目前铝材行业最为广泛采用的精炼方法。
    非吸附精炼是指不依靠在熔体中加入吸附剂，而通过某种物理作用，改变金属一气体系统或金属一夹杂物系统的平衡状态，从而使气体和固体非金属夹杂物从铝熔体中分离出来的方法。非吸附精炼对全部铝熔体都有精炼作用，其精炼效果取决于破坏平衡的外界条件及铝熔体与夹杂和气体的运动特性。属于非吸附精炼的有：静置处理、真空处理、超声波处理、预凝固处理等。非吸附精炼的净化机理在除气方面主要是利用温度和压力对铝中气体溶解度的影响规律及高频机械振荡在熔体中产生“空穴”的现象；在除渣方面主要是利用比重差和除气时的辅助浮选作用。除了静置处理外，其他非吸附精炼方法目前在一般铝材厂的实际生产中很少采用(个别特殊材料生产单位例外)。
    几十年来，铝熔体精炼技术一直在朝着环保、高效、低耗、便捷的方向发展。尽管在除气和除渣原理上、还没有大的突破，但人们在实际生产中发现，最大的除气效果可从纯净惰性气体的连续过流处理中得到，而最充分的除渣处理可通过过滤来保证。因此，把这些具有较好单一处理效果的方法结合在一起的炉外复合处理便成了一个新的发展趋势，见表2—2—3。该表列出了各种铝合金熔体精炼方法的工艺特点和精炼效果。各生产厂家应根据本厂的生产实际和产品具体要求灵活选用，也可根据上述原理，结合自身条件，研究开发具有更好精炼效果、更加环保和更加经济适用的新的精炼方法。

表2-2—3铝合金熔体精炼方法工艺特点及效果比较一览表

精炼 类型	方法名称	工艺要点	精炼效果
除气/mL· (100gA])-1	除 渣	除 钠	环 保	经济 性	更换 合金
吸   附   精   炼	惰性气体精炼	向炉内吹人惰性气体，利用气体分压差定律除气，利用气泡吸附除渣	0.15～0.2	一般	较差	优良	优良	方便
氯气精炼	向炉内吹人氯气，直接与氢、钠化合除气、除钠，生成的其他气体不溶于铝，起 着和惰性气体一样的除气除渣作用	0.04～0.08	良好	优良	差	一般	方便
N2一Cl2混合 气体精炼	向炉内通入混合气体，作用同氯气	0.05～0.10	良好	良好	一般	良好	方便
N2一熔剂混吹精炼	向炉内混吹氮气和粉状熔剂，利用熔剂的吸附作用破坏气泡表面的氧化膜，以增加除气效果	0.06～0.10	一般	一般	良好	良好	方便
多孔吹头(透气砖)吹气精炼	利用具有一定通孔率的多孔陶瓷将气体破碎成细小气泡，通过增加与熔体接触的面积和时间来提高精炼效果	0.1～0.2	一般	一般	优良	良好	方便
氯盐精炼	往熔体中加入C2Cl6或CCl4，利用氯盐本身的分解、挥发及与铝的置换反应，产生各种气体达到除气除渣之目的	0.1～0.2	良好	良好	差	良好	方便
熔剂精炼	往熔体中加入熔剂，通过对氧化物的吸附、溶解和化合作用除渣，通过熔剂的分鳃或与熔体的反应生成气态产物除气	0.2～0.25	良好	一般	一般	良好	方便
非 吸 附 精 炼	静置处理	熔体在覆盖剂的保护下，在精炼温度范围内，借助密度差，使夹杂物上浮下沉	0.2～0.5	良好	差	优良	良好	方便
预凝固处理	利用金属中气体溶解度随温度降低而降低的规律，先将熔体定向慢冷至结晶温度附近，让气体自行析出后再从新加热尽快熔化	较差	差	差	优良	差	方便
真空处理	利用铝液中氢的平衡含量随铝液表面水蒸气分压降低而降低的规律，促使溶解在铝中的氢向自由表面扩散	0.1～0.2	一般	一般	优良	差	方便
超声波处理	利用弹性波在铝液中引起的“空穴”现象，产生气泡核心，从而达到除气的目的。工业生产中还未采用	良好	一般	差	优良	差	方便
过   滤   吸   附   精   炼	玻璃丝布	将玻璃丝布安装在从熔体出口至结晶器的任何地方，只能除去较大的夹杂物	较差	良好	差	优良	优良	方便
泡沫陶瓷	同玻璃丝布	良好	优良	一般	优良	良好	较方便
刚玉陶瓷	同玻璃丝布，主要应用在对氧化膜有严格要求的锻件生产场合	良好	优良	一般	优良	一般	较不 方便
筑熔剂坝	在熔体由熔炉向静置炉转注路径上，用固体熔剂块筑坝，起到类似过滤器的作用，主要用于高纯合金的精炼	一般	良好	一般	一般	良好	方便
电熔剂处理	在金属液面覆盖液体熔剂层，通电钢环置于熔剂层中，金属液流从上流人钢环内的熔剂层时，电流对进入熔剂的氧化物产生电解作用，即可使熔剂保持高的精炼能力，又可使熔剂维持液态，以提高精炼效果	优良	优良	差	一般	差	较 方便
炉外连 续精炼	见表2—2—9

二、惰性气体精炼 

1．精炼原理   
    向熔体中不断吹入惰性气泡，在气泡上浮过程中将氧化夹杂物和氢带出液面的精炼方法叫惰性气体精炼。向熔体中吹人惰性气体所以能除渣，是因为吹入的惰性气体泡能吸附熔体中的氧化夹杂物并在上浮过程中将其带出液面。这种方法就是所谓浮选除渣法。由于惰性气体泡吸附熔体中的氧化夹杂物后，能使系统的总的表面自由能下降，因而这种吸附作用可以自动发生。惰性气体和夹杂物之间的表面张力越小，而熔体和惰性气体之间的表面张力以及熔体和夹杂物之间的界面张力越大，则这种惰性气体的除渣能力越强。采用惰性气体精炼时，应该在液面均匀撒上熔剂。这是因为，惰性气体泡把夹杂物带出液面后，如果此时液面有熔剂层，则夹杂物进入熔剂中成为熔渣，便于扒出。否则，比重较大的夹杂将重新落入铝液，而密度较小的夹杂物在液面形成浮渣，与铝液很难分离，将这些浮渣扒出时将带出很多金属液而增大金属损失。
    向熔体中吹人惰性气体所以能除气，是因为吹入熔体的惰性气体泡中开始没有氢气，其氢分压为零，而气泡附近熔体中的氢分压远大于零，因此在气泡内外存在着一个氢分压差，熔体中的氢原子在这个分压差的作用下，向气泡界面扩散，并在界面上复合为分子进入气泡。这一过程一直要进行到氢在气泡内外的分压相等时才会停止。进入气泡的氢气随着气泡上浮而逸人大气。此外，气泡在上浮过程中，还可以通过浮选作用将悬浮在熔体中的微小分子氢气泡和夹杂中的气体一并带出液面，从而达到除气的目的。
2．影响惰性气体精炼效果的因素
    影响惰性气体精炼效果的因素有：               
    1)惰性气体的性质。惰性气体的密度、粘度、对夹杂物的润湿性能及热容对精炼效果有影响。气体密度越大、粘度越大，则在熔体中的上浮速度越慢，停留时间越长，有利于提高精炼效果；但是，气体密度越小，则单位质量的气体体积越大，与熔体的接触面积也越大，也有利于提高精炼效果。有人经过试验后指出：在除气过程中起决定作用的不是精炼气体的品质，而是它的体积和在熔体中的分散程度。气体对夹杂物的润湿性能越好，则气体的浮选能力愈强。热容通过影响熔体温度而影响精炼效果。铝合金精炼时常用的惰性气体——氮气和氩气的主要性质示于表2—2—4。

    2)惰性气体的纯洁度。惰性气体的纯洁度主要指惰性气体中氧气和水分的含有程度。惰性气体中的含氧量和含水量愈高，则精炼效果愈差(见图2—2—2和表2—2—5)。因为氧和水气随精炼气体进入熔体中，会与熔体产生化学反应，在气泡表面生成氧化膜，并使气泡内的氢分压增大，这样，不仅大大延缓了扩散除氢过程，并使溶体中氧化夹杂物的含量升高。当惰性气体中的水气和氧气超过某一值时，不仅不能起精炼作用，甚至使熔体发生吸氢过程，造成更严重的污染。

图2—2—2氩中氧含量对铝熔体除气率的影响

    3)气泡的大小。气泡的尺寸愈小，除气效果愈好。因为气泡愈小，则由同体积气体造成的气泡数愈多，表面积愈大；且在铝熔体中的上浮速度越慢，与熔体接触的时间愈长。采用普通丁字形精炼器时，气泡的直径约为10 mm，而由多孔耐火材料(刚玉质、碳化硅质或高铝粘土质，开口孔隙率为20%～40%，抗压强度大于l0 MPa)发生的气泡，其直径在1 mm以下。在气体流量一定的情况下，用多孔陶瓷对铝熔体进行吹氮精炼时，其氮气的利用率可达10%，除气率达50%；而在用普通精炼管精炼时，其利用率只能达到l%～2%，除气率小于30%。

表2—2—5精炼用氩气的湿度对铝熔体除气效果的影响①

注：①氩耗量为1 m3/t金属。
    4)气泡与熔体接触的均匀程度。接触程度愈充分，愈均匀，则精炼效果愈好。因为吹气精炼是建立在分压差扩散除气和浮选除渣基础上的，只有与精炼气体产生接触的区域才有精炼作用。为了增大接触机会，最好采用在线式转注精炼及过滤吹气联合处理，使每部分熔体都受到精炼作用。在炉内精炼情况下，应让精炼器沿炉底平缓的移动，防止产生死角。
    5)其他精炼工艺参数。吹气时间、吹气压力、吹气温度、精炼后熔体的静置时间等精炼工艺参数对熔体的精炼效果均有明显的影响。

三、氯气精炼

    氯气的净化原理主要是基于下面的反应：
    ①3C12+2A1=2A1C13↑+380．2 kcal
    ②Cl2+H22HCl↑+44 kcal
    ③2Na+Cl22NaCl
    ④3Na+A1C13Al+3NaCl
    由反应①和②生成的AlCl3(升华点183℃)HCl(沸点－84℃)及未参加反应的氯，在熔体里上升的过程中，一起起着和惰性气体一样的扩散除氢和浮选除渣的作用。反应②还直接起着化合去氢的作用。反应③和④起到除钠作用，生成的NaCl(熔点800℃)以固态形式进入熔渣浮于液面除去。在熔体中存在镁的情况下，还可产生下述反应：

C12+Mg=MgCl2
2A1C13+3Mg=3MgCl2十2A1

    生成的MgCl2(熔点712℃)以液态存在，既具有溶解氢的作用，也能把熔体中悬浮的氧化物粒子包围而与铝液相分离，起到熔剂的作用。
    采用氯气精炼时，铝熔体里的含氢量可降至0.04～0.08 mL/100gA1，氧化膜污染度降至0.05 mm2/cm2；而采用惰性气体精炼时，铝中的含氢量和氧化膜污染度通常只能降到0.15～0.2 mL/100gA1和0.1 mm2/m2的水平。首先和惰性气体相比，氯气精炼效果更好的根本原因是反应产物氯化铝和氯化氢形成的反应性气泡极为细小弥散，使扩散除氢过程进行得更为彻底和充分。其次，氯气可直接与溶解的氢化合。第三，氯气及氯化物可与氧化物相互反应，对氧化铝起分解作用，不仅起到了良好的除渣作用，而且由于表面氧化膜的破坏，使氢逸出更容易。第四，精炼后逸出熔体表面的气体(氯气、三氯化铝、氯化氢等)，其密度都比空气的大，并聚集于熔体表面，能防止精炼过程中熔体被炉气中的水气重新污染。此外，氯气精炼伴随着降低非金属夹杂物的表面活性，导致生成颗粒状的浮渣，扒出的渣几乎不含金属珠。

四、混合气体精炼

1．氮一氯混合气体精炼的优点和装置
    采用氯气精炼铝合金熔体，具有除气效果好，反应平稳，渣呈粉状不为金属液所润湿，渣量少(约0.61%)，渣中金属少(约36.7%)，同时兼有除渣、除钠效果等优点。但是，氯气及其反应产物有毒，污染环境，腐蚀设备，而烟尘的收集和处理设备较为复杂、且成本较高。另外，采用氯气处理还具有使铸锭产生粗大晶粒的倾向，镁的损失大(可达0.20%)等缺点。采用氮气精炼，其优缺点正好与氯气的相反。氮气无毒，无需采取特别的排烟措施，且镁的损失极小(0.0l%左右)。但是，氮气的精炼效果较差，精炼时易喷溅，渣呈糊状，不仅渣量大(约1.97%)，且渣中金属量也大(约60.2%)。采用氮一氯混合气体精炼，正好取了二者的长处，弥补了二者的短处。据资料介绍，采用Cl220%和N280%的混合气体能达到纯氯一样的精炼效果，渣亦呈粉状，渣量少(约0.55%)，渣中金属也大为减少(约37.6%)，而且减轻了环境污染，改善了劳动条件。这就是为什么要采用氮一氯混合气体精炼的原因。

  图2—2—3氮一氯混合气体精炼装置示意图
1——中和槽；2——液氯罐；3——储氮罐；4——压力表；5——减压阀；6——流量控制阀7——流量计；8——干燥器；9——混合罐；l0——取样管；11——软管；l2——精炼器

    铝型材厂采用氮一氯混合气体精炼的典型装置示意于图2—2—3。目前一些上规模的铝材厂使用的氮气多是自己生产的。从分馏塔出来的氮气经氮压机送入贮氮罐3，贮氮罐内壁通常涂有耐酸漆层，以防止铁罐生锈、吸湿而降低氮气的纯洁度。氯气是由液氯罐2发生的。为防止氯气跑漏和中毒，氯气罐通常坐落在碱液中和槽l上，工厂广泛使用硫代硫酸钠作中和剂。氮气和氯气分别经减压阀5和流量控制阀6、流量计7后在管道内混合进入干燥器8。干燥器内多采用氯化钙或硅胶或分子筛作干燥剂，干燥器内的上、下隔板钻有许多直径为2～3 mm的小孔。从干燥器内出来的气体进入混合罐9，混合罐内混合气体的工作压力一般控制在0.2～0.35 MPa。取样管l0是取样分析气体成分的地方，通常采用BTN型气体全分析器分析气体的混合比、氧含量及水含量，合格后方可使用。连接软管11应该采用不吸湿材料，如四氟乙烯高压胶管。精炼器12的管头可用石墨、石英制作，也可用多孔陶瓷，采用钢管时应在表面涂覆涂料，吹气孔的直径一般为2～5 mm。也有许多工厂直接采用高纯氮发生装置生产高纯氮供精炼用。
2．气体精炼时工艺参数的确定原则
    吹气精炼时，各种精炼工艺参数应遵循下面的原则选取：
    1)精炼温度。在选择精炼温度时应综合考虑温度对精炼效果的影响、熔体与精炼气体作用时的热效应、温度对熔炼时物理化学过程的影响等三个因素。采用吹氮精炼时，精炼温度适当低一点好。这是因为降低温度虽然降低了熔体中原子氢的扩散速度，但却使熔体粘度增大，气泡在熔体中停留时间延长，熔体中溶解的氢分压增大，气泡--熔体边界的氢浓度降低，因而有利于提高扩散除氢的效果。同时，适当降低精炼温度还能降低熔体氧化、吸气的倾向及生成Mg3N2和AlN的倾向。在吹氮精炼时，由于氮气吸热而使熔体温度下降的趋势很小，在不考虑其他条件的情况下，若通氮量为l m3/t金属，熔体温度降低不到1℃。采用吹氯精炼时，精炼温度应适当高一些好。这是因为氯能与气泡中的氢相互作用，在气泡--熔体界面上始终保持着最小浓度的氢，提高温度既能大大提高精炼气体与气泡中氢的化学反应速度，又能提高熔体中的氢向气泡扩散的质量迁移系数，有利于提高精炼效果。当然，采用氯气精炼时，由于产生AlCl3和HCl的反应都是放热反应，熔体温度会提高(在通氯量为1 m3/t金属的情况下，大约提高10℃)。同时，提高温度亦增大熔体氧化、吸气的倾向。故吹氯精炼时，精炼温度也不能太高。在工业生产中，由于精炼温度受熔炼温度和铸造温度的制约，可调范围很小。所以，在熔炼炉精炼时，精炼温度应控制在熔炼温度范围内。对于吹氯精炼，一般以730～740℃为好；对于吹氮精炼，一般以710～720℃为好；对于氮-氯混合气体精炼，以720～730℃为好。在静置炉精炼时，精炼温度以不低于铸造温度的下限为原则。
    2)吹气压力的确定。吹气压力主要根据熔池中熔体深度而定。其最小压力以熔体不能进入精炼器为原则，其最大压力要使熔体产生沸腾但不飞溅。假定熔体深0.7m，700℃时铝液的密度为2.36 g/cm3，则炉底承受熔体静压力为0.0165 MPa，故最小吹气压力为0.165大气压④。如果熔体深仅0.4 m，则吹气压力只要0.1大气压便够了。由于铝合金熔炼炉和静置炉的熔池深度一般均在0.3～0.7 m之间，故吹气表压一般控制在0.1～0.2大气压即可。   

 
    3)气体用量和吹气时间的确定。吹气精炼时，所需要的精炼气体的数量理论上可按下式计算：

L=（3β）-1Vmh-1uRK-1·㏑[(Co－Cp)/(Cz－Cp)]       （2—2—3）

式中，L——使熔体含氢量达到CZ所需要的精炼气体体积/m3
     β——熔体中氢的质量迁移系数，吹氩时，若熔体温度为700℃，气泡半径3～10 mm， 
―――――――――――――――
注① l大气压(atm)=101325 Pa
 
则  β为0.1～0.15 cm/s；
    VM——熔体体积/m3；
    h——气泡在熔体中所处的深度/cm；
    R——气泡半径/cm；
    u——气泡在熔体中的上浮速度/em·s-1；
    K——气体进入温度为T、压力为P的熔体中的体积变换系数；
    C0——熔体中气体原始含量；
    Cp——气泡-熔体界面上的气体浓度；   
    Cz——要求使熔体达到的最终含气量。   
    实际生产中，由于不可能使全部熔体都与精炼气体接触，因而实际的耗气量要比理论耗气量大得多。理论耗气量和实际耗气量的百分比称为气体的利用系数，并用η表示。η的值因精炼方法而异，最好时可达10%～30%，差的时候仅1%～3%。由于合金中原始含气量和要求达到的最终含气量不同，各厂实际采用的精炼气体量差别很大，氮气为1.6～8 m3/t金属，氩气为2.4～5.5 m3/t金属，氯气为0.6～2.5 m3/t金属，其精炼时问一般控制在5～30min。目前，我国很多铝材厂实际采用的精炼气体量偏低，在采用N2－Cl2混合气体精炼时，为0.7～l m3/t金属，精炼时间为5～15 min。
    4)精炼后静置时间的确定。为了便于小的气泡上浮分离和小的夹杂物的上浮或下沉，吹气精炼后必须让熔体静置。静置时间可按熔体中气泡和夹杂物上浮下沉所需的时间来确定。理论上，半径小于0.1 mm的球形杂质的沉浮时间可按斯托克斯公式估算： 

T=9ηh/2R2（ρ1—ρ2）g （2—2-4）

式中， Υ——杂质沉浮时间；
       η——熔体粘度；  
       h——杂质在熔体中的沉浮高度；   
       R——杂质半径；
       ρ1——熔体密度；    
       ρ2——杂质密度；    
       g——重力加速度。   
    经验上，静置时间视制品用途和要求而异。对于重要制品，一般控制在30～45 min；对于一般圆铸锭为15～20 min；对于扁铸锭为10～15 min。
3．氮一氯混合气体精炼时应注意的问题
    采用氮一氯混合气体精炼时应注意下面的问题：
    1)要注意安全。氯气瓶应放置在阴凉处，使用和运输时要防止震动和碰撞；放氯气瓶的地方应设置中和槽，一旦发现漏气，应将瓶嘴拧紧并放人中和槽中。向车间输送混合气体的管路系统及混合气体制备系统，每班必须用氨水作指示剂巡回检查所有阀门、接头、压力表、管路等，发现漏气要及时处理。
    2)要保证氮气、氯气的纯度及混合气的混合比。按工厂技术条件和产品品质的要求确定要控制的气体纯度；混合气的比例要控制在(90～95)%N2、(5—10)%Cl2的范围内。氯含量如果太低；则精炼效果不好，反之，反应时发烟，操作条件恶化。
    3)要做好精炼前的准备工作。精炼前，精炼器要充分预热，对于铁质精炼器最好先涂料；在熔体表面撒上一层粉状熔剂；并打开排烟机，电炉要停电操作。
    4)要按规程要求搞好精炼操作。首先，将精炼器放人炉门口烟罩处，打开精炼气体的阀门后，再将精炼器插入熔体中进行精炼。精炼时，应将精炼器放至炉底，均匀而缓慢地移动，消灭死角，切忌定点精炼。精炼过程中，压力要适当，并应保证精炼时问。精炼结束时，先将精炼器提出液面，再关闭送气阀门。精炼后，随即扒渣，并撒上一层覆盖熔剂对熔体静置。
4．其他混合气体精炼
    还应指出：除了氮一氯混合气外，目前，国内外还广泛采用氨-氯、氮-氟里昂、氮-氯-一氧化碳、氮-六氟化硫等混合气作为精炼气体使用。采用氟里昂(CCl2F2)的原因是无毒，精炼效果好。将一氧化碳加入氮一氯混合气中的目的是夺取氯气还原熔体中的氧化铝时产生的氧，与之生成二氧化碳，避免氧气再度与铝在气泡表面形成氧化膜。这些混合气的除气效果见图2—2—4。氟里昂是一种无毒的气体，试验表明，它具有良好的除气、除渣、除有害杂质的综合效能，但环境学家认为它是一种破坏臭氧层的含氟氯烃。六氟化硫是一种高度稳定的气体，也是氟所能生成的最高共价化合物之一，特殊的分子结构使其分子间相互排斥，易挥发，它无毒、不燃烧、无腐蚀性，是一种新开发的产品。在惰性气体中加入2％左右的六氟化硫，由于六氟化硫与铝熔体的反应热大于其他活性气体，因而除气效果变得更好。目前，六氟化硫已在“SIGMA”除气系统中采用，资料介绍，6061铝合金熔体中氢含量可从0．28 mL/100gA1降至0.1 mL/100gA1。但也有试验发现，它的精炼效果依赖于化学反应，而后者随温度和其他因素而变化。从图2—2—4可见，采用混合气体是一种行之有效的方法，其中，第三种混合气体(即氮气+5%氟里昂)与纯氯的精炼效果相近，而在除气处理同时对烟囱废气进行的分析表明，废气中的氟里昂和光气的含量，低于千万分之一的这一检验极限。在两种常用的惰性气体中，由于氩气密度较氮气和炉气密度高，在其他条件完全相同的情况下，由于氩气泡在熔体中的上浮速度相对较慢，与熔体接触时间相对较长，也不形成副产品；而且，逸出液面后富集于铝液表面，有阻碍炉气中水分与铝液接触的作用，因此，精炼效果相对较好。但氮气相对便宜易得。

图2—2—4不同混合气精炼剂对纯铝除氢效果的影响

五、氯盐精炼

    氯盐的精炼作用主要是基于氯盐与铝熔体的置换反应，以及氯盐本身的热离解与化合作用，其中主要的是氯盐与铝作用时生成三氯化铝的反应。
    1)置换作用。当氯化锌、氯化锰、四氯化钛、六氯乙烷等氯盐被压人铝液时，分别与铝液发生如下反应：

3ZnCl2+2Al=2AlCl3↑+3Zn
3MnCl2+2Al=2AlCl3↑+3Mn
3TiCl44Al=4AlCl3↑+3Ti
2C2Cl6+2Al=2C2Cl4+2AICl3↑

    以上反应生成的A1C13和C2C14在熔炼条件下都是气体，自铝液底部向上浮起的过程中起着和惰性气体精炼时相似的除气、除渣作用。
    2)挥发作用。许多氯盐的沸点低于铝熔点，如AlCl3、BCl3、TiCl4、CCl4、SiCl4、C2Cl6等。在熔体温度下，这些挥发物具有很高的蒸气压(如AlCl3的蒸气压高达2.3 MPa)，它们在熔体中上浮时，起着精炼作用。
    3)热离解作用。许多氯盐在熔体温度下发生分解放出氯气，起着和氯气相同的精炼作用。如： 

 2CCl4C2Cl4↑+2C12↑ 

在铝材行业，有少数工厂采用四氯化碳和六氯乙烷精炼，基本没有采用氯化锌和氯化锰进行精炼的。因为它们吸湿性大，还会使熔体增锌、增锰；就同一质量的氯盐产生的气体量而言，后者也要比前者少得多(见表2—2—6)，故精炼效果也要差得多。

     四氯化碳的精炼机理是基于下面的化学反应：  

2CCl4=C2Cl4+2Cl2↑
4Al+3C2Cl44AlCl3↑+6C
2Al+3Cl22AlCL3↑
Cl2+2H=2Hcl↑

   以上反应所生成的C2C14、A1C13和Cl2在熔炼条件下都是气体，起着和氯气一样的除气、除渣作用。采用四氯化碳精炼时，其工艺要点如下：精炼温度690～710℃；加入量2～3 kg/t金属；加入方式为载体加入法，即将烘烤过的轻质粘土砖浸泡吸收四氯化碳后压入熔体底部，并缓慢移动直至无气泡冒出为止。精炼完后将熔体静置5～10 min。
    四氯化碳的优点是：吸湿性低，使用方便，精炼效果好，且有晶粒细化作用。缺点是：反应气体有毒，合金中含镁时镁的损失大。
    六氯乙烷的精炼机理是基于下面的反应：

 3C2C16+2A1→3C2C14↑+2A1C13↑

    上述反应生成的C2CL4和A1C13在熔体中上浮时起着除气、除渣作用。采用六氯乙烷精炼时，其工艺要点如下：精炼温度700～720 C；加入量3～4 kg/t金属；加人方式为载体加入法，即将六氯乙烷与约20%的硼氟酸钠(NaBF4)或硅氟酸钠(Na2SiF6)压制成块，用钟罩压入铝液中精炼，以降低六氯乙烷的热分解速度和挥发速度，延长精炼时间，提高除气效果。精炼后将熔体静置5～10 min。
    六氯乙烷的优缺点与四氯化碳的大致相似，但C2C16不吸湿，也无毒性，使用、保管都很方便。

六、熔剂精炼

1．熔剂的除渣作用
    熔剂的除渣能力是为熔剂对熔体中氧化夹杂物的吸附作用和溶解作用以及熔剂与熔体之间的化学作用所决定的。
    因为氧化夹杂是不被铝液润湿的，二者问的界面张力很大；而熔剂对氧化夹杂是润湿的，二者间的界面张力较小。熔剂吸附熔体中的氧化夹杂后，能使系统的表面自由能降低，因此，熔剂具有自动吸附氧化夹杂的能力，把这种能力称为熔剂的精炼性。这种吸附作用是熔剂除渣的主要原因。显然，熔剂和非金属夹杂物的界面张力愈小，而熔剂和铝液的界面张力及铝液和非金属夹杂物之间的界面张力愈大，则熔剂的吸附性愈好，除渣作用愈强。
    熔剂对氧化物的溶解作用是由熔剂的本性所决定的。通常，当熔剂的分子结构与某些氧化物的分子结构相近时或化学性质相近时，在一定温度下可以产生互溶。比如阳离子相同的A1203和Na3AIF6，Mg0和MgCl2等都有一定的互溶能力。不过，在铝熔体的正常精炼温度范围内，氧化物在熔剂中的溶解量是很小的(表2—2—7)。

表2—2—7氧化铝在熔剂中的溶解度

熔剂	温度/℃	溶解度/%
NaCl     KCl     NaCl+KCl(密度比1：1)     NaCl+10%Na3A1F6     NaCl+15%Na3A1F6	900～1000     900～1000     900     1000     1000	0.O05     0.008     0.0014     0.5     1.O

    熔剂与熔体还能产生下述化学反应：

Na3A1F6＝3NaF+A1F3    
2Al+A1F3→3A1F3
Al+NaCl→AlCl+Na

    气态产物AlF和AlCl不溶解在铝内，在金属一氧化物的边界上呈气泡析出时，促使氧化膜与金属分离，并使氧化膜转入到熔剂中去，同时气泡亦具有浮选除渣作用。此外，熔剂在离解过程中形成的气泡亦能通过浮选作用除去部分夹杂物。
2．熔剂的除气作用
    熔剂的除气作用主要表现在三个方面：一是随络合物γ-A1203·xH的除去而除去被氧化夹杂所吸收的部分络合氢。二是熔剂产生分解或与熔体相互作用时形成气态产物，进行扩散除氢。另外，由于熔体表面氧化膜被溶解而使得溶解的原子氢向大气扩散变得容易。但是，熔剂的除气作用是有限的，在生产条件下，其含氢量只能降到大0.2～0.25 mL/100gA1的水平。
3．对精炼用熔剂的基本要求
    对精炼用熔剂的基本要求和对覆盖熔剂的要求基本相似，所不同的是作为精炼剂更强调熔剂的精炼性和与熔体的分离性。熔剂的精炼性指熔剂吸附、溶解铝液中氧化夹杂的能力。熔剂自动吸附氧化夹杂的条件是：

б2+б4〉б5              (2—2—5) 

    熔体和熔剂之间的界面张力б2和熔体与杂质之间的界面张力б4越大，而熔剂和杂质之间的界面张力б5越小，则熔剂的除渣性能越好。所以，希望选择对气相、杂质均呈表面活性即表面张力小的熔剂作精炼剂。这样，即保证了熔剂的精炼性，又保证了熔剂的分离性。此外，覆盖熔剂要求粉状，以便铺撒，迅速熔化以形成覆盖层；而精炼熔剂则要求一定的块度，以延长精炼时间，充分有效地利用熔剂。
4．影响熔剂精炼效果的因素   
    影响熔剂精炼效果的因素是：   
    1)组成熔剂的盐的性质。通常，氯化物熔剂能很好地润湿氧化物，也能很好地润湿熔体，而在氯化物熔剂中加入氟化物，可提高熔剂的精炼能力(见表2—2—8)。氟化物提高精炼能力的原因，①提高了熔剂和熔体间的界面张力，增强了熔剂对氧化物的吸附作用；②氟化物与铝熔体具有更高的反应能力，在液态铝一氧化物界面上形成具有表面活性的反应产物氟化亚铝气体及液态钠等，促进了氧化物的排除。而仅用氯化物处理时，则仅产生少量的氯化亚铝气态产物，故精炼效果不如加氟化物的好。这也是二号和三号熔剂精炼能力不如一号熔剂的原因。

表2—2—8几种以光卤石为基的熔剂的精炼能力①

熔  剂	精炼能力/%	熔  剂	精炼能力/%
KCl·MgCl2(100%) KCl·MgCl2+10%K2ZrF6 KCl·MgCl2+10%MgF2 KCl·MgCl2+10%CaF2	48.7 54.6 65.4 68.3	KCl·MgCl2+15%K2ZrF6 KCl·MgCl2+15%MgF2 KCl·MgCl2+15%CaF2	59.8 71.6 74.4

注：①通过萃取法确定。
    2)熔剂的干燥程度。氯化物熔剂的吸湿性大，使用前必须将熔剂仔细地干燥或重熔，除去吸附水和结晶水，以提高精炼效果。
    3)熔剂沿整个熔体厚度处理的完备性。即熔剂液滴均匀贯穿熔体、充分接触、均匀分布、精炼时不留死角。
    4)精炼工艺参数。即选择合适的精炼温度、精炼剂用量和正确的加人方法。提高精炼温度时，熔剂的表面张力降低，对氧化夹杂的润湿性更好，因而吸附除渣作用更强；同时，熔剂对夹杂的溶解能力提高，熔剂与熔体的化学作用增强，由于熔体粘度下降而使夹杂的沉浮变得更容易，所以有利于提高精炼效果。另外，在熔体中加入熔剂时，不仅要吸收大量溶解热，而且一些氟化物(如冰晶石)的分解及氟化亚铝的生成反应都是吸热的，故精炼温度亦高一些好。当然温度过高也会使熔体的氧化、吸气倾向增大，故应适当选择。通常采用熔剂精炼的温度以730～750℃为宜。
5．采用熔剂精炼时应注意的问题   
    采用熔剂精炼时应注意以下问题：   
    1)不同的合金应该采用不同的熔剂。通常二号熔剂用于精炼含镁量较高的铝合金，其他合金则可以采用一号熔剂精炼。
    2)作好精炼前的准备工作。熔剂事先应彻底烘干，除去水分，以防止熔剂加入铝液中发生爆炸事故，并提高精炼效果。熔剂的块度应适宜，块度大小一般以50～80mm为宜。精炼前，精炼筐应先预热，铁质筐先涂料，并打开排烟机，对于电炉应停电操作。
    3)按规程要求搞好精炼操作。精炼温度应控制在铸造温度的上限，以提高精炼效果。熔剂的用量应充足，对内部纯洁度要求较高的制品，其用量可大些，使用量一般为6～8 kg/t金属；对于一般制品，使用量为5～6 kg/t金属。精炼时，精炼筐应放到炉底均匀缓慢地移动，消灭死角，切忌定点精炼，待反应完毕后方取出精炼筐。精炼完毕后，随即扒渣，而后撒上覆盖熔剂静置，静置时间视制品不同而异，对于重要制品，静置时间不少于30 min；一般制品应不少于15 min。

七、气体一熔剂混吹精炼

    用惰性气体进行吹气精炼时，具有操作方便、环保安全、成本低廉的特点，但精炼效果受惰性气体本身纯度的制约。一般惰性气体即使采用很严格的纯化措施，也总会含有一定量的水分和氧气。这种气体吹人铝液后，在吹人的气泡表面会形成薄而致密的氧化膜，从而阻碍熔体中的氢进入气泡内，使除气率大打折扣。在吹人惰性气体的同时引进一定量的粉状熔剂时，则气泡表面被熔化的熔剂膜所包围，不仅隔断了气泡中水分和氧气与铝液的接触，使之不能形成氧化膜，而且，即使有氧化物生成，也会被熔剂膜所吸附，从而有效的提高精炼的效果。哈尔滨工业大学贾均教授等人从热力学和动力学角度分析了铝合金脱氢过程，建立了气泡表面无氧化膜和有氧化膜时氢传质的数学模型，得出下列结论：
    1)无氧化膜气泡的去氢能力为：

                       （2-2-6）

式中，J(H)——扩散人气泡中的氢原子或结合成氢分子沿径向的流率／mol·S-1
      r——气泡半径/cm；
      C1——铝液中氢的浓度/mol·cm-3；
      PH2——用氢分压表示的气泡内部氢的浓度；
      δ1——铝液一气泡界面处铝液侧有效边界层厚度/cm；   
      D1——氢原子在铝液中的扩散系数/cm2·S-1
      δg——铝液一气泡界面处气泡侧有效边界层厚度/cm；   
      Dg——氢分子在气泡中的扩散系数/cm2·S-1
      K—一平衡常数。
    由该式可见，吹气精炼时，除氢能力直接与气泡的表面、有效边界层厚度、气泡中氢的分压、氢在铝液和气泡中的扩散系数及氢的平衡常数有关。当强烈搅动铝液时，使边界层厚度降低、气泡分散表面积增大，利于扩散，去氢效果就好。此外，气体中水蒸气含量越低，则气泡内氢分压也低，除氢效果也越好。
    2)有氧化膜气泡的去氢能力为：

                         (2-2-7)

式中，δS——氧化膜厚度；
      DS——氢原子在氧化膜中的扩散系数；
      Kl——氢原子在氧化膜一铝液界面处平衡常数。
由该式可见，气泡表面覆盖一层氧化膜后，由于氢的扩散存在附加阻力δS／DS，且氢在固相中的扩散系数远小于在液相和气相中的扩散系数，故单位时间内氢的扩散量大为降低。  
    3)在其他条件相同时，要将铝液中的氢含量降至相同的水平，有氧化膜气泡的除氢时间比无氧化膜气泡的除氢时间起码要长△r：

                          （2-2-8） 

式中，V——铝液的体积；
      A——气泡的总表面积；
      C0——铝液中氢的原始浓度。
    4)有氧化膜的气泡起除氢作用的基本条件是：

0.0319(δs)2/Ds≥h/u

式中，h——气泡离液面的深度/cm；u——气泡上浮速度/cm·S-1
    有人对纯氮精炼和纯氮一熔剂混吹法精炼的效果进行过对比实验，精炼时间同为12min，精炼前铝熔体含氢量为0.41 mL/l00g金属，用纯氮精炼后的熔体含氢量为0.29 mL/l00g金属，而用氮气一熔剂混吹后的熔体含氢量只有0.06 mL/l00g金属。前者除氢率只有29%，而后者则达85%。深圳华益铝厂和华加日铝业有限公司从日本引进的“FF一20”喷射熔剂装置在生产中发挥了很好的作用。图2—2—5是气体一熔剂混吹法示意图。

图2—2—5气体一溶剂混吹法示意图
1——氮气；2——减压阀；3——电机；4——熔剂；5——拨料板；
6——混合室；7——喷吹管；8——铝熔体

八、过滤处理

1．过滤方法分类和过滤机理
    让铝熔体通过用中性或活性材料制造的过滤器，以分离悬浮在熔体中的固态夹杂物的净化方法叫过滤。
    按过滤性质，铝合金熔体的过滤方法可分为表面过滤和深过滤两类；按过滤材质，可分为网状材料过滤(如玻璃丝布、金属网)、块状材料过滤(如松散颗粒填充床、陶瓷过滤器、泡沫陶瓷过滤器)和液体层过滤(如熔剂层过滤、电熔剂精炼)三类。目前，我国使用最广泛的是玻璃丝布过滤、泡沫陶瓷过滤和刚玉质陶瓷管过滤。松散颗粒填充床过滤器虽然简单，但准备费力，合金换组不方便，在国内很少采用。
    表面过滤指固体杂质主要沉积在过滤介质表面的过滤，又叫滤饼过滤。网状材料过滤都属于表面过滤。深过滤也叫内部过滤，固体杂质主要在过滤介质孔道内部沉积，并且随着过滤的进行，孔道有效过滤截面逐渐减小，透过能力下降，而过滤精度提高。块状材料过滤都属于深过滤。   
    网状材料过滤器的过滤机理主要是通过栅栏作用机械分离熔体中宏观粗大的非金属夹杂物。它只能捕集熔体中尺寸大于网格尺寸的夹杂物(假定夹杂物不能变形)。用中性材料制造的块状材料过滤器的过滤机理主要是通过沉积作用、流体动力作用和直接截取作用机械分离熔体中的固体夹杂物。块状材料过滤器具有很大的比表面，熔体和过滤介质有着充分接触的机会，当熔体携带着固体杂质沿过滤器中截面变化不定的细长孔道作变速运动时，由于固态夹杂物的密度和速度与熔体的都不相同，所以有可能在重力作用下产生沉积；又由于固体粒子的非球性和受到不均匀的切变力场的作用，使之产生横向移动，从而被孔道壁勾住、卡住或吸附住。上述现象在孔道截面发生突然变化的地方，由于形成低压的涡流区而得到加强。用活性材料制造的块状材料过滤器，除具有上述过滤机理外，还由于表面力和化学力的作用，使之产生物理化学深过滤，使熔体得到更精细的净化。块状材料过滤器可以捕集到比本身孔道直径小得多的固体夹杂物。液体层过滤器就是用液态熔剂洗涤液体金属，它的过滤机理是建立在熔剂和非金属夹杂物之间的物理化学反应以及熔剂对夹杂物的润湿吸附和溶解的基础上的。
2．玻璃丝布过滤
    玻璃丝布过滤的主要优点是：①结构简单，可以安装在从静置炉向结晶器转注的任何地方，如流槽、流盘中、落差处、分配漏斗中、结晶器液穴里。②使用成本低，在正常条件下，玻璃丝布的消耗量为0.05～0.07m2/g金属。③对原有的铸造制度(铸造温度、铸造速度等)没有任何影响。④对铸锭晶粒组织无影响。玻璃布过滤的缺点是：除渣程度有限，不能除气，只能使用一个铸次，需要经常更换。
    在采用玻璃丝布过滤时，应注意的问题是：①为了防止与铝相互作用，应采用铝硼硅酸盐制造的玻璃布，或者表面涂有硅酸铝陶瓷的玻璃布制造滤网；②为了提高平版网格的稳定性，在缝制滤网前，最好对玻璃丝布采用在熔化温度时具有稳定性的表面活性物质进行预处理，以防玻璃丝滑动窜位，同时便于剪裁加工。③玻璃丝布滤网的形状和大小必须根据安放的位置条件和熔体流量的大小进行设计，目前实际采用的玻璃丝布的过滤流量约为0.15～0.25 kg/cm2·min，安放于流盘、流槽和落差处的滤网宜作成长袋形，安放在结晶器中的滤网尺寸应视液穴轮廓而定，其滤网底部距液穴底部的距离一般不应小于25 mm。④滤网的安放地点最好放在金属液流的落差处，这样不但可以充分消除落差处金属液流的冲击翻滚，减少造渣污染，增加过滤效果，而且，由于铝液的静压头较大，过滤流量也大。⑤玻璃布耐铝液腐蚀的性能随温度升高和时间增长而变差，采用玻璃布过滤时，熔体温度最好不要超过730℃，一次过滤时间最好不要超过4 h。⑥在使用过程中，应防止滤网和熔剂液接触，避免滤网迅速腐蚀损坏。
3．刚玉质陶瓷过滤器
    刚玉质陶瓷过滤器的技术参数主要有：
    1)过滤精度。也叫净化精度。用透过多孔陶瓷的固体夹杂的最大尺寸来表示；也可用过滤介质所能截留的固体杂质的最小尺寸来表示。陶瓷过滤器的过滤精度主要取决于多孔陶瓷的孔径大小和过滤过程。孔径越小，过滤速度越慢，则过滤精度越高(见图2—2—6)。

    过滤精度越高，则铸锭形成羽毛晶的倾向越大。国产陶瓷过滤器的过滤精度在5～50цm之间。
    2)过滤效率。指滤除的固体杂质与过滤前熔体中固体杂质的浓度的百分比。用式子表示为：
                                          η=[(C1-C2)/C1]×100%             (2—2—9)
式中η——过滤效率；
    C1——过滤前熔体中固体杂质的浓度；   
    C2——过滤后熔体中固体杂质的浓度。
    过滤效率主要取决于过滤介质的孔隙特性(最大孔径、孔径分布等)、熔体中固体杂质的粒度分布和过滤条件。通常，陶瓷过滤器的过滤效率随过滤速度降低和过滤时间延长而提高。国产刚玉质陶瓷过滤器的过滤效率为40％～80％。
    3)过滤速度。指单位时间内通过单位面积过滤介质的熔体体积。它是设计过滤器生产率的主要依据。过滤速度主要取决于过滤介质的渗透系数、厚度以及过滤介质两边的液面差。渗透系数和压差愈大，介质厚度越小，则过滤速度愈快。而介质的渗透系数又随介质贯穿孔隙度和孔径的增大、熔体粘度的降低而增大。在层流条件下，过滤速度可用达西公式确定：

V=B·(△P/η·δ)=K·△P  (2—2—10)

式中  V——过滤速度/mL·(S·cm2)-1；   
      B——介质的渗透系数/cm2；
      △P——介质两边的熔体压降/dyn·cm-2，(即0.1Pa)；    
      η——熔体粘度/×l0-1 Pa·s；
      δ——介质厚度/cm；
      K—一相对渗透系数/mL·(s·dyn)-1。
国产刚玉质陶瓷过滤材料对铝液的相对渗透系数为0.0005～0.0015 ks/min·cm2mm铝液柱高。一根规格为φ110/φ70×325 mm的陶瓷管，在100 mm的铝液工作压头下，其过滤速度为50～150 kg/min·根。
    4)阻塞率。指单位时间内单位体积的过滤介质中所滞留的固体夹杂量。该值的大小标志着过滤器的使用寿命。由于阻塞率的测定极其困难，而在过滤速度恒定时，穿过过滤器后的压降随阻塞而增加，因此，常用压降的增加来表示过滤器的阻塞率。其表达式如下：

△Q＝△h/△W （2-2-11）

式中，△Q——每通过一吨金属液所需增加的工作压头/mm·t-1；
      △h——有效工作压头/mm；
      △W——全部有效工作压头用尽时过滤器所通过的金属量/t。
    阻塞率与熔体通过量和熔体中夹杂含量成正比，而与过滤介质的总体积及贯通孔隙率成反比。在生产条件下，国产l6～12目的陶瓷管的实际使用寿命在10～20t/根之间。
    5)起始压头。指熔体穿过过滤介质的孔道开始流动所需的压头。由于铝熔体对刚玉质骨架材料是不润湿的，二者间的界面张力很大，当熔体进入介质毛细微孔时，将形成一凸形弯月面，表面张力将阻止熔体前进。为克服张力而使熔体开始流动所需的力的理论值为：   

P=-2σcosθ/r

式中，P——使金属在毛细孔道内开始流动所需的力(dyn/cm2即0.1 Pa)；
     б——熔体表面张力/dyn·cm-1(即×l0-5N·cm-1)；  
     θ——熔体与过滤介质的接触角/(°)；
      r—一介质毛细孑L道半径/cm。
    介质孔道愈小，温度愈低，则起始压头愈大。
    目前一些工厂采用的陶瓷过滤装置的典型结构示意于图2—2—7。这种过滤器的外壳是用10 mm厚的钢板焊成的，内衬硅酸铝纤维毡，再砌一层轻质耐火砖，内刷滑石粉。过滤器内腔用多孔陶瓷板或碳化硅板间隔成A、B两室。4室为过滤室，过滤管装配在隔板孔眼上，装配部位用硅酸铝纤维毡密封；B室为贮存室，汇集过滤后的金属。过滤器上部有加热盖，内配电阻加热丝。热电偶连续测温，电子电位差计自动控制过滤器中金属温度。过滤器下部有放流眼。全部工作压头有l00 mm和200 mm两种。过滤室内安装φ110/φ70×325 mm的过滤管，安装数目视需要而定。熔体从静置炉沿流槽进入与此相连接的过滤室A，再通过过滤管微孔渗出，汇集于贮存室，最后经流盘进入结晶器。

图2—2—7陶瓷过滤装置结构示意图
1——流量控制钎；2——流槽；3——过滤器保温衬里；4——外壳；5——陶瓷管；6——隔板；
7—— 结晶器；8——漏斗；9——小流盘；l0——滤液出口；11——加热元件；l2——加热保温盖

    在设计和使用陶瓷过滤器时应注意下列问题：
    ①根据制品要求，选择适当孔径的过滤材料。通常，对要求内部纯洁度较高的挤压制品制品，采用14目的过滤管即可；其他制品可采用12目的过滤管。不适当的提高过滤精度，将导致增大铸锭产生粗晶和羽毛晶的倾向性。
    ②从提高过滤器的过滤效果和使用寿命出发，应尽可能地增大过滤器的有效过滤面积，即采用多管过滤器。目前工厂使用4～7管的过滤器比较普遍。
    ③安装过滤管时应严密无缝，防止短路。
    ④使用前，对过滤器要充分预热，预热温度最好不要低于720℃。在铸次、熔次之间的间隔时间内，亦应注意保温，防止凝管。
    ⑤为了满足精过滤的要求，也为了提高过滤器的使用寿命，在陶瓷过滤器之前，最好采用玻璃布对熔体进行粗滤。
    ⑥合理安排生产，尽可能避免因合金频繁转组而妨碍过滤器的有效使用。
    ⑦过滤时，过滤器及静置炉流槽内应严禁撒熔剂粉。铸造过程中，熔体静压头应平稳上升，防止液面波动和结晶器受到震动和冲击。铸造收尾前，应除净过滤器中金属表面浮渣，避免过滤管堵塞。
    ⑧防止过滤后的熔体二次污染。
4．泡沫陶瓷过滤器
    泡沫陶瓷是美国康索尼达德铝公司在20世纪70年代末期研制的一种具有海绵状结构的用于过滤铝熔体的开孔网状物(见图2—2—8)。我国在80年代初期试制成功并已普遍推广使用。泡沫陶瓷过滤器即以泡沫陶瓷作为过滤介质的过滤装置。它是将泡沫陶瓷安装在静置炉和铸造台之间的熔融金属转注系统的滤盆里而构成的。滤盆用普通钢板焊成，内衬绝热毡，最里层是耐火砖。滤盆的深度一般不低于200 mm(从泡沫陶瓷板的板面算起)。铝水从静置炉经滤盆过滤后流向结晶器。目前国内投入实际使用的泡沫陶瓷的孔隙特性如下：孔洞数，l0—45孔/in；孔隙度为85%～90%；体积密度为0．35～0．40g/cm3；比表面积为10000 in2/in3；陶瓷板的厚度为20～100 mm。泡沫陶瓷的流量特性取决于孔隙特性和陶瓷板的尺寸。对于尺寸为305 mm×305 mm×51 mm、孔洞数为30孔/in的泡沫陶瓷板，其滤过量为1.7～3.0 kg/s。在过滤铝熔体时，泡沫陶瓷的主要过滤参数是：过滤精度为2μm；过滤效率为99%；起始压头为50～150 mm；有效工作压头为50 mm。由上可知，泡沫陶瓷过滤器具有过滤精度高、过滤效率高、质量轻、占地面积小、操作使用方便、劳动条件好等优点。但泡沫陶瓷用过一次即废弃，不能再生，而且质地较脆，安装时应避免碎片混入。

图2—2—8泡沫陶瓷板实物照片

    在生产中使用泡沫陶瓷过滤器时应注意下列问题：①选择适当的泡沫陶瓷。在选用泡沫陶瓷时，首先应考虑对过滤精度的要求。在大多数情况下，选用30孔/in的泡沫陶瓷是符合要求的。如果金属特别脏，可采用20孔/in的泡沫陶瓷作预先过滤，以防止30孔/in的泡沫陶瓷过早堵塞。其次应该考虑到为铸造速度所要求的液体铝在单位时问内的流量大小，熔体的原始清洁程度，金属中夹杂物的最高含量及金属的总通过量。②正确安装泡沫陶瓷。通常泡沫陶瓷都水平配置在滤盆中，让铝水垂直向下或垂直向上通过。采用下铸法(见图2—2—9)时，具有铝水均匀上升、碰到过滤器时没有湍流、能保证过滤器均匀启动、减少沟流危险等优点。此外，在安装泡沫陶瓷时，装配部位必须用耐火纤维密封好，排除任何旁路的可能性。③过滤前最好将泡沫陶瓷用辐射式加热器或煤气吹管加热至接近熔体温度，以保证铝液流至泡沫陶瓷时不致有金属凝固而堵死孔洞。

图2—2—9泡沫陶瓷过滤器工作示意图

5．筑熔剂坝
    采用流管法从熔炼炉向静置炉倒炉时，在流管底部及四周用块度为50～80 mm的熔剂块筑筑过滤层的工艺操作过程叫筑熔剂坝。在熔剂块未熔化时，熔剂坝相当于块状材料过滤器；而当熔剂熔化后，又相当于液体层过滤器。由于熔剂是活性材料，对熔体中的固态夹杂物具有物理化学吸附作用和一定的溶解能力，而且与熔体的接触比较充分，因此，能够对熔体起到较好的净化作用。
    生产中，筑熔剂坝主要应用在两个场合：①在生产锻件等重要用途的制品时，为了防止倒炉时形成过多的氧化夹渣，而作为一种辅助的净化手段来采用。②在生产高纯铝、5A66等高纯度的合金时，作为一种主要的精炼措施而采用，此时，不再在静置炉内进行炉内精炼，以防止因使用铁质工具而使合金增铁。
6．电熔剂精炼
    电熔剂精炼是用液体熔剂和电流对铝熔体进行连续净化的一种精炼方法，它是前苏联在上世纪70年代研制的。其装置如图2—2—10所示。该装置以铸锭和金属流(通过塞子4接地)作为一个电极，以与炉壳绝缘并浸没在液体熔剂中的钢环3(用直径为20～22mm的钢棒制造)作另一个电极。电流通过熔剂时，一方面放出热量使熔剂在整个铸造期间维持在液体状态；另一方面使进入熔剂中的氧化铝产生电解作用，因而促使熔剂在整个铸造期间保持稳定的高水平的精炼能力。熔剂层相当于液体过滤器，为了增加金属流和熔剂的接触表面积以提高净化效果，当金属流量较大时，可以在流槽下方的漏斗中安装打孔铁板或陶瓷多孔漏斗作为分散器，让金属分成多股液流进入熔剂层。洗涤熔剂的成分既要考虑净化效果，又要考虑熔剂对合金工艺性能(铸锭裂纹倾向性、液流性、金属损失等)和腐蚀性能的影响，一般采用一号熔剂即可，但对于那些具有严重钠脆性的合金，如Al—Mg和Al—Li合金应禁止采用含钠熔剂。熔剂层的温度以720～800℃为宜，过低则净化效果差；过高则促使熔剂迅速消耗，并使液体金属中含钠量大大提高。据资料介绍，采用电熔剂精炼铝熔体时，除渣效果很好，工艺试样的污染度可降低到0.0018～0.024 mm2/cm2。采用电熔剂精炼铝合金的基本参数如下：
    电路参数：电流频率为50 Hz；电压为7～l2 V；电流为500—900 A。
    工艺参数：穿过熔剂层的最大金属流量(单股时)为15 kg/min；液体熔剂层深度为不小于150 mm；熔剂消耗量为2 kg/t铝液。

图2—2—10铝合金电熔剂精炼装置系统图
1——流槽；2——绝缘衬套；3——环状馈电线；4——塞子；5——隔板；
6——容器；7——液体金属；8——液体熔剂

    俄罗斯卡明斯克一乌拉尔联合冶金厂在生产铝锂合金铸锭时，采用电熔剂精炼法对熔体进行精炼，有着很好的精炼效果。对l421铝锂合金试片的X射线探伤结果表明，单位面积缺陷率由未采用的0.012 mm2/cm2下降到0.0039 mm2/cm2。

九、真空处理

    在一定的温度下，铝熔体中氢的平衡含量C和炉气中水蒸气分压PH2O之间存在如下关系：

 C=K·PH2Ol/2

真空处理时，由于铝液表面的水蒸气分压降低，因而，铝液中氢的平衡含量也随之降低。同时，因为真空的建立，使合金的沸点降低，也促使气体在铝液中的溶解度降低。这是真空处理的基本理论根据。在进行真空处理作业时，随着熔体上方的外压降低，熔体中溶解的气体和炉气中水蒸气分压之间的平衡被破坏，促使溶解的氢向自由表面扩散，也为熔体中气泡的发生和长大建立了极为有利的条件。在大气压力下，熔体中形成气泡的条件为：

 P内≥P外+P金+2σ/r             (2—2—12)

式中P内——熔体内部溶解气体的压力；                                 
    P外——熔体上方的外压；    
    P金——金属静压力；
    σ——熔体和气泡间的表面张力；    
    r——气泡半径。
    随着外压P外的降低，熔体中更小的气泡变得稳定，已经形成的气泡会急剧生长和析出。当溶解气体的内压大于P金+2σ/r+(熔体上方的残余压力)时，就会发生强烈的沸腾现象。在沸腾过程中，由于氢气泡的浮选作用也促使非金属夹杂物被清除。这样，真空处理就达到了既除气又除渣的目的。不过，真空处理的除渣效果是极为有限的。
    真空处理的除气效果取决于许多因素。通常，熔体上方的残余压力愈低，真空处理时间愈长，熔体温度愈高，熔体表面氧化膜的致密性愈差，熔体自由表面积愈大，熔体深度愈浅，则除气效果愈好。通过在熔体表面覆盖少量能吸附氧化物的熔剂及向熔体中吹人隋性气体的办法，由于降低了熔体表面张力和氧化膜的致密性，可使脱气得到加速并且更为完全。
    在静置炉或浇包中对熔体进行静态真空处理时，为了取得较好的除气效果，在工艺上应掌握下列要点：①抽真空前，在液面上撒一层熔剂粉；②残余压力：2～10(mmHg)；③处理温度：740～750℃；④处理时间：5～20 min；⑤处理完毕后，关闭真空泵，打开进气阀，即可浇铸。经过这样处理后的熔体，其含氢量约为0.15 mL/100gA1。
    为了增大铝液同周围气氛的接触表面积，提高静态真空处理的除气效果，国外发展了一种动态真空处理的技术，其典型装置示于图2—2—11。操作顺序是：先将真空炉抽成真空，使炉内真空度达到l～10 mmHg，然后打开塞板，金属液经流槽被吸入真空炉内，分散成细小的液滴。此时，金属内的氢被除去，钠被蒸发燃烧掉，夹杂聚集在熔体表面。从铝液送入真空炉开始直到处理结束，真空装置都在运转，处理结束时真空度可达到0.15 mmHg。在20一30 t的动态真空处理炉中，铝液喷射速度约为7m/s，净化能力为l～1.5 t/min，全炉处理时问仅15～20 min，处理同时可向熔体中吹入氩、氮等惰性气体，处理后氢含量小于0．12 mL/100gA1，钠含量降至2×10-6。处理完毕恢复气压后即可开始铸造作业。

    西南铝在生产铝锂合金铸锭时，采用真空精炼，不仅有效地降低了氢含量，还有效的控制了钠、钾、钙的含量。

十、超声波处理

    超声波处理的基本原理是：超声波是一种频率较高的机械震荡波。向铝液通人超声波时，金属液受到高速定向往复振动，处于振动面上的金属质点会很快跟着振动起来，而距振动面较远的质点由于惯性作用不能及时跟上去，因而在他们之间便形成“空隙”，产生了无数显微空穴，溶于铝液中的气体便逸人这些空穴中，并复合成气体分子，成为气泡核心。当振动易向时，充有分子气体的空穴仅被压缩，其中的分子气体不会离解和溶解。由于这种快速往复振动的结果，气体便可连续不断的从金属液扩散到空穴中去，使其逐渐长大为气泡，而后逸出液面，达到除气之目的。超声波处理器示意于图2—2—12。

    超声波处理时，换能器辐射头一般采用金属钛制作，即使有微量钛溶人铝液也不会污染金属液，而且有细化晶粒的作用。在功率足够时，超声波的作用范围可达到全部铝液，不仅能消除宏观气孔，也能消除显微气孔，因此具有很好的除气效果。第一次发现超声波能够对铝液除气是在1926年，到上世纪50年代末，开始出现专门的超声处理器，但直到目前，还没有发现它在工业生产上的直接应用，原因不详。