一、铝合金的熔炼特性
铝合金的熔炼具有消耗热量多、易氧化、易吸氢、容易吸收杂质金属等特性。
1) 消耗热量多
铝的熔点虽低，但熔化潜热大，比热大，黑度小，对热的反射强，和其他常用金属如铁、铜相比较，熔化时消耗热量多(见表2–1–1)。
铝合金的熔炼具有消耗热量多、易氧化、易吸氢、容易吸收杂质金属等特性。
1) 消耗热量多
铝的熔点虽低，但熔化潜热大，比热大，黑度小，对热的反射强，和其他常用金属如铁、铜相比较，熔化时消耗热量多(见表2–1–1)。
表2—1—1铁、铜、铝的热特性比较
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金属 |
密度
/g·cm-3
|
比热容
/KJ·(kg·K) -1
|
熔点
/℃
|
熔化潜热
/kJ·kg-1
|
加热到熔点
所需热量
/kJ·kg-1
|
加热到熔点+100℃所需热量/kJ·kg-1
|
黑度
|
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铁固相
液相
|
7.36
6.90
|
0.691
0.867
|
1536
|
272
|
1319
|
1407
|
0.8
|
|
铜固相
液相
|
8.62
8.36
|
0.481
0.544
|
1083
|
214
|
724
|
779
|
0.8
|
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铝固相
液相
|
2.55
2.38
|
1.139
1.047
|
660
|
394
|
1122
|
1227
|
0.2
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2)易氧化
铝对氧有很大的亲和力(见表2–1–2)，它能很快氧化，生成Al2O3。在熔体表面形成的氧化铝薄膜虽然有保护作用，但一旦破坏，氧化膜进入熔体，便很难除去。因为一则Al2O3不易还原，二则它的密度与熔体相近。它悬浮在熔体里，随熔体进入铸锭中，给加工材品质带来不利影响。更为严重的是，铝的氧化物是各种气体的良好载体，它的存在会使铝熔体大量吸氢。因此，尽可能减少氧化是铝合金熔炼过程中的一个重要问题。
铝对氧有很大的亲和力(见表2–1–2)，它能很快氧化，生成Al2O3。在熔体表面形成的氧化铝薄膜虽然有保护作用，但一旦破坏，氧化膜进入熔体，便很难除去。因为一则Al2O3不易还原，二则它的密度与熔体相近。它悬浮在熔体里，随熔体进入铸锭中，给加工材品质带来不利影响。更为严重的是，铝的氧化物是各种气体的良好载体，它的存在会使铝熔体大量吸氢。因此，尽可能减少氧化是铝合金熔炼过程中的一个重要问题。
表2—1—2铝合金中常见元素氧化物的生成热和750℃时的分解压①
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元素 |
Mg
|
Be
|
Al
|
Si
|
Mn
|
Zn
|
Fe
|
Ni
|
Cu
|
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氧化物
生成热/kJ·(mol－O2)–1
分解压/Pa
|
MgO
1008
|
BeO
997
10–46.2
|
A1203
908
10–40.3
|
Si02
606
10–27
|
MnO
539
10–25
|
Zn0
528
|
FeO
394
10–15
|
NiO
245
10–9.6
|
Cu20
191
10–4.6
|
注：①在25℃和l个大气压时，由单质生成1摩尔的化合物所放出或吸收的热量叫该生成化合物的生成热。固体或液体分解生成气体的多相反应在平衡时的压强叫分解压。某物质发生分解反应时如果只有一个生成物是气体，则平衡时气体产物的压强就叫该物质的分解压。比较各元素纯氧化物的生成热或分解压大小就可以估计铝合金中各元素氧化的难易程度。生成热越大，或分解压越小，则该元素的氧化物越稳定，或者说越易氧化。
3)易吸气
铝及铝合金的吸气能力较强(主要是吸氢的能力)，特别是在有水蒸气或还原性气氛的炉气中。铝及铝合金的吸氢绝对量虽然不大，但在熔点时，氢在固相和液相中的溶解度相差很大(见图2–1–1)，铸锭结晶时形成气孔和疏松的倾向性很大。因此，尽可能减少吸氢是铝及铝合金熔炼的又一个重要问题。
3)易吸气
铝及铝合金的吸气能力较强(主要是吸氢的能力)，特别是在有水蒸气或还原性气氛的炉气中。铝及铝合金的吸氢绝对量虽然不大，但在熔点时，氢在固相和液相中的溶解度相差很大(见图2–1–1)，铸锭结晶时形成气孔和疏松的倾向性很大。因此，尽可能减少吸氢是铝及铝合金熔炼的又一个重要问题。
图2—1—1在1 atm下，氢在铝中的溶解度与温度的关系②
4)容易吸收金属杂质
铝及铝合金中的一些合金化元素具有很高的化学活性，它们不仅能吸收直接从铁质坩埚和工具中溶解的铁，而且还能从炉衬的许多氧化物中和熔剂的许多氯盐中置换出铁、硅、锌等金属杂质。这些金属杂质一旦进入铝熔体，便无法清除。而且熔炼次数越多，杂质含量越高，对合金性能影响越大，严重时使纯铝品位降级，使合金成分超标而报废。因此、防止金属杂质的污染是铝及铝合金熔炼时的第三个重要问题。
铝及铝合金中的一些合金化元素具有很高的化学活性，它们不仅能吸收直接从铁质坩埚和工具中溶解的铁，而且还能从炉衬的许多氧化物中和熔剂的许多氯盐中置换出铁、硅、锌等金属杂质。这些金属杂质一旦进入铝熔体，便无法清除。而且熔炼次数越多，杂质含量越高，对合金性能影响越大，严重时使纯铝品位降级，使合金成分超标而报废。因此、防止金属杂质的污染是铝及铝合金熔炼时的第三个重要问题。
熔炼是使金属合金化的一种方法。它是采用加热的方式改变金属物态，使基体金属和合金化组元按要求的配比熔制成成分均匀的熔体，并使其满足内部纯洁度、铸造温度和其他特定要求的一种工艺过程。熔体的品质对铝材的加工性能和最终使用性能产生决定性的影响，如果熔体品质先天不足，将给制品的使用带来潜在的危险，因此，熔炼又是对加工制品的品质起支配作用的一道关键工序。
变形铝合金典型的熔炼工艺流程如下：熔炉准备→炉料准备→配料→装炉→熔化→加铜加锌→熔化后扒渣→加镁加铍→搅拌→取样分析→调整成分→搅拌→扒渣→倒炉→精炼→扒渣覆盖→静置调温→炉前测氢→出炉→清炉
上述工艺流程通常是在一台熔炼炉和一台静置炉中完成的。其中，熔炼炉担负熔化和调整成分的任务，静置炉担负净化熔体和保温的任务。这样配置设备的好处是能充分发挥熔炼炉的生产效率，既保证熔炼品质，又提高产量。有些工厂将上述工艺流程，全放在一台炉子中完成，此时，炉子担负着熔炼和静置的双重任务，称为熔炼保温炉。如果炉子是单膛的，则这样配置设备不能充分发挥熔炼炉的生产效率，能耗较大。另外，国内还有个别工厂采用在火焰反射炉中熔化，而后用浇包将铝水转入电阻反射炉中调整成分和温度，再在静置炉中净化熔体和保温的工艺流程。这样的设备配置要占用三台炉子，而且液态金属转注次数多，转注时间也较长使熔体严重污染，熔损增大，转注用的浇包还需专用设备加热，因此，从品质、产量、能耗上都是十分不利的。
目前国内铝材行业采用的熔炼方法大致有分批熔炼法和半连续熔炼法两种。分批熔炼法指以一个熔次为一个周期，从装炉、熔化开始至精炼、倒炉结束，一炉一清的熔炼方法。此法多适用于生产品质要求较高而批量又不太大的成品合金，以保证化学成分的准确和均匀。通常，所有特殊制品，即所有合金的锻件和模锻件；用于航空制造业的飞机大梁型材、阶段变断面型材和小空心大梁型材；
用于原子能工业的合金制品等均采用这种方法熔炼。半连续熔炼法指以相同合金为一个生产周期，每次出炉量只有熔炉中熔体总量的二分之一至三分之一，随即再装入比上述稍多的新炉料继续熔化的方法。该法的优点是炉料浸没在熔体中，不仅减少了烧损，而且提高了熔化速度，同时炉内温度波动不大，对炉底保护作用好，有利于提高炉龄。缺点是需要对成分进行有效控制，且炉内总有剩料，易造成局部过热，使铸锭产生粗大晶粒的倾向性增大。该法适用于熔炼批量大、炉料品位较低、对熔体品质无特殊要求的合金制品。通常，纯铝制品、6063建材制品及以回炉废料为主要炉料的合金制品均采用此法熔炼。
