电熔剂法净化处理铝熔体的影响因素.pdf

第5 7 卷第1 期 20 05 年2 月 有色 金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 7 ．N o ．1 F e b r u a r y 2005 电熔剂法净化处理铝熔体的影响因素 阎峰云1 ，李文凤1 ，郝远1 ，肇玉卿2 ，吴正德2 1 ．甘肃省有色金属新材料重点实验室，兰州理工大学，兰州7 3 0 0 5 0 ； 2 ．兰州铝业股份有限公司，兰州7 3 0 0 6 0 摘要基于正交试验，研究工业纯铝中去除氧化夹杂物的电熔剂处理技术的净化效果及其影响因素。结果表明，熔剂层厚 度是影响净化效果的主要因素。最佳工艺参数电流1 5 A 、精炼温度7 0 0 ℃、流股直径7 m m 、熔剂层厚度2 0 ～3 0 m m 。铝合金中夹 杂物去除率可达8 4 ．4 ％，力学性能尤其是塑性得到了较大幅度的提高。 关键词金属材料；铝合金；电熔剂法；夹杂物；净化 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T G l l 5 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 5 0 1 0 0 3 9 0 3 为满足铝合金的精加工性能，各铝合金板、带、 箔的生产企业对铝及其合金的塑性提出了更高的要 求。其中合金中夹杂物的含量、形态和分布等是影 响其塑性的重要因素。大颗粒的夹杂物会使铸锭组 织不连续，降低材料的气密性，成为腐蚀的根源，也 往往成为加工过程的裂纹源，明显降低材料的强度 和塑性。细小的夹杂物分布在金属熔体中，使熔体 吸气倾向和黏度增加，从而降低合金的补缩能力，容 易形成缩孔或缩松。对高强度合金，则机械强度和 使用可靠性降低。净化铝合金熔体，使所含氢、氧化 膜、非金属固态夹杂物降到允许程度，对提高合金材 料的质量有重要的意义。 为提高有色金属材料质量，一直在寻找经济而 有效地分离熔体中夹杂物的方法。2 0 世纪7 0 年代 发展起来的传统过滤技术只能有效地去除毫米级的 非金属夹杂物，旋转喷吹法只能使合金液中的氢含 量降低到0 ．0 6 m L ／l O O g ，且只能除去部分小尺寸夹 杂物。因而去除含量少、尺寸小的非金属夹杂物是 铝合金熔体净化的重点和难点。电熔剂净化法是 2 0 世纪7 0 年代以来前苏联铝加工生产中采用的一 种合金液净化方法。用液体熔剂和电流对铝液进行 连续净化，据报道对净化合金液中非金属夹杂物非 常有效，但对净化工艺中各因素和对相关性能的影 响未见报道，为使这种有效的净化工艺在实际生产 中得到应用，对工艺中各影响因素进行了系统研究。 收稿日期2 0 0 3 1 l 一1 8 基金项目甘肃省自然科学基金资助项目 Z S 0 3 1 一A 2 5 0 2 9 一C 作者简介阎峰云 1 9 6 2 一 ，男，甘肃酒泉市县人，副教授，硕士，主 要从事材料成形和有色合金精炼变质技术方面的研究。 1实验方法 将熔剂R J I ，尉一Ⅱ和R J 一Ⅲ分别按文献[ 1 ] 中 的熔炼法进行处理。试验用原材料为1 工业纯铝。 熔炼设备为3 k W 和2 k W 坩埚电阻炉和2 k W 箱式 电阻炉，石墨坩埚 6 和8 。纯铝中的夹杂物含 量用溴一甲醇法结合比色法测定 T U 一1 8 0 0 S P C 比 色计 ，简称溴一甲醇比色法。密度测定按文献[ 2 ] 中的比重瓶法进行测量。拉伸试验 辛6 m m 7 2 r a m 在T G 一1 0 T A 万能材料试验机上进行。 、I 姊 。胡 l 刍 _ L 淖匡 一 1 一热电偶；2 一保温炉；3 一塞杆a ；4 一支架； 5 一石墨漏斗；6 一塞杆b ；7 一熔剂层；8 一铝液； 9 一精炼坩埚；1 0 一稳压电源；1 1 一铸模；1 2 一控温箱 图1电熔剂试验装置示意 F i g ．1 D e v i c eo fe l e c f l u xe x p e r i m e n t 电熔剂试验在图1 所示的试验装置中进行。 直通式保温炉 2 与内接阳极的精炼坩埚 9 一同加 热至试验温度。将定量混合熔剂通过漏斗加入塞有 塞杆a 3 并涂有氧化锌涂料的精炼坩埚中，使熔剂 熔化。将温度为7 0 0 ～7 4 0 ℃的铝液浇入接有阴极 电极的石墨漏斗 5 中，加直流电压并拔出塞杆b 6 ，铝液流股与熔剂接触，开始进行电熔剂精炼。 万方数据 有色金属第5 7 卷 待铝液全部流人精炼坩埚 9 ，静置3 ～4 m i n ，拔出 塞杆a ，金属流入铸模 1 1 ，冷却后取出制成试样。 2 试验结果及讨论 2 ．1 正交试验 选择A 电流／A 1 0 ，1 2 ，1 5 ，B 精炼温度 ／℃ 6 8 0 ，7 0 0 ，7 2 0 ，C 流股直径／m m 7 ，1 0 ，1 2 ，D 熔剂层厚度／m m 1 0 ，3 0 ，5 0 ，按L q 3 4 正交表安排 了9 组电熔剂法试验，以溴一甲醇比色法测定的夹 杂物含量为考察指标。 对试验数据的极差和方差分析表明，4 个因素 对净化效果均有一定影响，且熔剂层厚度D 对净化 效果的影响较另3 个因素显著，正交试验获得的最 佳工艺参数为电流1 5 A 、精炼温度7 0 0 ℃、流股直径 7 m m 、熔剂层厚度3 0 m m 。 2 ．2 单因素试验 以正交试验确定的最佳工艺方案为基础，改变 其中一个因素，考察其对精炼效果的影响。 2 ．2 ．1 熔剂层厚度。熔剂层厚度分别取1 0 ，2 0 ， 3 0 ，4 0 ，5 0 t u r n ，试验结果如表1 所示。 由表1 可以看出，熔剂层厚度对试验结果影响 比较大，改变熔剂层厚度可以在不改变电流的情况 下达到较好的除杂目的。夹杂物含量与熔剂层厚度 并不呈直线关系，随着熔剂层的增厚，相应延长了作 用时间，净化效果提高，但到达一定值之后，界面相 互作用的面积增加，电流密度减小，反应速度减弱， 夹杂物迁移速度降低，净化效果反而随着层厚的增 加而减弱。同时由于熔剂加入量过多，渣与铝液粘 结在一起，浇注时造成熔剂夹杂，减弱了净化效果。 表1 熔剂层厚度对电熔剂净化 效果和力学性能的影响 T a b l e1I n f l u e n c eo ff l u xt h i c k n e s so ne l e c f l u xp r o c e s se f f e c t s a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l u m i n u m 2 ．2 ．2 流股直径。流股直径分别取7 ，1 0 ，1 2 m m ， 试验结果如表2 所示。 由于小流股有利于增加铝液流与熔剂的接触 面积，而单位时间内，自金属熔体向熔剂中迁移的夹 杂物的数量与金属一熔剂界面的面积成正比，所以 孑L 径越小，净化效果越好。同时小孔径延长了铝液 与熔剂的作用时间，细小夹杂物的净化效果得到显 著提高。随着孔径的增大，接触面积减小，铝液流速 增大，离接触面较远的氧化夹杂物来不及扩散迁移 到接触面，净化效果相应减弱。所以净化效果随着 流股直径的增大而减弱。 表2 流股直径对电熔剂处理 效果和力学性能的影响 T a b l e 2I n f l u e n c eo fd i a m e t e ro fl i q u i da l u m i n u mo ne l e c ．．f l u x p r o c e s se f f e c t sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l u m i n u m 2 ．2 ．3 熔剂。选用3 种不同的熔剂配方时一I ，对一 Ⅱ，R J 一Ⅲ分别进行试验，结果如表3 所示。 表3 熔剂对电熔剂处理效果和力学性能的影响 T a b l e3I n f l u e n c eo ff l u xo ne l e c f l u xp r o c e s se f f e c t sa n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l u m i n u m 金属液流股通过熔盐层时，界面会发生反应，金 属阳离子转移到熔剂 电解质 中，在界面处形成双 电层，如图2 所示，即界面层靠近熔剂的一侧有多余 的 对铝而言 表面活性阳离子，而靠近铝液的一侧 在不存在外极化的条件下 产生负电荷。界面过剩 电荷的离子彼此排斥并尽可能扩大其表面。若施加 电场，在铝液流阴极极化的情况下，则金属融体与熔 剂各自带电，带电粒子在电场作用下在接触相内迁 移，此时相界面的平衡电位差、铝液表面负电荷密 度、电化学电位差和表面活性阳离子浓度等都增 大L 3 - 4 ] 。 通过铝液一熔剂相界面流动的电流是铝液中夹 杂物向铝液表面迁移并向熔剂转移的附加动力。施 加的电场改善或增强了熔剂吸附与熔解铝液中夹杂 物的动力学条件，从而有助于保持熔剂净化能力强 而稳定。 有效界面张力减小，粘附功减小，为夹杂物进入 相间界面并进而转入熔剂创造了良好的条件。同 万方数据 第1 期 阎峰云等电熔剂法净化处理铝熔体的影响因素 4 1 时，使夹杂物向熔剂深处转移速度增加。并且在外 加电场的作用下，部分氧化物被电解而消耗，也降低 了铝液和进入熔剂中氧化物的含量。熔剂中添加的 冰晶石有熔解氧化铝的能力，因此冰晶石的加入延 长了熔剂的使用时间，提高了除渣效果。 双电层 ．- 二- ．三意二三一 一i 一。一。。一 金一。一一 属- 一 液二一一。 一’一 一- 一 丰一一一溶 圭- 一4 - 一鞴 J _ J l Y 圭．一． 一 十 L 一 土一一二一 - 4 - 相界 图2金属液一熔剂界面的双电层结构示意 F i g ．2 S c h e m eo fd o u b l ec a p a c i t a n c es t r u c t u r ei ni n t e r f a c e o fa l u m i n u ma n df l u x 熔剂的组成直接影响其表面性能，从而对其除 杂的热力学、动力学及最终的净化效果起决定性的 作用。试验设计的3 种熔剂中，R J 。2 中加入的氟化 物 K F 和氯化物 M g C l 2 组元的比例合适，有利于 净化动力学条件的改善，其形成的低熔点共晶体有 参考文献 利于提高金属的流动性L 5J 。另外界面电阻产生的 热量使共晶型熔剂保持较低的黏度，大大改善了夹 杂物向熔剂中的扩散迁移条件。 2 ．2 ．4 晶粒度及性能。随着电熔剂净化效果的提 高，熔体中的杂质含量降低，非均匀形核核心减少， 弥散夹杂物的数量减少，金属的黏度降低，晶粒长大 的阻力减小，所以其凝固后的晶粒尺寸较大。但是， 由于内部夹杂物对性能的影响减弱，使得强度并未降 低，反而表现出较高的塑性。如果采用电熔剂处理后 再加入细化剂处理，则延伸率可望进一步提高。 3结论 1 电熔剂法处理铝液具有明显的净化效果。电 熔剂净化可显著减少铝中夹杂物、气孔等裂纹源数 量，提高材料的性能，尤其塑性得到较大幅度的提高。 2 P b ] J 1 ] 电场改善了吸附与熔解铝液中夹杂物 的动力学因素，使熔剂净化能力强而稳定。 3 熔剂层厚度是影响电熔剂净化效果的主要 因素。最佳工艺参数电流1 5 A 、精炼温度7 0 0 ℃、 流股直径7 m m 、熔剂层厚度2 0 ～3 0 m m 。夹杂物去 除率可达8 4 ．4 ％，合金力学性能尤其是塑性得到了 较大幅度的提高。 [ 1 ] 轻金属材料加工手册编写组．轻金属材料加工手册 下册 [ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 8 0 1 6 ～1 8 ． [ 2 ] 中国机械工程学会铸造专业学会．铸造手册 第一卷 [ M ] ．北京机械工业出版社，1 9 9 3 1 1 1 1 1 2 ． [ 3 ] 杨长贺，高钦．有色金属净化[ M ] ．大连大连理工大学出版社，1 9 8 9 1 4 0 1 4 6 ．． [ 4 ] 博克里斯JO ’M ，德拉齐克DM ．电化学科学[ M ] ．夏熙译．北京人民教育出版社，1 9 8 1 2 5 2 2 6 ． [ 5 ] U t i g a r dTA ，F r i e s e nK ，R o yRR ，e ta 1 ．T h ep r o p e r t i e sa n du s e so ff l u x e si nm o l t e nA l u m i n u mp r o c e s s i n g [ J ] ．J O M ，1 9 9 8 3 8 4 3 ． I n f l u e n c i n gF a c t o r si nM o l t e nA l u m i n u mT r e a t i n gb yE l e c - f l u xP r o c e s s Y A NF e n g - y u n ‘，L IW e n f e n 9 1 ，H A OY u a n1 ，Z H A OY u q i n 9 2 ，W UZ h e n g - d e 2 1 ．G a n s uP r o v i n c eK e yL a b o r a t o r yo fA d v a n c e dN o n f e r r o u sM a t e r i a l ，L a n z h o uU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ，L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a ；2 ．L a n z h o uA l u m i n u m I n d u s t r yS t o c kC o m p a n y ，L a n z h o u7 3 0 0 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t s ，t h ee f f e c ta n di n f l u e n c i n gf a c t o r so fm o l t e na l u m i n u mt r e a t m e n tt o r e m o v eo x i d ei n c l u s i o n sb ye l e c f l u xp r o c e s sa r ei n v e s t i g a t e d ．T h et h i c k n e s so ff l u xi st h ek e yf a c t o rf r o mt h ei n d i c a t i o no fe x p e r i m e n tr e s u l t s ．T h eo p t i m a lp a r a m e t e r sa r e1 5 Af o rc u r r e n t ，7 0 0 * 2f o rt e m p e r a t u r e ，7 m mf o rd i a m e t e ro fl i q u i da l u m i n u mb e a ma n d2 0 3 0 m mf o rt h et h i c k n e s so ff l u x ．T h ee l i m i n a t i o nr a t eo fo x i d ei n c l u s i o n i su pt o8 4 ．4 ％，a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h et r e a t e da l u m i n u m ，e s p e c i a l l yt h ep l a s t i c i t y ，a r ei m p r o v e d r e m a r k a b l y ． K e y w o r d s m e t a l l i cm a t e r i a l ；a l u m i n u ma l l o y ；e l e c f l u xp r o c e s s ；i n c l u s i o n ；p u r i f i c a t i o n 万方数据