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旋轉噴吹法對ZL104鑄造鋁合金精煉的試驗研究
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-03-24
。國外常用的精煉工藝有真空-過濾法、吹氣-過濾法、氯鹽-過濾法、吹氣-熔劑法等。其中吹氣-過濾法應用最為普遍，如美國的Alcoa469法、Mint法，法國的Alpur法，英國的Fild法等。
一.前言
鑄造鋁合金的精煉是熔煉過程中的最重要的工藝方法，而精煉工藝由生產特點、技術水平等因素決定，目前存在的精煉方法有許多種，其中國內應用最廣泛的是六氯乙烷壓入法。近年來國內外相繼推出了多種方法：如兩氣或三氣法、多孔吹氣法、高效熔劑法、熔劑噴吹法、過濾法、旋轉噴吹法以及無毒精煉劑法等。這些方法大都是單一的精煉方法，有的偏重于除氣，有的偏重于除雜。隨著對鋁合金鑄件質量要求的提高，僅僅用單一的精煉方法很難同時將鋁液中的氣體和非金屬夾雜物降低到很低的水平。國外在這方面發展較快，目前基本都使用聯合精煉工藝，尤其是在大型生產線上。國外常用的精煉工藝有真空-過濾法、吹氣-過濾法、氯鹽-過濾法、吹氣-熔劑法等。其中吹氣-過濾法應用最為普遍，如美國的Alcoa469法、Mint法，法國的Alpur法，英國的Fild法等。另外，為避免爐內處理后在出爐、輸送等環節上出現鋁液的氧化和吸氣，國外大都采用在線精煉處理的方法，而國內在此方面相對落后。本論文是用旋轉噴吹法對ZL104合金進行精煉研究。
二.精煉實驗方案設計：
1.實驗材料及設備
實驗用的鋁合金為ZL104合金，合金化學成分符合GB1173-86的要求。熔煉設備用SDL-3型坩堝電阻爐，容量為50kg，由可控硅電源供電，加熱部分為硅碳棒，功率25kW，電爐用鎳鉻-鎳硅熱電偶測溫，且可以實現自動控溫。精煉設備為旋轉噴吹凈化機。
2.旋轉噴吹法機理
旋轉噴吹凈化裝置是華北工學院鑄造工程研究中心自行研制開發的，它由支腳、圓盤底托、吹頭及其傳動部分、電氣控制系統、氣路供應系統和干燥器等組成。其中吹頭及其導桿部分是該裝置的核心。它們是由專用石墨制造，其中導桿起聯接吹頭和通氣的作用，而吹頭結構是根據精煉鋁合金容器大小及性能指標專門設計而成。吹頭結構簡圖如圖1所示。旋轉噴吹法基本原理是通過吹頭向合金中吹入氬氣，利用吹頭的快速旋轉作用在熔體深處形成快速運動的氣液渦流，使通入熔體的氣體被破碎成細小（<5mm）的氣泡群，分布都很均勻（幾乎充滿坩堝內熔體的各個部位），從而顯著改善了浮游精煉的效果。由于氣體是通過導桿進入鋁液中，受鋁液壓力及其粘度的影響，在一定的氣體流量作用下將產生噴吹現象。其精煉裝置示意圖如圖2所示。由于精煉氣泡尺寸細小、分布均勻、上浮速度緩慢、熔體被合理地攪動，因而顯著地擴大了作用界面及作用范圍、延長了作用時間、增加了氫向精煉氣泡內擴散的濃度梯度，故強化了除氣過程。熔池深處的強力攪拌也促進了細小夾雜（主要為Al2O3）的集聚，有利于浮游排除，而合金的液面只有平穩的旋轉，不發生強烈的翻騰，所以成渣少、吸氣少。這樣就顯著地改善了精煉的動力學條件，使精煉速度快、效果好。精煉介質可采用氬氣，避免了加入熔劑形成夾雜，顯著改善了用氯氣或氯鹽精煉時造成嚴重污染環境的局面，避免了對工人身體的損害。
實驗過程中沒有煙霧及刺激性氣體放出，液面沒有強烈的攪動，只有平穩的旋轉，表面氧化膜一般不會破裂，一旦有氣泡破裂，其下的H2和Ar就會馬上溢出，H2和空氣中的O2快速反應生成H2O，Ar覆蓋在熔池上方保護鋁液，故鋁液表面氧化程度很輕。因此，該實驗扒除的浮渣基本上是從鋁液內部帶出來的，鋁液的"純凈度"很高。
表3數據是用極差法進行處理后，得出四個因素由主到次順序為：吹頭轉速→氬氣流量→靜置時間→旋轉時間，按正交表選出的最佳方案為：在600 r/min的轉速下、以0.4 m3/h的流量旋轉6min并靜置5 min 。從圖3可看出：含氫量在0.20 ml/100g以上的鋁液在真空下凝固后合金內存在大量的氣孔，有些氣孔還特別大（如圖3 中a、b、c）；含氫量在0.10 ml/100g～0.20 ml/100g間的斷面上還有少量細小孔洞（如圖3中d、e）。含氫量在0.10 ml/100g以下的斷面上用肉眼已經看不見氣孔了(如圖3中f)據此可推斷，在一般鋁合金鑄造中，只要含氫量達到0.10 ml/100g以下就應該能滿足生產需要了。
五. 結論
(1)用旋轉噴吹法精煉鋁液最佳工藝參數組合：旋轉速度600 r/min；氣體流量0.4 m3/h；精煉時間6 min；靜置時間5min ，除氫率可達到70% 以上。
(2)旋轉噴吹法是一種有效的鋁液精煉方法，它具有精煉效果好、無污染、損耗小、精煉氣體消耗少等優點。
鑄造鋁合金的精煉是熔煉過程中的最重要的工藝方法，而精煉工藝由生產特點、技術水平等因素決定，目前存在的精煉方法有許多種，其中國內應用最廣泛的是六氯乙烷壓入法。近年來國內外相繼推出了多種方法：如兩氣或三氣法、多孔吹氣法、高效熔劑法、熔劑噴吹法、過濾法、旋轉噴吹法以及無毒精煉劑法等。這些方法大都是單一的精煉方法，有的偏重于除氣，有的偏重于除雜。隨著對鋁合金鑄件質量要求的提高，僅僅用單一的精煉方法很難同時將鋁液中的氣體和非金屬夾雜物降低到很低的水平。國外在這方面發展較快，目前基本都使用聯合精煉工藝，尤其是在大型生產線上。國外常用的精煉工藝有真空-過濾法、吹氣-過濾法、氯鹽-過濾法、吹氣-熔劑法等。其中吹氣-過濾法應用最為普遍，如美國的Alcoa469法、Mint法，法國的Alpur法，英國的Fild法等。另外，為避免爐內處理后在出爐、輸送等環節上出現鋁液的氧化和吸氣，國外大都采用在線精煉處理的方法，而國內在此方面相對落后。本論文是用旋轉噴吹法對ZL104合金進行精煉研究。
二.精煉實驗方案設計：
1.實驗材料及設備
實驗用的鋁合金為ZL104合金，合金化學成分符合GB1173-86的要求。熔煉設備用SDL-3型坩堝電阻爐，容量為50kg，由可控硅電源供電，加熱部分為硅碳棒，功率25kW，電爐用鎳鉻-鎳硅熱電偶測溫，且可以實現自動控溫。精煉設備為旋轉噴吹凈化機。
2.旋轉噴吹法機理
旋轉噴吹凈化裝置是華北工學院鑄造工程研究中心自行研制開發的，它由支腳、圓盤底托、吹頭及其傳動部分、電氣控制系統、氣路供應系統和干燥器等組成。其中吹頭及其導桿部分是該裝置的核心。它們是由專用石墨制造，其中導桿起聯接吹頭和通氣的作用，而吹頭結構是根據精煉鋁合金容器大小及性能指標專門設計而成。吹頭結構簡圖如圖1所示。旋轉噴吹法基本原理是通過吹頭向合金中吹入氬氣，利用吹頭的快速旋轉作用在熔體深處形成快速運動的氣液渦流，使通入熔體的氣體被破碎成細小（<5mm）的氣泡群，分布都很均勻（幾乎充滿坩堝內熔體的各個部位），從而顯著改善了浮游精煉的效果。由于氣體是通過導桿進入鋁液中，受鋁液壓力及其粘度的影響，在一定的氣體流量作用下將產生噴吹現象。其精煉裝置示意圖如圖2所示。由于精煉氣泡尺寸細小、分布均勻、上浮速度緩慢、熔體被合理地攪動，因而顯著地擴大了作用界面及作用范圍、延長了作用時間、增加了氫向精煉氣泡內擴散的濃度梯度，故強化了除氣過程。熔池深處的強力攪拌也促進了細小夾雜（主要為Al2O3）的集聚，有利于浮游排除，而合金的液面只有平穩的旋轉，不發生強烈的翻騰，所以成渣少、吸氣少。這樣就顯著地改善了精煉的動力學條件，使精煉速度快、效果好。精煉介質可采用氬氣，避免了加入熔劑形成夾雜，顯著改善了用氯氣或氯鹽精煉時造成嚴重污染環境的局面，避免了對工人身體的損害。
3.鋁合金含氫量測試
精煉前后的含氫量用一臺英國產HYSCANⅡ型測氫儀測試。其基本工作原理如下：當測氫儀進入工作狀態后，向測試腔中澆入定量（100g）鋁液，然后測試腔被快速抽到一定真空度，關閉抽真空的閥門，另一閥門自動打開并開始抽氫，氫被抽到一特定容器后測出其體積，通過內置電腦的一系列復雜計算后，測氫儀即顯示出澆入鋁液的含氫量（ml/100g），整個過程只需5分鐘。
4.旋轉噴吹精煉工藝因素及實驗
旋轉噴吹除氣工藝涉及到旋轉頭的結構、吹頭轉速、氣體流量、旋轉時間、氣體壓力、精煉后的靜置時間等眾多因素，借鑒前人經驗，本試驗的旋轉頭作固定使用，通氣壓力統一定為0.2～0.3atm。所以，本試驗的主要影響因素有：
A．吹頭轉速 B.氣體流量 C．旋轉時間 D．靜置時間
具體因素水平表如表1
為獲得準確可靠的實驗結果，本實驗制定了嚴格的精煉工藝，即每爐內加入45公斤新鋁合金材料，精煉溫度720∽730℃，吹頭伸入鋁液內至堝底50mm ，每爐次完成三個實驗號，即在一定轉速下，通過改變其它三個因素，測定兩個試樣的含氫量，取其平均值，作為該工藝條件下鋁液的含氫量。試樣采用標準取樣勺100g從鋁液面以下50∽70mm處取出，倒入測氫儀試樣腔中，測定其含氫量，然后將冷卻后的測氫試樣沿中央部位鋸開，在砂紙上磨平，經10% NaOH 溶液腐蝕后，觀察其剖面氣孔分布情況。
三.實驗結果
1.鋁液在不同工藝條件下含氫量的變化
實驗過程中沒有煙霧及刺激性氣體放出，液面沒有強烈的攪動，只有平穩的旋轉，表面氧化膜一般不會破裂，一旦有氣泡破裂，其下的H2和Ar就會馬上溢出，H2和空氣中的O2快速反應生成H2O，Ar覆蓋在熔池上方保護鋁液，故鋁液表面氧化程度很輕。因此，該實驗扒除的浮渣基本上是從鋁液內部帶出來的，鋁液的"純凈度"很高。
表3數據是用極差法進行處理后，得出四個因素由主到次順序為：吹頭轉速→氬氣流量→靜置時間→旋轉時間，按正交表選出的最佳方案為：在600 r/min的轉速下、以0.4 m3/h的流量旋轉6min并靜置5 min 。從圖3可看出：含氫量在0.20 ml/100g以上的鋁液在真空下凝固后合金內存在大量的氣孔，有些氣孔還特別大（如圖3 中a、b、c）；含氫量在0.10 ml/100g～0.20 ml/100g間的斷面上還有少量細小孔洞（如圖3中d、e）。含氫量在0.10 ml/100g以下的斷面上用肉眼已經看不見氣孔了(如圖3中f)據此可推斷，在一般鋁合金鑄造中，只要含氫量達到0.10 ml/100g以下就應該能滿足生產需要了。
五. 結論
(1)用旋轉噴吹法精煉鋁液最佳工藝參數組合：旋轉速度600 r/min；氣體流量0.4 m3/h；精煉時間6 min；靜置時間5min ，除氫率可達到70% 以上。
(2)旋轉噴吹法是一種有效的鋁液精煉方法，它具有精煉效果好、無污染、損耗小、精煉氣體消耗少等優點。
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