浅谈铝及铝合金熔体中的熔体净化方法
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熔体净化就是利用物理化学的方法和相应的工艺措施，除掉液态金属中各种杂质以获得成分符合要求的金属熔体的工艺方法。随着铝合金应用领域越来越广泛以及高性能铝合金的研制与问世，对铝合金熔体的净化技术提出了越来越高的要求。铝熔体净化的方法很多，不同的方法有各自的优缺点，实际生产中应根据原料所含杂质情况及对产品的质量要求进行合理选择。
如果按净化工序所在位置，铝熔体净化方法可分为炉内精炼和炉外净化过程。炉外净化过程也称在线精炼，就是从熔炼炉流放出的金属熔体在铸造成形之前进行的连续净化处理。因为铝合金熔体炉内处理，在熔体转注过程中又有二次污染的可能，为了提高净化处理的效果和保证熔体成形前的质量稳定可靠，炉外连续净化处理得到了迅速发展。根据对铸锭质量的要求，炉外在线精炼可选择采用以脱气为主、以除去非金属夹杂为主或同时兼顾脱气和除渣等不同工艺。目前方法主要有：玻璃丝布过滤法、泡沫陶瓷过滤法、无烟连续脱气和净化法、旋转喷嘴惰性气体浮选法。
如果按净化处理的主要杂质种类，铝熔体净化方法可分为除渣精炼和脱气精炼。
(1)铝熔体的除渣精炼。铝合金中的非金属夹杂主要是氧化物、氯化物、氮化物、硫化物以及硅酸盐等，它们大都以颗粒或薄膜状的独立相存在，对铝合金及制品性质产生很大的影响。目前，普遍采用的除渣精炼方法主要有静置澄清法、浮选法、过滤法和熔剂法。前三者分别利用密度差、吸附作用以及机械过滤作用的原理进行除渣。而熔剂净化法则是在熔体中加入适当的熔剂，与熔体中的杂质发生物理化学反应，生成轻质固相组分进入渣中，在除渣操作中予以排除，使熔体得以净化。
(2)铝熔体的脱气精炼。铝合金熔体中的气体主要是氢、氧、氮三种气体，而氢占80%~85%，因此，脱气精炼主要是指从熔体中去除氢气。在熔炼过程中，必须尽可能地降低熔体中的氢含量，否则在铝合金制品中会出现气孔、缩孔、疏松等缺陷，影响制品的使用性能。
根据机理的不同，脱气精炼可分为分压差脱气、化合脱气、振动脱气、电解脱气和预凝固脱气等方法。分压差脱气精炼法可分为气体脱气法、熔剂脱气法和真空脱气法，目前应用最广的是气体脱气法和熔剂脱气法。气体脱气法是使用气体作为吸附剂，在熔体中对气体杂质进行吸附，使杂质随气体的溢出而脱离熔体的方法。所用气体有惰性气体、活性气体和混合气体数种。
(1)熔剂净化法。它是利用熔剂对氧化夹杂的溶解和吸附能力，达到除杂的目的。实践表明，熔剂净化法的除气效果不如气体净化，但除渣效果比气体净化好得多。铝及铝合金熔炼铸造过程中所使用的溶剂主要有精炼剂、覆盖剂和打渣剂三大类，一般由碱金属的氯化物和氟化物组成。表11-1列举了它们的成分和用途。
表11-1 铝及铝合金常用熔剂的成分及用途
(2)惰性气体净化法。这里所谓的惰性气体是指不与铝液及溶解在铝液中的杂质起化学反应，又不溶解于铝液的气体。通常使用氮气或氩气。惰性气体被吹人铝液后，形成许多细小的气泡，气泡在上浮的过程中，铝液中的氢气被吸入气泡中，氧化物夹杂被吸附在气泡表面，随着气泡被带至熔体表面，氧化物夹杂形成表面浮渣，氢气则逸出进人大气。如果使用氮气精炼，除气速度较慢，不可能将熔体内的气体除净，对非金属杂质的净化作用则很小，而且氮气在高温下与铝反应生成氮化铝。因此氮气净化法只适用于对产品含氮量要求不太高的铸造生产。
(3)活性气体净化法。铝及铝合金净化所用的活性气体主要是氯气。氯气不溶解于铝液，但能与溶解在铝液中的气体及夹杂物发生化学反应，生成不溶解于铝液也不与铝液发生化学反应的化合物，或者生成不溶解于铝液但能吸收氢气的气体，然后上浮将铝液中的氢带出。
生成的HC1和AlCl3在熔炼温度下都为气态，都不溶解于铝液，与未参与反应的Cl2一起起到净化作用，净化效果比氮气好得多。但Cl2、HC1、AlCl3都对人体健康十分有害，严重污染环境，对设备和加热元件也有很强的腐蚀作用，且容易使合金铸锭组织粗大。因此使用时要加强防护和环境治理，还要采取技术措施，防止组织粗大，保证产品质量。
(4)混合气体净化法。为了对惰性气体净化法和活性气体净化法取长补短，以提高精炼效果，减少其有害作用，常采用惰性气体和活性气体的混合气体净化法。常用的混合气体有两种：M2-Cl2二元混合气体和N2-Cl2-CO三元混合气体。二元混合气体的混合比例采用9:1或8:2的效果较好。三元混合气体的混合比例常采用8：1：1。混合气体净化法主要发生如下反应：
生成的AlCl3和CO2都有精炼作用，所以较明显地提高净化效果。
(5)气体一熔剂混合净化法。惰性气体中常含有一定量的水分和氧，在吹入铝液形成细小气泡时，在气泡表面形成很薄但很致密的氧化膜，这层氧化膜往往覆盖全部气泡表面，阻碍铝液中的氢进入气泡，降低净化效果。如果在净化气体中加入少量熔剂粉末，一同吹进铝液后，熔剂粉末熔化，形成熔剂膜包围着气泡表面，在防止铝液与惰性气体中的水分直接接触的同时，将气泡表面的氧化膜溶解、吸附，使其瓦解。这时铝液中的氢经熔剂膜进入气泡，要比经氧化膜进入气泡容易得多，速度快得多，净化效果显著提高，能使产品达到较低的含氢量。而且熔剂膜能提高气泡表面活性，加强了吸附除渣能力，除渣效果也比较好。
(6)电磁场精炼。电磁场精炼是利用铝熔体与非金属夹杂之间的导电性差异，在强大的电磁场下将它们分离的净化技术，可快速去除铝熔体中小于40μm的微细夹杂物。电磁场精炼方法有恒定磁场法、交变磁场法、行波磁场法和旋转磁场法。