[发明专利]铝及铝合金熔体原位还原精炼方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝及铝合金熔体原位还原精炼方法，特别涉及利用氮化物作为还原精炼剂对铝及铝合金熔体进行精炼处理的铝及铝合金熔体原位还原精炼方法。 

背景技术

熔炼铝及铝合金时，一般都要对熔体进行精炼处理，即通过各种化学或物理的方法除去熔体中的夹杂物和气体。 

铝及铝合金熔体中最主要的夹杂物是氧化铝(γ-Al₂O₃)，其次是很少量的精炼熔剂残留下来的熔盐夹杂物和其它非金属夹杂物。一般说来，前者形成的原因比较复杂，有铝锭与回炉料(尤其是碎屑状和铝箔状的回炉料)带入的，有因熔炼工艺不当而新增加的；但后者形成的原因则比较简单，一般为精炼熔剂化学成分不当、制造工艺不合理、与铝液分离性差、即使静置足够时间反应物也不能完全上浮至液面所致。 

铝及铝合金熔体中最主要的气体是氢气H₂。氢气的来源也是多种多样的，潮湿的空气、原料上未除净的油污、熔炼时不正确的工艺等，都是造成熔体中氢含量升高的原因；氢气的来源与氧化铝夹杂物也密切相关，这主要是因为原材料尤其是表面积很大的回炉料表面的氧化铝夹杂物在电镜下实际上是呈蜂窝结构的，这种蜂窝结构特别适宜于储存水汽，从而导致熔体中氢含量增高。 

因此，除气与除杂是两个密不可分的过程，而且，随着研究的深入，人们认识到除杂比除气更重要。 

目前，用于除去铝及铝合金熔体中Al₂O₃与H₂的方法一般有两大类、七种以上的方法。两大类是指吸附精炼法和非吸附精炼法；其中，吸附精炼法 包括浮游法以及过滤精炼法(活性过滤与非活性过滤)；非吸附精炼法包括真空法、超声波法、电磁场法以及等离子体法等。 

具体来讲，浮游法一般是通过各种方式向熔体中分别通入或加入气体精炼剂(如氯气、氮气、氩气等)、液体精炼剂(如CCl₄和TiCl₄等)及固体精炼剂等用以精炼。通入或加入精炼剂的手段主要有直管喷吹、旋转喷吹等。上述气体精炼剂中目前用得较多的是高纯氮气和氩气。上述固体精炼剂一般用多种盐类的熔化反应物或机械混合物加工而成(一般含有NaCl、KCl、Na₃AlF₆等基本成分)，有直接将其加入炉内精炼的，也有在线通过旋转喷吹设备加入的。目前固体精炼剂成分复杂、莫衷一是、效果参差不齐，无论是加工生产精炼剂本身、还是使用本身都有不同程度的污染，而且精炼后造成Al元素比较大的损失。浮游法的本质是通过各种熔剂在铝及铝合金熔体中产生各种气泡并把熔体中的夹杂物和氢吸附于其中、最后上浮至熔体表面、而后清除掉。 

过滤精炼法包括活性过滤与非活性过滤，其原理是依靠过滤剂的吸附作用或机械阻挡作用净化铝液。过滤剂可分为活性过滤剂与非活性过滤剂。活性过滤剂是依靠过滤剂(如萤石、冰晶石)的吸附作用清除氧化夹杂物，与此同时它也借助了过滤剂的机械阻挡作用。非活性过滤剂则是完全依靠机械阻挡作用去除氧化夹杂物，严格地说，它是属于下述物理法的范畴。现在工业上用得比较多的是陶瓷过滤和纤维过滤。过滤精炼法可以在一定程度上除去夹杂物，但一般难以除净，除气效果更不显著。 

真空法的原理是真空下熔体析出氢气的倾向很强、从而在氢气泡上浮的过程中带走了氧化铝夹杂物，但这种方法不太适合现代大工业使用。高声强超声波对铝熔体有显著的除气效果，但去除夹杂物的能力有限，这是因为超声波所具有的声流效应常常又同时干扰了其除杂的能力，它可以作为在线处理的一种补助手段、如安装在结晶器附近，但不能作为工业生产线上的主要手段。电磁场法和等离子法精炼铝及铝合金熔体的技术目前还不是很完善。 

无论上述哪种方法，它们至少有一个共同点，那就是都是使氧化铝夹杂物上浮到熔体表面并除掉之。然而，这些方法还有另一个共同的不足点，那 就是都不易彻底除净熔体中的氧化铝夹杂物，即使是多次精炼，也会有夹杂物残留在铝熔体中，这些残留的夹杂物要么面积很大、厚实、不易为固体熔剂所润湿，要么尺寸很小、不易为各种手段所捕捉。 

没有精炼彻底的氧化夹杂物会增加铝熔体的粘度，影响铸件缩松的形成与分布，最终留在凝固合金中并至少产生两方面的不利影响：对铸造合金，它常常是疲劳裂纹优先扩展的通道；对变形合金，它一方面降低力学性能，另一方面，也会显著影响压延产品的表面质量和性能。