對鋁合金熔煉阻燃方法及爐渣處理方法的探究
2007-01-01 00:00:00彭先亮
現代商貿工業 2007年4期
摘 要：鋁合金在熔煉澆鑄過程中容易發生劇烈的氧化燃燒。熔劑保護和氣體保護是目前國內外應用最為廣泛的鋁合金阻燃方法，但同時帶來了環境污染等問題。因此，人們希望通過合金化的方法達到阻燃的目的，并且已經取得了進展。正確的處理鋁爐渣，回收渣中的鋁來降低熔損具有重要的意義。
關鍵詞：鋁合金；阻燃；爐渣；方法
鋁合金具有比重小、比強度和比剛度高、阻尼性能好、切削加工性能好等優點。過去鋁合金主要應用在航空航天領域，隨著汽車、電子工業的迅猛發展，鋁合金正在得到更加廣泛的應用，預計鋁合金將成為21世紀的重要輕質高強度材料。但是一些阻礙鋁合金大規模應用的關鍵技術還沒有解決，鋁合金在鑄造、鍛壓和熱處理過程中發生的氧化燃燒就是其中之一。多年來人們一直致力于尋找阻止鋁合金在熔煉過程中氧化燃燒的方法。
1 合金化阻燃
添加合金元素到鋁合金中，在熔煉過程中形成象Al2O3那樣致密的氧化膜，便可阻止鋁的氧化。通常添加元素與氧的親和力要求大于鋁與氧的親和力（一般可用元素氧化物的生成熱大致表示親和力的大小）；還要求致密度系數α值大于1，但也不盡如此，如鈣的α值只有0.69，但在鋁合金中添加一定量的鈣，阻燃性能卻提高很多。
很早以前，人們就知道在鋁合金中添加鈣、鈹等元素可以提高鋁合金的阻燃性能，但由于受到添加量的限制，長期以來只是做為提高抗氧化性的輔助措施，然而最近的研究取得了新的進展。①鈣：日本較早有專利報道鋁合金中添加鈣可以阻燃；英國人哈德的研究表明鈣可以增強液態鋁的抗氧化性能。日本九州工業研究院的秋山茂等人研究發現，當純鋁中添加的鈣含量達到5%時，出現第一個氧化燃燒點時的溫度比純鋁的提高約250℃，而且只要不發生機械破壞，燃燒點就難以產生；且證實在鋁鈣二元合金的表面生成了一層致密的氧化膜，其主要成分是氧化鈣。但是由于添加大量鈣會嚴重惡化鋁合金的機械性能，使這一方法無法應用于生產實踐。②鈹：鈹與氧的親和力大于鋁與氧的親和力，而且氧化鈹的α值大于1，十分致密，可以阻止鋁合金進一步氧化。但是鈹含量過高時，會引起晶粒粗化和增大熱裂傾向，因此一般鋁合金的含鈹量限定在0.02%以內。最近的研究表明，如果鈹增加到一定程度，可以極大地提高鋁合金的阻燃性能。與此同時采取其它措施，不僅可以將晶粒降低到原來的尺寸，提高合金的機械性能，而且這種合金還具有比原合金更好的流動性和抗熱裂性能。消除了過量鈹元素帶來的負作用，形成了具有阻燃性能的新型鋁合金，但是這一合金應用到實際生產中還有很多問題待解決。在以后的熱處理和機加工過程中也會減少鋁燃燒著火的危險，同時對環境也不會產生嚴重污染，因此有極大的應用前景。
2 金阻燃的方法
2.1 熔劑保護法
熔劑保護法是利用低熔點的無機化合物在較低的溫度下熔化成為液態，在鋁合金液面鋪開，阻止鋁液與空氣接觸，從而起到保護作用。覆蓋劑一般要滿足以下要求：熔點比鋁合金的低，密度比鋁合金的小，較小的粘度，不含有對金屬液質量有害的雜質及夾雜物。
根據以上要求，同時考慮熔劑的氧化親和性應比鋁合金的更強，一般選擇堿金屬和堿土金屬的氟化鹽和氯化鹽，其中也包括氧化鋁和惰性氧化物。
2.2 熔劑阻燃的缺點
雖然熔劑阻燃法簡便易行，且保護效果好，但是存在以下缺點：
（1）熔劑的主要成分是鹵族鹽，在使用過程中產生大量有刺激性氣味的氣體（如 HCl、Cl2），給環境造成危害。
（2）在澆鑄過程中熔劑易混入鑄件，產生熔劑夾雜，損害合金的機械性能和耐腐蝕性能。
（3）當合金中含有稀土元素時，熔劑與稀土元素發生反應降低了稀土添加劑的實收率。鑒于以上原因，熔劑保護法的應用在國外已經大大減少。
3 氣體保護法
3.1 常用保護氣體
在發達國家，通常用氣體保護熔煉鋁合金且取得了較好的效果。氣體保護是在鋁合金液的表面覆蓋一層惰性氣體或者能與鋁反應生成致密氧化膜的氣體，從而隔離空氣中的氧。目前用的主要保護氣體是SF6、SO2、CO2、Ar等。
3.2 SF6混合氣體保護方法
單純SF6覆蓋其保護作用只能維持幾分鐘，為了達到滿意效果，一般在SF6氣體中混合空氣和其他氣體如干燥的CO2。目前一般認為采用SF6混合氣體保護鋁合金熔液的方法是最好的。它幾乎是一種無毒的保護方法，同時，不含有熔劑夾雜，極大的提高了合金的抗腐蝕性能。實踐證明，SF6混合氣體保護熔煉的高純AZ91E鋁合金的抗鹽霧腐蝕性能超過了低碳鋼和鋁合金A380。因此SF6混合氣體保護方法在國外得到廣泛的應用，但是在國內很少采用。
4 降低鋁熔損的爐渣處理方法
4.1 減少鋁爐渣的措施
鋁合金熔煉過程中，隨著渣量增加，鋁的熔損也增多，而渣量的多少與熔煉溫度、爐料狀態、生產工藝等因素有關。我廠從以下幾方面減少渣量：
（1）合理的爐子幾何尺寸及加料順序；
（2）嚴格控制熔煉溫度，防止過熱，火焰噴射應有一定的角度，以便快速熔化，縮短熔煉時間；
（3）合適的熔劑量和精煉時間，攪拌要平穩，不破壞熔體表面氧化膜，適時對鋁熔體覆蓋；
（4）對廢雜鋁分類、清洗，對比表面積大的細碎爐料用壓力機打包；
（5）扒渣前對渣處理。
4.2 對爐渣的處理
（1）扒渣前的處理。
精煉后浮到熔體表面的渣，與熔體的浸潤性較好，濕潤角小于90°，渣中混有相當數量的熔體，這一部分熔體呈顆粒狀分散在渣中，與渣粘附在一起。熔體溫度低時兩者的濕潤性更好，若此時扒渣，隨渣帶出的熔體重量約是渣重量的60%。我廠將爐渣量1‰～2‰的造渣劑均勻地撒地熔體表面，來減少渣中的含鋁量。造渣劑與鋁液的反應如下：
Na2SiF6→2NaF+SiF4
2NaF+Al2O3→NaAlO2+NaAlOF2
4NaF+2Al2O3→3NaAlO2+NaAlF4
6NaF+Al2O3→2AlF3+3Na2O
反應物AlF3與鋁、氧發生放熱反應，所釋放的熱量，使粘性熔渣成為松散粉末狀的干性渣。這樣，鋁熔體與渣中氧化物的濕潤性變小，使混在渣中的顆粒狀鋁滴脫離而出，回到熔體中。
（2）出爐后的鋁渣處理。
應當指出，經過上述處理后扒出的渣仍混有鋁滴。我廠在扒渣時，首先將其扒入帶有孔眼的鐵箱內，使一部分粘附在渣上的鋁熔體可滲漏出。扒渣完畢后，再將渣倒入準備好的坑內（經特殊處理），向渣中撒一些造渣劑，同時攪拌，使渣與造渣劑混勻，5～10min后從坑內將渣扒出。依靠造渣劑的快速升溫作用使渣溫達到950℃左右，渣中鋁滴周圍的氧化膜破裂，而鋁滴借助自身重力逐漸匯集落到坑底。
經過二次處理的渣就只含有較少量的鋁粒了，將冷卻后的渣存放在一定地方，從中揀選其中的鋁粒。
