鑄造鋁合金熔煉過(guò)程的質(zhì)控原理與實(shí)踐

皮遠(yuǎn)岸

摘 要：在鑄造鋁合金產(chǎn)品的生產(chǎn)實(shí)踐中，根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比及理論分析筆者得出了以下結(jié)論：即鋁合金在進(jìn)爐熔煉到進(jìn)機(jī)壓鑄前這個(gè)階段的工藝控制好壞將直接影響到產(chǎn)品合格率的高低。如果失控在產(chǎn)品上主要的失效模式是氣孔和雜質(zhì)含量會(huì)成倍增加，而這些缺陷在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中屬原始缺陷，就是說(shuō)在其后的生產(chǎn)中再如何正確調(diào)整控制參數(shù)收效是不大的。氣孔將造成產(chǎn)品滲漏及強(qiáng)度降低而報(bào)廢，雜質(zhì)將造成合金力學(xué)性能降低特別是延伸率、沖擊韌性及疲勞強(qiáng)度。因此如何控制好這一階段將關(guān)乎到降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、增強(qiáng)企業(yè)竟?fàn)幜Φ拇髥?wèn)題，下面根據(jù)作者的實(shí)踐就控制的原理及方法做簡(jiǎn)要論述。

關(guān)鍵詞：鋁合金；熔煉；質(zhì)控原理

1 質(zhì)量控制的原理

1.1 鑄造鋁合金熔煉的目的

鋁合金熔煉是一個(gè)爐科的重熔及化學(xué)成分調(diào)整的過(guò)程。熔煉的主要目的是獲得高質(zhì)量的鋁液供鑄造使用。主要要求是：第一所用鋁合金的成分應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，合金液成分均勻；第二合金液純凈、氧化夾雜物、氣體、熔劑夾雜物含量低。關(guān)于上述第一點(diǎn)可在工藝設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定來(lái)料及鋁液熔煉過(guò)程中取樣進(jìn)行光譜分析從而達(dá)到控制的目的，本文不做詳細(xì)分析。第二點(diǎn)是本文闡述的重點(diǎn)也是控制的關(guān)鍵。

1.2 關(guān)于雜物、氣體的來(lái)源問(wèn)題

鑄造鋁合金的雜質(zhì)分兩種：一種是混入的有害元素如Fe等，但如果嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)和生產(chǎn)，F(xiàn)e與外來(lái)雜質(zhì)混入的量是有限的，不會(huì)造成大的質(zhì)量問(wèn)題。另一種主要的、影響較大的雜質(zhì)和氣體是鋁液在高溫作用下吸氣吸氧產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成的，這是要重點(diǎn)分析和控制的。由于鋁合金的熔煉通常是在大氣中進(jìn)行，因此當(dāng)鋁液和大氣或爐氣中的O2、N2、H2O、CO2、CO、H2等接觸將不可避免會(huì)產(chǎn)生化合、化分、溶解、擴(kuò)散過(guò)程。據(jù)資料及鋁合金液中的氣體成分分析表明：合金液中的雜質(zhì)及氣體大部分是由鋁液與氧氣及鋁液與水氣在高溫下的自發(fā)反應(yīng)生成的雜質(zhì)Al2O3及原子氫組成，其中Al2O3一旦生成就很難溶解，因?yàn)樗娜埸c(diǎn)高達(dá)2050°C，而氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占含氣量的85%以上，因此可以近似地說(shuō)除氣就是除氫。通過(guò)上面的分析看出，除氫及去除Al2O3是制定工藝控制質(zhì)量的關(guān)鍵，下面是化學(xué)反應(yīng)方程式。

Al（鋁液）+3/4O2（氣體）=1/2Al2O3（固體）——1

ΔG°=-194426+38.80T

2Al（鋁液）+3H2O（氣體）= Al2O3（固體）+3H2（氣體） ——2

H2（氣體）=2H ——3

2式與3式合并得：

2Al（鋁液）+3H2O（液體）= Al2O3（固體）+6H ——4

ΔG°=-67624-19.39T

ΔG°——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)吉布斯自由能（Gibbs）

上方程式自發(fā)反應(yīng)方向取決于吉布斯自由能的數(shù)值正負(fù)

ΔG=0 平衡 ΔG<0 過(guò)程自發(fā) ΔG>0 逆過(guò)程自發(fā)

通過(guò)4式的方程關(guān)系再根據(jù)其相對(duì)原子質(zhì)量可求的各成分的質(zhì)量比為： 2×27Kg：3×18Kg ——→ 1×102Kg：6×1Kg

假設(shè)所產(chǎn)生的氫為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的分子氫，則將氫換算成體積，上式可表示為： 18Kg：18Kg ——→ 34Kg：22.4dm3

化簡(jiǎn)后得： 1g：1g ——→ 1.9g：1.244cm3

上式表明，1gAl與1g水（或水蒸汽）發(fā)生反應(yīng)，將生成1.9g Al2O3和1.244cm3的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氫氣。這說(shuō)明，即使是極其微量的水或水汽，對(duì)鋁合金鑄造來(lái)說(shuō)，也是不容忽視的產(chǎn)生氣孔缺陷的根源。

1.3 除氫及去除Al2O3的原理

以上分析了鑄造鋁合金熔煉中影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要雜質(zhì)和氣體的來(lái)源，并對(duì)它們?cè)谧园l(fā)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)方向上的產(chǎn)生物氫原子和Al2O3的比例進(jìn)行了量化分析，但如何去除它們以達(dá)到熔煉要求的目的是下面要分析解決的問(wèn)題：

1.3.1 除氫的原理

由于溶入鋁液的氫含量與溶液表面上的氫分壓服從以下著名的Sieverts公式：

由上式可以看出，熔液溫度下降或減少爐氣中的氫分壓PH2都可以降低鋁液中的氫含量。因此采用往鋁液中吹入惰性氣體如氮?dú)猓纯稍阡X液內(nèi)部形成許多氫分壓為零或氫分壓較低的氣泡，在濃度差的驅(qū)使下，鋁液中的氫原子會(huì)向氮?dú)馀葸w移，最終在氣泡表面形成氫分子直至氣泡中的氫分壓PH2上升到與鋁液中的氫分壓達(dá)到平衡時(shí)為止。在這個(gè)過(guò)程中，惰性氮?dú)馀輲е鴼湟莩鲣X液。

1.3.2 除Al2O3夾雜物的原理

惰性氮?dú)馀葸€有另一個(gè)作用那就是可吸附鋁液中的Al2O3夾雜物，它們之間的吸附是一物理吸附過(guò)程，其原理解析如下：

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一個(gè)系統(tǒng)表面能降低的方向，即為過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行的方向，故Al2O3夾雜物自動(dòng)吸附在氮?dú)馀萆蠎?yīng)滿足下式：

S—鋁液中Al2O3夾雜物被氮?dú)馀菸胶螅舜讼嘟佑|的面積S（m2）；

δG1—?dú)馀菖cAl2O3夾雜物之間的表面張力（J/m2）；

δM1—鋁液與Al2O3夾雜物之間的表面張力（J/m2）；

δMG—鋁液與氣泡之間的表面張力（J/m2）；

上關(guān)系式化簡(jiǎn)后為：δG1<δM1+δMG ——7

經(jīng)研究資料表明鋁液與Al2O3夾雜物之間互不濕潤(rùn)，且接觸角θ約等于134°，根據(jù)以上三種張力在鋁液中的力學(xué)關(guān)系可列出下式：

從以上結(jié)果看出，三種張力δG1、δMG、δM1都是正值，故7式的關(guān)系成立，也就是說(shuō)，鋁液中的Al2O3夾雜物能自動(dòng)地吸附在氮?dú)馀萆希S氣泡上浮而被帶出液面。如果不斷向鋁液中通入氮?dú)猓纬尚D(zhuǎn)氣泡流，既能不斷地從鋁液中帶走Al2O3夾雜物。因此通入氮?dú)獾姆椒ú坏蓪鋷ё哌€可以將Al2O3夾雜物帶走，需要注意的是通氮?dú)獾臏囟葢?yīng)控制在710°-720°C間，因?yàn)闇囟忍停档蜌涞臄U(kuò)散系數(shù)，溫度過(guò)高，將生成大量AIN夾雜物，同樣會(huì)污染鋁液。另外為了保證除氣質(zhì)量還應(yīng)規(guī)定氮?dú)馄恐械膚（O）含量應(yīng)低于0.03%，水份含量應(yīng)低于0.3g/m2。

2 質(zhì)量控制的方法與效果

在以上論述里指出了鑄造鋁合金開(kāi)放式熔煉過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的主要有害物質(zhì)及氣體是Al2O3夾雜物和氫，并進(jìn)一步就如何去除它們進(jìn)行了原理分析。根據(jù)分析中給出的方法，我們選擇了英國(guó)福士科鋁液自動(dòng)處理站作為去除Al2O3夾雜物和除氫設(shè)備，該設(shè)備是通過(guò)帶特別設(shè)計(jì)的石墨轉(zhuǎn)子進(jìn)入鋁液一定的深度后旋轉(zhuǎn)釋放高純氮?dú)馀莶⑤o以一定量的精煉劑根據(jù)前節(jié)所說(shuō)的原理將氫氣及Al2O3夾雜物帶到液面去除。該設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以大量地去除鋁液中的氫和夾渣，除氫的比例大于65%，因此可大大降低鑄件的針孔、氣孔和渣孔報(bào)廢；設(shè)備自動(dòng)一鍵化操作，降低人為因素對(duì)鋁液品質(zhì)的影響，確保鋁液品質(zhì)的穩(wěn)定性；整個(gè)除氣除渣過(guò)程需要3-4分鐘，效率高，同時(shí)可以減少鋁液溫度的損失；人工撇出的鋁渣呈干燥灰色粉末狀，渣中含鋁量極低，大大降低鋁液的損失，節(jié)省了成本。（設(shè)備見(jiàn)圖1）

我在制定鋁液處理工藝時(shí)，根據(jù)我公司所用鑄造鋁的特點(diǎn)配以合適的處理溫度、時(shí)間、攪拌深度、速率等參數(shù)及選取合適的氮?dú)狻⒕珶拕┡浔取２⒃谏a(chǎn)實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)一段時(shí)間的努力，產(chǎn)品的合格率已由原來(lái)未使用該設(shè)備的60%左右提高到現(xiàn)在使用該設(shè)備后的95%以上，達(dá)到了理想的預(yù)期效果。

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