鋁合金除鐵技術研究進展

楊途才 ，韋美玲 ，楊丹，李倩韻

(1.百色學院材料科學與工程學院，廣西 百色 533000；2.百色學院生態鋁產業學院，廣西 百色 533000；3.廣西壯族自治區鋁基新材料工程研究中心，廣西 百色 533000)

1 概述

鋁合金是一種可以回收并循環利用的可持續資源，具有良好的力學、鑄造、機械加工等性能，加上其冶煉工藝較為簡便，現已被廣泛運用于電力、軍工、汽車、包裝、航空及石化等國民經濟領域，并成為鋼鐵以外的第二大消費量金屬材料。隨著我國節能減排的環境保護政策的實施，以往依賴自然資源、能源消耗的電解鋁產業受到一定沖擊，并從側面推動了再生鋁產業的進步與發展。與電解鋁相比，雖說再生鋁擁有較好的經濟效益，但高性能的鋁合金所允許的含鐵量范圍極低，而再生鋁包含的鐵雜質便成為阻礙其發展與應用的難題。在鋁合金中，雜質鐵不僅很難完全凈化去除，還會在回收過程中不斷累積，形成很高的含量，從而嚴重影響鋁合金在抗腐蝕性、機械加工等方面的性能。由此可見，若要鋁合金產業朝著高性能方向發展，行之有效的鋁合金除鐵技術則是關鍵，對除鐵技術進行持續研究與廣泛關注，對我國鋁合金產業的持續進步與健康發展有十分重要的現實意義。

2 鋁合金除鐵技術研究

2.1 重力沉降法

在鋁合金中，鐵、鉻、錳等化合元素的密度比鋁液大得多，當處于合金液體靜置保溫階段時，富鐵相會產生重力偏聚。重力偏聚經常出現于工業壓鑄生產中，由于壓鑄合金液體的保溫溫度與澆鑄溫度都很低，而鋁合金壓鑄過程中鐵、鉻、錳等的金屬間化合物含量比較高，Al(FeMnCr)Si 形式的中間相就比較容易形成，并沉降集中于爐子的底部。何學峰等通過重力沉降法對鋁合金中的金屬間化合物進行分離，發現越是接近模鑄的下方，金屬間化合物的體積分數、化合物個數及相應的尺寸便會越大，其沉淀速度及依據符合Stokes 定律的計算值[1]。鋁合金中鐵的固相體積分數會對重力沉降產生直接影響，當固體相體積分數不多于可以形成固態連接相臨界值0.2～0.6 時，沉降便會發生。劉天寶研究表明固相體積分數超過臨界值時，重力沉積將會被固體顆粒所抑制，固相體積分數比臨界值低時，固相顆粒沉積的規律便符合Stokes定律[2]。另外，若要重力沉降法達到較好的除鐵效果，對合金液的保溫溫度進行控制，并提升富鐵相的密度與熔點是關鍵。一是要使富鐵相穩定存在于鋁合金熔體中；二是要延長保溫的時間，促使富鐵相的尺寸能夠成長到一定狀態，并讓其自身重力得到增加，從而更好地克服合金液間的黏度阻力并發生沉降。

2.2 離心分離法

離心分離法與重力沉降法的除鐵原理較為相似，均是對合金液本身與析出富鐵相之間的密度差進行利用。柏佑等通過離心分離法對鋁合金中的鐵元素含量進行降低，先是將特定溫度下的Be 元素加入至鋁合金液體中，然后對其進行一定時間的保溫，使其形成的富鐵相密度更大，再利用離心力分離富鐵相與合金熔體[3]。離心分離法除鐵技術主要是通過離心力的影響，促使那些密度高于液相的高熔點含鐵金屬間化合物被集中于分離器的外壁。富鐵相需要較長時間來進行自由沉降，導致除鐵效率較低，而離心分離的去除方法可以對轉速進行調節，通過各種大小的離心力讓富鐵相偏移的速度增快，從而提升整體的沉降效率。然而，在實際應用過程中由于各方面因素的制約，難以對大批量的合金液進行連續的處理與操作。同時，經過離心分離法處理后的合金液必須立馬轉入熔煉爐中進行加熱保溫，而在進行轉爐操作過程時，既難以方便地進行操作，還會浪費大量的合金液。有研究將離心分離法應用于Al-11Si-2Fe 合金中，在離心力的作用下，高熔點的鐵相會被甩到外層，存于內層的便是凈化后的鋁液。模鑄在經過處理后，能夠清晰看到聚集于外層的雜質。當轉速大于16.6 r/s 時，處于里層的雜質顆粒就會被完全分離出來，鐵的含量可以降低到0.1%～0.2%(質量分數)[4]。

2.3 電磁分離法

電磁分離法實現除鐵目的方式是依靠雜質鐵顆粒在熔體中的運動，雜質顆粒與熔體之間的導電性差異是決定電磁分離夾雜的驅動力的關鍵，而與鐵顆粒的密度、化學成分與狀態等都毫無關系。研究發現，當雜質與熔體間密度相差較小時，電磁分離法便顯得十分適用[5]。與重力沉降法、離心分離法相比，電磁分離法不會受到動力學的限制，并且對細小富鐵相的凈化效果更加理想，更加有效。使用電磁分離法在對富鐵相進行除去時，電磁場給予壓力的方式比較靈活，且電磁力的密度也能夠持續進行調整，相對而言具有更加穩定、高效率、無污染的特征。總體來說，電磁分離法主要是依賴電磁場的作用力，通過調節感應電流使富鐵相平穩、勻速地聚集于隔板壁上，以此對細小雜質進行除去，并增加富鐵相的過濾效果，讓鋁合金的清潔度達到更高標準。同時，電磁分離法既不用接觸處理，也不需要使用任何熔劑，更不用擔心污染鋁合金熔體及環境等問題。許銳等將電磁分離法應用于A380 鋁合金的回收中發現：處于垂直磁場中的鋁液，感應電流會產生洛倫茲力F，而且對那些導電性較差的富鐵金屬間化合物有著主要作用。因此，富鐵相會朝著電磁力的反方向移動，從鋁合金中分離出來，鐵含量會由1.64 %降至0.45 %(質量分數)[6]。

2.4 添加中和劑

鋁合金中的鐵元素與其他元素作用后會產生針狀或片狀的富鐵相，而在鋁合金中添加中和劑，便能抑制富鐵相形態的變化，促使其朝著漢字狀或塊狀的形態轉變，以此從一定程度上降低鐵相對合金的負面影響，改善并提高鋁合金的強度、機械性能與力學性能。趙靜蕊對中和劑混合加入會對富鐵相產生何種影響進行了研究：單獨添加Be，富鐵相會變成六角形狀；將Be 與Cr 同時添加時，富鐵相會呈現漢字狀；添加適當比例的Be、Cr、Mn，富鐵相會變成粗大的漢字狀或不規則的形狀[7]。在工業生產中，常用的中和劑有Mn、Sr、Mo、Co、Be、Cr 等。其中，錳是經常使用的中和劑，其能夠有效溶解鋁合金中的鐵，對β-Fe相的產生進行抑制的同時，還能降低β-Fe 相對合金的危害，然而錳并不能將鋁合金中鐵完全消除，且只能減少鐵對鋁合金的一部分損害。常見的中和劑還有鉻和鈷，鉻可以對鋁合金的延伸率進行大幅度地提升與改善，鈷可以使鋁合金的富鐵相變成球狀鐵相。此外，在對鋁合金進行除鐵時，既可以添加某一種中和劑，也可以同時添加多種中和劑來使鐵相的外觀發生改變。

2.5 硼化法

硼化法是在鋁合金中添加以硼化物為主要成分的除鐵劑來凈化與清理鐵雜質。當含有硼化物的熔劑添加至鎂合金熔體中，可以有效降低鐵的含量[8]。硼化法的除鐵原理主要是依賴鐵元素與硼元素之間的化學反應，當硼化物與鋁合金中的鐵形成鐵硼化合物后，便可以利用熔劑的吸附作用輕易將其捕獲，并在爐中被溶解去除。研究發現，硼化物的除鐵機制是鋁合金中的雜質鐵與硼元素產生化學反應，并生成了Fe-B 化合物，然后通過熔渣的形式被捕獲排出[9]。熔劑的除鐵能力由兩方面內容決定：一是熔劑和鋁合金之間的化學作用；二是熔劑對鋁合金中鐵硼化合物相產生的吸附作用。當熔劑中的硼化物含量較高，并且與鋁合金的接觸面積較大時，便能使熔劑與鐵相之間的界面張力更小，讓除鐵的效果更好。現階段，硼化法經常使用于導電鋁的除鐵。硼可以改變導電鋁中V、Ti、Zr、Cr 及其他部分元素的狀態，使其由固溶形態變成沉淀狀態，從而使導電鋁中的雜質減少。同時，硼可以使鐵在鋁液中沉淀，當鐵沉降到爐底后，便能夠將鋁合金中的鐵除掉。孫德勤等將硼砂作為除鐵劑，并添加于A356 鋁合金中，隨后利用泡沫陶瓷對鋁液進行過濾，除鐵率可以高達65.6%[10]。王言兵認為將硼砂添加至純鋁中，其含鐵量會從0.140%降低至0.087%(質量分數)；將硼砂添加至ADC12 中，含鐵量會從0.52%降低到0.27%，對鐵的去除率達到48.08%，同時建立了硼砂溶劑來除鐵的擴散動力學模型[11]。

2.6 熔體過熱法

研究表明鋁合金熔體澆注前過熱能，可以有效阻礙并減少富鐵相的形核[12]。利用熔體過熱法對鋁合金進行除鐵，無須添加任何元素便能使鐵相的外觀發生改變，并且對絕大多數的鋁合金均有效果。通過熔體過熱法的運用，鋁合金在充分過熱的條件下可以降低富鐵相的形核，并使β-Fe 相的形成得到有效抑制。同時，隨著熔體的熱度不斷增加，鐵相的外觀將會出現進一步的改變。譬如，鋁合金的含鐵量在0.8%～1.0%之間時，如果熔煉溫度不斷升高，鐵相的形態便會由針狀轉變成球狀或者花朵狀。同時，在對鋁合金鑄造過程中，其液態結構產生變化后會對鐵相形態改變有著一定影響。當溫度達到某一數值時，鋁合金液態結構會產生多晶形轉變，如果將鑄造合金升溫至結構變化溫度以上，再對其進行快速冷卻，就能夠有效抑制初生鐵相成長為粗大的針片狀，促使凝固組織出現顯而易見的改變。段瑞斌等研究表示，當鋁合金的含鐵量在1.2%(質量分數)時，對其進行840 ℃的澆注試驗，富鐵相會呈現針片狀；合金液在920 ℃時澆注，富鐵相會以球狀的形態存在；合金液在840～920 ℃時，絕大部分的富鐵相都變成薔薇狀，只有少量呈現針狀或球狀[13]。

3 結語

我國對高性能鋁材的需求量十分巨大，推動鋁產業的升級調整及長遠發展，必須通過一系列的行之有效的措施來提升鋁合金的純凈度，特別是對鐵雜質的抑制與去除。鐵雜質的存在嚴重危害了鋁合金的各種性能，且不能在凈化過程中被輕易去除，這從一定程度上限制了鋁合金的品質，還阻礙了我國再生鋁行業的發展。目前，我國對鋁合金除鐵主要是利用重力沉降、離心分離、電磁分離、使用中和劑等技術手段，但這些技術方法還尚未達到最佳的除鐵效果。因此，還需要對鋁合金除鐵技術進行繼續研究，才能有效推動鋁合金行業的健康、持續發展。