1、前言

    鋁及鋁合金在熔煉過程中，表面極易被氧化生成Al2O3, 同時也極容易吸進氣體，特別是氫氣。由于氫和氧化夾雜物的存在，會影響鑄棒的純凈度，使鑄棒產生氣孔、夾渣等缺陷，容易造成后工序成品缺陷，特別是大鑄錠鋁棒，如果含氫量高或雜質含量高，極易在擠壓過程中發生氫脆和膛模現象，對產品質量和生產效率有很大的危害。因此，在實際生產中，我們需采用合理的凈化方法提高鋁熔體的純凈度，為后工序提供優質的鋁棒。
 
2、鋁熔體凈化方法

    鋁合金熔體的凈化方法按其作用原理可分為吸附凈化與非吸附凈化兩個基本類型。吸附凈化是通過鋁熔體直接與吸附劑( 如各種氣體、液體、固體精煉劑及過濾介質) 相接觸, 使吸附劑與熔體中的氣體及固體氧化夾雜物發生物理化學、物理或機械的作用, 達到除氣除雜的目的。如吹氣法、過濾法、熔劑法等。非吸附凈化是指不依靠向熔體中加吸附劑, 而通過某種物理作用( 如真空、超聲波、密度差等) , 改變金屬與氣體系統或金屬與夾雜物系統的平衡狀態, 從而使氣體或固體夾雜物從鋁熔體中分離出來。如靜置處理、真空處理、超聲波處理等。

2.1 吹氣法

    吹氣法又稱氣泡浮游法, 是20世紀70 年代發展起來的鋁熔體凈化工藝，尤其對除氫有良好的效果。它是將惰性氣體( 如氮氣、氬氣等) , 通入到鋁熔體內部, 形成氣泡, 熔體中的氫在分壓差的作用下擴散進這些氣泡中, 并隨氣泡的上浮而被排除, 達到除氣的目的。氣泡在上浮的過程中還能吸附部分氧化夾雜, 起到除雜的作用。

    隨著對熔體純凈度要求的提高，除氫技術也在不斷的改善和發展，已從原始的單管噴吹到多孔吹頭，發展到目前的旋轉噴頭。20世紀80年代以來，采用旋轉噴頭吹氣處理方法已成為國外先進的鋁液凈化技術的主要發展趨勢，如美國聯合碳化物公司研制的SNIF法，即旋轉噴嘴惰性氣體浮游法。該設備設有兩個石墨制的氣體旋轉噴嘴，氣體通過噴嘴的轉子形成細小分散的小氣泡，同時隨著轉子攪動的熔體使氣泡均勻的分散到整個熔體中，增加了氣體與液體之間的接觸面積，延長了氣泡在鋁液中的運動距離和停留時間，使氣體體積增加，吸附熔體中的氣體和氧化夾雜物浮游到熔體表面，從而達到除氣、除雜的凈化效果。這種方法的除氫效率約為單管噴吹法的3倍。單管噴吹處理后熔體的含氫量約為0.2ml/100mg，而用SNIF法凈化處理后的熔體含氫量可以達到0.08ml/100mg以下。因此，各大鋁熔鑄廠也紛紛學習采用旋轉噴頭吹氣法對鋁液進行凈化處理。
          
2.2 過濾法

    過濾法主要是讓鋁熔體通過中性或活性材料制造的過濾器, 以分離懸浮在熔體中的固態夾雜物的凈化方法。該法主要去除熔體中的夾雜物, 對除氫效果甚微, 所以在實際應用中, 過濾法往往與吹氣法相結合運用。

    過濾方式有多種，效果最好的有剛玉過濾管和泡沫陶瓷過濾板。剛玉過濾管過濾效率高，但價格較昂貴、使用不方便；泡沫陶瓷過濾板是近幾年發展起來的新型陶瓷過濾材料，它的特點是使用方便、過濾效果好、價格低，在全世界廣泛使用，發達國家50％以上的鋁合金熔體都采用泡沫陶瓷過濾板過濾。目前，一般采用箱式泡沫陶瓷過濾板技術的較多，它是一套帶有氣體預熱蓋系統的過濾箱。鋁液從過濾板通過時，熔體中的夾雜物經過過濾器機械阻隔而達到排除分離的目的。這種方式過濾效果好，其過濾精度可為2μm，過濾效率達99％。

2.3 溶劑法

    熔劑法是在鋁合金熔煉過程中, 將熔劑加入到熔體內部, 通過一系列物理化學作用, 達到除氣除雜的目的。熔劑的除雜能力主要是通過與熔體中的氧化膜及非金屬夾雜物發生吸附、溶解和化學作用來實現的。熔劑和夾雜物之間的界面張力愈小, 熔劑的吸附性愈好, 除雜作用愈強。目前，較先進的做法是熔劑法和旋轉噴吹法相結合工藝方法——旋轉噴粉法。它是借助惰性氣體作為載體, 將熔劑以粉末狀噴入熔體來實現鋁合金的凈化處理，與傳統的方法相比，旋轉噴粉法的凈化效果更佳。值得注意的是，在生產中如果各種熔劑疊加使用，容易造成熔劑成本增高, 還會增加人為引入雜質的幾率。

2.4非吸附凈化法

    非吸附凈化法有: 靜置處理、真空處理、超聲波處理等。靜置處理是指將鋁熔體在澆鑄前靜置一段時間, 由于夾雜物的密度比鋁熔體的大, 所以夾雜物會自發下沉, 從而達到從熔體中分離的目的, 小顆粒的夾雜較難用該方法除去。

    真空處理是將熔體置于有一定真空度的密閉保溫爐內, 利用氫在熔體和氣氛中的分壓差, 使熔體中的氫不斷生成氣泡,并上浮逸出液面而被除去的方法。真空處理是降低鋁熔體氫含量最有效的方法, 但這種處理需要真空密封設備, 價格昂貴,而且會使熔體溫度的損失較大, 除雜能力也極為有限, 因此在工業生產中很少使用。

    超聲波處理是20世紀90年代發展起來的一項鋁合金熔體凈化方法, 其原理是利用存在于熔體中的微氣核空化泡在聲波的作用下振動，當聲壓達到一定值時發生生長和崩潰, 使液相連續性破壞成孔穴, 讓溶解在鋁液中的氣體聚集在一起, 超聲波彈性振蕩促使氣泡的結晶核心形成, 并促使氣泡聚集到一定尺寸, 從而促使氣體的析出。由于超聲波發生器的局限性, 該方法很難處理大批量的鋁熔體, 限制了其工業應用。

3、熔體凈化新工藝

3.1 永磁攪拌技術

    為提高鋁熔體的純凈度，減少金屬燒損，實際生產中宜采用一種非直接接觸式的攪拌方式來實現這一目的。永磁攪拌技術就是其中一種非直接接觸高溫熔體的攪拌技術。

3.1.1永磁攪拌機工作原理

    永磁攪拌裝置相當于一個使用永磁體磁場的電機，感應器相當于電機的定子，鋁熔液相當于電機的轉子。磁場和熔煉爐中的鋁熔體相互作用產生感應電勢和感生電流，這種感生電流又和磁場作用產生電磁力，從而推動鋁溶液作定向運動，起到攪拌作用。永磁攪拌的工作原理如圖1所示：

 
圖1 永磁攪拌工作原理圖

3.1.2永磁攪拌與人工攪拌的比較

    永磁攪拌與人工攪拌比較有如下優點：

   （1）被攪拌熔體化學成分均勻，提高熔體品質，減少了人為引起的化學成分均勻程度差異。在攪拌過程中由于熔體處于動態，從而有利于其中的非金屬夾雜物和氣體的逸出，提高了熔體的純凈度；
 
   （2）非直接接觸式攪拌，避免了人為對熔體的“二次污染”，并減少了氧化鋁渣的生成；

   （3）可提高爐內熔體溫度的均勻性，熔體表層和底部溫差可以控制在10℃以內，從而可以避免熔體局部過熱和過燒現象的發生，減少金屬燒損3％～5％；

   （4）不用開爐門操作，可減少能耗約20％；

   （5）可加速液體和未熔化爐料間的熱交換，加快鋁熔化速度，通常可提高熔化效率約20％；

   （6）永磁攪拌的定向流動，利于氧化渣在熔體表面的聚集，便于扒渣，同時還可改善工人勞動強度。

3.2透氣磚熔煉技術

    傳統吹氣法是將氮氣通入自制的鋼管內, 由操作工人將其伸到爐內鋁液內進行吹氣。該法的弊端是除氣不均勻, 周期長, 勞動條件差, 并且對鋁液造成污染。然而，采用爐底透氣磚熔煉技術除氣可解決傳統除氣工藝存在的弊端。

3.2.1 透氣磚的設計描述
 
    如圖2所示，透氣磚由透氣磚芯（透氣工作磚、透氣安全磚、透氣室、氣體密封罩）、座磚、引氣管、外殼等組成。其中，透氣磚磚芯材質為多孔性錐形的耐火材料，其透氣特性主要來自原材料特殊的結晶顆粒篩選工藝和靜壓力成型壓磚工藝。磚芯上口敞開，下口接引氣管，氣體通過引氣管進入分散到多孔的磚芯里面。磚芯的外圍包裹一層預制成型的澆鑄料保護層，即座磚，主要用于保護透氣。

 
圖2 透氣磚結構簡圖

    在透氣磚底部有三個進氣孔，分別供給三個不同壓力、流量的氣體。對氣體的流量進行精確的控制，對于熔體達到良好的精煉效果至關重要，為此采用PLC并由觸摸屏模擬顯示對氣體流量進行監控。在鋁合金熔煉過程中，首先脈沖供氣吹入合金化氣，形成沸騰脈沖變化的造浪技術，促使鋁液三維對流，減少溫差，并形成有規律、無序對流和湍流等攪拌過程，隨著氣體逸出充滿爐膛，從而實現惰性氣體保護下的合金化過程；接著進行凈化處理過程，脈沖供氣吹入凈化氣，產生小氣泡，達到小氣泡浮選凈化的效果；在整個熔煉過程中，一直吹入基氣，保證少量連續供氣背壓，防止脈沖供氣間隔瞬間可能引起的負壓和停爐時灰粉堵塞透氣眼的現象。

3.2.2 透氣磚和傳統吹氣法的比較

    透氣磚和傳統吹氣法的比較有如下優點：

   （1）熔體溫度和化學成分均勻；
   （2）不開爐門操作，減少能耗；
   （3）縮短精煉時間，提高熱效率；
   （4）減少爐渣的形成；
   （5）操作可靠，工人的勞動強度降低。

4、結束語

   由于鋁合金熔體中氣體( H2) 和氧化夾雜 ( Al2O3)等缺陷的存在會直接影響到鋁合金產品的強度、塑性變形性能及最終的使用性能等，為此需提高鋁合金熔體的純凈度以設法消除這些缺陷。本文簡要介紹了鋁合金熔體的各種凈化方法及技術特點, 并簡述了最近發展的熔體凈化新工藝。  在鋁型材的生產過程中，鋁棒質量的好壞對產品的性能有著極其重要的影響，尤其是工業材的生產，對鋁棒的質量好壞有更高的要求。而鋁棒質量又主要取決于鋁熔體的純凈度。因此，各生產廠家應認真對待這一問題，結合企業生產實際制定出最適宜的凈化方法，提高鋁熔體的純凈度，為保障企業產品的優良性能把好源頭關。