一、方法和原理概述

    從熔體中除去氣體、夾雜物和有害元素，以獲得優(yōu)良鋁液的工藝方法和操作過程叫精煉。也有人稱為凈化。鋁合金精煉方法很多，就其作用原理可以分為吸附精煉和非吸附精煉兩個基本類型。按精煉部位可分為爐內(nèi)精煉、在線式精煉或爐外連續(xù)精煉和澆包精煉三類。
    吸附精煉是指通過鋁熔體直接與吸附劑(如各種氣體、液體和固體精煉劑及過濾介質(zhì))相接觸，使吸附劑與熔體中的氣體和固態(tài)非金屬夾雜物發(fā)生物理化學(xué)的、物理的或機(jī)械的作用，從而達(dá)到除氣、除渣的方法。吸附精煉只對吸附劑到達(dá)的部分熔體起作用，熔體凈化程度取決于接觸條件，即決定于熔體與吸附劑的接觸面積、接觸的持續(xù)時問和接觸的表面狀態(tài)。屬于吸附精煉的有：吹氣精煉、氯鹽精煉、熔劑精煉、熔體過濾等。吸附精煉的凈化機(jī)理在除氣方面主要是利用氣體分壓定律除氣、利用與氫形成化合物除氣；在除渣方面主要是吸附除渣、溶解除渣、化合除渣、過濾除渣。在采用活性精煉劑時，還同時兼有除去熔體中鈉、鈣、鎂、鋰等金屬雜質(zhì)(比鋁活潑的金屬雜質(zhì))的作用。吸附精煉是目前鋁材行業(yè)最為廣泛采用的精煉方法。
    非吸附精煉是指不依靠在熔體中加入吸附劑，而通過某種物理作用，改變金屬一氣體系統(tǒng)或金屬一夾雜物系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，從而使氣體和固體非金屬夾雜物從鋁熔體中分離出來的方法。非吸附精煉對全部鋁熔體都有精煉作用，其精煉效果取決于破壞平衡的外界條件及鋁熔體與夾雜和氣體的運(yùn)動特性。屬于非吸附精煉的有：靜置處理、真空處理、超聲波處理、預(yù)凝固處理等。非吸附精煉的凈化機(jī)理在除氣方面主要是利用溫度和壓力對鋁中氣體溶解度的影響規(guī)律及高頻機(jī)械振蕩在熔體中產(chǎn)生“空穴”的現(xiàn)象；在除渣方面主要是利用比重差和除氣時的輔助浮選作用。除了靜置處理外，其他非吸附精煉方法目前在一般鋁材廠的實(shí)際生產(chǎn)中很少采用(個別特殊材料生產(chǎn)單位例外)。
    幾十年來，鋁熔體精煉技術(shù)一直在朝著環(huán)保、高效、低耗、便捷的方向發(fā)展。盡管在除氣和除渣原理上、還沒有大的突破，但人們在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，最大的除氣效果可從純凈惰性氣體的連續(xù)過流處理中得到，而最充分的除渣處理可通過過濾來保證。因此，把這些具有較好單一處理效果的方法結(jié)合在一起的爐外復(fù)合處理便成了一個新的發(fā)展趨勢，見表2—2—3。該表列出了各種鋁合金熔體精煉方法的工藝特點(diǎn)和精煉效果。各生產(chǎn)廠家應(yīng)根據(jù)本廠的生產(chǎn)實(shí)際和產(chǎn)品具體要求靈活選用，也可根據(jù)上述原理，結(jié)合自身條件，研究開發(fā)具有更好精煉效果、更加環(huán)保和更加經(jīng)濟(jì)適用的新的精煉方法。

表2-2—3鋁合金熔體精煉方法工藝特點(diǎn)及效果比較一覽表

精煉 類型	方法名稱	工藝要點(diǎn)	精煉效果
除氣/mL· (100gA])-1	除 渣	除 鈉	環(huán) 保	經(jīng)濟(jì) 性	更換 合金
吸   附   精   煉	惰性氣體精煉	向爐內(nèi)吹人惰性氣體，利用氣體分壓差定律除氣，利用氣泡吸附除渣	0.15～0.2	一般	較差	優(yōu)良	優(yōu)良	方便
氯氣精煉	向爐內(nèi)吹人氯氣，直接與氫、鈉化合除氣、除鈉，生成的其他氣體不溶于鋁，起 著和惰性氣體一樣的除氣除渣作用	0.04～0.08	良好	優(yōu)良	差	一般	方便
N2一Cl2混合 氣體精煉	向爐內(nèi)通入混合氣體，作用同氯氣	0.05～0.10	良好	良好	一般	良好	方便
N2一熔劑混吹精煉	向爐內(nèi)混吹氮?dú)夂头蹱钊蹌萌蹌┑奈阶饔闷茐臍馀荼砻娴难趸ぃ栽黾映龤庑Ч?/p>	0.06～0.10	一般	一般	良好	良好	方便
多孔吹頭(透氣磚)吹氣精煉	利用具有一定通孔率的多孔陶瓷將氣體破碎成細(xì)小氣泡，通過增加與熔體接觸的面積和時間來提高精煉效果	0.1～0.2	一般	一般	優(yōu)良	良好	方便
氯鹽精煉	往熔體中加入C2Cl6或CCl4，利用氯鹽本身的分解、揮發(fā)及與鋁的置換反應(yīng)，產(chǎn)生各種氣體達(dá)到除氣除渣之目的	0.1～0.2	良好	良好	差	良好	方便
熔劑精煉	往熔體中加入熔劑，通過對氧化物的吸附、溶解和化合作用除渣，通過熔劑的分鰓或與熔體的反應(yīng)生成氣態(tài)產(chǎn)物除氣	0.2～0.25	良好	一般	一般	良好	方便
非 吸 附 精 煉	靜置處理	熔體在覆蓋劑的保護(hù)下，在精煉溫度范圍內(nèi)，借助密度差，使夾雜物上浮下沉	0.2～0.5	良好	差	優(yōu)良	良好	方便
預(yù)凝固處理	利用金屬中氣體溶解度隨溫度降低而降低的規(guī)律，先將熔體定向慢冷至結(jié)晶溫度附近，讓氣體自行析出后再從新加熱盡快熔化	較差	差	差	優(yōu)良	差	方便
真空處理	利用鋁液中氫的平衡含量隨鋁液表面水蒸氣分壓降低而降低的規(guī)律，促使溶解在鋁中的氫向自由表面擴(kuò)散	0.1～0.2	一般	一般	優(yōu)良	差	方便
超聲波處理	利用彈性波在鋁液中引起的“空穴”現(xiàn)象，產(chǎn)生氣泡核心，從而達(dá)到除氣的目的。工業(yè)生產(chǎn)中還未采用	良好	一般	差	優(yōu)良	差	方便
過   濾   吸   附   精   煉	玻璃絲布	將玻璃絲布安裝在從熔體出口至結(jié)晶器的任何地方，只能除去較大的夾雜物	較差	良好	差	優(yōu)良	優(yōu)良	方便
泡沫陶瓷	同玻璃絲布	良好	優(yōu)良	一般	優(yōu)良	良好	較方便
剛玉陶瓷	同玻璃絲布，主要應(yīng)用在對氧化膜有嚴(yán)格要求的鍛件生產(chǎn)場合	良好	優(yōu)良	一般	優(yōu)良	一般	較不 方便
筑熔劑壩	在熔體由熔爐向靜置爐轉(zhuǎn)注路徑上，用固體熔劑塊筑壩，起到類似過濾器的作用，主要用于高純合金的精煉	一般	良好	一般	一般	良好	方便
電熔劑處理	在金屬液面覆蓋液體熔劑層，通電鋼環(huán)置于熔劑層中，金屬液流從上流人鋼環(huán)內(nèi)的熔劑層時，電流對進(jìn)入熔劑的氧化物產(chǎn)生電解作用，即可使熔劑保持高的精煉能力，又可使熔劑維持液態(tài)，以提高精煉效果	優(yōu)良	優(yōu)良	差	一般	差	較 方便
爐外連 續(xù)精煉	見表2—2—9

二、惰性氣體精煉 

1．精煉原理   
    向熔體中不斷吹入惰性氣泡，在氣泡上浮過程中將氧化夾雜物和氫帶出液面的精煉方法叫惰性氣體精煉。向熔體中吹人惰性氣體所以能除渣，是因?yàn)榇等氲亩栊詺怏w泡能吸附熔體中的氧化夾雜物并在上浮過程中將其帶出液面。這種方法就是所謂浮選除渣法。由于惰性氣體泡吸附熔體中的氧化夾雜物后，能使系統(tǒng)的總的表面自由能下降，因而這種吸附作用可以自動發(fā)生。惰性氣體和夾雜物之間的表面張力越小，而熔體和惰性氣體之間的表面張力以及熔體和夾雜物之間的界面張力越大，則這種惰性氣體的除渣能力越強(qiáng)。采用惰性氣體精煉時，應(yīng)該在液面均勻撒上熔劑。這是因?yàn)椋栊詺怏w泡把夾雜物帶出液面后，如果此時液面有熔劑層，則夾雜物進(jìn)入熔劑中成為熔渣，便于扒出。否則，比重較大的夾雜將重新落入鋁液，而密度較小的夾雜物在液面形成浮渣，與鋁液很難分離，將這些浮渣扒出時將帶出很多金屬液而增大金屬損失。
    向熔體中吹人惰性氣體所以能除氣，是因?yàn)榇等肴垠w的惰性氣體泡中開始沒有氫氣，其氫分壓為零，而氣泡附近熔體中的氫分壓遠(yuǎn)大于零，因此在氣泡內(nèi)外存在著一個氫分壓差，熔體中的氫原子在這個分壓差的作用下，向氣泡界面擴(kuò)散，并在界面上復(fù)合為分子進(jìn)入氣泡。這一過程一直要進(jìn)行到氫在氣泡內(nèi)外的分壓相等時才會停止。進(jìn)入氣泡的氫氣隨著氣泡上浮而逸人大氣。此外，氣泡在上浮過程中，還可以通過浮選作用將懸浮在熔體中的微小分子氫氣泡和夾雜中的氣體一并帶出液面，從而達(dá)到除氣的目的。
2．影響惰性氣體精煉效果的因素
    影響惰性氣體精煉效果的因素有：               
    1)惰性氣體的性質(zhì)。惰性氣體的密度、粘度、對夾雜物的潤濕性能及熱容對精煉效果有影響。氣體密度越大、粘度越大，則在熔體中的上浮速度越慢，停留時間越長，有利于提高精煉效果；但是，氣體密度越小，則單位質(zhì)量的氣體體積越大，與熔體的接觸面積也越大，也有利于提高精煉效果。有人經(jīng)過試驗(yàn)后指出：在除氣過程中起決定作用的不是精煉氣體的品質(zhì)，而是它的體積和在熔體中的分散程度。氣體對夾雜物的潤濕性能越好，則氣體的浮選能力愈強(qiáng)。熱容通過影響熔體溫度而影響精煉效果。鋁合金精煉時常用的惰性氣體——氮?dú)夂蜌鍤獾闹饕再|(zhì)示于表2—2—4。

    2)惰性氣體的純潔度。惰性氣體的純潔度主要指惰性氣體中氧氣和水分的含有程度。惰性氣體中的含氧量和含水量愈高，則精煉效果愈差(見圖2—2—2和表2—2—5)。因?yàn)檠鹾退畾怆S精煉氣體進(jìn)入熔體中，會與熔體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在氣泡表面生成氧化膜，并使氣泡內(nèi)的氫分壓增大，這樣，不僅大大延緩了擴(kuò)散除氫過程，并使溶體中氧化夾雜物的含量升高。當(dāng)惰性氣體中的水氣和氧氣超過某一值時，不僅不能起精煉作用，甚至使熔體發(fā)生吸氫過程，造成更嚴(yán)重的污染。

圖2—2—2氬中氧含量對鋁熔體除氣率的影響

    3)氣泡的大小。氣泡的尺寸愈小，除氣效果愈好。因?yàn)闅馀萦。瑒t由同體積氣體造成的氣泡數(shù)愈多，表面積愈大；且在鋁熔體中的上浮速度越慢，與熔體接觸的時間愈長。采用普通丁字形精煉器時，氣泡的直徑約為10 mm，而由多孔耐火材料(剛玉質(zhì)、碳化硅質(zhì)或高鋁粘土質(zhì)，開口孔隙率為20%～40%，抗壓強(qiáng)度大于l0 MPa)發(fā)生的氣泡，其直徑在1 mm以下。在氣體流量一定的情況下，用多孔陶瓷對鋁熔體進(jìn)行吹氮精煉時，其氮?dú)獾睦寐士蛇_(dá)10%，除氣率達(dá)50%；而在用普通精煉管精煉時，其利用率只能達(dá)到l%～2%，除氣率小于30%。

表2—2—5精煉用氬氣的濕度對鋁熔體除氣效果的影響①

注：①氬耗量為1 m3/t金屬。
    4)氣泡與熔體接觸的均勻程度。接觸程度愈充分，愈均勻，則精煉效果愈好。因?yàn)榇禋饩珶捠墙⒃诜謮翰顢U(kuò)散除氣和浮選除渣基礎(chǔ)上的，只有與精煉氣體產(chǎn)生接觸的區(qū)域才有精煉作用。為了增大接觸機(jī)會，最好采用在線式轉(zhuǎn)注精煉及過濾吹氣聯(lián)合處理，使每部分熔體都受到精煉作用。在爐內(nèi)精煉情況下，應(yīng)讓精煉器沿爐底平緩的移動，防止產(chǎn)生死角。
    5)其他精煉工藝參數(shù)。吹氣時間、吹氣壓力、吹氣溫度、精煉后熔體的靜置時間等精煉工藝參數(shù)對熔體的精煉效果均有明顯的影響。

三、氯氣精煉

    氯氣的凈化原理主要是基于下面的反應(yīng)：
    ①3C12+2A1=2A1C13↑+380．2 kcal
    ②Cl2+H22HCl↑+44 kcal
    ③2Na+Cl22NaCl
    ④3Na+A1C13Al+3NaCl
    由反應(yīng)①和②生成的AlCl3(升華點(diǎn)183℃)HCl(沸點(diǎn)－84℃)及未參加反應(yīng)的氯，在熔體里上升的過程中，一起起著和惰性氣體一樣的擴(kuò)散除氫和浮選除渣的作用。反應(yīng)②還直接起著化合去氫的作用。反應(yīng)③和④起到除鈉作用，生成的NaCl(熔點(diǎn)800℃)以固態(tài)形式進(jìn)入熔渣浮于液面除去。在熔體中存在鎂的情況下，還可產(chǎn)生下述反應(yīng)：

C12+Mg=MgCl2
2A1C13+3Mg=3MgCl2十2A1

    生成的MgCl2(熔點(diǎn)712℃)以液態(tài)存在，既具有溶解氫的作用，也能把熔體中懸浮的氧化物粒子包圍而與鋁液相分離，起到熔劑的作用。
    采用氯氣精煉時，鋁熔體里的含氫量可降至0.04～0.08 mL/100gA1，氧化膜污染度降至0.05 mm2/cm2；而采用惰性氣體精煉時，鋁中的含氫量和氧化膜污染度通常只能降到0.15～0.2 mL/100gA1和0.1 mm2/m2的水平。首先和惰性氣體相比，氯氣精煉效果更好的根本原因是反應(yīng)產(chǎn)物氯化鋁和氯化氫形成的反應(yīng)性氣泡極為細(xì)小彌散，使擴(kuò)散除氫過程進(jìn)行得更為徹底和充分。其次，氯氣可直接與溶解的氫化合。第三，氯氣及氯化物可與氧化物相互反應(yīng)，對氧化鋁起分解作用，不僅起到了良好的除渣作用，而且由于表面氧化膜的破壞，使氫逸出更容易。第四，精煉后逸出熔體表面的氣體(氯氣、三氯化鋁、氯化氫等)，其密度都比空氣的大，并聚集于熔體表面，能防止精煉過程中熔體被爐氣中的水氣重新污染。此外，氯氣精煉伴隨著降低非金屬夾雜物的表面活性，導(dǎo)致生成顆粒狀的浮渣，扒出的渣幾乎不含金屬珠。

四、混合氣體精煉

1．氮一氯混合氣體精煉的優(yōu)點(diǎn)和裝置
    采用氯氣精煉鋁合金熔體，具有除氣效果好，反應(yīng)平穩(wěn)，渣呈粉狀不為金屬液所潤濕，渣量少(約0.61%)，渣中金屬少(約36.7%)，同時兼有除渣、除鈉效果等優(yōu)點(diǎn)。但是，氯氣及其反應(yīng)產(chǎn)物有毒，污染環(huán)境，腐蝕設(shè)備，而煙塵的收集和處理設(shè)備較為復(fù)雜、且成本較高。另外，采用氯氣處理還具有使鑄錠產(chǎn)生粗大晶粒的傾向，鎂的損失大(可達(dá)0.20%)等缺點(diǎn)。采用氮?dú)饩珶挘鋬?yōu)缺點(diǎn)正好與氯氣的相反。氮?dú)鉄o毒，無需采取特別的排煙措施，且鎂的損失極小(0.0l%左右)。但是，氮?dú)獾木珶捫Ч^差，精煉時易噴濺，渣呈糊狀，不僅渣量大(約1.97%)，且渣中金屬量也大(約60.2%)。采用氮一氯混合氣體精煉，正好取了二者的長處，彌補(bǔ)了二者的短處。據(jù)資料介紹，采用Cl220%和N280%的混合氣體能達(dá)到純氯一樣的精煉效果，渣亦呈粉狀，渣量少(約0.55%)，渣中金屬也大為減少(約37.6%)，而且減輕了環(huán)境污染，改善了勞動條件。這就是為什么要采用氮一氯混合氣體精煉的原因。

  圖2—2—3氮一氯混合氣體精煉裝置示意圖
1——中和槽；2——液氯罐；3——儲氮罐；4——壓力表；5——減壓閥；6——流量控制閥7——流量計；8——干燥器；9——混合罐；l0——取樣管；11——軟管；l2——精煉器

    鋁型材廠采用氮一氯混合氣體精煉的典型裝置示意于圖2—2—3。目前一些上規(guī)模的鋁材廠使用的氮?dú)舛嗍亲约荷a(chǎn)的。從分餾塔出來的氮?dú)饨?jīng)氮壓機(jī)送入貯氮罐3，貯氮罐內(nèi)壁通常涂有耐酸漆層，以防止鐵罐生銹、吸濕而降低氮?dú)獾募儩嵍取Ｂ葰馐怯梢郝裙?發(fā)生的。為防止氯氣跑漏和中毒，氯氣罐通常坐落在堿液中和槽l上，工廠廣泛使用硫代硫酸鈉作中和劑。氮?dú)夂吐葰夥謩e經(jīng)減壓閥5和流量控制閥6、流量計7后在管道內(nèi)混合進(jìn)入干燥器8。干燥器內(nèi)多采用氯化鈣或硅膠或分子篩作干燥劑，干燥器內(nèi)的上、下隔板鉆有許多直徑為2～3 mm的小孔。從干燥器內(nèi)出來的氣體進(jìn)入混合罐9，混合罐內(nèi)混合氣體的工作壓力一般控制在0.2～0.35 MPa。取樣管l0是取樣分析氣體成分的地方，通常采用BTN型氣體全分析器分析氣體的混合比、氧含量及水含量，合格后方可使用。連接軟管11應(yīng)該采用不吸濕材料，如四氟乙烯高壓膠管。精煉器12的管頭可用石墨、石英制作，也可用多孔陶瓷，采用鋼管時應(yīng)在表面涂覆涂料，吹氣孔的直徑一般為2～5 mm。也有許多工廠直接采用高純氮發(fā)生裝置生產(chǎn)高純氮供精煉用。
2．氣體精煉時工藝參數(shù)的確定原則
    吹氣精煉時，各種精煉工藝參數(shù)應(yīng)遵循下面的原則選取：
    1)精煉溫度。在選擇精煉溫度時應(yīng)綜合考慮溫度對精煉效果的影響、熔體與精煉氣體作用時的熱效應(yīng)、溫度對熔煉時物理化學(xué)過程的影響等三個因素。采用吹氮精煉時，精煉溫度適當(dāng)?shù)鸵稽c(diǎn)好。這是因?yàn)榻档蜏囟入m然降低了熔體中原子氫的擴(kuò)散速度，但卻使熔體粘度增大，氣泡在熔體中停留時間延長，熔體中溶解的氫分壓增大，氣泡--熔體邊界的氫濃度降低，因而有利于提高擴(kuò)散除氫的效果。同時，適當(dāng)降低精煉溫度還能降低熔體氧化、吸氣的傾向及生成Mg3N2和AlN的傾向。在吹氮精煉時，由于氮?dú)馕鼰岫谷垠w溫度下降的趨勢很小，在不考慮其他條件的情況下，若通氮量為l m3/t金屬，熔體溫度降低不到1℃。采用吹氯精煉時，精煉溫度應(yīng)適當(dāng)高一些好。這是因?yàn)槁饶芘c氣泡中的氫相互作用，在氣泡--熔體界面上始終保持著最小濃度的氫，提高溫度既能大大提高精煉氣體與氣泡中氫的化學(xué)反應(yīng)速度，又能提高熔體中的氫向氣泡擴(kuò)散的質(zhì)量遷移系數(shù)，有利于提高精煉效果。當(dāng)然，采用氯氣精煉時，由于產(chǎn)生AlCl3和HCl的反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，熔體溫度會提高(在通氯量為1 m3/t金屬的情況下，大約提高10℃)。同時，提高溫度亦增大熔體氧化、吸氣的傾向。故吹氯精煉時，精煉溫度也不能太高。在工業(yè)生產(chǎn)中，由于精煉溫度受熔煉溫度和鑄造溫度的制約，可調(diào)范圍很小。所以，在熔煉爐精煉時，精煉溫度應(yīng)控制在熔煉溫度范圍內(nèi)。對于吹氯精煉，一般以730～740℃為好；對于吹氮精煉，一般以710～720℃為好；對于氮-氯混合氣體精煉，以720～730℃為好。在靜置爐精煉時，精煉溫度以不低于鑄造溫度的下限為原則。
    2)吹氣壓力的確定。吹氣壓力主要根據(jù)熔池中熔體深度而定。其最小壓力以熔體不能進(jìn)入精煉器為原則，其最大壓力要使熔體產(chǎn)生沸騰但不飛濺。假定熔體深0.7m，700℃時鋁液的密度為2.36 g/cm3，則爐底承受熔體靜壓力為0.0165 MPa，故最小吹氣壓力為0.165大氣壓④。如果熔體深僅0.4 m，則吹氣壓力只要0.1大氣壓便夠了。由于鋁合金熔煉爐和靜置爐的熔池深度一般均在0.3～0.7 m之間，故吹氣表壓一般控制在0.1～0.2大氣壓即可。   

 
    3)氣體用量和吹氣時間的確定。吹氣精煉時，所需要的精煉氣體的數(shù)量理論上可按下式計算：

L=（3β）-1Vmh-1uRK-1·㏑[(Co－Cp)/(Cz－Cp)]       （2—2—3）

式中，L——使熔體含氫量達(dá)到CZ所需要的精煉氣體體積/m3
     β——熔體中氫的質(zhì)量遷移系數(shù)，吹氬時，若熔體溫度為700℃，氣泡半徑3～10 mm， 
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注① l大氣壓(atm)=101325 Pa
 
則  β為0.1～0.15 cm/s；
    VM——熔體體積/m3；
    h——氣泡在熔體中所處的深度/cm；
    R——氣泡半徑/cm；
    u——氣泡在熔體中的上浮速度/em·s-1；
    K——氣體進(jìn)入溫度為T、壓力為P的熔體中的體積變換系數(shù)；
    C0——熔體中氣體原始含量；
    Cp——氣泡-熔體界面上的氣體濃度；   
    Cz——要求使熔體達(dá)到的最終含氣量。   
    實(shí)際生產(chǎn)中，由于不可能使全部熔體都與精煉氣體接觸，因而實(shí)際的耗氣量要比理論耗氣量大得多。理論耗氣量和實(shí)際耗氣量的百分比稱為氣體的利用系數(shù)，并用η表示。η的值因精煉方法而異，最好時可達(dá)10%～30%，差的時候僅1%～3%。由于合金中原始含氣量和要求達(dá)到的最終含氣量不同，各廠實(shí)際采用的精煉氣體量差別很大，氮?dú)鉃?.6～8 m3/t金屬，氬氣為2.4～5.5 m3/t金屬，氯氣為0.6～2.5 m3/t金屬，其精煉時問一般控制在5～30min。目前，我國很多鋁材廠實(shí)際采用的精煉氣體量偏低，在采用N2－Cl2混合氣體精煉時，為0.7～l m3/t金屬，精煉時間為5～15 min。
    4)精煉后靜置時間的確定。為了便于小的氣泡上浮分離和小的夾雜物的上浮或下沉，吹氣精煉后必須讓熔體靜置。靜置時間可按熔體中氣泡和夾雜物上浮下沉所需的時間來確定。理論上，半徑小于0.1 mm的球形雜質(zhì)的沉浮時間可按斯托克斯公式估算： 

T=9ηh/2R2（ρ1—ρ2）g （2—2-4）

式中， Υ——雜質(zhì)沉浮時間；
       η——熔體粘度；  
       h——雜質(zhì)在熔體中的沉浮高度；   
       R——雜質(zhì)半徑；
       ρ1——熔體密度；    
       ρ2——雜質(zhì)密度；    
       g——重力加速度。   
    經(jīng)驗(yàn)上，靜置時間視制品用途和要求而異。對于重要制品，一般控制在30～45 min；對于一般圓鑄錠為15～20 min；對于扁鑄錠為10～15 min。
3．氮一氯混合氣體精煉時應(yīng)注意的問題
    采用氮一氯混合氣體精煉時應(yīng)注意下面的問題：
    1)要注意安全。氯氣瓶應(yīng)放置在陰涼處，使用和運(yùn)輸時要防止震動和碰撞；放氯氣瓶的地方應(yīng)設(shè)置中和槽，一旦發(fā)現(xiàn)漏氣，應(yīng)將瓶嘴擰緊并放人中和槽中。向車間輸送混合氣體的管路系統(tǒng)及混合氣體制備系統(tǒng)，每班必須用氨水作指示劑巡回檢查所有閥門、接頭、壓力表、管路等，發(fā)現(xiàn)漏氣要及時處理。
    2)要保證氮?dú)狻⒙葰獾募兌燃盎旌蠚獾幕旌媳取０垂S技術(shù)條件和產(chǎn)品品質(zhì)的要求確定要控制的氣體純度；混合氣的比例要控制在(90～95)%N2、(5—10)%Cl2的范圍內(nèi)。氯含量如果太低；則精煉效果不好，反之，反應(yīng)時發(fā)煙，操作條件惡化。
    3)要做好精煉前的準(zhǔn)備工作。精煉前，精煉器要充分預(yù)熱，對于鐵質(zhì)精煉器最好先涂料；在熔體表面撒上一層粉狀熔劑；并打開排煙機(jī)，電爐要停電操作。
    4)要按規(guī)程要求搞好精煉操作。首先，將精煉器放人爐門口煙罩處，打開精煉氣體的閥門后，再將精煉器插入熔體中進(jìn)行精煉。精煉時，應(yīng)將精煉器放至爐底，均勻而緩慢地移動，消滅死角，切忌定點(diǎn)精煉。精煉過程中，壓力要適當(dāng)，并應(yīng)保證精煉時問。精煉結(jié)束時，先將精煉器提出液面，再關(guān)閉送氣閥門。精煉后，隨即扒渣，并撒上一層覆蓋熔劑對熔體靜置。
4．其他混合氣體精煉
    還應(yīng)指出：除了氮一氯混合氣外，目前，國內(nèi)外還廣泛采用氨-氯、氮-氟里昂、氮-氯-一氧化碳、氮-六氟化硫等混合氣作為精煉氣體使用。采用氟里昂(CCl2F2)的原因是無毒，精煉效果好。將一氧化碳加入氮一氯混合氣中的目的是奪取氯氣還原熔體中的氧化鋁時產(chǎn)生的氧，與之生成二氧化碳，避免氧氣再度與鋁在氣泡表面形成氧化膜。這些混合氣的除氣效果見圖2—2—4。氟里昂是一種無毒的氣體，試驗(yàn)表明，它具有良好的除氣、除渣、除有害雜質(zhì)的綜合效能，但環(huán)境學(xué)家認(rèn)為它是一種破壞臭氧層的含氟氯烴。六氟化硫是一種高度穩(wěn)定的氣體，也是氟所能生成的最高共價化合物之一，特殊的分子結(jié)構(gòu)使其分子間相互排斥，易揮發(fā)，它無毒、不燃燒、無腐蝕性，是一種新開發(fā)的產(chǎn)品。在惰性氣體中加入2％左右的六氟化硫，由于六氟化硫與鋁熔體的反應(yīng)熱大于其他活性氣體，因而除氣效果變得更好。目前，六氟化硫已在“SIGMA”除氣系統(tǒng)中采用，資料介紹，6061鋁合金熔體中氫含量可從0．28 mL/100gA1降至0.1 mL/100gA1。但也有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，它的精煉效果依賴于化學(xué)反應(yīng)，而后者隨溫度和其他因素而變化。從圖2—2—4可見，采用混合氣體是一種行之有效的方法，其中，第三種混合氣體(即氮?dú)?5%氟里昂)與純氯的精煉效果相近，而在除氣處理同時對煙囪廢氣進(jìn)行的分析表明，廢氣中的氟里昂和光氣的含量，低于千萬分之一的這一檢驗(yàn)極限。在兩種常用的惰性氣體中，由于氬氣密度較氮?dú)夂蜖t氣密度高，在其他條件完全相同的情況下，由于氬氣泡在熔體中的上浮速度相對較慢，與熔體接觸時間相對較長，也不形成副產(chǎn)品；而且，逸出液面后富集于鋁液表面，有阻礙爐氣中水分與鋁液接觸的作用，因此，精煉效果相對較好。但氮?dú)庀鄬Ρ阋艘椎谩?/p>

圖2—2—4不同混合氣精煉劑對純鋁除氫效果的影響

五、氯鹽精煉

    氯鹽的精煉作用主要是基于氯鹽與鋁熔體的置換反應(yīng)，以及氯鹽本身的熱離解與化合作用，其中主要的是氯鹽與鋁作用時生成三氯化鋁的反應(yīng)。
    1)置換作用。當(dāng)氯化鋅、氯化錳、四氯化鈦、六氯乙烷等氯鹽被壓人鋁液時，分別與鋁液發(fā)生如下反應(yīng)：

3ZnCl2+2Al=2AlCl3↑+3Zn
3MnCl2+2Al=2AlCl3↑+3Mn
3TiCl44Al=4AlCl3↑+3Ti
2C2Cl6+2Al=2C2Cl4+2AICl3↑

    以上反應(yīng)生成的A1C13和C2C14在熔煉條件下都是氣體，自鋁液底部向上浮起的過程中起著和惰性氣體精煉時相似的除氣、除渣作用。
    2)揮發(fā)作用。許多氯鹽的沸點(diǎn)低于鋁熔點(diǎn)，如AlCl3、BCl3、TiCl4、CCl4、SiCl4、C2Cl6等。在熔體溫度下，這些揮發(fā)物具有很高的蒸氣壓(如AlCl3的蒸氣壓高達(dá)2.3 MPa)，它們在熔體中上浮時，起著精煉作用。
    3)熱離解作用。許多氯鹽在熔體溫度下發(fā)生分解放出氯氣，起著和氯氣相同的精煉作用。如： 

 2CCl4C2Cl4↑+2C12↑ 

在鋁材行業(yè)，有少數(shù)工廠采用四氯化碳和六氯乙烷精煉，基本沒有采用氯化鋅和氯化錳進(jìn)行精煉的。因?yàn)樗鼈兾鼭裥源螅€會使熔體增鋅、增錳；就同一質(zhì)量的氯鹽產(chǎn)生的氣體量而言，后者也要比前者少得多(見表2—2—6)，故精煉效果也要差得多。

     四氯化碳的精煉機(jī)理是基于下面的化學(xué)反應(yīng)：  

2CCl4=C2Cl4+2Cl2↑
4Al+3C2Cl44AlCl3↑+6C
2Al+3Cl22AlCL3↑
Cl2+2H=2Hcl↑

   以上反應(yīng)所生成的C2C14、A1C13和Cl2在熔煉條件下都是氣體，起著和氯氣一樣的除氣、除渣作用。采用四氯化碳精煉時，其工藝要點(diǎn)如下：精煉溫度690～710℃；加入量2～3 kg/t金屬；加入方式為載體加入法，即將烘烤過的輕質(zhì)粘土磚浸泡吸收四氯化碳后壓入熔體底部，并緩慢移動直至無氣泡冒出為止。精煉完后將熔體靜置5～10 min。
    四氯化碳的優(yōu)點(diǎn)是：吸濕性低，使用方便，精煉效果好，且有晶粒細(xì)化作用。缺點(diǎn)是：反應(yīng)氣體有毒，合金中含鎂時鎂的損失大。
    六氯乙烷的精煉機(jī)理是基于下面的反應(yīng)：

 3C2C16+2A1→3C2C14↑+2A1C13↑

    上述反應(yīng)生成的C2CL4和A1C13在熔體中上浮時起著除氣、除渣作用。采用六氯乙烷精煉時，其工藝要點(diǎn)如下：精煉溫度700～720 C；加入量3～4 kg/t金屬；加人方式為載體加入法，即將六氯乙烷與約20%的硼氟酸鈉(NaBF4)或硅氟酸鈉(Na2SiF6)壓制成塊，用鐘罩壓入鋁液中精煉，以降低六氯乙烷的熱分解速度和揮發(fā)速度，延長精煉時間，提高除氣效果。精煉后將熔體靜置5～10 min。
    六氯乙烷的優(yōu)缺點(diǎn)與四氯化碳的大致相似，但C2C16不吸濕，也無毒性，使用、保管都很方便。

六、熔劑精煉

1．熔劑的除渣作用
    熔劑的除渣能力是為熔劑對熔體中氧化夾雜物的吸附作用和溶解作用以及熔劑與熔體之間的化學(xué)作用所決定的。
    因?yàn)檠趸瘖A雜是不被鋁液潤濕的，二者問的界面張力很大；而熔劑對氧化夾雜是潤濕的，二者間的界面張力較小。熔劑吸附熔體中的氧化夾雜后，能使系統(tǒng)的表面自由能降低，因此，熔劑具有自動吸附氧化夾雜的能力，把這種能力稱為熔劑的精煉性。這種吸附作用是熔劑除渣的主要原因。顯然，熔劑和非金屬夾雜物的界面張力愈小，而熔劑和鋁液的界面張力及鋁液和非金屬夾雜物之間的界面張力愈大，則熔劑的吸附性愈好，除渣作用愈強(qiáng)。
    熔劑對氧化物的溶解作用是由熔劑的本性所決定的。通常，當(dāng)熔劑的分子結(jié)構(gòu)與某些氧化物的分子結(jié)構(gòu)相近時或化學(xué)性質(zhì)相近時，在一定溫度下可以產(chǎn)生互溶。比如陽離子相同的A1203和Na3AIF6，Mg0和MgCl2等都有一定的互溶能力。不過，在鋁熔體的正常精煉溫度范圍內(nèi)，氧化物在熔劑中的溶解量是很小的(表2—2—7)。

表2—2—7氧化鋁在熔劑中的溶解度

熔劑	溫度/℃	溶解度/%
NaCl     KCl     NaCl+KCl(密度比1：1)     NaCl+10%Na3A1F6     NaCl+15%Na3A1F6	900～1000     900～1000     900     1000     1000	0.O05     0.008     0.0014     0.5     1.O

    熔劑與熔體還能產(chǎn)生下述化學(xué)反應(yīng)：

Na3A1F6＝3NaF+A1F3    
2Al+A1F3→3A1F3
Al+NaCl→AlCl+Na

    氣態(tài)產(chǎn)物AlF和AlCl不溶解在鋁內(nèi)，在金屬一氧化物的邊界上呈氣泡析出時，促使氧化膜與金屬分離，并使氧化膜轉(zhuǎn)入到熔劑中去，同時氣泡亦具有浮選除渣作用。此外，熔劑在離解過程中形成的氣泡亦能通過浮選作用除去部分夾雜物。
2．熔劑的除氣作用
    熔劑的除氣作用主要表現(xiàn)在三個方面：一是隨絡(luò)合物γ-A1203·xH的除去而除去被氧化夾雜所吸收的部分絡(luò)合氫。二是熔劑產(chǎn)生分解或與熔體相互作用時形成氣態(tài)產(chǎn)物，進(jìn)行擴(kuò)散除氫。另外，由于熔體表面氧化膜被溶解而使得溶解的原子氫向大氣擴(kuò)散變得容易。但是，熔劑的除氣作用是有限的，在生產(chǎn)條件下，其含氫量只能降到大0.2～0.25 mL/100gA1的水平。
3．對精煉用熔劑的基本要求
    對精煉用熔劑的基本要求和對覆蓋熔劑的要求基本相似，所不同的是作為精煉劑更強(qiáng)調(diào)熔劑的精煉性和與熔體的分離性。熔劑的精煉性指熔劑吸附、溶解鋁液中氧化夾雜的能力。熔劑自動吸附氧化夾雜的條件是：

б2+б4〉б5              (2—2—5) 

    熔體和熔劑之間的界面張力б2和熔體與雜質(zhì)之間的界面張力б4越大，而熔劑和雜質(zhì)之間的界面張力б5越小，則熔劑的除渣性能越好。所以，希望選擇對氣相、雜質(zhì)均呈表面活性即表面張力小的熔劑作精煉劑。這樣，即保證了熔劑的精煉性，又保證了熔劑的分離性。此外，覆蓋熔劑要求粉狀，以便鋪撒，迅速熔化以形成覆蓋層；而精煉熔劑則要求一定的塊度，以延長精煉時間，充分有效地利用熔劑。
4．影響熔劑精煉效果的因素   
    影響熔劑精煉效果的因素是：   
    1)組成熔劑的鹽的性質(zhì)。通常，氯化物熔劑能很好地潤濕氧化物，也能很好地潤濕熔體，而在氯化物熔劑中加入氟化物，可提高熔劑的精煉能力(見表2—2—8)。氟化物提高精煉能力的原因，①提高了熔劑和熔體間的界面張力，增強(qiáng)了熔劑對氧化物的吸附作用；②氟化物與鋁熔體具有更高的反應(yīng)能力，在液態(tài)鋁一氧化物界面上形成具有表面活性的反應(yīng)產(chǎn)物氟化亞鋁氣體及液態(tài)鈉等，促進(jìn)了氧化物的排除。而僅用氯化物處理時，則僅產(chǎn)生少量的氯化亞鋁氣態(tài)產(chǎn)物，故精煉效果不如加氟化物的好。這也是二號和三號熔劑精煉能力不如一號熔劑的原因。

表2—2—8幾種以光鹵石為基的熔劑的精煉能力①

熔  劑	精煉能力/%	熔  劑	精煉能力/%
KCl·MgCl2(100%) KCl·MgCl2+10%K2ZrF6 KCl·MgCl2+10%MgF2 KCl·MgCl2+10%CaF2	48.7 54.6 65.4 68.3	KCl·MgCl2+15%K2ZrF6 KCl·MgCl2+15%MgF2 KCl·MgCl2+15%CaF2	59.8 71.6 74.4

注：①通過萃取法確定。
    2)熔劑的干燥程度。氯化物熔劑的吸濕性大，使用前必須將熔劑仔細(xì)地干燥或重熔，除去吸附水和結(jié)晶水，以提高精煉效果。
    3)熔劑沿整個熔體厚度處理的完備性。即熔劑液滴均勻貫穿熔體、充分接觸、均勻分布、精煉時不留死角。
    4)精煉工藝參數(shù)。即選擇合適的精煉溫度、精煉劑用量和正確的加人方法。提高精煉溫度時，熔劑的表面張力降低，對氧化夾雜的潤濕性更好，因而吸附除渣作用更強(qiáng)；同時，熔劑對夾雜的溶解能力提高，熔劑與熔體的化學(xué)作用增強(qiáng)，由于熔體粘度下降而使夾雜的沉浮變得更容易，所以有利于提高精煉效果。另外，在熔體中加入熔劑時，不僅要吸收大量溶解熱，而且一些氟化物(如冰晶石)的分解及氟化亞鋁的生成反應(yīng)都是吸熱的，故精煉溫度亦高一些好。當(dāng)然溫度過高也會使熔體的氧化、吸氣傾向增大，故應(yīng)適當(dāng)選擇。通常采用熔劑精煉的溫度以730～750℃為宜。
5．采用熔劑精煉時應(yīng)注意的問題   
    采用熔劑精煉時應(yīng)注意以下問題：   
    1)不同的合金應(yīng)該采用不同的熔劑。通常二號熔劑用于精煉含鎂量較高的鋁合金，其他合金則可以采用一號熔劑精煉。
    2)作好精煉前的準(zhǔn)備工作。熔劑事先應(yīng)徹底烘干，除去水分，以防止熔劑加入鋁液中發(fā)生爆炸事故，并提高精煉效果。熔劑的塊度應(yīng)適宜，塊度大小一般以50～80mm為宜。精煉前，精煉筐應(yīng)先預(yù)熱，鐵質(zhì)筐先涂料，并打開排煙機(jī)，對于電爐應(yīng)停電操作。
    3)按規(guī)程要求搞好精煉操作。精煉溫度應(yīng)控制在鑄造溫度的上限，以提高精煉效果。熔劑的用量應(yīng)充足，對內(nèi)部純潔度要求較高的制品，其用量可大些，使用量一般為6～8 kg/t金屬；對于一般制品，使用量為5～6 kg/t金屬。精煉時，精煉筐應(yīng)放到爐底均勻緩慢地移動，消滅死角，切忌定點(diǎn)精煉，待反應(yīng)完畢后方取出精煉筐。精煉完畢后，隨即扒渣，而后撒上覆蓋熔劑靜置，靜置時間視制品不同而異，對于重要制品，靜置時間不少于30 min；一般制品應(yīng)不少于15 min。

七、氣體一熔劑混吹精煉

    用惰性氣體進(jìn)行吹氣精煉時，具有操作方便、環(huán)保安全、成本低廉的特點(diǎn)，但精煉效果受惰性氣體本身純度的制約。一般惰性氣體即使采用很嚴(yán)格的純化措施，也總會含有一定量的水分和氧氣。這種氣體吹人鋁液后，在吹人的氣泡表面會形成薄而致密的氧化膜，從而阻礙熔體中的氫進(jìn)入氣泡內(nèi)，使除氣率大打折扣。在吹人惰性氣體的同時引進(jìn)一定量的粉狀熔劑時，則氣泡表面被熔化的熔劑膜所包圍，不僅隔斷了氣泡中水分和氧氣與鋁液的接觸，使之不能形成氧化膜，而且，即使有氧化物生成，也會被熔劑膜所吸附，從而有效的提高精煉的效果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)賈均教授等人從熱力學(xué)和動力學(xué)角度分析了鋁合金脫氫過程，建立了氣泡表面無氧化膜和有氧化膜時氫傳質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，得出下列結(jié)論：
    1)無氧化膜氣泡的去氫能力為：

                       （2-2-6）

式中，J(H)——擴(kuò)散人氣泡中的氫原子或結(jié)合成氫分子沿徑向的流率／mol·S-1
      r——氣泡半徑/cm；
      C1——鋁液中氫的濃度/mol·cm-3；
      PH2——用氫分壓表示的氣泡內(nèi)部氫的濃度；
      δ1——鋁液一氣泡界面處鋁液側(cè)有效邊界層厚度/cm；   
      D1——氫原子在鋁液中的擴(kuò)散系數(shù)/cm2·S-1
      δg——鋁液一氣泡界面處氣泡側(cè)有效邊界層厚度/cm；   
      Dg——氫分子在氣泡中的擴(kuò)散系數(shù)/cm2·S-1
      K—一平衡常數(shù)。
    由該式可見，吹氣精煉時，除氫能力直接與氣泡的表面、有效邊界層厚度、氣泡中氫的分壓、氫在鋁液和氣泡中的擴(kuò)散系數(shù)及氫的平衡常數(shù)有關(guān)。當(dāng)強(qiáng)烈攪動鋁液時，使邊界層厚度降低、氣泡分散表面積增大，利于擴(kuò)散，去氫效果就好。此外，氣體中水蒸氣含量越低，則氣泡內(nèi)氫分壓也低，除氫效果也越好。
    2)有氧化膜氣泡的去氫能力為：

                         (2-2-7)

式中，δS——氧化膜厚度；
      DS——氫原子在氧化膜中的擴(kuò)散系數(shù)；
      Kl——氫原子在氧化膜一鋁液界面處平衡常數(shù)。
由該式可見，氣泡表面覆蓋一層氧化膜后，由于氫的擴(kuò)散存在附加阻力δS／DS，且氫在固相中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于在液相和氣相中的擴(kuò)散系數(shù)，故單位時間內(nèi)氫的擴(kuò)散量大為降低。  
    3)在其他條件相同時，要將鋁液中的氫含量降至相同的水平，有氧化膜氣泡的除氫時間比無氧化膜氣泡的除氫時間起碼要長△r：

                          （2-2-8） 

式中，V——鋁液的體積；
      A——氣泡的總表面積；
      C0——鋁液中氫的原始濃度。
    4)有氧化膜的氣泡起除氫作用的基本條件是：

0.0319(δs)2/Ds≥h/u

式中，h——氣泡離液面的深度/cm；u——氣泡上浮速度/cm·S-1
    有人對純氮精煉和純氮一熔劑混吹法精煉的效果進(jìn)行過對比實(shí)驗(yàn)，精煉時間同為12min，精煉前鋁熔體含氫量為0.41 mL/l00g金屬，用純氮精煉后的熔體含氫量為0.29 mL/l00g金屬，而用氮?dú)庖蝗蹌┗齑岛蟮娜垠w含氫量只有0.06 mL/l00g金屬。前者除氫率只有29%，而后者則達(dá)85%。深圳華益鋁廠和華加日鋁業(yè)有限公司從日本引進(jìn)的“FF一20”噴射熔劑裝置在生產(chǎn)中發(fā)揮了很好的作用。圖2—2—5是氣體一熔劑混吹法示意圖。

圖2—2—5氣體一溶劑混吹法示意圖
1——氮?dú)猓?——減壓閥；3——電機(jī)；4——熔劑；5——撥料板；
6——混合室；7——噴吹管；8——鋁熔體

八、過濾處理

1．過濾方法分類和過濾機(jī)理
    讓鋁熔體通過用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(tài)夾雜物的凈化方法叫過濾。
    按過濾性質(zhì)，鋁合金熔體的過濾方法可分為表面過濾和深過濾兩類；按過濾材質(zhì)，可分為網(wǎng)狀材料過濾(如玻璃絲布、金屬網(wǎng))、塊狀材料過濾(如松散顆粒填充床、陶瓷過濾器、泡沫陶瓷過濾器)和液體層過濾(如熔劑層過濾、電熔劑精煉)三類。目前，我國使用最廣泛的是玻璃絲布過濾、泡沫陶瓷過濾和剛玉質(zhì)陶瓷管過濾。松散顆粒填充床過濾器雖然簡單，但準(zhǔn)備費(fèi)力，合金換組不方便，在國內(nèi)很少采用。
    表面過濾指固體雜質(zhì)主要沉積在過濾介質(zhì)表面的過濾，又叫濾餅過濾。網(wǎng)狀材料過濾都屬于表面過濾。深過濾也叫內(nèi)部過濾，固體雜質(zhì)主要在過濾介質(zhì)孔道內(nèi)部沉積，并且隨著過濾的進(jìn)行，孔道有效過濾截面逐漸減小，透過能力下降，而過濾精度提高。塊狀材料過濾都屬于深過濾。   
    網(wǎng)狀材料過濾器的過濾機(jī)理主要是通過柵欄作用機(jī)械分離熔體中宏觀粗大的非金屬夾雜物。它只能捕集熔體中尺寸大于網(wǎng)格尺寸的夾雜物(假定夾雜物不能變形)。用中性材料制造的塊狀材料過濾器的過濾機(jī)理主要是通過沉積作用、流體動力作用和直接截取作用機(jī)械分離熔體中的固體夾雜物。塊狀材料過濾器具有很大的比表面，熔體和過濾介質(zhì)有著充分接觸的機(jī)會，當(dāng)熔體攜帶著固體雜質(zhì)沿過濾器中截面變化不定的細(xì)長孔道作變速運(yùn)動時，由于固態(tài)夾雜物的密度和速度與熔體的都不相同，所以有可能在重力作用下產(chǎn)生沉積；又由于固體粒子的非球性和受到不均勻的切變力場的作用，使之產(chǎn)生橫向移動，從而被孔道壁勾住、卡住或吸附住。上述現(xiàn)象在孔道截面發(fā)生突然變化的地方，由于形成低壓的渦流區(qū)而得到加強(qiáng)。用活性材料制造的塊狀材料過濾器，除具有上述過濾機(jī)理外，還由于表面力和化學(xué)力的作用，使之產(chǎn)生物理化學(xué)深過濾，使熔體得到更精細(xì)的凈化。塊狀材料過濾器可以捕集到比本身孔道直徑小得多的固體夾雜物。液體層過濾器就是用液態(tài)熔劑洗滌液體金屬，它的過濾機(jī)理是建立在熔劑和非金屬夾雜物之間的物理化學(xué)反應(yīng)以及熔劑對夾雜物的潤濕吸附和溶解的基礎(chǔ)上的。
2．玻璃絲布過濾
    玻璃絲布過濾的主要優(yōu)點(diǎn)是：①結(jié)構(gòu)簡單，可以安裝在從靜置爐向結(jié)晶器轉(zhuǎn)注的任何地方，如流槽、流盤中、落差處、分配漏斗中、結(jié)晶器液穴里。②使用成本低，在正常條件下，玻璃絲布的消耗量為0.05～0.07m2/g金屬。③對原有的鑄造制度(鑄造溫度、鑄造速度等)沒有任何影響。④對鑄錠晶粒組織無影響。玻璃布過濾的缺點(diǎn)是：除渣程度有限，不能除氣，只能使用一個鑄次，需要經(jīng)常更換。
    在采用玻璃絲布過濾時，應(yīng)注意的問題是：①為了防止與鋁相互作用，應(yīng)采用鋁硼硅酸鹽制造的玻璃布，或者表面涂有硅酸鋁陶瓷的玻璃布制造濾網(wǎng)；②為了提高平版網(wǎng)格的穩(wěn)定性，在縫制濾網(wǎng)前，最好對玻璃絲布采用在熔化溫度時具有穩(wěn)定性的表面活性物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，以防玻璃絲滑動竄位，同時便于剪裁加工。③玻璃絲布濾網(wǎng)的形狀和大小必須根據(jù)安放的位置條件和熔體流量的大小進(jìn)行設(shè)計，目前實(shí)際采用的玻璃絲布的過濾流量約為0.15～0.25 kg/cm2·min，安放于流盤、流槽和落差處的濾網(wǎng)宜作成長袋形，安放在結(jié)晶器中的濾網(wǎng)尺寸應(yīng)視液穴輪廓而定，其濾網(wǎng)底部距液穴底部的距離一般不應(yīng)小于25 mm。④濾網(wǎng)的安放地點(diǎn)最好放在金屬液流的落差處，這樣不但可以充分消除落差處金屬液流的沖擊翻滾，減少造渣污染，增加過濾效果，而且，由于鋁液的靜壓頭較大，過濾流量也大。⑤玻璃布耐鋁液腐蝕的性能隨溫度升高和時間增長而變差，采用玻璃布過濾時，熔體溫度最好不要超過730℃，一次過濾時間最好不要超過4 h。⑥在使用過程中，應(yīng)防止濾網(wǎng)和熔劑液接觸，避免濾網(wǎng)迅速腐蝕損壞。
3．剛玉質(zhì)陶瓷過濾器
    剛玉質(zhì)陶瓷過濾器的技術(shù)參數(shù)主要有：
    1)過濾精度。也叫凈化精度。用透過多孔陶瓷的固體夾雜的最大尺寸來表示；也可用過濾介質(zhì)所能截留的固體雜質(zhì)的最小尺寸來表示。陶瓷過濾器的過濾精度主要取決于多孔陶瓷的孔徑大小和過濾過程。孔徑越小，過濾速度越慢，則過濾精度越高(見圖2—2—6)。

    過濾精度越高，則鑄錠形成羽毛晶的傾向越大。國產(chǎn)陶瓷過濾器的過濾精度在5～50цm之間。
    2)過濾效率。指濾除的固體雜質(zhì)與過濾前熔體中固體雜質(zhì)的濃度的百分比。用式子表示為：
                                          η=[(C1-C2)/C1]×100%             (2—2—9)
式中η——過濾效率；
    C1——過濾前熔體中固體雜質(zhì)的濃度；   
    C2——過濾后熔體中固體雜質(zhì)的濃度。
    過濾效率主要取決于過濾介質(zhì)的孔隙特性(最大孔徑、孔徑分布等)、熔體中固體雜質(zhì)的粒度分布和過濾條件。通常，陶瓷過濾器的過濾效率隨過濾速度降低和過濾時間延長而提高。國產(chǎn)剛玉質(zhì)陶瓷過濾器的過濾效率為40％～80％。
    3)過濾速度。指單位時間內(nèi)通過單位面積過濾介質(zhì)的熔體體積。它是設(shè)計過濾器生產(chǎn)率的主要依據(jù)。過濾速度主要取決于過濾介質(zhì)的滲透系數(shù)、厚度以及過濾介質(zhì)兩邊的液面差。滲透系數(shù)和壓差愈大，介質(zhì)厚度越小，則過濾速度愈快。而介質(zhì)的滲透系數(shù)又隨介質(zhì)貫穿孔隙度和孔徑的增大、熔體粘度的降低而增大。在層流條件下，過濾速度可用達(dá)西公式確定：

V=B·(△P/η·δ)=K·△P  (2—2—10)

式中  V——過濾速度/mL·(S·cm2)-1；   
      B——介質(zhì)的滲透系數(shù)/cm2；
      △P——介質(zhì)兩邊的熔體壓降/dyn·cm-2，(即0.1Pa)；    
      η——熔體粘度/×l0-1 Pa·s；
      δ——介質(zhì)厚度/cm；
      K—一相對滲透系數(shù)/mL·(s·dyn)-1。
國產(chǎn)剛玉質(zhì)陶瓷過濾材料對鋁液的相對滲透系數(shù)為0.0005～0.0015 ks/min·cm2mm鋁液柱高。一根規(guī)格為φ110/φ70×325 mm的陶瓷管，在100 mm的鋁液工作壓頭下，其過濾速度為50～150 kg/min·根。
    4)阻塞率。指單位時間內(nèi)單位體積的過濾介質(zhì)中所滯留的固體夾雜量。該值的大小標(biāo)志著過濾器的使用壽命。由于阻塞率的測定極其困難，而在過濾速度恒定時，穿過過濾器后的壓降隨阻塞而增加，因此，常用壓降的增加來表示過濾器的阻塞率。其表達(dá)式如下：

△Q＝△h/△W （2-2-11）

式中，△Q——每通過一噸金屬液所需增加的工作壓頭/mm·t-1；
      △h——有效工作壓頭/mm；
      △W——全部有效工作壓頭用盡時過濾器所通過的金屬量/t。
    阻塞率與熔體通過量和熔體中夾雜含量成正比，而與過濾介質(zhì)的總體積及貫通孔隙率成反比。在生產(chǎn)條件下，國產(chǎn)l6～12目的陶瓷管的實(shí)際使用壽命在10～20t/根之間。
    5)起始壓頭。指熔體穿過過濾介質(zhì)的孔道開始流動所需的壓頭。由于鋁熔體對剛玉質(zhì)骨架材料是不潤濕的，二者間的界面張力很大，當(dāng)熔體進(jìn)入介質(zhì)毛細(xì)微孔時，將形成一凸形彎月面，表面張力將阻止熔體前進(jìn)。為克服張力而使熔體開始流動所需的力的理論值為：   

P=-2σcosθ/r

式中，P——使金屬在毛細(xì)孔道內(nèi)開始流動所需的力(dyn/cm2即0.1 Pa)；
     б——熔體表面張力/dyn·cm-1(即×l0-5N·cm-1)；  
     θ——熔體與過濾介質(zhì)的接觸角/(°)；
      r—一介質(zhì)毛細(xì)孑L道半徑/cm。
    介質(zhì)孔道愈小，溫度愈低，則起始壓頭愈大。
    目前一些工廠采用的陶瓷過濾裝置的典型結(jié)構(gòu)示意于圖2—2—7。這種過濾器的外殼是用10 mm厚的鋼板焊成的，內(nèi)襯硅酸鋁纖維氈，再砌一層輕質(zhì)耐火磚，內(nèi)刷滑石粉。過濾器內(nèi)腔用多孔陶瓷板或碳化硅板間隔成A、B兩室。4室為過濾室，過濾管裝配在隔板孔眼上，裝配部位用硅酸鋁纖維氈密封；B室為貯存室，匯集過濾后的金屬。過濾器上部有加熱蓋，內(nèi)配電阻加熱絲。熱電偶連續(xù)測溫，電子電位差計自動控制過濾器中金屬溫度。過濾器下部有放流眼。全部工作壓頭有l(wèi)00 mm和200 mm兩種。過濾室內(nèi)安裝φ110/φ70×325 mm的過濾管，安裝數(shù)目視需要而定。熔體從靜置爐沿流槽進(jìn)入與此相連接的過濾室A，再通過過濾管微孔滲出，匯集于貯存室，最后經(jīng)流盤進(jìn)入結(jié)晶器。

圖2—2—7陶瓷過濾裝置結(jié)構(gòu)示意圖
1——流量控制釬；2——流槽；3——過濾器保溫襯里；4——外殼；5——陶瓷管；6——隔板；
7—— 結(jié)晶器；8——漏斗；9——小流盤；l0——濾液出口；11——加熱元件；l2——加熱保溫蓋

    在設(shè)計和使用陶瓷過濾器時應(yīng)注意下列問題：
    ①根據(jù)制品要求，選擇適當(dāng)孔徑的過濾材料。通常，對要求內(nèi)部純潔度較高的擠壓制品制品，采用14目的過濾管即可；其他制品可采用12目的過濾管。不適當(dāng)?shù)奶岣哌^濾精度，將導(dǎo)致增大鑄錠產(chǎn)生粗晶和羽毛晶的傾向性。
    ②從提高過濾器的過濾效果和使用壽命出發(fā)，應(yīng)盡可能地增大過濾器的有效過濾面積，即采用多管過濾器。目前工廠使用4～7管的過濾器比較普遍。
    ③安裝過濾管時應(yīng)嚴(yán)密無縫，防止短路。
    ④使用前，對過濾器要充分預(yù)熱，預(yù)熱溫度最好不要低于720℃。在鑄次、熔次之間的間隔時間內(nèi)，亦應(yīng)注意保溫，防止凝管。
    ⑤為了滿足精過濾的要求，也為了提高過濾器的使用壽命，在陶瓷過濾器之前，最好采用玻璃布對熔體進(jìn)行粗濾。
    ⑥合理安排生產(chǎn)，盡可能避免因合金頻繁轉(zhuǎn)組而妨礙過濾器的有效使用。
    ⑦過濾時，過濾器及靜置爐流槽內(nèi)應(yīng)嚴(yán)禁撒熔劑粉。鑄造過程中，熔體靜壓頭應(yīng)平穩(wěn)上升，防止液面波動和結(jié)晶器受到震動和沖擊。鑄造收尾前，應(yīng)除凈過濾器中金屬表面浮渣，避免過濾管堵塞。
    ⑧防止過濾后的熔體二次污染。
4．泡沫陶瓷過濾器
    泡沫陶瓷是美國康索尼達(dá)德鋁公司在20世紀(jì)70年代末期研制的一種具有海綿狀結(jié)構(gòu)的用于過濾鋁熔體的開孔網(wǎng)狀物(見圖2—2—8)。我國在80年代初期試制成功并已普遍推廣使用。泡沫陶瓷過濾器即以泡沫陶瓷作為過濾介質(zhì)的過濾裝置。它是將泡沫陶瓷安裝在靜置爐和鑄造臺之間的熔融金屬轉(zhuǎn)注系統(tǒng)的濾盆里而構(gòu)成的。濾盆用普通鋼板焊成，內(nèi)襯絕熱氈，最里層是耐火磚。濾盆的深度一般不低于200 mm(從泡沫陶瓷板的板面算起)。鋁水從靜置爐經(jīng)濾盆過濾后流向結(jié)晶器。目前國內(nèi)投入實(shí)際使用的泡沫陶瓷的孔隙特性如下：孔洞數(shù)，l0—45孔/in；孔隙度為85%～90%；體積密度為0．35～0．40g/cm3；比表面積為10000 in2/in3；陶瓷板的厚度為20～100 mm。泡沫陶瓷的流量特性取決于孔隙特性和陶瓷板的尺寸。對于尺寸為305 mm×305 mm×51 mm、孔洞數(shù)為30孔/in的泡沫陶瓷板，其濾過量為1.7～3.0 kg/s。在過濾鋁熔體時，泡沫陶瓷的主要過濾參數(shù)是：過濾精度為2μm；過濾效率為99%；起始壓頭為50～150 mm；有效工作壓頭為50 mm。由上可知，泡沫陶瓷過濾器具有過濾精度高、過濾效率高、質(zhì)量輕、占地面積小、操作使用方便、勞動條件好等優(yōu)點(diǎn)。但泡沫陶瓷用過一次即廢棄，不能再生，而且質(zhì)地較脆，安裝時應(yīng)避免碎片混入。

圖2—2—8泡沫陶瓷板實(shí)物照片

    在生產(chǎn)中使用泡沫陶瓷過濾器時應(yīng)注意下列問題：①選擇適當(dāng)?shù)呐菽沾伞Ｔ谶x用泡沫陶瓷時，首先應(yīng)考慮對過濾精度的要求。在大多數(shù)情況下，選用30孔/in的泡沫陶瓷是符合要求的。如果金屬特別臟，可采用20孔/in的泡沫陶瓷作預(yù)先過濾，以防止30孔/in的泡沫陶瓷過早堵塞。其次應(yīng)該考慮到為鑄造速度所要求的液體鋁在單位時問內(nèi)的流量大小，熔體的原始清潔程度，金屬中夾雜物的最高含量及金屬的總通過量。②正確安裝泡沫陶瓷。通常泡沫陶瓷都水平配置在濾盆中，讓鋁水垂直向下或垂直向上通過。采用下鑄法(見圖2—2—9)時，具有鋁水均勻上升、碰到過濾器時沒有湍流、能保證過濾器均勻啟動、減少溝流危險等優(yōu)點(diǎn)。此外，在安裝泡沫陶瓷時，裝配部位必須用耐火纖維密封好，排除任何旁路的可能性。③過濾前最好將泡沫陶瓷用輻射式加熱器或煤氣吹管加熱至接近熔體溫度，以保證鋁液流至泡沫陶瓷時不致有金屬凝固而堵死孔洞。

圖2—2—9泡沫陶瓷過濾器工作示意圖

5．筑熔劑壩
    采用流管法從熔煉爐向靜置爐倒?fàn)t時，在流管底部及四周用塊度為50～80 mm的熔劑塊筑筑過濾層的工藝操作過程叫筑熔劑壩。在熔劑塊未熔化時，熔劑壩相當(dāng)于塊狀材料過濾器；而當(dāng)熔劑熔化后，又相當(dāng)于液體層過濾器。由于熔劑是活性材料，對熔體中的固態(tài)夾雜物具有物理化學(xué)吸附作用和一定的溶解能力，而且與熔體的接觸比較充分，因此，能夠?qū)θ垠w起到較好的凈化作用。
    生產(chǎn)中，筑熔劑壩主要應(yīng)用在兩個場合：①在生產(chǎn)鍛件等重要用途的制品時，為了防止倒?fàn)t時形成過多的氧化夾渣，而作為一種輔助的凈化手段來采用。②在生產(chǎn)高純鋁、5A66等高純度的合金時，作為一種主要的精煉措施而采用，此時，不再在靜置爐內(nèi)進(jìn)行爐內(nèi)精煉，以防止因使用鐵質(zhì)工具而使合金增鐵。
6．電熔劑精煉
    電熔劑精煉是用液體熔劑和電流對鋁熔體進(jìn)行連續(xù)凈化的一種精煉方法，它是前蘇聯(lián)在上世紀(jì)70年代研制的。其裝置如圖2—2—10所示。該裝置以鑄錠和金屬流(通過塞子4接地)作為一個電極，以與爐殼絕緣并浸沒在液體熔劑中的鋼環(huán)3(用直徑為20～22mm的鋼棒制造)作另一個電極。電流通過熔劑時，一方面放出熱量使熔劑在整個鑄造期間維持在液體狀態(tài)；另一方面使進(jìn)入熔劑中的氧化鋁產(chǎn)生電解作用，因而促使熔劑在整個鑄造期間保持穩(wěn)定的高水平的精煉能力。熔劑層相當(dāng)于液體過濾器，為了增加金屬流和熔劑的接觸表面積以提高凈化效果，當(dāng)金屬流量較大時，可以在流槽下方的漏斗中安裝打孔鐵板或陶瓷多孔漏斗作為分散器，讓金屬分成多股液流進(jìn)入熔劑層。洗滌熔劑的成分既要考慮凈化效果，又要考慮熔劑對合金工藝性能(鑄錠裂紋傾向性、液流性、金屬損失等)和腐蝕性能的影響，一般采用一號熔劑即可，但對于那些具有嚴(yán)重鈉脆性的合金，如Al—Mg和Al—Li合金應(yīng)禁止采用含鈉熔劑。熔劑層的溫度以720～800℃為宜，過低則凈化效果差；過高則促使熔劑迅速消耗，并使液體金屬中含鈉量大大提高。據(jù)資料介紹，采用電熔劑精煉鋁熔體時，除渣效果很好，工藝試樣的污染度可降低到0.0018～0.024 mm2/cm2。采用電熔劑精煉鋁合金的基本參數(shù)如下：
    電路參數(shù)：電流頻率為50 Hz；電壓為7～l2 V；電流為500—900 A。
    工藝參數(shù)：穿過熔劑層的最大金屬流量(單股時)為15 kg/min；液體熔劑層深度為不小于150 mm；熔劑消耗量為2 kg/t鋁液。

圖2—2—10鋁合金電熔劑精煉裝置系統(tǒng)圖
1——流槽；2——絕緣襯套；3——環(huán)狀饋電線；4——塞子；5——隔板；
6——容器；7——液體金屬；8——液體熔劑

    俄羅斯卡明斯克一烏拉爾聯(lián)合冶金廠在生產(chǎn)鋁鋰合金鑄錠時，采用電熔劑精煉法對熔體進(jìn)行精煉，有著很好的精煉效果。對l421鋁鋰合金試片的X射線探傷結(jié)果表明，單位面積缺陷率由未采用的0.012 mm2/cm2下降到0.0039 mm2/cm2。

九、真空處理

    在一定的溫度下，鋁熔體中氫的平衡含量C和爐氣中水蒸氣分壓PH2O之間存在如下關(guān)系：

 C=K·PH2Ol/2

真空處理時，由于鋁液表面的水蒸氣分壓降低，因而，鋁液中氫的平衡含量也隨之降低。同時，因?yàn)檎婵盏慕ⅲ购辖鸬姆悬c(diǎn)降低，也促使氣體在鋁液中的溶解度降低。這是真空處理的基本理論根據(jù)。在進(jìn)行真空處理作業(yè)時，隨著熔體上方的外壓降低，熔體中溶解的氣體和爐氣中水蒸氣分壓之間的平衡被破壞，促使溶解的氫向自由表面擴(kuò)散，也為熔體中氣泡的發(fā)生和長大建立了極為有利的條件。在大氣壓力下，熔體中形成氣泡的條件為：

 P內(nèi)≥P外+P金+2σ/r             (2—2—12)

式中P內(nèi)——熔體內(nèi)部溶解氣體的壓力；                                 
    P外——熔體上方的外壓；    
    P金——金屬靜壓力；
    σ——熔體和氣泡間的表面張力；    
    r——氣泡半徑。
    隨著外壓P外的降低，熔體中更小的氣泡變得穩(wěn)定，已經(jīng)形成的氣泡會急劇生長和析出。當(dāng)溶解氣體的內(nèi)壓大于P金+2σ/r+(熔體上方的殘余壓力)時，就會發(fā)生強(qiáng)烈的沸騰現(xiàn)象。在沸騰過程中，由于氫氣泡的浮選作用也促使非金屬夾雜物被清除。這樣，真空處理就達(dá)到了既除氣又除渣的目的。不過，真空處理的除渣效果是極為有限的。
    真空處理的除氣效果取決于許多因素。通常，熔體上方的殘余壓力愈低，真空處理時間愈長，熔體溫度愈高，熔體表面氧化膜的致密性愈差，熔體自由表面積愈大，熔體深度愈淺，則除氣效果愈好。通過在熔體表面覆蓋少量能吸附氧化物的熔劑及向熔體中吹人隋性氣體的辦法，由于降低了熔體表面張力和氧化膜的致密性，可使脫氣得到加速并且更為完全。
    在靜置爐或澆包中對熔體進(jìn)行靜態(tài)真空處理時，為了取得較好的除氣效果，在工藝上應(yīng)掌握下列要點(diǎn)：①抽真空前，在液面上撒一層熔劑粉；②殘余壓力：2～10(mmHg)；③處理溫度：740～750℃；④處理時間：5～20 min；⑤處理完畢后，關(guān)閉真空泵，打開進(jìn)氣閥，即可澆鑄。經(jīng)過這樣處理后的熔體，其含氫量約為0.15 mL/100gA1。
    為了增大鋁液同周圍氣氛的接觸表面積，提高靜態(tài)真空處理的除氣效果，國外發(fā)展了一種動態(tài)真空處理的技術(shù)，其典型裝置示于圖2—2—11。操作順序是：先將真空爐抽成真空，使?fàn)t內(nèi)真空度達(dá)到l～10 mmHg，然后打開塞板，金屬液經(jīng)流槽被吸入真空爐內(nèi)，分散成細(xì)小的液滴。此時，金屬內(nèi)的氫被除去，鈉被蒸發(fā)燃燒掉，夾雜聚集在熔體表面。從鋁液送入真空爐開始直到處理結(jié)束，真空裝置都在運(yùn)轉(zhuǎn)，處理結(jié)束時真空度可達(dá)到0.15 mmHg。在20一30 t的動態(tài)真空處理爐中，鋁液噴射速度約為7m/s，凈化能力為l～1.5 t/min，全爐處理時問僅15～20 min，處理同時可向熔體中吹入氬、氮等惰性氣體，處理后氫含量小于0．12 mL/100gA1，鈉含量降至2×10-6。處理完畢恢復(fù)氣壓后即可開始鑄造作業(yè)。

    西南鋁在生產(chǎn)鋁鋰合金鑄錠時，采用真空精煉，不僅有效地降低了氫含量，還有效的控制了鈉、鉀、鈣的含量。

十、超聲波處理

    超聲波處理的基本原理是：超聲波是一種頻率較高的機(jī)械震蕩波。向鋁液通人超聲波時，金屬液受到高速定向往復(fù)振動，處于振動面上的金屬質(zhì)點(diǎn)會很快跟著振動起來，而距振動面較遠(yuǎn)的質(zhì)點(diǎn)由于慣性作用不能及時跟上去，因而在他們之間便形成“空隙”，產(chǎn)生了無數(shù)顯微空穴，溶于鋁液中的氣體便逸人這些空穴中，并復(fù)合成氣體分子，成為氣泡核心。當(dāng)振動易向時，充有分子氣體的空穴僅被壓縮，其中的分子氣體不會離解和溶解。由于這種快速往復(fù)振動的結(jié)果，氣體便可連續(xù)不斷的從金屬液擴(kuò)散到空穴中去，使其逐漸長大為氣泡，而后逸出液面，達(dá)到除氣之目的。超聲波處理器示意于圖2—2—12。

    超聲波處理時，換能器輻射頭一般采用金屬鈦制作，即使有微量鈦溶人鋁液也不會污染金屬液，而且有細(xì)化晶粒的作用。在功率足夠時，超聲波的作用范圍可達(dá)到全部鋁液，不僅能消除宏觀氣孔，也能消除顯微氣孔，因此具有很好的除氣效果。第一次發(fā)現(xiàn)超聲波能夠?qū)︿X液除氣是在1926年，到上世紀(jì)50年代末，開始出現(xiàn)專門的超聲處理器，但直到目前，還沒有發(fā)現(xiàn)它在工業(yè)生產(chǎn)上的直接應(yīng)用，原因不詳。