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氫的溶解度
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銅或硅的含量，%
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cm3/100g金屬
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0
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5
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10
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20
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50
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含銅的鋁合金
含硅的鋁合金
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0.88
0.88
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0.58
0.64
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0.44
0.64
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0.37
0.50
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0.36
－
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應(yīng)，也不溶于鋁熔體中。把氮氣通入鋁液能形成大量氣泡。在這些氮氣氣泡中氫分壓等于零，因此熔體中的氫會向氣泡擴散，從而去除了熔體中的氣體。在氣泡上浮過程中，遇到夾雜物時，由于表面張力的作用，夾雜物就粘附在氣泡表面上，最后氣泡把夾雜物帶到液面的渣中。由此可見，在去除氣體的同時也清除了夾雜物。用氮氣去氣精煉，精煉溫度應(yīng)控制在690～710℃范圍內(nèi)，溫度過高，氮氣可能與鋁起化學(xué)反應(yīng)。氮氣壓力控制在10～15kPa范圍內(nèi)。含鎂的合金不宜采用氮氣凈化，因為精煉溫度下能生成Mg3N2，影響合金質(zhì)量，同時氮的除氣作用并不完全。
2、氯氣凈化：氯氣不溶于鋁合金熔體，但能與鋁生成氯化鋁。2Al＋3Cl2＝2AlCl3↑ 氯氣還能與合金中的氫發(fā)生反應(yīng)，生成易揮發(fā)的氯化氫。Cl2＋2[H]＝2HCl↑。也有部分氯氣以氣態(tài)逸出。這些氣體都以氣泡形式從鋁液中浮起，起去氣除渣的作用，凈化效果好。但氯氣有毒，有害于人體健康，對周圍設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，為此必須有完好的通風(fēng)防護設(shè)備。
3、混合氣體精煉：但用氮氣凈化效果差，用氯氣又對環(huán)境和設(shè)備有害，所以目前多采用混合氣體凈化，以 提高凈化效果，減少其有害作用。混合氣體有兩氣體混合：N2－Cl2(9:1或8:2)或三氣體混合：N2－Cl2－CO(8:1:1)。在鋁液中的反應(yīng)如下：
2Al2O3＋6Cl2＝4AlCl3↑＋3O2↑
3O2＋6CO＝6CO2↑
Al2O3＋3Cl2＋3CO＝2AlCl3↑＋3CO2↑
AlCl3和3CO2都有精煉作用，又能部分分解Al2O3，所以明顯提高凈化效果。
4、熔劑凈化：熔劑精煉作用主要是通過與熔劑中的氧化夾雜物發(fā)生吸附和溶解作用而實現(xiàn)。常用的精煉劑以氯化物為基礎(chǔ)，加入氟化物，如CaF2、Na3AlF6等來吸附、溶解Al2O3，以最大凈化效果。常用的熔劑成分及用途如下。它們能夠清除氧化夾雜，也可以去除一些氣體，但不徹底。
常用熔劑的成分及用途
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熔劑種類 |
主要成分 |
主要用途 |
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覆蓋劑 |
NaCl 39 KCl 50 Na3AlF6 6.6 CaF2 4.4 |
Al－Cu系、Al－Cu－Mg系、Al－Cu－Si系、Al－Cu－Mg－Zn系合金 |
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KCl 、MgCl2 80 CaF2 20 |
Al－Mg系、Al－Mg－Si系合金 |
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精煉劑 |
NaCl 47 KCl 30 Na3AlF6 23 |
除Al－Mg系、Al－Mg－Si系以外的其它系合金 |
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KCl 、MgCl2 60 CaF2 40 |
Al－Mg系、Al－Mg－Si系合金 |
精煉時，先調(diào)整鋁液溫度到 高于澆注溫度20～30℃。把熔劑撒在鋁合金熔體表面，由于鋁合金使用的熔劑密度比鋁液小，它們都浮在上面。攪拌5～10min，攪拌后再靜置5～10min，然后清除合金上面的渣并撒上覆蓋劑，精煉完畢即可澆注。
5、氯鹽凈化：氯鹽凈化的原理是利用它們和鋁反應(yīng)生成不溶于鋁液的低沸點化合物(如AlCl3沸點182.7℃)，在鋁液中形成氣泡，上浮時起去氣、清除雜質(zhì)的作用。常用的氯鹽有氯化鋅(ZnCl2)、氯化錳(MnCl2)、六氯乙烷(C2Cl6)、四氯化碳(CCl4)、四氯化鈦(TiCl4)等，在熔體中的反應(yīng)如下：
2ZnCl2＋2Al＝2AlCl3↑＋3Zn
2MnCl2＋2Al＝2AlCl3↑＋3Mn
3C2Cl6＋2Al＝3C2Cl4↑＋2AlCl3↑
3TiCl4＋4Al＝4AlCl3↑＋3Ti
用氯鹽精煉的缺點是產(chǎn)生刺激性氣體，惡化勞動條件，而且對設(shè)備有嚴(yán)重腐蝕作用。近年來有的工廠采用以硝酸鹽為主的無毒精煉劑。典型的配方如下。在鋁熔體中無毒精煉劑發(fā)生下列反應(yīng)：4NaNO3＋5C＝2NaCO3＋2N2↑＋3CO2↑。N2和CO2都不溶于鋁液，在上浮時起精煉作用。精煉劑中Na3AlF6、Na2SlF6既起精煉作用，也起緩沖作用。N2和CO2等沒有刺激性，改善了勞動條件。
無毒精煉劑配方
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配方組成(%) |
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硝酸鈉 NaNO3 |
硝酸鉀 KNO3 |
石墨粉 C |
冰晶石粉 Na3AlF6 |
氟硅酸鈉 Na2SlF6 |
食鹽 NaCl |
耐火磚屑 |
用量(%) |
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1 |
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40 |
6 |
20 |
20 |
14 |
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0.3 |
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2 |
34 |
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6 |
20 |
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10 |
30 |
0.3 |
6、真空凈化：真空凈化是把鋁液放在真空罐中，再通過真空設(shè)備把真空罐抽成一定真空度。在真空下鋁液吸氣的傾向趨于零，而且溶解在鋁液中的氫有強烈的析出傾向，生成的氣泡在上浮過程中將氧化物夾雜帶出鋁液，使鋁錠得到凈化。實踐證明，真空處理去氣效果很好，但去除雜質(zhì)的作用很小。
3.2爐外凈化處理
1、玻璃絲布過濾：玻璃絲布過濾鋁熔體在國外已廣泛應(yīng)用。該法是讓熔體通過玻璃絲布過濾器，使夾雜受到機械阻隔而過濾。過濾網(wǎng)尺寸通常為0.6mm×0.6mm×1.7mm，可安放于靜置爐與結(jié)晶槽之間的任何熔體通過的部位。但玻璃絲布只能除去尺寸較大的夾雜，對微小夾雜無效并且只能使用一次。
2、陶瓷過濾器過濾：剛玉微孔陶瓷管過濾裝置中裝有外徑100mm，內(nèi)徑60mm，長500～900mm的陶瓷過濾管數(shù)根。鋁熔體通過陶瓷管大小不等、曲折的微細孔道，熔體中的雜質(zhì)被阻礙、沉降及介質(zhì)表面對雜質(zhì)產(chǎn)生吸附和范德瓦爾斯力作用，將熔體中雜質(zhì)顆粒濾去。20目剛玉微孔陶瓷管能濾去5微米以上的雜質(zhì)顆粒，16目可濾去8～10微米雜質(zhì)顆粒。陶瓷管的壽命一般可通過300～600噸鋁液。加工鍛件與飲料罐薄板的鑄錠熔體宜用此法凈化。
3、泡沫陶瓷板過濾：泡沫陶瓷是近年來發(fā)展起來的新型陶瓷過濾材料。一般制成50mm厚，長寬為200～600mm的過濾板，孔隙度高達0.8~0.9。泡沫陶瓷板在過濾鋁液時，鋁液流經(jīng)陶瓷曲折的孔眼，其中含的夾雜顆粒等因受到鋁液流軸向壓力、摩擦力、表面吸附力等的聯(lián)合作用，被滯留在陶瓷板的孔眼內(nèi)表面和縫隙洞穴處，從而使夾雜顆粒和鋁液分離。經(jīng)過一段時間后，滯留在陶瓷板上的渣子也參與吸附和截留渣子。其吸附和截留鋁液的能力遠大于陶瓷板，使陶瓷過濾板有可能濾掉比它本身的孔眼小得多的渣子。一般說來，陶瓷板越厚，孔眼越小，鋁液經(jīng)陶瓷板的流速越慢，則過濾效果越好。鋁液的通過總量和清潔度基本上不影響過濾效果，只影響陶瓷板的使用壽命。通常采用泡沫陶瓷板的過濾裝置與玻璃絲布過濾相似，直接放在分流盤上。在澆鑄之前，陶瓷板應(yīng)預(yù)熱至600度左右。因陶瓷板性質(zhì)硬而脆，且導(dǎo)熱性不佳，初始加入應(yīng)緩慢，當(dāng)預(yù)熱到200度以上方可提高加熱速度，否則，陶瓷板易破碎。
3.3爐外在線凈化處理新技術(shù)
主要精煉氣時，在處理后的金屬中易產(chǎn)生大量黑褐色夾雜物(AlN、Mg3N2)。用氬氣作精煉氣體時，鑄錠中不出現(xiàn)黑褐色夾雜物。通常SNIF裝置不宜在頻繁更換合金的條件下使用。
2、Alpur法：此法也是利用旋轉(zhuǎn)噴嘴使精煉氣體呈微細氣泡噴出分散于熔體中。但與SNIF法的噴嘴不同，它同時能攪動熔體進入噴嘴內(nèi)與氣泡接觸，使凈化效果提高。
3、MINT法：MINT法是美國鋁業(yè)公司于1982年發(fā)明的爐外處理裝置。該系統(tǒng)包括兩個部分：除氣單元和過濾單元。除氣反應(yīng)室的金屬容量約為800kg，采用高壓固定噴嘴，過濾器采用泡沫陶瓷過濾板。凈化氣體為氬氣，也可添加少量氯氣。
4、雙除氣和過濾系統(tǒng)(DDF)：它由雙級除氣設(shè)備和雙級過濾設(shè)備組成。
