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铝合金熔炼工艺

来源:www.cnhengao.com 发表时间:2017-07-19

 摘要:铝合金熔炼中比较经济和常用的熔炼方式是燃气炉熔化,从投料顺序、温度控制等方面进行了介绍。在对铝合金进行熔炼前,要按照要求进行配料,需要考虑新料﹑回炉料﹑中间合金中各种元素熔炼过程的烧损。同时对铝液的精炼进行了详细介绍,要求精炼后对铝液进行理化分析,对不合格铝液要进行重新调整。


1、 铝合金分类

       铝合金按用途分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金包括日常使用的铝合金门窗,航天飞机的机构材料,根据不同使用要求可进行热处理和不进行热处理;另一类为铸造铝合金,主要包括铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金和铝稀土合金等。

       在实际生产过程中,铸造铝合金根据各类化学元素含量多少进行分类。熔炼过程需要根据实际的化学成分进行添加或者减少原料用量,有些厂家供应的成品铝锭已经含有产品所需要的各种合金元素,熔炼过程基本不需要额外加入其他化学元素,不需要进行配比直接熔炼成铝液,也没有加入的顺序问题,这类铝合金适合结构单一的产品。

       用纯铝锭原材料,熔炼过程根据实际生产需要进行调节化学成分,优点是可以熔炼不同牌号的铝合金液,能够适应不同产品的需求,产品类型多种多样。对铝合金进行熔炼前,按照要求进行配料,配料根据合金牌号,需要考虑新料﹑回炉料﹑中间合金中各种元素熔炼过程的烧损。

       铝合金熔炼中比较经济和常用的熔炼方式是燃气炉熔化,要求:快速熔化﹑时间短﹑吸气少。投料的顺序不仅影响熔化效率与合金消耗,也直接影响铝液质量。投料的原则是:先小后大,先易熔后难熔,先少烧损后易烧损,最后进行变质。

       首先加入小块的回炉料、熔点较低的铝合金锭(如 Al-Si 合金),然后是体积较大、熔点较高的铝锭和中间合金(如Al-Mn),Mg 等容易烧损元素最后加入。小块回炉料先投在炉底既保护炉体,减轻大块炉料投料时对炉壁冲击,又由于回炉料熔点较低易熔化,对于后续熔化熔点较高的原材料时可以提高熔化效率,最后降温加 Mg,降低减少烧损。

      国内某些车辆配套企业在对铝合金熔炼时就采用这种方式:先将熔化炉进行预热,到达预定温度后开始投料,先加小块回炉料垫底,然后加入大块铝锭,对于易烧损元素加入后直接压入铝液中熔化。

       熔化是固体升温变成具有流动性的液体的过程,投料结束后,开始进行熔化。在熔炼过程中,要保证熔化快速均匀,且靠近火焰处的温度较高,达到 1200 ℃以上,为了避免局部过热、温度过高,致使铝合金氧化严重对后期产品精炼带来不便,在熔化过程应进行搅拌,将未融化炉料扒入铝液中,使其基本全部浸入搅拌均匀,避免局部过热。对最后浸入的 Mg 等元素,火焰不能直接加热熔化,又因为铝液浸入了原材料,使得温度降低,保持 Mg 等元素在相对较低的温度下熔化,减少了烧损,同时提高了燃烧效率。

       铝合金在 600 ℃左右开始熔化,升温到 660 ℃全部熔化,控制熔炼温度不超过 760 ℃。当熔化温度超过 770 ℃时,铝合金的氧化严重,熔炼过程的吸氢和夹渣增多,在浇铸凝固过程出现晶粒粗大,降低机械性能。为了减少铝合金在熔化过程的氧化,在熔炼过程加入 0.4%~0.5% 的覆盖剂,保护铝合金表面氧化膜不会被破坏,覆盖剂的种类与清渣剂化学成分差不多。

       熔炼过程温度控制在720~760 ℃,待铝锭熔化部分后,加入熔点较高原材料如 Si 元素及 Ti剂,Ti在合金中形成异质晶核,起到细化组织作用,将其压入铝液中熔化,减少烧损。铝锭基本熔化完全后加入易烧损元素 Mg ﹑  Cu 等类合金元素,不能加入太早,减少烧损,也不能太晚,影响扩散产生偏析,关闭炉门继续熔炼。

       熔炼完全后,铝合金表面有很多浮渣,主要是  Al2O3和其它氧化物夹渣,这些细小的夹渣比铝液重,但聚集结块后比重轻,漂浮在表面,需要进行清渣。清渣剂的用量按照 0.2%~0.5%加入,均匀洒在铝液表面,并进行浅度均匀搅拌。把渣扒在炉门,关上炉门静置,一方面清渣剂有发热效果,可以熔化粘附在浮渣上面的铝液;另一方面可以有效使渣与铝液分开,有利于扒出铝渣,静置几分钟后平稳将炉门口铝渣扒出。铝合金熔炼是一个很复杂的过程,不同元素由于烧损程度不一致,在扒渣后将铝液转入转浇包之前,需取样进行理化分析,保证每种元素在合格范围内才能放水进入转浇包除气精炼,反之不合格则需进行适当调整。

2、 精炼过程

       铝合金熔炼过程要对铝液进行变质处理,变质处理在精炼前进行,铝液从熔化炉转入转浇包前,在炉底加入变质剂,以合金的方式加入,不直接加入变质元素,常用铝锶合金杆作为变质剂。Sr 为长效变质剂,变质时间可持续 6~8 h,使得粗大片状硅细化,成为细小组织,进一步改善机械性能,这种变质效果比在熔炼炉里加入进行变质效果好,可以减少烧损及衰退。Sr 在炉底融化后,利用旋转除气进行搅拌均匀,减轻偏析,Sr 变质后的铝液吸氢比较快,产生针孔多,精炼后停留时间不能太长,超过 1h 需要重新测氢合格后才能使用。铝液在转入转浇包后,撒入清渣剂,深度搅拌,打出渣灰。测量铝液温度是否能达到精炼温度,温度过高,需要加入回炉材料降温,温度较低需通电升温,精炼温度控制在 720~740 ℃。直到调整合格后再在表面撒入少量清渣剂,除气精炼主要是除气除氢,由于第一次深度搅拌已经除去大部分夹渣,但内部还有少量铝渣,所以第二次撒入少量清渣剂。

       除气旋转精炼常用的方式是除气精炼和喷粉精炼,原理是向炉底通入惰性气体或者精炼剂,精炼剂很轻,惰性气体或者精炼剂从炉底喷出开始上升,上升过程带走铝液中的氢和浮渣,从而达到净化铝液的目的。除气精炼用到的除气机通过电机带动法兰盘,法兰盘与石墨转子连接转动。一般的石墨转子寿命比较短,容易腐蚀断裂,对此,石墨转子在高温高压下浸入一种介质,再烧结固化,提高其使用寿命,这类石墨主要依靠进口,成本高。

       旋转喷粉精炼效果比较好,但容易堵塞石墨转子,生产中多采用通入干燥惰性气体或者高纯度氮气进行精炼,气体接到法兰盘上,法兰盘在电机带动下开始转动,石墨转子随着法兰盘一起转动,转速为 400~600 r/min,惰性气体(氩气)流量控制在15~25 L/min,氮气为 20~40 L/min,压力(0.4±0.1)MPa。操作过程先打开气阀,然后缓慢下降除气机,直到除气机石墨转子与转浇包炉底距离为 100~150 mm,最后开起电机,开始除气精炼,精炼时间为 10~20 min。为了避免铝液由于石墨转子高速旋转产生漩涡,在石墨转子的一侧或者两侧安放阻流板,减少旋转过程铝液紊流。石墨转子除气时保证气泡细小、分散度高、效果好,这样既可保证除气效果,又不会出现气泡撑破表面氧化膜产生沸腾现象,避免二次吸气。除气完成后,关闭电机,提升石墨转子离开液面,然后关闭气阀。由于除气前表面加入了清渣剂,除气过程产生铝渣漂浮在表面,需要打出渣灰,用专用工具在转浇包中舀出滤液,建议距液面 50 mm 以下,快速平稳倒入两个专用坩埚中。其中一个坩埚在常压下凝固;另一个坩埚快速盖上钟罩抽真空,真空压力必须达到 8 MPa,抽真空时间为 3~4 min,放入水中冷却,取出擦干,按先常压后抽真空进行密度当量测量,密度当量越小,铝液含氢越低,除气精炼效果越好,根据不同产品对密度当量有不同的要求,密度当量不合格需重新精炼。密度当量:DI=(ρ-ρ1)/ρ

式中:ρ 为常压下密度;           ρ1为真空下密度。

       精炼过程同时伴随元素的变化,如 A356 在生产过程中,除气前变质剂 Sr 加入量为 0.025%,精炼除气后 Sr 含量在 0.012%~0.02%,在铸件中 Sr 含量为 0.008%~0.018%。精炼后需要进行理化分析,不合格需要进行调整,密度当量及理化分析都合格后撒上覆盖剂。覆盖剂的作用是隔绝空气,防止氧化,在停留时间较短的情况下,可以不需要撒入覆盖剂,最后转入前,把覆盖剂清理干净使用。

本文作者:贺 伟   重庆长安汽车股份有限公司

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