铝及其合金的中频炉熔炼

德国A维尔姆于1906年发明了硬铝合金（Al-Cu-Mg合金），使铝的强度提 高两倍，此后又陆续开发了 Al-Mn、Al-Mg、Al-Mg-Si, Al-Cu-Mg-Zn、Al-Zn-Mg 等不同成分和热处理状态的铝合金，这些合金具有不同的特性和功能，大大拓展 了铝的用途，使铝在建筑工业、汽车、铁路、船舶及飞机制造等工业部门上的应 用得到迅速的增长。

铝及铝加工材和钢铁材料是两类大规模生产的金属结构材料，在交通运输等 工业部门和人民生活各方面有激烈的市场竞争关系，交通运输业特别是汽车制造 业正超过建筑业和包装业，成为铝及铝加工材的第一大用户。

世界原铝（包括再生铝）产量的85%以上被加工成板、带、条、箔、管、 棒、型、线、粉、自由锻件、模锻件、铸件、压铸件、冲压件及其深加工件等铝 及铝合金产品，目前生产铝合金材料的方法主要有铸造法、塑性成型法和深加工 法。

铸造法就是利用铸造铝合金的良好流动性和可填充性，在一定温度、速度和 外力条件下，将铝合金熔体浇注到各种模型中以获得具有所需形态与组织性能的 铝合金铸件和压铸件的方法。

表4-7为铝及铝合金按合金成分与热处理方式分类表。

表4-7铝及铝合金按合金成分与热处理方式分类表

生产各类铸造铝合金时，首先将用电解法生产出的原铝，循环利用的再生铝 经反射炉、电阻炉或中频炉将它们熔化，并配以各类中间合金使其符合所生产品 种的化学成分的要求，最终浇注成各种铸件（或锭、坯）。

4.6.5铝液中的气体及其净化

4. 6. 5. 1氢在铝液中的溶解度 氢在铝中的溶解度如图4-30所示。

由图可见，在高温液态下（700 ~800龙）氢具有较高的溶解度，但由液态 向固态转变时，氢的溶解度明显减小，固态时为0.036mI/100g,液态时则为 0. 68mL/100g,两者差值为0. 64mI/100g,若不及时将氢排出，凝固后的铸件 （或锭、坯）就会产生较多的气孔。

4. 6. 5. 2 铝液中气体及其来源

溶入铝液中的气体绝大部分是氢，分析铝合金中的气体成分可知氢占85% 以上，因此可以认为铝合金的含气量基本上就是含氢量。

应该指出，铝合金中的气体并不来源于炉气组成中的氢。根据气体分析，大 气中氢的分压极微（«5xlO-⁶MPa）,远比铝液中的氢分压低。从热力学观点来 看，溶于铝液中的氢是不稳定的，有强烈地自铝液内部向大气扩散的趋势。其 次，研究氢溶入铝液的过程看出，分子态的氢并不能溶入铝液中，只有离解成原 子态的氢才能溶入铝液中。有人在纯净的氢气下熔炼合金，结果获得了没有气 孔、组织致密的合金锭，可见，炉气（大气）中的氢分子不是形成气孔的根源。 根据生产实践和实验证明，铝液中的氢和氧化夹杂物来自铝液和水汽的反应。

铝在液态下，与水汽发生下列反应：

2A1（液）+3玦0（汽）=7-Al₂O₃ + 3H₂

3H₂ =6H
2A1(波)+ 3%0(汽)=^=7-Al₂0₃ + 6H

在一般熔炼温度下，例如，温度r = 1000K, p„₂₀ =3kPa （相当于我国东南 沿海夏季的湿度）时，根据热力学计算，由于铝液与水汽发生上述反应的结果, 使得铝液表面上氢的分压PH?可达约l-2x 10¹⁰MPa_o因此氢便强烈地溶入铝液中。 式（4-35）是一个极其有害的反应，在934 -1123K范围内，该反应的标准吉布 斯自由能变化AG^e的计算公式为：

AG^e = - 67624 - 19. 39 T

式中_T一反应温度，K。

由此式可见，熔炼温度愈高，铝液与水汽就愈易发生反应，其危害也就愈 大。

为了控制铝液与水汽的这个有害反应，炉料及熔炼工具经表面清理后，必须 预热，除去表面吸附的水汽，方能进入铝液。各种熔剂、变质剂使用前必须烘干 或脱水预熔，炉衬必须烘干，砂型中的水分应该严格控制。

然而实践经验证明，即使严格遵守工艺操作，也不能完全避免铝液与水汽的 反应。根据计算，当T= 1000K时，在干空气条件下（水汽分压p_H2o =2.59 X 10-²⁰MPa）,水汽就能与铝液发生反应。任何经过烘干的炉料、工具、熔剂、砂 型所剩余的水分也都足够引起反应。因此，在铝液中总是含有一定数量的氢。还 应指出，固态的铝锭在低于250%：的条件下即能与空气中的水汽发生反应：

Al（固）+ 3鸟0（气）=A1（OH）_3（0） 

A1（OH）₃分布在铝锭的表面（见表4-8）,是一种白色粉末，组织疏松，对 铝锭没有保护作用，称“铝锈”。当用带铝锈的铝锭作炉料时，在高温下（大于 400龙）铝锈按下式分解：

2A1(OH)3——A1₂O₃ +3H₂O

此时产生的ALO3组织疏松，能吸附水汽和氢，熔炼时混入铝液中，增加铝 液中的气体含量和氧化夹杂物含量，因此铝锭不应露天堆放，而应贮存在干燥的 仓库中，以防止产生铝锈。对于已经生锈的铝锭，熔炼前应彻底清除，否则，其 他工艺操作即使控制很严格，也很难获得优质的铝液，严重时甚至可能使整炉铝 液报废。

此外，各种油脂是具有复杂结构的碳氢化合物，铝液与油脂接触会产生下列 反应：

 Al + CH  AI4C3 + yH₂

这一反应也是铝液吸氢的来源,故在生产中应禁止使用沾有油渍的炉料。

4. 6. 6中频炉熔化铸铝合金要点

4. 6. 6. 1 工艺原理

在铝合金的熔炼中，铝及多数铝合金液表面有一层致密的氧化膜，阻碍了铝 液中的氢逸入大气。如果向铝液中加入适量的熔剂，能使铝液表面致密的氧化膜 破碎成为细小颗粒，并将其吸附和溶解。因此铝液表面撒上熔剂后，阻碍氢逸入 大气的表面氧化膜就不存在了，氢很容易通过熔剂层进入大气(同时熔剂层有 隔离铝液与大气中水汽接触的作用)；另一方面，熔剂吸附和溶解铝液中的氧化 夹杂物，同时也去除了吸附在氧化夹杂物表面上的小气泡，最后扒除铝液表面熔 剂及熔渣，从而达到了铝液净化的目的。这就是熔剂法净化的工艺原理。

在熔炼各种铝合金返回料、切屑等废料，以及Al-Mg合金时，均必须在熔剂 覆盖下进行，以便获得较为洁净的铝液。

A对熔剂的要求

根据熔剂法净化的工艺原理及处理方法，对铝液净化用熔剂应有以下要求：

1. 不和铝液发生相互作用，既不产生化学反应，也不相互溶解；

2. 能吸附或溶解心2。3等氧化物，有良好的净化使用；

3. 熔点应低于熔炼温度，并在液态下有良好的流动性，这样，在熔炼时 容易在铝液表面形成连续的覆盖层，起覆盖作用，而在浇注前又能结成硬壳，易 于扒除，以免造成熔剂夹杂；

4. 熔剂的密度明显地小于铝液的密度，以使铝剂容易上浮，便于排除；

5. 来源充足，供应方便，价格便宜。

   B熔剂的工艺性能

   一种好的金属液净化用熔剂应具备良好的覆盖性能、分离性能及净化性能。 这些工艺性能主要是由熔剂的表面性能决定的。

1. 覆盖性能 熔剂的覆盖性能亦可称为铺开性能，指熔剂在金属液面上 自动铺开，形成连续的覆盖层的能力。

2. 分离性能熔剂的分离性能亦称扒渣性能，指熔剂与金属液的自动分 离能力。熔剂具有良好的分离性能，以便于扒渣，不使熔剂和金属液相互混杂形

   成熔剂夹杂。

   （3）净化性能熔剂的净化性能指其除渣除气的能力，这里主要是指其吸 附、溶解铝液中氧化夹杂物的能力。

   C常用熔剂及其选择

   根据净化工艺对熔剂提出的要求，合理选择熔剂，其中最本质的是根据对熔 剂的工艺性能要求，正确选配熔剂。铝液的熔剂，多数为盐类混合物，熔剂的工 艺性能与其表面性能（铺开，分离等）密切相关，而其表面性能又直接与熔剂 的各成分相联系。铝合金常用溶剂的组成如表4-9所示。

表4-9铝合金常用熔剂的组成 %

①以无水光卤石加入，其成分为50% MgCl₂ +40% KC1,其余为Cad?+NaCl。

4. 6. 6. 2 工艺要点

1. 中频炉熔炼条件下，应根据炉子容量、熔化原料条件及铝合金导磁率 的特点，选择合适的功率及频率，否则会效果不佳，为了适应熔铸的要求，电源 可采用串联电路即“一拖二”或“一拖三”的配置。

   例如，某厂5t中频感应铝熔炉(2台)，中频电源采用12脉整流，功率选 定为1800kW,输出频率为200Hz。

2. 使用原料必须严格管理，为了控制铝液与水汽所产生的有害反应，炉 料及熔炼工具经表面清理后，必须预热，各种熔剂，变质剂使用前必须烘干或脱 水预熔，铝锭不应露天堆放，防止产生铝锈，已经生锈的铝锭应该彻底除锈，且 不含油渍。

3. 针对不同合金选择合适的熔剂，在熔剂的覆盖下进行熔炼以便获得纯 净的铝液。

4. 严格控制出炉及浇注温度，防止铝液吸氢过多。

5. 结合实际情况，采用各种有效措施对炉液进行净化，例如Alcoa469、 FILD、各种陶瓷过滤器、MINT、动态真空法等。