精煉目的是:排除(只能說(shuō)降低)鋁水中的氣體和某些雜質(zhì),以及滿足某些性能而進(jìn)行鋁水處理和成分調(diào)節(jié)。

精煉有爐內(nèi)精煉和在線精煉兩個(gè)“階段”,前者是初步的,也是較為粗糙的精煉。

后者則是鋁水從熔爐流向鑄造機(jī)的過(guò)程中進(jìn)行的。

鋁水中的雜質(zhì)來(lái)源于:

①爐料本身所含雜質(zhì)以及爐料表面的油污鋁銹等污垢。

②火焰爐爐氣與鋁的反應(yīng)產(chǎn)物。爐氣是燃料的燃燒產(chǎn)物,是氮、氧、二氧化碳、一氧化碳和水氣的混合物。進(jìn)入鋁水的反應(yīng)產(chǎn)物主要是氧化鋁和氫。

③爐體和工具與鋁的反應(yīng)產(chǎn)物,如耐火磚中含的SiO2和FeO等被鋁還原成Si和Fe,并進(jìn)入鋁水,故砌筑熔鋁爐宜用含Si,Fe低的高鋁磚。

鋁水中雜質(zhì)的存在形式有二:溶解于鋁水的雜質(zhì)和不溶解于鋁水的雜質(zhì)。

能溶解在鋁水中的雜質(zhì):一類是硅、鐵、銅、鋅,所謂金屬雜質(zhì),一類是氫等氣體雜質(zhì)。前者在液態(tài)鋁中是完全溶解的,但在固態(tài)鋁中卻不能完全溶解,在凝固并逐漸冷卻時(shí),其溶解度逐漸降低。若某雜質(zhì)的含量超過(guò)了其溶解度,即會(huì)析出于鋁基體外或者形成化合物。雖則如此,但此時(shí)鋁已凝固,已難于將這些析出物分離開(kāi)來(lái)了。所以通用的辦法是:爐料用純度較高的原鋁,少用回爐料,并且使用盡量低的熔體溫度,盡量短的熔煉時(shí)間,以縮短反應(yīng)時(shí)間和降低反應(yīng)速度。另外,可投入能優(yōu)先與這些雜質(zhì)起反應(yīng)的元素使之反應(yīng),其生成物應(yīng)該是不溶于鋁水的固體,以便上浮或下沉而進(jìn)行分離。可能高硅和高錳、鉻、釩、鈦的普鋁進(jìn)行稀土處理和硼處理就是本機(jī)制。當(dāng)然添加量應(yīng)適當(dāng),過(guò)少過(guò)多都是不當(dāng)?shù)摹?/p>

氫以氫原子溶解在鋁中,氫原子比鋁原子小得多,故處于原子點(diǎn)陣的間隙中,因此溶解量有限。鋁中含氫量以每100g鋁中氫的毫升數(shù)來(lái)計(jì)量。在720℃的鋁水中最大含氫量約1.0cm3/100g(Al),最大含氫量同樣也隨溫度降低而降低。但在熔點(diǎn)(如657℃)有一突變:657℃的液態(tài)和固態(tài)鋁中的最大含氫量分別為0.6~0.7和0.1cm3/100g(Al)左右。所以在鋁水凝固時(shí)會(huì)排出一串氣泡,這在鐵模鑄錠的補(bǔ)縮時(shí)可以看到。若除氣不凈且凝固很快時(shí),則可能有一部分析出不及而以原子態(tài)凍結(jié)在固體的鋁中。之后當(dāng)受熱時(shí)(如鑄坯均勻化或板材退火時(shí))氫原子將加速擴(kuò)散集聚成為分子氫,在錠或板的表皮下鼓出泡來(lái)。故鋁水需要除氣,即脫氫。精煉除氣后氫含量應(yīng)達(dá)0.12~0.15cm3/100g(Al)或更少,這樣的含量在液態(tài)鋁時(shí)是非飽和狀態(tài)。因此在鑄造時(shí)遇見(jiàn)氫,如處于潮濕的環(huán)境中,則含量可能重新增加。但好在從澆鑄到凝固的時(shí)間較短,其增加量可能不會(huì)很多?，F(xiàn)在采用在線精煉,比只用爐內(nèi)精煉更有利于脫氫。

不溶解在鋁水中的雜質(zhì),主要是氧化鋁(又稱鋁灰),因其熔點(diǎn)有2000℃以上,故呈固態(tài)。另外在室溫的固態(tài)鋁中,還可看到Fe-Mn-Al,Fe-Si-Al等夾雜物,但它們是在鋁水凝固后的冷卻過(guò)程中析出的,故難排除。

氧化鋁的密度為3.5g/cm3左右,比鋁大,本應(yīng)沉到鋁水底部的,但是在900℃以下生成的氧化鋁,其表面疏松脆弱,一方面它不能阻擋氧的侵入,從而熔化時(shí)鋁表面的氧化越來(lái)越嚴(yán)重。另一方面因其疏松,故而實(shí)際密度小,從而待鋁熔化后它飄浮在鋁水表面,故而精煉時(shí)可將其撇出爐外,叫爐渣或鋁灰。然而還有許多細(xì)小的氧化鋁,被攪入鋁水,懸浮于鋁水中,因其細(xì)小,上浮或下沉都很緩慢,如同灰塵懸浮于空氣中一樣。此時(shí)為了將其與鋁水分離就需采取措施了。

清除懸浮氧化鋁和氫(常稱作鋁水凈化)的方法有三,即過(guò)濾精煉、吸附精煉和熔劑精煉。過(guò)濾是在在線精煉時(shí)進(jìn)行的,過(guò)濾裝置設(shè)置在流槽中。鋁水先通過(guò)過(guò)濾器如玻璃絲布濾去大的顆粒,再經(jīng)過(guò)泡沫陶瓷做的板或管,以濾去細(xì)小的氧化鋁。

吸附是向鋁水吹入某種氣體,或投入能分解成氣體的藥劑。這樣就產(chǎn)生氣泡,在氣泡上浮過(guò)程中氧化鋁被吸附在氣泡壁上,隨同飄出液面。同時(shí),溶解在鋁水中的氫擴(kuò)散進(jìn)入氣泡,也被帶出液面。所用的氣體有氮,氬,一氧化碳和氯等,或單獨(dú)或混合使用。氯具有活性,能與鋁反應(yīng)成AlCl3,它在180℃左右變?yōu)闅怏w,上浮。氯有毒,需注意防護(hù)。氣體中不應(yīng)含氧和水氣。所用的藥劑有NH4Cl、CCl4、C2Cl6等,用此法精煉,應(yīng)控制好氣泡的大小和分布,過(guò)小時(shí)上浮緩慢,過(guò)大時(shí)上浮雖快,但作用時(shí)間縮短,消耗增多。

熔劑精煉需使用含冰晶石(Na3AlF6),NaCl和KCl的熔劑。該熔劑的熔點(diǎn)比鋁低,密度比鋁小,這樣就成為飄浮在鋁水表面的一層液體,它與鋁不互溶,不粘,易與鋁分離。先將各組成混和熔化,然后冷凝成塊,儲(chǔ)存(防潮)備用。使用時(shí)將塊狀熔劑壓入鋁水,在鋁水溫度的作用下,部分分解成AlF3和AlCl3,成為氣泡,部分熔劑熔化成液態(tài)小珠狀。它們上浮時(shí)都吸附氧化鋁和氫,還因其含有冰晶石,故還能溶解少量氧化鋁。熔劑既能去除氧化鋁和氫,又能覆蓋鋁水,防止鋁水與爐氣作用。

氣體和熔劑都在上浮時(shí),對(duì)鋁水精煉。所以在操作時(shí),需將導(dǎo)氣管或裝熔劑的工具,壓到熔體下部,且各處移動(dòng),不留空白。這不但操作艱苦和粗放,而且要攪動(dòng)鋁水,會(huì)使表面的氧化物又?jǐn)嚾脘X水中。為此想出了在線精煉,凡在流槽中流過(guò)的鋁水,都需經(jīng)歷氣體或熔劑的處理,所以凈化效果比爐內(nèi)精煉好。

爐渣是熔煉中產(chǎn)生的氧化鋁等固態(tài)物。這是鋁的損失,即使只有1%,但從全國(guó)看損失也是巨大的,應(yīng)盡量減少。配入的回爐料越多,與爐氣接觸的表面積越大,生成的氧化鋁越多。若將回爐料壓縮打包,并壓入鋁水(不與爐氣接觸),由鋁水的熱量將其熔化,是減少氧化的一個(gè)方法。

將飄浮在鋁水表面的氧化鋁和熔劑等扒出爐外時(shí),會(huì)帶出若干鋁水,故需回收混入爐渣中的鋁,因溫度甚高,應(yīng)防止其與空氣接觸燃燒成為新的氧化鋁而進(jìn)一步損失。通常的辦法是在空曠處將其攤開(kāi),使其快速冷卻,同時(shí)讓渣盤底部的鋁水流出集中回收。然后賣給收購(gòu)者,淘洗出剩余的鋁“豆”,剩余殘?jiān)儋u給水泥廠作原料。這固然是項(xiàng)“好”的副業(yè),但有強(qiáng)烈的氨味,并含氯、氟的鹽類以及灰塵與泥漿,若不妥善處理,將污染環(huán)境和水質(zhì)。文獻(xiàn)報(bào)道了一個(gè)爐渣處理的工廠,它有一個(gè)650m2的處理車間,內(nèi)設(shè)渣盤及其保溫存放系統(tǒng),容量為4.5t的回轉(zhuǎn)爐,有加料及熔劑,氣體凈化,煙塵收集等系統(tǒng)。日處理能力45.4t,每年能處理1.4萬(wàn)t爐渣。到2002年8月,已生產(chǎn)了17個(gè)月,已處理7700t,其中熱爐渣5775t,從爐渣中回收金屬3405t,比原來(lái)多得315t。其間平均能耗83.7kW·h/t,耗氬氣0.45m3/t,耗天然氣30m3/t,成本降低了0.22美元/kg。與通常不同的是既節(jié)省了費(fèi)用,又改善了環(huán)保。