铝的可再生性是工业常用金属材料中最好的。这主要由于铝具有良好的抗腐蚀性，如建筑铝门窗、高压输电线、交通工具上的铝构件和零配件以及易拉罐等在其服役期间仅发生极少量的腐蚀损失。

　　在重熔回收过程中的烧损也很小。使废弃铝料的可回收率极高，为所有金属材料之最。而且再生加工后的铝及铝合金可以达到性能接近甚至等于原生铝的水平。再生铝的冶金质量控制也是评价铝工业技术水平的一个重要参数。

　　一、铝合金的冶金质量

　　铝合金铸锭的冶金质量通常特指铝合金铸件的内在质量，主要是包括三个部分，一是铝合金铸锭内在成份的均匀性以及成份控制水平，也就是通常说的合金化;二是铝合金铸锭内部的晶粒结构合理和均匀性，即晶粒细化;三是铝合金铸锭的内部杂质水平，包括气体杂质和非金属夹杂，也就是熔体净化。本文将根据铝合金圆铸锭的特点，重点介绍关于铝合金熔体净化的质量控制，以及检测方法。

　　二、铝合金熔体中气体杂质的来源

　　熔炼铝合金过程中，从大气、燃料、炉料、耐火材料、熔铸工具等带入的气体种类较多，如H2、CO2、CO、CnHm(碳氢化合物)、H2O和O2等。但只有那些容易分解成原子的气体，才能有较多的数量溶入铝液中去。

　　气体元素在金属中以三种形态存在：以分子态气体夹杂或气泡形态悬浮在铝熔体中;以氧化物、氮化物、氢化物等固态化合物形态;以原子或离子形态分布于金属原子间或晶格中;铝液中所溶解的气体中95%是氢。铝合金中的含气量，主要指含氢量。

　　熔炼时周围空气中的氢气含量并不多，所以氢的来源主要是通过水分与铝液反应而产生的氢原子。

　　低于250℃时，铝和空气中的水气接触。发生下列反应：

　　2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2

　　Al(OH)3是一种白色粉末，没有防氧化作用，且易潮湿。这种带有Al(OH)3腐蚀层的铝在高于400℃的条件下将进一步发生下列反应：

　　2Al(OH)3→Al2O3+6[H]

　　2Al(OH)3→2Al2O3+3H2O

　　在熔炼时，Al2O3即成为氧化夹杂物，氢则溶入铝液，增加铝液中的含气量。在铝合金熔炼的高温下，也可以合并成如下的反应：

　　2Al+3H2O=Al2O3+6[H]

　　反应生成这种原子态氢，很少一部分跑到大气中，大部分就进入铝液中，弥散在铝合金的原子间隙中。

　　实践证明，不同的季节和地区，因空气的湿度不同，铸锭中的含量也随之而异，其含气量随空气湿度的增大而增加。

　　铝液遇到H2O反应极为剧烈，即使在大气中仅存少量水蒸气，也足以和铝液发生反应，生成的氢则溶于铝液。

　　三、铝合金熔体中非金属杂质的来源

　　铝合金在熔化和转注过程中，铝与炉气中的氧及水气作用，生成Al2O3、MgO、SiO2，加上残余的细化剂AlTiB中间合金的粗大TiB粒子。

　　在熔体净化时产生的氯化物、氮化物及碳化物。耐火砖碎片、脱落的流槽和工具上的涂料。最多的是Al2O3、MgO、Al2MgO4，形态以薄片状为主。

　　铝合金熔体中其他的非金属夹杂部分来源于熔铝炉底内衬，熔铝炉的炉衬多以氧化物为耐火材料，这些氧化物在高温下的稳定性取决于氧化物的生成自由能，凡生成自由能小于Al2O3的生成自由能的氧化物是稳定的，在熔炼过程中不受铝液浸蚀;生成自由能高于Al2O3的生成自由能，其氧化物将与铝及其他活性金属发生如下反应：

　　3SiO2+4Al→2 Al2O3+3Si

　　3FeO+2Al→Al2O3+3Fe

　　Cr2O3+2Al→Al2O3+2Cr

　　SiO2+Mg→2MgO+Si

　　这是产生非金属夹杂的另外一个来源，所以，对于熔炼炉来说，在整个熔池部分的炉衬，采用Al2O3成分大于75%的耐火材料，可以大大减少炉衬对铝熔体的污染倾向。

　　四、影响气体含量的因素

　　铝合金中的合金元素的对于氢含量也有很大的影响，与气体结合力较大的合金元素，如钛、锆、镁等会使合金中的气体溶解度增大。而铜、硅、锰、锌等元素可降低铝合金中气体的溶解度。

　　熔炼环境的气体分压，在温度相同的条件下，气体在金属中的溶解度随炉气成分中的氢气分压增大而增大。故火焰炉熔炼的铝熔体中的氢溶解度比电炉中的大。

　　当氢分压一定时，温度越高铝熔体吸收的氢也越多，铝熔体表面氧化膜状态及熔炼时间对气体在铝熔体中的溶解度也有影响。

　　五、铝合金的净化

　　对于高品质的铸件，就需要高品质的铸锭，对于铝合金铸锭的熔体净化，是改善铸锭冶金质量的重要方面。

　　对于铝合金圆铸锭的铸造工艺方面，尽可能避免铝锭和废料的露天存放;在满足铸造要求的前提下，降低熔炼和铸造温度，都有益于降低铝合金铸锭的氢含量。

　　铝合金的净化工艺分两个环节，一是炉内精炼，二是在线精炼;无论是炉内精炼还是在线精炼，其除气的基本原理有三种。

　　一是采用惰性气体扩散法

　　惰性气体扩散除气的机理，是采用高纯度的惰性气体中的铝液中的氢分压差，通过原子扩散，使氢原子扩散到惰性气体气泡内形成氢分子，并随着气泡上升带出铝液，实现除氢的目的。

　　惰性气体气泡在上升的过程中，通过张力吸附的原理，同样可以吸附一部分小颗粒的非金属夹杂，达到除杂的目的。

　　为了实现除气除渣的高效，需要在气量等同的条件下，减小气泡直径，增大气泡数量，增加气体的比表面积。

 

 

　　图1 惰性气体除气除渣机理

　　二是采用氯气或者混合气体净化

　　氯气本身不溶于铝合金熔体，但能与过量铝液发生化学反应，实现除气除渣。

　　2Al+3Cl2=2AlCl3↑

　　Cl2+2[H]=2HCl

　　氯气与金属铝反应生成的三氯化铝，以气体形式存在，在上浮的过程中，达到除气的效果，同时，生成的三氯化铝也有很好的熔渣效果，达到除渣的目的。

　　氯气还能与合金中的氢发生反应，生产易挥发的氯化氢。在高温下未分解的氯化氢也可以起到除气的作用。也有部分氯气以气态逸出。这些气体都以气泡形式从铝液中浮起，起到去气除渣的作用，净化效果好。

　　由于氯气有毒，有害于人体健康，对周围设备腐蚀严重，所以采用混合气体净化，以提高净化效果，同时减少其有害作用。混合气体通常为氩氯或者氮氯混合。传统工艺上氯气在混合气体中的含量为5%~10%。

　　按照现行环保标准，参照国外的要求，混合气体中的氯气含量不得大于1%。

　　三是采用精炼剂精炼除气除渣

　　精炼剂的除气机理是通过其中的气化成分，比如：六氯乙烷高温分解出的氯气，氟硅酸钠高温生成的四氟化硅等，吸附氢原子上浮除气。

　　精炼剂除渣的原理是通过精炼剂与熔体中的氧化夹杂物发生吸附和溶解来实现。最易溶解铝渣的成分是氟氯酸钠，也就是常说的冰晶石。

　　常用的喷粉精炼剂以氯化物为基础，加入氟化物，如CaF2、Na3AlF6等来吸附、溶解Al2O3，以增强净化效果。利用它们与铝反应生成不溶于铝液的低沸点化合物(如AlCl3沸点182.7℃)，在铝液中形成气泡，上浮时起除气、清除杂质的作用。

　　常用的氯盐有氯化锌、氯化锰、四氯化碳、六氯乙烷等，在熔体中的反应如下：

　　3ZnCl2+2Al=2AlCl3↑+3Zn

　　3MnCl2+2Al=2AlCl3↑+3Mn

　　3C2Cl6+2Al=2AlCl3↑+3C2Cl4

　　用氯盐精炼的缺点是产生刺激性气体，恶化劳动条件，而且对设备有严重腐蚀作用。近年来有的工厂采用以硝酸盐加C粉为主的无毒精炼剂。典型的配方如表3-9所示。在铝熔体中，无毒精炼剂发生下列反应：

　　4NaNO3+5C=2NaCO3+2N2↑+3CO2↑

　　N2和CO2都不溶于铝液，在上浮时起到精炼效果。精炼剂中Na3AlF6、Na2SiF6即起了精炼作用，也起了缓冲作用。N2、CO2等没有刺激性，改善了劳动条件。但近年研究表明，在净化过程中，硝酸盐与碳反应并不充分，往往会产生对人体有害的氮氧化物，这已引起了人们的关注。

　　六、炉内精炼

　　铝合金熔炼的炉内精炼，最早是采用氮氯混合精炼，到目前为止依然被证明为最有效的精炼方法，目前，在国内的一些军工合金熔炼过程中依然被使用。氮氯混合精炼的缺陷是有毒和污染环境。

　　现在国内铝合金圆铸锭最常用的炉内精炼方法，是采用精炼剂喷粉精炼。喷粉精炼是1990年开始在国内慢慢推广的一种技术，相比较于传统的精炼剂精炼，采用了高纯氮气作为载体，喷射进铝熔体中，在实现传统精炼剂精炼的条件下，增加了气体精炼，效果好，也是目前国内最常用的炉内精炼方法。

　　由于精炼剂在生产的过程中不可避免的还有水分，即使目前最好的精炼剂，也含有至少不低于0.1%的水，也就是说，精炼剂在精炼的过程中同时也会引入水汽，增加氢含量，最终除气的效果是一个动态平衡的结果。

　　按照精炼剂的推荐使用量，每吨1.5千克来计算，由精炼剂引入的氢含量为，0.083摩尔，折合成气体含量为0.18毫升每100克铝。

　　通常来说，炉内采用精炼剂喷粉精炼除气后的极限氢含量不小于0.22~0.26毫升每100克铝。

　　对于铝合金圆铸锭的氢含量要求，通常对于普通型材用圆锭含氢量要求为小于0.18毫升每100克铝，工业材和高品质型材为小于0.16毫升每100克铝。对于特殊要求的航空型材含氢量要求小于0.12毫升每100克铝。

　　对于高镁的5系合金，和高锌的7系合金，氢含量要求通常放宽到0.18毫升每100克铝。

　　最新的炉内精炼技术，是采用炉内透气砖精炼，但是由于采购成本极高，使用成本很高，效果不是很显著而没有被广泛使用。

 

图2 炉内透气砖

　　在线精炼 为了达到更好的除气除渣效果，突破炉内精炼的局限，在铝合金圆铸锭上采用在线精炼装置已经开始越来越广泛。

　　在线精炼装置由除气和过滤两个部分组成，各有侧重，通过只使用气体精炼，达到更好的除气效果，同时采用过滤的方式实现精度更高的除渣效果。

　　在线精炼装置除气 主要是通过高速旋转的喷头，将高纯惰性气体喷射到铝液中，形成大量弥散的小气泡，跟铝液充分接触，实现除气，同时小气泡在上升的过程中冶可以吸附部分细小的夹杂，实现除渣。

　　目前国内铝行业使用的在线除气装置主要有两大类，一类是箱式在线除气，如进口的Alpur，SNIF，等，国产的也有类似产品，其特点是除气效果好，但是采购和使用成本较高，占地面积大，合金更换不方便。

图3 箱式除气装置生产线

　　还有一类是流槽式在线除气装置，进口的只有ACD，国产的也有几家在做，市场上最多的是深圳市阿尔泰克公司的ATDU，其特点是专为铝合金圆铸锭的现场使用，除气效果好，使用成本低，便于合金更换。

图4 流槽式除气装置生产线

　　相对于传统的箱式除气装置来说，流槽式除气装置取消了原有的加热装置，采用多级除气的机理，实现高效除气，使用成本低，相对于附加值较低的铝合金圆铸锭来说，是最好的选择。

　　铝熔体在线除杂 主要是采用三种方式：玻璃丝布过滤，泡沫陶瓷板过滤，管式过滤和深床过滤;

　　玻璃丝布过滤铝熔体在国内外已广泛应用。该法是让熔体通过玻璃丝布过滤器，使夹杂受到机械阻隔而过滤，属于网状过滤，通过栅栏作用机械分离宏观粗大的夹杂物。优点是使用成本低，结构简单，安装随意，对铸锭晶粒组织无影响，缺点是除渣效果差。

　　目前最常用且最有效的过滤除杂方式是采用泡沫陶瓷过滤板过滤，其过滤机理是利用铝液通过狭窄弯曲通道，通过阻挡、沉积、吸附三种微观作用;将铝液中的夹杂物留存在过滤板内，实现除杂效果。

 

 

图5 泡沫陶瓷过滤板及过滤箱

 

 

图6 过滤机理示意图

　　优点是过滤精度高，占地面积小，操作方便，成本居中，缺点是通常也是一次性使用，

 

图7 过滤板选择对照表

　　管式过滤器和深床过滤都是高精度过滤，对于有特殊要求的铝合金圆铸锭，是必须采用的，其优点是净化精度高，过滤效果好，缺点是采购和使用成本高，占地面积大，残铝高，容易导致细化剂失效。
 

 

 

图8 管式过滤器

　　七、铝合金熔体净化效果检测

　　铝合金熔体氢含量测定，常用的有两种方式，一种的是定性侧氢，采用减压凝固法，炉前取样，抽真空凝固，观察切样表面，或测定试样密度，然后根据外观图谱和密度确定氢含量。

　　此种方法操作简单，取样快，通常在炉前使用，可以用于每炉测定，确定铸造条件。

 

图9 减压凝固测氢仪及图谱

　　第二种是采用直读式测氢仪，采用分子筛色谱柱分离混合气体各组分，再送入热导池检测器进行检测，即可知氢分压大小，将氢分压值和熔体温度带入气体溶解度方程式，测出氢含量。

　　此种方法必须在铸造流槽中取样，在铸造过程中确定氢含量，通常是用于标定生产工艺。

图10 直读式测氢仪

　　铝合金熔体夹杂的检测，铝合金中的非金属夹杂物，由于其分布不均匀，大小、形态各异，铸锭的局部检查很难有真正的代表性，所以要做到准确的定量化是比较困难的。

　　常用的检查方法有：铸锭断面的低倍组织检查;断口检查;金相检查;氧分析;超声波探伤检查等。

　　定量检测设备：PODFA，LIMCA法;

 

　　图11 国外定量测渣仪

　　八、结束语

　　综上所述，铝合金圆铸锭的净化控制工艺：减少原材料的水含量，避免露天摆放;控制熔炼温度，在实现铸造的条件下，熔炼和铸造温度越低越有利于熔体净化;炉内精炼采用喷粉精炼，控制喷粉精炼剂的质量，控制精炼时间;在线除气采用流槽式在线除气装置，对于要求更高的，可以采用箱式在线除气;在线除杂使用泡沫陶瓷过滤板过滤，选择合适的过滤板的尺寸和孔隙度。

　　(作者是深圳市阿尔泰克铝业设备制造有限公司总经理)