再生铝合金熔炼原理

　　1.1熔炼过程中铝液与环境的相互作用1.1.1熔炼过程中热的转移（热力学过程）固体金属在炉内加热熔化所需要的能量，要由熔炼炉的热源供给。由于采用能源的不同，其加热方式也不一样，目前基本炉型仍是火焰炉。

　　铝虽然熔点低（660℃），但由于熔化潜热（393.56KJ/kg）和比热大[固态1.138 kJ/(Kg﹒K)，液态1.046kJ/(kg﹒K)]，熔化1kg所需的热量要比铜的大得多，而铝的黑度（＝0.2）仅为铜、铁的1/4,因此铝和铝合金的火焰熔炼炉的热力学设计难度大，较难实现理想的热效率。

　　下面讲讲火焰炉的热交换过程。火焰给被加热物体的热量（Q）为：

　　Q＝QGC＋QSCQGC－燃烧气体传到受热面的热量，KJ/h；QSC－炉壁传给受热面的热量，KJ/h。

　　QGC＝（αGCεC＋αC）（tG－tC）QSC＝（αGSФSC＋αabεb）（tS－tC）αGC－燃烧气体与受热面之间辐射传热系数，kJ/（m2﹒h﹒℃）；αC－燃烧气体与受热面之间的对流传热系数，kJ/（m2﹒h﹒℃）；αab－被燃烧气体吸收的炉壁辐射热量的热辐射系数，kJ/（m2﹒h﹒℃）。

　　从以上各式可以看出，提高金属受热量，一方面是增大（tG－tC）和（tS－tC）即提高炉温，这对炉体和金属熔体都有不利影响；另一方面，由于铝的黑度很小，提高辐射传热是有限的。因此只能着眼于增大对流传热系数，对流传热系数与气体流速有以下关系：

　　当燃烧气体的流速V<5m/s时，αc＝5.3＋3.6V[kJ/（m2﹒h﹒℃）]

　　当燃烧气体的流速V>5m/s时，αc＝647＋v0.78[kJ/（m2﹒h﹒℃）]

　　可见提高燃烧气体的流速是有效的，以前多采用低速烧嘴（5～30m/s），近年采用了高速烧嘴(100～300m/s),使熔炉的热效率有很大提高。

　　1.1.2合金元素的溶解与挥发1.1.2.1合金元素在铝中的溶解合金添加元素在熔融铝中的溶解是合金化的重要过程。元素的溶解与其性质有密切关系，受添加元素固态结构结合力的破坏和原子在铝液中的扩散速度控制。元素在铝液中的溶解作用可用元素与铝的合金系相图来确定，通常与铝形成易熔共晶的元素容易溶解；与铝形成包晶转变的，特别是熔点相差很大的元素难于溶解。如Al－Mg、Al－Zn、Al－Cu、Al－Li等为共晶型合金系，其熔点与铝也较接近，合金元素较容易溶解，在熔炼过程中可直接添加铝熔体中；但Al－Si、Al－Fe、Al－Be等合金系虽也存在共晶反应，由于熔点与铝相差较大，溶解很慢，需要较大的过热才能完全溶解；Al－Ti、Sl－Zr、Al－Nb等具有包晶型相图，都属难溶金属元素，在铝中的溶解很困难，为了使其在铝中尽快溶解，必须以中间合金形式加入。

　　1.1.2.2元素的蒸发蒸发这一物理现象在熔炼过程中始终存在。金属的蒸发（或称挥发），主要取决于蒸气压的大小。在相同的熔炼条件下，蒸气压高的元素易于挥发。可把铝合金的添加元素分为两组，Cu、Cr、Fe、Ni、Ti、Si等元素的蒸气压比铝小，蒸发较慢；Mn、Li、Mg、Zn、Na、Cd等元素的蒸气压比铝的大，较易于蒸发，熔炼过程中的损失较大。

　　1.1.3金属与炉气的作用熔炼过程中，金属以熔融或半熔融状态暴露于炉气并以之相互作用的时间长，往往容易造成金属大量吸气，氧化和形成其他非金属夹杂。

　　1.1.3.1铝－氧反应铝与氧的亲和力大，易氧化。在500～900℃范围内，纯铝表面将形成一层不溶于铝液的、难熔的、致密的γ－Al2O3氧化膜，这层膜能阻止铝液的继续氧化。这一特性对熔炼工作带来了很大方便，熔炼时不需要采取特殊的防氧化措施（铝－镁合金除外）。

　　加入合金元素对铝合金的氧化有一定的影响，其影响与加入的元素使氧化物呈现的结构以及对氧的亲和力的大小有关。当在铝中加入Si、Cu、Zn、Mn等合金元素时，对铝的氧化膜影响极小，因为这些元素与氧的亲和力较小，而且加入铝中后，表面膜将变为由这些元素的氧化物在γ－Al2O3中的固溶体（γ－Al2O3﹒MeO）所组成，此时合金的氧化膜仍是致密的，能够阻碍合金的继续氧化。以此相反，当在铝中加入碱土及碱金属（如镁、钙、钠等）时，由于这类元素较为活泼，与氧的亲和力比铝的大，因此将优先氧化，而且这些元素大多数是表面活性物质，易富集在铝液表面，从而改变了氧化膜的性质。如Mg含量大于1.5%时，表面氧化膜几乎已全为氧化镁膜所组成，而且这些氧化膜多孔疏松，不能抑制膜下面的铝合金液的继续氧化。但若在Al－Mg合金中加入少量的铍（0.03～0.07%），可提高此时的氧化膜的致密性，铍也是表面活性物质，富集在铝液表面，且铍的原子体积小，扩散速度大，铍原子可渗入氧化镁膜的松孔中，起了填补膜中孔隙的作用，从而使之形成完整的致密膜。在铝－镁合金类合金中加入少量的钙、锂等元素也具有同样的功效。

　　决定氧化膜性质的因素是：①合金元素或氧化膜本身的蒸气压，蒸气压越低，则越稳定，其保护性能也越好。②合金元素氧化后体积的变化。加入合金元素后，氧化膜的结构是由氧化物体积对产生此氧化物的金属体积之比来决定的。

　　试验证明，γ－Al2O3外表面是疏松的，存在Φ50～100×10-10mm的小孔，因此很容易吸附水气。通常在熔炼温度下其表面的膜中含有1～2%H2O，当温度升高时，能减少其吸附的水量，但即使温度高达900℃时，γ－Al2O3仍吸收0.34%H2O。只有在温度高于900℃，γ－Al2O3完全转变成α－Al2O3时，才完全脱水。如在熔炼与浇注时将表面破坏的γ－Al2O3膜搅入铝液中，吸附的水气与铝液反应造成吸氢。铝液中Al2O3增加，氢含量也会随之增加。因此在熔炼和铸造过程中不要轻易破坏氧化膜。温度超过900℃时，γ－Al2O3开始转变为α－Al2O3，密度增大到3970Kg/m3,体积收缩约13%，此时表面膜不再是连续的，氧化反应又将剧烈进行，此时氧化物含量显著增加，严重影响合金性能，所以大多数铝合金熔炼温度应控制在760℃以下。

　　以气体夹杂或气泡形态；以氧化物、氮化物、氢化物等固态化合物形态；以液态或固态溶液，即以原子或离子形态分布于金属原子间或晶格中；1.2.2铝合金熔体中气体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。具体的说，铝液中所溶解的气体中80～90%是氢。所以铝合金中的含气量，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。

　　2Al ＋ 3H2O = Al2O3 ＋ 6[H]

　　这种原子态氢，一部分跑到大气中，一部分就进入铝液中。

　　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。

　　1.2.3影响气体含量的因素（1）合金元素的影响 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。

　　（2）气体分压的影响 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。

　　（3）温度的影响 当氢分压一定时，温度越高铝熔体吸收的氢也越多。

　　此外，金属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。

　　1.3铝中的非金属夹杂1.3.1夹杂的种类及形态在铝熔体中存在的非金属夹杂物有：

　　氧化物 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、和Al2O3﹒MgO（尖晶石）。

　　残余的细化剂Al－Ti－B中间合金的粗大Ti－B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。

　　1.3.2非金属夹杂物的检查方法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。

　　1.4添加剂添加剂包括覆盖剂、熔剂、变质剂和精炼剂以及辅助材料等。由于铝会与水反应生成氧化夹杂和氢，所以任何添加剂在使用前必须要进行烘干处理。

　　1.4.1覆盖剂覆盖剂是指用来覆盖于合金液体表面、防止合金氧化和吸气的材料。

　　1.4.2熔剂大多数铝合金的液面有一层致密的氧化膜，它虽能阻止大气中水的侵入，减少铝液被大气二次污染，但它严重的阻碍了铝液中已有的氢排入大气，当铝液表面上撒上熔剂后，由于熔剂能使铝液表面致密的氧化膜破碎为细小颗粒并具有将其吸入熔剂层的作用，因而就不再存在阻碍氢分子气泡逸入大气的表面膜，氢分子很易通过熔剂层进入大气。另一方面，熔剂还能去除铝液中的氧化夹杂物，也就去除了吸附在夹杂物表面上的小气泡。此即为熔剂法的精炼原理。

　　对熔剂的要求：

　　不和铝液发生化学反应，也不相互溶解。

　　熔剂的熔点低于熔炼温度，并有良好的流动性，以便在铝液表面形成连续的覆盖层。

　　应具有良好的精炼能力。

　　熔剂比重和铝液比重应有显著差别，使熔剂容易上浮或下沉。要求熔剂能与合金液 很好的分离，不相互混杂，以免形成熔剂夹杂。

　　来源供应充足，价格便宜。

　　铝合金的熔剂种类繁多，一般由碱金属及碱土金属卤素盐类的混合物构成。