文/高家樂(lè)、洪雨 遼寧忠旺集團(tuán)有限公司 遼寧遼陽(yáng) 111000

環(huán)保型鋁合金元素添加劑的研究與應(yīng)用探究

文/高家樂(lè)、洪雨 遼寧忠旺集團(tuán)有限公司 遼寧遼陽(yáng) 111000

本文在分析對(duì)比了兩代產(chǎn)品優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)研究,研制出了新一代環(huán)保型鋁合金元素添加劑。

鋁合金；環(huán)保；添加劑

一、合金元素傳統(tǒng)添加方法

早期的合金元素添加工藝是在鋁合金生產(chǎn)前預(yù)先配制好所需的鋁基中間合金,如鋁硅中間合金(含硅量19%～21%)、鋁鐵中間合金(含鐵量18%～22%)、鋁錳中間合金(含錳量9%～11%)等,這種方法具有操作簡(jiǎn)便、加入量準(zhǔn)確、合金成分便于控制等優(yōu)點(diǎn),但是中間合金生產(chǎn)時(shí)的能耗很高,特別是在鋁合金配制過(guò)程中增加了合金元素的損耗,浪費(fèi)極大[2]。因此,西方發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)70年代就淘汰了這種落后的元素添加工藝,發(fā)展了以金屬添加劑——鐵劑、錳劑、硅劑、鉻劑、銅劑、鈦劑方式直接加入的新技術(shù),這種技術(shù)直到20世紀(jì)90年代初才在我國(guó)開(kāi)始應(yīng)用。金屬添加劑是用75%的純金屬粉末和25%的助熔劑(由氯鹽、硝酸鹽、氟鹽和碳酸鹽組成)充分混合壓制而成[3],它雖然解決了以鋁基中間合金方式添加的缺點(diǎn),但難以解決其自身溶解溫度高、吸收率低、吸收率不穩(wěn)定和助熔劑產(chǎn)生的環(huán)保問(wèn)題,使該技術(shù)的推廣和應(yīng)用受到了限制。

二、環(huán)保型鋁合金元素添加劑的研究?jī)?nèi)容及生產(chǎn)方法

1.研究?jī)?nèi)容

1.1 環(huán)保型鋁合金元素添加劑的合金化原理

當(dāng)裝有添加劑的鋁質(zhì)罐體投入鋁熔體后,如果其比重大于鋁液,鋁罐會(huì)逐漸向爐底移動(dòng),鋁質(zhì)罐體一旦熔化,金屬元素添加劑中的鋁粉燃燒,為金屬粉末的擴(kuò)散提供動(dòng)能,這時(shí)經(jīng)過(guò)活化處理且具有非常大比表面積的純金屬粉末在鋁熔體中迅速溶解擴(kuò)散。金屬細(xì)粉粒表面開(kāi)始與鋁熔體接觸時(shí),該合金元素在鋁熔體各處有濃度差,促使元素在鋁熔體中的濃度有趨于平衡的傾向。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后,熔體中的合金元素濃度達(dá)到平衡狀態(tài)。這就是添加劑的合金化原理。

1.2 金屬粉末的純度、粒度、生產(chǎn)方法對(duì)合金元素吸收率的影響

試驗(yàn)表明,金屬粉末純度過(guò)低、粒度過(guò)大或過(guò)小都將影響它在鋁液中的溶解和擴(kuò)散速度,導(dǎo)致合金元素的吸收率低且不穩(wěn)定,合金化效果不理想。為了防止金屬粉末表面氧化,提高其表面活性,金屬粉末必須為工業(yè)純金屬,熔體采用保護(hù)性氣體介質(zhì)進(jìn)行霧化制取。金屬粉末的質(zhì)量須達(dá)到如下標(biāo)準(zhǔn)：鐵粉質(zhì)量要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%,下同)：≥98Fe,雜質(zhì)＜0.35Mn,＜0.14Si,＜0.42H,粒度100目。錳粉質(zhì)量要求：≥99.5M n,雜質(zhì)＜0.3,粒度80目。鉻粉質(zhì)量要求：≥99.5C r, 雜 質(zhì)＜0.5,粒 度100目。 銅 粉 質(zhì) 量 要求：≥99.7Cu,雜質(zhì)＜0.3,粒度80目。鋁粉質(zhì)量要求：≥99.75A l,雜質(zhì)＜0.3,粒度200目。

1.3 添加劑中鋁粉所占比例對(duì)合金元素吸收率的影響

添加劑中鋁粉所占比例越高合金元素的吸收率就越高,但生產(chǎn)成本增加。為了確保合金元素的吸收率達(dá)到99%以上,試驗(yàn)表明,添加劑中鋁粉的比例應(yīng)為5%(質(zhì)量百分比)。

1.4 研究添加劑包裝方式對(duì)合金元素吸收率的影響

金屬粉末粒度越細(xì),則比表面積越大,活性越高,表面越容易氧化。氧化后的添加劑會(huì)降低合金化程度,嚴(yán)重影響鋁合金的質(zhì)量。考慮到添加劑的運(yùn)輸和存放時(shí)間,產(chǎn)品至少要確保在4個(gè)月內(nèi)不被氧化,添加劑采取真空包裝是唯一可行的選擇。

1.5 添加劑的使用方法

當(dāng)鋁液溫度超過(guò)700℃時(shí),需要精心扒干凈鋁液表面的浮渣,之后再將鋁質(zhì)罐體添加劑投入鋁液中。為使合金元素充分溶解擴(kuò)散,試驗(yàn)結(jié)果表明,10 t及10 t以下的熔煉爐必須在添加劑投入后靜止20m in,然后充分?jǐn)嚢?0m in；10 t以上的熔煉爐則須靜止25m in后充分?jǐn)嚢?5m in,只有這樣才能確保元素吸收率超過(guò)99%。

2.生產(chǎn)方法

通過(guò)研究分析,最后確定的添加劑的生產(chǎn)方案為：95%的金屬粉末和5%純鋁粉充分混合均勻,用真空包裝的方法將混合好的添加劑裝入鋁質(zhì)罐體中,每罐2000g。并且要求每罐產(chǎn)品的密度必須大于3.5g/cm 3。

三、環(huán)保型鋁合金元素添加劑工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)情況及分析

1.添加劑的化學(xué)成分

配制成的鐵劑、錳劑、鉻劑、銅劑化學(xué)成分分析結(jié)果及粒度如表1所示。

2.鐵添加劑工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)情況

2.1 試驗(yàn)條件

在容量為10 t的熔煉爐中用A00鋁錠生產(chǎn)熱軋板坯8011鋁合金。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

8011鋁合金中鐵含量為0.6%～1.0%,試驗(yàn)控制含量為0.8%。鐵添加劑加入前先分析鋁液中的鐵含量,由此計(jì)算出鐵含量達(dá)到0.8%所需的鐵添加劑量,按2.1.5確定的使用方法認(rèn)真操作,共試驗(yàn)3個(gè)爐次,其試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

3.試驗(yàn)結(jié)果與分析

熔體加入鐵添加劑前、后的含鐵量分析結(jié)果如表3所示,添加過(guò)程無(wú)煙無(wú)味。結(jié)果表明,鐵含量穩(wěn)定在0.795%左右,最低吸收率為99.3%。對(duì)3個(gè)爐次所生產(chǎn)的熱軋板坯進(jìn)行表面和力學(xué)性能檢測(cè),完全符合YS/T91-1995要求。

結(jié)語(yǔ)：

大量的試驗(yàn)表明,研制的環(huán)保型鋁合金元素添加劑質(zhì)量穩(wěn)定,用其進(jìn)行鋁合金化處理時(shí)操作簡(jiǎn)便,容易控制和調(diào)整合金成分,解決了用中間合金和有助熔劑添加劑合金化的缺點(diǎn),具有很好的推廣前景。

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[2]楊丹.微乳化金屬切削液對(duì)6061和7075鋁合金潤(rùn)滑和緩蝕性能影響的研究[D].沈陽(yáng)理工大學(xué),2014.

[3]馬豪杰.電解液添加劑對(duì)弧氧化膜層結(jié)構(gòu)及性能的影響[D].燕山大學(xué),2014.

[4]朱勤標(biāo).水解制氫用鋁合金材料研究[D].湖北工業(yè)大學(xué),2014.