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旋轉(zhuǎn)噴吹法對(duì)ZL104鑄造鋁合金精煉的試驗(yàn)研究
鑄造鋁合金的精煉是熔煉過程中的最重要的工藝方法，而精煉工藝由生產(chǎn)特點(diǎn)、技術(shù)水平等因素決定，目前存在的精煉方法有許多種，其中國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的是六氯乙烷壓入法。近年來國內(nèi)外相繼推出了多種方法：如兩氣或三氣法、多孔吹氣法、高效熔劑法、熔劑噴吹法、過濾法、旋轉(zhuǎn)噴吹法以及無毒精煉劑法等。這些方法大都是單一的精煉方法，有的偏重于除氣，有的偏重于除雜。隨著對(duì)鋁合金鑄件質(zhì)量要求的提高，僅僅用單一的精煉方法很難同時(shí)將鋁液中的氣體和非金屬夾雜物降低到很低的水平。國外在這方面發(fā)展較快，目前基本都使用聯(lián)合精煉工藝，尤其是在大型生產(chǎn)線上。國外常用的精煉工藝有真空-過濾法、吹氣-過濾法、氯鹽-過濾法、吹氣-熔劑法等。其中吹氣-過濾法應(yīng)用最為普遍，如美國的Alcoa469法、Mint法，法國的Alpur法，英國的Fild法等。另外，為避免爐內(nèi)處理后在出爐、輸送等環(huán)節(jié)上出現(xiàn)鋁液的氧化和吸氣，國外大都采用在線精煉處理的方法，而國內(nèi)在此方面相對(duì)落后。本論文是用旋轉(zhuǎn)噴吹法對(duì)ZL104合金進(jìn)行精煉研究。
二.精煉實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)：
1.實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備
實(shí)驗(yàn)用的鋁合金為ZL104合金，合金化學(xué)成分符合GB1173-86的要求。熔煉設(shè)備用SDL-3型坩堝電阻爐，容量為50kg，由可控硅電源供電，加熱部分為硅碳棒，功率25kW，電爐用鎳鉻-鎳硅熱電偶測溫，且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫。精煉設(shè)備為旋轉(zhuǎn)噴吹凈化機(jī)。
2.旋轉(zhuǎn)噴吹法機(jī)理
旋轉(zhuǎn)噴吹凈化裝置是華北工學(xué)院鑄造工程研究中心自行研制開發(fā)的，它由支腳、圓盤底托、吹頭及其傳動(dòng)部分、電氣控制系統(tǒng)、氣路供應(yīng)系統(tǒng)和干燥器等組成。其中吹頭及其導(dǎo)桿部分是該裝置的核心。它們是由專用石墨制造，其中導(dǎo)桿起聯(lián)接吹頭和通氣的作用，而吹頭結(jié)構(gòu)是根據(jù)精煉鋁合金容器大小及性能指標(biāo)專門設(shè)計(jì)而成。吹頭結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。旋轉(zhuǎn)噴吹法基本原理是通過吹頭向合金中吹入氬氣，利用吹頭的快速旋轉(zhuǎn)作用在熔體深處形成快速運(yùn)動(dòng)的氣液渦流，使通入熔體的氣體被破碎成細(xì)小（<5mm）的氣泡群，分布都很均勻（幾乎充滿坩堝內(nèi)熔體的各個(gè)部位），從而顯著改善了浮游精煉的效果。由于氣體是通過導(dǎo)桿進(jìn)入鋁液中，受鋁液壓力及其粘度的影響，在一定的氣體流量作用下將產(chǎn)生噴吹現(xiàn)象。其精煉裝置示意圖如圖2所示。由于精煉氣泡尺寸細(xì)小、分布均勻、上浮速度緩慢、熔體被合理地?cái)噭?dòng)，因而顯著地?cái)U(kuò)大了作用界面及作用范圍、延長了作用時(shí)間、增加了氫向精煉氣泡內(nèi)擴(kuò)散的濃度梯度，故強(qiáng)化了除氣過程。熔池深處的強(qiáng)力攪拌也促進(jìn)了細(xì)小夾雜（主要為Al2O3）的集聚，有利于浮游排除，而合金的液面只有平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)，不發(fā)生強(qiáng)烈的翻騰，所以成渣少、吸氣少。這樣就顯著地改善了精煉的動(dòng)力學(xué)條件，使精煉速度快、效果好。精煉介質(zhì)可采用氬氣，避免了加入熔劑形成夾雜，顯著改善了用氯氣或氯鹽精煉時(shí)造成嚴(yán)重污染環(huán)境的局面，避免了對(duì)工人身體的損害。
3.鋁合金含氫量測試
精煉前后的含氫量用一臺(tái)英國產(chǎn)HYSCANⅡ型測氫儀測試。其基本工作原理如下：當(dāng)測氫儀進(jìn)入工作狀態(tài)后，向測試腔中澆入定量（100g）鋁液，然后測試腔被快速抽到一定真空度，關(guān)閉抽真空的閥門，另一閥門自動(dòng)打開并開始抽氫，氫被抽到一特定容器后測出其體積，通過內(nèi)置電腦的一系列復(fù)雜計(jì)算后，測氫儀即顯示出澆入鋁液的含氫量（ml/100g），整個(gè)過程只需5分鐘。
4.旋轉(zhuǎn)噴吹精煉工藝因素及實(shí)驗(yàn)
旋轉(zhuǎn)噴吹除氣工藝涉及到旋轉(zhuǎn)頭的結(jié)構(gòu)、吹頭轉(zhuǎn)速、氣體流量、旋轉(zhuǎn)時(shí)間、氣體壓力、精煉后的靜置時(shí)間等眾多因素，借鑒前人經(jīng)驗(yàn)，本試驗(yàn)的旋轉(zhuǎn)頭作固定使用，通氣壓力統(tǒng)一定為0.2～0.3atm。所以，本試驗(yàn)的主要影響因素有：
A．吹頭轉(zhuǎn)速 B.氣體流量 C．旋轉(zhuǎn)時(shí)間 D．靜置時(shí)間
具體因素水平表如表1
為獲得準(zhǔn)確可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)制定了嚴(yán)格的精煉工藝，即每爐內(nèi)加入45公斤新鋁合金材料，精煉溫度720∽730℃，吹頭伸入鋁液內(nèi)至堝底50mm ，每爐次完成三個(gè)實(shí)驗(yàn)號(hào)，即在一定轉(zhuǎn)速下，通過改變其它三個(gè)因素，測定兩個(gè)試樣的含氫量，取其平均值，作為該工藝條件下鋁液的含氫量。試樣采用標(biāo)準(zhǔn)取樣勺100g從鋁液面以下50∽70mm處取出，倒入測氫儀試樣腔中，測定其含氫量，然后將冷卻后的測氫試樣沿中央部位鋸開，在砂紙上磨平，經(jīng)10% NaOH 溶液腐蝕后，觀察其剖面氣孔分布情況。
三.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
1.鋁液在不同工藝條件下含氫量的變化
實(shí)驗(yàn)過程中沒有煙霧及刺激性氣體放出，液面沒有強(qiáng)烈的攪動(dòng)，只有平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)，表面氧化膜一般不會(huì)破裂，一旦有氣泡破裂，其下的H2和Ar就會(huì)馬上溢出，H2和空氣中的O2快速反應(yīng)生成H2O，Ar覆蓋在熔池上方保護(hù)鋁液，故鋁液表面氧化程度很輕。因此，該實(shí)驗(yàn)扒除的浮渣基本上是從鋁液內(nèi)部帶出來的，鋁液的"純凈度"很高。
表3數(shù)據(jù)是用極差法進(jìn)行處理后，得出四個(gè)因素由主到次順序?yàn)椋捍殿^轉(zhuǎn)速→氬氣流量→靜置時(shí)間→旋轉(zhuǎn)時(shí)間，按正交表選出的最佳方案為：在600 r/min的轉(zhuǎn)速下、以0.4 m3/h的流量旋轉(zhuǎn)6min并靜置5 min 。從圖3可看出：含氫量在0.20 ml/100g以上的鋁液在真空下凝固后合金內(nèi)存在大量的氣孔，有些氣孔還特別大（如圖3 中a、b、c）；含氫量在0.10 ml/100g～0.20 ml/100g間的斷面上還有少量細(xì)小孔洞（如圖3中d、e）。含氫量在0.10 ml/100g以下的斷面上用肉眼已經(jīng)看不見氣孔了(如圖3中f)據(jù)此可推斷，在一般鋁合金鑄造中，只要含氫量達(dá)到0.10 ml/100g以下就應(yīng)該能滿足生產(chǎn)需要了。
五. 結(jié)論
(1)用旋轉(zhuǎn)噴吹法精煉鋁液最佳工藝參數(shù)組合：旋轉(zhuǎn)速度600 r/min；氣體流量0.4 m3/h；精煉時(shí)間6 min；靜置時(shí)間5min ，除氫率可達(dá)到70% 以上。
(2)旋轉(zhuǎn)噴吹法是一種有效的鋁液精煉方法，它具有精煉效果好、無污染、損耗小、精煉氣體消耗少等優(yōu)點(diǎn)。
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