第４５卷第４期 有色金属加工 Ｎ０ＮＦＥＲＲＯＵＳ ＭＥＴＡＬＳ ＰＲＯＣＥＳＳ！ＮＧ ＶＯ１．４５ Ｎｏ．４ ２０１６年８月 Ａｕｇｕｓｔ ２０１６ 常用的几种铝合金熔体除碱技术简介 黄 其 （中色科技股份有限公司，河南洛阳４７１０３９） 摘要：简单介绍了几种用于铝合金熔体的除碱技术，分析了铝熔体中碱金属的来源及危害，并通过几种除碱技术的对 比，得出各自的优缺点，便于生产厂家选择适合的除碱技术，提高熔体质量。 关键词：铝合金；熔体处理；碱金属；除碱 中图分类号：ＴＧ２４３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—６７９５（２０１６）０４—００３７－０３ 铝合金熔体中会含有或多或少的气体、各种非金 学物理或电化学性能，会添加ＣａＦ、ＬｉＦ及ＭｇＦ 等添加 属夹杂物及其他有害金属，这些杂质的存在会直接影 响到铝合金的品质，使铸锭产生如疏松、气孔、夹渣等 缺陷，继而对下游加工产品的力学性能、加工性能、抗 腐蚀性能、表面处理性能及产品外观等造成不良 影响。 剂。同时，多数情况下，电解铝原料氧化铝中本身即 存在少量的Ｃａ、Ｌｉ及Ｍｇ元素 ； （３）钾（Ｋ）。主要来源于电解铝生产中生产原料 及辅料中的杂质。 １．２精炼剂 为了克服上述不良影响，在铝合金熔铸生产中， 铝合金常用精炼剂中大部分都含有金属钠、钾离 子，精炼剂组成成分主要为Ｎａ Ａ１Ｆ 、ＮａＣ１、ＫＣ１及少量 ＮａＦ等。表１为某国产精炼剂各元素含量，其主要反 应同式（１）、（２）。 表１ 某国产精炼剂的主要化学成分（质量分数，％） Ｔａｂ．１ Ｍａｉｎ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｒｅｆｉｎｉｎｇ ａｇｅｎｔ 熔体净化就变得极为重要。而铝合金熔体除碱是熔 体净化的重要组成部分，同时对于采用电解铝液直接 配料的生产方式，除碱就变得十分必要。 本文分析了铝熔体中碱金属的来源及危害，对常 用的几种铝合金熔体除碱技术进行简要介绍。 １ 铝熔体中碱金属的来源 在铝合金熔铸生产中，碱金属主要是指锂、钠、钾 元素，其来源主要有以下几种途径。 １．１原料用铝 Ｋ Ｎａ Ｃ１ Ｃａ Ｓｉ ７ ３ Ａ１ １ ５ Ｆ Ｃ 其他 ４ ０５ ２１ ４ ２１ ３４ ２ ０ ４４ ９．７５ Ｏ．０６ １．３变质剂 铝合金熔铸生产中，使用的电解铝液或者重熔用 铝锭均来源于电解铝厂。 （１）钠（Ｎａ）。在电解铝生产过程中，冰晶石 铝合金常用的变质剂为钠盐变质剂，其主要成分 为ＮａＦ及ＮａＣ１，还含有部分Ｎａ，Ａ１Ｆ 及ＫＣ１，其主要反 应同式（１）、（２）。 １．４覆盖剂 一（Ｎａ Ａ１Ｆ ）、氟化钠（ＮａＦ）等含钠介质的使用，使电解 铝液中存在一定含量的钠，其含量可达８０ｐｐｍ，实际 生产中钠含量则控制在３０～６０ｐｐｍ＿ｌ ；重熔用铝锭中 钠含量一般在８～１５ｐｐｍ，个别达到２３ｐｐｍ ； 般铝合金熔体覆盖剂主要成分为ＮａＣ１及ＫＣ１。 考虑到ＮａＣ１、ＫＣ１在铝熔体中较为稳定，几乎不会与 铝液反应产生钠离子，其将主要以化合物固体颗粒夹 杂的形式存在于铝熔体中，覆盖剂内碱金属以离子形 钠元素主要来源于下列反应过程： №３Ａｚ Ｆ６ ３ Ｎａ ＋Ａｚ 一 （１） 态进入铝熔体的影响可忽略不计。 ３ＸＦ＋Ａｌ＝３Ｘ＋ＡｆＦ３ 属） （２，式中ｘ代表碱金 ２铝熔体中碱金属的危害 碱金属元素中，锂元素可以用作铝合金强化元 （２）锂（Ｌｉ）。电解铝生产时，为改善电解质的化 收稿日期：２０１６—０４—１４ ３８ 有色金属加工 第４５卷 素，作用是降低铝合金密度，提高铝合金弹性模量。 其他情况下，碱金属元素是以杂质的形式在铝熔体中 存在，这些杂质碱金属通过与其他杂质元素相互间的 物理化学作用，将会改变材料的组织结构和相组成， 从而影响铝合金的力学、加工、表面处理等一系列 性能。 将不会进入炉子。 这一系统可以做到高效率除锂、钠、钾等碱金属 以及钙金属，处理时间比在炉内除碱更快（每分钟使 熔体内钠含量减半，如钠含量６０ｐｐｍ的熔体，可在 ５ｒａｉｎ内处理至２ｐｐｍ，即６０ｐｐｍ－）３０ｐｐｍ １５ｐｐｍ ７．５ｐｐｍ－）３．７５ｐｐｍ－）１．８７５ｐｐｍ），同时也能高效率除 碳化物及氧化物，减少在炉子内处理的时间。另外， 相比较炉体内除碱过程中需要热能保持熔体温度，电 在铝熔体碱金属中，危害最大的是指钠元素 （Ｎａ）。钠元素对铝合金铸造的危害，主要包括两方 面 Ｊ：（１）增大铸造时铝合金粘度，增加铸造时铸锭拉 裂倾向，破坏铸锭表面质量；（２）引起“钠脆”现象。 当铝合金中存在钠时，钠将会游离并最终吸附在 枝晶或晶界上，使铝合金的脆性增加，导致铸造时出 现裂纹，或者在下游深加工工艺如热轧时开裂。“钠 脆”现象对高镁合金危害尤为严重，为防止发生 ＮａＡ１Ｓｉ＋Ｍｇ Ｍｇ２ｓｉ＋Ｎａ（游离）＋Ａｌ反应，实际生产 中不容许使用钠盐熔剂。 ３铝合金熔体除碱技术 由于钠元素是主要的碱金属危害元素，因此铝熔 体除碱的效果主要通过钠含量的变化为定量判断依 据。一般来说，铝合金熔体净化后，碱金属钠的含量 应控制在５ｐｐｍ以内。对Ｍｇ含量较高的Ａ１一Ｍｇ系 合金，Ｎａ的更加严格，５１８２合金中，几个ｐｐｍ钠 即可能导致热轧裂纹。 铝合金熔体除碱技术可以分为炉前除碱技术、炉 内除碱技术和炉后除碱技术３种。生产中可以根据 所生产的合金品种选择一种或多种相结合的除碱技 术，来确保控制熔体内的碱金属含量。 ３．１炉前除碱技术 电解铝液炉前预处理技术，是指在电解铝液进入 炉子之前，使用炉外的设备进行除碱。 国外某几家公司生产的处理设备采用了该技术， 并已在国外得到了广泛应用。该设备由铝液包基座、 氟化铝供应系统、转子系统及除尘系统组成。除碱过 程为，将专用的可开盖式密封铝液包输送至设备基座 上，开启铝液包上盖后，除碱设备上带有转子系统的 抬包盖盖住铝液包，转子系统以氩气为传输介质，将 氟化铝喷人铝液包铝液中，使其在熔体内部均匀扩散 而不影响到铝液表面。通过反应３Ｘ＋Ａ１Ｆ ：３ＸＦ＋ Ａｌ（ｘ代表碱金属），将钠及锂、钾、钙金属带到熔体表 面。除碱后的铝熔体在注入炉子时，是通过压力将电 解铝液从抬包接近底部的位置压出，且每次均会留一 部分铝液在抬包内，因此抬包中浮在铝熔体表面的渣 解铝液炉前处理技术可以减少这部分能量消耗。 ３．２炉内除碱技术 铝熔铸生产过程中，能够做到除去铝熔体中碱金 属的方法为在保温炉内使用氯气、含氯精炼剂（如六 氯乙烷、四氯化碳等）或含氟化物精炼剂，对熔体进行 精炼处理。 然而，在使用氯气、氯化物或者氟化物的过程中， 会有浮出铝熔体的氯气气体，以及与碱金属反应后生 成的氯气、氟化氢，受热气化的六氯乙烷、四氯化碳气 体产生，会严重损害炉子内衬，缩短炉子使用寿命；其 次，会对生产操作人员产生职业病危害，导致慢性氟 中毒、气管一支气管炎、肺炎或肺水肿等职业病；最 后，炉内熔体净化处理无法保证精炼气体／精炼剂与 铝熔体的充分接触，对铝合金熔体的除碱净化相当 有限。 目前，炉内针对性的除碱处理（如氯气、六氯乙 烷、四氯化碳）已很少运用，炉内净化的重点集中在炉 内除氢、除渣工艺，在这些净化处理过程中如精炼剂 中含有氯化物，则可以达到一定的除碱效果。 ３．３炉后除碱技术 炉后净化，即铝熔体在线净化技术。该技术是在 铝熔体出炉后、铸造前通过在线精炼装置对熔体进行 精炼处理。 为了达到除碱目的，精炼气体中加入了氯气，其 基本除碱原理为使用高压喷嘴将氮气、氯气混合气体 或氩气、氯气混合气体喷入设备中铝熔体底部，细小 的气泡在上浮过程中与铝熔体充分接触，发生化学反 应２Ｘ ＋Ｃ１ ＝２ＸＣ１（Ｘ代表碱金属），从而将钠、锂、 钙等离子除去。 对于钠、锂、钙金属含量不超过１０ｐｐｍ的铝熔体， 采用炉后除碱技术的除碱效果均能保证在５ｐｐｍ内， 甚至达到３ｐｐｍ，如使用串联的两台在线精炼装置，除 碱效果能够达到２ｐｐｍ以下。 以上３种除碱技术的比较见表２。 第４期 有色金属加工 ３９ 所用精炼剂 氟化铝ＡＩＦ３ 氯气或含氟、含氯精炼剂 氮气、氯气混合气体或氩气、氯气混合 气体 铝熔体钠含量 最大除碱效果 电解铝液投料３０～６０ｐｐｍ 电解铝液投料３０～６０ｐｐｍ；重熔用铝锭 经前面的处理工艺后，铝熔体的钠含量 投料８～１５ｐｐｍ 般处理到１０ｐｐｍ以下 在１０ｐｐｍ以下 一（以钠为标准） ＜２ｐｐｍ ￣处理效率比在炉子内加氯气处理快４ 每个除碱周期约５０ｍｉｎ（其中处理时间 处理效率与铝熔体流速相符合，如流速 除碱效率 ａｉｎ），对于含量３０ｐｐｍ以上铝熔体， 增加，倍，从６０ｐｐｍ至２ｐｐｍ需处理约５ｍｉｎ， ３０ｒ则相应地增加混合气体中氯气混 除碱效率高 其他杂质处理 效果 需两个处理周期，除碱效率低 合比例，除碱效率高 锂、钾、钙含量不高于３ｐｐｍ；同时达到较 好的除氢效果 使用相同时间，在除去钠时除钙值可 达到≤２ ｐｐｍ；减少至少３０％～４０％炉 有一定的除氢、除钙、除杂质效果 内氧化杂物 设备价格 进口设备，设备较贵且需配备专用铝 液包 人工操作即可，配备简易精炼工具 以进口设备为主，设备较贵 安全性 密闭容器内操作，配备的除尘设 产生有毒甚至剧毒物质。处理时需要开 在密闭容器内处理，有极少量氯气排放 备，对工人无危害 启炉门，对工人及炉子危害大 可配置除尘设备，对工人危害极低 处理速度快；可减少熔铸时炉内净化 优点 时间，缩短生产周期；免除了炉内及炉 后除碱处理，铸造中无需使用氯气， 安全 兼具除氢及除碱的功能；不会增加生产 设备价格便宜 周期；适用于电解铝液及重熔用铝锭配 料的熔铸生产 处理熔体有局限性，只能处理进入炉 缺点 子前的电解铝液，当使用重熔用铝锭 配料时不适用 蚀炉体有 冀 作工人健康；腐 设备较贵，有少量有毒气体排放 减少炉子寿命 ’～……‘…’…… ‘ ，４ 总结 随着电解铝液配料在铝熔铸生产中的推广，铝熔 参考文献 ［１］武元，梁鲁清．电解铝液直接生产１２３５合金双零箔铸轧坯料的工 艺研究与实践［Ｊ］．铝加工，２０１５，（５）：３８． 体除碱技术得到更多应用。在现实生产中，生产厂家 可以灵活地结合各种铝熔体净化技术，如当使用电解 ［２］黄世恒．Ａｌ—Ｍｇ合金钠脆问题工艺研究［Ｊ］．企业技术开发，２０１４， ３３（１２）：１３５． ［３］张芬萍，铝电解过程中的杂质及其控制［Ｊ］．铝镁通讯，２０１５， （３）：４０． 铝液配料生产铝合金铸锭时，可以使用炉前除碱＋炉 内除杂质＋炉后除氢除杂的组合；当使用重熔用铝锭 配料时，使用炉内除杂质＋炉后除氢除碱除杂的组 合，来提高铝熔体质量。 ［４］迟福全，王立娟，彭先亮．Ｎａ元素对铝合金铸造性能的影响［Ｊ］．轻 合金加工技术，２００２，３０（８）：１４． ［５］肖亚庆．铝加工技术实用手册［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，２００４： Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ Ｃｏｍｍｏｎ Ｒｅｍｏｖａｌ Ａｌｋａｌｉ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｆｏｒ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｍｅｌｔｓ ＨＵＡＮＧ Ｏｉ （Ｃｈｉｎａ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌｕｏｙａｎｇ ４７１０３９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｓｅｖｅｒａｌ ｃｏｍｍｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｆｏｒ ｒｅｍｏｖｉｎｇ ａｌｋａｌｉ ｆｒ０ｍ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｍｅｌｔｓ．ａｎｄ ｉｔ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｈａｒｍ ｏｆ ａｌｋａｌｉ ｍｅｔａｌ ｉｎ ａＩｕｍｉｎｕｍ ｍｅｌｔｓ：ｉｔ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅｓｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ ｗｉｔｈ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｌｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ；ｍｅｌｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ａｌｋａｌｉ ｍｅｔａｌ；ａｌｋａｌｉ ｒｅｍｏｖａｌ
