CN100564557C - 非钠系熔剂及利用其处理熔融铝合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用熔剂注入旋转脱气装置时防止未反应熔剂附着与沉积,从而确保高脱渣效果的非钠系熔剂,以及一种处理熔融铝合金的非钠系熔剂及利用其处理熔融铝合金的方法。非钠系熔剂由以下组分构成,按质量百分比:AlF3:80~95%、KCl:2.5~10%、K2SO4:2.5~10%作为必要组分,其余为总计5%或以下的其它氯化物、氟化物及硝酸盐。一种处理熔融铝的方法,包括:维持上述旋转转子浸渍在上述熔融铝合金中的状态;从上述喷嘴向熔融金属中喷射惰性气体和熔剂,并以200~450rpm的速度旋转转子,使熔融金属中的夹杂物等与微细气泡和熔剂一起上浮到熔融金属的表面,实现脱气和脱渣。
Description
技术领域
本发明涉及一种熔融铝的处理方法,尤其是涉及一种使用熔剂注入旋转脱气装置处理熔融铝的方法。
背景技术
过去一直使用Na作为铸造用合金的共晶Si改良剂。作为添加Na的熔剂,广泛采用了以NaF、NaCl为主要成分的钠系熔剂。
然而,尽管根据合金组成和铸造方案会有所不同,Na通常具有在铝铸件中促进气孔分散的效果,但由于与空气中的水分发生反应,即使熔融金属中仅包含几个PPM含量的Na,也易于形成较高的氢气浓度,从而促进熔融金属表面的氧化和熔渣的形成。而且,在含Mg作为主要合金成分的5000-系铝合金中,微量的Na会导致晶界脆变,并导致延展率及其它特性显著劣化。
因此,在不希望加入Na的铸造型生产线中,广泛采用非钠系熔剂作为熔融铝合金脱渣用熔剂。这种非钠系熔剂中主要包含具有脱渣效果、不含任何Na盐的MgCl2、CaCl2、KCl等氯化物系熔剂,并混合有能提高熔融铝反应性的组分,如KAlF3、AlF3、K2SO4等。
然而,在氯化物系熔剂中,MgCl2、CaCl2具有吸湿性,必须要谨慎保存。如果将吸收水分的熔剂直接与熔融铝接触,存在水蒸气爆炸的危险,因此,如果可能,应尽量避免MgCl2、CaCl2的使用。而且如果MgCl2、CaCl2与熔融铝合金反应,会散发出臭味导致作业效率下降。基于以上原因,除非在封闭式熔炉如分次式熔炉中使用以外,一般不使用氯化物系熔剂。
因此,在不希望加入Na的铸造型生产线中,作为熔融金属脱渣用的熔剂,非钠系熔剂包含具有脱渣效果的KCl作为主要成分,还包含提高与熔融金属反应性的成分,如KAlF3、AlF3、K2SO4,例如,KK765(日本轻金属社制(商品名),包含质量百分比为60%KCl、15%KAlF3、15%AlF3和10%K2SO4)正被开发并被广泛使用。
在这方面,人们过去已知利用旋转脱气装置作为促进熔融铝合金的脱气和脱渣效果的处理系统。这种旋转脱气装置具有一向旋转的转子的轴中心部提供惰性气体的喷嘴。在旋转的转子浸渍在熔融铝合金中的状态下,从喷嘴向熔融金属中喷射和提供氩、氮或其它惰性气体,同时使旋转的转子以200-650rpm的速度旋转,使得熔融金属中的夹杂物等随着微细气泡一起上浮到熔融金属的表面,以便使脱气和脱渣一起进行。(日本特开平7-207373号公报)
另一方面,近年来这种旋转脱气装置又开发出具有一个或多个能够向旋转的转子中心部提供惰性气体及熔剂的装置(美国专利第6,375,712号)。
通过使用这种旋转脱气装置,能够有效抑制在向熔融金属中分散熔剂过程中氯化物及其它有害气体的产生,并且还提高脱渣效果。
然而,发明人通过试验判明,如果利用熔剂注入旋转脱气装置使用非钠系熔剂处理熔融金属,会产生熔剂的主要组分KCl从旋转的转子附近的喷嘴喷出时,不转化成熔融盐,而是作为未反应熔剂附着与沉积在喷嘴附近的问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的上述问题,提供一种在用熔剂注入旋转脱气装置及非钠系熔剂处理熔融铝合金时,防止未反应的熔剂附着与沉积,从而确保高脱渣效果的非钠系熔剂,以及利用其处理熔融铝合金的方法。
为实现上述目的,根据本发明,提供一种适用于在熔剂注入旋转脱气装置中处理熔融铝合金的非钠系熔剂,其特征在于包含,按质量百分比,AlF3:80~95%、KCl:2.5~10%、K2SO4:2.5~10%作为必要组分,其余为总计5%或以下的其它氯化物、氟化物及硝酸盐。
进一步,本发明提供一种在具有一个或多个能向旋转转子的轴中心部提供惰性气体和熔剂的喷嘴的熔剂注入旋转脱气装置中用本发明的非钠系熔剂处理熔融铝合金的方法,其特征在于:
维持上述旋转转子浸渍在上述熔融铝合金中的状态,以及
从上述喷嘴向熔融金属中喷射惰性气体和熔剂,并以200~450rpm的速度旋转转子,使熔融金属中的夹杂物等与微细气泡和熔剂一起上浮到熔融金属的表面,实现脱气和脱渣。
更进一步,提供一种在具有一个或多个能向旋转转子的轴中心部提供惰性气体及熔剂的喷嘴的熔剂注入旋转脱气装置中用本发明的非钠系熔剂处理熔融铝合金的方法,其特征在于:
维持上述旋转转子浸渍在上述熔融铝合金中的状态,
从上述喷嘴向熔融金属中喷射惰性气体和熔剂,并以200~450rpm的速度旋转转子,使熔融金属中的夹杂物等与微细气泡和熔剂一起上浮到熔融金属的表面,实现脱气和脱渣,作为第一步骤,以及
进一步,从上述喷嘴向熔融金属中仅喷射惰性气体,并以200~450rpm的速度旋转转子,使熔融金属中的夹杂物等与微细气泡和残留的熔剂一起上浮到熔融金属的表面,实现脱气和脱渣,作为第二步骤,
为实现脱气和脱渣连续执行上述步骤。
由于本发明的从熔剂注入旋转脱气装置的喷嘴处喷射的非钠系熔剂具有,按质量百分比,AlF3:80~95%、KCl:2.5~10%、K2SO4:2.5~10%,其余为总计5%或以下的其它氯化物、氟化物及硝酸盐,因此K2SO4和熔融金属的反应热能够促使KCl转化为熔融盐,另外,AlF3和熔融金属的反应能促使熔剂平稳地分散到熔融金属中,从而显著提高脱渣效果。
这种非钠系熔剂(氟系熔剂)的开发,使得利用熔剂注入旋转脱气装置能够实现熔剂在熔融铝中的均匀分散,显著提高脱渣效果。同时,本发明能够实现即使熔剂的用量控制在最低的水平,也能维持高脱渣效果,并能够建立一种低污染的处理熔融铝的方法。
最佳实施方式
发明人对上述现有技术的问题进行研究的结果,推定非钠系熔剂,典型的如KK765,在组成上含60%的KCl,KCl的熔点相对较高,即使与熔融金属接触也不立即转化成熔融盐,进一步,由于仅含有15%的与熔融金属反应性良好的AlF3,因此熔剂不能平稳地分散到熔融金属中,未反应的熔剂在喷嘴附近形成沉积,从而显著影响脱渣效果。
从这一角度出发,发明人进行了各种试验,结果发现,为防止未反应的熔剂在喷嘴附近沉积,有必要(1)将氯化物熔剂转化为熔融盐,以及(2)提高熔剂和熔融金属的反应性。
进一步,为实现上述目的,得出下述结论:(1)为了使氯化物熔剂转化为熔融盐,有必要包括适量的与熔融铝有高反应热的K2SO4,(2)为使熔融盐熔剂分散到熔融金属中,有必要将与熔融铝反应性良好的AlF3作为主要成分。
〔熔剂组分限量的理由〕
<AlF3:质量百分比80~95%>
本发明熔剂的主要成分AlF3与熔融铝反应,能够促进熔剂分散到熔融金属中。AlF3的混合比例小于80%时,熔剂会在旋转转子的喷嘴附近形成附着与沉积,使得熔剂不能平稳地分散到熔融铝合金中,从而限制脱渣效果。AlF3的组成比大于95%时,熔剂与熔融铝的反应促进熔剂分散到熔融金属中,熔剂不会在旋转转子的喷嘴附近附着,但是熔剂自身的脱渣能力显著劣化。因此,AlF3的较佳混合比例为80-95%范围。
<KCl:质量百分比2.5-10%>
本发明熔剂中的必要组分KCl,微细地分散在熔融铝中,作为微细的熔融盐与夹杂物等一起缓慢地上浮,显著提高脱渣效果。在KCl的组成比小于2.5%时,熔剂的脱渣效果显著劣化。在KCl的组成比大于10%时,氟化铝的组成比随之降低,因此未反应的熔剂附着并沉积在旋转转子的喷嘴附近,使得熔剂不能平稳地分散到熔融铝合金中,从而限制脱渣效果。因此KCl较佳的混合比例为2.5-10%。
<K2SO4:质量百分比2.5-10%>
本发明熔剂的必要组分K2SO4的作用是作为提高熔融铝与熔剂反应的促进剂。在K2SO4和熔融铝反应时,发生化学反应如K2SO4+AL→ALSO4+K,释放出大量的反应热。这种反应热使KCl能够很容易地转化为熔融盐,提高脱渣效果。在K2SO4的组成比小于2.5%时,KCl不能充分转化为熔融盐,熔剂附着和沉积在旋转转子的喷口附近,从而限制脱渣效果。如果K2SO4的组成比大于10%,熔剂和熔融铝将发生剧烈放热反应,促进KCl转化为熔融盐,熔剂也不会在旋转转子的喷口附近附着与沉积,但是,已分离并上浮的浮渣会因放热反应而剧烈燃烧,产生会导致作业环境恶化的烟雾。因此K2SO4较佳的混合比例为2.5-10%。
<其他氯化物、氟化物、硝酸盐:总质量百分比5%或以下>
除以上说明的组分外,本发明的熔剂可以包括总质量百分比5%或更少范围的KCl以外的氯化物、除AlF3以外的氟化物及硝酸盐。所述氯化物、氟化物、硝酸盐典型地为:
KCl以外的氯化物:NaCl、CaCl2、MgCl2
AlF3以外的氟化物:NaF、KF、MgF2、CaF2
硝酸盐:KNO3、NaNO3
如果上述的总量大于5%质量百分比时,NaCl将导致熔融金属中混入Na的问题,CaCl2和MgCl2将吸收水分,NaF及其它氟化物及硝酸盐将加剧熔剂的沉积。
因此,其他氯化物、氟化物和硝酸盐的总量控制在5%质量百分比或以下。
实施例
〔熔剂附着与沉积的评价试验〕
使用本发明组分范围以内及以外的熔剂通过熔剂注入旋转脱气装置处理熔融铝合金,以测评熔剂在转子底部的附着与沉积。
所使用的熔剂的组分示于表1。熔剂A和B是具有本发明范围内组分的发明实施例、熔剂C~I是具有本发明范围外组分的比较例。
表1各熔剂的组成(质量%)
在740℃的保持炉内放置230千克的AC4C熔融合金。在此状态下,通过以300rpm的速度单向旋转的熔剂注入旋转脱气装置处理熔融金属。在第一阶段,从喷嘴同时供给进料速率为40g/min的预定组分的熔剂和流速为30L/min的氮气,使熔剂在熔融金属中均匀分散处理5分钟。第二阶段,继续旋转转子,仅停止供给熔剂,从喷嘴仅供给30L/min流速的氮气,脱气10分钟。
上述熔融金属处理后,将转子从熔融金属中升起,测定附着在喷嘴附近转子底部的熔剂的沉积长度。表2表示不同熔剂的沉积判断结果。
表2熔剂沉积的评价
注:(*1)转子底部
(*2)判断标准
沉积量(mm) | 判断 |
0 | 极优 |
0~1 | 优 |
1~10 | 良 |
>10 | 差 |
〔评价熔剂脱渣效果的试验〕
使用表1所示的组分的熔剂,不使用熔剂注入旋转脱气装置进行坩埚试验评价脱渣效果。测定熔剂处理前后熔融金属的清洁度。
在740℃的30号坩埚内放置7千克的AC4C熔融合金。在此状态下,将量为14克(0.2wt%)的用铝箔包裹的表1中所示每种熔剂通过加磷器推挤添加到熔融金属中。
在处理熔剂之前及之后,通过K模样品(n=3)分别测定夹杂物的数量。将已铸成标准薄板的(5mm厚×40mm宽)样品通过敲打形成六个裂片。肉眼观察并数出六个断裂片的12个表面的夹杂物、氧化物及其它异物的数量,并根据K值=异物的个数/6计算K值。在熔剂处理前的K值记为K0,熔剂处理后的K值记为K1,根据降低率=(K0-K1)/K0计算降低率。以该降低率为基础评价熔剂的脱渣效果。表3表示不同熔剂脱渣效果的评价结果。
表3各熔剂的脱渣效果
表3注:(*)脱渣效果的评价标准
(K1-K0)/K0:脱渣效果 | 判断 |
>0.95 | 极优 |
0.90~0.95 | 优 |
0.80~0.89 | 良 |
<0.80 | 差 |
图4根据以上评价试验和沉积评价的结果而总结出的综合评价。
表4各熔剂性能的综合判断
(*)综合评价是根据沉积和脱渣效果评价的最低值做出的。
(极优,优,良,差)
综合评价的详细内容如下:
本发明例的熔剂A及B是在本发明规定范围内的组合物。由于其包括含量为80~95%的AlF3,该AlF3能促进熔剂分散到熔融金属中,几乎能完全阻止熔剂在转子处附着。进一步,由于其含有适量的KCl和K2SO4,K2SO4和熔融铝间的放热反应引起KCl转化为熔融盐,所以脱渣效果也优良。
熔剂C(比较例)为100%KAlF4的组合物。KAlF4与AlF3相比,与铝的反应性极低,因此,熔剂不能分散到熔融金属中,大量的熔剂附着和沉积在转子上。而且,KAlF4的脱渣效果不好。
熔剂D(比较例)包含KAlF4、KCl、K2SO4成分,脱渣效果极好,但由于其中不含AlF3,因此熔剂不能分散到熔融金属中,大量的熔剂附着并沉积在转子上。
熔剂E(比较例)为100%AlF3的组合物。该熔剂与铝的反应性极较高,能够平稳地分散到熔融金属中,但由于没有其他成分,因此几乎没有脱渣效果。
熔剂F、G(比较例)含有KAlF4、AlF3、KCl、K2SO4成分,具有极好的脱渣效果。由于熔剂中AlF3含量较低,因此熔剂不分散到熔融金属中,大量熔剂附着并沉积在转子上。
熔剂H(比较例)含有KCl和MgCl2成分,由于其中不含K2SO4,因此不发生与铝熔融金属的放热反应,没有脱渣效果。而且由于其中不含AlF3,因此熔剂不分散到熔融金属中,熔剂附着并沉积在转子上。
熔剂I(比较例)含有KCl和K2SO4成分,具有极好的脱渣效果。由于熔剂中AlF3含量稍低,因此熔剂不能充分分散到熔融金属中,熔剂在转子上附着并沉积。
总之,在使用的熔剂中,AlF3的含量比本发明的规定含量范围低并显示出在转子底部附着并沉积倾向的熔剂,天然地具有脱渣效果,但是用于熔剂注入时难以表现出其脱渣效果。含有本发明规定含量范围内的AlF3和本发明规定含量范围内的KCl和K2SO4,并具有脱渣效果的熔剂适宜用作熔剂注入旋转脱气装置的熔剂。
工业实用性
根据本发明,提供一种用旋转脱气装置防止未反应熔剂附着及沉积,从而确保高脱渣效果的非钠系熔剂,以及一种处理熔融铝合金的非钠系熔剂及利用其处理熔融铝铝合金的方法。
Claims (3)
1.一种适于在熔剂注入旋转脱气装置中处理熔融铝合金的非钠系熔剂,其特征在于由以下组分构成,按质量百分比,AlF3:80~95%、KCl:2.5~10%、K2SO4:2.5~10%作为必要组分,其余为总计5%或以下的其它氯化物、氟化物及硝酸盐。
2.一种利用权利要求1所述的非钠系熔剂,在具有一个或多个能向旋转转子轴中心部提供惰性气体和熔剂的喷嘴的熔剂注入旋转脱气装置中处理熔融铝合金的方法,其特征在于:
维持上述旋转转子浸渍在上述熔融铝合金中的状态,以及
从上述喷嘴向熔融金属中喷射惰性气体和上述熔剂,并以200~450rpm的速度旋转转子,使熔融金属中的夹杂物等与微细气泡和熔剂一起上浮到熔融金属的表面,实现脱气和脱渣。
3.一种利用权利要求1所述的非钠系熔剂,在具有一个或多个能够向旋转的转子中心部提供惰性气体和熔剂的喷嘴的熔剂注入旋转脱气装置中处理熔融铝合金的方法,其特征在于:
维持上述旋转转子浸渍在上述熔融铝合金中的状态,
从上述喷嘴向熔融金属中喷射惰性气体和上述熔剂,并以200~450rpm的速度旋转转子,使熔融金属中的夹杂物等与微细气泡和熔剂一起上浮到熔融金属的表面,实现脱气和脱渣,作为第一步骤,以及
进一步,从上述喷嘴向熔融金属中仅喷射惰性气体,并以200~450rpm的速度旋转转子,使熔融金属中的夹杂物等与微细气泡和残留的熔剂一起上浮到熔融金属的表面,实现脱气和脱渣,作为第二步骤,
为实现脱气和脱渣连续执行上述步骤。
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