CN1011045B - 含硅量为2-22重量百分之百的硅铝合金的制备方法 - Google Patents

含硅量为2-22重量百分之百的硅铝合金的制备方法

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Abstract

本文介绍的是一种制取含硅量为2-22重量%的硅铝合金的方法。本法一种方案是把20-50毫米粒级的晶体硅放在反射炉里，在780-820℃和搅拌下使其溶解在液态铝中，形成硅铝合金熔体，同时利用惰性气体流将0.3-1.0毫米粒级晶体硅带入熔体底部。另一方案是把上述两种粒级的晶体硅放在反射炉里，在780-820℃和搅拌下使二者同时溶解于液态铝中。0.3-1.0毫米粒级的硅在溶解前须与氯化钡及助熔剂一起压制成块。该合金可用于汽车工业、拖拉机工业及日用品生产中。

Description

本发明属于有色金属与合金属的冶炼领域，更确切些说，是关于制取含硅量为2-22重量%的硅铝合金的方法问题。该合金可用于制造汽车工业、拖拉机工业中所需的异形铸件，并用于日用品的生产。
制取含硅量为2-22重量%的硅铝合金的已知方法包括下述步骤：将铝矾土和硅单独进行粉碎。按计算量，将下述组份，即含碳的材料和经过粉碎的铝矾土及硅，配成炉料。然后把炉料做成团块，并放入还原矿石用的电炉中。炉料经过还原作用，变成了初级硅铝合金。下一步是对此粗制合金进行精炼提纯，除掉其中的非金属夹杂物。最后加工成用做结构材料的硅铝合金[I.A.Troitsky，V.A.Zheleznov合著的《铝的冶炼》，发表于1977年，苏联“冶金出版社”（莫斯科）出版，第368-375页]。
此法的缺点是硅的吸收程度（the    degree    of    as-similation    of    silicon）低，合金中非金属夹杂物的含量较高，所以制得的合金质量不高。使用此法时，生成的炉渣很多，并因此消耗掉大量热能（高达10%）。该法的工序多，能量消耗量很大。
制取含硅量为2-22重量%的硅铝合金的另一已知方法包括如下步骤：先把经过粉碎的晶体硅分选成粒径为20-50毫米粒级和粒径为0.3-1.0毫米粒级，取前一粒级留用，后一粒级则弃去。将20-50毫米粒级的晶体硅放在反射炉里，在780-820℃的温度和搅拌的条件下，使其溶解于液态的铝中，生成硅铝合金的熔体[参见M.B.Altman，A.A.Lebedev，M.V.Chukhrov合著的《轻合金的熔炼和铸造》，发表于1969年，苏联“冶金出版社”（莫斯科）出版，第270-271页]。
使用上述方法，可确保达到较高的硅吸收程度。同时，由于合金中非金属夹杂物（氧化铝和氢）的含量降低，所得合金的质量有所提高。此外，该法还可减少炉渣形成量。该法在技术操作上可行，能耗也不大。
众所周知，在晶体硅的粉碎过程中，20-50毫米粒级的平均产率为95%，而0.3-1.0毫米粒级的量平均占4.5%。采用上述方法时，0.3-1.0毫米粒级的晶体硅不能用于制造硅铝合金，这就造成了稀缺原材料的非生产性损失。
因此，作为本发明基础的课题是：在制取含硅量为2-22重量%的硅铝合金的方法中，通过改变晶体硅溶解过程的条件，把0.3-1.0毫米粒级的硅利用起来，从而避免稀缺原料的损失，并提高所制成的合金的质量。
这项课题是用如下所述的一种制取含硅量为2-22重量%的硅铝合金的方法（本发明方法的第一种方案）解决的，它包括：将经过粉碎的晶体硅分选成20-50毫米粒级和0.3-1.0毫米粒级;把20-50毫米粒级的晶体硅放在反射炉里，在780-820℃的温度和搅拌的条件下，使其溶解在液态铝中，生成硅铝合金熔体，其中，根据本发明，是在20-50毫米粒级的晶体硅发生溶解的同时，利用惰性气体气流，把0.3-1.0毫米粒级的晶体硅带到合金熔体的液面以下（under    the    melt    level），其量占晶体硅总投料量的3-10%。
上述课题还可以用如下所述的一种制取含硅量2-22重量%的硅铝合金的方法（本发明方法的第二种方案）来解决，它包括：先将经过粉碎的晶体 硅，按颗粒大小为20-50毫米和0.3-1.0毫米分选成两份;再把20-50毫米粒级的晶体硅放到反射炉里，在780-820℃的温度和搅拌的条件下，使其溶解在液态铝中，生成硅铝合金熔体。其中，根据本发明，20-50毫米粒级的晶体硅是与0.3-1.0毫米粒级的晶体硅一起溶解的，这两份晶体硅的重量比相应为80-85∶20-15。但是，在溶解之前，须将0.3-1.0毫米粒级的晶体硅与氯化钡及助熔剂（主要成份氯化钠和氯化钾）一起压制成形，0.3-1.0毫米粒级的晶体硅、氯化钡和助熔剂三者的配料比（重量比）为7∶1-2∶1-3。
本发明方法（上述两种方案）使0.3-1.0毫米粒级的晶体硅得到了利用，从而避免了稀缺原料的损失。此外，利用本发明方法制得的合金中非金属夹杂物（氧化铝和氢）的含量低，所以可得到质量更高的合金。
在2-50毫米粒级的晶体硅溶解的同时，利用惰性气体气流把0.3-1.0毫米粒级的晶体硅引入到熔体的液面以下（第一种方案），可以保证增加细筛份硅在熔体中停留的时间，也就是说，在细筛份硅浮升到熔体表面之前，有足够的时间让它溶解在熔体中。此外，从熔体中通过的惰性气体有助于除去熔体中的非金属夹杂物（氧化铝和氢）。
在第二种实施方案中，由于0.3-1.0毫米粒级的晶体硅与氯化钡和助熔剂压制在一起，形成了一种紧密压实的物料，其密度大于熔体的密度，这样就避免了0.3-1.0毫米粒级的硅浮升到熔体表面，从而可以使20-50毫米和0.3-1.0毫米这两个粒级的晶体硅同时溶解。压制物料中所含的助熔剂可以降低硅铝合金熔体中氢和氧化铝的含量。
在制备含硅量为2-22重量%的硅铝合金的实际生产当中发现，在本发明的工艺过程中应用粒径为20-50毫米粒级的硅效果最佳，因为在这种条件下，硅溶解时的损失可以降到最低。
如前所述，将晶体硅粉碎后，20-50毫米粒级的产率平均为95%，而0.3-1.0毫米粒级的产率平均为4.5%。0.3-1.0毫米粒级的硅，过去在制取硅铝合金时是废弃不用的，结果造成稀缺原料的损失。本发明提出的这种制备硅铝合金的方法，使0.3-1.0毫米粒级的晶体硅得到了利用。
在本发明的方法中，晶体硅在液态铝里溶解时的温度为780-820℃。这个溶解温度是由反射炉的工作特性和在该反射炉中制取合金的工艺条件决定的。
按照本发明方法的第一种方案，籍惰性气体气流引入0.3-1.0毫米粒级的晶体硅的量若低于晶体硅总投料量的3%，处理设备就不能满负荷运转;若这一筛份晶体硅的引入量超过晶体硅总投料量的10%，又会耗费大量的载体-惰性气体。
按照本发明方法的第二种方案，20-50毫米和0.3-1.0毫米这两个粒级的晶体硅在使用时的质量比为80-85∶20-15。0.3-1.0毫米这个粒级的晶体硅的使用量不宜超过上述比例的上限，否则就必须在将0.3-1.0毫米的晶体硅与氯化钡和助熔剂一起压制时，增加氯化钡的用量，而氯化钡用量的增加，将导致熔体粘度增大，这是很不利的。0.3-1.0毫米粒级晶体硅的使用量低于上述比例的下限也是不足取的，因为这样做会明显降低过程的效率。
按照本发明方法的第二种方案，0.3-1.0毫米粒级的晶体硅，与氯化钡和助熔剂是按7∶1-2∶1-3这个质量比压制成块的。选择氯化钡和助熔剂用量的下限的决定条件是：压成的物料的最小密度必须超过液态铝的密度（γ1＝2.4克/厘米3，γ2＝2.48克/厘米3，其中γ1为液态铝的密度，γ2为所压制成的物料的密度）。
在上述质量比中，氯化钡和助熔剂的上限取决于：若进一步提高氯化钡和助熔剂的含量，将致使熔体的粘度不利地增加，并造成助熔剂的无益消耗。
本发明第一种生产含硅量为2-22重量%的硅铝合金的方案的实施过程如下。
将经过粉碎的晶体硅分选成20-50毫米和0.3-1.0毫米两种粒级，随后把20-50毫米粒级的晶体硅装入反射炉内。然后，在780-820℃的温度下，将所需量的液态铝注入炉中。在上述温度和搅拌下，20-50毫米粒级的晶体溶解在液态铝中，生成硅铝合金熔体。搅拌可以例如用离心泵（例如美国“Carborundum”公司生产的离心泵）、气体动力泵、电磁搅拌设备等来进行[参见AndreevA.D，Gogin    V.B.，Makarov    G.S合著的《铝合金的高效冶炼法》，发表于1980年，苏联“冶金出版社”（莫斯科）出版，第89-95页]。
在20-50毫米粒级晶体硅溶解的同时，借助 于惰性气体（如氮气，氩气）的气流，把0.3-1.0毫米粒级的晶体硅从合金熔体液面下引入熔体中。这部分晶体硅的量应占晶体硅总投料量的3-10重量%。0.3-1.0毫米粒级的晶体硅与惰性气体相混合，形成混合物气流的这一步，是在流体化床设备中完成的。在利用惰性气体气流把0.3-1.0毫米粒级的晶体硅从合金熔体液面下送入之后，由于能增加这部分硅在合金熔体中停留的时间，所以能使其全部溶解。
制得的合金是否合格，需要根据快速分析的结果来决定。分析的项目为合金各基本组份的含量以及杂质的含量。若合格，则将成品合金浇注到铸锭的模具里。
本发明第二种生产含硅量为2-22重量%的硅铝合金的方案的实施过程如下：
把经过粉碎的晶体硅分选成粒径为20-50毫米和0.3-1.0毫米两个粒级。然后把0.3-1.0毫米粒级的晶体硅与氯化钡（加重剂）和助熔剂（主要成分是氯化钠和氯化钾）压制成形。这三者的质量比相应等于7∶1-2∶1-3。例如，如下一种混合物就可以作为助熔剂，其组成为52-57重量%的NaCl、30-35重量%的KCl和10-15重量%的Na2SiF6。下一步是往反射炉里装料，即装入20-50毫米粒级的晶体硅以及所得到的压制成形的、含有0.3-1.0毫米粒级晶体硅的物料。投料时，20-50毫米粒级的晶体硅与0.3-1.0毫米粒级的晶体硅之间的比例应等于80-85∶20-15。然后，在780-820℃的温度下，在炉中注入所需量的液态铝，在此温度并在搅拌条件下，这两个筛份的硅同时溶解在液态铝中。形成硅铝合金熔体。冶炼过程在这样的条件下进行时，0.3-1.0毫米粒级的硅在合金熔体内停留的时间增加了，所以来得及溶解。
这里所采用的搅拌方法，同上面所述的本发明方法的第一种方案中所用的一样。
制得的合金合格与否是根据快速分析的结果决定的。分析的项目是合金中各基本组份的含量以及杂质的含量。若合格，则将成品合金浇注到铸锭的模具中。
为帮助更好地理解本发明，下面给出实施本发明的几个实例。
实施例1（本发明方法的第一种方案）
把经过粉碎的晶体硅分选成20-50毫米和0.3-1.0毫米两种粒级。再把总量为2650千克的20-50毫米粒级的晶体硅装入容量为25000千克（按液态的金属计算）的反射炉中。然后在800℃的温度下，向炉内注入22250千克液态铝。在上述温度和搅拌的条件下，20-50毫米这份晶体硅溶解在液态铝中，形成硅铝合金熔体。搅拌是用电磁搅拌装置完成的。
在20-50毫米这份晶体硅溶解的同时，利用氮气，从合金熔体液面下，将270千克（相当于晶体硅总投料量的10%）的0.3-1.0毫米粒级的硅引入熔体中。合金中硅的理论量为11.7重量%。利用氮气流将0.3-1.0毫米粒级的晶体硅从合金熔体液面下送入熔体中去，可以使这部分硅全部溶解。合金是否合格，需要根据快速分析的结果来决定。分析的项目是合金中各基本组份的含量，以及杂质的含量。若合格，则将含硅量为11.4重量%的成品合金浇注到铸锭的模具里。
下面的表Ⅰ中，给出了按照本发明方法的第一种方案来实施本发明方法的一些实际例子。
实施例2（本发明方法的第二种方案）
将经过粉碎的晶体硅分选成20-50毫米和0.3-1.0毫米两种粒级。然后把0.3-1.0毫米粒级的硅584千克，与氯化钡166.8千克和助熔剂250.2千克（晶体硅、氯化钡和助熔剂三者的质量比为7∶2∶3）一起压制成块。助熔剂是下列三种物质的混合物：52重量%的NaCl、34重量%的KCl和14重量%的Na2SiF6。下一步是往容量为25000千克（按液态金属计算）的反射炉里装入20-50毫米粒级的晶体硅2336千克以及压制成形的、其中含有0.3-1.0毫米粒级的晶体硅的物料。20-50毫米和0.3-1.0毫米这种粒级的晶体硅的质量比为80∶20。合金中硅的计算含量为11.7重量%。然后，在800℃温度下，向炉内注入22，250千克液态铝，并在该温度和搅拌的条件下，使这两种粒级的晶体硅同时溶解到液态铝中，形成硅铝合金熔体。在这些工艺条件下，0.3-1.0毫米粒级的晶体硅在整个合金熔体中停留的时间延长了，所以它有足够的时间全部溶解。
上述搅拌操作是用电磁搅拌装置完成的。
合金是否合格，可根据快速分析的结果来确定。分析的项目是合金中各基本组份的含量以及杂 质含量。若合格，则将含硅量为11.4重量%的成品合金浇注到铸锭的模具里。
按照第二种方案，在上述的反射炉里实施本发明方法的一些实施例归纳于表2中。
在这些实施例中，所用的助熔剂，就是在关于本发明方法第二种方案的实施例1中所介绍的那种。
本发明方法（包括两种方案在内）的效果如何，是根据对成品合金中氢和氧化铝的含量进行分析化验所得到的结果予以评价的。此外也根据0.3-1.0毫米筛份晶体硅的吸收程度（degree    of    as-similation）来评价。
合金中的氢和氧化铝的含量可按照书上介绍的分析方法测定，可参考M.B.Altman，A.A.Lebedev，M.V.Chukhrov合著的《轻合金的冶炼与铸造》，发表于1969年，苏联“冶金出版社”（莫斯科）出版，第663-674页。
对于本发明方法的两种方案，0.3-1.0毫米粒级晶体硅的吸收程度都是按下述方法测定的。
先只用20-50毫米筛份的晶体硅制备合金。结果得到含预定量硅（C1）的硅铝合金。然后再用20-50毫米和0.3-1.0毫米这两种粒级的硅，按本发明方法的第一种或第二种方案中给出的质量比制备合金。结果又得到含一定量硅（C2）的硅铝合金。在这两种情况下，合金中硅的计算含量是相同的。
0.3-1.0毫米筛份晶体硅的吸收度（Y，%）可按下式算出：
Y = C 2 C 1 × 100
式中的C-只采用20-50毫米粒级晶体硅时所得合金中硅的含量（重量%）。
C-采用20-50毫米和0.3-1.0毫米两种粒级晶体硅时所得合金中硅的含量（重量%）。
在下面的表3里，列出了本发明方法的两种方案与已知方法在效果方面的指标，这些指标是按照已知方法确定的。
对表3所列出的数据进行对比分析之后可以看出，采用本发明方法（即本发明方法的两种方案）可以使成品合金中氢的含量平均下降30%，使氧化铝的含量平均下降37%。
本发明方法使0.3-1.0毫米粒级的晶体硅得到了利用，从而避免了稀缺原料的损失。从表3上面的数据可以得出如下结论：这种细粒级的晶体硅达到了很高的吸收率，该吸收率和已知方法中20-50毫米粒级晶体硅的吸收率几乎相等。
表Ⅰ
实施例    合金中晶    晶体硅溶    0.3-1.0毫米    惰性
编号    体硅的含    解在铝中    粒级晶体硅在晶    气体
量，重量    的温度，    体硅总投料量中
%    ℃    所占的重量%
2    2    （a）780    3    氮气
（b）800
（c）820
3    22    （a）780    3    氮气
（b）800
（c）820
4    11    （a）780    3    氩气
（b）800
（c）820
5    2    800    （a）5    氮气
（b）10
6    22    800    （a）5    氩气
（b）10
7    11    800    （a）5    氮气
（b）10
表2
实施例    合金中晶    晶体硅在    粒径分别为    0.3-1.0毫米
编号    体硅的含    铝中溶解    20-50毫米和    粒级的晶体硅、
量，重量    时的温度，    0.3-1.0毫米    氯化钡和助熔剂
%    ℃    的两个粒级晶体    三者的质量比
硅的质量比
2    2    （a）780
（b）800
（c）820
3    22    （a）780
（b）800
（c）820
4    11    （a）780
（b）800
（c）820
5    2    800    （a）85∶15
（b）82∶18    7∶1∶1
表2（续）
实施例    合金中晶    晶体硅在    粒径分别为    0.3-1.0毫米
编号    体硅的含    铝中溶解    20-50毫米和    粒级的晶体硅、
量，重量    时的温度，    0.3-1.0毫米    氯化钡和助熔剂
%    ℃    的两个粒级晶体    三者的质量比
硅的质量比
6    22    800    （a）85∶15
（b）82∶18    7∶1∶1
7    11    800    （a）85∶15
（b）82∶18    7∶1∶1
8    2    800    80∶20    （a）7∶2∶3
（b）7∶1.5∶2
9    22    800    80∶20    （a）7∶2∶3
（b）7∶1.5∶2
10    11    800    80∶20    （a）7∶2∶3
（b）7∶1.5∶2
表3
实施例    0.3-1.0毫米    非金属夹杂物的含量
编号    粒级晶体硅的吸
收程度，%    氧化铝    氢
重量% 厘米3/100克成品合金
1    2    3    4
本发明方法的第一种方案
1    98.1    0.018    0.20
2a    98.0    0.018    0.19
b    97.9    0.017    0.20
c    98.2    0.019    0.18
3a    97.8    0.019    0.20
b    98.0    0.017    0.20
c    98.0    0.017    0.17
表3（续）
实施例    0.3-1.0毫米    非金属夹杂物的含量
编号    粒级晶体硅的吸
收程度，%    氧化铝    氢
重量% 厘米3/100克成品合金
1    2    3    4
4a    98.2    0.018    0.19
b    98.1    0.020    0.19
c    98.1    0.018    0.18
5a    97.8    0.017    0.20
b    98.0    0.017    0.18
6a    98.1    0.017    0.18
b    97.9    0.019    0.17
7a    98.0    0.018    0.19
b    98.2    0.018    0.19
表3（续）
实施例    0.3-1.0毫米    非金属夹杂物的含量
编号    粒级晶体硅的吸
收程度，%    氧化铝    氢
重量% 厘米3/100克成品合金
1    2    3    4
本发明方法的第二种方案
1    98.6    0.020    0.21
2a    98.5    0.020    0.20
b    98.3    0.019    0.21
c    98.5    0.022    0.21
3a    98.4    0.019    0.20
b    98.4    0.019    0.19
c    98.5    0.020    0.19
4a    98.3    0.020    0.19
b    98.5    0.021    0.18
c    98.5    0.018    0.20
表3（续）
实施例    0.3-1.0毫米    非金属夹杂物的含量
编号    粒级晶体硅的吸
收程度，%    氧化铝    氢
重量% 厘米3/100克成品合金
1    2    3    4
5a    98.4    0.019    0.19
b    98.5    0.020    0.20
6a    98.5    0.018    0.18
b    98.6    0.018    0.21
7a    98.6    0.021    0.21
b    98.4    0.019    0.20
8a    98.5    0.018    0.19
b    98.4    0.017    0.19
9a    98.6    0.020    0.18
b    98.5    0.019    0.19
表3（续完）
实施例    0.3-1.0毫米    非金属夹杂物的含量
编号    粒级晶体硅的吸
收程度，%    氧化铝    氢
重量% 厘米3/100克成品合金
1    2    3    4
10a    98.5    0.018    0.20
b    98.5    0.019    0.20
已知方法x无此项 0.03 0.27
x注：指的是前面曾提到过的一本书里所介绍的方法，该书即M.B.Altman，A.A.Lebedev，M.V.Chukhrov合著的《轻合金的冶炼和铸造》。

Claims (2)

1、制备含硅量为2-22重量%的硅铝合金的方法，包括以下要点：先把经过粉碎的晶体硅分选成20-50毫米粒级和0.3-1.0毫米粒级，再把20-50毫米粒级的晶体硅放在反射炉里，在780℃-820℃的温度和搅拌的条件下，使其溶解在液态铝中，形成硅铝合金熔体，其特征是：在20-50毫米粒级的晶硅溶解的同时，利用惰性气体气流，将0.3-1.0毫米粒级的晶体硅，从熔体的液面下带进熔体中去，其量占晶体硅总投料量的3-10%。
2、制备含硅量为2-22%（重量）的铝-硅合金的方法，其包括：先将经过粉碎的晶体硅分选成20-50毫米粒级和0.3-1.0毫米粒级，0.3-1.0毫米粒级的晶体硅与氯化钡和助溶剂（主要成份为氯化钠和氯化钾）按7∶1-2∶1-3的质量比压制成块，然后将其与20-50毫米粒级的晶体硅一起装入反射炉内，20-50毫米粒级与0.3-1.0毫米粒级的晶体硅的质量比为80-85∶20-15，在780-820℃及搅拌下，注入液态铝，使两种粒级的晶体硅同时溶解在液态铝中形成硅铝合金熔体。
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