CN111218575A - 用于铝合金冶炼的钒添加剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于铝合金冶炼的钒添加剂，其为各组分原料粉末压制而成，包括如下重量百分比的组分：钒铁粉90％～99％、铝粉0％～9.49％、表面活性剂0.01％～3％、铝的无机盐0.01％～5％、粘结剂0～3％。还公开了其制备方法：(1)粉碎：在惰性气体保护下，将钒铁、铝金属及铝的无机盐分别进行粉碎；(2)称料：将钒铁粉、铝粉、铝的无机盐粉末按比例称；(3)制备表面活性剂溶液和粘结剂溶液；(4)将步骤(2)所得的钒铁粉、铝粉及铝的无机盐粉末进行混料，得到初步混和料；(5)将步骤(3)的表面活性剂溶液和粘结剂溶液喷洒在初步混合料中，进行混料；(6)压制成型。

Description

用于铝合金冶炼的钒添加剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种用于铝合金冶炼的钒添加剂及其制备方法。

背景技术

随着铝加工及铝合金工业不断发展，铝合金的研制被列为重点发展的技术，合金化是铝合金生产工艺流程中重要的一环。合金添加元素在熔融铝中的溶解是合金化的重要过程。元素的溶解与其性质有密切关系，受添加元素固态结构结合力的破坏和原子在铝液中的扩散速度控制。铝合金常用的合金元素有：硅、铬、铜、镁、镍、锌、钒、钛等。一些低熔点或溶解度大的合金元素如镁、铜等可以直接加入铝熔体中，而大部分熔点高的合金元素如铬、镍、钛等，由于与铝的熔点差距太大，无法直接进行添加，需要通过中间合金的方式进行加入。这是因为如将铬、镍、钛等金属熔化，则熔炉温度必需达到1000度以上，而铝的熔点只有660度，如果在1000多度的温度下，则部分铝熔体会汽化，且熔炉内未汽化的铝液在如此高温下极易与周围的氧气、氢气、水等发生化学反应，形成难以去除的杂质，生成的铝合金熔体的合金含量与实际所需的合金含量偏差过大，从而导致合金机械性能无法满足要求，造成资源浪费。

为了避免上述不足，人们采用中间合金的方式降低合金元素熔融过程时所需的温度。中间合金的生产工艺是这样的：首先将所炼制的合金中含量最大的、熔点较低的金属熔化。然后将熔点较高的及含量较少的元素加入，溶解而制成合金。熔炼中间合金时，需要添加少量熔剂保护，以免气体进入合金，还可去除部分杂质。熔化后要充分搅拌，使成分均匀后铸锭。有些高质量的中间合金需要在真空中或保护气氛下熔炼和浇铸。评判铝合金的品质好坏的主要标准是合金中是否含有杂质或者杂质含量的多少，理想的铝合金是没有杂质的，因此杂质越少越好，因此对于铝合金所用的中间合金的品质要求极高，就需要在真空中或保护气氛下熔炼烧铸，生产工艺条件要求高，生产成本增加及效率大大降低。另外，由于中间合金所含的合金元素含量较低，在称料计算时，所用的中间合金量就会较大，为了保证熔融中间合金的温度，每次投放中间合金的量不能过多，加量过多会导致铝熔体温度降低，无法熔解中间合金，所以生产同一型号的铝合金时，用中间合金进行合金化就需要采用多次少量方式进行添加投放在铝熔体中，这样就会导致产生如下问题：1、熔化中间合金所需的时间过长；2、铝熔体长时间与大气中的氧气、氢气、碳、水分等其他物质发生反应生成的杂质量增多，导致铝合金的品质降低；3、熔化时间长会增加能耗，会增加铝熔体的烧损及吸气。

由于中间合金存在的上述不足，已逐渐被淘汰，近年来人们开始采用将金属粉末与助熔剂充分混合后加入铝熔体中的方式进行金属的合金化，主要方法是采用70％～80％金属粉末与20％～30％的助熔剂，但由于助熔剂助熔能力有限，此类添加剂中金属元素的含量最高只能达到80％，并且由于助熔剂助熔能力有限，为防止金属粉末被氧化，对于金属元素粉末的粒径要求严格，金属粒径过细，其比表面积越大，与氧的结合能力更强，容易形成难以熔解的金属氧化膜，为了保证所制得的金属元素添加剂能够具有较好的熔解度，在进行金属元素粉末制备时需要将其粒径控制在一定的范围，如王国宁等在高性能铬铝合金添加剂产品及生产工艺中报道：铬金属粉末粒径控制在40目至60目，80目至100目，100目至325目。我们知道粒径越细化其金属粉末的熔解越容易，如赵琳萍等在无溶剂型铝合金钛添加剂的研究中报道：钒铁金属粉末粒径越细，其吸收率越高，但其金属产生氧化膜的机率越大，所需的铝粉作为助熔剂的能力就越强，铝粉作为助熔剂不仅要起到助熔的作用，同时还起到降低钒添加剂密度的作用，因为的钒铁密度为7.87，铝的密度只有2.7，铝含量越多，钒添加剂的密度越小，这样制成的钒添加剂才能在投入铝熔体中后，不迅速沉底，因此现有的钒添加剂需要至少20％的铝粉作为助熔剂才能达到较好的助熔效果及降低整体密度的作用，现有的钒添加剂一般的实收率只有88％，因此会造成大量钒铁金属元素的浪费，且铝合金的杂质过多。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种高钒含量的用于铝合金冶炼的钒添加剂及其制备方法。

本发明为了实现其目的，采用的技术方案是：

一种用于铝合金冶炼的钒添加剂，其为各组分原料粉末压制而成，包括如下重量百分比的组分：钒铁粉90％～99％、铝粉0％～9.49％、表面活性剂0.01％～3％、铝的无机盐0.01％～5％、粘结剂0～3％。

上述的钒添加剂其密度为2.8～5.0g/cm³。

所述钒铁粉的粒度分布为：325目至700目的钒铁粉占钒铁粉总含量的35％～40％，100目至325目的钒铁粉占钒铁粉总含量的40％～45％，60目至100目的钒铁粉占钒铁粉总含量的10％～15％，10目至60目的钒铁粉占钒铁粉总含量的0％～5％；铝粉及铝的无机盐的粉末的平均粒度为80目至350目。

所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。

所述粘结剂为聚阴离子纤维素。

所述铝的无机盐为水化硫铝酸钙。

上述的用于铝合金冶炼的钒添加剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)粉碎：在惰性气体保护下，将钒铁、铝金属及铝的无机盐分别进行粉碎；

(2)称料：将步骤(1)所得的钒铁粉、铝粉、铝的无机盐粉末按比例称；

(3)制备表面活性剂溶液和粘结剂溶液；

(4)将步骤(2)所得的钒铁粉、铝粉及铝的无机盐粉末进行混料，得到初步混和料；

(5)将步骤(3)所得的表面活性剂溶液和粘结剂溶液喷洒在步骤(4)所得的初步混合料中，进行混料，得到混合均匀的混合料粉；

(6)压制成型，即得。

在上述技术方案中，所述表面活性剂溶液和粘结剂溶液均为水溶液。

本发明的有益效果是：本发明的钒添加剂，钒金属元素含量高，熔解于铝液中时熔解温度低、熔解时间短，且钒的回收率高；

本发明的钒添加剂，用于助熔的铝粉、铝的无机盐及其它成份含量不超过10％，极大的减少了铝合金熔炼过程中因助熔剂而产生的不必要杂质；

将本发明产品投入到铝熔体中，其不会沉底，会悬浮于铝熔体中，它克服了钒铁粉含量越高，钒添加剂密度越大，投入铝熔体中越容易沉底的技术偏见；这是由于钒铁粉的粒径较细，最细的钒铁粉粒径可达700目，钒铁粉的平均粒度在100目至400目，粒径比现有铬添加剂中的铬粉更细，我们知道粉末越细，其松装密度越小，因此钒铁粉相对于钒铁块的密度更低，采用本发明中所述的各组分的粒径范围，其钒铁粉密度大约在5.5克每立方厘米，再加之铝粉经过粉碎成细粉后，其粉末密度相较于铝金属2.7克每立方厘米的密度，降低到1.6克每立方厘米，因此能够保证制作出的钒添加剂的密度保持在2.8～5.0克每立方厘米；

本发明为了防止较细粒径的金属粉末与氧气结合形成金属氧化膜，在制备本发明产品时，采用惰性气体保护进行粉碎，在混合时使用表面活性剂增加粉末的聚合作用，从而大大减少金属粉末与氧结合的能力，制作出的钒添加剂的氧含量小于0.4％；同时由于表面活性剂的聚合作用，使得金属粉末更容易成型，因此在制备成型产品时所用的压力只需保持在10～30兆帕即可，由此压制出的钒添加剂质地更松散，在铝熔体中更容易分散；表面活性剂的添加，使得金属粉末的表面张力更大，从而能够在铝熔体中悬浮，随着钒添加剂的熔解，其在铝熔体中的比重的改变会使得剩余未溶解的钒添加剂上下运动，从而进一步加剧了金属粉末的分散。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。

下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法。

本发明的所有实施例中的使用的钒铁粉购自抚顺鑫泰金属材料有限公司。

实施例一、

将本发明的用于铝合金冶炼的钒添加剂制成Φ16毫米×11毫米×4毫米的橄榄球状，其中各组分的质量百分数为：钒铁粉90％、铝粉9.49％、水化硫铝酸钙0.01％、表面活性剂0.01％、粘结剂0.49％。钒添加剂的密度经测量为2.8～3.0g/cm³。铝的无机盐采用水化硫铝酸钙，即钙矾石。

上述钒添加剂是按照以下方法制得：

(1)粉碎：在惰性气体保护下(防止生成金属氧化膜)，将钒铁、铝金属及水化硫铝酸钙分别进行粉碎，其中钒铁粉的粒度范围为10目至700目，铝粉的粒度范围为40目至500目，水化硫铝酸钙的粉末粒度范围为40目至500目；钒铁粉的平均粒度为100目至400目，铝粉及水化硫铝酸钙的粉末的平均粒度为80目至350目。

钒铁粉的粒度分布为：325目至700目的钒铁粉占钒铁粉总含量的35％～40％，100目至325目的钒铁粉占钒铁粉总含量的40％～45％，60目至100目的钒铁粉占钒铁粉总含量的10％～15％，10目至60目的钒铁粉占钒铁粉总含量的0％～5％，以保证钒铁粉的平均粒度在100目至400目。

(2)称料：将步骤(1)所得的钒铁粉、铝粉、水化硫铝酸钙粉末按照以下重量进行称料：钒铁粉为900kg，铝粉为94.9kg，水化硫铝酸钙粉末为0.1kg。

(3)制备表面活性剂溶液：称取0.1kg十二烷基苯磺酸钠，配制成质量浓度为30％的表面活性剂水溶液。

制备粘结剂溶液：称取4.9kg聚阴离子纤维素配制成质量浓度为20％的水溶液。

(4)将步骤(2)所得的钒铁粉、铝粉及水化硫铝酸钙粉末移至混料机中，开启混料机按照20-30转/分钟的转速，混料2分钟，得到初步混和料；

(5)将步骤(3)所得的表面活性剂溶液和粘结剂溶液喷洒在步骤(4)所得的初步混合料中，开启混料机，设定其搅拌频率为20-30转/分钟，混料时间为20分钟，即可得到混合均匀的混合料粉；在本步骤后，会通过抽取5个不同部位的混合样品进行成份检测，若5个检测结果偏差在0.001％内，则说明混合均匀，即可进入步骤(6)，否则继续开启混料机，再次进行20分钟混料。

(6)将步骤(5)得到的混合料粉移入金属粉末球形压制成型机，采用压力为10兆帕的压力进行压制成型；其中压制成型机的保压时间为：1至2秒，卸压时间为：1秒；抽样测定产品密度为2.8～3.0g/cm³。

(7)将步骤(6)得到的产品放入干燥炉中干燥，使得其水分含量低于0.2％。

(8)将步骤(7)所得的高含量钒添加剂用铝箔包装即为成品。

将通过上述方法制得的成品，采用氮氢氧测定仪进行氧含量测试，测定的结果为氧含量小于0.5％。

实施例二

参照实施例一的方法制备用于铝合金冶炼的钒添加剂，制成Φ30毫米×20毫米×7毫米的橄榄球状，其中各组分的质量百分数为：钒铁粉97％、铝粉0％、水化硫铝酸钙1％、表面活性剂十二烷基苯磺酸钠1％、粘结剂聚阴离子纤维素1％。钒添加剂的密度经测量为4.5～5g/cm³。采用氮氢氧测定仪进行钒添加剂氧含量测试，测定的结果为氧含量小于0.5％。

实施例三

参照实施例一的方法制备用于铝合金冶炼的钒添加剂，制成Φ25毫米×16毫米×5毫米的橄榄球状，其中各组分的质量百分数为：钒铁粉93％、铝粉3％、水化硫铝酸钙1％、表面活性剂十二烷基苯磺酸钠3％、粘结剂聚阴离子纤维素0％。钒添加剂的密度经测量为3.2～4.5g/cm³。采用氮氢氧测定仪进行钒添加剂氧含量测试，测定的结果为氧含量小于0.5％。

实施例四

参照实施例一的方法制备用于铝合金冶炼的钒添加剂，制成Φ31毫米×21毫米×9毫米的橄榄球状，其中各组分的质量百分数为：钒铁粉99％、铝粉0％、水化硫铝酸钙0.5％、表面活性剂十二烷基苯磺酸钠0.4％、粘结剂聚阴离子纤维素0.1％。钒添加剂的密度经测量为3.8～4.5g/cm³。采用氮氢氧测定仪进行钒添加剂氧含量测试，测定的结果为氧含量小于0.5％。

实施例五

参照实施例一的方法制备用于铝合金冶炼的钒添加剂，制成Φ31毫米×21毫米×9毫米的橄榄球状，其中各组分的质量百分数为：钒铁粉90％、铝粉1％、水化硫铝酸钙5％、表面活性剂十二烷基苯磺酸钠1％、粘结剂聚阴离子纤维素3％。钒添加剂的密度经测量为2.8～4.0g/cm³。用氮氢氧测定仪采用常规方法对钒添加剂产品进行氧含量测试，测定的结果为氧含量小于0.4％。

同时采用粘结剂和表面活性剂，对于粒径很细的粉末更容易聚合成型，同时可减少金属粉末与氧的结合机会，从而使得产品的含氧量降低，更近一步提高本发明产品的品质。

实施例六、产品性能测试

从实施例一得到的钒添加剂产品中选取3个进行熔解测试，将其分别放入3个用于试验的石墨坩埚的铝液熔解炉中，在不同的时间段对各个铝液溶解炉中的溶液进行取样，待其冷却成固体后，用酸将其溶解，所用的酸为浓硝酸和浓度为50％的盐酸混合，两者的体积比为1:1，并用ICP检测仪测量溶液中钒的含量，从而得到钒的回收率，具体结果如表1所示：

表1

从实施例二、三、四、五的成品中各选取3个成品按照上述方法测量钒的回收率，检测结果分别如表2所示：

表2

由上述结果可见，本发明的钒添加剂在690℃的温度下，10分钟至15分钟时的钒回收率即可达到95～100％，相比现有技术40min时达到最高钒回收率88％来说，钒回收率更高，熔解时间短；另外，本发明钒添加剂的最低熔解温度可低至690℃，相比于现有技术的720℃降低了30度，大大节约了熔炉能耗。因此，本发明钒剂熔解于铝液中的效率高，能耗少，成本低。

Claims (8)

1.一种用于铝合金冶炼的钒添加剂，其为各组分原料粉末压制而成，其特征在于，包括如下重量百分比的组分：钒铁粉90％～99％、铝粉0％～9.49％、表面活性剂0.01％～3％、铝的无机盐0.01％～5％、粘结剂0～3％。

2.如权利要求1所述的用于铝合金冶炼的钒添加剂，其特征在于，其密度为2.8～5.0g/cm³。

3.如权利要求1所述的用于铝合金冶炼的钒添加剂，其特征在于，所述钒铁粉的粒度分布为：325目至700目的钒铁粉占钒铁粉总含量的35％～40％，100目至325目的钒铁粉占钒铁粉总含量的40％～45％，60目至100目的钒铁粉占钒铁粉总含量的10％～15％，10目至60目的钒铁粉占钒铁粉总含量的0％～5％；铝粉及铝的无机盐的粉末的平均粒度为80目至350目。

4.如权利要求1所述的用于铝合金冶炼的钒添加剂，其特征在于，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。

5.如权利要求1所述的用于铝合金冶炼的钒添加剂，其特征在于，所述粘结剂为聚阴离子纤维素。

6.如权利要求1所述的用于铝合金冶炼的钒添加剂，其特征在于，所述铝的无机盐为水化硫铝酸钙。

7.如权利要求1至少6任一项所述的用于铝合金冶炼的钒添加剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)粉碎：在惰性气体保护下，将钒铁、铝金属及铝的无机盐分别进行粉碎；

(2)称料：将步骤(1)所得的钒铁粉、铝粉、铝的无机盐粉末按比例称；

(3)制备表面活性剂溶液和粘结剂溶液；

(4)将步骤(2)所得的钒铁粉、铝粉及铝的无机盐粉末进行混料，得到初步混和料；

(5)将步骤(3)所得的表面活性剂溶液和粘结剂溶液喷洒在步骤(4)所得的初步混合料中，进行混料，得到混合均匀的混合料粉；

(6)压制成型，即得。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂溶液和粘结剂溶液均为水溶液。