CN111254303B - 再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法 - Google Patents

Abstract

一种再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法，属于再生铝熔炼技术领域。再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法，包括：在再生铝熔体中加入锰元素，使得再生铝熔体中的Mn/Fe质量比为0.6～1.2。将再生铝熔体的温度调节至630～680℃并进行保温；保温后将再生铝熔体升温至700～720℃并加入B元素，B元素的质量为再生铝熔体质量的0.005～0.025％。其能够降低再生铝中Fe的含量，且能促进残留富铁相的有益转变，提高再生铝的品质。

Description

再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法

技术领域

本申请涉及再生铝熔炼技术领域，具体而言，涉及一种再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法。

背景技术

再生铝是由废旧铝、废铝合金材料或含铝的废料，经重新熔化而得到的铝合金或金属铝，是金属铝的一个重要来源。然而，由于废旧铝料的来源非常广、分选难度大，重熔后合金的成分非常杂，且容易超标，导致再生铝的品质差、附加值低，阻碍了再生铝向高端领域的拓展应用。Fe是再生铝中最为常见的杂质元素之一，其形成的富铁相具有硬度高、脆性大的特点，受力时易发生应力集中而成为裂纹源，极大损害合金的塑性，尤其针片状的富铁相，不仅对基体产生强烈的割裂，同时阻碍了金属液的流动，促进铸造缺陷的形成，进一步恶化合金的性能。

目前，降铁和变质是缓解Fe危害的主要途径。除铁的方法主要有自然沉降、陶瓷过滤、电磁分离和离心处理等，其原理是利用富铁相与铝熔体间存在的密度差、导电性差或陶瓷的吸附及过滤作用，从而达到富铁相与铝熔体分离的目的。为了实现富铁相的有效分离，必须保证铝熔体中含有一定量的初生富铁相，即铝熔体中的造渣因子(SF＝1×wt.％Fe+2×wt.％Mn+3×wt.％Cr)足够大，且熔体温度低于上述初生富铁相的形成温度。而变质主要通过添加合金元素或熔铸的方法，促进富铁相形貌的有益转变和细化，从而降低富铁相对基体的割裂。其中加Mn是常用于改善富铁相类型的元素，Mn的加入能有效促进富铁相的晶体结构由单斜四方向体心立方转变；同时，Mn也是初生富铁相形成的重要元素之一，Mn含量的增加有利于初生富铁相的形成。宋东福等[Dong-fu SONG,Shun-cheng WANG,Yu-liangZHAO,et al.Effect of melt holding on the morphological evolution andsedimentation behavior of iron-rich intermetallic phases in Al-Si-Fe-Mn-Mgalloy[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2020,30(1):1-13.]通过加Mn结合熔体保温的方法，在615℃保温过程中形成了粗大的初生富铁相并沉降至炉底，实现了富铁相的有效分离，降铁效率达到46.7％，同时残留在铝熔体中的富铁相也转变成致密的汉字状。但由于熔体温度低(615℃)，流动性能下降，无法实现工业化铸锭或铸造成型。且残余铝熔体中的Mn/Fe<1，富铁相升温后再成型时易形成针片状富铁相，不利于合金性能的改善。

发明内容

本申请实施例提供一种再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法，其能够降低再生铝中Fe的含量，且能促进残留富铁相的有益转变，提高再生铝的品质。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请实施例提供一种再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法，包括：

在再生铝熔体中加入锰元素，使得再生铝熔体中的Mn/Fe质量比为0.6～1.2；

将再生铝熔体的温度调节至630～680℃并进行保温；保温后将再生铝熔体升温至700～720℃并加入B元素，B元素的质量为再生铝熔体质量的0.005～0.025％。

本申请实施例的再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法至少包括如下有益效果：

在再生铝熔体中加入锰元素，一方面Mn能有效置换富铁相中的Fe原子，促进富铁相从单斜四方转向体心立方转变，改善富铁相的类型；另一方面，Mn/Fe质量比为0.6～1.2，足够的锰保证了初生富铁相形成所需要的造渣因子(SF＝(1×wt％Fe+2×wt％Mn+3×wt％Cr))，保证了再生铝熔体含有足够的初生富铁相，并能够提高富铁相的形成温度，提高初生富铁相形核的过冷度。将再生铝熔体的温度调节至630～680℃，再生铝熔体在该较低温度条件下进行保温，促使初生富铁相在较大的过冷度下形核、长大，最后沉降以达到降铁的目的。由于初生富铁相中的Mn/Fe质量比为1.0～1.5，这导致了残留在再生铝熔体中的Mn/Fe质量比可能低于1，甚至低于0.6，此时升温再进行浇铸，容易导致部分富铁相呈针片状，危害合金塑性。本申请实施例通过保温后将再生铝熔体升温至700～720℃并加入质量为再生铝熔体质量的0.005～0.025％的B元素，与Mn形成复合变质效应，获得均匀分布的汉字状富铁相，改善合金塑性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例1的再生铝料降铁和富铁相形貌改善处理前的金相图；

图2为本申请实施例1的再生铝料降铁和富铁相形貌改善处理后的金相图；

图3为本申请对比例1的再生铝料降铁和富铁相形貌改善处理后的金相图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

以下针对本申请实施例的再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法进行具体说明：

本申请实施例提供一种再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法，包括：

(1)在再生铝熔体中加入锰元素，使得再生铝熔体中的Mn/Fe质量比为0.6～1.2。

在再生铝熔体中加入锰元素，一方面Mn能有效置换富铁相中的Fe原子，促进富铁相从单斜四方转向体心立方转变，改善富铁相的类型；另一方面，Mn/Fe质量比为0.6～1.2，足够的锰保证了初生富铁相形成所需要的造渣因子(SF＝(1×wt％Fe+2×wt％Mn+3×wt％Cr))，保证了再生铝熔体含有足够的初生富铁相，并能够提高富铁相的形成温度，提高初生富铁相形核的过冷度。

示例性地，再生铝熔体由再生铝加热至650～690℃得到。在该较低的温度条件下将再生铝熔化能够减少元素的损失。可选地，加热温度为650℃、660℃、670℃、680℃或690℃。

示例性地，再生铝中的含铁量大于0.9wt％。再生铝中的含铁量较高，在保证了初生富铁相形成所需的造渣因子的情况下，可以减少Mn的加入，从而减少成本。

在一种可能的实施方案中，在再生铝熔体中加入锰元素的步骤包括：将Mn剂和废旧铝料一同熔化形成混合物熔体与再生铝熔体混合。其中，可以将Mn剂和废旧铝料均加入可倾倒式中频炉中一同熔化。示例性地，Mn剂和废旧铝材的质量相同。

将单独的Mn剂直接加入再生铝熔体中，一般要求再生铝熔体的温度为740～760°才能使得Mn剂熔化，在再生铝熔体中加入锰元素后需要将再生铝熔体的温度调节至630～680℃，这会增加再生铝熔体降温的难度。本申请实施例中采用分步熔化，通过中频炉将Mn剂及废旧铝材快速熔化，温度可以达到800-1000℃，随后再转移至处于低温状态的再生铝熔体中。由于再生铝熔体中Mn剂及废旧铝料的占比较少，对再生铝熔体温度的影响可以忽略不计。因此，分步熔化不仅减少了传统熔炼中再生铝熔体的升温以溶解Mn剂的问题，同时减少后续降温除铁所带来的能耗增加。

可选地，将Mn剂和废旧铝料一同熔化形成混合物熔体的步骤还包括：将高熔点金属与Mn剂和废旧铝料一同熔化，高熔点金属为Cu、Ni和V中的一种。需要说明的是，再生铝熔体中高熔点金属占比也较少，对再生铝熔体温度的影响也可以忽略不计。减少了传统熔炼中再生铝熔体的升温以溶解高熔点金属，同时减少后续降温除铁所带来的能耗增加。

可选地，Mn剂和高熔点金属的总质量与废旧铝料的质量相同。

示例性地，Mn剂中含有75～95wt％的Mn粉。例如，Mn剂含有75wt％、78wt％、80wt％、82wt％、85wt％、88wt％、90wt％、92wt％或95wt％的Mn粉。示例性地，Mn剂中除了含有Mn粉，余量为助熔剂和粘接剂。Mn剂中Mn粉含量较高，且可以直接购买，方便实用。

可选地，将混合物熔体与再生铝熔体混合后进行搅拌，能够保证Mn元素在再生铝合金中均匀分布。

(2)将再生铝熔体的温度调节至630～680℃并进行保温；保温后将再生铝熔体升温至700～720℃并加入B元素，B元素的质量为再生铝熔体质量的0.005～0.025％。示例性地，B元素的质量为再生铝熔体质量的0.005％、0.008％、0.010％、0.015％、0.020％或0.025％。

将再生铝熔体的温度调节至630～680℃，再生铝熔体在该较低温度条件下进行保温，促使初生富铁相在较大的过冷度下形核、长大，最后沉降以达到降铁的目的。示例性地，将再生铝熔体的温度调节至630℃、640℃、650℃、660℃、670℃或680℃进行保温。可选地，保温时间为10～20min，例如为10min、12min、15min、18min或20min。该保温时间能够更好地保证初生富铁相在充分的时间内形核、长大。

由于初生富铁相中的Mn/Fe质量比接近1～1.5，这导致了残留在再生铝熔体中的Mn/Fe质量比可能低于0.5，此时升温再进行浇铸，容易导致部分富铁相呈针片状，危害合金塑性。本申请实施例通过保温后将再生铝熔体升温至700～720℃并加入质量为再生铝熔体质量的0.005～0.025％的B元素，与Mn形成复合变质效应，形成均匀分布的汉字状富铁相，改善合金塑性。

可选地，B元素以Al-B中间合金的方式提供。Al-B中间合金不仅能够提供B，还能提供Al，不会给再生铝合金带来其他的杂质成分。

在一种可能的实施方案中，将再生铝熔体的温度调节至630～680℃的步骤中，通过加入低熔点金属以调节再生铝熔体的温度，低熔点金属选自Al-Si合金、Zn和Mg中的至少一种。

通过加入Al-Si合金、Zn和Mg的至少一种至再生铝熔体中，能够有效地降低再生铝熔体的温度，并且加入的这些低熔点金属不含有其他杂质元素，不会对再生铝合金的性能造成不利影响。可选地，可将再生铝熔体的温度调节至630℃、640℃、650℃、660℃、670℃或680℃。

进一步地，在一种可能的实施方案中，将再生铝熔体升温至700～720℃后补充硅元素和镁元素。

将再生铝熔体的温度调节至630～680℃进行保温的过程中，由于保温温度较低，再生铝熔体中的Si含量有一定程度降低，会降低再生铝熔体的流动性。本申请实例将再生铝熔体升温至700～720℃后补充硅元素和镁元素，确保合金成分符合设计要求和改善再生铝熔体的流动性。

需要说明的是，硅元素和镁元素可以与B元素同时加入，也可以一先一后加入，本申请实施例对其加入顺序不做限定。

另外，在补充硅元素和镁元素的过程中，也可以补充其他元素，补充的元素是根据合金成分设计要求来进行补充的，本申请实施例对其他元素的原辅材料的种类不做限定。

(3)加入的所有材料完全熔化后，用载有精炼剂的高纯氮气在线精炼再生铝熔体，静置25～40min后浇铸成锭，或注入保温炉直供铸造成型设备。

本申请实例的再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法，其能够降低再生铝中Fe的含量，且能促进残留富铁相的有益转变，提高再生铝的品质。

以下结合实施例对本申请的再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法，其包括：

(1)将经过余烟预热的废旧铝材、铸件及含铝废料投入熔炼炉中，升温至660℃，待再生铝料熔化后，打开熔炼炉出水口，铝熔体经流槽转移至沉降炉；搅拌再生铝熔体后从熔体底部、中部和表层各取一个样品，测得Fe和Mn的质量分数分别为1.2％和0.2％。

(2)根据Mn/Fe＝1.15计算所需的锰剂重量，将配好的锰剂、高熔点金属及与锰剂和高熔点金属的总质量等量的废旧铝置于入可倾倒式中频炉中熔化得到混合物熔体，随后将混合物熔体注入上述再生铝熔体中使得再生铝熔体中的Mn/Fe质量比为1.15。注入后搅拌熔体，确保Mn元素的均匀分布。

(3)对比实测成分及要求成分，加入Al-Si、Mg和Zn低熔点金属，以降低再生铝熔体的温度至635℃并保温10～20分钟。

(4)保温结束后，将再生铝熔体转移至精炼炉，取样测试再生铝熔体成分并升温至700℃。根据再生铝熔体实际成分与设计成分的差异，补充硅、镁原辅材料，并加入B质量为再生铝熔体质量0.005％的Al-B中间合金。

(5)原辅材料完全熔化后，用载有精炼剂的高纯氮气在线精炼熔体，静置25分钟后浇铸成锭。

实施例2

本实施例提供一种再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法，其包括：

(1)将经过余烟预热的废旧铝材、铸件及含铝废料投入熔炼炉中，升温至690℃，待再生铝料熔化后，打开熔炼炉出水口，铝熔体经流槽转移至沉降炉；搅拌再生铝熔体后从熔体底部、中部和表层各取一个样品，测得Fe和Mn的质量分数分别为2.4％和0.2％。

(2)根据Mn/Fe＝0.7计算所需的锰剂重量，将配好的锰剂、高熔点金属及与锰剂和高熔点金属的总质量等量的废旧铝置于入可倾倒式中频炉中熔化得到混合物熔体，随后将混合物熔体注入上述再生铝熔体中使得再生铝熔体中的Mn/Fe质量比为0.7。注入后搅拌熔体，确保Mn元素的均匀分布。

(3)对比实测成分及要求成分，加入Al-Si、Mg和Zn低熔点金属，以降低再生铝熔体的温度至660℃并保温10～20分钟。

(4)保温结束后，将再生铝熔体转移至精炼炉，取样测试再生铝熔体成分并升温至720℃。根据再生铝熔体实际成分与设计成分的差异，补充硅、镁等原辅材料，并加入B质量为再生铝熔体质量0.025％的Al-B中间合金。

(5)原辅材料完全熔化后，用载有精炼剂的高纯氮气在线精炼熔体，静置35分钟后浇铸成锭。

实施例3

本实施例提供一种再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法，其包括：

(1)将经过余烟预热的废旧铝材、铸件及含铝废料投入熔炼炉中，升温至675℃，待再生铝料熔化后，打开熔炼炉出水口，铝熔体经流槽转移至沉降炉；搅拌再生铝熔体后从熔体底部、中部和表层各取一个样品，测得Fe和Mn的质量分数分别为2.5％和0.2％。

(2)根据Mn/Fe＝0.9计算所需的锰剂重量，将配好的锰剂、高熔点金属及与锰剂和高熔点金属的总质量等量的废旧铝置于入可倾倒式中频炉中熔化得到混合物熔体，随后将混合物熔体注入上述再生铝熔体中使得再生铝熔体中的Mn/Fe质量比为0.9。注入后搅拌熔体，确保Mn元素的均匀分布。

(3)对比实测成分及要求成分，加入Al-Si、Mg和Zn低熔点金属，以降低再生铝熔体的温度至640℃并保温10～20分钟。

(4)保温结束后，将再生铝熔体转移至精炼炉，取样测试再生铝熔体成分并升温至710℃。根据再生铝熔体实际成分与设计成分的差异，补充硅、镁等原辅材料，并加入B质量为再生铝熔体质量0.015％的Al-B中间合金。

(5)原辅材料完全熔化后，用载有精炼剂的高纯氮气在线精炼熔体，静置30分钟后浇铸成锭。

实施例4

本实施例提供一种再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法，其包括：

(1)将经过余烟预热的废旧铝材、铸件及含铝废料投入熔炼炉中，升温至680℃，待再生铝料熔化后，打开熔炼炉出水口，铝熔体经流槽转移至沉降炉；搅拌再生铝熔体后从熔体底部、中部和表层各取一个样品，测得Fe和Mn的质量分数分别为1.8％和0.2％。

(2)根据Mn/Fe＝0.8计算所需的锰剂重量，将配好的锰剂、高熔点金属及与锰剂和高熔点金属的总质量等量的废旧铝置于入可倾倒式中频炉中熔化得到混合物熔体，随后将混合物熔体注入上述再生铝熔体中使得再生铝熔体中的Mn/Fe质量比为0.8。注入后搅拌熔体，确保Mn元素的均匀分布。

(3)对比实测成分及要求成分，加入Al-Si、Mg和Zn低熔点金属，以降低再生铝熔体的温度至650℃并保温10～20分钟。

(4)保温结束后，将再生铝熔体转移至精炼炉，取样测试再生铝熔体成分并升温至720℃。根据再生铝熔体实际成分与设计成分的差异，补充原辅材料，并加入B质量为再生铝熔体质量0.012％的Al-B中间合金。

(5)原辅材料完全熔化后，用载有精炼剂的高纯氮气在线精炼熔体，静置40分钟后浇铸成锭。

对比例1

对比例1提供一种再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法，其包括：

(1)将经过余烟预热的废旧铝材、铸件及含铝废料投入熔炼炉中，升温至660℃，待再生铝料熔化后，打开熔炼炉出水口，铝熔体经流槽转移至沉降炉；搅拌再生铝熔体后从熔体底部、中部和表层各取一个样品，测得Fe和Mn的质量分数分别为1.2％和0.2％。

(2)根据Mn/Fe＝1.15计算所需的锰剂重量，将配好的锰剂、高熔点金属及与锰剂和高熔点金属的总质量等量的废旧铝置于入可倾倒式中频炉中熔化得到混合物熔体，随后将混合物熔体注入上述再生铝熔体中使得再生铝熔体中的Mn/Fe质量比为1.15。注入后搅拌熔体，确保Mn元素的均匀分布。

(3)将再生铝熔体转移至精炼炉，取样测试再生铝熔体成分并升温至700℃。根据再生铝熔体实际成分与设计成分的差异，补充原辅材料，并加入B质量为再生铝熔体质量0.005％的Al-B中间合金。

(4)原辅材料完全熔化后，用载有精炼剂的高纯氮气在线精炼熔体，静置25分钟后浇铸成锭。

试验例1

对实施例1～4的步骤(5)中精炼后的再生铝熔体以及对比例1步骤(4)中精炼后的再生铝熔体中的Fe、Mn和B元素的含量进行检测，其结果记录在表1中。

表1.实施例1～4及对比例1降铁后各元素的含量及除铁效率

	Fe/(wt％)	Mn(wt％)	B(wt％)	除铁效率
					实施例1	0.51	0.43	0.04	57.5％
实施例2	0.85	0.49	0.023	64.6％
					实施例3	0.66	0.46	0.014	56.0％
实施例4	0.73	0.48	0.010	73.6％
					对比例1	1.17	1.35	0.024	2.50％

结果分析：从表1的结果可以看出，本申请实施例的再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法具有较高的除铁效率。将实施例1与对比例1进行对比发现，不经过低温保温，直接升温进行精炼的对比例1的除铁效率远远低于本申请实施例1的除铁效率。

试验例2

对实施例1的步骤(1)得到的再生铝熔体、实施例1步骤(5)精炼后的再生铝熔体和对比例1步骤(4)中精炼后的再生铝熔体进行检测，得到的金相图依次如图1、图2和图3所示。

结果分析：图1中含有针片状的富铁相，图2中主要为致密的汉字状富铁相，说明了本申请实施例的再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法能够有效地改善富铁相的类型，促进再生铝熔体残留富铁相的有益转变，提高再生铝的品质。另外，将图2和图3进行对比发现，虽然图3中也主要含有汉字状富铁相，但是图3中的富铁相体积分数远大于图2中的富铁相，同时致密性也不及图2中的富铁相，说明了对比例1的方法达到的降铁程度远远低于本申请实施例1的降铁程度。

以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法，其特征在于，包括：

在再生铝熔体中加入锰元素，使得所述再生铝熔体中的Mn/Fe质量比为0.6～1.2；所述再生铝熔体由再生铝加热至650～690℃得到；所述在再生铝熔体中加入锰元素的步骤包括：将Mn剂和废旧铝料一同熔化形成混合物熔体与所述再生铝熔体混合；

将所述再生铝熔体的温度调节至630～680℃并进行保温；保温后将再生铝熔体转移至精炼炉，并将所述再生铝熔体升温至700～720℃并加入B元素，所述B元素的质量为所述再生铝熔体质量的0.005～0.025％。

2.根据权利要求1所述的再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法，其特征在于，将所述再生铝熔体的温度调节至630～680℃的步骤中，通过加入低熔点金属以调节所述再生铝熔体的温度，所述低熔点金属选自Al-Si合金、Zn和Mg中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法，其特征在于，所述将Mn剂和废旧铝料一同熔化形成混合物熔体的步骤还包括：将高熔点金属与所述Mn剂和所述废旧铝料一同熔化，所述高熔点金属为Cu、Ni和V中的一种。

4.根据权利要求1所述的再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法，其特征在于，所述Mn剂中含有75～95wt％的Mn粉。

5.根据权利要求1所述的再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法，其特征在于，所述再生铝中的含铁量大于0.9wt％。

6.根据权利要求1～5任一项所述的再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法，其特征在于，保温时间为10～20min。

7.根据权利要求1～5任一项所述的再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法，其特征在于，将所述再生铝熔体升温至700～720℃后补充硅元素和镁元素。

8.根据权利要求1～5任一项所述的再生铝中富铁相形貌改善和降铁的方法，其特征在于，所述B元素以Al-B中间合金的方式提供。

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