CN113373319B - 一种铝及铝熔体绿色除碱金属的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝及铝熔体绿色除碱金属的方法，该方法包括下述步骤：S1、将高纯氧气与惰性气体按比例进行混合形成混合气体。S2、将步骤S1中混合气体通入熔炉或精炼设备内，并进行充分混合，以形成弥散混合气。S3、扩散在铝熔体中的氧与铝熔体中的碱金属产生氧化反应，伴随气泡上浮到铝液面上，达到去除目的。本发明采用高纯度氧和惰性气体形成混合气体，并经过精炼设备搅拌形成弥散混合气，将弥散混合气引入铝熔体内，能直接在线去除铝及铝熔体中的碱金属，实现铝熔体中碱金属含量＜5ppm。反应产物及铝渣无氟无氯，绿色环保，除满足生产高端铝材对高品质铝熔体的净化处理要求外，同时避免目前多数企业采用的含氟、氯除碱金属的技术存在的环保问题。

Description

一种铝及铝熔体绿色除碱金属的方法

技术领域

本发明涉及铝熔体净化处理技术领域，尤其涉及一种铝及铝熔体绿色除碱金属的方法。

背景技术

电解铝生产时使用了大量含钠、锂、钙元素的原材料，使得电解铝熔体中难免含有大量的钠、锂、钙等碱金属和碱土金属元素，上述碱金属或碱土金属的含量高达40-80ppm，即便企业采用常规的生产过程处理，然而碱金属或碱土金属含量仍然可达20ppm以上，那么含量为20ppm以上的碱金属元素仍保留在原铝锭内，并遗传到后续的铝加工产品内。以铝合金为例，若铝合金内碱金属Ca≥7ppm，Na≥3ppmL的含量时，钠等碱金属含量高会导致铝合金铸造过程易产生拉裂，挤压、轧制或锻造时产品易开裂，降低了后续铝合金产品的加工性能，使铝熔铸、压铸等行业不得不花费大量精力去除铝及铝合金内的碱金属。

目前，针对铝合金材料制备过程中除碱金属的技术多为采用含氟、氯的盐或气体作为精炼剂，通过喷射含有氯氟的化学品熔剂精炼或氮氯或者氩氯混合气体或四氯化碳吹入的方法将含氟、氯的精炼介质以惰性气体为介质，引入铝熔体中，使之与碱金属反应，进而做到去除碱金属的效果。但是，除碱金属过程中的含氯尾气及含氟废渣，对人体、设备、厂房、大气、土壤等造成严重危害，成为环境污染的重要因素。随着铝渣成为固废、含氟铝灰成为危废，铝加工行业必须改变现有含氟、氯的除碱金属精炼方法。

为了攻克铝及铝合金在线除碱金属技术瓶颈，有效降低熔铸前的铝熔体碱金属含量的同时能够绿色环保地生产高品质铝合金铸锭以满足高精尖铝合金加工性能要求，是实现产品结构优化升级的关键。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种铝及铝熔体绿色除碱金属的方法，其解决了熔铸前的铝熔体碱金属含量的高以及除碱金属过程中的含氯尾气及含氟废渣，对人体、设备、厂房、大气、土壤等造成严重危害的技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种铝及铝熔体绿色除碱金属的方法，该方法包括下述步骤：

S1、将高纯氧气与惰性气体按比例进行混合形成混合气体；

在所述步骤S1中，所述高纯氧气的纯度不小于99.99％，所述惰性气体为氮气或氩气，所述惰性气体的纯度不小于99.99％；

S2、将步骤S1中所述混合气体通入熔炉或精炼设备内，并进行充分混合，使步骤S1中的混合气体形成分散开的微小气泡，以形成弥散混合气；

S3、将步骤S2中所述弥散混合气进入铝熔体中，并在铝熔体中均匀地扩散，所述铝熔体的碱金属与所述弥散混合气体中的氧发生氧化反应，以形成氧化物，浮出铝熔体表面。

可选地，在所述步骤S1中，所述高纯氧气与所述惰性气体按体积比例混合；

其中，所述步骤S1中所述混合气体的所述高纯氧气在所述混合气体的体积含量为1％-20％。

可选地，所述高纯氧气的体积含量根据所述铝熔体中碱金属的含量分级设定，且所述高纯氧气的体积含量在1％-20％之间调节。

可选地，所述铝熔体中的碱金属含量在20ppm以上时高纯氧气含量为15％-20％；铝熔体中的碱金属含量在10ppm-20ppm时高纯氧气含量为5％-15％；铝熔体中的碱金属含量在10ppm以下时氧气含量1％-5％。

可选地，在步骤S1中，所述高纯氧气与所述惰性气体在干燥的压力容器罐内进行按体积比例混合。

可选地，所述压力容器罐与所述步骤S2中的所述熔炉或精炼设备通过管路相连通。

可选地，所述管路上安装有单向阀。

可选地，所述步骤S2中，所述精炼设备为坩埚除气机。

可选地，所述精炼设备通过其转子对所述步骤S1中的混合气体进行高速切割、离心得到弥散混合气体。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：一种铝及铝熔体绿色除碱金属的方法，采用高纯度氧和惰性气体形成混合气体，并经过精炼设备搅拌形成弥散混合气，将弥散混合气引入铝熔体内，能直接在线去除铝及铝熔体中的碱金属，可实现铝熔体中碱金属含量＜5ppm。而且，反应产物及铝渣无氟无氯，绿色环保，除满足生产高端铝材对高品质铝熔体的净化处理要求外，同时可避免目前多数企业采用的含氟、氯除碱金属的技术存在的环保问题。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本发明实施例提出的一种铝及铝熔体绿色除碱金属的方法，该方法包括下述步骤：

S1、将高纯氧气与惰性气体按比例进行充分混合形成混合气体；

S2、将步骤S1中所述混合气体通入熔炉或精炼设备内，并通过搅拌进行充分混合，以形成弥散混合气；

S3、将步骤S2中所述弥散混合气进入铝熔体中，并在铝熔体充分搅拌中扩散，所述铝熔体的碱金属与所述弥散混合气体中的氧发生氧化反应，以形成氧化物，浮出铝熔体表面。

本发明首先向熔融铝熔体，也就是铝熔体中通入混合完全的混合气体即高纯氧气和惰性气体的混合气体。其中，所述高纯氧气纯度不小于99.99％，惰性气体为氮气或氩气，惰性气体纯度不小于99.99％。利用铝溶液内碱金属的高还原性、氧气的强氧化性，使两者发生氧化还原反应，从而使碱金属从铝熔体中除去。

需要说明的是，高纯氧气活性极高，具有强氧化性。碱金属或碱土金属的还原性极强，远高于铝的还原性。因此，在将高纯氧气与惰性气体的混合气体通入到铝熔体中时，该混合气体极易优先与碱金属或碱土金属发生反应，进而起到去除铝熔体中的碱金属或碱土金属的目的。采用惰性气体如氩气、氮气或氖气作为载体，使高纯氧气与铝熔体的分散性更好，进而使得高纯氧气更好的捕捉到比铝熔体中的铝元素更为活泼的钠元素、钙元素等碱金属或碱土金属，以形成氧化物，浮出铝熔体表面，达到了去除碱金属的目的。在确保更好的降低铝元素烧损的同时大大增加了去除碱金属的效果。

进一步地，惰性气体与高纯氧气的流量分别可调。所述步骤1所述混合气体中所述高纯氧气的体积含量为1％-20％。所述高纯氧气的含量为根据除碱处理之前检测的铝熔体中碱金属的含量分级设定。所述高纯氧气的体积含量在1％-20％之间任意调节。

具体地，铝熔体中的碱金属含量在20ppm以上时高纯氧气含量为15％-20％；铝熔体中的碱金属含量在10-20ppm时高纯氧气含量为5％-15％；铝熔体中的碱金属含量在10ppm以下时氧气含量1％-5％。即碱金属在铝熔体的含量越低，所需的高纯氧气含量越低。

进一步地，高纯氧气与惰性气体含量设定的同时将混后得到的混合气体通入精炼设备中。具体地，所述熔炉、精炼设备或除气装置在制备弥散混合气时，采用侧壁搅拌除气机、流槽式转子除气机、在线箱式除气机或坩埚除气机等来实现。所述熔炉、精炼设备或除气装置配置有透气砖、T型不锈钢精炼管、耐高温金属或非金属管、石墨转子等功能元件，通过所述的功能元件能够形成弥散混合气体。

需要说明的是，高纯氧气含量是指高纯氧气占步骤S1中混合气体的体积含量。

具体地，除气机转子，通过其转子对所述步骤S1中的混合气体进行的高速切割、离心，得到弥散混合气体。使步骤S1中的混合气体形成分散开的微小气泡，即弥散混合气体，均匀地扩散到铝熔体中。需要说明的是，气泡的直径小于等于3mm。将铝熔体中的碱金属或碱土金属(钠、锂、钙等微量元素)与扩散在铝熔体中的高纯氧气发生氧化反应，并产生氧化物，该氧化物伴随气泡上浮到铝熔体的表面上，达到有效去除碱金属的目的。

进一步地，通气过程若能保持铝熔体处于运动状态，其除碱金属效果更佳，所述混合气体的通气量是根据的铝熔体中碱金属含量而定。

需要说明的是，通气过程具体指将步骤S2中混合气体由熔炉或精炼设备搅拌所形成的弥散混合气引入铝熔体中的过程。

进一步地，在步骤S1中，所述高纯氧气与所述惰性气体在干燥的压力容器罐内进行混合。

进一步地，为了保证铝熔体与惰性气体和高纯氧气充分接触，本发明进一步优化，使高纯氧气与高纯惰性气体在压力容器罐内进行彻底混合，然后再通入到熔炉或精炼设备内，引入铝熔体中，以去除熔体中的碱金属。在步骤S1中，所述高纯氧气与所述惰性气体在干燥的压力容器罐内进行按体积比例混合。压力容器罐与熔炉或精炼设备通过临时软管或固定管路相连通，所述软管或固定管路上安装有高精度单向阀，以使精炼气体流量精准可控的通入铝熔体中。

需要说明的是，步骤S1中高纯氧气-惰性气体形成的混合气体，通入步骤S2中精炼设备内搅拌形成弥散混合气，用以除碱金属的方法可用于电解铝槽内、铝加工熔炼炉和保温炉内、在线流槽、转炉浇包内、熔铝坩埚内的铝及铝熔体去除碱金属。

需要说明的是，对于含镁的铝合金，最好在加镁之前先进行除碱金属(若铝熔体碱金属超标)，以减少镁的氧化烧损。

需要说明的是，一种铝及铝熔体绿色除碱金属的方法步骤S1中混合气体为高纯氧气和高纯惰性气体，尾气及反应产物、铝渣等均无氟无氯，对环境友好，不会有环保压力，属于新型绿色环保工艺方法的应用。

本发明提供的一种铝及铝熔体绿色除碱金属的方法，采用高纯度氧和惰性气体形成混合气体，并经过精炼设备搅拌形成弥散混合气，将弥散混合气引入铝熔体内，能直接在线去除铝及铝熔体中的碱金属，可实现铝熔体中碱金属含量＜5ppm。而且，反应产物及铝渣无氟无氯，绿色环保，除满足生产高端铝材对高品质铝熔体的净化处理要求，同时可避免目前多数企业采用的含氟、氯除碱金属的技术存在的环保问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例1

本实施例提供一种铝及铝熔体绿色除碱金属的方法，包括如下步骤：

S1、将高纯氧气与惰性气体按比例进行混合形成混合气体；

S2、将步骤S1中所述混合气体通入熔炉或精炼设备内，并进行充分混合，以形成弥散混合气；

S3、将步骤S2中所述弥散混合气进入铝熔体中，并在铝熔体中扩散，所述铝熔体的碱金属与所述弥散混合气体中的氧发生氧化反应，以形成氧化物，浮出铝熔体表面。

15吨熔炼炉熔化A3105铝合金，取样分析，采用直读光谱仪检测到其熔体中碱金属总含量为20ppm，使用精炼管向熔炼炉内通入含量为20％氧气的氮氧混合气体，其中混合气体在通入的过程中需经过熔炉或精炼设备搅拌形成弥散混合气。连续通气精炼20分钟后，再次取样检测，其碱金属含量降低至4ppm。

实施例2

S1、将高纯氧气与惰性气体按比例进行混合形成混合气体；

S2、将步骤S1中所述混合气体通入熔炉或精炼设备内，并进行充分混合，以形成弥散混合气；

S3、将步骤S2中所述弥散混合气进入铝熔体中，并在铝熔体中扩散，所述铝熔体的碱金属与所述弥散混合气体中的氧发生氧化反应，以形成氧化物，浮出铝熔体表面。

带侧壁搅拌的15吨熔炼炉熔化A3105铝合金，取样分析，采用直读光谱仪检测到其熔体中碱金属总含量为15ppm，向侧壁搅拌精炼设备中通入含量为10％氧气的氮氧混合气体，其中混合气体在通入的过程中需经过熔炉或精炼设备搅拌形成弥散混合气。连续通气精炼20分钟后，再次取样检测，其碱金属含量降低至3.8ppm。

实施例3

S1、将高纯氧气与惰性气体按比例进行混合形成混合气体；

S2、将步骤S1中所述混合气体通入熔炉或精炼设备内，并进行充分混合，以形成弥散混合气；

S3、将步骤S2中所述弥散混合气进入铝熔体中，并在铝熔体中扩散，所述铝熔体的碱金属与所述弥散混合气体中的氧发生氧化反应，以形成氧化物，浮出铝熔体表面。

使用带有10个炉床透气塞的50吨熔炼炉熔炼A5052铝合金，取样分析，采用直读光谱仪检测到其碱金属含量为16ppm，通过透气塞向炉内铝熔体中通入含5％氧气的氮氧混合气体，其中混合气体在通入的过程中需经过熔炉或精炼设备搅拌形成弥散混合气。连续通气精炼20分钟后，取样检测，其碱金属含量降低至2.3ppm。

实施例4

S1、将高纯氧气与惰性气体按比例进行混合形成混合气体；

S2、将步骤S1中所述混合气体通入熔炉或精炼设备内，并进行充分混合，以形成弥散混合气；

S3、将步骤S2中所述弥散混合气进入铝熔体中，并在铝熔体中扩散，所述铝熔体的碱金属与所述弥散混合气体中的氧发生氧化反应，以形成氧化物，浮出铝熔体表面。

带10个炉床透气塞的50吨熔炼炉熔炼A5052铝合金，取样分析，采用直读光谱仪检测到其碱金属含量为20ppm，通过透气塞向炉内铝熔体中通入含15％氧气的氮氧混合气体，其中混合气体在通入的过程中需经过熔炉或精炼设备搅拌形成弥散混合气，取样检测，其碱金属含量降低至3.4ppm。

实施例5

S1、将高纯氧气与惰性气体按比例进行混合形成混合气体；

S2、将步骤S1中所述混合气体通入熔炉或精炼设备内，并进行充分混合，以形成弥散混合气；

S3、将步骤S2中所述弥散混合气进入铝熔体中，并在铝熔体中扩散，所述铝熔体的碱金属与所述弥散混合气体中的氧发生氧化反应，以形成氧化物，浮出铝熔体表面。

带10个炉床透气塞的50吨熔炼炉熔炼A5052铝合金，取样分析，采用直读光谱仪检测到其碱金属含量为9ppm，通过透气塞向炉内铝熔体中通入含3％氧气的氮氧混合气体，其中混合气体在通入的过程中需经过熔炉或精炼设备搅拌形成弥散混合气，取样检测，其碱金属含量降低至1.8ppm。

综上实施例所述，本发明采取氮氧混合气去除碱金属工艺方法，能直接快速地在线去除铝熔体中的碱金属，可实现铝熔体的碱金属含量<5ppm，反应产物及铝渣无氟无氯，环保无污染。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种铝及铝熔体绿色除碱金属的方法，该方法包括下述步骤：

S1、将高纯氧气与惰性气体按比例进行混合形成混合气体；

在所述步骤S1中，所述高纯氧气的纯度不小于99.99%，所述惰性气体为氮气或氩气，所述惰性气体的纯度不小于99.99%；

S2、将步骤S1中所述混合气体通入精炼设备内，并进行充分混合，使步骤S1中的混合气体形成分散开的微小气泡，以形成弥散混合气；

所述精炼设备采用侧壁搅拌除气机、流槽式转子除气机、在线箱式除气机或坩埚除气机的一种或多种；

S3、将步骤S2中所述弥散混合气进入铝熔体中，并在铝熔体中均匀地扩散，所述铝熔体的碱金属与弥散混合气体中的氧发生氧化反应，以形成氧化物，浮出铝熔体表面；

在所述步骤S1中，所述高纯氧气与所述惰性气体按体积比例混合；

其中，所述步骤S1中所述混合气体的所述高纯氧气在所述混合气体的体积含量为1%-20%。

2.如权利要求1所述的铝及铝熔体绿色除碱金属的方法，其特征在于：所述高纯氧气的体积含量根据铝熔体中碱金属的含量分级设定，且所述高纯氧气的体积含量在1%-20%之间调节。

3.如权利要求2所述的铝及铝熔体绿色除碱金属的方法，其特征在于：所述铝熔体中的碱金属含量在20ppm以上时高纯氧气含量为15%-20%；铝熔体中的碱金属含量在10ppm-20ppm时高纯氧气含量为5%-15%；铝熔体中的碱金属含量在10ppm以下时氧气含量1%-5%。

4.如权利要求1所述的铝及铝熔体绿色除碱金属的方法，其特征在于：在步骤S1中，所述高纯氧气与所述惰性气体在干燥的压力容器罐内进行按体积比例混合。

5.如权利要求4所述的铝及铝熔体绿色除碱金属的方法，其特征在于：所述压力容器罐与所述步骤S2中的所述精炼设备通过管路相连通。

6.如权利要求5所述的铝及铝熔体绿色除碱金属的方法，其特征在于：所述管路上安装有单向阀。

7.如权利要求1所述的铝及铝熔体绿色除碱金属的方法，其特征在于：所述精炼设备通过其转子对所述步骤S1中的混合气体进行高速切割、离心得到弥散混合气体。