CN117887994A - 一种高效环保的铝合金精炼剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高效环保的铝合金精炼剂及其制备方法，所述铝合金精炼剂由以下质量百分比的成分组成：ZnCl2 40‑50％，K2CO3 20‑30％，NaNO35‑10％，KF 8‑13％，K2SO4 5‑8％，Li2SO4 3‑5％。所述制备方法包括按精炼剂的成分组成和质量百分比进行配料，在惰性气体保护下将原材料加热熔化，然后冷却凝固成块体精炼剂，最后将块体精炼剂粉粹成粉末，得到所述高效环保的铝合金精炼剂。本发明克服了传统铝合金精炼剂存在的除气除杂效率低、烟气排放量大、渣铝分离效果差等问题，铝合金精炼剂具有更高的除气除杂效率，可以显著降低铝合金液的气渣含量，提高铝合金产品的洁净度和性能，减少了烟气和渣的排放量，使用更环保。
Description
技术领域
本发明属于铝合金精炼剂制备技术领域，具体是涉及一种高效环保的铝合金精炼剂及其制备方法。
背景技术
气孔和夹杂是铝合金中常见的缺陷，会割裂铝合金基体，破坏铝合金的组织连续性，造成铝合金内部的局部应力集中，成为铝合金断裂的裂纹源和裂纹扩展方法，降低铝合金的力学性能、导电导热性能和耐腐蚀性能等。因此，在铝合金的熔炼铸造过程中必须对铝合金液进行除气除杂处理，降低铝合金液的气渣含量。采用精炼剂对铝合金液进行精炼处理是目前最常用的除气除杂方法，而精炼剂的除气除杂效率将直接决定精炼后铝合金液的气渣含量。
公开号为CN104388730A的中国专利申请公开了一种铝合金用高效精炼剂及其制备方法，精炼剂由以下质量份数的各组分组成：NaCl 30-35份、KCl 25-28份、Na3AlF6 8-10份、Na2CO3 3-5份、NaF 2-5份、Na2SO4 2-5份、CaS2-3份。该精炼剂的除气除杂效果较好，可以使铝合金熔体中的氢含量更低，能更有效地降低金属的烧损。
公开号为CN102041396A的中国专利申请公开了一种铝及铝合金用精炼剂的制备方法，精炼剂由以下质量百分比的配料组成：NaCl 30-85％、Na2SiF65-40％、Na2SO45-40％、CaF2 2-20％、C6Cl6 0.5-10％。该精炼剂解决了铝灰含有钾盐严重腐蚀铝电解槽而使铝灰不能回槽利用的问题。
公开号为CN102286667A的中国专利申请公开了一种铝及铝合金用无钠精炼剂及其生产方法，精炼剂由以下质量百分比的组分组成：氟铝酸钾15-25％、氟化钙5-15％、碳酸钾10-25％、硫酸钾10-25％、硫酸钡5-15％、氯化钾15-30％、无水氯化铝3-5％。该精炼剂解决了含钠精炼剂影响铝合金锑变质、磷变质效果及高镁铝合金质量不足的问题。
公开号为CN111575519A的中国专利申请公开了一种低成本高效环保氯盐双络合铝合金精炼剂及其制备方法，包括如下重量百分含量的组分：碳酸镁3-10％，氟化钙3-5％，六氟铝酸钾3-5％，冰晶石和氟化铝20-30％，自然光卤石50-70％，以上各组分的质量百分含量之和为100％。该精炼剂解决了现有氯盐铝合金精炼剂在精炼过程中除气除渣效果不理想、且成本高的问题。
公开号为CN105316513A的中国专利申请公开了一种含铈钇铒的铝合金无钠精炼剂，精炼剂包括A料和B料，其中，A料包括以下重量份的原料：KCl 50-60份，K2CO3 20-25份，MgCl2 10-15份，AlF3 30-35份，氟铝酸钾10-12份，CaF2 5-10份，石墨粉5-10份，轻质碳酸钙15-25份；所述B料由C2Cl6、TiO2与金属按重量比5:1.5-2:1-1.5组成，所述金属为包含Mn、Ce、Y和Er的混合金属；A料和B料配合使用，重量比为2～3:1。该精炼剂解决了钠脆问题。
公开号为CN109207770A的中国专利申请公开了一种铝及铝合金熔炼精炼剂及其制备方法，包括以下组份：NaCl 40-60份、CaS12-18份、A1F3 8-16份、MgF2 4-8份、Mg2N3 8-15份、Na3A1F6 3-11份、Na2SiF6 4-8份、C2Cl6 0.5-1.0份、石墨15-25份、泥炭土10-20份、DyF3 2-6份、CeF3 2-8份。该精炼剂解决了现有技术中精炼剂的除气除渣效果差、对容器破坏力大的问题。
从文献资料检索和生产实践结果来看，现有铝合金精炼剂仍然存在以下一种或多种问题：(1)铝合金精炼剂的除气除杂效率仍然偏低，导致精炼后铝合金液的气渣含量高，难以满足高档铝材的生产需求。(2)铝合金精炼剂普遍含有大量的氟盐和六氯乙烷等，导致精炼过程产大量的氟化氢等刺激性难闻的气体和烟雾，污染环境，危害工人健康。(3)铝合金精炼剂普遍含有大量的钠盐，导致精炼后铝合金的钠含量超标，增加了铝合金因钠脆引起的失效风险。(4)精炼后的渣铝分离效果差，精炼时铝的氧化烧损大，增加了铝的损耗和铝渣的处理难度等。因此，现有铝合金精炼剂及其制备方法仍有待改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种高效环保的铝合金精炼剂及其制备方法，通过优化精炼剂的成分组成和制备方法，提高铝合金精炼剂的除气除杂效率，减少精炼时刺激性烟气的排放。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述高效环保的铝合金精炼剂，其特点是，由以下质量百分比的成分组成：ZnCl2 40-50％，K2CO3 20-30％，NaNO3 5-10％，KF 8-13％，K2SO4 5-8％，Li2SO4 3-5％。
其中，ZnCl2是精炼剂的主要成分，ZnCl2的熔点约为290℃，其熔点低于铝合金液的温度，当含有ZnCl2的精炼剂加入到铝合金液中后，ZnCl2分解成Zn和Cl2，Cl2气泡在铝合金液上浮过程中，将铝合金液中的氢气和夹杂物捕获带出铝合金液，起到除气除杂效果，而Zn元素留在铝合金中还可以起到强化作用，提高铝合金强度。另外，传统精炼剂都是以NaCl等钠盐为主要成分，这也是采用传统精炼剂对铝合金液进行精炼，导致铝合金中钠含量超标的主要原因。本发明以ZnCl2作为精炼剂的主要成分，可有效避免精炼后导致铝合金的钠含量超标。
K2CO3的作用是进一步增强精炼剂的除气除杂效果。K2CO3的熔点为891℃，虽然K2CO3的熔点较高，当K2CO3与KF形成KF·K2CO3共晶体后，KF·K2CO3共晶体的熔点仅为688℃，当含有KF·K2CO3共晶体的精炼剂加入到铝合金液中后，K2CO3分解出CO2，CO2属于无毒无味的气体，在CO2气泡浮出铝合金液过程中，可捕获带出铝合金液中的氢气和夹杂物，从而起到除气除杂作用。
精炼剂中加入少量NaNO3的作用是增强除气除杂效果。NaNO3的熔点为306.8℃，分解温度仅为380℃，具有熔点低和分解温度低的优点，当含有NaNO3的精炼剂加入到700-750℃的铝合金液中，NaNO3能快速熔解于铝合金液中并分解出大量N2、CO2和NO气体，其中N2和CO2都属于无毒无味的气体，当N2、CO2和NO气泡浮出铝合金液过程中，可捕获带出铝合金液中的氢气和夹杂物，起到显著的除气除杂作用。
精炼剂中加入少量K2SO4和Li2SO4，主要作用是增强渣铝分离效果，以便减少铝的损耗和渣的含量。K2SO4的熔点为1069℃，Li2SO4的熔点为859℃，虽然K2SO4和Li2SO4的熔点较高，但K2SO4和Li2SO4形成K2SO4·Li2SO4共晶体时，K2SO4·Li2SO4共晶体的熔点下降至716℃，当含有K2SO4·Li2SO4共晶体的精炼剂加入到700-750℃的铝合金液中，K2SO4·Li2SO4共晶体迅速熔解成液态熔盐，K2SO4和Li2SO4液态熔盐对氧化铝等夹杂物具有很好的润湿球化作用，可促进夹杂物与铝液的分离，有利于排渣。
本发明所述铝合金精炼剂的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
步骤一：按所述铝合金精炼剂的成分组成和质量百分比，选用ZnCl2、K2CO3、NaNO3、KF、K2SO4、Li2SO4为原材料进行配料；
步骤二：在惰性气体保护下将原材料加热熔化，然后冷却凝固成块体精炼剂；
步骤三：将块体精炼剂粉粹成粉末，得到所述高效环保的铝合金精炼剂。
其中，步骤一中所述原材料可以是工业产品或工业副产品，为了确保精炼剂的除气除杂效果，要求原材料具有较高的纯度，不要含有太多杂质和水分。但原材料的纯度过高也会增加精炼剂的生产成本。作为优选地，步骤一中所述ZnCl2、K2CO3、NaNO3、KF、K2SO4、Li2SO4的纯度≥99.8％。
传统铝合金精炼剂都是采用原材料直接粉粹混合而成，使得精炼剂的熔点高，未能充分发挥原材料之间的相互作用，这也是传统铝合金精炼剂除气除杂效率低的重要原因。另外，传统铝合金精炼剂由于组成物的熔点高，使精炼时铝合金液的温度高，导致铝的氧化烧损高。本发明经过大量实验研究发现，虽然K2CO3、KF、K2SO4、Li2SO4的熔点较高，但将原材料重新加热熔化，冷却凝固后，K2CO3与KF可形成熔点仅为688℃的KF·K2CO3共晶体，K2SO4和Li2SO4可形成熔点仅为716℃的K2SO4·Li2SO4共晶体，精炼剂的熔点大幅降低，熔点低有利于精炼剂快速熔解于铝合金液中，使精炼剂的组成物更好地与铝合金液发生物理化学反应，除去铝合金液中的氢气和夹杂物，同时也有利于降低精炼时铝合金液的温度，减少铝的氧化烧损。
所述步骤二中，为了防止原材料加热过程的氧化和挥发，因而需要在惰性气体保护下进行加热。作为优选地，步骤二中所述惰性气体为纯度≥99.99％的氩气或氮气。
所述步骤二中，原材料的加热的温度不能太低，时间不能太短，否则无法完全熔化原材料。加热温度也不宜太高，时间也不宜太长，否则能耗太大，会增加生产成本。作为优选地，步骤二中加热温度为1150-1200℃，加热时间为0.5-1小时，可以确保原材料完全熔化。
所述步骤三中，由于目前常用的精炼操作是采取喷粉精炼，因而需要精炼剂的粒径不能太大，粒径太大，不仅不利于喷粉，也不利于发挥精炼剂的作用。作为优选地，步骤三中所述粉末的粒径≤2毫米。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明铝合金精炼剂具有更高的除气除杂效率，在铝合金液加入0.2％的精炼剂，除氢率可达60％，除杂率可达55％以上，可显著降低铝合金液中的气渣含量；
(2)本发明铝合金精炼剂中不含六氯乙烷，只含少量的氟盐，因而减少了氟化氢等刺激性难闻的气体和烟雾的排放，使用更加环保；
(3)本发明铝合金精炼剂中只含少量的钠盐，可以避免精炼后导致铝合金的钠含量超标，减少了铝合金因钠脆引起的失效风险。
(4)本发明铝合金精炼剂具有更低的熔点和更好的渣铝分离效果，可以降低精炼时铝合金液的温度，减少了铝的氧化烧损和铝渣的排放量。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
实施例1：
铝合金精炼剂由以下质量百分比的成分组成：ZnCl2 48.4％，K2CO3 23.8％，NaNO37.3％，KF 9.2％，K2SO4 6.5％，Li2SO4 4.8％。其制备方法依次包括以下步骤：步骤一：按所述铝合金精炼剂的成分组成和质量百分比，选用纯度99.9％的ZnCl2、K2CO3、NaNO3、KF、K2SO4、Li2SO4为原材料进行配料；步骤二：在纯度99.99％的氩气保护下，将原材料在1150℃加热1小时，然后冷却凝固成块体精炼剂；步骤三：将块体精炼剂粉粹成粒径≤2毫米的粉末，得到高效环保的铝合金精炼剂。
实施例2：
铝合金精炼剂由以下质量百分比的成分组成：ZnCl2 40.3％，K2CO3 29.7％，NaNO39.4％，KF 12.4％，K2SO4 5.1％，Li2SO4 3.1％。其制备方法依次包括以下步骤：步骤一：按所述铝合金精炼剂的成分组成和质量百分比，选用纯度99.8％的ZnCl2、K2CO3、NaNO3、KF、K2SO4、Li2SO4为原材料进行配料；步骤二：在纯度99.99％的氮气保护下，将原材料在1180℃加热1小时，然后冷却凝固成块体精炼剂；步骤三：将块体精炼剂粉粹成粒径≤2毫米的粉末，得到高效环保的铝合金精炼剂。
实施例3：
铝合金精炼剂由以下质量百分比的成分组成：ZnCl2 49.7％，K2CO3 20.2％，NaNO39.7％，KF 8.2％，K2SO4 7.3％，Li2SO4 4.9％。其制备方法依次包括以下步骤：步骤一：按所述铝合金精炼剂的成分组成和质量百分比，选用纯度99.8％的ZnCl2、K2CO3、NaNO3、KF、K2SO4、Li2SO4为原材料进行配料；步骤二：在纯度99.99％的氩气保护下，将原材料在1200℃加热0.5小时，然后冷却凝固成块体精炼剂；步骤三：将块体精炼剂粉粹成粒径≤2毫米的粉末，得到高效环保的铝合金精炼剂。
对比例1：
铝合金精炼剂由以下质量百分比的成分组成：ZnCl2 48.4％，K2CO3 23.8％，NaNO37.3％，KF 9.2％，K2SO4 6.5％，Li2SO4 4.8％。其制备方法是将纯度99.9％的ZnCl2、K2CO3、NaNO3、KF、K2SO4、Li2SO4直接粉粹成粒径≤2毫米的粉末混合得到。
对比例2：
目前市售铝合金精炼剂由以下质量百分比的成分组成：NaCl 26.1％，Na2SiF610.6％，Na2SO417.1％，CaF2 6.9％，C6Cl6 9.3％，Na2S2O3 14.3％，NaF 15.7％。其制备方法是将原材料NaCl、Na2SiF6、Na2SO4、CaF2、C6Cl6、Na2S2O3、NaF直接粉碎成粒径≤2毫米的粉末后混合得到。
验证例1：
采用OXFORD-DSC500型差式扫描量热仪分别检测实施例1、对比例1和对比例2铝合金精炼剂的熔点，结果如表1所示。从表1可看到，实施例1铝合金精炼剂的熔化起始温度为290℃，熔化结束温度仅为716℃。对比例1铝合金精炼剂的成分组成与实施例1铝合金精炼剂的成分组成相同，但制备方法是将原材料直接粉碎混合而成，虽然熔化起始温度为290℃，但熔化结束温度则高达1069℃。对比例3为市售铝合金精炼剂，熔化起始温度为564℃，熔化结束温度为1249℃。通过比较可以看到，本发明实实施例铝合金精炼剂具有更低的熔化起始温度和熔化结束温度，表面本发明铝合金精炼剂不仅会更容易熔解于铝合金液，也有利于降低铝合金液的精炼温度，减少铝液的氧化烧损。
表1实施例1、对比例1和对比例2铝合金精炼剂的熔点
| 实施例1 | 对比例1 | 对比例2 | |
| 熔化起始温度/℃ | 290 | 290 | 564 |
| 熔化结束温度/℃ | 716 | 1069 | 1249 |
验证例2：
将实施例1-3和对比例1-2的铝合金精炼剂在相同条件下对常用的6063铝合金液进行精炼除气除杂，铝合金液重量为18吨，铝合金液温度为720℃，精炼剂加入量为0.2％，实验过程中记录精炼剂的使用情况，包括铝合金液的燃烧情况、排烟量、烟气味、渣铝分离情况、铝渣粘稠状况，最后将渣收集进行称量，渣重量越小，代表渣铝分离效果越好，结果如表2所示。从表2可看到，实施例1-3精炼剂精炼时烟气不刺鼻，烟气排放量小，精炼时铝液燃烧轻微，渣铝分离容易，铝渣松散，渣量少。对比例1的精炼剂渣铝分离效果略差，渣量略多。而对比例2所用的市售精炼剂，精炼时烟气刺鼻，排放量大，铝液燃烧严重，渣铝分离难，渣粘稠，渣量也大。通过比较可以看到，本发明铝合金精炼剂使用时更加环保，渣铝分离效果更容易，有利于减少铝的损耗和渣的排放量。
表2铝合金精炼剂的精炼效果对比情况
采用HDA-V测氢仪和Analyze PoDFA测渣仪现场检测精炼前后铝合金液的含氢量和含渣量，将精炼前铝合金液的含氢量、含渣量分别减去精炼后铝合金液的含氢量、含渣量，再除以精炼前铝合金液的含氢量、含渣量，得到精炼剂的除气率和除杂率，结果如表3和表4所示。从表3和表4可看到，实施例1-3精炼剂的除气率达到60％以上，除杂率达到55％以上，而对比例1精炼剂的除气率为54.7％，除杂率为49.5％，对比例2市售精炼剂的除气率只有46.4％，除杂率只有42.8％，通过比较可以看到，本发明铝合金精炼剂具有更高的除气除杂效率。
表3精炼前后铝合金液的含氢量和除气率
表4精炼前后铝合金液的含渣量和除杂率
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。
Claims (6)
1.一种高效环保的铝合金精炼剂，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成：ZnCl240-50％，K2CO3 20-30％，NaNO3 5-10％，KF 8-13％，K2SO4 5-8％，Li2SO4 3-5％。
2.一种铝合金精炼剂的制备方法，该方法用于制备如权利要求1所述高效环保的铝合金精炼剂，其特征在于，依次包括以下步骤：
步骤一：按所述铝合金精炼剂的成分组成和质量百分比，选用ZnCl2、K2CO3、NaNO3、KF、K2SO4、Li2SO4为原材料进行配料；
步骤二：在惰性气体保护下将原材料加热熔化，然后冷却凝固成块体精炼剂；
步骤三：将块体精炼剂粉粹成粉末，得到所述高效环保的铝合金精炼剂。
3.根据权利要求2所述铝合金精炼剂的制备方法，其特征在于，所述步骤一中ZnCl2、K2CO3、NaNO3、KF、K2SO4、Li2SO4的纯度≥99.8％。
4.根据权利要求2所述铝合金精炼剂的制备方法，其特征在于，所述步骤二中惰性气体为纯度≥99.99％的氩气或氮气。
5.根据权利要求2所述铝合金精炼剂的制备方法，其特征在于，所述步骤二中加热温度为1150-1200℃，加热时间为0.5-1小时。
6.根据权利要求2所述铝合金精炼剂的制备方法，其特征在于，所述步骤三中粉末的粒径≤2毫米。
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