精炼目的是:排除(只能说降低)铝水中的气体和某些杂质,以及满足某些性能而进行铝水处理和成分调节。
精炼有炉内精炼和在线精炼两个“阶段”,前者是初步的,也是较为粗糙的精炼。
后者则是铝水从熔炉流向铸造机的过程中进行的。
铝水中的杂质来源于:
①炉料本身所含杂质以及炉料表面的油污铝锈等污垢。
②火焰炉炉气与铝的反应产物。炉气是燃料的燃烧产物,是氮、氧、二氧化碳、一氧化碳和水气的混合物。进入铝水的反应产物主要是氧化铝和氢。
③炉体和工具与铝的反应产物,如耐火砖中含的SiO2和FeO等被铝还原成Si和Fe,并进入铝水,故砌筑熔铝炉宜用含Si,Fe低的高铝砖。
铝水中杂质的存在形式有二:溶解于铝水的杂质和不溶解于铝水的杂质。
能溶解在铝水中的杂质:一类是硅、铁、铜、锌,所谓金属杂质,一类是氢等气体杂质。前者在液态铝中是完全溶解的,但在固态铝中却不能完全溶解,在凝固并逐渐冷却时,其溶解度逐渐降低。若某杂质的含量超过了其溶解度,即会析出于铝基体外或者形成化合物。虽则如此,但此时铝已凝固,已难于将这些析出物分离开来了。所以通用的办法是:炉料用纯度较高的原铝,少用回炉料,并且使用尽量低的熔体温度,尽量短的熔炼时间,以缩短反应时间和降低反应速度。另外,可投入能优先与这些杂质起反应的元素使之反应,其生成物应该是不溶于铝水的固体,以便上浮或下沉而进行分离。可能高硅和高锰、铬、钒、钛的普铝进行稀土处理和硼处理就是本机制。当然添加量应适当,过少过多都是不当的。
氢以氢原子溶解在铝中,氢原子比铝原子小得多,故处于原子点阵的间隙中,因此溶解量有限。铝中含氢量以每100g铝中氢的毫升数来计量。在720℃的铝水中最大含氢量约1.0cm3/100g(Al),最大含氢量同样也随温度降低而降低。但在熔点(如657℃)有一突变:657℃的液态和固态铝中的最大含氢量分别为0.6~0.7和0.1cm3/100g(Al)左右。所以在铝水凝固时会排出一串气泡,这在铁模铸锭的补缩时可以看到。若除气不净且凝固很快时,则可能有一部分析出不及而以原子态冻结在固体的铝中。之后当受热时(如铸坯均匀化或板材退火时)氢原子将加速扩散集聚成为分子氢,在锭或板的表皮下鼓出泡来。故铝水需要除气,即脱氢。精炼除气后氢含量应达0.12~0.15cm3/100g(Al)或更少,这样的含量在液态铝时是非饱和状态。因此在铸造时遇见氢,如处于潮湿的环境中,则含量可能重新增加。但好在从浇铸到凝固的时间较短,其增加量可能不会很多。现在采用在线精炼,比只用炉内精炼更有利于脱氢。
不溶解在铝水中的杂质,主要是氧化铝(又称铝灰),因其熔点有2000℃以上,故呈固态。另外在室温的固态铝中,还可看到Fe-Mn-Al,Fe-Si-Al等夹杂物,但它们是在铝水凝固后的冷却过程中析出的,故难排除。
氧化铝的密度为3.5g/cm3左右,比铝大,本应沉到铝水底部的,但是在900℃以下生成的氧化铝,其表面疏松脆弱,一方面它不能阻挡氧的侵入,从而熔化时铝表面的氧化越来越严重。另一方面因其疏松,故而实际密度小,从而待铝熔化后它飘浮在铝水表面,故而精炼时可将其撇出炉外,叫炉渣或铝灰。然而还有许多细小的氧化铝,被搅入铝水,悬浮于铝水中,因其细小,上浮或下沉都很缓慢,如同灰尘悬浮于空气中一样。此时为了将其与铝水分离就需采取措施了。
清除悬浮氧化铝和氢(常称作铝水净化)的方法有三,即过滤精炼、吸附精炼和熔剂精炼。过滤是在在线精炼时进行的,过滤装置设置在流槽中。铝水先通过过滤器如玻璃丝布滤去大的颗粒,再经过泡沫陶瓷做的板或管,以滤去细小的氧化铝。
吸附是向铝水吹入某种气体,或投入能分解成气体的药剂。这样就产生气泡,在气泡上浮过程中氧化铝被吸附在气泡壁上,随同飘出液面。同时,溶解在铝水中的氢扩散进入气泡,也被带出液面。所用的气体有氮,氩,一氧化碳和氯等,或单独或混合使用。氯具有活性,能与铝反应成AlCl3,它在180℃左右变为气体,上浮。氯有毒,需注意防护。气体中不应含氧和水气。所用的药剂有NH4Cl、CCl4、C2Cl6等,用此法精炼,应控制好气泡的大小和分布,过小时上浮缓慢,过大时上浮虽快,但作用时间缩短,消耗增多。
熔剂精炼需使用含冰晶石(Na3AlF6),NaCl和KCl的熔剂。该熔剂的熔点比铝低,密度比铝小,这样就成为飘浮在铝水表面的一层液体,它与铝不互溶,不粘,易与铝分离。先将各组成混和熔化,然后冷凝成块,储存(防潮)备用。使用时将块状熔剂压入铝水,在铝水温度的作用下,部分分解成AlF3和AlCl3,成为气泡,部分熔剂熔化成液态小珠状。它们上浮时都吸附氧化铝和氢,还因其含有冰晶石,故还能溶解少量氧化铝。熔剂既能去除氧化铝和氢,又能覆盖铝水,防止铝水与炉气作用。
气体和熔剂都在上浮时,对铝水精炼。所以在操作时,需将导气管或装熔剂的工具,压到熔体下部,且各处移动,不留空白。这不但操作艰苦和粗放,而且要搅动铝水,会使表面的氧化物又搅入铝水中。为此想出了在线精炼,凡在流槽中流过的铝水,都需经历气体或熔剂的处理,所以净化效果比炉内精炼好。
炉渣是熔炼中产生的氧化铝等固态物。这是铝的损失,即使只有1%,但从全国看损失也是巨大的,应尽量减少。配入的回炉料越多,与炉气接触的表面积越大,生成的氧化铝越多。若将回炉料压缩打包,并压入铝水(不与炉气接触),由铝水的热量将其熔化,是减少氧化的一个方法。
将飘浮在铝水表面的氧化铝和熔剂等扒出炉外时,会带出若干铝水,故需回收混入炉渣中的铝,因温度甚高,应防止其与空气接触燃烧成为新的氧化铝而进一步损失。通常的办法是在空旷处将其摊开,使其快速冷却,同时让渣盘底部的铝水流出集中回收。然后卖给收购者,淘洗出剩余的铝“豆”,剩余残渣再卖给水泥厂作原料。这固然是项“好”的副业,但有强烈的氨味,并含氯、氟的盐类以及灰尘与泥浆,若不妥善处理,将污染环境和水质。文献报道了一个炉渣处理的工厂,它有一个650m2的处理车间,内设渣盘及其保温存放系统,容量为4.5t的回转炉,有加料及熔剂,气体净化,烟尘收集等系统。日处理能力45.4t,每年能处理1.4万t炉渣。到2002年8月,已生产了17个月,已处理7700t,其中热炉渣5775t,从炉渣中回收金属3405t,比原来多得315t。其间平均能耗83.7kW·h/t,耗氩气0.45m3/t,耗天然气30m3/t,成本降低了0.22美元/kg。与通常不同的是既节省了费用,又改善了环保。
