精煉目的是:排除(只能說降低)鋁水中的氣體和某些雜質(zhì),以及滿足某些性能而進行鋁水處理和成分調(diào)節(jié)。

精煉有爐內(nèi)精煉和在線精煉兩個“階段”,前者是初步的,也是較為粗糙的精煉。

后者則是鋁水從熔爐流向鑄造機的過程中進行的。

鋁水中的雜質(zhì)來源于:

①爐料本身所含雜質(zhì)以及爐料表面的油污鋁銹等污垢。

②火焰爐爐氣與鋁的反應產(chǎn)物。爐氣是燃料的燃燒產(chǎn)物,是氮、氧、二氧化碳、一氧化碳和水氣的混合物。進入鋁水的反應產(chǎn)物主要是氧化鋁和氫。

③爐體和工具與鋁的反應產(chǎn)物,如耐火磚中含的SiO2和FeO等被鋁還原成Si和Fe,并進入鋁水,故砌筑熔鋁爐宜用含Si,Fe低的高鋁磚。

鋁水中雜質(zhì)的存在形式有二:溶解于鋁水的雜質(zhì)和不溶解于鋁水的雜質(zhì)。

能溶解在鋁水中的雜質(zhì):一類是硅、鐵、銅、鋅,所謂金屬雜質(zhì),一類是氫等氣體雜質(zhì)。前者在液態(tài)鋁中是完全溶解的,但在固態(tài)鋁中卻不能完全溶解,在凝固并逐漸冷卻時,其溶解度逐漸降低。若某雜質(zhì)的含量超過了其溶解度,即會析出于鋁基體外或者形成化合物。雖則如此,但此時鋁已凝固,已難于將這些析出物分離開來了。所以通用的辦法是:爐料用純度較高的原鋁,少用回爐料,并且使用盡量低的熔體溫度,盡量短的熔煉時間,以縮短反應時間和降低反應速度。另外,可投入能優(yōu)先與這些雜質(zhì)起反應的元素使之反應,其生成物應該是不溶于鋁水的固體,以便上浮或下沉而進行分離?？赡芨吖韬透咤i、鉻、釩、鈦的普鋁進行稀土處理和硼處理就是本機制。當然添加量應適當,過少過多都是不當?shù)摹?/p>

氫以氫原子溶解在鋁中,氫原子比鋁原子小得多,故處于原子點陣的間隙中,因此溶解量有限。鋁中含氫量以每100g鋁中氫的毫升數(shù)來計量。在720℃的鋁水中最大含氫量約1.0cm3/100g(Al),最大含氫量同樣也隨溫度降低而降低。但在熔點(如657℃)有一突變:657℃的液態(tài)和固態(tài)鋁中的最大含氫量分別為0.6~0.7和0.1cm3/100g(Al)左右。所以在鋁水凝固時會排出一串氣泡,這在鐵模鑄錠的補縮時可以看到。若除氣不凈且凝固很快時,則可能有一部分析出不及而以原子態(tài)凍結在固體的鋁中。之后當受熱時(如鑄坯均勻化或板材退火時)氫原子將加速擴散集聚成為分子氫,在錠或板的表皮下鼓出泡來。故鋁水需要除氣,即脫氫。精煉除氣后氫含量應達0.12~0.15cm3/100g(Al)或更少,這樣的含量在液態(tài)鋁時是非飽和狀態(tài)。因此在鑄造時遇見氫,如處于潮濕的環(huán)境中,則含量可能重新增加。但好在從澆鑄到凝固的時間較短,其增加量可能不會很多?，F(xiàn)在采用在線精煉,比只用爐內(nèi)精煉更有利于脫氫。

不溶解在鋁水中的雜質(zhì),主要是氧化鋁(又稱鋁灰),因其熔點有2000℃以上,故呈固態(tài)。另外在室溫的固態(tài)鋁中,還可看到Fe-Mn-Al,Fe-Si-Al等夾雜物,但它們是在鋁水凝固后的冷卻過程中析出的,故難排除。

氧化鋁的密度為3.5g/cm3左右,比鋁大,本應沉到鋁水底部的,但是在900℃以下生成的氧化鋁,其表面疏松脆弱,一方面它不能阻擋氧的侵入,從而熔化時鋁表面的氧化越來越嚴重。另一方面因其疏松,故而實際密度小,從而待鋁熔化后它飄浮在鋁水表面,故而精煉時可將其撇出爐外,叫爐渣或鋁灰。然而還有許多細小的氧化鋁,被攪入鋁水,懸浮于鋁水中,因其細小,上浮或下沉都很緩慢,如同灰塵懸浮于空氣中一樣。此時為了將其與鋁水分離就需采取措施了。

清除懸浮氧化鋁和氫(常稱作鋁水凈化)的方法有三,即過濾精煉、吸附精煉和熔劑精煉。過濾是在在線精煉時進行的,過濾裝置設置在流槽中。鋁水先通過過濾器如玻璃絲布濾去大的顆粒,再經(jīng)過泡沫陶瓷做的板或管,以濾去細小的氧化鋁。

吸附是向鋁水吹入某種氣體,或投入能分解成氣體的藥劑。這樣就產(chǎn)生氣泡,在氣泡上浮過程中氧化鋁被吸附在氣泡壁上,隨同飄出液面。同時,溶解在鋁水中的氫擴散進入氣泡,也被帶出液面。所用的氣體有氮,氬,一氧化碳和氯等,或單獨或混合使用。氯具有活性,能與鋁反應成AlCl3,它在180℃左右變?yōu)闅怏w,上浮。氯有毒,需注意防護。氣體中不應含氧和水氣。所用的藥劑有NH4Cl、CCl4、C2Cl6等,用此法精煉,應控制好氣泡的大小和分布,過小時上浮緩慢,過大時上浮雖快,但作用時間縮短,消耗增多。

熔劑精煉需使用含冰晶石(Na3AlF6),NaCl和KCl的熔劑。該熔劑的熔點比鋁低,密度比鋁小,這樣就成為飄浮在鋁水表面的一層液體,它與鋁不互溶,不粘,易與鋁分離。先將各組成混和熔化,然后冷凝成塊,儲存(防潮)備用。使用時將塊狀熔劑壓入鋁水,在鋁水溫度的作用下,部分分解成AlF3和AlCl3,成為氣泡,部分熔劑熔化成液態(tài)小珠狀。它們上浮時都吸附氧化鋁和氫,還因其含有冰晶石,故還能溶解少量氧化鋁。熔劑既能去除氧化鋁和氫,又能覆蓋鋁水,防止鋁水與爐氣作用。

氣體和熔劑都在上浮時,對鋁水精煉。所以在操作時,需將導氣管或裝熔劑的工具,壓到熔體下部,且各處移動,不留空白。這不但操作艱苦和粗放,而且要攪動鋁水,會使表面的氧化物又攪入鋁水中。為此想出了在線精煉,凡在流槽中流過的鋁水,都需經(jīng)歷氣體或熔劑的處理,所以凈化效果比爐內(nèi)精煉好。

爐渣是熔煉中產(chǎn)生的氧化鋁等固態(tài)物。這是鋁的損失,即使只有1%,但從全國看損失也是巨大的,應盡量減少。配入的回爐料越多,與爐氣接觸的表面積越大,生成的氧化鋁越多。若將回爐料壓縮打包,并壓入鋁水(不與爐氣接觸),由鋁水的熱量將其熔化,是減少氧化的一個方法。

將飄浮在鋁水表面的氧化鋁和熔劑等扒出爐外時,會帶出若干鋁水,故需回收混入爐渣中的鋁,因溫度甚高,應防止其與空氣接觸燃燒成為新的氧化鋁而進一步損失。通常的辦法是在空曠處將其攤開,使其快速冷卻,同時讓渣盤底部的鋁水流出集中回收。然后賣給收購者,淘洗出剩余的鋁“豆”,剩余殘渣再賣給水泥廠作原料。這固然是項“好”的副業(yè),但有強烈的氨味,并含氯、氟的鹽類以及灰塵與泥漿,若不妥善處理,將污染環(huán)境和水質(zhì)。文獻報道了一個爐渣處理的工廠,它有一個650m2的處理車間,內(nèi)設渣盤及其保溫存放系統(tǒng),容量為4.5t的回轉爐,有加料及熔劑,氣體凈化,煙塵收集等系統(tǒng)。日處理能力45.4t,每年能處理1.4萬t爐渣。到2002年8月,已生產(chǎn)了17個月,已處理7700t,其中熱爐渣5775t,從爐渣中回收金屬3405t,比原來多得315t。其間平均能耗83.7kW·h/t,耗氬氣0.45m3/t,耗天然氣30m3/t,成本降低了0.22美元/kg。與通常不同的是既節(jié)省了費用,又改善了環(huán)保。