馬 濤

(河北四通新型金屬材料股份有限公司，河北 保定071105)

0 前言

目前，鋁合金熔體凈化的方法有過(guò)濾凈化、非吸附凈化和吸附凈化等三大類[1]，其中，吸附凈化主要有惰性氣體噴吹法、活性氣體噴吹法、混合氣體噴吹法、熔劑凈化法等，熔劑凈化法是將熔劑噴入熔體中，氧化物夾雜和氫在熔劑的溶解、吸附作用下，上浮至液面而去除。熔劑凈化法由于使用方便、價(jià)格低廉、凈化效果較好等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)生產(chǎn)中有著較廣泛的應(yīng)用。鋁合金用熔劑一般由多種化合物組成，其研制的主要內(nèi)容是確定化合物的組成及含量，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其凈化效果。由于可選用的材料較多，加之含量在一定范圍內(nèi)變化，因此，若按照常規(guī)的全面試驗(yàn)方法需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，工作量大，難以獲取最優(yōu)的配方組合。

正交試驗(yàn)方法是用于多因素試驗(yàn)的一種方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些代表點(diǎn)具有“均勻”和“齊整”的特點(diǎn)[2]。鋁合金用熔劑配方組成可選用的材料多，且其含量對(duì)配方也有著比較顯著的影響，因此，本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)鋁合金用熔劑配方進(jìn)行篩選，通過(guò)凈化試驗(yàn)結(jié)果分析來(lái)確定熔劑的最佳配方。

1 鋁合金用熔劑配方組成

鋁合金用熔劑常用的材料有氯化物、氟化物、稀土化合物、碳酸鹽、硫酸鹽等，其中各類物質(zhì)的作用如下。

1.1 氯化物

熔劑常用的氯化物主要包括KCl、NaCl、MgCl2等堿金屬或者堿土金屬的氯化物，該類化合物不與鋁發(fā)生反應(yīng)，表面張力小，有較強(qiáng)的潤(rùn)濕Al2O3的作用[3]。MgCl2與氧化夾雜物的潤(rùn)濕性好，但是其吸濕性也強(qiáng)，一般只用于高鎂鋁合金熔劑中。NaCl和KCl的混合鹽是各種鋁合金熔劑中常見的基本組元，其液態(tài)密度分別為1.55g/cm3和1.5g/cm3，等摩爾的KCl-NaCl混合物在鋁熔體中能形成低熔點(diǎn)(約650℃)共晶的熔融體，顯著低于鋁液的密度，在熔煉溫度下能呈液態(tài)浮于合金液表面。它們的粘度小，流動(dòng)性好，能很好地鋪展在熔體表面，對(duì)熔體起到保護(hù)作用，并且與氧化夾雜物有較強(qiáng)的潤(rùn)濕作用。

1.2 氟化物

在以NaCl-KCl為基體的熔劑中，適量的氟化物具有吸附、溶解Al2O3等氧化夾雜物，適當(dāng)控制混合鹽熔點(diǎn)的作用，同時(shí)還能使熔劑-鋁液界面氧化膜易于破裂和去除，降低鋁液對(duì)夾渣的粘附，促使夾雜遷移至界面，同時(shí)也使熔劑排雜的效率由30%提高到70%-90%[4]。常用的氟化物有 Na3AlF6、CaF2、K3AlF6、K2SiF6、Na2SiF6等， 其中，Na3AlF6能使熔劑易熔且流動(dòng)性好，加速反應(yīng)物的擴(kuò)散過(guò)程，有利于排雜凈化，是最經(jīng)濟(jì)最常用的氟化物之一。K2SiF6、Na2SiF6可與Al2O3反應(yīng)生成SiF4活性氣體，具有一定的除氣作用。

1.3 稀土化合物

稀土化合物可降低熔劑-鋁液表面張力，有助于熔劑與氣體、夾雜的充分接觸而提高捕捉氣體、夾雜的效果，主要起到變質(zhì)、除氣、除雜作用[3]。熔劑用稀土化合物主要選擇稀土鹵化物或稀土碳酸鹽化合物。稀土鹵化物以氟化物最穩(wěn)定，難溶于水，可在空氣中放置，而氯化物易吸潮，可溶于水。稀土鹵化物在鋁中可置換出稀土單質(zhì)。稀土碳酸鹽也難溶于水，能與鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成稀土單質(zhì)和CO2起變質(zhì)和凈化作用。稀土還能與氫相互作用生成穩(wěn)定的稀土氫化物REH2、REH3，起到固氫作用[5]。

1.4 碳酸鹽、硫酸鹽

熔劑中常用的碳酸鹽有 Na2CO3、K2CO3、CaCO3等，硫酸鹽有Na2SO4、K2SO4、CaSO4等，主要起發(fā)熱保溫作用，一般硫酸鹽的發(fā)熱保溫效果強(qiáng)于碳酸鹽。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

根據(jù)熔劑上述組成的性質(zhì)，本文以K2SO4(A)、K2SiF6(B)、Na3AlF6(C)、RECO3(D)的質(zhì)量百分比作為考察因素，每個(gè)因素選取3個(gè)水平，詳見表1，并以等摩爾的NaCl-KCl(質(zhì)量百分比分別為45%和55%)作為熔劑的基體，選用正交表L9(34)安排試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)因素水平Table 1 Level of test factors

2.1 熔劑試驗(yàn)品制備

制備熔劑所用的原材料采用工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，純度≥98%，水分≤0.25%，粒度：-30目，其中30-150目之間的不低于70%，每種配方使用的原材料均為同一批次。按照每個(gè)配方的材料比例配制試驗(yàn)品，加入罐式混料機(jī)混合20分鐘。將混合好的熔劑加入烘干機(jī)內(nèi)，設(shè)定溫度200℃，烘干0.5小時(shí)，保證熔劑最終水分≤0.05%。

2.2 凈化效果判定標(biāo)準(zhǔn)

本文采用K模對(duì)精煉后的鋁液含渣量進(jìn)行定量檢測(cè)，作為判定熔劑凈化效果的標(biāo)準(zhǔn)。K模檢測(cè)技術(shù)是對(duì)原料金屬制造及鑄造的鋁液中的溶劑及異物量進(jìn)行評(píng)價(jià)的一種檢測(cè)方法[6]，該方法通過(guò)向K模模具中注入鋁液，鑄造出鑄塊，再由鑄塊斷面的異物量判斷出鋁液的純凈度，以K值的大小來(lái)表示。圖1、圖2分別為K模和鑄塊。

圖1 K模示意圖Fig.1 Diagram of K mold

圖2 K模鑄塊Fig.2 K mold Ingot

K值計(jì)算：夾渣數(shù)量用M表示，小塊數(shù)量用N表示，則K值計(jì)算方法為：K值=M/N。結(jié)果判定：K值=0時(shí)，為非常純凈的鋁液，結(jié)果判定為AA級(jí)；K值＜0.1時(shí)，為純凈的鋁液，結(jié)果判定為A級(jí)；K值0.1-0.5 時(shí)，為比鉸純凈的鋁液，結(jié)果判定為 B 級(jí)；K 值 0.5-1.0 時(shí)，為較為純凈的鋁液，結(jié)果判定為C級(jí)，屬合格但是需要進(jìn)行進(jìn)一步精煉處理；K值＞1.0時(shí)，為受污染的鋁液，結(jié)果判定為D級(jí)，屬不合格，鋁液不能使用。

2.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

在 15 噸燃?xì)馐浇M合爐生產(chǎn)的 A356.2 合金(主要成分：Si：6.5-7.5%，Mg：0.3-0.45%，主要用于制造汽車輪轂)中，每個(gè)正交方案進(jìn)行 3爐次試驗(yàn)，每爐熔劑的加入量為30千克，采用氮?dú)廨d入噴粉的形式，流量為2.5-3.0千克/分鐘。每爐次含渣量檢測(cè)取澆鑄前期(澆鑄開始第5分鐘)、中期(澆鑄開始第20分鐘)、后期(澆鑄開始第45分鐘)各3塊K模，以3爐次的K值平均值為判定標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀分析，結(jié)果詳見表2。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果Table 2 Results of orthogonal experimental design

根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果詳見表3。

表3 方差分析結(jié)果Table 3 Results of variance analysis

由表2、表3結(jié)果可知，Na3AlF6(C)的極差的最大，K2SO4(A)的極差最小，影響鋁液純凈度的主次因素依次為Na3AlF6(C)＞K2SiF6(B)＞RECO3(D)＞K2SO4(A)，并且直觀分析與方差分析結(jié)果一致。因此，最佳的熔劑配方為A2B2C3D1，K值平均值為0.082，鋁液達(dá)到A級(jí)的純凈度。

按照相同的樣品制備及試驗(yàn)條件，選用最佳配方熔劑在A356.2合金中再次進(jìn)行 5 爐次試驗(yàn)，5 爐次 K 值分別為 0.089、0.056、0.081、0.068、0.075，平均值為 0.074，鋁液均達(dá)到 A 級(jí)的純凈度，進(jìn)一步驗(yàn)證了配方的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

選用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)熔劑配方試驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在A356.2合金中進(jìn)行了凈化效果驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的直觀分析和方差分析，確定了最佳的熔劑配方為冰晶石16%，氟硅酸鉀6%，碳酸稀土3%，硫酸鉀15%，氯化鈉27%，氯化鉀33%，使用該配方熔劑精煉后的鋁液純凈度可達(dá)到A級(jí)。

［1］譚群燕，王燕紅.鋁合金熔體處理技術(shù)[J].熱加工工藝，1999，36(17)：65-67.

［2］方開泰，馬長(zhǎng)興.正交與均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

［3］倪紅軍，孫寶德，蔣海燕，等.新型鋁合金熔劑的研究[J].特種鑄造及有色合金，2001，21(2)：13-14.

［4］官可湘，李潔，倪大興.鋁及鋁合金熔體凈化劑研究進(jìn)展[J].化學(xué)世界，2007，48(6)：370-373.

［5］Raja,Roy Y S.Interfacial Tension between Aluminum Alloy and Molten Salt Flux[J].Materails Transactions,JIM，1997，38(6)：546-552.

［6］張名濤，尹明洪，祁向東.鑄造鋁液含渣量定量快速檢測(cè)技術(shù)淺談[C]//2012(第22屆)重慶市鑄造年會(huì)論文集.重慶：重慶市機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì)，2012.