隨著科學(xué)技術(shù)尤其是高技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對鋁及其合金制品的質(zhì)量要求越來越高。氣體(氫)和夾雜物(AL2O3等)等冶金缺陷的存在，直接或間接地影響到鋁材的強度、塑性變形性能及最終使用性能。因此，要獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品，必須在鑄成鑄件或加工材所用鑄錠前設(shè)法消除這些冶金缺陷，以提高熔體的純凈度水平。鋁熔體凈化處理技術(shù)是提高熔體純凈度的關(guān)鍵，已成為世界各國冶金、熔鑄工作者十分關(guān)注的課題。
本文分析討論了鋁熔體中AL2O3夾雜與氫的行為及相互作用關(guān)系，提出AL2O3與氫相互作用的“寄生機(jī)制”觀點及“排雜是除氣的基礎(chǔ)”的鋁液凈化原則，同時分析討論了國內(nèi)外凈化處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題，指出了提高鋁熔體凈化效果的新技術(shù)途徑，對于鋁及鋁合金的熔鑄生產(chǎn)具有實際指導(dǎo)意義。
1 鋁熔體凈化的理論基礎(chǔ)
1.1 鋁熔體被夾雜與氫污染的嚴(yán)重性及夾雜與氫的關(guān)系
鋁及其合金是受夾雜與氫污染最為嚴(yán)重的金屬之一，這主要是由其本身的特性所決定。鋁熔體的純凈度主要由溶解的氫和非金屬夾雜所決定。氫是唯一大量溶于鋁熔體的氣體。氫幾乎不溶于固態(tài)鋁，而在液態(tài)鋁中的溶解度卻很大，并隨溫度的升高而增大。氫在鋁液相及固相中的溶解度分別為0.65cm3／100gAl和0.034cm3／100gAl，即氫在液固兩相的溶解度相差約19．1倍(見圖1)，鋁液中正常的氫含量約為0.10~0.40cm3／100gAL。
多年的研究和實踐已經(jīng)確認(rèn)，鋁中的氫主要來源于鋁液與水汽的反應(yīng)。經(jīng)推算分析得出鋁液中氣體的分壓之比值為：PH2／P H2O=7.3X 1014，可見即使PH2O很微小，平衡的PH2也可以達(dá)到很高值。當(dāng)鋁液溫度T=727℃時，極微小的PH2O=2.59X10-20Pa(干空氣條件)也能與鋁液發(fā)生反應(yīng)，說明任何雖經(jīng)烘干的工具、熔劑等，對鋁液均是潮濕舶，還會使之吸氫。鋁液中的夾雜(AL2O3等)除來自爐料外，主要是由于熔化澆注過程中鋁與氧反應(yīng)所形成的。鋁表面氧化膜厚約為2~10nm(20—100Ao)，接近熔點時增至200nm，液面上的氧化膜不僅更厚，而且結(jié)構(gòu)也變了：面向鋁液的一側(cè)是致密的，對鋁液有保護(hù)作用；但外側(cè)則是疏松的，內(nèi)有5~10nm的小孔，并被氫、空氣、水汽所充滿，據(jù)測含有1％-2％的水汽。如果將液膜攪人鋁液內(nèi)部，使鋁液既增雜也增氣。由此看出，鋁受夾雜與氫污染是嚴(yán)重的，夾雜與氫的存在是不可避免的。
自60年代以來，人們發(fā)現(xiàn)：鋁液中的含氫量受夾雜含量的影響很大，當(dāng)夾雜含量為0．002％和0．02％時，相應(yīng)的氫含量分別為0．2cm3／100gAl和0．35cm3／100gAl。在含氫量相同的條件下，夾雜含量越高，針孔率也越高，即使在低氫濃度時，針孔率仍很高，而且采用一般方法很難除凈。相反，當(dāng)鋁液中夾雜含量很低時，含氫也低，即使人為地向鋁液通人氫，也會自動脫出，很快恢復(fù)到原來的含量。例如，在高純鋁中含氫量高達(dá)0．4cm3／100gAl時，才會出現(xiàn)氣孔；而在工業(yè)純鋁中含氫僅有0.1cm3/100gAl時，就會出現(xiàn)氣孔。有人測得：對含Mg<0．1％的鋁合金，如果夾雜含量超過0.01％，鑄錠不出現(xiàn)針孔的極限含氫量需降低到0．05-0.06cm3／1OOgAl，而這樣低的除氣極限，在工業(yè)生產(chǎn)條件下是極其困難的；當(dāng)夾雜含量<0．001％，即使含氫量達(dá)到0．3cm3／lOOgAl，也不會出現(xiàn)針孔。
由此可見，鋁熔體中的氫與夾雜存在著某種共生存的相互作用關(guān)系，影響鋁中氣孔形成的主導(dǎo)因素是夾雜物，只有排除夾雜物，才能保證鋁液質(zhì)量。弄清鋁熔體中夾雜與氫的行為及其相互關(guān)系的實質(zhì)，對于鋁液凈化工藝的合理設(shè)計極為重要，是改善和提高鋁液凈化效果的理論基礎(chǔ)。
1.2 鋁熔體中A夾雜物與氣體(氫)的相互作用 機(jī)制分析 實踐表明，鋁很易被夾雜物(AL2O3等，簡稱“雜”)和氣體(氫)所污染，雜與氣的含量是衡量鋁材冶金質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。它們在鋁中很難除凈，其關(guān)鍵制約因素何在?許多學(xué)者經(jīng)幾十年的研究，把注意力集中在鋁熔體的雜、氣相互作用機(jī)制上，并提出了許多學(xué)說，如機(jī)械作用、靜電作用、化學(xué)作用、吸附作用、界面形核機(jī)制、復(fù)合物作用、氣窩機(jī)制等等。這些觀點對于指導(dǎo)鋁液凈化工藝的設(shè)計起到了重要作用。但它們或是推理未被實驗所證實，或還不能解釋問題的全部，尚需作進(jìn)一步的分析研究。近年來筆者配合康積行教授對此也進(jìn)行了一些探索，初步提出了“寄生機(jī)制”觀點。在此基礎(chǔ)上，筆者又通過試驗進(jìn)一步驗證和闡明了這一觀點，并明確提出“排雜是除氣的基礎(chǔ)”的鋁液凈化原則，以期對鋁液凈化理論有所豐富。
1．2．1 Al的結(jié)構(gòu)特性
我們認(rèn)為，探討雜氣關(guān)系，應(yīng)將鋁—雜—氣作為一個多元體系來分析，并要首先考察和認(rèn)識夾雜物(AL2O3)的結(jié)構(gòu)特性，因夾雜物是雜氣行為的實際主體。
①AL2O3的分類
鋁中一般含有0.002％—0.02％的AL2O3，按存在形態(tài)，傳統(tǒng)上將其分為大塊雜及彌散狀雜兩大類。這種分類法不太符合實際。根據(jù)近年的研究，筆者認(rèn)為應(yīng)分為三類：一是分布不均的大塊雜(>20)，此類雜雖危害大，但易除；二是分布均勻的、采用凈化處理可除的細(xì)片狀雜(10—20µm)；三是分布均勻的、采用凈化處理也難以除去的彌散于鋁中的微片狀雜(<10µm)，這類雜不僅是惡化合金性能的主角，也將成為遺傳的主體，直接影響到后序合金的質(zhì)量,這一點常被人所忽視。
②AL2O3的結(jié)構(gòu)
固態(tài)鋁在室溫下表面形成的氧化膜是非晶態(tài)的、致密的，其厚度為2~10nm；隨著溫度升高逐漸形成不均勻的、不連續(xù)的氧化膜，厚度增加，當(dāng)接近熔點時，會增厚到200nm。彌散于鋁液內(nèi)部的AL2O3空間結(jié)構(gòu)如圖2。圖2(a)表示在鋁晶格上鋪出一個單元氧化物晶胞，形成六角形棱柱體，其內(nèi)部棱邊的鋁原子，由于周圍存在著很近的氧原子(是強烈的電子受體，具有剩余的負(fù)電荷)，因此與基體中的鋁原子相比將帶有更多的正電荷；此時，在Al—AL2O3界面上出現(xiàn)了附加的空心體積AA"A"，呈三角棱形，分布在三個鋁的面心立方之間(簡稱“窗”)，因棱柱頂上的鋁原子比A—A多一個連結(jié)點，據(jù)化學(xué)鍵學(xué)說，將發(fā)生電子云的浮散而增大了正電性。
可見，鋁晶格在AL2O3周圍的重新組合和電子密度的重新分配，將在Al—AL2O3界面上形成雙電子層，
使鋁液中的AL2O3；具有高的穩(wěn)定性，阻礙了AL2O3上浮或下沉；同時，形成“窗”的鋁原子帶有正電荷，將是電子的受體，在其上面會出現(xiàn)氫電子密度的重新分配，成為吸附氫的活性中心，可稱為“吸附窗”，將為氫氣泡的形核提供基底。
當(dāng)緊密結(jié)構(gòu)的AL2O3尺寸增大時，棱柱體(AL2O3晶胞)將長大，但此時的“吸附窗”數(shù)目并不增加，見圖2(b)。顯然“窗”的數(shù)目與雜的大小無關(guān)。因此可以認(rèn)為，含雜量相同時，尺寸細(xì)小彌散的夾雜數(shù)目較尺寸大的夾雜明顯增多，因而“吸附窗”數(shù)目也就明顯增多，吸氫傾向就越大。
1.2．2 AL2O3與氫在鋁液凝固過程中的行為分析
鋁液中的氫主要是以原子狀態(tài)存在的。在凝固過程中，由于溶質(zhì)再分配規(guī)律，一部分氫以固溶體形式存在于結(jié)晶的固相中，其余因溶解度所限而富余的氫將被迫析出，而在凝固前沿發(fā)生氫的偏析，出現(xiàn)氫的富集區(qū)，即在固／液相間形成氫的濃度梯度。在其形成的同時還可能有以下行為：①由于與周圍鋁液間存在溶質(zhì)氫的濃度差，將發(fā)生氫原子的擴(kuò)散，濃度差愈大，擴(kuò)散過程愈激烈；②隨凝固過程的進(jìn)行，富集區(qū)內(nèi)氫原子濃度增加，當(dāng)達(dá)過飽和狀態(tài)時，將析出氫分子，進(jìn)而形成氫氣泡.
但從熱力學(xué)的角度看，氫氣泡形成前還必須先形成氣核，只有當(dāng)氣核大于其臨界尺寸時它才可穩(wěn)定存在；同時還要克服鋁液表面張力引起的附加壓力，若在純凈的鋁液中要形成氣核(半徑r=0.1mm)，需克服的附加壓力可達(dá)1800N／m2，通過J．Campbell的計算電表明，氣孔在液態(tài)金屬中的均質(zhì)(自發(fā))形核需要約3080MPa的氣體分壓。故實際上氣核自生是困難的，然而通過非自發(fā)生核則是可能的。文獻(xiàn)[17]利用減壓試驗測得的數(shù)據(jù)表明，形成第一個氣泡只需很小的過飽和壓力，通常為0．1kPa左右(減壓室真空度為1—20kPa)。這說明了鋁合金中的氣孔形成實際上是異質(zhì)形核。實踐表明鋁液中不可避免地會存在著一定含量的AL2O3等氧化物，它們可以作為氣孔形核的有效基底。因為氧化夾雜與鋁熔體的潤顯性較差，據(jù)文獻(xiàn)[17]的測定，潤濕角隨溫度的不同在115o~167 o之間變化，同時氧化物含有大量微孔和裂紋，這對氣孔形核非常有利。
此外，通過對鋁液中AL2O3結(jié)構(gòu)特性的分析，可以認(rèn)為鋁液中的氫除了以原子態(tài)存在外，還將與AL2O3結(jié)成一體，也可成為形核基底，促使氣核形成。目前關(guān)于夾雜在氣孔非自發(fā)形核中的作用機(jī)制問題仍在研究中。Mohanty等認(rèn)為，只有那些為移動的液／固界面所推移的夾雜才可以成為氣孔的異質(zhì)形核基底，而那些被液／固界面捕獲的夾雜則對氣孔形成沒有影響.夾雜成為異質(zhì)核心的熱力學(xué)可能性由凈界面能Δσ0=σps -σpl(σps,σpl分別為夾雜與固相、液相間的界面能)所決定。相同的夾雜在不同條件下可表現(xiàn)出完全不同的行為，使夾雜在氣孔等疏松類缺陷中的行為表現(xiàn)出“不確定性”。
1．2．3 AL2O3—氫相互作用機(jī)制分析
通過以上分析可見，鋁熔體中雜與氣之間存在著相互依存和相互作用的關(guān)系，夾雜對氣孔的形成起著關(guān)鍵的作用。目前對于氫依附于夾雜上生核的問題主要是從熱力學(xué)(潤濕性、附加壓力等)方面考慮的。對于凝固前(高溫下)雜氣之間的行為及關(guān)系，有必要從夾雜的結(jié)構(gòu)特性等方面進(jìn)一步分析，并闡明雜氣關(guān)系。同時，對于AL2O3界面是氣體生核源的理論分析已較深入，但直接驗證還不多見，也有必要進(jìn)一步探討。
在鋁液降溫過程中，氣泡的形成同樣要經(jīng)過新相氣核的產(chǎn)生和長大兩個過程。因此筆者認(rèn)為：在微片狀雜的表面或周圍，由于氫的濃度等起伏的存在，引發(fā)出現(xiàn)了非平衡狀態(tài)的不穩(wěn)定的微觀富氫區(qū)，其中某些氫的富集小區(qū)會借助于雜—氫之間形成的綜合聚集力場(諸如接觸電勢場、靜電力場、吸附力場、化學(xué)能和物理能等)的作用下，直接或間接地(即經(jīng)遷移后)在雜的表面，以“吸附窗”為基底，不斷地富集到一定幾何尺寸，最后寄生于雜上形核。形核后：①使鋁—雜—氫系統(tǒng)的自由能降低，整個過程的進(jìn)行是自發(fā)的；②造成周圍空間出現(xiàn)氫的濃度梯度(見圖3)，由于氫的平衡擴(kuò)散的結(jié)果，促使寄生于雜上的氣核不斷長大，當(dāng)超過臨界生核尺寸時便形成氣泡。微細(xì)又帶氣的夾雜，由于綜合密度接近鋁液，很難在合金凝固前逸出液面。因此，在凝固過程中，若殘留下來將被推至凝固界面前沿而成為氫氣孔形核的基底，但此時在凝固界面前沿由于溶質(zhì)再分配，也同時形成了氫富集區(qū)，由于氫平衡擴(kuò)散的結(jié)果，使得氫原子將不斷擴(kuò)散進(jìn)入帶雜的氣泡中，促使氫氣泡進(jìn)一步長大，最后在鑄件中形成了微氣孔(針孔)，或稱雜氣孔。
這種氫在夾雜上的形核長大過程稱之為“寄生機(jī)制”，概括如下：在鋁—雜—氫系統(tǒng)中的氫，由于濃度等起伏的存在，形成許多微觀富氫區(qū)，某些小區(qū)會借助于雜—氫間的綜合聚集力場的作用，直接或經(jīng)遷移間接地借助夾雜表面的“吸附窗”為基底寄生形核；形核后造成周圍空間氫的濃度梯度，因平衡擴(kuò)散的結(jié)果，促使氣核長成氣泡。
據(jù)此可以認(rèn)為，鋁液中氣寄生于雜，雜吸附著氣，從而造成排雜除氣的動力學(xué)條件惡化。因此可以說，雜的存在是鋁中氣體難以除凈的關(guān)鍵限制因素，排雜是除氣的基礎(chǔ)。
為了驗證以上分析，并弄清夾雜物對氣孔形成的重要影響，筆者已進(jìn)行了一系列試驗，初步獲得了氣孔在夾雜上形核的證據(jù)，證明了夾雜與氣體相互作用的“寄生機(jī)制”推理的可信性。只有首先著眼于提高對鋁中夾雜的凈化程度，才可從根本上消除氫凈化動力學(xué)的主要障礙及鋁液增氫的主要根源。凈化鋁’液時，排雜是主要的，是除氣的基礎(chǔ)，是提高鋁材冶金質(zhì)量的關(guān)鍵。實踐也已完全證實了這一觀點。
2 鋁熔體凈化處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
由于氫和夾雜物的存在結(jié)鋁及其合金的性能帶來直接或間接的危害，因此提高鋁熔體純凈度水平已成為生產(chǎn)高質(zhì)量鋁材的關(guān)鍵。
鋁熔體的凈化方法(工藝)很多，按其凈化機(jī)理可分為三類：吸附凈化、物理凈化（非吸附凈化)、過濾凈化。對于每種凈化工藝，其除氫和排雜作用往往兼而有之，但又各有側(cè)重。鋁熔體的凈化處理技術(shù)主要是指除氫技術(shù)和排雜技術(shù)。以下分除氫凈化、排雜凈化及復(fù)合凈化進(jìn)行討論。
2，1 除氫凈化技術(shù)
若從氣泡浮游法除氫的角度分析，根據(jù)Fick定律可推導(dǎo)出鋁液除氫速度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
根據(jù)有效邊界層理論及表面更新理論可得出
在鋁液熔煉工藝條件一定的情況下，除氫凈化的熱力學(xué)條件即已確定，為獲得最佳的除氫效率，必須從改善其除氫的動力學(xué)條件人手。因此，據(jù)以上公式可得出提高除氫速度和效率的三大主要途徑：
①盡可能增加凈化氣泡數(shù)目，以增加鋁液與氣泡兩相間的有效接觸的比表面積，即增大(A／V)值；
②盡可能減小凈化氣泡直徑(db)，并在不導(dǎo)致鋁液面飛濺的前提下設(shè)法增大凈化氣泡在鋁液內(nèi)的運動速度(Ub)，即增大攪動強度，強化氣液表面更新，提高其傳質(zhì)能力，即增大k值；
③盡可能延長凈化氣泡在鋁液中浮游的路程，以增力口氣泡在鋁液中的停留時間，即增加氣泡處理鋁液的時間t，從而提高除氫效率。
在以往的除氫凈化技術(shù)的研究和開發(fā)中，實際上都是圍繞著以上三條途徑進(jìn)行的。在改善傳統(tǒng)的爐內(nèi)除氣凈化方法的同時，還開發(fā)出一些較先進(jìn)的爐外在線式除氫凈化新技術(shù).尤其是在凈化氣泡引入方式上，已從原始的單管噴吹到多孔吹頭，發(fā)展到目前的旋轉(zhuǎn)噴頭，被認(rèn)為是目前最先進(jìn)和有效的氣體導(dǎo)人方法。所采用的裝置可使凈化用氣體在凈化容器內(nèi)的熔體中形成均勻、細(xì)密的氣泡，并使通過容器的熔體盡可能多地受到凈化氣體的吹洗，從而明顯提高除氫凈化效率和生產(chǎn)率。
70年代以來，采用旋轉(zhuǎn)噴頭吹氣處理方法已成為國外先進(jìn)的鋁液凈化技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。如美國聯(lián)合碳化物公司研制的SNIF法，法國Pechney公司的Alpur法，都是典型的旋轉(zhuǎn)噴頭凈化鋁液的新工藝技術(shù)，已獲得推廣應(yīng)用，且近年已引進(jìn)我國。國外先進(jìn)的除氣凈化裝置，還有英國Foseco公司的RDU快速除氣裝置及美國Hitchcock公司的RID法(旋轉(zhuǎn)葉輪法)，據(jù)稱除氫效率是傳統(tǒng)的單管噴吹法的3倍。
除氫凈化的方法還有很多，如真空處理法、超聲波處理法、直流電法、壓力結(jié)晶法、化合脫氣法等等，尤其是化合脫氣法(化學(xué)固氫方法)近來已受到人們的普遍重視。值得指出的是，稀土具有明顯的化合脫氫作用，可望發(fā)展成一類新型除氣劑。目前已開發(fā)出了稀土—惰性氣體(氬)聯(lián)合除氣方法。最近還開發(fā)出了多功能新型稀土熔劑JDN—I，稱是一種綠色環(huán)保型熔劑，對A356合金的除氣凈化效果顯著，并具有一定的變質(zhì)細(xì)化作用。
由于鋁液中夾雜與氫的相伴而生、相互作用，因此以除氫凈化為主的各種方法也有不同程度的排雜作用。但實踐表明，這種排雜作用很有限，要想有效地排雜，還必須采用以排雜為主的凈化方法。
目前以排雜為主的凈化方法并不多，不如除氫凈化的研究深入，主要有熔劑法、電熔劑法和過濾法三種。
熔劑法凈化的實質(zhì)，是以熔劑凈化鋁液時，由于接觸相之間潤濕性的差異，夾雜將自發(fā)地由熔體遷入熔劑中。其排雜效果，與熔劑本身的物理·、化學(xué)特性直接相關(guān)，同時在很大程序上還取決于凈化工藝條件，如熔劑用量、熔劑與熔體的接觸條件、溫度等。過去的熔劑處理常以經(jīng)驗積累為主，很少專門系統(tǒng)地研究其排雜凈化的熱力學(xué)與動力學(xué)條件以及熔劑組成、處理工藝等的合理設(shè)計，因此難以充分發(fā)揮熔劑應(yīng)有的作用，使熔劑排雜方法難以得到推廣應(yīng)用。為此，筆者近些年進(jìn)行了較系統(tǒng)的分析研究，得到了熔劑排雜凈化熱力學(xué)與動力學(xué)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，可用以指導(dǎo)熔劑組成的設(shè)計及處理工藝的選擇，并已研究開發(fā)出多種高效排雜熔劑，在實踐中得到了成功應(yīng)用，有效地發(fā)揮了熔劑排雜凈化作用。
電熔劑法是70年代以來前蘇聯(lián)開發(fā)的一種凈化方法，其實質(zhì)是熔融熔劑在直流或交流電場的作用下
對鋁液進(jìn)行連續(xù)排雜凈化，在前蘇聯(lián)已．獲得工業(yè)應(yīng)用。
過濾法凈化主要是使鋁液流經(jīng)某種介質(zhì)后，由介質(zhì)按某種機(jī)理捕獲夾雜物，同時截除吸附在雜上的氫而達(dá)到凈化目的，是排除夾雜物的有效方法之一。目前按過濾器形式可分為三類：網(wǎng)形過濾器、顆粒狀過濾器、多孔陶瓷過濾器，其中多孔陶瓷過濾器又分為剛質(zhì)陶瓷(微孔）和泡沫陶瓷；若按過濾機(jī)理可分為濾餅過濾機(jī)制和深過濾機(jī)制，多孔陶瓷屬深過濾。
2．3 復(fù)合凈化技術(shù)
實踐表明，除氫和排雜這兩個過程有聯(lián)系，也有區(qū)別。各種凈化方法都有一種主要作用，但又兼有另一種作用。盡管如此，僅采用一種工藝，要同時有效排雜和除氣是困難的。因此，國外的主要發(fā)展趨勢是從單一凈化向復(fù)合凈化發(fā)展，從傳統(tǒng)的爐內(nèi)凈化向爐外凈化發(fā)展，尤其在變形鋁合金加工中，在作業(yè)線上進(jìn)行復(fù)合凈化處理已成為鋁液凈化工藝的發(fā)展方向，同時也盡量減少或避免了鋁熔體的二次污染。例如，美國鋁業(yè)公司(Alcoa)研制的469法，將過濾與除氣相結(jié)合；英國鋁業(yè)公司的FILD法，在作業(yè)線上無煙連續(xù)除氣和凈化處理，它把氧化鋁球床式過濾、惰性氣體凈化、熔劑凈化和覆蓋等各種方法融為一體，提高了裝置的排雜除氣綜合能力；美國聯(lián)合鋁公司的MINT法，采用噴射惰性細(xì)小氣泡以除氫，并結(jié)合陶瓷泡沫板過濾夾雜。另外，一種除氣、熔劑排雜凈化兼優(yōu)的方法，即噴射熔劑法(Flux Injection Process，簡稱FIP法)于80年代初出現(xiàn)，并很快引起人們的關(guān)注，據(jù)稱是未來很有發(fā)展前途的先進(jìn)凈化技術(shù)。目前，在FIP法和RID法(旋轉(zhuǎn)葉輪法)基礎(chǔ)上，國外又出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)噴射熔劑法，我國大連理工大學(xué)和英國Hepworth公司等已開展了該法的研究。1993年首次獲得工業(yè)應(yīng)用的一種移動式高效熔劑旋轉(zhuǎn)噴射攪拌處理系統(tǒng)(Heproject Mobile Rotary Flux Feeder)，簡稱Heproject鋁熔體處理法，是當(dāng)前鋁熔體處理的最先進(jìn)工藝，是近些年工業(yè)發(fā)達(dá)國家廣為使用的凈化鋁熔體的先進(jìn)技術(shù)，它集凈化處理(除氣、雜、鈣等)、鈉變質(zhì)處理、磷晶粒細(xì)化處理等于一體，且對環(huán)境無不利影響，成本費用適中。
以上討論的先進(jìn)凈化方法，在工藝上均是較先進(jìn)合理的，也注意到環(huán)境保護(hù)等要求，與傳統(tǒng)的爐內(nèi)凈化工藝相比，減少或避免了熔體的二次污染，凈化效果好，效率高，不污染環(huán)境，可在線連續(xù)凈化，為熔體生產(chǎn)自動化創(chuàng)造了條件。
3 提高鋁熔體凈化效果的主要途徑
從目前鋁熔體凈化處理技術(shù)的現(xiàn)狀看，已做了大量的工作，開發(fā)了一些較先進(jìn)的凈化方法與裝置，對熔體凈化技術(shù)的發(fā)展起了推動作用。但是在這些方法中，大多數(shù)是從除氫凈化角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計的(即以除氫凈化為主)，其除氫效率雖較明顯，但對一些純凈度水平要求很高的高技術(shù)制品，若要進(jìn)一步提高除氫效率，則受到一定程度的限制。據(jù)報道，目前國內(nèi)除氣的先進(jìn)水平僅能達(dá)到0．12-0．15ml／100gAl(一般在0．15—0．21ml／100gAl)，國外則可達(dá)0．08-0．10ml／100gAl。究其原因，雖與目前除氫技術(shù)存在的凈化氣體、除氣裝置等方面的不足有關(guān)，但筆者認(rèn)為主要在于對除氫機(jī)理的認(rèn)識不足，尤其是忽視了鋁熔體中夾雜物(AL2O3)與氫的相互作用及對凈化效果的重要影響，難以從根本上消除影響除氫凈化效果的主要障礙。這還可從式(1)和(2)中進(jìn)一步看出，即氫在鋁熔體中的擴(kuò)散速度因夾雜物的作用而受到制約，從而影響到除氫速度的提高，使夾雜物成為除氫的主要障礙，在一定程度上制約了各種先進(jìn)除氫技術(shù)作用的充分發(fā)揮，因此限制了當(dāng)今一些內(nèi)在質(zhì)量要求很高的高性能鋁合金產(chǎn)品的研究開發(fā)。
根據(jù)對鋁熔體中夾雜物與氫的相互作用關(guān)系的分析研究結(jié)果，可以認(rèn)為，目前應(yīng)突破傳統(tǒng)的以除氫為主的凈化思路，采取“排雜是除氣的基礎(chǔ)，排雜為主、除氣為輔”的凈化原則，并要避免片面追求低氫含量的傾向，才有利于開發(fā)研制更為有效的鋁液凈化新技術(shù)。
筆者認(rèn)為，凈化技術(shù)好壞的評價標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包括：對夾雜、氣體等的凈化效果如何；對環(huán)境的污染程度如何；處理的工藝、設(shè)備是否簡便和易于推廣；處理的成本是否適宜。
在以除雜為主的凈化方法中，過濾法一般是在除氣后及澆注前進(jìn)行的(如過濾網(wǎng)安放在澆口或流槽等處)，其除雜機(jī)理主要是機(jī)械和物理的作用，對懸浮在熔體中微細(xì)夾雜的排除作用并不顯著，并且難以實現(xiàn)先排雜后除氣的原則；而熔劑法對排雜有良好作用，但其排雜效果很大程度上取決于熔劑本身特性及凈化工藝條件，傳統(tǒng)的處理法是壓人法或覆蓋法，凈化工藝條件差，易造成“死角”，難以發(fā)揮熔劑的作用。盡管目前已出現(xiàn)噴射熔劑法，明顯改善了凈化工藝條件，但是需專用設(shè)備，增加了成本，實際生產(chǎn)中的工藝控制也不穩(wěn)定。
因此，如何利用價廉易得的熔劑高效凈化鋁熔體，并使工藝簡化、易于推廣就顯得十分重要。經(jīng)多年的研究與實踐，我們已獲得了一種新的凈化方法，即高效活性熔劑過濾凈化方法。它將鋁的熔化—熔劑排雜—熔劑過濾結(jié)合起來，實現(xiàn)于熔化的全過程中，無需專用設(shè)備，工藝簡單，操作方便且成本低，凈化效果顯著，除雜率可達(dá)80％左右，針孔率明顯降低，若再輔以除氣，則效果更為顯著。已在廢鋁再生技術(shù)、高性能材料(制罐料)的國產(chǎn)化、用料低品化等系列研究中獲得了實際應(yīng)用，是一種先進(jìn)有效的鋁液凈化方法，開發(fā)出的高效排雜熔劑的環(huán)境污染程度也小。最近，我們又相繼研究開發(fā)出適于工業(yè)純鋁、6063鋁型材、易拉罐用鋁材、壓鑄鋁合金等用的高效排雜熔劑及噴射熔劑，生產(chǎn)現(xiàn)場的應(yīng)用已初見成效。但仍有一些問題需要進(jìn)一步研究解決，如對適于各種鋁合金的高效排雜熔劑組成及處理工藝的合理設(shè)計與優(yōu)化，熔劑過濾凈化機(jī)理的完善等，值得深入探討。同時，目前噴射熔劑普遍采用的仍是以除氣為主的各種精煉劑，急需研究高效排雜噴射熔劑。熔劑過濾凈化方法及其高效排雜系列熔劑的研究開發(fā)將是今后的發(fā)展方向之一。
值得指出的是，凈化處理僅是鋁熔體處理的一重要方面，鋁熔體處理還包括變質(zhì)處理及晶粒細(xì)化處理等。對于一些高性能鋁材，僅通過凈化處理提高鋁液純凈度水平顯然已滿足不了要求，鋁材中雜質(zhì)元素及粗大結(jié)晶組織等的影響已顯得尤為突出。因此提高變質(zhì)及晶粒細(xì)化處理的效果也是鋁熔體處理的研究重點。最近筆者對此進(jìn)行了較系統(tǒng)的探討，研究開發(fā)出高效變質(zhì)添加劑及晶粒細(xì)化劑；同時對凈化、變質(zhì)及晶粒細(xì)化三種處理之間的內(nèi)在聯(lián)系與規(guī)律也進(jìn)行了探討分析，并首次提出了“凈化是鋁熔體處理的關(guān)鍵，是變質(zhì)和細(xì)化的基礎(chǔ)”的熔體處理原則，據(jù)此還獲得了高效鋁熔體綜合處理技術(shù)，顯著提高了鋁材的冶金質(zhì)量和性能。
4 結(jié)論
①鋁熔體受AL2O3夾雜和氫氣的污染是嚴(yán)重的、不可避免的，且AL2O3和氫之間存在著相互依存和作用關(guān)系。影響鋁中氣孔形成的主導(dǎo)因素是AL2O3夾雜。弄清雜氣的行為及其相互關(guān)系的實質(zhì)，對于鋁液凈化工藝的合理設(shè)計極為重要，是改善和提高鋁液凈化效果的理論基礎(chǔ)。
②鋁熔體中AL2O3與氫相互作用的實質(zhì)必須以鋁—雜—氣為體系、以AL2O3的結(jié)構(gòu)特性及液態(tài)金屬的特點為基礎(chǔ)進(jìn)行考察和分析。由此提出了AL2O3與氫相互作用的“寄生機(jī)制”觀點：在鋁—氫系統(tǒng)中的氫，由于濃度等起伏的存在，形成許多微觀富氫區(qū)，某些小區(qū)會借助于雜—氫間的綜合聚集力場的作用，直接或經(jīng)遷移間接地借助夾雜物表面的“吸附窗”為基底寄生形核；形核后造成周圍空間氫的濃度梯度，因平衡擴(kuò)散的結(jié)果，促使氣核長成氣泡。
③分析討論了國內(nèi)外鋁熔體凈化處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并針對目前的凈化方法主要是從除氣角度進(jìn)行設(shè)計，忽視了從AL2O3與氫的相互關(guān)系及對凈化效果的影響作用，制約了各種先進(jìn)除氫技術(shù)作用的充分發(fā)揮等現(xiàn)狀，在對AL2O3與氫的“寄生機(jī)制”分析的基礎(chǔ)上，突破傳統(tǒng)凈化思路的束縛，首次明確提出了“排雜是除氣的基礎(chǔ)，排雜為主、除氣為輔”的凈化工藝設(shè)計原則。據(jù)此研究開發(fā)出了熔劑過濾凈化方法及相應(yīng)的高效排雜凈化熔劑，對于廢鋁再生、罐用鋁材等具有顯著的凈化效果。該方法及其高效排雜系列溶液的研發(fā)將是提高熔體凈化效果的主要途徑和發(fā)展方向之一
摘 要：本文全面介紹了鋁熔體凈化處理的理論基礎(chǔ)、技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及提高凈化效果的主要途徑。作者在分析鋁熔體中夾雜物與氫的行為及其相互作用關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了AL2O3與氫相互作用的“寄生機(jī)制”觀點及“排雜是除氣的基礎(chǔ)”的鋁液凈化原則，據(jù)此研究開發(fā)出了新的熔劑過濾凈化方法及相應(yīng)的高效排雜凈化熔劑，獲得了顯著的實際凈化效果。
關(guān)鍵詞：鋁熔體；凈化處理技術(shù)；理論基礎(chǔ)；發(fā)展現(xiàn)狀；寄生機(jī)制；熔劑過濾凈化法
