一、鋁合金的熔煉特性
鋁合金的熔煉具有消耗熱量多、易氧化、易吸氫、容易吸收雜質(zhì)金屬等特性。
1) 消耗熱量多
鋁的熔點(diǎn)雖低，但熔化潛熱大，比熱大，黑度小，對(duì)熱的反射強(qiáng)，和其他常用金屬如鐵、銅相比較，熔化時(shí)消耗熱量多(見表2–1–1)。
鋁合金的熔煉具有消耗熱量多、易氧化、易吸氫、容易吸收雜質(zhì)金屬等特性。
1) 消耗熱量多
鋁的熔點(diǎn)雖低，但熔化潛熱大，比熱大，黑度小，對(duì)熱的反射強(qiáng)，和其他常用金屬如鐵、銅相比較，熔化時(shí)消耗熱量多(見表2–1–1)。
表2—1—1鐵、銅、鋁的熱特性比較
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金屬 |
密度
/g·cm-3
|
比熱容
/KJ·(kg·K) -1
|
熔點(diǎn)
/℃
|
熔化潛熱
/kJ·kg-1
|
加熱到熔點(diǎn)
所需熱量
/kJ·kg-1
|
加熱到熔點(diǎn)+100℃所需熱量/kJ·kg-1
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黑度
|
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鐵固相
液相
|
7.36
6.90
|
0.691
0.867
|
1536
|
272
|
1319
|
1407
|
0.8
|
|
銅固相
液相
|
8.62
8.36
|
0.481
0.544
|
1083
|
214
|
724
|
779
|
0.8
|
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鋁固相
液相
|
2.55
2.38
|
1.139
1.047
|
660
|
394
|
1122
|
1227
|
0.2
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2)易氧化
鋁對(duì)氧有很大的親和力(見表2–1–2)，它能很快氧化，生成Al2O3。在熔體表面形成的氧化鋁薄膜雖然有保護(hù)作用，但一旦破壞，氧化膜進(jìn)入熔體，便很難除去。因?yàn)橐粍tAl2O3不易還原，二則它的密度與熔體相近。它懸浮在熔體里，隨熔體進(jìn)入鑄錠中，給加工材品質(zhì)帶來不利影響。更為嚴(yán)重的是，鋁的氧化物是各種氣體的良好載體，它的存在會(huì)使鋁熔體大量吸氫。因此，盡可能減少氧化是鋁合金熔煉過程中的一個(gè)重要問題。
鋁對(duì)氧有很大的親和力(見表2–1–2)，它能很快氧化，生成Al2O3。在熔體表面形成的氧化鋁薄膜雖然有保護(hù)作用，但一旦破壞，氧化膜進(jìn)入熔體，便很難除去。因?yàn)橐粍tAl2O3不易還原，二則它的密度與熔體相近。它懸浮在熔體里，隨熔體進(jìn)入鑄錠中，給加工材品質(zhì)帶來不利影響。更為嚴(yán)重的是，鋁的氧化物是各種氣體的良好載體，它的存在會(huì)使鋁熔體大量吸氫。因此，盡可能減少氧化是鋁合金熔煉過程中的一個(gè)重要問題。
表2—1—2鋁合金中常見元素氧化物的生成熱和750℃時(shí)的分解壓①
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元素 |
Mg
|
Be
|
Al
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Si
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Mn
|
Zn
|
Fe
|
Ni
|
Cu
|
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氧化物
生成熱/kJ·(mol－O2)–1
分解壓/Pa
|
MgO
1008
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BeO
997
10–46.2
|
A1203
908
10–40.3
|
Si02
606
10–27
|
MnO
539
10–25
|
Zn0
528
|
FeO
394
10–15
|
NiO
245
10–9.6
|
Cu20
191
10–4.6
|
注：①在25℃和l個(gè)大氣壓時(shí)，由單質(zhì)生成1摩爾的化合物所放出或吸收的熱量叫該生成化合物的生成熱。固體或液體分解生成氣體的多相反應(yīng)在平衡時(shí)的壓強(qiáng)叫分解壓。某物質(zhì)發(fā)生分解反應(yīng)時(shí)如果只有一個(gè)生成物是氣體，則平衡時(shí)氣體產(chǎn)物的壓強(qiáng)就叫該物質(zhì)的分解壓。比較各元素純氧化物的生成熱或分解壓大小就可以估計(jì)鋁合金中各元素氧化的難易程度。生成熱越大，或分解壓越小，則該元素的氧化物越穩(wěn)定，或者說越易氧化。
3)易吸氣
鋁及鋁合金的吸氣能力較強(qiáng)(主要是吸氫的能力)，特別是在有水蒸氣或還原性氣氛的爐氣中。鋁及鋁合金的吸氫絕對(duì)量雖然不大，但在熔點(diǎn)時(shí)，氫在固相和液相中的溶解度相差很大(見圖2–1–1)，鑄錠結(jié)晶時(shí)形成氣孔和疏松的傾向性很大。因此，盡可能減少吸氫是鋁及鋁合金熔煉的又一個(gè)重要問題。
3)易吸氣
鋁及鋁合金的吸氣能力較強(qiáng)(主要是吸氫的能力)，特別是在有水蒸氣或還原性氣氛的爐氣中。鋁及鋁合金的吸氫絕對(duì)量雖然不大，但在熔點(diǎn)時(shí)，氫在固相和液相中的溶解度相差很大(見圖2–1–1)，鑄錠結(jié)晶時(shí)形成氣孔和疏松的傾向性很大。因此，盡可能減少吸氫是鋁及鋁合金熔煉的又一個(gè)重要問題。
圖2—1—1在1 atm下，氫在鋁中的溶解度與溫度的關(guān)系②
4)容易吸收金屬雜質(zhì)
鋁及鋁合金中的一些合金化元素具有很高的化學(xué)活性，它們不僅能吸收直接從鐵質(zhì)坩堝和工具中溶解的鐵，而且還能從爐襯的許多氧化物中和熔劑的許多氯鹽中置換出鐵、硅、鋅等金屬雜質(zhì)。這些金屬雜質(zhì)一旦進(jìn)入鋁熔體，便無法清除。而且熔煉次數(shù)越多，雜質(zhì)含量越高，對(duì)合金性能影響越大，嚴(yán)重時(shí)使純鋁品位降級(jí)，使合金成分超標(biāo)而報(bào)廢。因此、防止金屬雜質(zhì)的污染是鋁及鋁合金熔煉時(shí)的第三個(gè)重要問題。
鋁及鋁合金中的一些合金化元素具有很高的化學(xué)活性，它們不僅能吸收直接從鐵質(zhì)坩堝和工具中溶解的鐵，而且還能從爐襯的許多氧化物中和熔劑的許多氯鹽中置換出鐵、硅、鋅等金屬雜質(zhì)。這些金屬雜質(zhì)一旦進(jìn)入鋁熔體，便無法清除。而且熔煉次數(shù)越多，雜質(zhì)含量越高，對(duì)合金性能影響越大，嚴(yán)重時(shí)使純鋁品位降級(jí)，使合金成分超標(biāo)而報(bào)廢。因此、防止金屬雜質(zhì)的污染是鋁及鋁合金熔煉時(shí)的第三個(gè)重要問題。
熔煉是使金屬合金化的一種方法。它是采用加熱的方式改變金屬物態(tài)，使基體金屬和合金化組元按要求的配比熔制成成分均勻的熔體，并使其滿足內(nèi)部純潔度、鑄造溫度和其他特定要求的一種工藝過程。熔體的品質(zhì)對(duì)鋁材的加工性能和最終使用性能產(chǎn)生決定性的影響，如果熔體品質(zhì)先天不足，將給制品的使用帶來潛在的危險(xiǎn)，因此，熔煉又是對(duì)加工制品的品質(zhì)起支配作用的一道關(guān)鍵工序。
變形鋁合金典型的熔煉工藝流程如下：熔爐準(zhǔn)備→爐料準(zhǔn)備→配料→裝爐→熔化→加銅加鋅→熔化后扒渣→加鎂加鈹→攪拌→取樣分析→調(diào)整成分→攪拌→扒渣→倒?fàn)t→精煉→扒渣覆蓋→靜置調(diào)溫→爐前測氫→出爐→清爐
上述工藝流程通常是在一臺(tái)熔煉爐和一臺(tái)靜置爐中完成的。其中，熔煉爐擔(dān)負(fù)熔化和調(diào)整成分的任務(wù)，靜置爐擔(dān)負(fù)凈化熔體和保溫的任務(wù)。這樣配置設(shè)備的好處是能充分發(fā)揮熔煉爐的生產(chǎn)效率，既保證熔煉品質(zhì)，又提高產(chǎn)量。有些工廠將上述工藝流程，全放在一臺(tái)爐子中完成，此時(shí)，爐子擔(dān)負(fù)著熔煉和靜置的雙重任務(wù)，稱為熔煉保溫爐。如果爐子是單膛的，則這樣配置設(shè)備不能充分發(fā)揮熔煉爐的生產(chǎn)效率，能耗較大。另外，國內(nèi)還有個(gè)別工廠采用在火焰反射爐中熔化，而后用澆包將鋁水轉(zhuǎn)入電阻反射爐中調(diào)整成分和溫度，再在靜置爐中凈化熔體和保溫的工藝流程。這樣的設(shè)備配置要占用三臺(tái)爐子，而且液態(tài)金屬轉(zhuǎn)注次數(shù)多，轉(zhuǎn)注時(shí)間也較長使熔體嚴(yán)重污染，熔損增大，轉(zhuǎn)注用的澆包還需專用設(shè)備加熱，因此，從品質(zhì)、產(chǎn)量、能耗上都是十分不利的。
目前國內(nèi)鋁材行業(yè)采用的熔煉方法大致有分批熔煉法和半連續(xù)熔煉法兩種。分批熔煉法指以一個(gè)熔次為一個(gè)周期，從裝爐、熔化開始至精煉、倒?fàn)t結(jié)束，一爐一清的熔煉方法。此法多適用于生產(chǎn)品質(zhì)要求較高而批量又不太大的成品合金，以保證化學(xué)成分的準(zhǔn)確和均勻。通常，所有特殊制品，即所有合金的鍛件和模鍛件；用于航空制造業(yè)的飛機(jī)大梁型材、階段變斷面型材和小空心大梁型材；
用于原子能工業(yè)的合金制品等均采用這種方法熔煉。半連續(xù)熔煉法指以相同合金為一個(gè)生產(chǎn)周期，每次出爐量只有熔爐中熔體總量的二分之一至三分之一，隨即再裝入比上述稍多的新爐料繼續(xù)熔化的方法。該法的優(yōu)點(diǎn)是爐料浸沒在熔體中，不僅減少了燒損，而且提高了熔化速度，同時(shí)爐內(nèi)溫度波動(dòng)不大，對(duì)爐底保護(hù)作用好，有利于提高爐齡。缺點(diǎn)是需要對(duì)成分進(jìn)行有效控制，且爐內(nèi)總有剩料，易造成局部過熱，使鑄錠產(chǎn)生粗大晶粒的傾向性增大。該法適用于熔煉批量大、爐料品位較低、對(duì)熔體品質(zhì)無特殊要求的合金制品。通常，純鋁制品、6063建材制品及以回爐廢料為主要爐料的合金制品均采用此法熔煉。
