常用的几种铝合金熔体除碱技术简介
黄其
【摘要】The paper presented several common processes for removing alkali from aluminum melts,and it analyzed the source and harm of alkali metal in aluminum melts;it summarized respective advantages and disadvantages by comparing these processes,providing manufacturers with reference for selecting appropriate process to improve the quality of the melts.%简单介绍了几种用于铝合金熔体的除碱技术，分析了铝熔体中碱金属的来源及危害，并通过几种除碱技术的对比，得出各自的优缺点，便于生产厂家选择适合的除碱技术，提高熔体质量。
【期刊名称】《有色金属加工》
【年(卷),期】2016(045)004
【总页数】3页(P37-39)
【关键词】铝合金;熔体处理;碱金属;除碱
【作者】黄其
【作者单位】中色科技股份有限公司，河南洛阳471039
【正文语种】中文
【中图分类】TG243
铝合金熔体中会含有或多或少的气体、各种非金属夹杂物及其他有害金属，这些杂质的存在会直接影响到铝合金的品质，使铸锭产生如疏松、气孔、夹渣等缺陷，继
而对下游加工产品的力学性能、加工性能、抗腐蚀性能、表面处理性能及产品外观等造成不良影响。
为了克服上述不良影响，在铝合金熔铸生产中，熔体净化就变得极为重要。
而铝合金熔体除碱是熔体净化的重要组成部分，同时对于采用电解铝液直接配料的生产方式，除碱就变得十分必要。
本文分析了铝熔体中碱金属的来源及危害，对常用的几种铝合金熔体除碱技术进行简要介绍。
在铝合金熔铸生产中，碱金属主要是指锂、钠、钾元素，其来源主要有以下几种途径。
1.1 原料用铝
铝合金熔铸生产中，使用的电解铝液或者重熔用铝锭均来源于电解铝厂。
(1)钠(Na)。
在电解铝生产过程中，冰晶石(Na3AlF6)、氟化钠(NaF)等含钠介质的使用，使电解铝液中存在一定含量的钠，其含量可达80ppm，实际生产中钠含量则控制在30～60ppm[1]；重熔用铝锭中钠含量一般在8～15ppm，个别达到23ppm[2]；
钠元素主要来源于下列反应过程：
Na3AlF6
3XF+Al=3X+AlF3 (2，式中X代表碱金属)
(2)锂(Li)。
电解铝生产时，为改善电解质的化学物理或电化学性能，会添加CaF、LiF及MgF2等添加剂。
同时，多数情况下，电解铝原料氧化铝中本身即存在少量的Ca、Li及Mg元素[3]；
(3)钾(K)。
主要来源于电解铝生产中生产原料及辅料中的杂质。
1.2 精炼剂
铝合金常用精炼剂中大部分都含有金属钠、钾离子，精炼剂组成成分主要为
Na3AlF6、NaCl、KCl及少量NaF等。
表1为某国产精炼剂各元素含量，其主要反应同式(1)、(2)。
1.3 变质剂
铝合金常用的变质剂为钠盐变质剂，其主要成分为NaF及NaCl，还含有部分
Na3AlF6及KCl，其主要反应同式(1)、(2)。
1.4 覆盖剂
一般铝合金熔体覆盖剂主要成分为NaCl及KCl。
考虑到NaCl、KCl在铝熔体中较为稳定，几乎不会与铝液反应产生钠离子，其将主要以化合物固体颗粒夹杂的形式存在于铝熔体中，覆盖剂内碱金属以离子形态进入铝熔体的影响可忽略不计。
碱金属元素中，锂元素可以用作铝合金强化元素，作用是降低铝合金密度，提高铝合金弹性模量。
其他情况下，碱金属元素是以杂质的形式在铝熔体中存在，这些杂质碱金属通过与其他杂质元素相互间的物理化学作用，将会改变材料的组织结构和相组成，从而影响铝合金的力学、加工、表面处理等一系列性能。
在铝熔体碱金属中，危害最大的是指钠元素(Na)。
钠元素对铝合金铸造的危害，主要包括两方面[4]：(1)增大铸造时铝合金粘度，增加铸造时铸锭拉裂倾向，破坏铸锭表面质量；(2)引起“钠脆”现象。
当铝合金中存在钠时，钠将会游离并最终吸附在枝晶或晶界上，使铝合金的脆性增加，导致铸造时出现裂纹，或者在下游深加工工艺如热轧时开裂。
“钠脆”现象对高镁合金危害尤为严重，为防止发生NaAlSi+Mg→Mg2Si+Na(游离)+Al反应，实际生产中不容许使用钠盐熔剂。
由于钠元素是主要的碱金属危害元素，因此铝熔体除碱的效果主要通过钠含量的变化为定量判断依据。
一般来说，铝合金熔体净化后，碱金属钠的含量应控制在
5ppm以内。
对Mg含量较高的Al-Mg系合金，Na的限制更加严格，5182合金中，几个ppm钠即可能导致热轧裂纹。
铝合金熔体除碱技术可以分为炉前除碱技术、炉内除碱技术和炉后除碱技术3种。
生产中可以根据所生产的合金品种选择一种或多种相结合的除碱技术，来确保控制熔体内的碱金属含量。
3.1 炉前除碱技术
电解铝液炉前预处理技术，是指在电解铝液进入炉子之前，使用炉外独立的设备进行除碱。
国外某几家公司生产的处理设备采用了该技术，并已在国外得到了广泛应用。
该设备由铝液包基座、氟化铝供应系统、转子系统及除尘系统组成。
除碱过程为，将专用的可开盖式密封铝液包输送至设备基座上，开启铝液包上盖后，除碱设备上带有转子系统的抬包盖盖住铝液包，转子系统以氩气为传输介质，将氟化铝喷入铝液包铝液中，使其在熔体内部均匀扩散而不影响到铝液表面。
通过反应
3X+AlF3=3XF+Al(X代表碱金属)，将钠及锂、钾、钙金属带到熔体表面。
除碱后的铝熔体在注入炉子时，是通过压力将电解铝液从抬包接近底部的位置压出，且每次均会留一部分铝液在抬包内，因此抬包中浮在铝熔体表面的渣将不会进入炉子。
这一系统可以做到高效率除锂、钠、钾等碱金属以及钙金属，处理时间比在炉内除碱更快(每分钟使熔体内钠含量减半，如钠含量60ppm的熔体，可在5min内处
理至2ppm，即60ppm30ppm15ppm7.5ppm3.75ppm1.875ppm)，同时也能
高效率除碳化物及氧化物，减少在炉子内处理的时间。
另外，相比较炉体内除碱过程中需要热能保持熔体温度，电解铝液炉前处理技术可以减少这部分能量消耗。
3.2 炉内除碱技术
铝熔铸生产过程中，能够做到除去铝熔体中碱金属的方法为在保温炉内使用氯气、含氯精炼剂(如六氯乙烷、四氯化碳等)或含氟化物精炼剂，对熔体进行精炼处理。
然而，在使用氯气、氯化物或者氟化物的过程中，会有浮出铝熔体的氯气气体，以及与碱金属反应后生成的氯气、氟化氢，受热气化的六氯乙烷、四氯化碳气体产生，
会严重损害炉子内衬，缩短炉子使用寿命；其次，会对生产操作人员产生职业病危害，导致慢性氟中毒、气管-支气管炎、肺炎或肺水肿等职业病；最后，炉内熔体净化处理无法保证精炼气体/精炼剂与铝熔体的充分接触，对铝合金熔体的除碱净化相当有限。
目前，炉内针对性的除碱处理(如氯气、六氯乙烷、四氯化碳)已很少运用，炉内净化的重点集中在炉内除氢、除渣工艺，在这些净化处理过程中如精炼剂中含有氯化物，则可以达到一定的除碱效果。
3.3 炉后除碱技术
炉后净化，即铝熔体在线净化技术。
该技术是在铝熔体出炉后、铸造前通过在线精炼装置对熔体进行精炼处理。
为了达到除碱目的，精炼气体中加入了氯气，其基本除碱原理为使用高压喷嘴将氮气、氯气混合气体或氩气、氯气混合气体喷入设备中铝熔体底部，细小的气泡在上浮过程中与铝熔体充分接触，发生化学反应2X++Cl2=2XCl(X代表碱金属)，从而将钠、锂、钙等离子除去。
对于钠、锂、钙金属含量不超过10ppm的铝熔体，采用炉后除碱技术的除碱效果均能保证在5ppm内，甚至达到3ppm，如使用串联的两台在线精炼装置，除碱效果能够达到2ppm以下。
以上3种除碱技术的比较见表2。
随着电解铝液配料在铝熔铸生产中的推广，铝熔体除碱技术得到更多应用。
在现实生产中，生产厂家可以灵活地结合各种铝熔体净化技术，如当使用电解铝液配料生产铝合金铸锭时，可以使用炉前除碱+炉内除杂质+炉后除氢除杂的组合；当使用重熔用铝锭配料时，使用炉内除杂质+炉后除氢除碱除杂的组合，来提高铝熔体质量。
【相关文献】
[1] 武元，梁鲁清．电解铝液直接生产1235合金双零箔铸轧坯料的工艺研究与实践[J]．铝加工，2015，(5)：38．
[2] 黄世恒．Al-Mg合金钠脆问题工艺研究[J]．企业技术开发，2014，33(12)：135．
[3] 张芬萍，铝电解过程中的杂质及其控制[J].铝镁通讯，2015，(3)：40.
[4] 迟福全，王立娟，彭先亮．Na元素对铝合金铸造性能的影响[J]．轻合金加工技术，2002，30(8)：14.
[5] 肖亚庆．铝加工技术实用手册[M]．北京：冶金工业出版社，2004：。