CN104232968B - 2xxx系铝合金大规格铸锭除气精炼的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种2XXX系铝合金大规格铸锭除气精炼的方法，其方法包括熔炼、精炼、一级在线除气和二级在线除气等步骤，采用多种工艺相结合，可以将2XXX系铝合金大规格铸锭中的H含量控制在0.07ml/100gAl以下，能够显著提高除气效率和除气质量，得到无裂纹、疏松、针状气孔、夹杂等铸造缺陷2XXX系铝合金大规格铸锭，使铸锭成品率达到90%以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金加工领域，具体涉及一种2XXX系铝合金大规格铸锭除气精炼的方法。
背景技术
铝及铝合金材料由于具有密度小、比强度高、比刚度高、弹性好、抗冲击性能良好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易表面着色、易加工、可回收再生等优良特性，广泛用于交通运输、包装容器、建筑装饰、航空航天、机械电器、电子通讯、石油化工等行业。尤其在航空航天工业中，由于铝材是首选的轻量化结构材料，因此用量非常大。在飞机用材中，铝材用量约占80%以上。航空航天器具有高机动性、高载荷、高抗压和高耐疲劳及高速与高可靠性的特点，因此对铝合金冶金质量要求严格。
随着国内大飞机国产化进程的加快和载人航天工程的推进，对大规格高性能航空航天用2XXX系铝合金产品质量要求越来越高，不但要求铸锭要有好的铸造成型性能和冶金质量，而且对气体（氢）等冶金质量缺陷的控制越来越严。气体（氢）的存在会直接影响到铝合金产品的强度、塑性变形性能及最终的使用性能。铝合金的高效除氢精炼一直是国内外铝加工业攻克的难题,在线除气技术也是在各大铝合金企业得到了重点的发展和研究。
目前铝熔体在线除氢净化方法较好的主要有：如美国联合碳化物公司SNIF法，法国彼西涅公司ALPUR法，英国联合铝业公司RDU法，Alcoa469法，Alcoa181法，英国铝业公司FILD法，美国联合铝业公司MINT法等多种方法；这些方法各有特色，其主要是通过铝熔体直接与吸附剂（各种气体、液体、固体精炼剂及过滤介质）相接触，使吸附剂与熔体中的气体与固体氧化夹杂物发生物理化学的，物理的或机械的作用，达到除气除杂的目的，但除气效果差别不显著。20世纪90年代以来，国内铝熔体洁净化技术有了较大的提高，硬铝中的氢含量能达到0.12-0.14ml/100g·Al水平，10μm夹渣可除去90%以上；实验室的水平更高一些。西南铝业(集团)有限责任公司的在线除气和氢含量检测等技术在国内是先进的。但在整体上，我国铝熔体洁净化技术与水平同国际先进水平相比，还有较大差距。
国内现在使用的在线除氢净化技术如传统的吹气法（气泡浮游法）只能满足某方面的条件，难以满足净化的各项要求。而过滤法虽然可以去除熔体中的夹杂物，但除氢效果甚微。溶剂法是使用的比较广泛的除气方法，但是各种覆盖剂、除气剂的重复使用造成溶剂成本增高，同时也会人为的增加引入新的杂质的几率。真空处理是降低铝熔体中氢含量的最有效的办法，但其所需真空设备价格昂贵，同时造成熔体温度损失较大，除杂能力也极为有限，在工业生产中很少采用，目前国内的除氢技术主要来源于发达国家，自主创新的技术不多。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种能够显著提高除气效率和除气质量，消除2XXX系铝合金大规格铸锭的裂纹、缩孔、针状气孔、夹杂等铸造缺陷的方法，使铝熔体除氢率达到70%以上，铸锭成品率达到90%以上。
本发明是这样实现的：
一种2XXX系铝合金大规格铸锭除气精炼的方法,其特征在于：包括熔炼、精炼、一级在线除气和二级在线除气等步骤，步骤如下：
（1）熔炼：将纯度达99.75%及以上的铝锭投入熔炼炉中进行熔炼，按配比称重好并装炉后，采用热能效率和密闭性好的蓄热式喷嘴熔铝炉进行熔炼，在熔炼过程中用电磁搅拌加速熔炼速度，并用扒渣车对铝液夹渣进行扒渣操作，扒渣时间小于45分钟，扒渣后取样进行成分分析，然后调整合金成分，使其合金成分达到要求，铝液在熔炼炉内时间低于8h。
（2）精炼：将铝液加热至720～760℃后转至保温炉内保温、静置，并进行易烧损合金元素的添加，再进行炉内精炼；铝液转入保温炉后，开启电磁搅拌，并重新加热至720～760℃，合金成分合格后进行初级精炼，采用氯气和氩气混合气体精炼，氯气流量.01-0.18m3/h，氯气压力为50-650Kpa，氩气流量0.1-10m3/h，氩气压力100-980Kpa，精炼时间为10～30min，精炼过程中需要对铝液表面的浮渣进行清理，精炼完成后停止电磁搅拌。
（3）一级在线除气：炉内精炼完成后，在一级铝液流槽使用在线测氢仪测定铝熔体的液态氢含量，将铝液转至一级除气装置，一级除气装置将氯气和氩气混合气体通过转子进行搅拌形成微小弥散的气泡，气泡上浮过程中吸附铝液中的游离氢和有害物质，除气过程中铝液温度保持在720～750℃之间，完成一级在线除气除渣。
（4）二级在线除气：铝液经过一级除气装置后，将铝液转至二级除气装置，二级除气装置将氩气通过转子进行搅拌形成微小弥散的气泡，气泡上浮过程中吸附铝液中的游离氢和有害物质，除气过程中铝液温度保持在720～750℃之间，完成二级在线除气除渣，最后在二级铝液流槽中使用在线测氢仪测定铝熔体的液态氢含量。
以上所述的一级在线除气的工艺条件为：转子转速300-500Rpm，氯气压力20-300Kpa，氯气流量0.01-2m3/h，氩气压力50-500Kpa，氩气流量0.05-6m3/h。
以上所述的二级在线除气的工艺条件为：转子转速300-500Rpm，氩气压力50-500Kpa，氩气流量0.05-6m3/h。
本发明2XXX系铝合金大规格铸锭除气精炼的设备，其特征在于：包括倾动式保温炉、除气柜、一级铝液流槽、一级在线除气装置、二级在线除气装置、二级铝液流槽和在线过滤槽，所述的倾动式保温炉、一级铝液流槽、一级在线除气装置、二级在线除气装置、二级铝液流槽和在线过滤槽依次连接，在倾动式保温炉内设有精炼枪；除气精炼设备还包括除气柜，所述的精炼枪通过精炼混合气体管路与除气柜连接。
以上所述的一级在线除气装置通过除气混合气体管路与除气柜连接，所述的二级在线除气装置通过除气氩气管路与除气柜连接。
以上所述的在线过滤槽内设有陶瓷过滤板。
本发明的突出的实质性特点和显著的进步是：
1、本发明的2XXX系铝合金大规格铸锭除气精炼的方法在除气过程中采用二级除气，使得除气的效果更好，可以将2XXX系铝合金大规格铸锭中的H含量控制在0.07ml/100gAl以下，能够满足未来航空航天用铝合金质量要求。
2、本发明的2XXX系铝合金大规格铸锭除气精炼的方法采用多种工艺相结合，能够显著提高除气效率和除气质量，得到无裂纹、疏松、针状气孔、夹杂等铸造缺陷2XXX系铝合金大规格铸锭，使铸锭成品率达到90%以上。
3、本发明的2XXX系铝合金大规格铸锭除气精炼设备结构设计合理，制作成本低，使用寿命长，维修方便。
附图说明
图1是本发明2XXX系铝合金大规格铸锭除气精炼设备结构示意简图。
附图标记名称及序号说明：
倾动式保温炉1、精炼枪2、除气柜3、一级铝液流槽4、一级在线除气装置5、二级在线除气装置6、二级铝液流槽7、在线过滤槽8、除气混合气体管路9、除气氩气管路10、精炼混合气体管路11。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明2XXX系铝合金大规格铸锭除气精炼的方法作进一步的说明。
如图1所示，为2XXX系铝合金大规格铸锭除气精炼设备，包括倾动式保温炉1、精炼枪2、除气柜3、一级铝液流槽4、一级在线除气装置5、二级在线除气装置6、二级铝液流槽7、在线过滤槽8、除气混合气体管路9、除气氩气管路10和精炼混合气体管路11，所述的倾动式保温炉1、一级铝液流槽4、一级在线除气装置5、二级在线除气装置6、二级铝液流槽7和在线过滤槽8依次连接，在倾动式保温炉1内设有精炼枪2，所述的精炼枪2通过精炼混合气体管路11与除气柜3连接，所述的一级在线除气装置5通过除气混合气体管路9与除气柜3连接，所述的二级在线除气装置6通过除气氩气管路10与除气柜3连接，所述的在线过滤槽8内设有陶瓷过滤板。
实施例1
以生产2219铝合金为例：
（1）熔炼：将纯度达99.75%及以上的铝锭投入熔炼炉中进行熔炼，按配比称重好并装炉后，采用热能效率和密闭性好的蓄热式喷嘴熔铝炉进行熔炼，在熔炼过程中用电磁搅拌加速熔炼速度，并用扒渣车对铝液夹渣进行扒渣操作，扒渣时间42分钟，扒渣后取样进行成分分析，然后调整合金成分，使其合金成分达到要求，铝液在熔炼炉内时间低于7。
（2）精炼：将铝液加热至720℃后转至保温炉内保温、静置，并进行易烧损合金元素的添加，再进行炉内精炼；铝液转入保温炉后，开启电磁搅拌，并重新加热至720℃，合金成分合格后进行初级精炼，采用氯气和氩气混合气体精炼，氯气流量0.01m3/h，氯气压力为50Kpa，氩气流量0.1m3/h，氩气压力100Kpa，精炼时间为10min，精炼过程中需要对铝液表面的浮渣进行清理，精炼完成后停止电磁搅拌。
（3）一级在线除气：炉内精炼完成后，在一级铝液流槽使用在线测氢仪测定铝熔体的液态氢含量，将铝液转至一级除气装置，一级除气装置将氯气和氩气混合气体通过转子进行搅拌形成微小弥散的气泡，气泡上浮过程中吸附铝液中的游离氢和有害物质，除气过程中铝液温度保持在720℃，完成一级在线除气除渣，工艺条件为：转子转速300Rpm，氯气压力20Kpa，氯气流量0.01m3/h，氩气压力50Kpa，氩气流量0.05m3/h。
（4）二级在线除气：铝液经过一级除气装置后，将铝液转至二级除气装置，二级除气装置将氩气通过转子进行搅拌形成微小弥散的气泡，气泡上浮过程中吸附铝液中的游离氢和有害物质，除气过程中铝液温度保持在720℃，完成二级在线除气除渣，工艺条件为：转子转速300Rpm，氩气压力50Kpa，氩气流量0.05m3/h，最后在二级铝液流槽中使用在线测氢仪测定铝熔体的液态氢含量。
实施例2
以生产2219铝合金为例：
（1）熔炼：将纯度达99.75%及以上的铝锭投入熔炼炉中进行熔炼，按配比称重好并装炉后，采用热能效率和密闭性好的蓄热式喷嘴熔铝炉进行熔炼，在熔炼过程中用电磁搅拌加速熔炼速度，并用扒渣车对铝液夹渣进行扒渣操作，扒渣时间40分钟，扒渣后取样进行成分分析，然后调整合金成分，使其合金成分达到要求，铝液在熔炼炉内时间低于7.5。
（2）精炼：将铝液加热至730℃后转至保温炉内保温、静置，并进行易烧损合金元素的添加，再进行炉内精炼；铝液转入保温炉后，开启电磁搅拌，并重新加热至730℃，合金成分合格后进行初级精炼，采用氯气和氩气混合气体精炼，氯气流量0.10m3/h，氯气压力为150Kpa，氩气流量2m3/h，氩气压力300Kpa，精炼时间为20min，精炼过程中需要对铝液表面的浮渣进行清理，精炼完成后停止电磁搅拌。
（3）一级在线除气：炉内精炼完成后，在一级铝液流槽使用在线测氢仪测定铝熔体的液态氢含量，将铝液转至一级除气装置，一级除气装置将氯气和氩气混合气体通过转子进行搅拌形成微小弥散的气泡，气泡上浮过程中吸附铝液中的游离氢和有害物质，除气过程中铝液温度保持在730℃，完成一级在线除气除渣，工艺条件为：转子转速350Rpm，氯气压力100Kpa，氯气流量0.5m3/h，氩气压力150Kpa，氩气流量2m3/h。
（4）二级在线除气：铝液经过一级除气装置后，将铝液转至二级除气装置，二级除气装置将氩气通过转子进行搅拌形成微小弥散的气泡，气泡上浮过程中吸附铝液中的游离氢和有害物质，除气过程中铝液温度保持在730℃，完成二级在线除气除渣，工艺条件为：转子转速380Rpm，氩气压力200Kpa，氩气流量2m3/h，最后在二级铝液流槽中使用在线测氢仪测定铝熔体的液态氢含量。
实施例3
以生产2124铝合金为例：
（1）熔炼：将纯度达99.75%及以上的铝锭投入熔炼炉中进行熔炼，按配比称重好并装炉后，采用热能效率和密闭性好的蓄热式喷嘴熔铝炉进行熔炼，在熔炼过程中用电磁搅拌加速熔炼速度，并用扒渣车对铝液夹渣进行扒渣操作，扒渣时间35分钟，扒渣后取样进行成分分析，然后调整合金成分，使其合金成分达到要求，铝液在熔炼炉内时间低于6.5h。
（2）精炼：将铝液加热至740℃后转至保温炉内保温、静置，并进行易烧损合金元素的添加，再进行炉内精炼；铝液转入保温炉后，开启电磁搅拌，并重新加热至740℃，合金成分合格后进行初级精炼，采用氯气和氩气混合气体精炼，氯气流量0.15m3/h，氯气压力为400Kpa，氩气流量5m3/h，氩气压力600Kpa，精炼时间为25min，精炼过程中需要对铝液表面的浮渣进行清理，精炼完成后停止电磁搅拌。
（3）一级在线除气：炉内精炼完成后，在一级铝液流槽使用在线测氢仪测定铝熔体的液态氢含量，将铝液转至一级除气装置，一级除气装置将氯气和氩气混合气体通过转子进行搅拌形成微小弥散的气泡，气泡上浮过程中吸附铝液中的游离氢和有害物质，除气过程中铝液温度保持在740℃，完成一级在线除气除渣，工艺条件为：转子转速400Rpm，氯气压力200Kpa，氯气流量1m3/h，氩气压力400Kpa，氩气流量4m3/h。
（4）二级在线除气：铝液经过一级除气装置后，将铝液转至二级除气装置，二级除气装置将氩气通过转子进行搅拌形成微小弥散的气泡，气泡上浮过程中吸附铝液中的游离氢和有害物质，除气过程中铝液温度保持在740℃，完成二级在线除气除渣，工艺条件为：转子转速400Rpm，氩气压力400Kpa，氩气流量4m3/h，最后在二级铝液流槽中使用在线测氢仪测定铝熔体的液态氢含量。
实施例4
以生产2124铝合金为例：
（1）熔炼：将纯度达99.75%及以上的铝锭投入熔炼炉中进行熔炼，按配比称重好并装炉后，采用热能效率和密闭性好的蓄热式喷嘴熔铝炉进行熔炼，在熔炼过程中用电磁搅拌加速熔炼速度，并用扒渣车对铝液夹渣进行扒渣操作，扒渣时间38分钟，扒渣后取样进行成分分析，然后调整合金成分，使其合金成分达到要求，铝液在熔炼炉内时间低于6h。
（2）精炼：将铝液加热至760℃后转至保温炉内保温、静置，并进行易烧损合金元素的添加，再进行炉内精炼；铝液转入保温炉后，开启电磁搅拌，并重新加热至760℃，合金成分合格后进行初级精炼，采用氯气和氩气混合气体精炼，氯气流量0.18m3/h，氯气压力为650Kpa，氩气流量10m3/h，氩气压力980Kpa，精炼时间为30min，精炼过程中需要对铝液表面的浮渣进行清理，精炼完成后停止电磁搅拌。
（3）一级在线除气：炉内精炼完成后，在一级铝液流槽使用在线测氢仪测定铝熔体的液态氢含量，将铝液转至一级除气装置，一级除气装置将氯气和氩气混合气体通过转子进行搅拌形成微小弥散的气泡，气泡上浮过程中吸附铝液中的游离氢和有害物质，除气过程中铝液温度保持在750℃，完成一级在线除气除渣，工艺条件为：转子转速500Rpm，氯气压力300Kpa，氯气流量2m3/h，氩气压力500Kpa，氩气流量6m3/h。
（4）二级在线除气：铝液经过一级除气装置后，将铝液转至二级除气装置，二级除气装置将氩气通过转子进行搅拌形成微小弥散的气泡，气泡上浮过程中吸附铝液中的游离氢和有害物质，除气过程中铝液温度保持在750℃，完成二级在线除气除渣，工艺条件为：转子转速500Rpm，氩气压力500Kpa，氩气流量6m3/h，最后在二级铝液流槽中使用在线测氢仪测定铝熔体的液态氢含量。
本发明2XXX系铝合金熔体除气前后氢含量的对比：
| 产品 | 铝合金牌号 | 温度 | 除气前ml/100g Al | 过滤后ml/100g Al |
| 实施例1 | 2219铝合金 | 722 | 0.371 | 0.055 |
| 实施例2 | 2219铝合金 | 728 | 0.375 | 0.060 |
| 实施例3 | 2124铝合金 | 735 | 0.298 | 0.068 |
| 实施例4 | 2124铝合金 | 746 | 0.231 | 0.064 |
由上表可以看出在经过本发明的精炼除气之后，铝合金熔体中氢含量降低至0.07ml/100g以下，超过国家标准要求；完全满足未来航空航天用铝合金质量要求。
Claims (3)
1.一种2XXX系铝合金大规格铸锭除气精炼的方法,其特征在于：包括熔炼、精炼、一级在线除气和二级在线除气的步骤，步骤如下：
（1）熔炼：将纯度达99.75%及以上的铝锭投入熔炼炉中进行熔炼，按配比称重好并装炉后，采用热能效率和密闭性好的蓄热式喷嘴熔铝炉进行熔炼，在熔炼过程中用电磁搅拌加速熔炼速度，并用扒渣车对铝液夹渣进行扒渣操作，扒渣时间小于45分钟，扒渣后取样进行成分分析，然后调整合金成分，使其合金成分达到要求，铝液在熔炼炉内时间低于8h；
（2）精炼：将铝液加热至720～760℃后转至保温炉内保温、静置，并进行易烧损合金元素的添加，再进行炉内精炼；铝液转入保温炉后，开启电磁搅拌，并重新加热至720～760℃，合金成分合格后进行初级精炼，采用氯气和氩气混合气体精炼，氯气流量0.01-0.18m3/h，氯气压力为50-650kPa，氩气流量0.1-10m3/h，氩气压力100-980kPa，精炼时间为10～30min，精炼过程中需要对铝液表面的浮渣进行清理，精炼完成后停止电磁搅拌；
（3）一级在线除气：炉内精炼完成后，在一级铝液流槽使用在线测氢仪测定铝熔体的液态氢含量，将铝液转至一级除气装置，一级除气装置将氯气和氩气混合气体通过转子进行搅拌形成微小弥散的气泡，气泡上浮过程中吸附铝液中的游离氢和有害物质，除气过程中铝液温度保持在720～750℃之间，完成一级在线除气除渣；
（4）二级在线除气：铝液经过一级除气装置后，将铝液转至二级除气装置，二级除气装置将氩气通过转子进行搅拌形成微小弥散的气泡，气泡上浮过程中吸附铝液中的游离氢和有害物质，除气过程中铝液温度保持在720～750℃之间，完成二级在线除气除渣，最后在二级铝液流槽中使用在线测氢仪测定铝熔体的液态氢含量。
2.根据权利要求1所述的2XXX系铝合金大规格铸锭除气精炼的方法，其特征在于：所述的一级在线除气的工艺条件为：转子转速300-500rpm，氯气压力20-300kPa，氯气流量0.01-2m3/h，氩气压力50-500kPa，氩气流量0.05-6m3/h。
3.根据权利要求1所述的2XXX系铝合金大规格铸锭除气精炼的方法，其特征在于：所述的二级在线除气的工艺条件为：转子转速300-500rpm，氩气压力50-500kPa，氩气流量0.05-6m3/h。
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2014
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