《铝合金熔铸加工技术原理》（一）

熔铸生产是铝及合金产品生产中最重要的工序过程，实现由固态向液态再向固态的转变，以及合金元素溶解于铝中的合金化过程，其基本作用是能量和物质的转移。同时，熔体也与周围介质之间发生一系列的物理化学变化，使熔体净化或产生污染，并由液态加工成可供压力加工的铸坯。因此，熔铸生产关系到后续加工全过程的成败。

本过程包括二部分：铝合金的熔炼和锭坯铸造

熔炼过程包括： 备料（熔化炉中）→配料计算→金属熔化过程控制（温控合金加入）合金熔化→电磁搅拌→导入保温炉→加入镁锭→除氢→除渣精炼→扒渣覆盖→静置（15～30分）→熔体成分检查化验→调整合金成分→调整温度→合格的铝合金熔体→浇注准备；

铸造过程包括：→接静置工序→炉前测氢→测温调温→开炉口放流→铝熔体过滤→二次除氢（氮+氩）→控制浇温→铝液入结晶器→铸造开始→控制冷却水强度→液面及浇速控制→铸造结束→停车停水吊铸锭→铸锭质量检验→锯切头尾→均热处理→合格铸坯→→转压力加工工序；

熔铸过程若对工艺控制不好，所产生的冶金缺陷如：结晶弱面、成分偏析、粗大晶粒、氧化物及金属化合物夹杂、气孔、疏松等，将会给后续工序带来不可逆转的严重后果和影响。这种影响也称为“冶金遗传性”影响。因此，必须用严格的工艺技术条件来保证，防止熔炼废品和能量损失的产生。

一、铝合金熔炼工艺的特点

熔炼过程中最重要的环节就是对铝合金化及合金成分、杂质的控制。与钢铁冶炼不同的是整个冶炼为物理冶金过程，是金属的重熔和形态的改变的过程。但由于在加热时受诸多因素的影响，也会产生微小的化学变化。

熔炼生产工艺的基本任务就是要获得合金成分均匀、含气含渣（杂）少、合金成分达标的铝合金熔体。确保下一步铸造工艺的顺畅实施，最终生产出组织性能、表面质量和尺寸都符合工艺要求的合格铸坯。

对一般合金；含氢量<0.13ml/ 100g、特殊合金；含氢量<0.1ml/100g。适合的熔炼温度；熔炼时炉料的温度应<800℃。熔体浇注的温度；在液相线以上50～110℃，一般为720℃。

下面就铝熔炼过程的特点进行介绍

1、铝合金熔炼能量消耗多、难以达到理想热效率

铝在熔炼时消耗热量多。虽然铝的熔点低，但是熔化潜热大（394KJ/Kg），比热容大（固态1.139kJ、液态1.046kJ），黑度小，仅为铜、铁的25%，对热的反射强。比其它金属熔化时消耗热量多。铁、铜、铝热特性比较参看 表（1）

在实际生产中每熔化1吨固体铝，在反射炉中需要天然气65～70Nm³、电阻炉中需要电力700KWh、工频感应炉需要500～600KWh。熔炼铝合金时对炉气的要求是，微氧化性或中性气氛。炉子温升不能过快，连续生产时炉内最好留存15～20%铝液。由于各种因素影响，在熔炼铝合金时，即使连续生产，每炉所消耗的能量也不尽相同，吨铝能耗约50～70×10⁴千卡/t。对熔铝炉而言，普通热传导炉有效传热只有28%、对流传热炉只有46.7%。目前,最好的熔铝炉，也只有55%的热效率，难以达到理想热效率。

铁、铜、铝热特性比较            表（1）

金 属		密度 g/㎝^3	比热容 KJ/(kg℃)	熔点 ℃	熔化潜热 KJ/kg	加热到熔点所需热量KJ/kg	熔点﹢100℃热量KJ/kg	黑 度
铁	固相 液相	7.36 6.9	0.691 0.867	1536	272	1319	1470	0.8
铜	固相 液相	8.62 8.36	0.481 0.544	1083	214	724	779	0.8
铝	固相 液相	2.70 2.38	1.139 1.047	660	394	1122	1227	0.2

2、铝金属性质活泼、易氧化、烧损：

铝对氧有很大的亲和力，氧化反应方程式：4AI﹢3O₂＝2AI₂O₃  

生成Al₂O₃膜浮在熔体表面，形成的Al₂O₃膜虽然有保护作用，但一旦被破坏，膜进入熔体，就很难除去。因为，Al₂O₃在此条件下，不能被还原。它的密度与熔体相近，悬浮在熔体中，不易清除，如溶在熔体中进入铸锭里，则会给下一步加工带来严重的影响，是造成产品报废的原因之一。如产生铝箔针孔，Al₂O₃硬度很高，易损伤轧辊或模具表面。在实际生产中采用陶瓷过滤板过滤的方法进行清除。另外，Al₂O₃杂质是炉中各种气体的载体，它的存在会使铝熔体大量吸氢。

同时，由于金属的氧化和蒸发造成了铝的烧损。在火焰反射炉中熔炼铝合金烧损为1.0～3.0%、在电阻炉为0.5～1.0%、工频炉为0.3～0.8%。铝合金的烧损除氧化外还和熔炼温度有关，在常压下，炉温越高，铝蒸气压越高，蒸发烧损越大。例如：铝在660℃熔点时的蒸气压为1.2×10^-3毫米汞柱、在1000℃时蒸气压为1.0×10^-2毫米汞柱。当加入的合金元素含有金属镁时，控制熔炼温度则显得更为重要。因为镁的蒸气压更低，在1110℃时则达到760毫米汞柱（1个大气压）。所以炉温过高时，不但造成铝还造成合金元素的损失，使合金成分不足而产生废品。在铝合金熔炼时除个别情况外，炉温一般控制在800℃以下，防止铝熔体过热而产生不良影响。

因此，如何减少和防止铝及合金元素的氧化和蒸发也是铝合金熔炼加工过程中一个重要的控制环节。

3、易吸气（氢）、熔体易受污染

铝合金的吸气能力强。由于是常压开放式熔炼，熔体含气量多少，受工厂自然环境影响较大。在南方潮湿地区空气湿度大、熔体含氢量多。含气量多少还与熔炼温度有关，与熔炼温度成正比。尤其是当熔炼温度在800℃以上时吸气现象更为严重，在铝合金中主要进入熔体的气体是氢气。这与铝的特性有关。在铝中的气体90%是氢，因此说，“铝合金的除气过程就是除氢过程”。铝在固、液态时氢的溶解度参看表（2）

特别是在有水蒸汽或还原性气氛的炉气中，吸氢现象更为严重。氢在铝合金铸锭中吸入的绝对量并不大，但是造成铸锭结晶时的气孔和疏松倾向严重。因此，在熔铸操作中，减少吸气（氢）也是最重要的工艺环节。

4、铸造前的检化验

铝合金熔体在毛坯浇注前要进行检化验检测，主要的检测有三项。一是合金成分的化验、二是合金熔体含氢量的检测、三是炉温的测量、熔化完成后炉温一般控制在760℃～780℃.若合金成分有偏差，则采用加中间合金的方法或用纯铝液冲兑。若合金熔体含氢量超标，则需要采用精炼和除气工艺对铝熔体进行处理。精炼和除气的目的是除去熔体中的夹杂物和氢气，处理的方法有很多种。有化学法和物理法，可以在熔铝炉内操作、也可用在线处理设备在炉外操作。用于精炼的介质称为熔剂。详细的工艺和原理在介绍熔炼设备时讲述。

5、氢气的来源及炉料要求

铝中气体吸收量与温度的关系（表2）

温 度/℃		300	500	600	660	700	800	900	1000
溶解量 ㎝^3/100 .克	固态	0.001	0.011	0.024	0.034	——	——	——	——
	液态	——	——	——	0.65	0.86	1.56	2.41	3.9

注：关于氢在铝合金中的存在及扩散机理我们以后再讲述。

5.1炉气中燃料燃烧产生的水蒸气分解。

5.2 潮湿的自然环境和 大气中水蒸气的分压，分压越高，熔铝炉内含氢量越大。

5.3.  油脂的分解，由工具、原料带入炉中。

5.4   铝液中氧化物及吸氢元素的吸附作用。

5.5  对铝熔炼炉炉衬耐火材料有严格要求；铝比较活泼在高温熔炼中易于与炉衬及耐火材料发生化学反应：

3SiO₂﹢4Al——2AI₂O₃﹢3Si

3FeO﹢2Al——AI₂O₃﹢3Fe

尤其是含镁铝合金与炉衬耐火材料发生化学反应更激烈，因此，熔炼铝合金时不能用含硅、高铁耐火材料，如碳化硅、氮化硅及其它硅、镁质耐火材料。只能用含高氧化铝耐火材料。