由电热法生产的一次铝硅合金制取铸造用铝硅合金的研究

摘要

在铝合金中，铝硅合金是品种最多，用途最广的一类，目前生产铝硅合金的方法主要是兑掺法，这种工艺方法能耗较高，流程较长，而且需要高品位的铝土矿。电热还原法是世界公认的优于兑掺法的铝硅合金生产方法，该方法流程短，可以利用低品位铝土矿或非铝土矿资源，符合我国铝矿资源特点。但是，电热法生产的一次铝硅合金中含有大量的金属杂质和熔渣。为了制取符合工业标准的铸造用铝硅合金，在生产过程中必须要将金属杂质和熔渣去除。本文对从高岭土直接用电热法制得的一次铝硅合金为原料，经加铝稀释、加精炼剂除渣、加锰除铁后制取铸造用铝硅合金进行了研究。
　　 矿热炉生产的一次铝硅合金中，除了铝和硅，含有的熔渣主要是Al2O3和SiO2，它们大部分以Al2O3·SiO2复合氧化物形式存在。金属杂质主要是钙，铁和钛，其中杂质铁主要是以FeAl3和Al4FeSi2的形式存在，钙是以CaAl2Si2形式存在，钛则以TiSi2的形式存在。
　　 实验过程中首先对一次铝硅合金进行加铝稀释，然后加精炼剂进行除渣。实验采用的熔剂精炼法，以冰晶石、氯化钠和氯化钾为除渣精炼剂，在960℃进行精炼。通过实验发现，随精炼剂量的加大，绝对渣量增加；合金中硅、铁含量都呈直线下降，当达到一定值后，绝对渣量和硅、铁含量的变化趋于平缓。在精炼除渣的过程中发现，一次合金中的主要金属杂质之一-钙在精炼过程中大部分以氟化钙的形式进入渣中。精炼剂的最佳加入量为铝硅合金量的3.5％，在该加入量耐可以去除合金大部分的熔渣和金属钙杂质。
　　 精炼除渣后的铝硅合金中，铁是铝硅合金中主要的有害杂质元素，也是衡量铝硅合金质量最为重要的指标之一。精炼后铝硅合金中的铁以δ铁相存在。以锰为除铁剂，在960℃除铁后降温过滤，合金中的铁和硅的含量随着锰加入量的增加而逐渐减少并趋于一定值，随过滤温度的升高而增加，随过滤骨料粒度的变细及骨料厚度的增加而降低。最佳的锰加入量为锰铁比1.2：1，最佳的过滤温度为580℃，过滤骨料的最佳粒度为3-5mm，厚度为4cm。铝硅合金中的铁主要以三种方式除去：一种是少量的铁以Fe2O3、FeMnO3的形式进入熔渣中（熔渣主要指一次渣和二次渣）；另一种是沉降到坩埚底部生成半固态的多元金属合金。另有一部分铁进入过滤滤渣中。当铝硅合金中富铁相（在合金中以四元金属间化合物的形式存在）中的锰铁和量较多时，合金中的铁相会沉到合金底部形成新的合金，当合金富铁相中的锰铁和量较少时，该部分富铁相一般不能自然沉降而是通过过滤去除较大块的铁相，剩余的铁相进入铸造用铝硅合金中。
　　 加氯化锰除铁时，虽然可以达到加锰除铁同样的效果，但由于铝损失较多不宜采用。锰铬联合除铁，由于铬的沉降较快，不能和富铁相生成含铬较多的金属间化合物，除铁效果不好。
　　 加入直流电磁场后，铝硅合金中的铁相体积增大，在磁场电流较小时，富铁相主要是以长片状和小片状形式存在，但仍有针状的富铁相存在，而当电流达到950A时，合金中的富铁相已经全部变成了球状。加入稳恒磁场后合金中富铁相中元素的含量发生了变化，富铁相中的锰量增加。合金中富铁相中含锰量越到合金的底部含锰量越高。锰与电磁场联合除铁时，在同样的过滤条件下，过滤后合金中的铁含量比加锰除铁法有所下降，除铁效果较好。
　　 一次铝硅合金经过除杂提纯后制取的ZL101合金和ZL102合金，化学成分能够达到国家标准要求，以锶作为变质剂进行变质处理后，制取的铸造铝硅合金ZL101和ZL102的力学性能达到国家标准的要求。
　　 在由一次铝硅合金生产铸造用铝硅合金工业试验的过程中，通过选择合理的过滤温度，过滤骨料的粒度和厚度，以及除渣除铁机制，最终获得了含铁量低于0.7％的铸造用铝硅合金。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 铝工业

1.1.1 铝工业的发展历史

1.1.2 铝工业的现状

1.1.3 铝合金

1.2 铝硅合金的特点与应用

1.3 铝硅合金的生产方法

1.4 电热法生产铝硅合金的优点

1.5 电热法生产铝硅合金的研究现状

1.6 铝硅合金中的各种元素

1.7 试验的主要内容

第2章 矿热炉冶炼一次铝硅合金

2.1 矿热炉生产一次铝硅合金的工艺特点

2.2 一次铝硅合金的生产方法、原料及设备

2.2.1 一次铝硅合金的生产方法

2.2.2 生产一次铝硅合金的原料

2.2.3 矿热炉生产一次铝硅合金的还原剂

2.2.4 生产一次铝硅合金的粘结剂

2.2.5 配料

2.2.6 制团

2.2.7 球团干燥

2.3 矿热炉冶炼一次铝硅合金

2.3.1 电热法生产一次铝硅合金所用的矿热炉

2.3.2 一次铝硅合金的矿热炉熔炼

2.4 矿热炉冶炼生产的一次铝硅合金中的杂质及物相分析

2.4.1 矿热炉冶炼生产的一次铝硅合金的外观形态

2.4.2 矿热炉生产的一次铝硅合金中的杂质及物相分析

2.5 电热法生产一次铝硅合金的冶金学原理探讨

2.6 小结

第3章 一次铝硅合金除渣精炼

3.1 实验方法及装置

3.1.1 实验方法

3.1.2 实验装置及所用试剂

3.1.3 精炼剂及除渣精炼方法的选择

3.2 实验结果

3.3 实验结果的讨论

3.3.1 精炼后的铝硅合金的物相分析

3.3.2 一次渣的物相分析

3.3.3 一次铝硅合金稀释顺序对合金产率的影响

3.3.4 精炼剂用量对合金出渣量的影响

3.3.5 精炼剂用量对铝硅合金成分的影响

3.3.6 合金中钙在除渣精炼过程中的反应

3.4 本章小结

第4章 铝硅合金加锰除铁

4.1 铝硅合金中铁的危害及去除方法

4.1.1 铝硅合金中铁的存在形式

4.1.2 铸造铝硅合金中铁对合金性能的影响

4.1.3 降低合金中铁危害方法概述

4.1.4 加入合金元素的除铁原理

4.2 实验方法及实验装置

4.2.1 实验方法

4.2.2 实验装置

4.2.3 实验所用试剂

4.3 铝硅合金加锰除铁的实验结果

4.4 铝硅合金加锰除铁结果的讨论

4.4.1 除铁后的铝硅合金

4.4.2 二次渣形态及物相分析

4.4.3 各种因素对加锰除铁过程的影响

4.5 关于铝硅合金金属锰除铁机理的讨论

4.6 小结

第5章 铝硅合金氯化锰除铁

5.1 实验方法及试剂

5.2 氯化锰除铁的热力学分析

5.3 实验结果与讨论

5.4 小结

第6章 除渣精炼后铝硅合金的锰铬联合除铁

6.1 锰铬联合除铁研究现状

6.2 实验方法

6.3 锰铬联合除铁结果

6.4 锰铬联合除铁结果讨论

6.4.1 除铁剂加入量对除铁效果的影响

6.4.2 锰铬比对除铁效果的影响

6.4.3 锰铬联合除铁的效果分析

6.5 小结

第7章 除渣精炼后铝硅合金的电磁场除铁实验研究

7.1 磁场力除铁的原理

7.2 实验方法与试验装置

7.2.1 实验方法

7.2.2 实验装置

7.3 电磁除铁的实验结果

7.4 电磁场除铁实验结果讨论

7.4.1 合金熔体中磁场强度的测定

7.4.2 除铁温度对铝硅合金的影响

7.4.3 除铁时间对合金中元素含量的影响

7.4.4 电磁场对铝硅合金中富铁相的影响

7.4.5 磁场对合金中铁相分布的影响

7.4.6 电磁场强度对铝硅合金中铁硅含量的影响

7.4.7 铝硅合金的过滤

7.5 本章小结

第8章 由电热法一次铝硅合金制取ZL101、ZL102合金的实验研究

8.1 ZL101合金与ZL102合金简介

8.2 铝硅合金ZL101、ZL102的制取

8.3 机械性能测试

8.4 小结

第9章 由一次铝硅合金生产铸造用铝硅合金的工业试验

9.1 一次铝硅合金中杂质的来源

9.2 实验方法及装置

9.2.1 实验方法

9.2.2 生产设备及试验原料

9.3 试验结果

9.4 实验结果的讨论

9.5 小结

第10章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文

作者简介