降低铸造锌合金铝耗的研究

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摘 要：文章针对韶冶厂铸造锌合金生产中存在的铝耗偏高问题，对合金元素熔炼过程中的行为和损耗进行分析，经过生产试验研究，提出相应的改进方法，使铝耗由原来的10%～15%降至4%以下，效果明显。

关键词：铸造锌合金；熔炼；损耗

中图分类号：TG146.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）06-0179-02

锌基合金是以纯锌为基体，加入一种或几种其它元素，使之熔和在一起，构成一种新的具有金属特性的化合物。按加工方式可分为：铸造锌合金、变形合金和热镀锌合金。铸造锌合金与铸铝合金、铸铁合金相比，具有加工能耗小、成本低、机械性能好等优点。Zn-Al系二元合金在一定的条件下，能呈现极高的延展性，对加工复杂零件有独到之处，因此，高强度的Zn-Al系合金应用范围正在日益扩大。

由于市场客户对化学成份范围、表面质量等要求非常严格，韶冶厂在铸造锌合金金的开发和试生产过程中，合金元素铝在铸锭表面偏析和熔炼过程中损耗偏高等问题多次出现。本文就铸造锌合金熔炼过程中铝耗偏高问题进行生产试验研究。

1 合金元素在熔炼过程中的行为和损耗

合金元素在熔炼过程中的行为主要发生于溶解、蒸发和与炉气作用等几个方面。

1.1 合金元素的溶解

合金元素在锌液中的溶解可用元素与锌的合金系相图来确定。通常与锌形成易熔共晶的元素易溶解，与锌形成包晶转变的，特别是熔点相差很大的元素难于溶解。Zn-Al系为共晶型合金系（见图1），其熔点也较近，合金元素较容易溶解。其次，合金元素的溶解与其性质有密切关系，受添加元素固态结构结合力的破坏和原子在锌液中的扩散速度控制。

1.2 合金元素的蒸发

蒸发这一金属熔体表面的气化现象在熔炼过程中始终存在。金属的蒸气压愈大，则熔体中气体的溶解度愈小，但蒸发损失愈大。金属的蒸发损失通常随熔体温度升高、炉压降低、熔炼时间加长、熔池表面积增大、熔体表面氧化膜疏松程度增加而增加，并且与合金的组成和含量有关。在相同的熔炼条件下，蒸气压高的元素一般更易挥发，蒸发热小、沸点低、在合金中不溶解或很少溶解且含量高的元素一般较易挥发。在正常熔炼条件下，铝熔体的蒸气压很小（1 537 ℃时1 mmHg），蒸发损失可略去不计。因此，铝在熔炼过程中挥发损失较少。

1.3 合金元素与炉气的作用

熔炼过程中，金属以熔融或半熔融状态暴露于炉气中，并与之相互作用的时间长，往往易形成金属大量吸气，氧化和形成其它非金属夹杂。火焰炉气成份见表1。

1.3.1 铝-氧反应

铝和氧的亲合力大，易氧化，在500 ℃～900 ℃范围内，纯铝表面形成一层致密氧化层的γ-Al2O3膜，氧化铝膜熔点高，不溶解，能阻止铝液继续氧化。但γ-Al2O3外表面是疏松多孔的，易吸收水气。在900 ℃以下，当被γ-Al2O3搅拌破坏进入铝液时，吸附的水气与铝液反应造成吸氢，铝液中Al2O3增加。另外，加入合金的元素对铝的氧化也有很大作用：当镁含量>1.5%，表面膜全为氧化镁组成，多孔疏松，使铝液的氧化无拟制的进行。

1.3.2 铝-水气的反应

高于400℃的熔炼温度下，铝与水气发生如下反应：

2Al+3H2OAl2O3+6[H] （1）

Al2O3+3H2O2Al（OH）3 （2）

在高温下，Al（OH）3在炉内也发生分解反应，如下式所示：

2Al（OH）32Al2O3+3H2O （3）

1.4 其它方面对合金元素损耗的影响

①金属浓度影响。合金元素的浓度越大，其被氧化程度越严重。金属铝在锌液中的含量越高，其氧化烧损越大。

②物料物理因素影响。物料块度越小，表面积越大，其烧损也越严重。在其他条件一定时，熔炼时间越长，氧化烧损也越大。

③操作方法影响。搅拌和扒渣等操作方法不合理时，易把熔体表面的保护性氧化膜搅破而增加烧损。

2 生产试验研究

2.1 试验过程

在生产试验时，原始熔铝方式是将铝、铜等金属按铸造锌合金成份要求，配比称重后全部投入合金炉内进行熔铸，结果在生产中出现铝的损耗率偏高，平均10.8%，最高达到13% 以上的问题，同时一次配料合格率降至60%以下，使配料操作难度增大，有时需要三次以上配料才能取得合格炉前样。

经过跟踪分析，认为此生产过程中铝的损耗主要存在于两个方面：

①由于金属铜熔点较锌和铝要高得多，在锌液中较难熔化，而当使用大煤气烧熔时，铝的氧化损耗会很大。

②在大煤气烧熔的过程中，由于铝锭密度较小，浮在金属锌液的上层，当用大煤气直接在熔化的铝液面吹炼时，会造成铝液大面积氧化烧损，与锌形成大量氧化结渣，从而导致金属铝的氧化烧损和夹渣损耗情况严重。

2.2 降低铝耗的研究

通过试验对比，制作中间合金是有效降低铝元素氧化烧损的重要方法。中间合金的配制：参考各组分相互之间的二元相图关系或多元相图关系，选择最易制作的Al-Cu二元合金为铸造锌合金流程的中间合金。在实践操作时，我们以锌的量为基础，根据化学成份要求计算出所需铜的量，再以铜的量为基础，按1∶3配铝放入小锌包内使用颜氏烧咀用煤气快速升温，可快速实现合金化过程，形成成份均匀的铝铜中间合金。

2.3 生产工艺的改进

通过生产摸索，发现熔池高温直接熔铝是造成铝元素夹渣损耗偏高的主要原因。采用二次扒渣的操作方法：先用大煤气将锌液升温至600～630℃，静置几分钟后扒出金属氧化渣。然后加入经配料计算所需的铝锭用小煤气进行恒温密闭熔化，并定时用工具轻轻搅动液面的铝锭，待铝锭熔化并搅拌混合均匀后，静置15分钟，扒出液面浮渣，铸锭成品。

改进后的新工艺流程见图2，生产数据见表2。

由表2我们可以得出，经过操作工艺改进后，铝的损耗得到很大降低，铝耗平均为3.1%。

3 结 语

通过生产过试验和工艺改进，结果表明采用中间合金小锌包配制和转运、恒温密闭熔铝和二次扒渣的方法可以有效地解决铸造锌合金生产中铝耗偏高的难题，使铝耗降至4%以下，效果明显。

应该指出的是，降低铝耗高的途径还有其他方法。例如选择合理炉型，尽量使用小面积熔池，金属液暴露面积小，集中快速加热，使炉内氧化损失尽可能的减少。另外，给金属液面撒上一层覆盖剂，也可以减少氧化烧损。

参考文献：

[1] 美国金属协会.金属手册第二卷[M].北京：机械工业出版社，1994.

[2] 《重有色金属材料加工手册》编写.重有色金属材料加工手册第一分册[M].北京：冶金工业出版社，1992.

[3] 傅崇说.有色冶金原理[M].北京：冶金工业出版社，1993.

作者简介：陈录，韶关冶炼厂。