一、鋁合金的熔煉特性
鋁合金的熔煉具有消耗熱量多、易氧化、易吸氫、容易吸收雜質(zhì)金屬等特性。
1) 消耗熱量多
鋁的熔點雖低，但熔化潛熱大，比熱大，黑度小，對熱的反射強，和其他常用金屬如鐵、銅相比較，熔化時消耗熱量多(見表2–1–1)。
鋁合金的熔煉具有消耗熱量多、易氧化、易吸氫、容易吸收雜質(zhì)金屬等特性。
1) 消耗熱量多
鋁的熔點雖低，但熔化潛熱大，比熱大，黑度小，對熱的反射強，和其他常用金屬如鐵、銅相比較，熔化時消耗熱量多(見表2–1–1)。
表2—1—1鐵、銅、鋁的熱特性比較
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金屬 |
密度
/g·cm-3
|
比熱容
/KJ·(kg·K) -1
|
熔點
/℃
|
熔化潛熱
/kJ·kg-1
|
加熱到熔點
所需熱量
/kJ·kg-1
|
加熱到熔點+100℃所需熱量/kJ·kg-1
|
黑度
|
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鐵固相
液相
|
7.36
6.90
|
0.691
0.867
|
1536
|
272
|
1319
|
1407
|
0.8
|
|
銅固相
液相
|
8.62
8.36
|
0.481
0.544
|
1083
|
214
|
724
|
779
|
0.8
|
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鋁固相
液相
|
2.55
2.38
|
1.139
1.047
|
660
|
394
|
1122
|
1227
|
0.2
|
2)易氧化
鋁對氧有很大的親和力(見表2–1–2)，它能很快氧化，生成Al2O3。在熔體表面形成的氧化鋁薄膜雖然有保護作用，但一旦破壞，氧化膜進入熔體，便很難除去。因為一則Al2O3不易還原，二則它的密度與熔體相近。它懸浮在熔體里，隨熔體進入鑄錠中，給加工材品質(zhì)帶來不利影響。更為嚴重的是，鋁的氧化物是各種氣體的良好載體，它的存在會使鋁熔體大量吸氫。因此，盡可能減少氧化是鋁合金熔煉過程中的一個重要問題。
鋁對氧有很大的親和力(見表2–1–2)，它能很快氧化，生成Al2O3。在熔體表面形成的氧化鋁薄膜雖然有保護作用，但一旦破壞，氧化膜進入熔體，便很難除去。因為一則Al2O3不易還原，二則它的密度與熔體相近。它懸浮在熔體里，隨熔體進入鑄錠中，給加工材品質(zhì)帶來不利影響。更為嚴重的是，鋁的氧化物是各種氣體的良好載體，它的存在會使鋁熔體大量吸氫。因此，盡可能減少氧化是鋁合金熔煉過程中的一個重要問題。
表2—1—2鋁合金中常見元素氧化物的生成熱和750℃時的分解壓①
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元素 |
Mg
|
Be
|
Al
|
Si
|
Mn
|
Zn
|
Fe
|
Ni
|
Cu
|
|
氧化物
生成熱/kJ·(mol－O2)–1
分解壓/Pa
|
MgO
1008
|
BeO
997
10–46.2
|
A1203
908
10–40.3
|
Si02
606
10–27
|
MnO
539
10–25
|
Zn0
528
|
FeO
394
10–15
|
NiO
245
10–9.6
|
Cu20
191
10–4.6
|
注：①在25℃和l個大氣壓時，由單質(zhì)生成1摩爾的化合物所放出或吸收的熱量叫該生成化合物的生成熱。固體或液體分解生成氣體的多相反應在平衡時的壓強叫分解壓。某物質(zhì)發(fā)生分解反應時如果只有一個生成物是氣體，則平衡時氣體產(chǎn)物的壓強就叫該物質(zhì)的分解壓。比較各元素純氧化物的生成熱或分解壓大小就可以估計鋁合金中各元素氧化的難易程度。生成熱越大，或分解壓越小，則該元素的氧化物越穩(wěn)定，或者說越易氧化。
3)易吸氣
鋁及鋁合金的吸氣能力較強(主要是吸氫的能力)，特別是在有水蒸氣或還原性氣氛的爐氣中。鋁及鋁合金的吸氫絕對量雖然不大，但在熔點時，氫在固相和液相中的溶解度相差很大(見圖2–1–1)，鑄錠結晶時形成氣孔和疏松的傾向性很大。因此，盡可能減少吸氫是鋁及鋁合金熔煉的又一個重要問題。
3)易吸氣
鋁及鋁合金的吸氣能力較強(主要是吸氫的能力)，特別是在有水蒸氣或還原性氣氛的爐氣中。鋁及鋁合金的吸氫絕對量雖然不大，但在熔點時，氫在固相和液相中的溶解度相差很大(見圖2–1–1)，鑄錠結晶時形成氣孔和疏松的傾向性很大。因此，盡可能減少吸氫是鋁及鋁合金熔煉的又一個重要問題。
圖2—1—1在1 atm下，氫在鋁中的溶解度與溫度的關系②
4)容易吸收金屬雜質(zhì)
鋁及鋁合金中的一些合金化元素具有很高的化學活性，它們不僅能吸收直接從鐵質(zhì)坩堝和工具中溶解的鐵，而且還能從爐襯的許多氧化物中和熔劑的許多氯鹽中置換出鐵、硅、鋅等金屬雜質(zhì)。這些金屬雜質(zhì)一旦進入鋁熔體，便無法清除。而且熔煉次數(shù)越多，雜質(zhì)含量越高，對合金性能影響越大，嚴重時使純鋁品位降級，使合金成分超標而報廢。因此、防止金屬雜質(zhì)的污染是鋁及鋁合金熔煉時的第三個重要問題。
鋁及鋁合金中的一些合金化元素具有很高的化學活性，它們不僅能吸收直接從鐵質(zhì)坩堝和工具中溶解的鐵，而且還能從爐襯的許多氧化物中和熔劑的許多氯鹽中置換出鐵、硅、鋅等金屬雜質(zhì)。這些金屬雜質(zhì)一旦進入鋁熔體，便無法清除。而且熔煉次數(shù)越多，雜質(zhì)含量越高，對合金性能影響越大，嚴重時使純鋁品位降級，使合金成分超標而報廢。因此、防止金屬雜質(zhì)的污染是鋁及鋁合金熔煉時的第三個重要問題。
熔煉是使金屬合金化的一種方法。它是采用加熱的方式改變金屬物態(tài)，使基體金屬和合金化組元按要求的配比熔制成成分均勻的熔體，并使其滿足內(nèi)部純潔度、鑄造溫度和其他特定要求的一種工藝過程。熔體的品質(zhì)對鋁材的加工性能和最終使用性能產(chǎn)生決定性的影響，如果熔體品質(zhì)先天不足，將給制品的使用帶來潛在的危險，因此，熔煉又是對加工制品的品質(zhì)起支配作用的一道關鍵工序。
變形鋁合金典型的熔煉工藝流程如下：熔爐準備→爐料準備→配料→裝爐→熔化→加銅加鋅→熔化后扒渣→加鎂加鈹→攪拌→取樣分析→調(diào)整成分→攪拌→扒渣→倒爐→精煉→扒渣覆蓋→靜置調(diào)溫→爐前測氫→出爐→清爐
上述工藝流程通常是在一臺熔煉爐和一臺靜置爐中完成的。其中，熔煉爐擔負熔化和調(diào)整成分的任務，靜置爐擔負凈化熔體和保溫的任務。這樣配置設備的好處是能充分發(fā)揮熔煉爐的生產(chǎn)效率，既保證熔煉品質(zhì)，又提高產(chǎn)量。有些工廠將上述工藝流程，全放在一臺爐子中完成，此時，爐子擔負著熔煉和靜置的雙重任務，稱為熔煉保溫爐。如果爐子是單膛的，則這樣配置設備不能充分發(fā)揮熔煉爐的生產(chǎn)效率，能耗較大。另外，國內(nèi)還有個別工廠采用在火焰反射爐中熔化，而后用澆包將鋁水轉入電阻反射爐中調(diào)整成分和溫度，再在靜置爐中凈化熔體和保溫的工藝流程。這樣的設備配置要占用三臺爐子，而且液態(tài)金屬轉注次數(shù)多，轉注時間也較長使熔體嚴重污染，熔損增大，轉注用的澆包還需專用設備加熱，因此，從品質(zhì)、產(chǎn)量、能耗上都是十分不利的。
目前國內(nèi)鋁材行業(yè)采用的熔煉方法大致有分批熔煉法和半連續(xù)熔煉法兩種。分批熔煉法指以一個熔次為一個周期，從裝爐、熔化開始至精煉、倒爐結束，一爐一清的熔煉方法。此法多適用于生產(chǎn)品質(zhì)要求較高而批量又不太大的成品合金，以保證化學成分的準確和均勻。通常，所有特殊制品，即所有合金的鍛件和模鍛件；用于航空制造業(yè)的飛機大梁型材、階段變斷面型材和小空心大梁型材；
用于原子能工業(yè)的合金制品等均采用這種方法熔煉。半連續(xù)熔煉法指以相同合金為一個生產(chǎn)周期，每次出爐量只有熔爐中熔體總量的二分之一至三分之一，隨即再裝入比上述稍多的新爐料繼續(xù)熔化的方法。該法的優(yōu)點是爐料浸沒在熔體中，不僅減少了燒損，而且提高了熔化速度，同時爐內(nèi)溫度波動不大，對爐底保護作用好，有利于提高爐齡。缺點是需要對成分進行有效控制，且爐內(nèi)總有剩料，易造成局部過熱，使鑄錠產(chǎn)生粗大晶粒的傾向性增大。該法適用于熔煉批量大、爐料品位較低、對熔體品質(zhì)無特殊要求的合金制品。通常，純鋁制品、6063建材制品及以回爐廢料為主要爐料的合金制品均采用此法熔煉。
