鋁合金中雜質元素鐵、鈦和釩的去除方法

專利名稱：鋁合金中雜質元素鐵、鈦和釩的去除方法
技術領域：
本發明涉及一種鋁合金中雜質元素鐵、鈦和釩的去除方法。本發明具體涉及一種 通過加入含錳和含硼物質去除用于鋁熱傳輸材料的鋁合金中雜質元素鐵、鈦和釩的方法。
背景技術：
隨著鋁合金應用的日益廣泛，在一些鋁合金生產應用領域，如鋁熱傳輸領域，對于 作為半成品坯料的鋁合金的性能要求越來越高。降低鑄錠中初晶硅相、硬脆的鐵鋁相的形 成，可以防止鑄錠開裂，使合金具有良好的后續加工性能，并可以提高成品材料的釬焊性 能。鐵、鈦和釩作為常見的雜質元素存在于鋁合金中，在合金熔煉過程中容易形成上述的有 害相。在鋁合金生產過程中使用的普通純鋁，添加的含其他元素的合金以及熔煉過程均有 可能引入這三種雜質元素。工業用純鋁在電解冶煉過程中不能完全避免這三種雜質元素。 而高純鋁價格昂貴，并且其性能不能完全滿足某些領域如鋁熱傳輸領域的要求。
在現有技術中，對鋁合金中雜質元素鐵的去除，主要有沉降法、離心法、永磁過濾 法等。文獻《鑄造鋁合金的除鐵》(劉榮遷等，《特種鑄造及有色合金》2001年第二期)介紹 了鋁硅系合金中，以硅為第三元素降低鐵在液態鋁中溶解度令鐵過飽和，促HT2(Fe3SiAl9) 相生成，從液態鋁合金中析出，利用重力自然沉降分離。文獻《Al-Si-Ti合金離心過濾復合 降鐵工藝》(劉亞民等，《洛陽工學院學報》1999年第20卷第01期)在Al-Si-Ti合金中加 入合金元素促使粗大的O^MrO3Si2Al25富鐵相生成，經離心處理，再經過銅網過濾方法去除 合金中的鐵元素。文獻《鋁硅合金中富鐵相雜質的永磁分離》(焦萬麗等，《鑄造技術》2006 年第27卷第3期)通過對鋁硅合金熔體過熱處理，添加合金元素促使粗大的AlSii^eMn相 析出，利用永磁分離降低鋁合金中鐵含量。
在現有技術中，如王曉麗等，稀土及硼化處理對電工圓鋁桿電阻率的影響，《稀 土》，2008年第四卷第6期100-102 ；中國專利申請公開CN1271024A ；張強等，硼化物的形 成以及在電工鋁硼化處理中的作用，《有色金屬(冶煉部分)》，2008年第3期51-53，鈦和 釩是影響鋁合金導電性的重要雜質元素，因此關于去除這兩種雜質元素的報導，其主要目 的是為了提高鋁合金產品的導電性。在一些特殊領域，如電工用鋁合金生產，有著重要的價 值。但對去除鐵、鈦和釩雜質元素，從而可以提高應用于鋁熱傳輸的鋁合金產品質量，如降 低初晶硅相、硬脆的鐵鋁相的形成，防止鑄錠開裂等，使合金具有良好的后續加工性能，并 可以提高成品材料的釬焊性能并無相關報導。發明內容
本發明的目的在于提供一種在鋁合金中，特別是在鋁熱傳輸用鋁合金中雜質元素 鐵、釩和鈦的去除方法。本發明人意外地發現，通過該方法可有效地防止在熔煉過程中因所 述雜質元素的存在而產生硬脆相，防止鑄錠開裂等，使合金具有良好的后續加工性能，并可 以提高成品材料的釬焊性能，從而生產出性能優異的半成品鋁合金坯料。
本發明的一個方面涉及一種鋁合金中雜質元素釩、鐵、鈦的去除方法，所述方法包括以下步驟向含有釩、鈦和鐵雜質的鋁合金熔體中加入含錳物質和含硼物質，充分攪拌以 除去雜質元素，其中所述含錳物質的加入量是使錳鐵重量比為0. 5-1. 5，所述含硼物質的加 入量是使硼相對于釩和鈦總重的重量比為0. 5-2。
在本說明書中，所述含錳物質為含有錳元素，且不會帶來其他反應雜質的物質即 可，并無特殊限定。優選錳元素的含量超過50重量％，更優選選自純錳，鋁錳合金，錳的氯 化物和它們的混合物。
在本說明書中，所述含硼物質為含有硼元素，且不會帶來其他反應雜質的物質即 可，并無特殊限定。優選硼元素的含量超過50重量％，更優選選自鋁硼合金，純硼和它們的 混合物。
本發明中含錳物質的加入量是使錳鐵重量比為0. 5-1. 5。當錳鐵比低于0. 5時，不 足以充分去除鋁合金中含有的鐵雜質，而當錳鐵比高于1.5時，殘余的錳過高而會影響到 合金的純凈度。優選的錳鐵比是0.5-1。
本發明中含硼物質的加入量是使硼相對于釩和鈦總重的重量比為0. 5-2。當硼相 對于釩和鈦總重的重量比小于0. 5時，釩和鈦的去除不充分，而當硼相對于釩和鈦總重的 重量比大于2時，殘余的硼過高而會影響合金后續加工的成品的釬焊性能。優選含硼物質 的加入量為使硼相對于釩和鈦總重的重量比為0. 5-1. 5。
在本發明中，含錳物質和含硼物質的加入順序并無特別限定，可同時或分別加入。 優選分別加入含錳物質和含硼物質。更優選先加入含錳物質，而含硼物質是在含錳物質加 入后加入的。
在本發明中，含錳物質和含硼物質的加入方法并無特別限定，可使用在鋁合金冶 煉中常用的方法加入含錳物質和含硼物質，如直接將含錳物質和含硼物質投入到熔體中或 通過氣體將含錳物質和/或含硼物質吹入到熔體中。一個優選的含錳物質的加入方法是， 通過惰性氣體將含錳物質吹入鋁合金熔體中。
在本發明中，惰性氣體為不參與反應，且不會給反應帶來任何不利影響的氣體即 可，并無特殊限定。本發明的惰性氣體，優選選自氮氣、氬氣和它們的混合物。
本發明的反應溫度為使鋁合金保持熔融狀態即可，優選為700-750°C，更優選 720-740°C。本發明的反應時間并無特殊限定，只要能使反應充分進行即可。一個優選的反 應時間為1小時。
本發明反應在充分攪拌下進行。攪拌可采用常用的攪拌方式，如氣體攪拌、機械攪 拌、電磁攪拌、永磁攪拌或其組合等。優選通過惰性氣體攪拌和/或永磁攪拌以使反應充 分，更優選惰性氣體攪拌和永磁攪拌雙聯攪拌方式。
由此生成的化合物顆粒，以熔渣的形式被清除出熔爐。熔渣的清除方式可采用本 領域常用的清除方式，如上浮式除渣方式、下沉式除渣方式等。優選采用上浮式除渣方式。
在此反應后，可采用工業上常用的精煉和/或過濾等二次凈化處理步驟，以進一 步降低雜質元素在熔體中的含量。優選在二次凈化處理中施加惰性氣體和/或永磁攪拌， 更優選惰性氣體攪拌和永磁攪拌雙聯攪拌方式。
適用于本發明的鋁合金只要是可以適用于鋁熱傳輸的鋁合金即可，優選鋁硅合^^ ο
本發明的另一方面涉及以下的一種優選的具體實施方案，即通過在含有釩、鈦、鐵的鋁硅合金熔體中加入可以與雜質元素釩、鈦、鐵反應的含錳和含硼物質，生成TiB2、VB2、 I^e2B或其它可能生成的化合物，以及Ali^MruAlFeMnSi或其它可能生成的相，而反應殘留的 含硼物質仍可以與含錳物質反應，生成Mr^2或其它可能生成的化合物。所述生成的化合物 的顆粒，以熔渣的形式被清除出熔爐，隨后對熔體進行包括精煉和過濾步驟的二次凈化處理。
所述具體實施方案的工藝步驟如附

圖1所示
附圖1所述的工藝步驟具體包括
(1)通過惰性氣體將含錳物質2吹入鋁合金熔體中；
(2)將含硼物質3加入至鋁合金熔體1中；
(3)通過氮氣和/或氬氣攪拌6和永磁攪拌8凈化處理促進反應的充分進行，并 將生成的化合物以熔渣9的形式清除出熔體。實現鋁合金熔體1中鐵、鈦和釩雜質元素的 凈化去除。經過精煉和過濾二次凈化處理后的鋁合金熔液隨后可澆鑄成錠或直接鑄軋成板 材。
在步驟(1)中，所述含錳物質2是指，選自純錳、鋁錳合金、錳的氯化物或它們的混 合物的物質。
在步驟⑴中，所述含錳物質2的加入量為，加入后使熔體中的錳鐵重量比為 0. 5 1。
在步驟O)中，所述含硼物質3是指，選自鋁硼合金、純硼或它們的混合物。
在步驟( 中，所述含硼物質3的加入量為，使加入后熔體中硼相對于釩和鈦總重 的重量比為0. 5 1. 5。
在步驟( 中，所述的含硼物質3的加入方法是指，鋁合金在熔煉爐或保溫爐5內 熔化并在700°C -750°C下保溫，在含錳物質2加入之后加入到熔體1中，并使其與熔體1充 分混合。
在步驟(3)中，所述的二次凈化處理，具體為將鋁合金熔體精煉后進行扒渣處理， 然后再進行過濾。精煉過程施加惰性氣體和永磁雙聯攪拌，保溫30至60分鐘后，進行過濾。
對于鋁合金中的雜質，本發明方法可以有效地去除熔體中的釩和鈦，使釩和鈦的 含量分別降低45重量％至90重量％，并適當的降低鐵含量，使鐵的含量降低15重量％至 50重量％。本發明所述的方法操作簡單，在鋁合金的熔煉過程中降低多種雜質元素的含量， 并且錳和硼的殘余量較低。使用的除雜合金價格低廉，并可以使用一般純鋁代替高純鋁錠 作為鋁合金原料，極大地降低了生產的成本。對雜質元素去除效率高，去除的過程不會引入 其他有害雜質。經本發明的方法去除鐵、鈦和釩雜質后的鋁合金，其質量得到提高，不會因 為雜質元素產生的硬脆相而導致鑄錠開裂等問題，使合金具有良好的后續加工性能，并可 以提高成品材料的釬焊性能，從而生產出性能優異的半成品鋁合金坯料，特別適用于鋁熱 傳輸用途。
附圖的簡要說明
1.鋁合金熔體
2.通過惰性氣體吹入含錳物質
3.含硼物質
4.鐵管或其它在鋁液中較穩定的金屬或非金屬管
5.熔煉爐或保溫爐
6.氮氣和/或氬氣氣體攪拌
7.透氣磚
8.永磁攪拌
9.熔S實施例
以下以實施例的方式對本發明的技術方案進行詳細說明。以下的實施例在本發明 技術方案的前提下進行實施，并給出詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護 范圍不限于以下的實施例。
實施例1
采用A1-7. 5重量％ Si合金(15000kg)，其中含鐵為0. 1重量％，鈦為0. 01重量％， 釩為0. 01重量％。在熔煉爐中熔化，熔化后使用氮氣加入0. 05重量％的錳，加入0. 015重 量％的硼，在720°C對熔體使用氮氣氣體和永磁雙聯攪拌，作用時間30分鐘，扒去熔體表面 的熔渣。在保溫爐中對熔體進行精煉和扒渣處理，熔體溫度730°C，保溫30分鐘。最后將 熔體通過規格為15ppi-40ppi的泡沫陶瓷過濾板。處理后合金中鐵含量為0. 083重量％， 鈦為0. 0052重量％，釩為0. 0047重量％。合金中殘留的錳含量為0. 012重量％，硼含量為 0. 0076 重量 ％。
實施例2
采用A1-8. 5重量％ Si合金(12000kg)，其中含鐵為0. 12重量％，鈦為0. 015重 量％，釩為0. 015重量％。在熔煉爐中熔化，熔化后使用氮氣加入0. 09重量％的錳，加入 0. 03重量％的硼，在730°C對熔體使用氮氣氣體和永磁雙聯攪拌，作用時間30分鐘，扒去 熔體表面的熔渣。在保溫爐中對熔體進行精煉和扒渣處理，熔體溫度730°C，保溫30分鐘。 最后將熔體通過規格為15ppi-40ppi的泡沫陶瓷過濾板。處理后合金中鐵含量為0. 094重 量％，鈦為0. 0062重量％，釩為0. 0052重量％。合金中殘留的錳含量為0. 056重量％，硼 含量為0.014重量％。
實施例3
采用A1-9. 5重量％ Si合金(15000kg)，其中含鐵為0.15重量％，鈦為0.01重 量％，釩為0.02重量％。在熔煉爐中熔化，熔化后使用氮氣加入0. 15重量％的錳，加入 0. 035重量％的硼，在740°C對熔體使用氮氣氣體和永磁雙聯攪拌，作用時間60分鐘，扒去 熔體表面的熔渣。在保溫爐中對熔體進行精煉和扒渣處理，熔體溫度730°C，保溫30分鐘。 最后將熔體通過規格為15ppi-40ppi的泡沫陶瓷過濾板。處理后合金中鐵含量為0. 107重 量％，鈦為0.00 重量％，釩為0.0045重量％。合金中殘留的錳含量為0.072重量％，硼 含量為0.016重量％。
由上述實施例中的未經去除雜質的鋁合金原料按半連續鑄造法進行鑄錠，具體鑄 造方法可參照孫兆霞等，鋁合金半連續鑄造的工藝過程控制，《輕合金加工技術》，2001年第 29卷第11期，第19-25頁的方法，將其全部引入以作參考。依照本領域工業生產中常用的 檢測方法，如生產后由專業人員進行目測等方法，發現部分會因鑄錠開裂造成不合格的產 品，鑄錠開裂率為5%。而依據本發明實施例中經過去除鐵、釩和鈦雜質后得到鋁合金，依照前述的半連續鑄造法在相同條件下將其鑄錠，按照與前述相同的檢測方法，發現沒有鑄錠 開裂的現象。
權利要求
1.一種鋁合金中雜質元素釩、鐵、鈦的去除方法，所述方法包括以下步驟向含有釩、 鈦和鐵雜質的鋁合金熔體中加入含錳物質和含硼物質，充分攪拌以除去雜質元素，其中所 述含錳物質的加入量是使錳鐵重量比為0. 5-1. 5，所述含硼物質的加入量是使加入含硼物 質后熔體中硼相對于釩和鈦總重的重量比為0. 5 2。
2.如權利要求1所述的去除方法，其中，所述含錳物質為純錳，鋁錳合金，錳的氯化物， 或它們的混合物；所述含硼物質為鋁硼合金，純硼，或它們的混合物。
3.如權利要求1或2所述的去除方法，其中，含錳物質和含硼物質是分別加入的。
4.如權利要求3所述的去除方法，其中含硼物質是在含錳物質加入后加入的。
5.如權利要求1所述的去除方法，其中所述含錳物質的加入量是使錳鐵重量比為 0. 5-1，所述含硼物質的加入量是使加入含硼物質后熔體中硼相對于釩和鈦總重的重量比 為 0. 5 1. 5。
6.如權利要求1所述的去除方法，其中所述含錳物質的加入方法是通過惰性氣體將含 錳物質吹入鋁合金熔體中。
7.如權利要求6所述的去除方法，其中惰性氣體選自氮氣、氬氣和它們的混合物。
8.如權利要求1-7任一項所述的去除方法，其進一步包括如下步驟，通過惰性氣體攪拌和/或永磁攪拌以使反應充分，和/或包括精煉和/或過濾步驟的二次凈化步驟。
9.如權利要求8所述的去除方法，其中惰性氣體為選自氮氣、氬氣和它們的混合物。
10.如權利要求8所述的去除方法，其中所述的二次凈化步驟中的過濾步驟在惰性氣 體攪拌和/或永磁攪拌下進行。
全文摘要
本發明通過在鋁合金熔體中加入可以與雜質元素鐵、鈦和釩反應的含錳和含硼物質，隨后進行惰性氣體和永磁攪拌，并經除渣處理，精煉和/或過濾的二次凈化處理去除反應生成物。本發明的方法操作簡單、除雜效率高、不引入其它有害雜質。
文檔編號C22C21/00GK102031406SQ200910179189
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月29日 優先權日2009年9月29日
發明者王寧 申請人:薩帕鋁熱傳輸(上海)有限公司