一种低h含量航空航天用铝合金熔体的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种低H含量航空航天用铝合金溶体的制备方法，其方法包括熔炼、精炼和除气除渣等步骤，在除气除渣过程中采用二级除气、除査系统，使得本发明的铝合金熔体除气的效果更好，可以将航天航空用铝合金熔体中的H含量控制在0.07ml/100gAl以下，能够满足未来航空航天用铝合金质量要求，并且极大减少铝合金铸锭中的疏松、气孔、夹渣等缺陷。
【专利说明】一种低H含量航空航天用错合金溶体的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种铝合金加工领域，具体涉及一种低H含量航空航天用铝合金熔体 的制备方法。
【背景技术】
[0002] 铝及铝合金材料由于具有密度小、比强度高、比刚度高、弹性好、抗冲击性能良好、 耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易表面着色、易加工、可回收再生等优良特性，广泛用于交通 运输、包装容器、建筑装饰、航空航天、机械电器、电子通讯、石油化工等行业。尤其在航空航 天工业中，由于铝材是首选的轻量化结构材料，因此用量非常大。在飞机用材中，铝材用量 约占80%以上。航空航天器具有商机动性、商载荷、商抗压和商耐疲劳及商速与商可罪性的 特点，因此对铝合金冶金质量要求严格，不仅要对铝熔体中氧化膜、夹杂物含量进行严格控 制，而且要求氢含量越低越好。
[0003] 铝合金材料的冶金质量，如氢气含量、氧化膜、夹杂等缺陷一直是困扰铝加工企业 和航空航天工业的老大难问题。由于铝合金在精炼后存在氢气、氧化膜、夹杂物等有害物 质，在铝合金铸件中易形成气孔、疏松、夹杂等缺陷，直接影响铝合金铸件的物理性能、力学 性能以及使用性能，因此必须在浇铸前除去这些有害物质。而目前铝熔体在线除氢净化方 法主要依据气泡浮游理论，即在铝熔体中吹入大量气泡，利用氢在铝熔体和气泡中的分压 差使铝熔体中的氢不断扩散进入气泡中，并随着气泡上浮到熔体表面而逸出，从而达到除 氢目的。
[0004] 国家标准中规定航空用铝合金中氢含量要〈0. 10ml/100gAl。美国铝业公司的 Alcoa469方法可以将熔体中H含量控制在0. 08?0. 15ml/100gAl ;美国联合碳化物公司开 发的旋转喷嘴惰性气体浮游法（SNIF)可以将熔体中H含量控制在0. 08?0. 12ml/100gAl 水平上。而目前国内用Ar净化技术所得到的铝熔体中氢含量都在> 0. 08 ml/lOOgAl的水 平上，如果天气潮湿以及生产过程中工艺发生波动，氢含量就有可能高于0. 10 ml/100gAl。 但是随着社会经济的发展，航空航天领域对于材料性能提出了更高的要求，合金中氢含量 更是越低越好。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种低H含量航空航天用铝合金 熔体的制备方法，该方法通过从合金熔炼、除渣、除气、过滤等工艺控制，使得铝合金熔体中 氢含量降低至〇. 〇7ml/100g以下，以满足未来航空航天用铝合金质量要求。
[0006] 本发明是这样实现的： 一种低H含量航空航天用铝合金熔体的制备方法，其特征在于：其方法包括熔炼、精炼 和除气除渣等步骤，过程如下： (1)熔炼：将纯度达99. 75%及以上的铝锭投入熔炼炉中进行熔炼，按配比称重好并装 炉后，采用热能效率和密闭性好的蓄热式喷嘴熔铝炉进行熔炼，在熔炼过程中用电磁搅拌 加速熔炼速度，并用扒渣车对铝液夹渣进行扒渣操作，控制扒渣时间小于45分钟，扒渣后 取样进行成分分析，然后调整合金成分，使其合金成分达到要求，铝液在熔炼炉内时间低于 8h ； (2) 精炼：将铝液加热至710?760°C后转至保温炉内进行易烧损合金元素的添加以 及保温、静置，并进行炉内精炼，铝液转入保温炉后，开启电磁搅拌，并重新加热至710? 760°C，合金成分合格后进行初级精炼，精炼时采用Ar,气体流量控制在40?80L/min，精炼 时间控制在10?30min，精炼过程中需要对铝液表面的浮渣进行清理，精炼完成后停止电 磁搅拌，并将铝合金熔体静置20?30min ; (3) 除气除渣：静置完成后，立即对铝熔体进行在线除气、除渣，在线除气、除渣采用二 级在线除气、除渣系统，在线除气采用的是N 2作为覆盖气体，防止净化后的铝液发生二次氧 化，气体流量为2?4m3/h，除气过程中铝液温度保持在710?760°C之间，最后过滤除渣， 过滤后的铝熔体可以直接进行浇注。 以上所述的铝锭中，其中一级回收铝的含量低于30%。
[0007] 以上所述的二级在线除气及除渣系统为先进行一级在线除气及二级在线除气，然 后再进行一级在线除渣及二级在线除渣；或者先进行一级在线除气及一级在线除渣，然后 再进行二级在线除气及二级在线除渣。
[0008] 以上所述的一级在线除气是采用Ar与Cl2混合气体除气，流量为1?5m 3/t铝熔 体，Ar与(：12流量比为1 :0. 02?0. 05,分压为0. 10?0. 30MPa，转子转速为300?500rpm/ min〇
[0009] 以上所述的二级在线除气是Ar采用除气，流量为1?5m3/t铝熔体，分压为 0· 10 ?0· 30MPa，转子转速为 300 ?500rpm/min。
[0010] 以上所述的一级在线除渣采用的是30?50ppi的陶瓷过滤板，二级在线除渣采用 的是30?70ppi陶瓷过滤板。
[0011] 本发明的突出的实质性特点和显著的进步是： 1、本发明在除气除渣过程中采用二级除气，使得除气的效果更好，可以将航天航空用 铝合金熔体中的H含量控制在0. 07ml/100gAl以下，能够满足未来航空航天用铝合金质量 要求。
[0012] 2、本发明的铝合金熔体在制备过程中通过二级过滤系统去除铝熔体中的氧化物、 非金属夹杂物和其他有害金属杂质，能够极大减少铝合金铸锭中的疏松、气孔、夹渣等缺 陷。
【具体实施方式】
[0013] 实施例1 以生产2219铝合金为例： (1)熔炼：将纯度达99. 75%及以上的铝锭，其中一级回收铝的含量为28%，投入熔炼炉 中进行熔炼，按配比称重好并装炉后，采用热能效率和密闭性好的蓄热式喷嘴熔铝炉进行 熔炼，在熔炼过程中用电磁搅拌加速熔炼速度，并用扒渣车对铝液夹渣进行扒渣操作，控制 扒渣时间小于45分钟，扒渣后取样进行成分分析，然后调整合金成分，使其合金成分达到 要求，铝液在熔炼炉内时间为7h ; (2) 精炼：将铝液加热至710-715°C后转至保温炉内进行易烧损合金元素的添加以及 保温、静置，并进行炉内精炼，铝液转入保温炉后，开启电磁搅拌，并重新加热至710-715°C， 合金成分合格后进行初级精炼，精炼时采用Ar,气体流量控制在40L/min，精炼时间控制在 lOmin，精炼过程中需要对铝液表面的浮渣进行清理，精炼完成后停止电磁搅拌，并将铝合 金熔体静置20min ; (3) 除气除渣：静置完成后，立即对铝熔体进行在线除气、除渣，在线除气、除渣采用二 级在线除气、除渣系统，所述的在线除气采用的是N 2作为覆盖气体，防止净化后的铝液发生 二次氧化，气体流量为2m3/h，除气过程中铝液温度保持在710-715°C之间，最后过滤除渣， 过滤后的铝熔体可以直接进行浇注。 所述的二级在线除气及除渣系统为先进行一级在线除气及二级在线除气，然后再进行 一级在线除渣及二级在线除渣。
[0014] 所述的一级在线除气是采用Ar与Cl2混合气体除气，流量为lm3/t铝熔体，Ar与 Cl 2流量比为1 :0. 02,分压为0. lOMPa，转子转速为300rpm/min。
[0015] 所述的二级在线除气是Ar采用除气，流量为lm3/t铝熔体，分压为0. lOMPa，转子 转速为 300rpm/min。
[0016] 所述的一级在线除渣采用的是30ppi的陶瓷过滤板，二级在线除渣采用的是 30ppi陶瓷过滤板。
[0017] 实施例2 以生产2219铝合金为例： (1) 熔炼：将纯度达99. 75%及以上的铝锭，其中一级回收铝的含量为25%，投入熔炼炉 中进行熔炼，按配比称重好并装炉后，采用热能效率和密闭性好的蓄热式喷嘴熔铝炉进行 熔炼，在熔炼过程中用电磁搅拌加速熔炼速度，并用扒渣车对铝液夹渣进行扒渣操作，控制 扒渣时间小于45分钟，扒渣后取样进行成分分析，然后调整合金成分，使其合金成分达到 要求，错液在烙炼炉内时间为6h ; (2) 精炼：将铝液加热至720?725°C后转至保温炉内进行易烧损合金元素的添加以 及保温、静置，并进行炉内精炼，铝液转入保温炉后，开启电磁搅拌，并重新加热至720? 725°C，合金成分合格后进行初级精炼，精炼时采用Ar,气体流量控制在50L/min，精炼时间 控制在15min，精炼过程中需要对铝液表面的浮渣进行清理，精炼完成后停止电磁搅拌，并 将铝合金熔体静置22min ; (3) 除气除渣：静置完成后，立即对铝熔体进行在线除气、除渣，在线除气、除渣采用二 级在线除气、除渣系统，所述的在线除气采用的是N 2作为覆盖气体，防止净化后的铝液发生 二次氧化，气体流量为3m3/h，除气过程中铝液温度保持在720?725°C之间，最后过滤除 渣，过滤后的铝熔体可以直接进行浇注。 所述的二级在线除气及除渣系统为先进行一级在线除气及一级在线除渣，然后再进行 二级在线除气及二级在线除渣。
[0018] 所述的一级在线除气是采用Ar与Cl2混合气体除气，流量为2m3/t铝熔体，Ar与 Cl 2流量比为1 :0. 03,分压为0. 20MPa，转子转速为400rpm/min。
[0019] 所述的二级在线除气是Ar采用除气，流量为2m3/t铝熔体，分压为0. 20MPa，转子 转速为 400rpm/min。
[0020] 所述的一级在线除渣采用的是40ppi的陶瓷过滤板，二级在线除渣采用的是 50ppi陶瓷过滤板。
[0021] 实施例3 以生产7150铝合金为例： (1) 熔炼：将纯度达99. 75%及以上的铝锭，其中一级回收铝的含量为20%，投入熔炼炉 中进行熔炼，按配比称重好并装炉后，采用热能效率和密闭性好的蓄热式喷嘴熔铝炉进行 熔炼，在熔炼过程中用电磁搅拌加速熔炼速度，并用扒渣车对铝液夹渣进行扒渣操作，控制 扒渣时间小于45分钟，扒渣后取样进行成分分析，然后调整合金成分，使其合金成分达到 要求，铝液在熔炼炉内时间为6. 5h ; (2) 精炼：将铝液加热至730?740°C后转至保温炉内进行易烧损合金元素的添加以 及保温、静置，并进行炉内精炼，铝液转入保温炉后，开启电磁搅拌，并重新加热至730? 740°C，合金成分合格后进行初级精炼，精炼时采用Ar,气体流量控制在60L/min，精炼时间 控制在20min，精炼过程中需要对铝液表面的浮渣进行清理，精炼完成后停止电磁搅拌，并 将铝合金熔体静置25min ; (3) 除气除渣：静置完成后，立即对铝熔体进行在线除气、除渣，在线除气、除渣采用二 级在线除气、除渣系统，所述的在线除气采用的是N 2作为覆盖气体，防止净化后的铝液发生 二次氧化，气体流量为4m3/h，除气过程中铝液温度保持在730?740°C之间，最后过滤除 渣，过滤后的铝熔体可以直接进行浇注。 以上所述的二级在线除气及除渣系统为先进行一级在线除气及二级在线除气，然后再 进行一级在线除渣及二级在线除渣。
[0022] 所述的一级在线除气是采用Ar与Cl2混合气体除气，流量为3m3/t铝熔体，Ar与 Cl 2流量比为1 :0. 04,分压为0. 25MPa，转子转速为450rpm/min。
[0023] 所述的二级在线除气是Ar采用除气，流量为3m3/t铝熔体，分压为0. 25MPa，转子 转速为 450rpm/min〇
[0024] 所述的一级在线除渣采用的是45ppi的陶瓷过滤板，二级在线除渣采用的是 60ppi陶瓷过滤板。
[0025] 实施例4 以生产7150铝合金为例： (1) 熔炼：将纯度达99. 75%及以上的铝锭，其中一级回收铝的含量为23%，投入熔炼炉 中进行熔炼，按配比称重好并装炉后，采用热能效率和密闭性好的蓄热式喷嘴熔铝炉进行 熔炼，在熔炼过程中用电磁搅拌加速熔炼速度，并用扒渣车对铝液夹渣进行扒渣操作，控制 扒渣时间小于45分钟，扒渣后取样进行成分分析，然后调整合金成分，使其合金成分达到 要求，错液在烙炼炉内时间为6h ; (2) 精炼：将铝液加热至755?760°C后转至保温炉内进行易烧损合金元素的添加以 及保温、静置，并进行炉内精炼，铝液转入保温炉后，开启电磁搅拌，并重新加热至755? 760°C，合金成分合格后进行初级精炼，精炼时采用Ar,气体流量控制在80L/min，精炼时间 控制在30min，精炼过程中需要对铝液表面的浮渣进行清理，精炼完成后停止电磁搅拌，并 将铝合金熔体静置30min ; (3) 除气除渣：静置完成后，立即对铝熔体进行在线除气、除渣，在线除气、除渣采用二 级在线除气、除渣系统，所述的在线除气采用的是N2作为覆盖气体，防止净化后的铝液发生 二次氧化，气体流量为4m3/h，除气过程中铝液温度保持在755?760°C之间，最后过滤除 渣，过滤后的铝熔体可以直接进行浇注。 所述的二级在线除气及除渣系统为先进行一级在线除气及一级在线除渣，然后再进行 二级在线除气及二级在线除渣。
[0026] 所述的一级在线除气是采用Ar与Cl2混合气体除气，流量为5m3/t铝熔体，Ar与 Cl 2流量比为1 :0. 05,分压为0. 30MPa，转子转速为500rpm/min。
[0027] 所述的二级在线除气是Ar采用除气，流量为5m3/t铝熔体，分压为0.30MPa，转子 转速为 500rpm/min〇
[0028] 所述的一级在线除渣采用的是50ppi的陶瓷过滤板，二级在线除渣采用的是 70ppi陶瓷过滤板。
[0029] 本发明铝合金熔体除气前后氢含量的对比：
【权利要求】
1. 一种低H含量航空航天用铝合金熔体的制备方法，其特征在于：包括熔炼、精炼和 除气除渣等步骤，过程如下： (1) 熔炼：将纯度达99. 75%及以上的铝锭投入熔炼炉中进行熔炼，按配比称重好并装 炉后，采用热能效率和密闭性好的蓄热式喷嘴熔铝炉进行熔炼，在熔炼过程中用电磁搅拌 加速熔炼速度，并用扒渣车对铝液夹渣进行扒渣操作，控制扒渣时间小于45分钟，扒渣后 取样进行成分分析，然后调整合金成分，使其合金成分达到要求，铝液在熔炼炉内时间低于 8h ； (2) 精炼：将铝液加热至710?760°C后转至保温炉内进行易烧损合金元素的添加以 及保温、静置，并进行炉内精炼，铝液转入保温炉后，开启电磁搅拌，并重新加热至710? 760°C，合金成分合格后进行初级精炼，精炼时采用Ar,气体流量控制在40?80L/min，精炼 时间控制在10?30min，精炼过程中需要对铝液表面的浮渣进行清理，精炼完成后停止电 磁搅拌，并将铝合金熔体静置20?30min ; (3) 除气除渣：静置完成后，立即对铝熔体进行在线除气、除渣，在线除气、除渣采用的 是二级在线除气、除渣系统，在线除气采用的是N 2作为覆盖气体，防止净化后的铝液发生二 次氧化，气体流量为2?4m3/h，除气过程中铝液温度保持在710?760°C之间，最后过滤除 渣，过滤后的铝熔体可以直接进行浇注。
2. 根据权利要求1所述的一种低H含量航空航天用铝合金熔体的制备方法，其特征在 于：所述的铝锭中，其中一级回收铝的含量低于30%。
3. 根据权利要求1所述的一种低H含量航空航天用铝合金熔体的制备方法，其特征在 于：所述的二级在线除气及除渣系统为先进行一级在线除气及二级在线除气，然后再进行 一级在线除渣及二级在线除渣；或者先进行一级在线除气及一级在线除渣，然后再进行二 级在线除气及二级在线除渣。
4. 根据权利要求3所述的一种低H含量航空航天用铝合金熔体的制备方法，其特征在 于：所述的一级在线除气是采用Ar与Cl2混合气体除气，气体流量为1?5m 3/t铝熔体，Ar 与Cl2流量比为1 :0. 02?0. 05,分压为0. 10?0. 30MPa，转子转速为300?500rpm/min。
5. 根据权利要求3所述的一种低H含量航空航天用铝合金熔体的制备方法，其特征 在于：所述的二级在线除气是Ar采用除气，气体流量为1?5m 3/t铝熔体，分压为0. 10? 0. 30MPa，转子转速为 300 ?500rpm/min。
6. 根据权利要求3所述的一种低H含量航空航天用铝合金熔体的制备方法，其特征在 于：所述的一级在线除渣采用的是30?50ppi的陶瓷过滤板，二级在线除渣采用的是30? 70ppi陶瓷过滤板。
【文档编号】C22C1/02GK104212985SQ201410451480
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月8日 优先权日:2014年9月8日
【发明者】杨文 , 唐露华, 何克准, 乐永康, 周文标, 彭自业, 郑玉林 申请人:广西南南铝加工有限公司