铝合金除铁技术研究进展

杨途才 ，韦美玲 ，杨丹，李倩韵

(1.百色学院材料科学与工程学院，广西 百色 533000；2.百色学院生态铝产业学院，广西 百色 533000；3.广西壮族自治区铝基新材料工程研究中心，广西 百色 533000)

1 概述

铝合金是一种可以回收并循环利用的可持续资源，具有良好的力学、铸造、机械加工等性能，加上其冶炼工艺较为简便，现已被广泛运用于电力、军工、汽车、包装、航空及石化等国民经济领域，并成为钢铁以外的第二大消费量金属材料。随着我国节能减排的环境保护政策的实施，以往依赖自然资源、能源消耗的电解铝产业受到一定冲击，并从侧面推动了再生铝产业的进步与发展。与电解铝相比，虽说再生铝拥有较好的经济效益，但高性能的铝合金所允许的含铁量范围极低，而再生铝包含的铁杂质便成为阻碍其发展与应用的难题。在铝合金中，杂质铁不仅很难完全净化去除，还会在回收过程中不断累积，形成很高的含量，从而严重影响铝合金在抗腐蚀性、机械加工等方面的性能。由此可见，若要铝合金产业朝着高性能方向发展，行之有效的铝合金除铁技术则是关键，对除铁技术进行持续研究与广泛关注，对我国铝合金产业的持续进步与健康发展有十分重要的现实意义。

2 铝合金除铁技术研究

2.1 重力沉降法

在铝合金中，铁、铬、锰等化合元素的密度比铝液大得多，当处于合金液体静置保温阶段时，富铁相会产生重力偏聚。重力偏聚经常出现于工业压铸生产中，由于压铸合金液体的保温温度与浇铸温度都很低，而铝合金压铸过程中铁、铬、锰等的金属间化合物含量比较高，Al(FeMnCr)Si 形式的中间相就比较容易形成，并沉降集中于炉子的底部。何学峰等通过重力沉降法对铝合金中的金属间化合物进行分离，发现越是接近模铸的下方，金属间化合物的体积分数、化合物个数及相应的尺寸便会越大，其沉淀速度及依据符合Stokes 定律的计算值[1]。铝合金中铁的固相体积分数会对重力沉降产生直接影响，当固体相体积分数不多于可以形成固态连接相临界值0.2～0.6 时，沉降便会发生。刘天宝研究表明固相体积分数超过临界值时，重力沉积将会被固体颗粒所抑制，固相体积分数比临界值低时，固相颗粒沉积的规律便符合Stokes定律[2]。另外，若要重力沉降法达到较好的除铁效果，对合金液的保温温度进行控制，并提升富铁相的密度与熔点是关键。一是要使富铁相稳定存在于铝合金熔体中；二是要延长保温的时间，促使富铁相的尺寸能够成长到一定状态，并让其自身重力得到增加，从而更好地克服合金液间的黏度阻力并发生沉降。

2.2 离心分离法

离心分离法与重力沉降法的除铁原理较为相似，均是对合金液本身与析出富铁相之间的密度差进行利用。柏佑等通过离心分离法对铝合金中的铁元素含量进行降低，先是将特定温度下的Be 元素加入至铝合金液体中，然后对其进行一定时间的保温，使其形成的富铁相密度更大，再利用离心力分离富铁相与合金熔体[3]。离心分离法除铁技术主要是通过离心力的影响，促使那些密度高于液相的高熔点含铁金属间化合物被集中于分离器的外壁。富铁相需要较长时间来进行自由沉降，导致除铁效率较低，而离心分离的去除方法可以对转速进行调节，通过各种大小的离心力让富铁相偏移的速度增快，从而提升整体的沉降效率。然而，在实际应用过程中由于各方面因素的制约，难以对大批量的合金液进行连续的处理与操作。同时，经过离心分离法处理后的合金液必须立马转入熔炼炉中进行加热保温，而在进行转炉操作过程时，既难以方便地进行操作，还会浪费大量的合金液。有研究将离心分离法应用于Al-11Si-2Fe 合金中，在离心力的作用下，高熔点的铁相会被甩到外层，存于内层的便是净化后的铝液。模铸在经过处理后，能够清晰看到聚集于外层的杂质。当转速大于16.6 r/s 时，处于里层的杂质颗粒就会被完全分离出来，铁的含量可以降低到0.1%～0.2%(质量分数)[4]。

2.3 电磁分离法

电磁分离法实现除铁目的方式是依靠杂质铁颗粒在熔体中的运动，杂质颗粒与熔体之间的导电性差异是决定电磁分离夹杂的驱动力的关键，而与铁颗粒的密度、化学成分与状态等都毫无关系。研究发现，当杂质与熔体间密度相差较小时，电磁分离法便显得十分适用[5]。与重力沉降法、离心分离法相比，电磁分离法不会受到动力学的限制，并且对细小富铁相的净化效果更加理想，更加有效。使用电磁分离法在对富铁相进行除去时，电磁场给予压力的方式比较灵活，且电磁力的密度也能够持续进行调整，相对而言具有更加稳定、高效率、无污染的特征。总体来说，电磁分离法主要是依赖电磁场的作用力，通过调节感应电流使富铁相平稳、匀速地聚集于隔板壁上，以此对细小杂质进行除去，并增加富铁相的过滤效果，让铝合金的清洁度达到更高标准。同时，电磁分离法既不用接触处理，也不需要使用任何熔剂，更不用担心污染铝合金熔体及环境等问题。许锐等将电磁分离法应用于A380 铝合金的回收中发现：处于垂直磁场中的铝液，感应电流会产生洛伦兹力F，而且对那些导电性较差的富铁金属间化合物有着主要作用。因此，富铁相会朝着电磁力的反方向移动，从铝合金中分离出来，铁含量会由1.64 %降至0.45 %(质量分数)[6]。

2.4 添加中和剂

铝合金中的铁元素与其他元素作用后会产生针状或片状的富铁相，而在铝合金中添加中和剂，便能抑制富铁相形态的变化，促使其朝着汉字状或块状的形态转变，以此从一定程度上降低铁相对合金的负面影响，改善并提高铝合金的强度、机械性能与力学性能。赵静蕊对中和剂混合加入会对富铁相产生何种影响进行了研究：单独添加Be，富铁相会变成六角形状；将Be 与Cr 同时添加时，富铁相会呈现汉字状；添加适当比例的Be、Cr、Mn，富铁相会变成粗大的汉字状或不规则的形状[7]。在工业生产中，常用的中和剂有Mn、Sr、Mo、Co、Be、Cr 等。其中，锰是经常使用的中和剂，其能够有效溶解铝合金中的铁，对β-Fe相的产生进行抑制的同时，还能降低β-Fe 相对合金的危害，然而锰并不能将铝合金中铁完全消除，且只能减少铁对铝合金的一部分损害。常见的中和剂还有铬和钴，铬可以对铝合金的延伸率进行大幅度地提升与改善，钴可以使铝合金的富铁相变成球状铁相。此外，在对铝合金进行除铁时，既可以添加某一种中和剂，也可以同时添加多种中和剂来使铁相的外观发生改变。

2.5 硼化法

硼化法是在铝合金中添加以硼化物为主要成分的除铁剂来净化与清理铁杂质。当含有硼化物的熔剂添加至镁合金熔体中，可以有效降低铁的含量[8]。硼化法的除铁原理主要是依赖铁元素与硼元素之间的化学反应，当硼化物与铝合金中的铁形成铁硼化合物后，便可以利用熔剂的吸附作用轻易将其捕获，并在炉中被溶解去除。研究发现，硼化物的除铁机制是铝合金中的杂质铁与硼元素产生化学反应，并生成了Fe-B 化合物，然后通过熔渣的形式被捕获排出[9]。熔剂的除铁能力由两方面内容决定：一是熔剂和铝合金之间的化学作用；二是熔剂对铝合金中铁硼化合物相产生的吸附作用。当熔剂中的硼化物含量较高，并且与铝合金的接触面积较大时，便能使熔剂与铁相之间的界面张力更小，让除铁的效果更好。现阶段，硼化法经常使用于导电铝的除铁。硼可以改变导电铝中V、Ti、Zr、Cr 及其他部分元素的状态，使其由固溶形态变成沉淀状态，从而使导电铝中的杂质减少。同时，硼可以使铁在铝液中沉淀，当铁沉降到炉底后，便能够将铝合金中的铁除掉。孙德勤等将硼砂作为除铁剂，并添加于A356 铝合金中，随后利用泡沫陶瓷对铝液进行过滤，除铁率可以高达65.6%[10]。王言兵认为将硼砂添加至纯铝中，其含铁量会从0.140%降低至0.087%(质量分数)；将硼砂添加至ADC12 中，含铁量会从0.52%降低到0.27%，对铁的去除率达到48.08%，同时建立了硼砂溶剂来除铁的扩散动力学模型[11]。

2.6 熔体过热法

研究表明铝合金熔体浇注前过热能，可以有效阻碍并减少富铁相的形核[12]。利用熔体过热法对铝合金进行除铁，无须添加任何元素便能使铁相的外观发生改变，并且对绝大多数的铝合金均有效果。通过熔体过热法的运用，铝合金在充分过热的条件下可以降低富铁相的形核，并使β-Fe 相的形成得到有效抑制。同时，随着熔体的热度不断增加，铁相的外观将会出现进一步的改变。譬如，铝合金的含铁量在0.8%～1.0%之间时，如果熔炼温度不断升高，铁相的形态便会由针状转变成球状或者花朵状。同时，在对铝合金铸造过程中，其液态结构产生变化后会对铁相形态改变有着一定影响。当温度达到某一数值时，铝合金液态结构会产生多晶形转变，如果将铸造合金升温至结构变化温度以上，再对其进行快速冷却，就能够有效抑制初生铁相成长为粗大的针片状，促使凝固组织出现显而易见的改变。段瑞斌等研究表示，当铝合金的含铁量在1.2%(质量分数)时，对其进行840 ℃的浇注试验，富铁相会呈现针片状；合金液在920 ℃时浇注，富铁相会以球状的形态存在；合金液在840～920 ℃时，绝大部分的富铁相都变成蔷薇状，只有少量呈现针状或球状[13]。

3 结语

我国对高性能铝材的需求量十分巨大，推动铝产业的升级调整及长远发展，必须通过一系列的行之有效的措施来提升铝合金的纯净度，特别是对铁杂质的抑制与去除。铁杂质的存在严重危害了铝合金的各种性能，且不能在净化过程中被轻易去除，这从一定程度上限制了铝合金的品质，还阻碍了我国再生铝行业的发展。目前，我国对铝合金除铁主要是利用重力沉降、离心分离、电磁分离、使用中和剂等技术手段，但这些技术方法还尚未达到最佳的除铁效果。因此，还需要对铝合金除铁技术进行继续研究，才能有效推动铝合金行业的健康、持续发展。