1.1熔煉過(guò)程中鋁液與環(huán)境的相互作用1.1.1熔煉過(guò)程中熱的轉(zhuǎn)移（熱力學(xué)過(guò)程）固體金屬在爐內(nèi)加熱熔化所需要的能量，要由熔煉爐的熱源供給。由于采用能源的不同，其加熱方式也不一樣，目前基本爐型仍是火焰爐。

　　鋁雖然熔點(diǎn)低（660℃），但由于熔化潛熱（393.56KJ/kg）和比熱大[固態(tài)1.138 kJ/(Kg﹒K)，液態(tài)1.046kJ/(kg﹒K)]，熔化1kg所需的熱量要比銅的大得多，而鋁的黑度（＝0.2）僅為銅、鐵的1/4,因此鋁和鋁合金的火焰熔煉爐的熱力學(xué)設(shè)計(jì)難度大，較難實(shí)現(xiàn)理想的熱效率。

　　下面講講火焰爐的熱交換過(guò)程。火焰給被加熱物體的熱量（Q）為：

　　Q＝QGC＋QSCQGC－燃燒氣體傳到受熱面的熱量，KJ/h；QSC－爐壁傳給受熱面的熱量，KJ/h。

　　QGC＝（αGCεC＋αC）（tG－tC）QSC＝（αGSФSC＋αabεb）（tS－tC）αGC－燃燒氣體與受熱面之間輻射傳熱系數(shù)，kJ/（m2﹒h﹒℃）；αC－燃燒氣體與受熱面之間的對(duì)流傳熱系數(shù)，kJ/（m2﹒h﹒℃）；αab－被燃燒氣體吸收的爐壁輻射熱量的熱輻射系數(shù)，kJ/（m2﹒h﹒℃）。

　　從以上各式可以看出，提高金屬受熱量，一方面是增大（tG－tC）和（tS－tC）即提高爐溫，這對(duì)爐體和金屬熔體都有不利影響；另一方面，由于鋁的黑度很小，提高輻射傳熱是有限的。因此只能著眼于增大對(duì)流傳熱系數(shù)，對(duì)流傳熱系數(shù)與氣體流速有以下關(guān)系：

　　當(dāng)燃燒氣體的流速V<5m/s時(shí)，αc＝5.3＋3.6V[kJ/（m2﹒h﹒℃）]

　　當(dāng)燃燒氣體的流速V>5m/s時(shí)，αc＝647＋v0.78[kJ/（m2﹒h﹒℃）]

　　可見(jiàn)提高燃燒氣體的流速是有效的，以前多采用低速燒嘴（5～30m/s），近年采用了高速燒嘴(100～300m/s),使熔爐的熱效率有很大提高。

　　1.1.2合金元素的溶解與揮發(fā)1.1.2.1合金元素在鋁中的溶解合金添加元素在熔融鋁中的溶解是合金化的重要過(guò)程。元素的溶解與其性質(zhì)有密切關(guān)系，受添加元素固態(tài)結(jié)構(gòu)結(jié)合力的破壞和原子在鋁液中的擴(kuò)散速度控制。元素在鋁液中的溶解作用可用元素與鋁的合金系相圖來(lái)確定，通常與鋁形成易熔共晶的元素容易溶解；與鋁形成包晶轉(zhuǎn)變的，特別是熔點(diǎn)相差很大的元素難于溶解。如Al－Mg、Al－Zn、Al－Cu、Al－Li等為共晶型合金系，其熔點(diǎn)與鋁也較接近，合金元素較容易溶解，在熔煉過(guò)程中可直接添加鋁熔體中；但Al－Si、Al－Fe、Al－Be等合金系雖也存在共晶反應(yīng)，由于熔點(diǎn)與鋁相差較大，溶解很慢，需要較大的過(guò)熱才能完全溶解；Al－Ti、Sl－Zr、Al－Nb等具有包晶型相圖，都屬難溶金屬元素，在鋁中的溶解很困難，為了使其在鋁中盡快溶解，必須以中間合金形式加入。

　　1.1.2.2元素的蒸發(fā)蒸發(fā)這一物理現(xiàn)象在熔煉過(guò)程中始終存在。金屬的蒸發(fā)（或稱(chēng)揮發(fā)），主要取決于蒸氣壓的大小。在相同的熔煉條件下，蒸氣壓高的元素易于揮發(fā)?？砂唁X合金的添加元素分為兩組，Cu、Cr、Fe、Ni、Ti、Si等元素的蒸氣壓比鋁小，蒸發(fā)較慢；Mn、Li、Mg、Zn、Na、Cd等元素的蒸氣壓比鋁的大，較易于蒸發(fā)，熔煉過(guò)程中的損失較大。

　　1.1.3金屬與爐氣的作用熔煉過(guò)程中，金屬以熔融或半熔融狀態(tài)暴露于爐氣并以之相互作用的時(shí)間長(zhǎng)，往往容易造成金屬大量吸氣，氧化和形成其他非金屬夾雜。

　　1.1.3.1鋁－氧反應(yīng)鋁與氧的親和力大，易氧化。在500～900℃范圍內(nèi)，純鋁表面將形成一層不溶于鋁液的、難熔的、致密的γ－Al2O3氧化膜，這層膜能阻止鋁液的繼續(xù)氧化。這一特性對(duì)熔煉工作帶來(lái)了很大方便，熔煉時(shí)不需要采取特殊的防氧化措施（鋁－鎂合金除外）。

　　加入合金元素對(duì)鋁合金的氧化有一定的影響，其影響與加入的元素使氧化物呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)以及對(duì)氧的親和力的大小有關(guān)。當(dāng)在鋁中加入Si、Cu、Zn、Mn等合金元素時(shí)，對(duì)鋁的氧化膜影響極小，因?yàn)檫@些元素與氧的親和力較小，而且加入鋁中后，表面膜將變?yōu)橛蛇@些元素的氧化物在γ－Al2O3中的固溶體（γ－Al2O3﹒MeO）所組成，此時(shí)合金的氧化膜仍是致密的，能夠阻礙合金的繼續(xù)氧化。以此相反，當(dāng)在鋁中加入堿土及堿金屬（如鎂、鈣、鈉等）時(shí)，由于這類(lèi)元素較為活潑，與氧的親和力比鋁的大，因此將優(yōu)先氧化，而且這些元素大多數(shù)是表面活性物質(zhì)，易富集在鋁液表面，從而改變了氧化膜的性質(zhì)。如Mg含量大于1.5%時(shí)，表面氧化膜幾乎已全為氧化鎂膜所組成，而且這些氧化膜多孔疏松，不能抑制膜下面的鋁合金液的繼續(xù)氧化。但若在Al－Mg合金中加入少量的鈹（0.03～0.07%），可提高此時(shí)的氧化膜的致密性，鈹也是表面活性物質(zhì)，富集在鋁液表面，且鈹?shù)脑芋w積小，擴(kuò)散速度大，鈹原子可滲入氧化鎂膜的松孔中，起了填補(bǔ)膜中孔隙的作用，從而使之形成完整的致密膜。在鋁－鎂合金類(lèi)合金中加入少量的鈣、鋰等元素也具有同樣的功效。

　　決定氧化膜性質(zhì)的因素是：①合金元素或氧化膜本身的蒸氣壓，蒸氣壓越低，則越穩(wěn)定，其保護(hù)性能也越好。②合金元素氧化后體積的變化。加入合金元素后，氧化膜的結(jié)構(gòu)是由氧化物體積對(duì)產(chǎn)生此氧化物的金屬體積之比來(lái)決定的。

　　試驗(yàn)證明，γ－Al2O3外表面是疏松的，存在Φ50～100×10-10mm的小孔，因此很容易吸附水氣。通常在熔煉溫度下其表面的膜中含有1～2%H2O，當(dāng)溫度升高時(shí)，能減少其吸附的水量，但即使溫度高達(dá)900℃時(shí)，γ－Al2O3仍吸收0.34%H2O。只有在溫度高于900℃，γ－Al2O3完全轉(zhuǎn)變成α－Al2O3時(shí)，才完全脫水。如在熔煉與澆注時(shí)將表面破壞的γ－Al2O3膜攪入鋁液中，吸附的水氣與鋁液反應(yīng)造成吸氫。鋁液中Al2O3增加，氫含量也會(huì)隨之增加。因此在熔煉和鑄造過(guò)程中不要輕易破壞氧化膜。溫度超過(guò)900℃時(shí)，γ－Al2O3開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)棣粒瑼l2O3，密度增大到3970Kg/m3,體積收縮約13%，此時(shí)表面膜不再是連續(xù)的，氧化反應(yīng)又將劇烈進(jìn)行，此時(shí)氧化物含量顯著增加，嚴(yán)重影響合金性能，所以大多數(shù)鋁合金熔煉溫度應(yīng)控制在760℃以下。

　　以氣體夾雜或氣泡形態(tài)；以氧化物、氮化物、氫化物等固態(tài)化合物形態(tài)；以液態(tài)或固態(tài)溶液，即以原子或離子形態(tài)分布于金屬原子間或晶格中；1.2.2鋁合金熔體中氣體的來(lái)源熔煉鋁合金過(guò)程中，從大氣、燃料、爐料、耐火材料、熔鑄工具等帶入的氣體種類(lèi)較多，如H2、CO2、CO、CnHm（碳?xì)浠衔铮?、H2O和O2等。但只有那些容易分解成原子的氣體，才能有較多的數(shù)量溶入鋁液中去。具體的說(shuō)，鋁液中所溶解的氣體中80～90%是氫。所以鋁合金中的含氣量，主要指含氫量。

　　熔煉時(shí)周?chē)諝庵械臍錃夂坎⒉欢?，所以氫的?lái)源主要是通過(guò)水分與鋁液反應(yīng)而產(chǎn)生的氫原子。

　　2Al ＋ 3H2O = Al2O3 ＋ 6[H]

　　這種原子態(tài)氫，一部分跑到大氣中，一部分就進(jìn)入鋁液中。

　　實(shí)踐證明，不同的季節(jié)和地區(qū)，因空氣的濕度不同，鑄錠中的含量也隨之而異，其含氣量隨空氣濕度的增大而增加。

　　1.2.3影響氣體含量的因素（1）合金元素的影響 與氣體結(jié)合力較大的合金元素，如鈦、鋯、鎂等會(huì)使合金中的氣體溶解度增大。而銅、硅、錳、鋅等元素可降低鋁合金中氣體的溶解度。

　?。?）氣體分壓的影響 在溫度相同的條件下，氣體在金屬中的溶解度隨爐氣成分中的氫氣分壓增大而增大。故火焰爐熔煉的鋁熔體中的氫溶解度比電爐中的大。

　?。?）溫度的影響 當(dāng)氫分壓一定時(shí)，溫度越高鋁熔體吸收的氫也越多。

　　此外，金屬表面氧化膜狀態(tài)及熔煉時(shí)間對(duì)氣體在鋁熔體中的溶解度也有影響。

　　1.3鋁中的非金屬夾雜1.3.1夾雜的種類(lèi)及形態(tài)在鋁熔體中存在的非金屬夾雜物有：

　　氧化物 合金在熔化和轉(zhuǎn)注過(guò)程中，鋁與爐氣中的氧及水氣作用，生成Al2O3、MgO、SiO2、和Al2O3﹒MgO（尖晶石）。

　　殘余的細(xì)化劑Al－Ti－B中間合金的粗大Ti－B粒子。

　　在熔體凈化時(shí)產(chǎn)生的氯化物、氮化物及碳化物。

　　耐火磚碎片、脫落的流槽和工具上的涂料。

　　最多的是Al2O3、MgO、Al2MgO4，形態(tài)以薄片狀為主。

　　1.3.2非金屬夾雜物的檢查方法鋁合金中的非金屬夾雜物，由于其分布不均勻，大小、形態(tài)各異，鑄錠的局部檢查很難有真正的代表性，所以要做到準(zhǔn)確的定量化是比較困難的。常用的檢查方法有：鑄錠斷面的低倍組織檢查；斷口檢查；金相檢查；氧分析；超聲波探傷檢查等。

　　1.4添加劑添加劑包括覆蓋劑、熔劑、變質(zhì)劑和精煉劑以及輔助材料等。由于鋁會(huì)與水反應(yīng)生成氧化夾雜和氫，所以任何添加劑在使用前必須要進(jìn)行烘干處理。

　　1.4.1覆蓋劑覆蓋劑是指用來(lái)覆蓋于合金液體表面、防止合金氧化和吸氣的材料。

　　1.4.2熔劑大多數(shù)鋁合金的液面有一層致密的氧化膜，它雖能阻止大氣中水的侵入，減少鋁液被大氣二次污染，但它嚴(yán)重的阻礙了鋁液中已有的氫排入大氣，當(dāng)鋁液表面上撒上熔劑后，由于熔劑能使鋁液表面致密的氧化膜破碎為細(xì)小顆粒并具有將其吸入熔劑層的作用，因而就不再存在阻礙氫分子氣泡逸入大氣的表面膜，氫分子很易通過(guò)熔劑層進(jìn)入大氣。另一方面，熔劑還能去除鋁液中的氧化夾雜物，也就去除了吸附在夾雜物表面上的小氣泡。此即為熔劑法的精煉原理。

　　對(duì)熔劑的要求：

　　不和鋁液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不相互溶解。

　　熔劑的熔點(diǎn)低于熔煉溫度，并有良好的流動(dòng)性，以便在鋁液表面形成連續(xù)的覆蓋層。

　　應(yīng)具有良好的精煉能力。

　　熔劑比重和鋁液比重應(yīng)有顯著差別，使熔劑容易上浮或下沉。要求熔劑能與合金液 很好的分離，不相互混雜，以免形成熔劑夾雜。

　　來(lái)源供應(yīng)充足，價(jià)格便宜。

　　鋁合金的熔劑種類(lèi)繁多，一般由堿金屬及堿土金屬鹵素鹽類(lèi)的混合物構(gòu)成。