CN111549237A

CN111549237A - 一种再生铝熔体中脉冲电流分离铁元素杂质的方法

Info

Publication number: CN111549237A
Application number: CN202010430097.5A
Authority: CN
Inventors: 张新房; 徐雄; 秦书洋
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2020-05-20
Publication date: 2020-08-18
Anticipated expiration: 2040-05-20
Also published as: CN111549237B

Abstract

一种再生铝熔体中脉冲电流分离铁元素杂质的方法，属于再生铝熔体净化技术领域。将铁元素含量超标的再生铝合金熔体放置在坩埚内，将两电极与脉冲电源连接并平行插入铝熔体中，持续施加脉冲电流直至相应时间，根据熔体体积和温度来选用相应的脉冲参数。脉冲电流处理参数范围：频率20～50kHz，电压1～100V，电流密度0.1～700A/cm²，作用时间1min～10h。该方法利用熔体中的Al元素和Fe元素在脉冲电流作用下发生不同方向的电迁移使其分别富集在正极和负极处，达到净化铝熔体的目的。本发明可在不加入任何中和元素污染熔体的情况下对铝熔体进行脉冲电流处理，实现铝熔体中的铁杂质元素的分离，净化熔体。该方法操作简单、高效、无污染，大大提升除铁效率，符合当前工业绿色发展规划的要求。

Description

一种再生铝熔体中脉冲电流分离铁元素杂质的方法

技术领域

本发明属于再生铝熔体净化技术领域，具体涉及一种通过脉冲电流实现铝熔体中的Al-Fe分离，从而去除再生铝熔体中铁杂质元素的方法。

背景技术

铝合金以其优异的性能在汽车、航空、电子、建筑等领域得到了广泛的应用。并且铝及其铝合金具有很高的可回收性，是最具回收价值的金属材料，铝及其合金的回收再利用具有显著的环境效益和经济效益。与生产原铝相比，生产再生铝的综合能耗仅为电解铝的5％，但CO₂的排放量可减少90％以上。因此在合理开发利用能源和铝土矿资源的同时，必须重视再生资源的循环利用。高品质再生铝合金的回收利用中的一大难点在于去除Fe、Zn、Mg等有害元素，随后调整合金化成分使其达到使用标准。其中，铁是铝合金中最有害的元素，也是最难去除的元素。铁在铝合金中的固溶度很低，少量的铁便可与铝或铝合金中的其他元素化合形成针状富铁相，严重割裂基体，大大降低铝合金的力学性能，尤其是延伸率。杂质元素铁的去除已经成为困扰再生铝行业发展的国际性难题，它对于扩大再生铝的应用和提高再生铝产品品质的关键性不言而喻。因此，高效的再生铝合金除铁技术是发展高品质铝合金及其产品的关键技术。

传统的减少和消除铁相有害作用的方法包括：中和元素法、过热法、自然沉降法、离心法和复合净化法。专利(CN103572080A)公开了一种除铁、细化晶粒及改善富铁相形貌的铝硅再生铝的除铁方法，采用Al-B、Al-Mn中间合金作为除铁剂，通过Mn、B元素与铝硅再生铝中的Al、Si、Fe等形成Fe-B、Al-Si-Mn-Fe等高熔点、大密度的质点，一部分自然沉降去除，另一部分则在铸造过程中辅以机械振动从而达到细化晶粒，提高铝硅再生铝的延伸率。专利(CN104674010A)公开了一种废铝再生过程中有害元素的去除方法，将回收的废铝分级分选并进行初步改性，随后投入熔炉中进行低温熔炼处理。过程中采用电磁除铁搅拌装置进行搅拌，利用磁性吸附除去铁，再加入除杂剂，除杂完成后的铝液进行撇渣处理，得到合格的纯净铝溶液。专利(CN1354267A)公开了一种去除铝硅合金中铁元素的电磁分离方法，首先在共晶铝硅合金中加入猛，使铁元素在熔体中以初生富铁相的形式充分析出，在电磁力作用下利用初生富铁相与熔体的运动规律不同，使初生相从熔体中“排挤”而分离，并富集在过滤器壁上而去除，从而降低铝硅合金中的铁元素含量。但是该处理方法仍然存在较大缺陷。其一，该方法必须将熔体合金化使初生富铁相从熔体中充分析出，合金化元素的加入势必对熔体产生不可避免的污染。其二，该发明公布的处理方法采用稳流磁场加直流电流或高频磁场，极易造成熔体不稳定，分离效率低。其三，该方法是在浇注过程中使合金熔体流过感生磁场管道，并不是将电流直接通过熔体。而本发明直接将脉冲电流接入合金熔体，高速电子流直接作用于熔体中的Al元素和Fe元素，而不是熔体中的富铁相。利用脉冲电流作用下Al元素和Fe元素的迁移方向的不同从而达到净化再生铝熔体的目的。上述各分离方法各有利弊，普遍存在操作复杂，时间周期较长、效率较低，且都需要在熔体加入中间元素作为除铁剂，会对铝合金熔体进一步造成污染。随着再生铝工业的不断发展以及对高性能铝合金品质要求的提升，对铝合金中杂质铁含量的限制也越来越严格，迫切需要开发出新的除铁技术。

再生铝合金中的铁元素含量直接决定其品质和性能的高低。脉冲电流作为一种重要的瞬时非平衡加工技术，简单、易于操作、清洁高效并且由于其对金属材料的特殊作用已经得到了越来越多的关注。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非传统的外场处理手段即通过脉冲电流处理实现铝熔体中的Al-Fe分离，从而去除再生铝合金中铁元素杂质的新方法。利用该方法可有效去除再生铝合金中的铁元素杂质，避免再生铝合金中铁元素杂质过多带来的不利影响，显著提高再生铝合金的品质。

本发明的构成：

采用99％(质量分数，下同)的工业纯铝与Al-20％Fe合金配置成含Al-2.2％Fe合金。以该合金材料为研究对象，将材料在坩埚中融化，通过控制脉冲电流参数(频率20～50kHz，电压1～100V，电流密度0.1～700A/cm²，作用时间1min～10h)作用于铝熔体中，实现熔体中的Al-Fe分离，从而达到铝合金熔体净化的目的。

一种去除再生铝合金熔体中的铁杂质元素方法，其特征在于对再生铝合金熔体进行脉冲电流处理，具有高效清洁且易于操作、对熔体无污染特点；所述脉冲处理的参数范围：频率20～50kHz，电压1～100V，电流密度0.1～700A/cm²，作用时间1min～10h。

进一步地，所述的脉冲电流处理具体步骤由以下构成：

(1)将99％的工业纯铝和Al-20％Fe中间合金配置成Al-2.2％Fe合金试样。将试样置于坩埚中并在电阻炉中加热至1200℃，并保温50-70min，使合金材料完全融化并使铝熔体均匀化。

(2)熔体随炉降温至900℃，两电极用纯铜导线与脉冲电源相连接并平行插入铝熔体中，按计划参数对其进行脉冲电流处理，并在此温度下保温9-11min。脉冲参数：频率20～50kHz，电压1～100V，电流密度0.1～700A/cm²，作用时间1min～10h。

(3)关闭电阻炉加热电源，让试样随炉冷却，在此期间一直施加电脉冲；

(4)试样随炉冷却至700℃时，切断脉冲电源取出试样并进行水冷。

进一步地，根据熔体体积和温度来选择合适的脉冲电流处理参数：铝熔体脉冲电流处理温度为900℃，坩埚尺寸为Φ50mm(内径)×60mm，脉冲电流参数选择为31kHz，8V，9.8A/cm²，作用时间70min；铝熔体脉冲电流处理温度为900℃，坩埚尺寸为Φ50mm(内径)×60mm，脉冲电流参数选择为10kHz，12V，24.5A/cm²，作用时间70min；铝熔体脉冲电流处理温度为750℃，坩埚尺寸为Φ70mm(内径)×70mm，脉冲电流参数选择为200Hz，24V，49A/cm²，作用时间10min。

所述脉冲电流处理所采用的设备均为脉冲电源。

所述熔体进行脉冲处理均在电阻炉中进行。

所述电极材质为石墨，尺寸为Φ10mm×30cm。

脉冲电流处理铝熔体可以使得铝熔体中的铁原子产生定向移动至负极而熔体中的铝原子定向移动至正极，从而实现熔体中的Al-Fe分离，净化熔体。更为关键的是，与现有的除铁方法相比，脉冲电流处理不需要加入中间元素，因此不会污染铝熔体且操作简单，可直接对铝熔体进行处理，易于实行且可对铝熔体实现连续处理。本发明提出一种新的去除铝熔体中铁元素杂质的简单、高效的方法，可有效提升再生铝的品质和性能。

本发明与现有的中和元素法、自然沉降法、离心法、复合净化法和电磁净化法等去除铝熔体中的Fe元素杂质相比，可以在不需要添加中和元素污染铝熔体的情况下直接对铝合金熔体进行处理，有效分离铝熔体中的Fe元素杂质。本发明操作简单，可以高效、连续处理铝熔体，达到除Fe的目的，符合当前工业绿色发展规划的要求。

附图说明

图1实施例1中脉冲电流处理设备示意图。

图2实施例1选用脉冲电流处理后Al-2.2％Fe合金后铸锭中正负电极间Fe元素含量分布。

具体实施方式

本发明选用Al-2.2％Fe合金，由99％的工业纯铝和Al-20％Fe中间合金配置而成。以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例对坩埚中Al-2.2％Fe熔体进行脉冲电流处理。具体步骤如下：

第一步：将配置好的Al-2.2％Fe合金材料放入坩埚中并置于电阻炉中加热至1200℃保温60min。以确保中间合金Al-20％Fe中的针状富铁相完全溶解并使熔体均匀化。坩埚尺寸为Φ50mm(内径)×60mm。

第二步：确定脉冲处理参数。对脉冲电流的参数范围进行设定，确定脉冲电流参数为频率31kHz，电压8V，脉冲电流密度9.8A/cm²，作用时间70min。

第三步：脉冲电流处理。待Al-2.2％Fe熔体随炉降温至900℃时，将两电极平行插入熔体中，并开始对其进行脉冲电流处理。在此温度下保温10min后切断电阻炉加热电源使试样随炉冷却，期间一直施加脉冲电流，电极与铜导线以缠绕的方式连接，确保接触良好，处理设备示意图如图1所示。

第四步:脉冲电流处理时长为70min时，停止脉冲电流处理。此时铝熔体温度为700℃，试样未开始凝固，取出试样进行水冷。

第五步：在光镜下观察试样冷却后的组织变化。从冷却后的铸锭试样上切下两电极之间的有效区域，依次用600、800、1500目砂纸将其表面打磨并抛光，采用1mL浓HF、1.5mL浓HCl、2.5mL浓HNO₃和95mL蒸馏水为腐蚀剂。通过光学显微镜观察脉冲电流处理后试样的正极至负极的金相组织、脉冲电流处理后试样的底部至顶部的金相组织。

第六步：不同位置铁元素含量的检测。对两电极之间的有效试样采用电子显微镜面扫描的方式检测不同位置的铁元素的含量，脉冲电流处理后Al-2.2％Fe合金后铸锭中正负电极间Fe元素含量分布如图2所示。

实施例2：

第二步：确定脉冲电流处理参数。对脉冲电流的参数范围进行设定，确定脉冲电流参数为频率10kHz，电压12V，脉冲电流密度24.5A/cm²，作用时间70min。

第三步：脉冲电流处理。待Al-2.2％Fe熔体随炉降温至900℃时，将两电极平行插入熔体中，并开始对其进行脉冲电流处理。在此温度下保温10min后切断电阻炉加热电源使试样随炉冷却，期间一直施加脉冲电流。电极与铜导线以缠绕的方式连接，确保接触良好。

第四步：脉冲电流处理时长达70min时，停止脉冲电流处理，取出试样进行水冷。

第五步：在光镜下观察试样冷却后的组织变化。从冷却后的铸锭试样上切下两电极之间的有效区域，依次用600、800、1500目砂纸将其表面打磨并抛光，采用1mL浓HF、1.5mL浓HCl、2.5mL浓HNO₃和95mL蒸馏水为腐蚀剂。通过光学显微镜观察脉冲电流后处理试样的正极至负极的金相组织、脉冲电流后处理试样的底部至顶部的金相组织。

第六步：不同位置Fe元素含量的检测。对两电极之间的有效试样采用电子显微镜面扫描的方式检测不同位置的Fe元素的含量。

实施例3：

第一步：将配置好的Al-2.2％Fe合金材料放入坩埚中并置于电阻炉中加热至1200℃并保温60min。以确保中间合金Al-20％Fe中的针状富铁相完全溶解并使熔体均匀化。坩埚尺寸为Φ70mm(内径)×70mm。

第二步：确定脉冲电流处理参数。对脉冲电流的参数范围进行设定，确定脉冲电流参数为频率200Hz，电压24V，脉冲电流密度49A/cm²，作用时间10min。

第三步：脉冲电流处理。待Al-2.2％Fe熔体随炉降温至750℃时，将两电极平行插入熔体中，并开始对其进行脉冲电流处理。在此温度下保温10min后切断电阻炉加热电源和脉冲电源并取出试样水冷。电极与铜导线以缠绕的方式连接，确保接触良好。

第四步：在光镜下观察试样冷却后的组织变化。从冷却后的铸锭试样上切下两电极之间的有效区域，依次用600、800、1500目砂纸将其表面打磨并抛光，采用1mL浓HF、1.5mL浓HCl、2.5mL浓HNO₃和95mL蒸馏水为腐蚀剂。通过光学显微镜观察脉冲电流后处理试样的正极至负极的金相组织、脉冲电流后处理试样的底部至顶部的金相组织。

第五步：不同位置铁元素含量的检测。对两电极之间的有效试样采用电子显微镜面扫描的方式检测不同位置的铁元素的含量。

以上所述，仅为本发明对再生铝合金除铁的最佳具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构想加以等同替换相近材料、设备或调整相关技术参数，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种再生铝熔体中脉冲电流分离铁元素杂质的方法，其特征在于对再生铝合金熔体进行脉冲电流处理，具有高效清洁且易于操作、对熔体无污染特点；所述脉冲处理的参数范围：频率20～50kHz，电压1～100V，电流密度0.1～700A/cm²，作用时间1min～10h。

2.如权利要求1所述的一种再生铝熔体中脉冲电流分离铁元素杂质的方法，其特征在于所述的脉冲电流处理具体步骤由以下构成：

(1)将99％的工业纯铝和Al-20％Fe中间合金配置成Al-2.2％Fe合金试样；将试样置于坩埚中并在电阻炉中加热至1200℃，并保温50-70min，使合金材料完全融化并使铝熔体均匀化；

(2)熔体随炉降温至900℃，两电极用纯铜导线与脉冲电源相连接并平行插入铝熔体中，按计划参数对其进行脉冲电流处理，并在此温度下保温9-11min；脉冲参数：频率20～50kHz，电压1～100V，电流密度0.1～700A/cm²，作用时间1min～10h；

3.如权利要求2所述的一种再生铝熔体中脉冲电流分离铁元素杂质的方法，其特征在于根据熔体体积和温度来选择合适的脉冲电流处理参数：铝熔体脉冲电流处理温度为900℃，坩埚尺寸为Φ50mm(内径)×60mm，脉冲电流参数选择为31kHz，8V，9.8A/cm²，作用时间70min；铝熔体脉冲电流处理温度为900℃，坩埚尺寸为Φ50mm(内径)×60mm，脉冲电流参数选择为10kHz，12V，24.5A/cm²，作用时间70min；铝熔体脉冲电流处理温度为750℃，坩埚尺寸为Φ70mm(内径)×70mm，脉冲电流参数选择为200Hz，24V，49A/cm²，作用时间10min。

4.如权利要求2所述的一种再生铝熔体中脉冲电流分离铁元素杂质的方法，其特征在于所述脉冲电流处理所采用的设备均为脉冲电源；所述熔体进行脉冲处理均在电阻炉中进行；所述电极材质为石墨，尺寸为Φ10mm×30cm。