硼化物對(duì)鋁熔體中雜質(zhì)鐵的凈化作用及機(jī)理.pdf

1、鋁及鋁合金中的雜質(zhì)元素鐵對(duì)材料的性能危害極大,且很難被凈化去除,因而限制了再生鋁合金的循環(huán)利用,并阻礙了我國(guó)高性能鋁材的開發(fā)?，F(xiàn)有研究主要集中于采用添加錳等合金元素的變質(zhì)中和方法來(lái)降低鐵相的危害性,或在此基礎(chǔ)上采用過(guò)濾、離心、電磁等方法對(duì)富鐵相加以分離,但是這些方法會(huì)導(dǎo)致錳元素及錳鐵相殘留,并引起更大的危害,因而無(wú)法實(shí)際應(yīng)用。
　　 本文針對(duì)鋁工業(yè)界對(duì)除鐵技術(shù)的廣泛需求,深入研究了硼化物對(duì)鋁熔體中雜質(zhì)鐵的凈化作用及其機(jī)理,引入了

2、硼化物除鐵的新方法,為鋁熔體中雜質(zhì)鐵的凈化研究開辟了新途徑。
　　 采用Calphad方法計(jì)算了Al-Fe-B和Al-Fe-B2O3三元體系的相圖,揭示了富鋁角熔體中相的析出規(guī)律,為硼化物除鐵提供了可靠的理論指導(dǎo)；采用等溫靜置、長(zhǎng)時(shí)間恒溫氣氛保護(hù)等實(shí)驗(yàn)方法,以及電感耦合等離子體發(fā)射光譜、光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、X-射線衍射儀(XRD)等分析方法,研究了B、B2O3及Na2B4O7對(duì)純鋁熔體中雜質(zhì)鐵的影響,并驗(yàn)證了

3、Al-Fe-B和Al-Fe-B2O3計(jì)算相圖在富鋁角的準(zhǔn)確性；采用熔劑精煉、等溫靜置、超聲處理、金屬室溫拉伸試驗(yàn)等方法系統(tǒng)研究了Na2B4O7對(duì)鋁液中雜質(zhì)鐵的凈化作用規(guī)律和機(jī)制,研究了Na2B4O7對(duì)含鐵0.14wt.％、0.66wt.％和1.08wt.％的三種工業(yè)純鋁的除鐵效果,優(yōu)化了除鐵工藝；通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)后的鋁渣和金相組織的分析,結(jié)合Al-Fe-B2O3計(jì)算相圖確立了Na2B4O7除鐵反應(yīng)機(jī)制,并用熱力學(xué)計(jì)算的方法證明了這一反應(yīng)機(jī)制。

4、本研究取得的主要結(jié)果如下:
　　 Al-Fe-B和Al-Fe-B2O3三元體系的相圖計(jì)算結(jié)果表明,在680℃-1000℃的溫度范圍內(nèi),Al-Fe-B的富鋁角液相中只有AlB2析出,而無(wú)鐵硼相形成；而在Al-Fe-B2O3相圖的富鋁角,在680℃-900℃的溫度范圍內(nèi),任意Fe和B2O3的成份條件下,在液相中都能形成Fe2B。
　　 通過(guò)單獨(dú)添加硼處理含鐵約1wt.％和0.15 wt.％的鋁液后,鋁液中主要析出AlB2相,

5、無(wú)鐵硼相形成,鐵含量在處理后無(wú)下降,該結(jié)果與Al-Fe-B計(jì)算相圖的富鋁角析出相情況吻合。添加7.612wt.％或0.33wt.％的B2O3到含F(xiàn)e約1 wt.％的純鋁中,能夠反應(yīng)形成Fe2B,證實(shí)了Al-Fe-B2O3計(jì)算相圖在富Al角的正確性。在添加1.5wt.％的Na2B4O7處理后,純鋁中的Fe含量從0.33 wt.％降至0.18 wt.％,鐵的去除率約為45％。熔渣XRD分析證實(shí)Na2B4O7與Fe反應(yīng)形成了Fe2B。

6、　　 發(fā)明了一種由Na2B4O7、NaCl和KCl組成的鋁熔體除鐵熔劑。影響Na2B4O7熔劑除鐵效果的主要因素有:Na2B4O7添加量、保溫時(shí)間和處理溫度。隨著Na2B4O7添加量的增加和保溫時(shí)間的延長(zhǎng),純鋁中的鐵含量逐漸降低,鐵含量從初始的0.14wt.％、0.66wt.％和1.08 wt.％可分別降至0.077 wt.％、0.45 wt.％和0.84wt.％,除鐵率分別達(dá)到45％、31.8％和22.2％。增加處理溫度會(huì)使鐵含量進(jìn)

7、一步降低,但是當(dāng)溫度從720℃升至900℃時(shí),鐵含量變化幅度微弱。在給定的Na2B4O7添加量下,鋁液中的鐵含量通常在60 min左右下降到最低值。適宜的除鐵工藝為:Na2B4O7添加量為0.9wt.％,處理溫度720℃,處理時(shí)間60 min。
　　 經(jīng)過(guò)Na2B4O7熔劑處理后的純鋁的伸長(zhǎng)率會(huì)經(jīng)歷先增大后減小的變化,在Na2B4O7添加量為0.3-0.5 wt.％H寸伸長(zhǎng)率達(dá)到最大,鐵含量為0.14wt.％、0.66wt.％和

8、1.08wt.％的純鋁的伸長(zhǎng)率分別提高了65％、70％和80％,其斷口布滿韌窩,符合韌性斷裂特征,然而,進(jìn)一步增大Na2B4O7添加量,伸長(zhǎng)率迅速降低,其斷口分布較多氧化鋁夾雜,Na2B4O7添加量的增加導(dǎo)致了氧化鋁夾雜嚴(yán)重。
　　 采用熱力學(xué)計(jì)算證實(shí)了在Fe含量小于1 wt.％的鋁液中加硼處理后Fe既不能與鋁液中析出的AlB2反應(yīng),亦不能與液相中的B反應(yīng)；而Na2B4O7則能與鋁液中的雜質(zhì)Fe反應(yīng)形成鐵硼化合物Fe2B。Na2