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1、 本科毕业设计（论文）题目 氯化锰去除铝合金中铁元素的工艺试验 学 院 化学与材料工程学院 年 级 12 专 业 金属材料 班 级 金属材料122学 号 学生姓名 校内导师 职 称 论文提交日期 2016-05-01 常熟理工学院本科毕业设计(论文)诚信承诺书本人郑重声明： 所呈交的本科毕业设计(论文)，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人签名： 日期：常熟理工学院本科毕业设计(论文)使
2、用授权说明本人完全了解常熟理工学院有关收集、保留和使用毕业设计(论文)的规定，即：本科生在校期间进行毕业设计(论文)工作的知识产权单位属常熟理工学院。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许毕业设计(论文)被查阅和借阅；学校可以将毕业设计(论文)的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编毕业设计（论文），并且本人电子文档和纸质论文的内容相一致。保密的毕业设计(论文)在解密后遵守此规定。本人签名： 日期：导师签名： 日期： 常熟理工学院毕业设计（论文）氯化锰去除铝合金中铁元素的工艺试验摘要铁元素对合金的影响非常大，杂质铁在铝合金的
3、组织中，往往会形成一些硬度较高的针状和片状组织，这会大大降低铝合金材料的一些力学性能，比如韧性、硬度。本课题主旨在于利用氯化锰去除铝合金中铁元素，提高铝合金性能。通过研究在不同熔炼温度、不同熔剂加入量、不同反应时间下以氯化锰作为熔剂对铝合金的影响，确定最为合适的除铁条件，并根据实验结果设计出最佳的氯化锰去除铝合金中铁元素的工艺。关键字： 除铁 氯化锰 废铝再生 反应沉淀The Study of Using the Flux Composited by the MnCl2 to Reduce the Content of Iron in Aluminum AlloyAbstractIron al
4、loy impact is very big, the impurities of iron in aluminum alloy in the organization, tend to form some needle and lamellar structure with higher hardness, this will greatly reduce some of the mechanics performance of the aluminum alloy material, such as toughness and hardness. Will, on the other ha
5、nd, iron and other elements, especially silicon in the aluminum alloy reaction, the formation of compounds against aluminum melt flow, this is obviously not conducive to aluminum alloy casting. This topic mainly using manganese chloride removal of aluminum alloy iron, aluminum alloy performance. Thr
6、ough research on different melting temperature and under different flux addition amount, reaction time on manganese chloride as flux for aluminium alloy, the influence of determine the most suitable conditions of iron removal, and design according to the results of the experiment, the best manganese
7、 chloride removal of aluminum alloy.Key words: in addition to iron; Manganese chloride; Aluminium scrap regeneration;Reaction precipitation目 录1.绪论11.1 废铝再生的意义11.2废铝再生的技术现状11.2.1材料回收技术11.2.2 预处理技术21.2.3 熔炼技术31.2.4产品类型41.3 废铝再生的技术瓶颈51.4除Fe的方法和进展61.4.1 重力沉降法61.4.2 离心去除法71.4.3 电磁分离法71.4.4 过滤法71.4.5 熔剂法8
8、1.5 本课题的内容及意义82 实验内容及方法92.1原理分析92.2 实验工艺流程及各部分要求92.2.1 原料准备102.2.2 熔炼112.2.3 除铁112.2.4 浇铸112.2.5 检验112.3 实验用料、设备及使用要求122.3.1 实验用原料122.3.2 仪器设备122.3.3 使用要求132.4 欲达到目标133.结果与讨论143.1 加入量的影响143.2 保温时间的影响183.3 保温温度的影响203.4 最佳工艺及检测结果显示224.结论245.致谢256.参考文献26III1.绪论1.1 废铝再生的意义在现代社会使用的材料中，铝占据着金属材料的第二，仅次于钢铁的使
9、用量。与铁相比较，铝的密度要小，纯铝为2.7g/cm3，故在同等体积下，铝要比铁轻二倍。而铝的导热性和导电性排在金、银、铜之后，居于第四，另外铝的塑性和抗氧化性都比较好1 。铝合金可以说广泛的应用于交通、建筑、电子制造、机械制造等军用和民用行业中，在我国乃至全世界每年都有大量的铝被冶炼开发，是经济发展的支柱产业之一。铝和许多其他的资源一样属于不可再生资源，虽然说铝的蕴藏量非常大，但是按目前的生产状况，很难持续的发展，并且铝金属冶炼采用的是电解法，这也意味着需要消耗大量的电能2，同时由于技术限制，电解铝对环境的影响非常大，这也是目前来说限制着铝业发展的原因之一。另一方面，每年有大量的铝资源被浪费
10、，既浪费资源又污染环境，因此如何有效的解决废铝资源再生成为现代铝业发展的关键之一，尤其是近年来资源再生利用这一课题在世界范围内越来越得到各界人士的关注。铝暴露在空气中，其表面会形成一层致密的氧化膜，这对铝的性能起着重要的保护作用，这使得铝的再利用率较高，而且废铝的来源非常广泛，小至电子元件大至大型机械都可以回收利用。与原铝电解相比，废铝再生更加节约能源，更为经济、环保，也就更加符合当下发展的主题，因此这项技术在未来势必成为铝合金生产的主流之一。1.2废铝再生的技术现状1.2.1 材料回收技术就目前来说，全球废铝再生发展很不均衡，在一些西方的发达国家中，无论是在废铝的回收体系还是说在废铝合金的回
11、收技术上都较为成熟，像日本的再生铝可以占到铝业生产的95%，德国可以达到54%，而美国也可以达到52%，但是我国在这方面才刚刚起步，并没有完善的产业体系，企业也以中小型企业为主，在设备和工艺上较为落后，这也加大了铝资源浪费问题，整体上利用率偏低，并且企业对于原料的管理方式也不妥，在一定程度上也造成了许多不必要的浪费。1.2.2 预处理技术（1）分离轻质量杂质技术：包含应用较为广泛的两种方法，风选法分离废纸、废塑料和尘土和浮选法分离轻质杂质。前者是利用材料密度不同通入一定压力的风将密度低于铝的杂质吹走，主要目的是去除废纸、废塑料和尘土等杂质。特点是工艺简单，能够高效分离密度小的轻质夹杂物，但是对
12、于工作区域有着严格的要求，以避免环境污染和对人体的伤害。后者则是利用材料的密度差来分离不同材料，这种方法简单易行，在欧美国家应用非常广泛，根据浮选介质分为干式和湿式，干式浮选法采用干砂为介质，并通人高压空气以产生气泡和对流作用，而后将其流化，废料经烘干、脱油后进入流化床分离。湿式浮选采用水或水溶体为介质，利用螺旋式推进器，将废塑料、橡胶、木头等密度低于水的杂质分离，之后推出废铝料，将污水排人沉淀池，以便重复利用。（2）分离涂层及有机非金属杂质技术：对于废旧易拉罐、牙膏皮、铝导线等表面有保护层和装潢油漆或者塑料表皮的废铝原料，应该先将这些杂质分离。（3）流化床法：由加拿大铝业公司（Alcan）开
13、发的用于除漆的方法。其作用原理为：将流化床中的介质加热到一定温度(介于有机物完全分解温度450与废铝熔点之间)，细小的流化粒子在上升气流作用下悬浮，类似于沸腾液体，当把废杂铝加入流化床中后，其表面上的有机涂层与介质及流化气体接触，并在加热温度下开始分解。由于废料处于运动状态，热交换速度比常规除漆装置内的快5lO倍，再加上温度均匀，即使是很薄的铝箔都不会熔化，铝的氧化少，因而此法具有效率高、氧化少、回收率高等特点。（4）磁选法磁选法主要用于分离铁及磁性材料，其工艺简单，设备投资少，分离效果显著。可分为永磁和电磁两种。（5）涡流法：利用物质的电导率和密度不同，在同一磁场所受洛伦兹力不同，在该力作用
14、下做平抛运动抛出的距离也不同，最终实现物质分选3。（6）分选与拆解技术：顾名思义，分选就是分出一些如塑料、橡胶等非铝物质，而拆解就是去除与铝连接的一些有色金属件比如钢铁。这是因为铝类制品在被消费和使用后进入废弃场所，本身就会染上一些污染物，另外废铝的来源太过于广泛，种类繁多，在回收的过程中自然而然的会带上各种非铝夹杂物，这些夹杂物在对废铝进行熔炼过程中也会发生物理化学反应，这对环境也是有一定影响的。就目前来说，国外一些发达的国家已经建立了完整的废铝回收系统，这使得废铝能够按照其品质的不同进行回收存储，同时还建立了专业的废铝处理站，利用机械化来分选和拆解废铝，这大大减少了工作量提高了废铝回收效率
15、。但是，我国在废铝回收市场这方面基本处于无序状态，并没有像国外那样的完整的废铝回收系统，与世界先进水平的差距较大。（7）细分与提纯技术：提纯对于废铝再生来说是一个重要的环节，这项技术是指将废铝按铝含量的高低分成几个等级，便于进行有差别的分类回收，这能使废铝得到最大程度的利用。细分方法主要是按其成分分为几大类，比如铝硅合金、铝镁合金等，这样可以减轻废铝熔炼过程中的工作量，同时还能综合利用废铝中的有效合金成分4。1.2.3 熔炼技术（1）低温熔炼工艺低温熔炼工艺就是在铝合金液相线温度以上30-100摄氏度的范围内进行熔炼的工艺方法。这种工艺在熔炼初中期可以达到的效果有：1.减少如MN、Li、Mg、
16、Zn、Na等比铝蒸汽压低的元素的损失，降低金属的损耗，同时也能将一些带入炉内的油漆、粘结剂、涂料等物质蒸发或者造渣；2.可以将废铝零件中的非铝镶嵌件扒出，以免导致铝合金中的有害成分特别是Fe、Cu等增加，有利于控制铝合金的化学成分；3.避免铝合金的致密氧化膜的损耗，因而防止熔体的“过熔”5。（2）铝熔体的净化铝熔体的净化可以分为吸附净化和非吸附净化。前者包括真空净化法、超声波净化法和电磁净化法，但是受到其设备和成本的限制，使用较少。现代企业常用的是后者，它包含熔剂法、旋转喷吹法和旋转喷射熔剂法等。熔剂法使用由氯化钠、氟化盐、氧化性盐、稀土化合物组成的除渣熔剂。就目前来说，部分国产的熔剂的净化效
17、果较好，但是渣铝分离较差，而且铝液氧化、二次污染严重，其在净化时产生的烟气对人、设备、环境均不利。进口熔剂虽然性能优秀，但是其成本太高，不利于国内企业使用，而近年来发展起来的稀土复合精炼剂不仅在除渣上高效，还能对细化熔体，使之变质，前景较好。在国内外再生铝企业中，在线除气主要采用的是旋转喷吹技术(SNIF、Alpur、RDU、GBF等)。这是通过提高转子转速、气体流量和进气压力从而减小净化气泡的尺寸，进而有利于熔体除渣除氢，但是这些工艺参数的改变会产生一定负面影响，比如产生旋涡、合泡、卷进夹杂、降低熔体温度等。熔剂法和旋转喷吹法有机结合就是旋转喷吹熔剂法，该法要点是以惰性气体为载体，将熔剂以细
18、颗粒状通过旋转石墨转子喷入铝熔池中6。（3）连续熔炼和处理工艺这是近年来发达国家在生产中的创新技术，它可以使得低品位的废铝变成可以用于制造供铸造、压铸、轧制的再生铝锭。（4）废铝的液化分离技术这是今后再生铝的发展方向之一，由于将预处理和熔炼结合，因而缩短了工艺流程，减少了废铝再生过程中的污染，也提高了废铝回收利用率71.2.4产品类型目前，我国废铝再生产品大多用来做铸造件或者是原始坯料，这一方面由于我国的废铝回收分类和预处理技术不高，没有完善的回收体系，使得回收的废铝种类成分太过庞杂，加剧了再生工艺的难度，另一方面由于企业的技术特点，对于回收来的废铝没有很好的办法进行精炼，这样就导致了废铝再生
19、的产品只能用于制造铸件或者原始坯料。而就我国目前的废铝产业来说，产品主要可以分为以下几种类型。（1）冶炼生产型 在废铝交易的基础上,从事合金铝冶炼及型材铝棒的生产。材料来源从国内回收的废杂铝以及从国外进口的废铝。（2）回收集散型 这些市场并不对铝进行深加工,只是把所收购的废铝进行简单的拆卸、分捡等工作。此类市场在全国非常普遍。（3）生产加工型 兼回收、生产、冶炼的工作。此外还有深层次的加工。例如, 加工成铝棒、铝材重新得到利用。（4）出口加工型 原料主要来自国外,同时产品也销往国外。这类产业一般都是工业化水平较高,设备先进,可以带动整个国内铝工业的发展8。1.3 废铝再生的技术瓶颈我国的再生铝
20、行业存在着很大问题，主要表现在这几方面：第一，中国的再生铝总体水平低，存在大量的低品质的铝制品，资源配置不合理；第二，再生铝品种结构单一，许多冶炼厂设备工艺都较为简陋且对环境影响较大；第三，我国废铝回收处在无序状态，还没有完整的回收体系；第四，技术水平低没有新熔炼剂，废铝回收研发投资太少处理技术较为落后8。我国的废铝来源非常广泛，并且由于回收体系的缺乏回收的废铝成分品质参差不齐，很多废铝在回收的同时也携带了大量的夹杂物，夹杂着许多有害的元素，这也往往制约了废铝再生技术的发展。在众多的危害元素中，Fe是最明显的影响元素之一，在废铝尤其是低品质的铝中它的含量非常高，并且在合金炉料的回用过程中铁质坩
21、埚、铁质工具等的使用也使得铁含量的增加在所难免。在铝合金中，随着铁含量的增加，它在金相组织中会形成一些针、片状的脆性铁相，这些组织本身硬度非常高，往往会割裂铝合金基体，影响着铝合金的力学性能，也给之后的零件加工增加了难度9。另外，铁容易和其他杂质以金属间化合物的形态存在，较为常见的是-铁相和-铁相两种，它们的晶体结构为六角晶型和单斜晶型，-Al8SiFe2相通常是以汉字状和鱼骨状存在的，而-Al5FeSi则是以针状形式存在10 。而对铝合金来说，铁相是主要的不利铁相，在正常的凝固条件下，铁更加倾向于形成相的结晶，这对铝合金的熔铸不利。想要提高废铝合金再生品质，必须要解决杂质铁的危害。1.4除F
22、e的方法和进展为了解决铝合金中有害铁相问题，必须大力发展除铁技术。目前，常用的除铁方法主要有重力沉降法、离心去除法、电磁分离法、过滤法、熔剂法等等。1.4.1 重力沉降法 图1 Al-Fe-Si 三元相图（a）液相面投影图（b）在0.7%Fe时的截面图 图2 Al-Si 二元相图由图一和图二11可知：（Al9Fe2Si2）化合物的熔点是576 ,它与Al-Si合金中共晶几乎可以同时析出。因此，利用简单的自然沉淀不能实现铁相的分离并由此来实现除铁这一目的。然而当Si的含量超过7.5%时,Fe在其中将形成-（Al9Fe2Si2）化合物并将以初晶形态析出，进而减少了铝合金中的含铁量。而由Al-Si-
23、Fe三元相图得知，当Fe近共晶铝合金并且含量超过1.5%,在576 以上某温度时，等温精炼并且使得（Al9Fe2Si2）相得到充分的沉淀。在理想的条件下，到达 “-Al+Si+（Al9Fe2Si2）”三元共晶点，从而使含铁量降低到0.75%12。这种方法的关键有两点，一是要提高铁相的熔点，二是要提高铁相密度，使之与熔体密度不同方便析出。1.4.2 离心去除法离心去除法是一种与重力去除法原理相似的方法，它是利用铁相与铝液间的密度差，在离心力的作用下集中到分离器外壁，从而可以除去铁相。它比重力去除法更为有效，但是这种方法对于大批量的炉料来说操作十分不方便并且存在着严重的浪费现象13。1.4.3 电
24、磁分离法与传统方法比，这种方法高效、稳定、无污染。外国学者El-Kaddah等 14发现电磁作用可以用来实现铁金属间化合物与铝熔体的分离。学者李天晓等 15 则采用稳恒磁场和正交的直流电场对Al-12%Si-1.1%Fe-1.2%Mn合金进行连续净化处理,经过一次电磁分离全部去除铝熔体中大于10m的初生富铁相,使得铝熔体中的铁含量由1.13%降低至0.67%，在重熔后经过二次电磁分离处理可使得铁含量进一步降低至0.41%。1.4.4 过滤法过滤法是利用过滤介质对铝熔体进行过滤处理，常用的介质通常含有Mn、Cr、Ni等成分。过滤的材质则通常主要有三种：玻璃丝布、管式陶瓷、泡沫陶瓷，它们各有优缺点
25、，房文斌等则利用泡沫陶瓷复合净化铝熔体来有效的使铝熔体中的含铁量降低从而提高材料的性能16，如图3所示装置和过滤机理。图3 泡沫陶瓷的过滤片和过滤机理1.4.5 熔剂法在废铝再生熔炼过程中往往使用如覆盖剂、精炼剂、变质剂等各种熔剂，这样可以减少烧损，去除一些非金属夹杂物，细化晶粒。1.5 本课题的内容及意义近年来，废铝再生得到了长足的进步，相当一部分的铝制品由再生铝制造，并且可以预见在绿色可持续发展的大时代主题下，再生铝占铝产量的比例还将进一步提高。但是有效除铁技术的稀缺成为了废铝再生的技术瓶颈之一，如何有效的除铁已经越来越受到相关人士的注意。熔剂法是一种有效的除杂方法，在市面上已经存在许多熔
26、剂，近年来已经出现了除镁剂17，但是以除铁为目的的熔剂可以说还是空白的，研究发现，Mn是一种有效的除铁元素，因此本课题选用氯化锰作为熔剂进行去除铝合金中的铁元素的实验，通过实验对比在不同加入量、保温时间、反应温度氯化锰的除铁效果，以期发现一套高效的除铁工艺方案。2 实验内容及方法2.1原理分析研究表明Mn可以除铁18，使用氯化锰作为熔剂，其在废铝再生熔炼实验中的作用在于，氯化锰拥有较好的熔点和密度，也有着较高的反应效率。在铝熔体中，氯化锰通常和铝发生如下反应19：3MnCl2+2Al=3Mn+2AlCl3这样反应生成的AlCl3的沸点是183摄氏度，这能够将铁相带出液体。同时，通过反应置换得到
27、的Mn还可以有效的降低铁相的有害作用，它与铁会生成较为复杂的多元化合物，这样可以使得有害的针状铁相发生转变，成为鱼骨状、花卉状或者汉字状的铁锰化合物，减少富铁相对再生铝的毒害作用，这对于铝合金性能的改善显然是有利的20。在铝合金熔体中添加Mn元素，并且使熔体在超过液相线温度的附近进行保温，能使合金析出初生富铁相，在这之后使用过滤的方法将富铁相从铝液中分离，从而达到除铁的目的。另外，锰还可以阻止铝合金在熔炼过程中的再结晶过程，并能提高再结晶的温度，使得再结晶晶粒显著细化，这主要是通过MnAl6化合物弥散质点来对再结晶晶粒的长大起阻碍作用。氯化锰的熔点为650，比重则是2.977（g/cm3）。2
28、.2 实验工艺流程及各部分要求本课题实验工艺流程主要有这四步：原料准备、熔炼、除铁、检验。如图2.2.1 再生铝熔炼工艺流程图。氯化锰除铁工艺研究 原料计算 原料预处理加热熔炼浇铸原样测量温度成分分析（光谱仪）称取氯化锰熔剂金相分析（显微镜）式样分析按时间段分别取样硬度分析（维氏）渣相分析（XRD）取渣浇铸图2.2.1 再生铝熔炼工艺流程图2.2.1 原料准备本次实验所使用的废铝原料由于其品质较为繁多，参差不齐，所以在进行熔炼前需要分选。其次，原料的尺寸必须符合加热炉的容量，所以还需要事先对原料进行切割。然后再对切割好的原料进行初步清理，尽量减少非金属夹杂物。氯化锰容易受潮，所以使用的氯化锰熔
29、剂需要事先检查，对其进行干燥研磨处理。2.2.2 熔炼将准备好的合适尺寸大小的废铝大约2KG加入熔炼炉中，调好感应炉功率后开始加热至液相线温度以上，使之完全熔化。完全熔化后浇铸原样并做好标记，之后降低功率，维持温度。2.2.3 除铁在铝熔体温度达到要求温度时，加入事先计算称量并预处理过的氯化锰熔剂，熔剂必须使用药品压入工具，压入铝溶液中并适度搅拌，使熔剂在铝液中充分反应。搅拌的时候需要避免搅动铝液底部的熔渣。2.2.4 浇铸在熔剂氯化锰加入到预定时间时分别取样浇铸，将熔体浇铸到模具中，在空气中自然冷却至完全凝固时将其取出模具，并换用水冷方式待完全冷却后擦干、标记。在使用水冷之前必须确保铝锭已经
30、凝固完全。另外铝液严禁接触水，所有与铝液接触的工具必须全部烘干。在试验样全部取完后，将剩余铝液取出并浇铸到模具中同时关炉冷却，同样将浇铸好的铝锭先空冷后水冷，在完全冷却后标记。等感应炉冷却完毕后对炉子进行清理，以便于下一次实验。2.2.5 检验将标记好的式样先进行成分分析，测试其含铁量，并记录数据。全部完成后，对式样进行切割，得到合适的大小，将其抛磨，进行金相分析。截取金相图。将金相分析后的式样进行硬度分析，记录数据、保存硬度分析报告。2.3 实验用料、设备及使用要求2.3.1 实验用原料除铁熔剂：氯化锰耐高温隔离涂层：二氧化钛、氧化锌、硅酸钠、中性氧化铝试剂名称品质规格生产商氯化锰500gA
31、R江苏永华精细化学品有限公司二氧化钛分析纯AR江苏永华精细化学品有限公司氧化锌分析纯江苏强盛化工有限公司硅酸钠分析纯AR江苏永华精细化学品有限公司中性氧化铝500gAR国药集团化学试剂有限公司2.3.2 仪器设备中频感应加热设备XBZ-25昆山雄霸精密机电设备有限公司熔炼废铝工业冷水机东莞市捷佳机械有限公司冷却熔炉智能数显控制仪XWP-C803-01包头市永华仪器仪表有限公司电子台称TCS大河电子有限公司称量废铝电子天平EL204梅特勒-托利多仪器有限公司称量药品金相试样切割机Q-2A莱州市蔚仪试验器械制造有限公司切割浇铸式样SPECTRO光谱仪LAB M10德国斯派克分析仪器公司分析式样化学
32、成分X射线粉末衍射仪D/MAX-2200/PC日本Rigaku公司分析炉渣成分其他器材：显微维氏硬度计、天平、漏勺、取样勺、搅拌棒、热电偶、药品压入工具、取样模具、药匙。2.3.3 使用要求1. 中频感应加热设备使用要求：（1）打开总开关，先打开后面板空气开关，再打开前面板控制电源开关。（2）打开冷却水，一定要确认水流流动正常。（3）调节感应炉参数（4）加入铝块，并开始加热，开始时可以适度调高功率，使铝块快速熔化，之后降低功率，维持熔体的恒定温度。（5）使用完毕，先关加热开关，保持冷水循环开启，半小时后炉子冷却至合适温度方可关闭冷缺开关。2. SPECTRO光谱仪使用要求（1） 选择分析程序，
33、校准标样（2） 输入相关信息（炉号、规格等），将式样放在分析平台上，开始检测；（3） 分析RSD值是否超出规定3. 其他要求热电偶：与铝液接触部分必须涂覆耐高温隔离层，并且每次使用前检查、烘干工具，防止铝液爆溅。热电偶前端不能触碰炉底，否则会造成较大数据误差。药品压入工具、搅拌棒、漏勺、取样勺：这些铁质工具必须涂覆耐高温隔离层，防止与铝液直接接触，带入有害元素铁。在每次使用前必须先检查并且确保烘干水分，防止铝液爆溅。2.4 欲达到目标在实验中主要研究以下参数对除铁效率的影响：（1） 除铁效果最佳的氯化锰加入量（相对比例）（2） 除铁效果最佳的保温时间（3） 除铁效果最佳的加入温度由综合上述三条
34、得出最佳的氯化锰除铁工艺。3.结果与讨论3.1 加入量的影响实验采用的是熔剂压入法，研究的是氯化锰加入量对除铁效果的影响，在实验温度分别为720-750、750-780、780-800时浇铸原样做好标记，在这之后分别加入0.8%、1.0%、1.2%、1.5%的氯化锰并进行保温，观察实验现象发现，在加入之后，反应十分剧烈，产生了大量明亮的白色火花，并伴有白烟出现，在溅出的火星冷却后可以看到银白色的颗粒。这是Cl-和Al剧烈反应生成了AlCl3气体，同时在反应过后一段时间，铝液表面存在着大量的废渣。在搅拌过程中，仍有大量的废渣浮出。在恒温15min取出式样1，恒温25min取出式样2，恒温35mi
35、n取出式样3，恒温45min取出式样4。选取同一温度，同一保温时间的式样进行分析。实验式样经过光谱仪成分分析得到的数据列表1如下：表1 加入量对MnCl2除铁效果的影响（wt%）加入量（wt%）除铁前除铁后除铁率（%）0.80.79550.72359.05%1.00.8140.71811.79%1.20.7570.71855.09%1.50.830.701515.48%如图，在温度为720-750时，氯化锰的除铁效果大致是随着加入量的增加而增加的。在加入量较少时，显然没有将废铝中的铁除净，当加入量加大时，反应逐渐增多，除铁效果也随之上升。之后进行在790摄氏度左右时的情况，如表2表2 加入量对
36、MnCl2除铁效果的影响（wt%）加入量（wt%）除铁前除铁后除铁率（%）0.80.7530.72753.39%1.00.74850.7233.41%1.20.82050.7992.50%1.50.80050.7733.44%同样大致趋势都是随着氯化锰的加入量增加而增加，如图3.1.1所示。图3.1.1 730时加入量对除铁率的影响图中，横轴为加入量（相对比例），纵轴为除铁率。图3.1.2 790时加入量对除铁率的影响由图3.1.2可以更为直观的看到，加入量对除铁率的影响，在加入量为1.5%时，反应得到最大化，除铁效果最为明显。此外，还进行了金相分析。以保温温度730，加入量为1.5%为例。得
37、到的金相图如下：图3.1.3 730时浇铸的原样铝合金的相图（400x）图3.1.3为730时浇铸的原样铝合金的相图，这是未经处理的废铝，在图上呈较为密集的不规则状的是硅相，呈较深颜色的片状、针状的是铁相，图上存在着大量的片状、针状铁相，这些铁相割裂了铝合金基体，严重阻碍着铝合金的性能。在730浇铸原样后，加入相对比例为1.5%的干燥的氯化锰熔剂，恒温情况下保温35分钟。浇铸式样，对其进行金相分析，得到图3.1.4图3.1.4 730时加入相对比例为1.5%氯化锰熔剂，保温35min的铝合金相（400x）图中鱼骨状的为铁相，浅色无规则状的是硅相，片状、针状的是铁相。与图3.1.1相比较，大量针
38、状、片状的有害铁相已经在锰的作用下转化成了无害的铁相，铝合金的性能得到提升。另外，再将这两组式样进行硬度分析，发现原样的维氏硬度为84.94，经过处理后的式样维氏硬度为78.96。由于铁相的存在，铝合金的硬度会得到提高，这也是造成铝合金加工难度大，力学性能尤其是脆性降低的原因。而在经过处理之后硬度下降了不少，这也反映了铝合金含铁量下降了。3.2 保温时间的影响将反应为同一温度、加入量为同一比例的式样进行分析。在保温温度730，加入量比例为1.5%时，得到数据图如图3.2.1图3.2.1 730，加入量比例为1.5%的除铁率折线图由图3.2.1可知，在加入氯化锰后的除铁率随着保温时间增加而增加，
39、在0-15min间，氯化锰和铝熔体中铁剧烈反应，除铁率上升非常快，随着保温时间的进行，在25-45min内，除铁率的增长趋于缓和，反应也趋于缓和并且在45min时达到顶峰。图3.2.2保温温度760，加入量为1.5%的数据图图3.2.3保温温度790，加入量为1.5%的数据图图3.2.2和图3.2.3分别为保温温度760和790，加入量为1.5%的数据图，同样可以看出，氯化锰的除铁效果是随着保温时间的增加而增加的，并且在保温45min时候达到最高值。在实验过程中，还发现了一些情况，由于实验使用的是中频感应加热设备，其容量较小，本该沉降在设备底部以待扒出的铁渣没办法及时取出，导致其在铝熔体的流动
40、同时也随之流动，这也产生了部分问题数据，出现了随着时间增长而除铁效率反而下降的情况，这也给实验带来了一定的误差。因为这种情况的出现，为了确保实验的精确性，所以使用了精炼剂来辅助铁渣的析出、分离。并通过分析得到的炉渣成分来确定除铁的效果。在熔炼过程中加入精炼剂后，取出灰渣，将其制成适合分析的粉末状进行XRD分析，得到的XRD谱线如图3.2.4。图3.2.4 经过熔剂处理过的铝渣XRD谱线由图可知，灰渣中的成分包含FeCl2、MnFe2O4、Fe2O3，这证明确实氯化锰除铁剂能够与铁结合形成复杂的化合物析出，从而减少了铁含量。3.3 保温温度的影响实验中试验了3个温度范围，分别是720-750、7
41、50-780、780-800，选取保温时间45分钟的式样进行分析，图3.3.1。图3.3.1 不同保温温度下各个比例除铁率图中可以较为直观的看出，在温度较低的730和760左右，除铁效率相对于790来说是比较高的，通常情况下氯化锰的熔点为650，在氯化锰加入铝熔体后会由Al置换出Mn，Mn可以和铁形成复杂的化合物从而除铁，另外Mn也可以使得铁由相向相转变，减低对铝合金的毒害作用，但是当温度升高时，Mn在接触空气的过程中易于氧化，这会导致部分氯化锰熔剂的损耗，因而使得可以用于反应的Mn减少，自然的除铁效果就不如之前温度较低的情况了。而在温度比较低的时候氯化锰很难与铝熔体充分接触，除铁效果非常差，
42、所以氯化锰的理想温度是720-750左右。实验在浇铸过程中也出现了一些问题，在温度较高的时候进行浇铸作业时，由于内外温差过大，外表已经迅速凝固，而内部的气体来不及排出从而凝固在铸件中形成反应性气孔，此外铸件在凝固过程中，金属液体积迅速收缩，而金属液却没有得到有效的补充，这样也会造成缩孔。如图3.3.2图3.3.2 高温铝合金浇筑过程中的缩孔现象这种情况的出现也对实验造成了一定的麻烦，由于内部缩孔的存在，浇铸出来的铝锭在力学性能上存在着很大的缺陷，也不利于对铝锭进行加工。因此，在较高温度浇铸时需要适度的摇晃模具，使得金属液充分流动，填充之前收缩留下的缺孔。综上，氯化锰熔剂除铁的最适保温温度为72
43、0-750摄氏度。3.4 最佳工艺及检测结果显示综合三个影响因素加入量、保温时间、保温温度的考虑，氯化锰除铁的最佳工艺是在720-750摄氏度反应温度下，加入占铝液总质量的1.5%的干燥氯化锰熔剂，恒温保温45min。表3.4.1是反应前后的硬度变化。表3.4.1 处理前后硬度变化表温度/保温时间/min添加量/%含铁量HV730原样- 0.7235100.573045 1.5 0.7015 69.2图3.4.1 730未经过熔剂处理后的铝合金相图（400x）图3.4.2 730经过熔剂处理后的铝合金相图（400x）图3.4.1和图3.4.2分别是730情况下反应前和反应后的金相图。由上述可知
44、，在经过氯化锰作为熔剂处理之后，铝合金的含铁量由0.7235下降到0.7015，HV硬度由100.5下降到69.2，这说明氯化锰作为熔剂去除铝合金中的有害铁相是有效果的，另外图3.4.1和图3.4.2上可以看出，在未经过熔剂处理前，铝合金相图里存在着大量的有害片状、针状铁相，这对铝合金的性能是不利的，在经过处理之后的铝合金相图上片状、针状铁相大大减少，有部分铁相转化为了无害的鱼骨状铁相，这也证明了氯化锰作为熔剂去除铝合金中的铁元素含量是有效果的。4.结论本实验主要研究，利用氯化锰作为熔剂来除去废铝再生中的铁，通过一系列控制工艺的实验，并分析得到的数据，得出结论如下：1. 氯化锰熔剂的最佳加入量
45、是1.5%。氯化锰除铁效果随着加入量的增加而增加，在加入量较少时，效果较为明显，当增加到1.5%以上时趋于缓和，大于1.5%的加入量效果并不比1.5%好，存在着浪费原料的现象，综合考虑，故选1.5%的加入量为佳。2. 氯化锰作为熔剂加入铝熔体后最佳保温时间是45min。在45min前，氯化锰的除铁效果随着保温时间的增加而增加，在45min之后由于保温炉内炉渣无法取出使得含铁量反而上升了，因此选取45min的保温时间为佳。3. 利用氯化锰作为熔剂除铁的最佳反应温度是720-750范围内。当温度低于720时效果并不是很明显，当温度高于750时，氯化锰在加入过程中的浪费现象严重，且过高温度对于除铁效果并没有多大的提升，故选取720-750的温度范围。4. 铝渣XRD分析表明含有FeCl2、MnFe2O4、Fe2O3，证明氯化锰与铁发生了反应，使得铝合金中的铁含量有效降低。5. 氯化锰除铁后铝合金的硬度下降。铝合金中的有害铁相减少使得铝合金的硬度明显下降，加工难度减少。5.致谢本文是在导师孙德勤副教授精心指导下完成，老师用他渊博的专业知识和富有创造性的思维，帮助我解决了实验研究中的许多难题。从老
