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铝电渣精炼除硅及界面反应机制的研究

发布时间:2020-06-20 06:29
【摘要】:控制Si元素含量是铝熔体净化中关注的焦点之一,很多铝合金对Si含量提出的严格的要求,但现有铝合金除硅工艺的研究较少。电渣精炼工艺不仅可有效调控钢铁的纯净度,也被认为有望用于控制铝合金的品质。目前,铝电渣精炼工艺的研究较少,可用熔渣种类少,也缺乏对界面反应机理的研究。为此,本文重点研究了电渣精炼工艺对铝合金中Si元素含量的影响,深入分析了铝电渣精炼除硅界面反应机理。首先,筛选了铝电渣精炼的多种熔渣组分,通过电渣精炼实验研究熔渣组分对铝合金净化效果、凝固组织的影响。然后,通过热力学计算研究铝电渣精炼除硅界面反应热力学行为,用正交实验和单因素实验研究多种因素对界面反应的影响,通过分析界面处Si含量随反应时间的变化研究界面反应动力学机制。最后,用分子动力学和第一性原理研究了熔渣的微观结构和性质及熔渣/金属界面行为。得到的主要研究结果如下:(1)铝电渣精炼使用15.41%NaCl-49.15%KCl-35.44%LiCl渣剂时,具有较好的净化效果,1050铝合金的最高除硅率为58%,8021铝合金的最高除硅率为26%~28%、除铁率为10~26%。(2)通过分析精炼后熔渣的物相及界面反应的实验条件,确定铝电渣精炼除硅界面反应的直接产物为SiCl_2。电渣精炼除硅反应的热力学计算表明,界面反应Si含量的临界值为15%。通过分析多个因素(电场、LiCl含量、渣/金比、Na_2B_4O_7、试样原始Si含量等)对铝电渣精炼除硅反应的影响发现,电场在界面反应中具有决定性作用。通过分析界面处Si含量随反应时间的变化发现,电渣精炼除硅界面反应为一级不可逆反应。(3)熔渣结构和性质分子动力学计算结果表明,二元熔渣中加入LiCl可降低熔渣的密度和粘度、增加自由移动的Cl~-数量、提高离子的扩散系数。(4)Si原子在铝熔体/熔渣界面模型中浓度分布的分子动力学计算结果明,在熔渣中没有出现Si原子的浓度峰,硅原子的浓度峰仅出现在铝熔体中及界面处。由此可知,Si含量降低不能通过界面处熔渣吸附完成,而是通过界面反应完成。静电场强度和Al、Si原子极化程度对界面反应的影响的第一性原理计算结果表明,外电场越强,界面处Al、Si原子的极化越强,Si原子越容易与Cl~-反应。综上所述,通过实验筛选出一种较优的除硅熔渣组分(15.41%NaCl-49.15%KCl-35.44%LiCl),揭示了使用该熔渣除硅界面反应机理:Si与Cl_2反应生成SiCl_2,电场对该界面反应有决定性的影响,电场对界面反应的影响的本质是通过改变界面处铝熔体中原子的极化状态。本文的研究对于继续优化铝电渣精炼工艺和更加深刻的理解铝电渣精炼界面反应机理具有重要意义。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TF821
【图文】:

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图 1-1Al-Si-Fe 三元相图及电渣精炼示意图[7]Fig. 1-1 Ternary diagram of Al-Si-Fe and schematic diagram of electro-slag refining鉴于电场对化学反应的促进作用,所以希望将电场用于铝熔体的净化。与电场净化相关的工艺技术有电熔剂净化及电渣重熔技术。电熔剂净化法起源于 20 世纪 70 年代,是前苏联研发的一种合金净化方法,该法不仅能降低杂质元素的含量,而且有一定的除气效果,但该工艺操作复杂,不便于实验室实施。电渣重熔与电熔剂法的原理有一定的相似性。电渣重熔的基本原理如图 1-1(右图)所示,高频交流电流通过电极、熔渣、电渣炉的底板形成回路,电流通过电阻较大的熔渣时产生焦耳热,该热量足以熔化电极。此处的电极是指待熔炼的金属棒,也称为自耗电极。电渣重熔时,电极插入熔渣一定深度,电极端部产生的焦耳热最多,电极端部首先熔化,熔化后的金属以液滴的形式下沉,穿过渣池,落入熔渣下方的金属熔池。熔渣下方的金属会在结晶器的冷却作用下顺序凝固。因随着电渣重熔过程的进行,渣池下方金属的量逐渐增加,金属铸锭高度逐渐增加,金属熔池的位置不断升高。因熔渣的密度低于金属熔体的密度,所以渣池始终位于精炼后金

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图 1-2 神经网络模型预测保护渣粘度与实测粘度比较[36]Fig. 1-2 Comparision of viscosity of protection slag predicted by neural network withmeasured results(2)热力学模型用热力学模型预测熔盐物性是近年来的研究热点之一,这一领域近几年发展突飞猛进。随着研究的不断深入,人们对熔渣结构理论的理解不断深化,热力学模型也在持续完善、更新。热力学模型的发展经历了从最早的分子结构模型到正规溶液模型,再到后来的准化学模型、共存模型到聚集电子模型的发展历程[36]。接下来将简要介绍几种常见热力学模型的发展状况:分子结构模型是最早的熔渣结构理论,该理论在结构方面的认识是正确的,但由于熔渣中形成复杂化合物的种类较多,给各个化合物活性的计算带来很大的挑战,并且计算结果精确度较低。离子溶液模型假设溶液全部由离子组成,体系中没有电中性的粒子,最近邻粒子为带异号电荷的离子,离子在熔渣中处于完全无序的状态。该模型不考虑出

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2 赵忠兴;赵慧;耿德军;徐兴文;;铝合金精炼与变质复合工艺的试验研究[J];特种铸造及有色合金;2012年06期

3 刘东任;杨占红;李旺兴;邱仕麟;罗英涛;;钾冰晶石低温电解质研究现状[J];轻金属;2009年10期

4 官可湘;李洁;倪大兴;;铝及铝合金熔体净化剂研究进展[J];化学世界;2007年06期

5 李正邦;21世纪电渣冶金的新进展[J];特殊钢;2004年05期

6 周明,赵玉涛,蒋宗宇;熔剂法制备SiC_p/ZA27复合材料的工艺和性能研究[J];江苏理工大学学报(自然科学版);1999年03期

7 孟繁琴,胡明,陈舒梅;稀土、钡用于铝硅合金变质、精炼复合熔剂的研究[J];佳木斯工学院学报;1997年03期

8 黄世萍,马彦会,唐波,徐桦,陈念贻;NaCl-NaBr系熔盐溶液的分子动力学研究[J];物理化学学报;1994年11期

9 梁连科,岳桂菊,郭仲文,杨怀;电渣重熔用CaO-Al_2O_3-SiO_2三元无氟渣系的研究[J];东北工学院学报;1991年03期

10 季庆复;电渣重熔渣系的热导率测定[J];东北工学院学报;1986年03期

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本文编号:2722016

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