废铝冶炼成分调整后进入铝合金液精炼工序，铝合金精炼的目的是经过采取脱气、除杂措施后，获得气体含量低、高度洁净的铝合金液。

精炼可分为炉内精炼和炉外在线精炼。（如图1所示）

图 1

1.炉法精炼

炉内精炼，顾名思义，就是在精炼炉内除去气体和杂质的精炼技术。（见图2）

图 2

采用气管炉内精炼：通常采用高纯惰性气体或氮气；也可采用含氯10%以下的高纯惰性气体或氮气；90年代曾采用粉末喷雾精炼；最佳脱气效率为30%，最低限度可使铝液含氢量降至0.25mL/min。

在装有透气砖的炉内精炼：通常采用高纯惰性气体或氮气；也可采用含氯量低于10%的高纯惰性气体或氮气；气泡尺寸大，无弥散性，脱气效果好。

2.炉外在线精炼

炉外在线精炼应用较为广泛。其优点是投资少、操作简便、精炼效果好；其缺点是对铝化学成分的有效控制稍有偏差。几种常见的炉外在线精炼装置。（见图3、图4）

图 3

图 4

一般来说，对未通过精炼试验的铝合金产品，精炼要求也是不同的。

轧制用铝扁锭：通常要求氢含量小于0.15-0.12mL/支；

挤压铝棒：通常要求氢含量小于0.16mL/支；

铸造合金锭：通常要求氢含量小于0.18mL/锭；

其它铸造产品：通常要求氢含量小于0.25mL/个；

一般来说，铝合金的精炼具体方法有以下几种：

添加氯化物（ZnCl2、MnCl2、ALCl2、C2Cl2、TiCl2等）；

曝气法（通入N2、Cl2或N2和Cl2的混合气体）；

真空处理法；

添加无毒精炼剂的方法；

超声波处理等

对于铝合金熔体中溶解的氢，主要通过扩散的方式从铝合金液中分离出来；对于夹杂的氧化物，主要通过添加熔剂、气泡等介质表面吸附去除。

3. 脱气

除气通常采用浮选法，其原理是向铝合金液中通入一定的不含氢的气体产生气泡，利用这些气泡在浮选过程中将溶解的氢携带出铝合金液并逸入大气。为获得较好的精炼效果，通入气体的铁管应尽量推入熔池深处，铁管下端距炉底100-150mm，以加长气泡向上行程，同时不使气泡沉向铝。通入气体时，应将铁管在铝合金液中缓慢水平移动，使气泡能通过熔池各部分。尽量采用较低的适当通气压力和速度，因为这样形成的气泡较小，增加了气泡的表面积。由于气泡小，上浮速度也慢，因此能除去更多的夹杂物和气体。同时，为保证良好的精炼效果，应适当选择精炼温度，温度过高，产生的气泡较大，且很快上浮，使精炼效果变差；温度过低，铝合金液的粘度较大，不利于铝合金液中气体的充分排出，降低精炼效果。

超声波处理铝合金液能有效除气，其原理是在铝合金液中引入振动波，使铝合金液中产生“空化”现象，从而破坏铝合金液组织的连续性，产生无数微观真空孔洞，溶解在铝合金液中的氢气很快逸入这些孔洞中形成气泡核，不断长大并以气泡形式逸出铝合金液，达到细化效果。

4. 去除杂质

对于铝合金熔体中的非金属夹杂物，主要是氧化物，可用气体精炼法有效去除。对于要求较高的材料，也可在浇注过程中采用过滤的方法去除。对于金属杂质，一般的处理方法是化有害因素为有利因素。即通过合金化的方法，将其转变为有益的第二相，有利于材料性能的提高和成本的节约。

用含铝废料冶炼的铝合金中往往含有过量的金属元素，应尽量除去。可采用氧化法从熔体中除去对氧的亲和力比铝对氧和氯的亲和力大的各种金属杂质。例如镁、锌、钙、锆、钠、钾等元素，通过搅拌熔体加速这些杂质元素的氧化和氯化。这些金属氧化物和氯化物不溶于铝合金液，进入炉渣中。炉渣可用撇渣法从铝合金熔体中除去。

还可以利用溶解度不同的方法除去铝合金溶液中的金属杂质，例如将受杂质污染的铝合金与能很好地溶解铝但不能溶解杂质的金属一起熔化，然后通过过滤将铝合金分离出来，再用真空蒸馏法除去添加的金属。通常加入镁、锌、汞来除去铝中的铁、硅等杂质，再用真空蒸馏法除去这些添加的金属。例如，将铝合金与30%的镁共晶后，在接近共晶温度的温度下静置一段时间，滤除含铁和硅的初始析出晶相，然后在850℃真空退镁地炉冶炼废铝方法，此时蒸气压高，锌、铅等杂质也随镁一起除去，除镁后得到纯铝合金。一般来说再生铝工业不采用，因为其成本太高。

为了进一步提高铝合金液的质量，或某些牌号的铝合金要求严格控制氢含量及夹杂物时，可采用联合精炼方法，即同时采用两种精炼方法，例如氯化盐+过滤联合精炼、吹氩+熔剂联合精炼等方法，均能取得比单一精炼更好的效果。

与重熔铝锭生产铝锭相比，再生铝熔体中的氢、非金属夹杂物和非铝金属杂质含量要高得多，如果不加以精炼，再生铝锭的质量很难保证。再生铝熔体除氢、去除金属夹杂物的方法与重熔铝锭生产铝锭对熔体进行处理的方法基本相同。

5. 过滤，去除残渣

过滤是使铝合金熔体通过由中性或活性材料制成的过滤器，使悬浮在熔体中的固体夹杂物分离而除去杂质的方法，根据过滤性质可分为两类：铝合金熔体的过滤方法又可分为表面过滤和深层过滤。

按过滤材料可分为三类：网状材料过滤（如玻璃布、金属网）；块状材料过滤（如松散颗粒填料床、陶瓷过滤器、泡沫陶瓷过滤器）；液层过滤（如熔剂层过滤、电熔剂精炼）。在冶炼过程中进行过滤和精炼。此种方法在铝加工行业和再生铝行业应用广泛，国外在铸造行业也有使用。目前，我国应用最广泛的是玻璃布过滤和刚玉陶瓷管过滤。

表面过滤是指固体杂质主要沉积在滤料表面的过滤，又称滤饼过滤。网状材料过滤属于表面过滤。深层过滤又称内过滤，固体杂质主要沉积在滤料孔隙内部，随着过滤的进行而逐渐被除去。随着过滤的进行，孔隙的有效过滤截面积逐渐减小，渗透性降低，过滤精度提高。块状材料过滤为深层过滤。

（1）铝合金熔体的过滤机理。

1）网状材料过滤器。网状材料过滤器的过滤机理主要是通过栅栏效应，将熔体中的宏观、粗大的非金属夹杂物进行机械分离，只能捕集熔体中大于网孔尺寸的夹杂物（假设夹杂物不能变形）。

2）块体材料过滤器。由中性材料制成的块体材料过滤器的过滤机理主要是通过沉降、流体动力学和直接拦截等方式，对熔体中的固体夹杂物进行机械分离。块体材料过滤器具有很大的比表面积，熔体与过滤介质有机会相互接触，当熔体携带固体杂质沿过滤器内截面不等的细长通道流动时，固体夹杂物的密度和速度各不相同，熔体各不相同，因此有可能在重力作用下发生沉积。由于固体颗粒的非球形性和剪切场的不均匀性，它们会发生横向运动并被孔壁钩住。孔隙截面突然变化的低压涡流区的形成使上述现象得到强化。由活性材料制成的块体材料过滤器除具有上述过滤机理外，还具有表面力和化学力，产生物理化学的深层过滤，使熔体得到更精细的净化。块状材料过滤器可以捕获比其自身孔径小得多的固体夹杂物。

3）液层过滤器：液层过滤器是利用液态熔剂来冲洗液态金属，其过滤机理是建立在熔剂与非金属夹杂物之间发生的物理化学反应和熔剂对夹杂物的润湿、吸附和溶解作用的基础上的。

4）管式过滤器：采用孔隙率较细的介质，通过增加过滤面积，达到高精度过滤的过滤器，优点是精度高，过滤效果好；缺点是成本高，占地面积大，残铝量高，容易造成精炼器故障。（见图5）

图 5

（2）玻璃布过滤的主要优缺点。

1）玻璃布过滤的主要优点是结构简单，可以安装在从静态炉到除尘器的任何位置，如除尘器的流槽、流板落料口、分配漏斗、液腔等处；二是使用成本低，在正常情况下，每吨金属消耗玻璃布约0.05-0.07m2，其过滤成本约0.10-0.15元/吨金属；三是对原有的浇铸系统（浇铸温度、浇铸速度等）没有影响；四是对铸锭晶粒组织没有影响。

2）玻璃布过滤的缺点。除渣程度有限，不能除气，只能使用一次，需要经常更换，增加了工作量。鉴于玻璃布过滤的优缺点，在生产过程中使用玻璃布过滤是必要的。注意事项：

为了提高平板格栅的稳定性地炉冶炼废铝方法，在缝制滤料前，最好用在熔融温度下稳定的表面活性剂对玻璃布进行预处理，以防止玻璃纤维的滑动和移位，并便于切割和加工。

玻璃布过滤器的形状和尺寸应根据安装位置和熔体流速来设计，目前生产中采用的玻璃布过滤器流速约为0.15-0.25kg/cm2，落料处的滤网应制成长条形，安装在结晶器内的滤网尺寸应根据液腔轮廓确定，滤网底部距液腔底部的距离一般不小于25mm。

滤网缝纫应严密、无缝，应采用标准样品进行裁剪。

应制作过滤器支架，方便过滤器的安装和使用。

过滤器的最佳安放位置为金属液流的落差处，这样可以充分消除金属液流在落差处的冲击和翻滚，减少熔渣污染，增加过滤效果。

玻璃布对铝合金液的耐腐蚀性能随温度和时间的增加而变差，用玻璃布过滤时，熔体温度不宜超过730℃，过滤时间不宜超过4h。

在使用过程中，应避免过滤器与焊剂液体接触，以防止过滤器很快被腐蚀和损坏。

（3）泡沫陶瓷过滤器。

泡沫陶瓷过滤器是一种具有海绵状结构的开孔网，以泡沫陶瓷作为介质的过滤装置。它是将泡沫陶瓷安装在静态炉与浇铸台之间，用以转送金属液的过滤盆。过滤盆用普通钢板焊接而成，内衬保温毡，最内层为耐火砖盆，深度一般不小于200m。铝合金液经过滤盆过滤后从静态炉流向结晶器。

实际使用的泡沫陶瓷的孔隙特性为：孔数4-18孔/cm；孔隙率85%-90%体积密度0.35-0.40/cm3；透气率（1000-2000）×10-7m2；陶板厚度20-100mm。泡沫陶瓷的流动特性取决于孔隙特性和陶板的尺寸，对于尺寸为305mm×305mm×51mm、孔数为12孔/cm的泡沫陶瓷板，过滤能力约为1.7-3.0kg/s。

泡沫陶瓷主要过滤参数为：过滤精度2um；过滤效率99%；起始压头50-150m；有效工作压头50mm。

泡沫陶瓷过滤器具有过滤精度高、过滤效率高、重量轻、占地面积小、操作简便、劳动条件好等优点，但泡沫陶瓷用过一次就丢弃，不可再生，且质地较脆，安装时应避免混入杂物。

泡沫陶瓷过滤板在生产中使用注意事项：

1）选择合适的泡沫陶瓷。选择泡沫陶瓷时，首先要考虑过滤精度的要求，多数情况下采用12孔/cm的泡沫陶瓷较为合适，如果铝合金液特别脏，可以采用8孔/cm的泡沫陶瓷进行预过滤，以防止12孔/cm的泡沫陶瓷堵塞。其次要考虑铸造速度所需的铝合金液流速、熔体的原始清洁度、铝合金熔体中夹杂物的最大含量以及铝合金熔体的总通过量。

2）正确安装泡沫陶瓷过滤器。通常，泡沫陶瓷过滤器水平放置在滤池中，使铝合金熔体垂直向下或垂直向上通过。底铸方式具有铝合金熔体均匀上升和碰撞的优点。过滤器到达过滤器时不会产生湍流，可确保过滤器均匀启动，减少通道流动的风险。另外，安装泡沫陶瓷过滤器时，组装部分必须用耐火纤维密封，以消除任何旁路的可能性。

3）过滤前最好用辐射加热器或气吹管将泡沫陶瓷过滤器加热到接近熔体温度，以保证前部液体流到泡沫陶瓷时，不会有金属凝固而堵塞孔洞。

参考文献：《再生铝产业研究与生产技术》，作者：蒋玉静、吴锡华

姜玉敬现任天元二手材料副董事长、中商炭素研究院院长、中国有色金属工业协会炭素分会专家顾问，是我国著名的铝冶炼专家、材料专家，教授级高级工程师，我国大型预焙铝电解全槽技术开创者之一，国家科技进步一等奖获得者，中南大学兼职研究生导师。