【摘要】：控制Si元素含量是鋁熔體凈化中關(guān)注的焦點(diǎn)之一,很多鋁合金對Si含量提出的嚴(yán)格的要求,但現(xiàn)有鋁合金除硅工藝的研究較少。電渣精煉工藝不僅可有效調(diào)控鋼鐵的純凈度,也被認(rèn)為有望用于控制鋁合金的品質(zhì)。目前,鋁電渣精煉工藝的研究較少,可用熔渣種類少,也缺乏對界面反應(yīng)機(jī)理的研究。為此,本文重點(diǎn)研究了電渣精煉工藝對鋁合金中Si元素含量的影響,深入分析了鋁電渣精煉除硅界面反應(yīng)機(jī)理。首先,篩選了鋁電渣精煉的多種熔渣組分,通過電渣精煉實(shí)驗(yàn)研究熔渣組分對鋁合金凈化效果、凝固組織的影響。然后,通過熱力學(xué)計(jì)算研究鋁電渣精煉除硅界面反應(yīng)熱力學(xué)行為,用正交實(shí)驗(yàn)和單因素實(shí)驗(yàn)研究多種因素對界面反應(yīng)的影響,通過分析界面處Si含量隨反應(yīng)時(shí)間的變化研究界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制。最后,用分子動(dòng)力學(xué)和第一性原理研究了熔渣的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)及熔渣/金屬界面行為。得到的主要研究結(jié)果如下:(1)鋁電渣精煉使用15.41%NaCl-49.15%KCl-35.44%LiCl渣劑時(shí),具有較好的凈化效果,1050鋁合金的最高除硅率為58%,8021鋁合金的最高除硅率為26%~28%、除鐵率為10~26%。(2)通過分析精煉后熔渣的物相及界面反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件,確定鋁電渣精煉除硅界面反應(yīng)的直接產(chǎn)物為SiCl_2。電渣精煉除硅反應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算表明,界面反應(yīng)Si含量的臨界值為15%。通過分析多個(gè)因素(電場、LiCl含量、渣/金比、Na_2B_4O_7、試樣原始Si含量等)對鋁電渣精煉除硅反應(yīng)的影響發(fā)現(xiàn),電場在界面反應(yīng)中具有決定性作用。通過分析界面處Si含量隨反應(yīng)時(shí)間的變化發(fā)現(xiàn),電渣精煉除硅界面反應(yīng)為一級不可逆反應(yīng)。(3)熔渣結(jié)構(gòu)和性質(zhì)分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明,二元熔渣中加入LiCl可降低熔渣的密度和粘度、增加自由移動(dòng)的Cl~-數(shù)量、提高離子的擴(kuò)散系數(shù)。(4)Si原子在鋁熔體/熔渣界面模型中濃度分布的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果明,在熔渣中沒有出現(xiàn)Si原子的濃度峰,硅原子的濃度峰僅出現(xiàn)在鋁熔體中及界面處。由此可知,Si含量降低不能通過界面處熔渣吸附完成,而是通過界面反應(yīng)完成。靜電場強(qiáng)度和Al、Si原子極化程度對界面反應(yīng)的影響的第一性原理計(jì)算結(jié)果表明,外電場越強(qiáng),界面處Al、Si原子的極化越強(qiáng),Si原子越容易與Cl~-反應(yīng)。綜上所述,通過實(shí)驗(yàn)篩選出一種較優(yōu)的除硅熔渣組分(15.41%NaCl-49.15%KCl-35.44%LiCl),揭示了使用該熔渣除硅界面反應(yīng)機(jī)理:Si與Cl_2反應(yīng)生成SiCl_2,電場對該界面反應(yīng)有決定性的影響,電場對界面反應(yīng)的影響的本質(zhì)是通過改變界面處鋁熔體中原子的極化狀態(tài)。本文的研究對于繼續(xù)優(yōu)化鋁電渣精煉工藝和更加深刻的理解鋁電渣精煉界面反應(yīng)機(jī)理具有重要意義。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TF821
【圖文】：

圖 1-1Al-Si-Fe 三元相圖及電渣精煉示意圖[7]Fig. 1-1 Ternary diagram of Al-Si-Fe and schematic diagram of electro-slag refining鑒于電場對化學(xué)反應(yīng)的促進(jìn)作用，所以希望將電場用于鋁熔體的凈化。與電場凈化相關(guān)的工藝技術(shù)有電熔劑凈化及電渣重熔技術(shù)。電熔劑凈化法起源于 20 世紀(jì) 70 年代，是前蘇聯(lián)研發(fā)的一種合金凈化方法，該法不僅能降低雜質(zhì)元素的含量，而且有一定的除氣效果，但該工藝操作復(fù)雜，不便于實(shí)驗(yàn)室實(shí)施。電渣重熔與電熔劑法的原理有一定的相似性。電渣重熔的基本原理如圖 1-1（右圖）所示，高頻交流電流通過電極、熔渣、電渣爐的底板形成回路，電流通過電阻較大的熔渣時(shí)產(chǎn)生焦耳熱，該熱量足以熔化電極。此處的電極是指待熔煉的金屬棒，也稱為自耗電極。電渣重熔時(shí)，電極插入熔渣一定深度，電極端部產(chǎn)生的焦耳熱最多，電極端部首先熔化，熔化后的金屬以液滴的形式下沉，穿過渣池，落入熔渣下方的金屬熔池。熔渣下方的金屬會在結(jié)晶器的冷卻作用下順序凝固。因隨著電渣重熔過程的進(jìn)行，渣池下方金屬的量逐漸增加，金屬鑄錠高度逐漸增加，金屬熔池的位置不斷升高。因熔渣的密度低于金屬熔體的密度，所以渣池始終位于精煉后金

圖 1-2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測保護(hù)渣粘度與實(shí)測粘度比較[36]Fig. 1-2 Comparision of viscosity of protection slag predicted by neural network withmeasured results（2）熱力學(xué)模型用熱力學(xué)模型預(yù)測熔鹽物性是近年來的研究熱點(diǎn)之一，這一領(lǐng)域近幾年發(fā)展突飛猛進(jìn)。隨著研究的不斷深入，人們對熔渣結(jié)構(gòu)理論的理解不斷深化，熱力學(xué)模型也在持續(xù)完善、更新。熱力學(xué)模型的發(fā)展經(jīng)歷了從最早的分子結(jié)構(gòu)模型到正規(guī)溶液模型，再到后來的準(zhǔn)化學(xué)模型、共存模型到聚集電子模型的發(fā)展歷程[36]。接下來將簡要介紹幾種常見熱力學(xué)模型的發(fā)展?fàn)顩r：分子結(jié)構(gòu)模型是最早的熔渣結(jié)構(gòu)理論，該理論在結(jié)構(gòu)方面的認(rèn)識是正確的，但由于熔渣中形成復(fù)雜化合物的種類較多，給各個(gè)化合物活性的計(jì)算帶來很大的挑戰(zhàn)，并且計(jì)算結(jié)果精確度較低。離子溶液模型假設(shè)溶液全部由離子組成，體系中沒有電中性的粒子，最近鄰粒子為帶異號電荷的離子，離子在熔渣中處于完全無序的狀態(tài)。該模型不考慮出

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2722016