文：派罗特克（广西南宁）高温材料有限公司 韦远飞
摘 要：对在线除气工艺进行研究，并根据目前普遍使用的几种铝及铝合金在线除气工艺及其设备的特点，详细阐述了箱式除气机、流槽式除气机和真空除气机这几种典型铝及铝合金在线除气机的结构特点以及其他显著特征，介绍了在线除气技术新发展—超声波除气机，综合评价这几种典型铝及铝合金在线除气机的优缺点，从而有助于铝熔体熔铸车间选择合适的除气工艺及设备，提高铝及铝合金的质量。
关键词：铝熔体；在线精炼除气工艺；优缺点
影响铝及其合金质量的因素是多方面的，其中铝液的氢含量、夹杂和碱金属浓度对于铝合金的质量影响最为重要。国内外各大厂家及研究机构就如何减少铝液中氢含量和夹杂的含量投入了大量的资源进行研究，由此市场上出现了许多新的工艺及设备。
１、在线除气工艺
在线除气工艺大致可分为气体吹炼法、真空精炼法及超声波精炼法等。本文重点介绍气体吹炼法。
１。１气体吹炼法原理
气体吹炼法，也叫浮游法，主要是将惰性气体吹入铝液后，形成许多细小的气泡。气泡中氢的初压力为零，在气泡和铝液的界面上有氢的压差，使得溶于铝液中的氢不断吸入到气泡中，这一吸入过程直至气泡中氢的压力和铝液中氢的压力相等时才会停止。气泡浮出液面后，气泡中的氢气即逸出而进入大气中。
除氢原理示意图如图１所示。
另外，气泡在从熔体中通过的过程中，与熔体中的氧化物夹杂相遇，夹杂被吸附在气泡的表面上，并随气泡上浮到熔体表面，从而被除去。除夹杂原理示意图如图２所示。
因此，气泡上升过程既可以带出氢气，达到除气效果，又可以带出氧化夹杂，从而达到精炼的效果。
１.２惰性气体通入方式
在使用气体吹炼法中，向铝液通入惰性气体的方式对除气精炼效果影响很大。目前，熔铸厂向铝液通入惰性气体常用的方式有脱气管、透气砖和旋转除气等３种方式，具体如图３所示。
气体吹炼法最为简单的方法是用1根精炼管（通常为搪瓷钢管）插入到铝液中，然后通入惰性气体，此单孔单管除气方法除气效果差。也有一些熔铸厂在炉底安装透气砖，惰性气体经过透气砖而形成了多路气泡，与单孔吹炼法相比较，多孔吹炼法除气精炼效果稍好；但是在实际使用过程中，透气砖存在容易堵塞、渗漏铝液、维修维护困难、液面翻滚严重和造渣较多等缺点。
随着研究的深入，相继出现了旋转除气法，其基本原理是惰性气体通过旋转的转子喷入到铝液中，形成大量的弥散小泡，从而进行除气精炼处理。为了提高除气效率，应尽可能地使惰性气体气泡数目多，惰性气体气泡直径小，惰性气体气泡在铝液中停留时间长，铝液液面尽量平稳。
为了实现上述目的，各个除气机生产厂家在转子／转杆、箱体内衬以及箱体密封方式等设计上各有特点，从而形成了目前市场上各种类型的除气机。根据除气机的除气工艺及结构特点，大致上可分为箱式除气机、流槽式除气机、真空除气机及超声波除气机等。
据不完全统计，目前市场上使用的在线除气机９９％为箱式旋转除气机。而箱式除气机以美国派罗特克（ＰＹＲＯＴＥＫ）的 ＳＮＩＦ 和ＩＬＤＵ 除气机、美国 Ａｐｏｇｅｅ的 Ｒｅｖｅｏｔ除气机、法国 Ｎｏｖｅｌｉｓ的ＡＰＬＵＲ 除气机、日本富士科 ＧＢＦ 除气机、日本三井（ＴＫＲ）除气 机、美 铝 （Ａｌｃｏａ）６２２除气机最为典型；流槽式除气机以加拿大ＳＴＡＳ公司生产的 ＡＣＤ除气机最为典型；真空除气机以海德鲁（ｈｙｄｒｏ）生产的 Ｈｙｃａｓｔ Ｉ－６０Ｓｉｒ最为典型。
近几年，美国的南线有限公司（Ｓｏｕｔｈｗｉｒｅ）新研发了超声波除气机。
２、在线除气设备
２．１箱式除气机
美国派罗特克生产的 ＳＮＩＦ箱式除气机结构如图４所示。
铝液流入除气机箱体，且在耐火材料内衬驻留，箱体有加热器，铝液从而保持熔融状态。惰性气体经旋转的转子喷出后，被高速旋转的转子打碎成无数小气泡，小气泡在铝液中扩散、上升，从而除去氢气。小气泡在上升过程中，由于表面张力的作用，将一部分夹杂从铝液中带出到液面，形成浮渣从而去除掉铝液中的夹杂；同时，通过转子的搅拌作用，使得铝液中的合金成分更加均匀。
箱式除气机最为显著的特点就是石墨定子和石墨转杆／转子结构。石墨定子在铝液中不转动，对石墨转杆／转子总成起外层保护作用。石墨杆和石墨转子装配在一起，搅拌铝水。惰性气体通过定子和石墨杆之间的间隙，从定子底部边缘和石墨转子顶部边缘凹槽处喷射到铝液中。ＳＮＩＦ 石墨转杆／转子铝液循环模式如图５所示。
通过石墨转子的剪切力，导致铝液向下循环，从而抵消了自然浮力的影响，使得从转子和定子喷射出来的气泡径向喷射且均匀地分散在铝液中，达到最佳的除气精炼效果。美国派罗特克的另一系列ＩＬＤＵ 箱式除气机，其显著的特点是转杆／转子（见图６）。
转杆／转子的材质为新型 ＢＴＳ。目前，其他除气机转杆／转子的材质一般都是石墨、碳化硅和氮化硅。石墨在高温下（约为７５０℃）容易烧损氧化，造成断裂或剥落，从而污染铝液；碳化硅浇铸转子不耐热冲击，在急冷急热热冲击下易断裂；氮化硅转杆／转子成本太高。而ＢＳＴ 转杆／转子内部为石墨材料，外部为耐火材料烧结而成，恰好克服了上述３种材料的缺点。据统计，其寿命在连铸轧线上高达１年以上。
箱式除气机的显著优点如下：１）增加了气泡的驻留时间，从而提高了除气精炼效果；２）保持箱体内的铝液温度等于或高于铸造温度，因而降低了保温炉的温度；３）减少了铸造温度的变化。其缺点是设备所需的安装空间较大。
２．２ 流槽式除气机
流槽式除气机是利用转子／转杆旋转除气精炼。流槽式除气机在结构上与箱式除气机主要的不同之处在于流槽式除气机的除气槽内衬底部与熔铸生产线上的流槽内衬底部齐平，从而实现了除气机无残铝。流槽式除气机结构示意图如图７所示。
流槽式除气机的密封盖和除气槽形成了相对密封的空间。起铸时，铝液通过潜流方式进入到除气槽。当除气槽内铝液液位高于２００ｍｍ 时，转子开始搅拌铝液，并向铝液喷射惰性气体，对除气槽内的铝液进行除气精炼处理。与传统箱式除气机相比，流槽式除气机具有无残铝、占地空间小的优点。其缺点也明显：由于流槽式除气机铝液深度较浅，气泡在铝液中驻留的时间较短，因此其除气效果稍低于箱式除气机。由于没有配置加热系统，铝液经过除气槽时有温减（一般都下降１０～３５ ℃），影响着后续的铸造工艺。
流槽式除 气 机 的 石 墨 杆／转 子 的 转 速 很 高 （＞１０００ｒ／ｍｉｎ），所以石墨杆／转子 的寿命 较短且造渣多。由于气泡在铝液中停留的时间短，影响着除气效果，操作者一般通过增加惰性气体流 量来抵消该 不良影响，这样导致惰性气体消耗较大。
２．３ 真空除气机
真空除气机在结构上类似于流槽式除气机，分为除气槽和真空除气室两大部分（见图８）。
真空除气室根据铝液流速的不同，可分为单室、双室和多室。与箱式和流槽式除气机的不同之处在于真空除气机的石墨转子安装在除气室的底部。除气室的底部有开槽，使得真空除气室与除气槽相通（见图９）。当铝液流经除气槽时，除气室在真空泵或者其他方式作用下形成负压，从而提升了真空除气室内的铝液液位。待铝液液位达到了一定高度之后，石墨转子开始转动和喷射惰性气体，对铝液进行除气精炼处理。当除气结束时，解除真空室内的负压，真空室内的铝液液位下降，直至与除气槽的液位齐平。
真空除气机具有无残铝、占地空间小的优点。另外，由于铝液是在真空的状态下进行除气搅拌，因此产生的氧化物较少，铝液比较干净。真空除气机的缺点：１）对铝液的洁净度要求高；２）由于石墨转子安装在底部，而铝液底部的渣较多，石墨转子容易磨损。目前，真空除气机在市场上应用不多。
２．４ 超声波除气机
超声波除气机是由美国的南线有限公司研制成功的一种新型除气机。超声波除气机与传统的转子旋转除气不同，其结构包括超声波发射器及其超声波探头（见图１０）。
超声波发射器通过超声波探头伸入到铝液，将超声波发射到铝液中。当超声波的强度足够大时，可以在铝液中形成很多真空气泡，铝液中的氢气被吸入到真空气泡中，随着气泡的上升而离开铝液，从而实现除气精炼的目的。
超声波除气机也可以通过超声波探头将惰性气体喷射到铝液中，惰性气体有助于真空气泡的形成，而超声波可将惰性气体打的更碎更小，这样有助于除气精炼效果。 与传统的旋转除气机相比，超声波除气机的除气时间可以缩短１／３；另外 液面扰动小，所以造渣少。
目前，超声波除气机只在国外使用，在国内还没有应用。
３、结语
目前，市场上普遍使用的为箱式除气机。箱式除气机除气精炼效果高，而且加热系统可以减少铸造的温度损失；但是箱式除气机具有除气空间大，而且残铝量多的劣势。流槽式除气机与箱式除气机恰好相反，具有无残铝和占地空间小的特点；然而流槽式除气机的劣势是温降大且造渣多，且其石墨转子容易折断。真空除气机和超声波除气机应用不多，使用效果有待市场检验。
因此，各熔铸厂应根据自己的工艺特点选择满足自己需求的除气机。
