專利名稱：鋁-硅合金的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制備鋁-硅合金的方法，更加具體的是，通過向熔融鋁中引入冶金硅制備具有多于7％的硅的合金。
這些合金的制備通常在熔爐或感應爐中完成，溫度在700至800℃的范圍內(nèi)。在操作開始時，向鋁的爐料中加入冶金硅爐料，加入的冶金硅爐料對應于需要量的大約75到90％。在這個階段，硅以顆粒加入，其在鋁中的溶解是在爐料熔化過程中逐漸發(fā)生的，并不顯示出任何延遲，與熔爐的產(chǎn)率無關。一旦爐料熔化，取出樣品進行分析，并加入補充的硅使其達到最終水平，正是這個操作，其持續(xù)時間是一個能夠限制進行操作的熔爐的產(chǎn)率的特性，其中所述持續(xù)時間受硅向合金中溶解的動力學調(diào)節(jié)，所述合金中較大部分是鋁。
在目前采用的方法中，最后的添加是以如下獲得的硅的形式完成的，所述硅的獲得是通過將質(zhì)量通常大于10kg的硅錠壓碎，然后研磨以獲得小于10mm的塊，在過篩到1mm后，得到1-10mm尺寸部分的產(chǎn)品。
固體硅在鋁及其合金中的溶解動力學相對緩慢，盡管對引入的硅進行粒度選擇，這個操作也很容易就進行一個小時。熔體攪拌，例如使用刮刀(scraper blade)的攪拌，是加速例如硅的添加元素溶解的通用操作。它的主要不足是，每次使用都會破壞形成在熔融的鋁基合金表面的鋁的保護層，并因此引起金屬爐料2到3％量級的鋁的損失。
制備過程中固體硅和熔融鋁合金的密度差非常小，使得引入的硅具有漂浮在合金熔體表面的趨勢。暴露于熔爐氣氛的表面增加，從而產(chǎn)生增加所裝入金屬元素氧化和增加爐渣或浮渣形成的效果，這種效果對產(chǎn)量有損害發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種在熔爐或感應爐中制備Al-Si合金的方法，特別是包含7和13％之間的硅的合金，該方法允許硅快速溶解，熔體攪拌次數(shù)的減少并減少爐渣形成。
本發(fā)明的目的是用于制備Al-Si合金的方法，所述方法包括在700到850℃范圍內(nèi)的溫度，向熔融鋁中引入粒度小于10mm的冶金硅顆粒，其中，硅顆粒在達到熔融鋁的溫度時具有破碎成更小顆粒的性質(zhì)。
優(yōu)選的，所用的冶金硅顆粒通過融化時的硅的水造粒(watergranulation)制備。
水造粒冶金硅用于合成鹵代硅烷，鹵代硅烷用于硅氧烷的制備，這正如專利EP 0610807(Wacker Chemie)或EP 0673880(PechineyElectrométallurgie)中公開的。在例如專利FR 2723325(PechineyElectrométallurgie)中描述了一種用于硅的水造粒方法。
本申請人試圖分析這兩種類型的硅顆粒之間的差別。第一個差別涉及到細顆粒的含量。注意到實際上在粉碎成為顆粒的硅中，存在數(shù)量并非不顯著的粒度小于5μm的顆粒。經(jīng)驗顯示，對粉末過篩以將其從小于50μm的部分分離出去，對于消除更細的顆粒，例如小于5μm部分，幾乎是沒有效果的。這些非常細小的顆?？赡墚a(chǎn)生在包裝產(chǎn)品的時候，且在顯微鏡下對粉末的觀察證實了它們的存在。對它們相對質(zhì)量的評價可以通過激光粒度儀確定。尺寸小于5μm的顆粒的質(zhì)量分數(shù)在至少0.5％的數(shù)量級的，其總是在通過干法制備的硅的1-10mm的尺寸部分中發(fā)現(xiàn)另外一方面，在水造粒的硅中，這種方法可以產(chǎn)生優(yōu)勢，制備產(chǎn)品以逐漸進入(insinuate into)一用水沖洗步驟，這可以將大部分尺寸小于5μm的顆粒去除。這樣得到的顆粒可以包含少于0.1％的尺寸小于5μm的顆粒；就是說，通過連續(xù)進行兩次沖洗甚至可以得到少于0.05％的。也很有趣的注意到，在這種方式制備的產(chǎn)品中，分別小于50μm和5μm的顆粒的比例，在其最終升至熔融金屬的溫度后基本上保持不變。
申請人在實驗室中進行向熔融鋁中的引入試驗時，顯示出了另外一點差別。實際上，這些試驗已經(jīng)顯示水造粒的硅相對于粉碎的硅的特別的性質(zhì)。將顆粒放在熔化的鋁熔體的表面，顆粒突然爆炸并破碎成更小的顆粒，這些顆粒被拋出幾十厘米。這種現(xiàn)象可能是微量殘留濕氣的結(jié)果。為了說明這一點，本申請人在實驗室的熔爐中進行的實驗，熔爐被加熱到700和850℃之間，但是空的，就是沒有熔化的鋁。在這些條件下，引入此熔爐中的顆?；墓璧谋憩F(xiàn)與鋁存在時的相同，這排除了鋁和任何微量濕氣反應的解釋。
顆粒的突然破裂不僅僅影響顆?；柚械纳倭款w粒，還影響到其中的大多數(shù)，這排除了在某些顆粒中存在的偶然水雜質(zhì)突然揮發(fā)的解釋。
最大顆粒的突然破裂發(fā)生在相對表層，并保留了機械上相對穩(wěn)定的塊。另一方面，對于尺寸小于10mm的顆粒，每一顆粒碎塊只產(chǎn)生2到4個顆粒。所得到的產(chǎn)品既沒有小于50μm的細顆粒也沒有小于5μm的細顆粒。，進而，當對尺寸范圍在5和6.7mm之間的顆粒樣品進行檢測時，熱處理后發(fā)現(xiàn)了下述組分，以顆粒數(shù)目表示-尺寸大于5mm的顆粒37％-尺寸在2和5mm之間的顆粒47％-尺寸在1.6和2mm之間的顆粒7％。
顆?；璧倪@種性質(zhì)的原因可能是由于快速凝固時在金屬中積累的內(nèi)部機械應力，并在將它們引入熔融鋁中受到由此引起的熱沖擊時釋放出來。
對于大于10mm的顆粒尺寸，這種現(xiàn)象較為不明顯，而且，通過對水造粒后的較大顆粒的再處理(reconditioning)和粉碎得到的顆粒的性質(zhì)，與被澆注成錠，粉碎和研磨得到的硅顆粒的性質(zhì)容易混淆。這種表現(xiàn)可能由于硅的熱傳導性差，在水造粒時，使得顆粒被包裹而限制了冷卻效果，內(nèi)部溫度只是非常緩慢的下降。
由于熔融硅的水造粒能夠制備顆粒度在0和30mm之間的產(chǎn)品，對顆粒化的硅必須選擇使用較細小尺寸部分，例如，通過過篩，限制所述部分小于10mm。
為了在向熔融鋁中引入時，得到滿意的硅產(chǎn)量，必須遵守某些操作條件。固體顆粒化硅和熔融鋁之間的密度差非常小，顆粒化硅，例如粉碎的硅，具有漂浮在熔體表面的趨勢，并且能夠優(yōu)先的在熔渣中找到。所以，必須在加入硅顆粒之前，對熔體表面適當?shù)某?。另外，?yōu)選在800℃和850℃溫度范圍內(nèi)，或在至少比當前操作條件的溫度高約50℃的溫度下操作。
在這些條件下，可以確認-顆?；璧娜芙鈩恿W比粉碎的硅更快，并且在可比的顆粒度下保持了這種特性，對于顆?；柙谌芙馑俣确矫婵赡艿氖找姹壬邷囟鹊氖找娓鼮轱@著，且沒有熔體氧化的缺點。
-與快速溶解產(chǎn)品的相關的必要的對熔體的清理(raking)比使用溶解緩慢產(chǎn)品時的更為不頻繁和不重要。
因此，制備合金的持續(xù)時間和清理的次數(shù)可以減少，從而可以顯著的降低氧化導致的損失。對于100kg量級操作中金屬產(chǎn)量，可以確保1％的提高；在5t的操作中能夠得到3％的所述提高。
根據(jù)本發(fā)明的方法可獲得Al-Si合金，其質(zhì)量至少與用粉碎和研磨的硅制備的合金的質(zhì)量一樣好。此合金的內(nèi)含物質(zhì)量處在相同水平，合金中檢測到的內(nèi)含物的數(shù)量變化不顯著。在熔融合金中測量到的氫含量為每100g合金0.1到0.2cm3的氫的量級。在添加硅的時候，不論使用哪種類型的硅，這些含量變化10％左右，這證實顆?；墓鑼涞呢暙I不顯著。
K-模式測試由對在試件斷裂表面上找到的內(nèi)含物進行計數(shù)構(gòu)成，該試件在預定形狀的模具中鑄造。結(jié)果以在試件斷裂表面上的內(nèi)含物數(shù)目表示。此測試能夠檢測大的內(nèi)含物，一般在50μm-300μm范圍內(nèi)。
LIMCA測試使用到一件與Coulter計數(shù)器相關的設備，并且可以測試金屬中尺寸在20μm和150μm間的固體內(nèi)含物的濃度；此結(jié)果以每千克金屬中內(nèi)含物數(shù)目表示。對于Al-Si合金，測得的數(shù)值范圍能夠從每千克1000個內(nèi)含物到每千克100000個內(nèi)含物，前者的合金認為是清潔的，后者認為是非常不純(dirty)的合金。
氫含量控制通過ALSCAN儀器的協(xié)助完成，此儀器允許直接測量熔融合金中的氫含量。對于每100g合金，結(jié)果以在標準溫度和壓力條件下氫氣的cm3數(shù)表示。
該清洗用水蒸發(fā)后以回收細顆粒，該細顆粒使用激光粒度儀分析。因此，還原原始產(chǎn)品的實際粒度測量分析是可能的，此原始產(chǎn)品被確認含有0.51％的尺寸小于5μm的細顆粒。
將這種典型的硅澆注成鑄錠，粉碎，然后研磨并過篩至1-10mm，將其分成相同的四批，其中一批用于在澆鑄前確定鋁-硅合金熔體的測試試驗室。所執(zhí)行的操作包括在鋁-硅合金的硅中增加1％的含量，分別達到0，6和12％的硅。這些操作在電阻爐中進行，溫度為750℃，使用100kg合金的合金熔煉堝。所測量的硅添加劑溶解所必須的時間為10至12分鐘。
在添加硅前后對金屬進行的測試表明，K-模式指數(shù)的平均增長約為10。
在添加硅的前后，對在熔融金屬中測量的氫進行的實驗，在0.18cm3/100g附近產(chǎn)生了基本恒定的結(jié)果。金屬產(chǎn)量估計為98.3％。
考慮到隨著添加產(chǎn)生的每次加入量(titre)的增加，計算得到的硅產(chǎn)量為93％。
AS13合金的質(zhì)量控制產(chǎn)生了下列因素使用LIMCA方法的內(nèi)含物質(zhì)量評測1100內(nèi)含物/kg。
氫含量0.20cm3/100g。
在添加硅前后對金屬進行的測試表明，K-模式指數(shù)的平均增長約為15。
在添加硅前后對熔融金屬的氫含量的測量，產(chǎn)生了在0.22cm3/100g附近基本恒定的結(jié)果。
金屬產(chǎn)量估計為96％。
考慮到隨著添加產(chǎn)生的每次加入量(titre)的增加，計算得到的硅產(chǎn)量為94％。
AS13合金的質(zhì)量控制產(chǎn)生了下列因素使用LIMCA方法的內(nèi)含物質(zhì)量評測1400內(nèi)含物/kg。
氫含量0.20cm3/100g。
在顆?；爸惺占降漠a(chǎn)品在干燥然后過篩至10mm之前，用水噴撒(water spray)進行清洗。大于10mm的部分被去除并使用在其它場合中。不進行1mm過篩。
獲得的0/10顆粒在與實施例1相同的條件下進行粒度測定儀的檢測。這些尺寸小于5μm的細成分的含量為0.03％。
金屬的化學分析產(chǎn)生了以下結(jié)果Fe0.28％；Ca0.038％；Al0.14％；C0.08％；P12ppmMn0.07％；Cr3ppm；Cu1ppm；Ti14ppm；Ni4ppm；V7ppm。
通過本方式制備的金屬分成相同的兩批，其中一批用在測試實驗室，以在澆鑄前對Al-Si合金熔體進行調(diào)整。如實施例1，執(zhí)行的操作包括在鋁-硅合金的硅中增加1％的含量，分別達到0，6和12％的硅。這些操作在電阻爐中進行，溫度為750℃，使用100kg合金的合金熔煉堝。
硅添加物的溶解所必須的時間為10至12分鐘。
在添加硅前后對金屬進行的測試表明，K-模式指數(shù)的平均增長約為12。
在添加硅前后對熔融金屬的氫含量進行測量，在0.20cm3/100g附近得到基本恒定的結(jié)果。
金屬產(chǎn)量估計為99.0％。
考慮到隨著添加產(chǎn)生的每次加入量(titre)的增加，計算得到的硅產(chǎn)量為98％。
使用LIMCA方法的內(nèi)含物質(zhì)量評測800內(nèi)含物/kg.
氫含量0.18cm3/100g。
權(quán)利要求
1.一種用于制備Al-Si合金的方法，包括在700和850℃之間的溫度向熔融鋁中引入顆粒度小于10mm的冶金硅顆粒，其特征在于所述硅顆粒在達到熔融鋁的溫度時具有破碎成更小顆粒的性質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中引入硅時的溫度在800和850℃之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2其中之一的方法，其中所使用的硅包含小于0.1％的尺寸小于5μm的顆粒。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中在破碎后，所述硅保持了尺寸小于5μm的顆粒小于0.1％的比例。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4其中之一的方法，其中所用的硅包含小于0.05％的尺寸小于5μm的顆粒。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5其中之一的方法，其中所述硅是通過選擇由水造粒的硅過篩后得到尺寸為1-10mm的部分而獲得的，不進行后續(xù)的粉碎和研磨。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中在最后干燥前，所用的硅顆粒經(jīng)過一次和多次連續(xù)的水清洗以除去更細小的顆粒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備Al－Si合金的方法，包括在700℃到850℃之間的溫度范圍，向熔融鋁中引入顆粒尺寸分布小于10mm的冶金硅顆粒，其中所述硅顆粒在達到熔融鋁的溫度時，表現(xiàn)出破碎成更小顆粒的性質(zhì)。優(yōu)選的，所述的硅是通過將在水中對液態(tài)硅造粒得到的材料，進行在1和10mm之間的粒度選擇而得到的。本發(fā)明能夠提高硅的溶解率并減少在制備過程中形成的雜質(zhì)。
文檔編號C22C1/02GK1471589SQ0181782
公開日2004年1月28日 申請日期2001年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月2日
發(fā)明者T·馬格里亞, T 馬格里亞 申請人:英溫西爾公司