三层液铝电解废阳极合金除铁研究

陈刚

摘要：本研究所用原料为三层液铝电解废阳极合金。三层液态铝电解过程中，阳极合金中的杂质不断富集，达到一定程度后就不能使用阳极合金中的高铁含量是影响三层铝电解精炼企业的重要因素之一。企业频繁堆放阳极合金，不仅消耗一定的自然资源，而且浪费金属资源。合金中还含有铝、铜等有用元素，对阳极废合金进行处理以降低铁含量，并回收利用。

关键词：三层液铝电解；废阳极合金；除铁研究

一、铁的去除和控制技术现状

目前消除铁在铝合金中有害影响的方法分为两类:一类是通过一些方法直接去.除或降低合金中Fe元素，从而对铝合金进行回收利用。第二类是改善铁相在铝合金中的形貌，通过添加合金元素，使有害的β相转变成对铝合金性能危害较小的汉字状或骨骼状的α相，或是通过熔体过热、提高冷却速度等方法抑制β相的生成，改变β相的形态。

基于第一类直接去除或降低金中Fe元素来消除铁影响的方法主要有:重力沉降法、过滤法、熔体净化法。基于第二类改善铁相在.铝合金中形貌方法主要有:提高冷速法、添加中和元素法、热处理法等。

二、重力沉降法

1.重力沉降法的基本原理:首先必须向合金中加入中和元素，然后再利用富铁相与铝合金熔体初晶温度的不同，使富铁相先析出，形成固相，依靠富铁相相对密度大于熔体的性质，重力沉降到熔体底部。为了消除铁的有害作用，最常用的元素是Mn，还有Cr、Co、Mo、Be等。在这些元素中Mn的来源广，价格便宜，中和效果好，在工业上得到广泛的应用。

首先在不加任何元素的情况下，通过改变保温温度和保温时间，仅依靠铝Al-Si-Ti合金中富铁相自身重力进行沉降,分析发现FeSiAls化合物的熔点是573°C，Al-Si 系合金的共晶温度是577C, FeSiAls 与共晶体几乎同时析出并凝固完毕，无法沉入底部，因而自然沉降无法取出Al-Si合金中的铁相。

进而通过向合金熔体中添加不同比例的锰，设置不同的保温温度和保温时间，截取试样.上下部试样进行分析。从金相组织照片可以看出试样_上部铁相较少，下部较多。说明加锰后，生成的富铁相能在铝液凝固之前析出，并能克服铝液的粘滞阻力而沉降下去。利用加锰重力沉降法对共晶铝硅合金除铁进行了研究。一次铝硅合金加铝稀释精炼后可获得共晶成分的铝硅合金,但是获得的铝硅合金含铁量较高。其中的铁相大大削弱了铝合金的机械性能。实验通过向共晶铝硅合金中添加锰粉，使Mn元素进入熔体中的富铁相中，然后分别截取样品的上部下部，进行分析。通过分析发现:共晶铝硅合金加锰后，锰会与合金中的富铁相结合，增大富铁相的密度，提高富铁相的初晶温度和成型温度，改善合金中富铁相的形念(由针状改为块状)使其更利于沉降;当富铁相中锰含量大于10%时，多呈块状，利于沉降到合金熔体底部，当富铁相中锰含量低于6%时，富铁相多为针状留在合金中。通过加锰自然沉降可将合金中60%以上的富铁相去除。

加锰除铁虽然有很好的效果，但过程中锰的损失较大，而且锰扩散较慢，由此采用氯化锰取代金属锰除铁进行了研究。氯化锰除铁能够产生和加锰除铁相同的效果，但是由于加氯化锰时，其和熔体反应，会产生氯化铝挥发，会造成熔体的损失。添加氯化锰进行沉降，虽然氯化锰会和熔体反应，产生氯化铝气体，但是可以通过其他方法将氯化铝进行回收处理，至于氯化锰高温挥发，则要使氯化锰和熔体充分接触反应，减少损失，这些都是可行的。

2.温度对重力沉降法影响的探究

不同保温温度下，保温时间120min， 不添加任何元素完全自然沉降合金上下部铁量变化。在不同的保温温度下，废阳极合金的原料铁量和上下部铁含量变化不大，说明废阳极合金中的富铁相没有在保温温度下沉降，铁含量不随保温温度的变化而变化。.

在600℃、650℃、700℃自然沉降上下部晶相图，可以看出废阳极合金中主要的富铁相大部分是粗针状和细长针状，700℃出现骨骼状相但相对较少。由于针状相的在600-700℃大量形成，而且针状相形貌细长比重不够，无法实现沉降。因此仅仅依靠原料本身的相变化进行沉降不能达到除铁的效果,必须改变富铁相的形貌，增加富铁相的比重。

三、添加中和元素法

1.添加中和元素法实质上就是添加特定的元素，使元素和熔体中的富铁相结合，改变富铁相的形态，从而减少富铁相对基体的破坏作用。最常用的中和元素是Mn,加入一定量的Mn,使其和熔体中富铁相结合，使针状β铁相转变成骨骼状或块状的α铁相，大大减少了β相的数量。

对添加中和元素消减铁在铝合金中的有害作用中指出，铝合金中加入Mn,能减少β铁相的数量和尺寸，改变β相(FeSiAls)的条状组织，扩大a相区。从.而使得即使在Fe含量高的情况下也可能形成(FeMn)3Si2AlIs的细小颗粒，对合金韧性基本无损。当Fe的含量超过0.5时，中和Fe相所需Mn量的公式为: Mn%=2(Fe-0.5)。

虽然Mn能抑制β铁相的生成，减少其危害作用.但是其不能完全消除Fe的危害。如在广泛应用于汽车工业的铝合金压铸件中，常常因为合金中出现硬质点而使基体较硬，不易加工，甚至使刀具崩坏，这些硬质点的成分是( FeMn)}SizAlIs、( FeMn2Cr) 3SizAls化合物，呈六角球状。

2.MnCl2吸收状况及对沉降效果影响

从实验中，Mn/Fe比在1.5时，在不同温度下的富铁相沉降效果最好。但Mn/Fe比为2时，富铁相沉降率迅速下降，所以选取675℃时，不同Mn/Fe比，分析MnCl2的吸收状况对富铁相沉降影响。当Mn/Fe比为0.5,合金上下部的锰量和设计加入的锰量很接近，而且其上下部锰量相差也不大，所以这验证了比例0.5时富铁相沉降率低;又说明比例0.5时MnCl2的吸收率相对较高，这是由于氯化锰的加入量相对较少，其和熔体接触充分，能和熔体迅速反应完全，使其挥发较少。当Mn/Fe比为1和1.5时，合金上下部的锰量差值变大，其中比例1.5 时差值最大，这也验证了此比例下富铁相相对沉降率高。比例1和1.5时MnCl2的吸收率要比比例0.5时低，但下降的不是很多。当Mn/Fe到达2时，氯化锰的吸收率迅速下降，导致其进入熔体中的锰量和设计的锰量相差很多，这是由于氯化锰加入量过多时，由于受到坩埚大小的限制，其和熔体不能够充分接触，导致部分氯化锰在和熔体反应前挥发掉，使氯化锰的吸收率大大降低。出于锰量不足导致熔体中的部分富铁相不能和锰结合，进而相对沉降率下降。

四、熔体净化法

1.铝合金中的助熔剂种类繁多，分为熔体气体净化剂和气体净化剂，其中最重要的气体净化剂是氢气为主。杂质的过程是通过杂质与熔体中氢的相互作用而形成的。去除杂质的实质是：利用夹杂物和铝熔体之间物理或化学性质的差异，两者相互作用。清洗的本质是利用液流清洗熔体时夹杂物与熔体之间润湿性的差异，使夹杂物自发地从熔体向河流移动，达到污染和脱水、气体扩散和溶解的目的。后清洗机理可分为精制剂、涂料、除渣剂、细化变质剂和清壁剂等。

熔剂净化主要针对再生铝中的污染和除气。对于合金中过度污染的问题，几乎没有针对性的溶剂，而且提取铁的溶剂，市场上很难找到。在纯铝中加入硼后，基体中的铁含量由0.0887%下降到0.052%，硼与杂质形成的硼化物层中含有铁，但尚未证实铁和硼形成特定的相。

2.硼砂用量对除铁效果影响

假设保温温度为900℃、850℃、800℃；结果表明：硼砂的加入量在前后熔体含铁量不同，不同原料组含铁量不同。为了清楚地硼砂的加入影响除铁后的变化，必须计算不同温度下硼砂含量不同的铁去除率（除铁率=清洗前-清洗后/清洗后），在不同的保温温度下，如果溶剂中硼含量为5%-10%，则除铁量为由于硼砂含量较低，溶剂中的硼砂含量不到10%。随着硼砂含量的增加，总的除铁量增加，如果保温温度为900℃，虽然从整体趋势来看，随着硼砂用量的增加，在不同温度下，如果铁去除率最好的样品除铁效果只有1.564%，而铁含量则接近4%，溶剂的作用仅限于除铁。

五、结束语

本文研究了三层铝液电解生产的铝铜废料阳极合金中铁杂质的去除，通过几种方法对铝液进行清洗和回收，可以降低铝液中铁杂质的含量。

参考文献

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