龐 昇 王 志 李世健 孫義偉 錢國(guó)余 王 東

(1.中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所，濕法冶金與清潔生產(chǎn)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，中科院綠色過(guò)程與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院綠色過(guò)程制造創(chuàng)新研究院，北京 100190；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，北京100049)

我國(guó)原鋁產(chǎn)量逐步短缺，各類廢舊鋁合金存量不斷增加，因此廢舊鋁合金資源再生引起了人們的關(guān)注。有研究表明，生產(chǎn)再生鋁合金錠所需的能量約為生產(chǎn)同質(zhì)量新錠的3%[1]。因此，再生鋁合金的興起對(duì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和能源的可持續(xù)發(fā)展都有很大貢獻(xiàn)，對(duì)我國(guó)早日實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)也具有一定的推動(dòng)意義。

鋁合金因其密度小、比強(qiáng)度大、彈性模量高、耐腐蝕性好、延展性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，已在航空航天、汽車、軍工等行業(yè)中得到廣泛運(yùn)用[2-4]，但對(duì)于長(zhǎng)期在高溫、高壓、高鹽霧、強(qiáng)腐蝕、長(zhǎng)周期復(fù)雜環(huán)境中服役的汽車活塞、氣缸、發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、直升機(jī)旋翼、航天飛行器等鋁合金構(gòu)件來(lái)說(shuō)，其性能仍無(wú)法滿足需求。而顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料很好地彌補(bǔ)了這一空缺[5-7]。通過(guò)在合金基體中加入微米級(jí)硬質(zhì)顆粒，形成復(fù)合材料，可強(qiáng)化鋁合金的各項(xiàng)性能[8-9]，但彌散且均勻的增強(qiáng)顆粒也給鋁合金的循環(huán)再生帶來(lái)了挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有金屬基復(fù)合材料循環(huán)再生技術(shù)主要包括熔融鹽處理、電磁分離和化學(xué)溶解[10]，均無(wú)法實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)顆粒的高效快速分離，且能耗較高。

超重力技術(shù)的大規(guī)模開發(fā)始于20 世紀(jì)70年代，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生穩(wěn)定的離心力來(lái)實(shí)現(xiàn)超重力場(chǎng)。英國(guó)ICI公司Colin Ramshaw教授首先將超重力引入到化工分離單元操作[11]。隨后，超重力在強(qiáng)化傳質(zhì)及強(qiáng)化相分離方面體現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢(shì)，并在化工、生物、材料及環(huán)保等領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超重力在高溫條件下的應(yīng)用也進(jìn)行了大量研究，并在非金屬夾雜物的去除、金屬熔體提純、冶金固廢中有價(jià)物質(zhì)的富集提取分離等冶金領(lǐng)域取得了一定的研究進(jìn)展[12]。例如，宋高陽(yáng)和LI等研究了利用超重力去除鋁合金中的非金屬夾雜[13-14]；孫士瞳等[15]探究了利用超重力去除鋁熔體中的富鐵相。本文研究將增強(qiáng)顆粒SiC作為鋁合金中的夾雜物，利用合金基體與增強(qiáng)顆粒物理化學(xué)屬性的差異，采用超重力對(duì)6061鋁合金與增強(qiáng)顆粒進(jìn)行了分離。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

原料為10%SiCp/6061復(fù)合鋁合金，SiC顆粒均勻分布于合金基體中，尺寸為5～15 μm。合金主要成分見(jiàn)表1，掃描電鏡形貌和主要元素分布如圖1所示。

表1 6061鋁合金成分

圖1 SiCp/6061復(fù)合金屬的微觀形貌與主要元素分布

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

超重力分離設(shè)備示意圖如圖2所示。超重力系數(shù)G定義為離心旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的加速度與靜止?fàn)顟B(tài)下的重力加速度g(9.8 m/s2)之比，如式(1)所示。

1—配重；2—轉(zhuǎn)子；3—離心軸；4—導(dǎo)電環(huán)；5—電阻絲；6—石墨坩堝；7—顆粒增強(qiáng)鋁合金；8—耐火材料；9—熱電偶；10—控溫器；11—耐火磚

(1)

式中，r—試樣與旋轉(zhuǎn)軸之間的距離，m；ω—離心機(jī)的角速，rad/s2；N—離心機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。當(dāng)N= 0時(shí)，G= 1，通過(guò)改變儀器轉(zhuǎn)速可在較大范圍內(nèi)調(diào)整超重力系數(shù)G。

2 結(jié)果與討論

2.1 界面反應(yīng)

超重力下相分離效果受分離溫度、基體與雜相之間的反應(yīng)程度、重力場(chǎng)強(qiáng)度以及基體熔化后黏度等諸多因素的影響。在顆粒增強(qiáng)的6061鋁合金相分離過(guò)程中，基體與增強(qiáng)顆粒間的反應(yīng)則是影響分離的一個(gè)重要因素。已經(jīng)有文獻(xiàn)[16]報(bào)道，SiC增強(qiáng)體顆粒與鋁液會(huì)發(fā)生如式(2)的界面反應(yīng)。而Al4C3的密度(2.36 g/cm3)小于SiC的(3.2 g/cm3)，如果將SiC近似看作球形，其整體密度隨反應(yīng)層厚度增加的變化趨勢(shì)如圖3所示?？梢钥闯?，增強(qiáng)體顆粒密度與熔體密度逐漸接近(6061鋁合金900 ℃時(shí)熔體密度為2.30 g/cm3)，導(dǎo)致分離難度加大。

圖3 SiC顆粒整體密度隨反應(yīng)層厚度增加的變化

4Al+3SiC→Al4C3+3Si

(2)

從式(2)可以看出，只有當(dāng)熔體中的硅含量較高時(shí)，才會(huì)抑制界面反應(yīng)的發(fā)生，6061鋁合金中硅含量只有0.6%，因此界面反應(yīng)的發(fā)生不可避免。為了抑制界面反應(yīng)，就需要在較低溫度下進(jìn)行超重力分離實(shí)驗(yàn)。而熔體溫度決定了其黏度，溫度太低，熔體黏度較大，影響相分離效果。本研究采用JMatPro7.0計(jì)算了6061鋁合金熔體黏度隨溫度的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，6061鋁合金的整體黏度隨溫度的升高呈斷崖式下降，當(dāng)溫度達(dá)到650 ℃時(shí)，下降趨勢(shì)趨于緩和，在655 ℃時(shí)的熔體黏度達(dá)到最小。

圖4 6061鋁合金熔體黏度隨溫度的變化

2.2 分離溫度

結(jié)合理論計(jì)算與分析，進(jìn)行了不同溫度下SiCp/6061鋁合金的超重力分離實(shí)驗(yàn)。所有實(shí)驗(yàn)所采用的外場(chǎng)強(qiáng)度一致(G=800)，實(shí)驗(yàn)溫度分別為650、670、700、750、900 ℃，分離實(shí)驗(yàn)后樣品的縱切面宏觀形貌如圖5所示。當(dāng)分離溫度為650 ℃時(shí)，由于熔體黏度仍較大(15.0 mPa·s)，并不利于增強(qiáng)顆粒的傳質(zhì)與擴(kuò)散，因此未觀察到有明顯的SiC富集區(qū)域。當(dāng)分離溫度高于655 ℃后，熔體黏度達(dá)到最小值(1.3 mPa·s)，在670、700、750 ℃下進(jìn)行超重力分離的樣品中明顯地觀察到了相分離(圖5中白色虛線上下部分)。虛線上部為明亮的銀白色，虛線下部則與650 ℃超重力分離后樣品的類似。這主要是由于密度大于鋁合金熔體的SiC顆粒在超重力作用下向坩堝底部移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)富集，而上部由于大部分SiC顆粒被去除而顯現(xiàn)明亮的顏色。伹當(dāng)分離溫度達(dá)到900 ℃時(shí)，分離效果不太顯著，與650 ℃時(shí)的類似，并未觀察到明顯的兩相界面，只是在局部觀察到有富集現(xiàn)象。這主要與高溫下SiC與熔體的界面反應(yīng)有關(guān)，Al4C3的生成使得增強(qiáng)顆粒密度減小，增加了其與熔體的分離難度。

圖5 不同超重力分離溫度下所得SiCp/6061鋁合金樣品的縱切面圖

對(duì)650 ℃和750 ℃分離的合金縱切面從底部到頂部各取五個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了掃描電鏡觀察。結(jié)果表明，當(dāng)分離溫度為650 ℃時(shí)，SiC從底部到頂部的賦存狀態(tài)并未發(fā)生明顯的變化(圖6)。這主要是由于熔體黏度在該溫度下未達(dá)到最小，SiC向坩堝底部的擴(kuò)散受到限制所導(dǎo)致。而當(dāng)分離溫度為750 ℃時(shí)(圖7)，在合金上端(銀白色部分)觀察不到有SiC顆粒的存在，表明合金與增強(qiáng)顆粒有很好的分離效果。

圖6 650 ℃超重力分離溫度下所得SiCp/6061鋁合金樣品的微觀形貌與面掃描結(jié)果

圖7 750 ℃超重力分離溫度下所得SiCp/6061鋁合金樣品的微觀形貌與面掃描結(jié)果

3 結(jié)論

1)將SiCp/6061鋁合金中的增強(qiáng)顆粒作為夾雜物，利用基體與夾雜物物理化學(xué)性質(zhì)的差異，采用超重力分離技術(shù)可實(shí)現(xiàn)兩相的高效分離。

2)鋁合金中的界面反應(yīng)問(wèn)題不可避免，反應(yīng)產(chǎn)物Al4C3影響了增強(qiáng)顆粒與鋁合金的分離，控制界面反應(yīng)對(duì)最終的分離效果至關(guān)重要。在G=800、溫度為650 ℃條件下，鋁合金熔體黏度未達(dá)到最小，分離效果不佳，當(dāng)溫度依次升高至670、700、750 ℃后，在10 min內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)鋁合金中SiC的有效富集。進(jìn)一步升高溫度至900 ℃，分離效果明顯降低，證實(shí)了過(guò)高的溫度促進(jìn)界面反應(yīng)，不利于相分離。