鋁灰的化學(xué)成分由于原料組成及工藝等不同，具有較明顯的差異性，主要由金屬鋁、氧化鋁及鹽熔劑等的混合物構(gòu)成。具體是：Al10%~30%，Al?O320%~40%,Si，Mg，F(xiàn)e氧化物7%~15%，K，Na，Ca，Mg氯化物和少量氟化物15%~30%。其中部分氧化物和氯化物附著于金屬鋁的表面。耐火材料屬資源型產(chǎn)業(yè)，化學(xué)成分及類(lèi)型多種多樣，具有容納各種原材料的空間。鋁灰的化學(xué)成分與耐火材料的主要原料鋁礬土相近，可以考慮直接或經(jīng)加工處理后成為耐火原料,為鋁灰的有效利用開(kāi)辟一條新途徑，既保護(hù)環(huán)境，又降低耐火材料企業(yè)的生產(chǎn)成本，對(duì)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有一定幫助。鋁灰加入耐火材料配料中的應(yīng)用：1.1作為防爆劑：能改善不定形耐火材料襯體的透氣性，防止襯體在烘烤過(guò)程中由于產(chǎn)生的蒸氣壓過(guò)大而發(fā)生爆 裂的物質(zhì)稱(chēng)為防爆劑，也稱(chēng)為快干劑(可快速烘烤的添加劑)。不定形耐火材料的防爆劑有活性金屬鋁粉，鋁粉與H?O反應(yīng)生成Al(OH)?，并放出H?，在澆注料尚未凝固前，H?從澆注料逸出時(shí)會(huì)形成毛細(xì)排氣孔，從而提高其排氣性。王立旺[1]采用鋁灰替代鋁粉作防爆劑，用于鐵溝澆注料，其鋁灰的化學(xué)成分是：Al31.63%，Al?O?18.15%，AlN9.25%，MgO6.16%，SiO?12.21%，F(xiàn)e?O?7.27%，CaO2.23%，Na?O2.15%，K?O1.03%，TiO?2.04%，Cr?O?0.58%，其他7.33%。其中的Al，AlN能水化放出氣體。試驗(yàn)得出鐵溝澆注料中加入w(鋁灰)4%，能很好地起到防爆作用，鋁灰加入過(guò)多，會(huì)出現(xiàn)鼓脹開(kāi)裂，鋁灰還能促進(jìn)鐵溝料硬化，縮短施工時(shí)間。1.2加入高爐出鐵口炮泥中：黃朝暉等人發(fā)明在高爐出鐵口炮泥中添加鋁灰0.4%~40%替代鋁質(zhì)和硅質(zhì)原料。其他原料是：工業(yè)級(jí)剛玉、碳化硅、中溫瀝青顆粒粉、蘇州土細(xì)粉、焦炭粉等，以焦油及改性瀝青和酚醛樹(shù)脂為結(jié)合劑，混合攪拌均勻，過(guò)真空練泥機(jī)擠出后，即得到炮泥。其性能穩(wěn)定，能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，并能降低生產(chǎn)成本。1.3代替煅燒鋁礬土：有人研究在澆注料、預(yù)制件和耐火粘土制品中加入鋁灰取代煅燒的鋁礬土，而鋁灰無(wú)需煅燒，可直接作原料，大約用量在5%。利用鋁灰加工配制耐火材料，眾所周知，原料是耐火材料的基礎(chǔ)，高質(zhì)量的耐火原料才能生產(chǎn)好的產(chǎn)品。對(duì)耐火原料基本要求就是耐火性能，即耐火度1580℃以上的原材料才能作為耐火原料。鋁灰中除了Al?O?以外，還含有較多耐火性能較低的雜質(zhì)成分，因此，一般不能用鋁灰直接配制耐火材料，需要進(jìn)一步加工處理，除去雜質(zhì)，提高Al?O?含量，才能考慮用作耐火材料。以下就鋁灰加工處理方法作簡(jiǎn)要介紹。2.1鋁灰的浮選法提純：劉瑞瓊等采用油酸鈉為捕收劑，當(dāng)pH值固定在8.6左右，捕收劑用量為1000g/t時(shí)，浮選后鋁灰w(Al?O?)含量由原來(lái)43.14%提高到86.41%,回收率68.89%?？梢蕴娲X礬土冶煉氧化鋁基電熔材料。2.2制取α-Al?O?：α-Al?O?是剛玉等高級(jí)耐火材料的主要原料。用鋁灰提取的基本原理是：在400~600℃的溫度下，鋁灰中的金屬鋁、氧化鋁與NaOH和NaNO?反應(yīng)生成可溶于水的金屬鹽，并用水將其溶出，實(shí)現(xiàn)鋁與其他雜質(zhì)分離之后，使用晶種分解法處理含鋁溶液，*終得到α-Al?O?。得出的制備條件是：堿灰比(mNaOH/m鋁灰)1.3，鹽灰比(mNaNO?/m鋁灰)0.7，按比例要求配合，混合均勻，在500℃下熔煉，熔煉時(shí)間60min;用去離子水在60℃恒溫水溶中浸出熔煉產(chǎn)物，浸出時(shí)間30min，固液比1∶4，鋁浸出率*高達(dá)92.71%，浸出后抽濾，固液分離，浸出液經(jīng)過(guò)凈化，調(diào)整苛性比，晶種分解和煅燒獲得氧化鋁。謝剛等人采用加壓堿浸、波活化輔助的方法回收鋁灰中氧化鋁。首先將鋁灰破碎、篩分、水洗，與NaOH溶液按固液比1∶7混合攪拌均勻，然后在高壓釜內(nèi)，于140℃，1.15MPa反應(yīng)6h，經(jīng)進(jìn)一步固液分離、酸中和、水洗分離后，將產(chǎn)物置于輸出功率5W/g的波設(shè)備干燥活化7min，抽風(fēng)速度為30m/min，*終可得Al?O?產(chǎn)品。還有人通過(guò)王水浸取法及添加氧化釔制備高硬度γ-Al?O?。首先鋁灰在室溫下溶解在王水中，然后在pH為9~10的條件下沉淀，加入0~20%氧化釔粒子，經(jīng)壓實(shí)后于1550~1650℃煅燒可得高硬度γ-Al?O?。2.3制取納米氧化鋁：在剛玉耐火制品中引入α-Al?O?粉，降低燒結(jié)溫度，節(jié)約能源，提高其性能。例如：在用電熔剛玉(Al?O?99.5%)的配料中，加入4%~8%的α-Al?O?粉和1%~2%的α-Al?O?納米粉，制品的燒成溫度由1700~1800℃降至1400℃。劉曉紅等采用硫酸浸取鋁灰制備納米氧化鋁的工藝方法是：首先在80℃攪拌條件下，用硫酸溶液多次浸取鋁灰中的鋁離子，經(jīng)過(guò)濾分離得到硫酸鋁溶液，然后將碳酸氫銨溶液加入到硫酸鋁溶液中，在40℃條件下攪拌反應(yīng)60min，生成前驅(qū)體碳酸鋁銨沉淀和硫酸銨溶液，經(jīng)陳化，真空抽濾分離，硫酸鋁銨沉淀洗滌干燥后于1200℃煅燒1h，得到粒徑約70nm的α-Al?O?粉。2.4利用鋁灰冶煉棕剛玉：耐火材料用棕剛玉一般是用特級(jí)鋁礬土冶煉而成，Al?O?含量94.5%~97%，是中、耐火材料的主要原料，尤其不定形耐火材料用量較多。近年來(lái)，為了節(jié)能環(huán)保，降低生產(chǎn)成本，有人在研究用鋁灰冶煉棕剛玉，其中劉瑞瓊等[5]試驗(yàn)的低溫冶煉制備棕剛玉的效果較好。其生產(chǎn)過(guò)程是：將1份鋁灰(小于0.10mm)放入2~5份90~100℃熱水中，浸泡6~10h，將水排出，并加入排出等質(zhì)量的90~100℃熱水浸泡2~14h，浸泡為放熱反應(yīng)，不斷攪拌，保持水溫90~100℃，確保鋁灰不沉積，將浸泡后的鋁灰分離出來(lái)后用流動(dòng)水漂洗，漂洗水流為3~6m/min，然后用真空過(guò)濾機(jī)過(guò)濾，再經(jīng)80~110℃烘干至水分低于20%，即完成預(yù)處理。在電弧爐中熔煉：在鋁灰中加入0.5%~4%的沉淀劑鐵屑，在爐中1700~1800℃冶煉6~8h，熔融還原鋁灰中的SiO?，F(xiàn)e?O?，TiO?等氧化物，冷卻后經(jīng)粉碎，磁選和篩分得到棕剛玉產(chǎn)品。其試用的鋁灰及棕剛玉產(chǎn)品的化學(xué)成分見(jiàn)表2。2.5合成Sialon粉：Sialon陶瓷是20世紀(jì)70年代后迅速發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)高溫結(jié)構(gòu)材料，Sialon材料以?xún)?yōu)越的力學(xué)性能、熱學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，被認(rèn)為是*有希望的高溫陶瓷材料之一。Sialon為Si?N4-AlN-Al2O?-SiO?系固溶體，采用純化學(xué)原料制備，成本高。李家鏡等[6]采用鋁灰、炭黑和粉煤灰為原料，用碳熱鋁熱復(fù)合還原氮化工藝制備Sialon粉體。試用鋁灰及粉煤灰的化學(xué)成分如表3。稱(chēng)好料，進(jìn)行球磨12h(用Si?N4球，無(wú)水乙醇為介質(zhì))，然后進(jìn)行干燥、過(guò)篩、壓成圓片，再進(jìn)行煅燒，自然冷卻后磨成粉，研究了原料組成、合成溫度對(duì)生成物相的影響。結(jié)果表明：在原料中當(dāng)Si/Al為1(鋁灰為33%，粉煤灰為50%)時(shí)，加入17%炭黑，合成溫度1450℃，得到的主要物相為Si?Al?O?N(5β-Sialon，Z=3)和SiAl4O?N(415R)的產(chǎn)物;在Si/Al為1.5時(shí)，加入80%粉煤灰，1450℃可制備較純的Si?Al?O?N5粉。2.6制備鎂鋁尖晶石：鎂鋁尖晶石是重要的耐火原料，以它為顆粒，鎂砂為細(xì)粉，制備與剛玉配制鋼包用澆注料。李曉娜[7]以鋁灰、鋁礬土和電熔鎂砂為原料，鐵屑為沉淀劑，焦炭為還原劑，采用高溫電熔法合成富鋁鎂鋁尖晶石。試驗(yàn)表明：加入鋁灰20%，40%，60%生產(chǎn)的鎂鋁尖晶石，其綜合指標(biāo)超過(guò)鋁礬土基鎂鋁尖晶石的技術(shù)指標(biāo);加入40%鋁灰時(shí)，綜合指標(biāo)*好，其含Al?O?82.48%，SiO?0.35%，MgO14.10%，CaO1.12%，F(xiàn)e?O?0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))顯氣孔率0.9%，體積密度3.48g/cm3，耐火度>1800℃;鋁灰加入40%，60%生產(chǎn)的尖晶石中含有六鋁酸鈣(CA6)相。2.7制備TiN-Al?O?復(fù)相耐火原料：TiN-Al?O?復(fù)合材料具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，耐磨性及力學(xué)性能，是一種優(yōu)異的耐火材料。劉海濤等[8]以金紅石和鋁灰為原料，以鋁灰中的金屬鋁為還原劑，采用鋁熱還原氮化法合成TiN-Al?O?復(fù)合粉體。試驗(yàn)用鋁灰及金紅石的化學(xué)成分見(jiàn)表4。其原理是：根據(jù)反應(yīng)式6TiO?+8Al+3N?=6TiN+4Al?O?計(jì)算鋁灰和金紅石理論質(zhì)量比為16∶27。具體做法是：先稱(chēng)好料，放入球磨機(jī)中，干磨12h，以40MPa壓力，干壓成型坯體，然后放入石墨坩堝，在流動(dòng)氨氣中，600~1400℃，保溫5h煅燒。在1300℃煅燒的產(chǎn)品按理論用量合成的產(chǎn)物主要是TiN，α-Al?O?，少量倍長(zhǎng)石和MgAl?O4。經(jīng)計(jì)算，TiN為30.4%，α-Al?O?為45.8%，隨鋁灰增加α-Al?O?增多，TiN減少，當(dāng)鋁灰過(guò)量50%時(shí)，TiN為26.4%，α-Al?O?為55.0%。TiN-Al?O?復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度達(dá)520.2MPa。2.8電熔莫來(lái)石：陳海等[9]利用鋁灰電熔莫來(lái)石。具體步驟是： 步是鋁灰預(yù)處理過(guò)程，首先在1100℃下煅燒鋁灰，使金屬鋁部分轉(zhuǎn)變?yōu)锳l?O?，然后將煅燒的鋁灰放入水槽中，加入鹽酸進(jìn)行清洗，然后烘干;第二步是電熔，按鋁灰、鋁礬土與硅石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為：30%~80%：0~50%：10%~20%的范圍內(nèi)，混合均勻后加入電弧爐中，熔煉，倒出，冷卻，破粉碎，分選，得到莫來(lái)石。利用鋁灰制取耐火材料結(jié)合劑3.1合成聚合氯化鋁：聚合氯化鋁又稱(chēng)堿式氯化鋁，簡(jiǎn)稱(chēng)PAC，是介于AlCe?和Al(OH)?之間的水解產(chǎn)物，其化學(xué)通式為(Al(2OH)nCe6-n)m，其中m<10，n=1~5。聚合氯化鋁分為固體和液體兩種，固體通常為黃色或無(wú)色的樹(shù)脂狀產(chǎn)品，Al?O?含量40%~50%;液體呈無(wú)色，黃褐色或黑色，Al?O?含量10%以上。聚合氯化鋁可作為定型耐火制品、耐火可塑料、搗打料和澆注料結(jié)合劑，對(duì)堿化度和密度有一定要求，一般要求堿化度為46%~72%，密度為1.17~1.23g/cm3。謝英惠等[10]研究以鋁灰為原料制取聚合氯化鋁。其中中和法是將燒堿和鹽酸分別與鋁灰反應(yīng)，產(chǎn)生鋁酸鈉和三氯化鋁，然后以合適的配比合成聚合氯化鋁。而酸溶法是將鋁灰和鹽酸反應(yīng)一次直接產(chǎn)出液體聚合氯化鋁。具體操作是：用水洗法除去水溶解的鹽類(lèi)，處理后鋁灰Al?O?含量30%左右，然后將工業(yè)鹽酸與一定量水放入反應(yīng)器內(nèi)，攪拌并用水浴加熱，稱(chēng)取鋁灰逐步加入鹽酸溶液中，反應(yīng)放熱，反應(yīng)溫度96℃，時(shí)間6~12h，反應(yīng)結(jié)束加入一定水稀釋物料，試驗(yàn)認(rèn)為，鋁灰∶HCe∶水為3∶1∶3，反應(yīng)6~8h為宜，調(diào)節(jié)pH值為3.5~4.5，陳化15~24h，得到液體聚合氯化鋁產(chǎn)品。3.2制取硫酸鋁：將硫酸鋁溶于水中，可作為定型和不定型耐火材料的結(jié)合劑。由于硫酸鋁溶液呈酸性，因此主要用于酸性和中性耐火材料結(jié)合劑。康文通等[11]研究的以鋁灰為原料制備硫酸鋁的工藝流程是：鋁灰—加入硫酸和水進(jìn)行反應(yīng)—過(guò)濾除去濾餅—濾液除去雜質(zhì)—濃縮—冷卻結(jié)晶—硫酸鋁產(chǎn)品。其中反應(yīng)時(shí)間3h，硫酸濃度30%，硫酸用量1.05(以硫酸實(shí)際用量與理論用量之比表示)，pH值為3，收率達(dá)93.2%

               鑒于常規(guī)增壓階段壓射沖頭通過(guò)料餅施加鑄造壓力而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮作用，采取的措施是在鑄件縮孔附近增加一個(gè)類(lèi)似渣包結(jié)構(gòu)來(lái)充當(dāng)料餅，利用一副油缸抽芯機(jī)構(gòu)充當(dāng)沖頭，在鑄件凝固后期對(duì)易產(chǎn)生縮孔的區(qū)域進(jìn)行二次增壓補(bǔ)縮，以達(dá)到縮孔的目的。通常來(lái)講，這樣的二次加壓機(jī)構(gòu)叫做擠壓銷(xiāo)，它的加壓原理是在金屬液或合金液澆注后到完全凝固前施加適當(dāng)?shù)膲毫σ约訌?qiáng)鑄件凝固補(bǔ)縮效果,達(dá)到提高鑄件致密度、減小或縮孔的目的。加壓凝固能夠改變金屬及其合金物理參數(shù)和結(jié)晶過(guò)程，改變疏松空洞的分布和尺寸，提高鑄件的致密度，改善鑄件的拉伸強(qiáng)度和硬度等性能。根據(jù)鑄件補(bǔ)縮、增壓規(guī)律，擠壓銷(xiāo)動(dòng)作號(hào)采用鑄造過(guò)程的增壓號(hào)，并在此基礎(chǔ)上延遲作為啟動(dòng)號(hào)，因此，擠壓銷(xiāo)主要控制擠壓深度和擠壓延遲時(shí)間兩個(gè)參數(shù)。擠壓深度依鑄件結(jié)構(gòu)和縮孔分布、大小而定，一般為10~20 mm；擠壓延時(shí)主要參考增壓時(shí)間設(shè)定，一般為2~5 s。實(shí)際工程中，擠壓參數(shù)的確定是在經(jīng)驗(yàn)值的基礎(chǔ)上根據(jù)鑄造情況再作優(yōu)化。為了方便調(diào)整擠壓參數(shù)，通常采用單獨(dú)油缸控制擠壓銷(xiāo)動(dòng)作。
針對(duì)曲軸箱鑄件，后期的改善措施為在模具軸承孔附近對(duì)稱(chēng)布置兩根擠壓銷(xiāo)（位置見(jiàn)圖5），通過(guò)調(diào)整擠壓深度和擠壓延時(shí)兩個(gè)主要參數(shù)，優(yōu)化擠壓銷(xiāo)的二次加壓的補(bǔ)縮效果，從而降低鑄件縮孔率。在前述措施的基礎(chǔ)上，模具追加兩根擠壓銷(xiāo)后縮孔率明顯下降，不良率由4%降低到0.2%。同時(shí)，在0.2%的縮孔不良品中，其縮孔大小明顯減小。因此，擠壓銷(xiāo)方案對(duì)于控制壁厚加大的鑄件縮孔率起到了較好的作用。但是，在本次改善過(guò)程中，鑄件縮孔不良率也曾出現(xiàn)過(guò)波動(dòng)現(xiàn)象，通過(guò)優(yōu)化擠壓參數(shù)擠壓深度15 mm、擠壓延遲時(shí)間2.5 s和規(guī)定擠壓銷(xiāo)使用壽命（次/8000模）等相關(guān)規(guī)范，使鑄件不良率穩(wěn)定在0.2%附近?？梢钥闯?，鑄件縮孔出現(xiàn)在軸承孔附近，分布較廣且分散，組 織較為疏松，由于汽缸體軸承孔需要通以壓力潤(rùn)滑油，因此鑄件在使用期間存在漏油風(fēng)險(xiǎn)；通過(guò)改善后，從X射線探傷照片上已看不出疏松的縮孔分布，鑄件內(nèi)部組 織顯得更加致密。
鋁壓鑄件縮孔探究，廢品率從5%到0.2%的對(duì)策。結(jié)論：（1）縮孔是一種常見(jiàn)的鑄件內(nèi)部缺陷，易出現(xiàn)在壁厚較大、模溫較高等區(qū)域。通常從模具設(shè)計(jì)（澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)）、工藝參數(shù)設(shè)置和鑄造條件保證等幾方面出發(fā)。針對(duì)涉及的壁厚較大鑄件，傳統(tǒng)的改善措施只能起到緩解作用，而不能徹底解決問(wèn)題。（2）仿照沖頭在增壓階段的補(bǔ)縮作用設(shè)計(jì)了兩根擠壓銷(xiāo)，對(duì)縮孔區(qū)域起到了二次加壓的補(bǔ)縮作用，效果較為明顯。

          鋁合金元素分析，各種元素各盡其能---銅元素：鋁銅合金富鋁部分548時(shí)，銅在鋁中的zui大溶解度為5.65%,溫度降到302時(shí)，銅的溶解度為0.45%。銅是重要的合金元素(鋁合金元素分析)，有一定的固溶強(qiáng)化效果，此外時(shí)效析出的CuAl2有著明顯的時(shí)效強(qiáng)化效果。鋁合金中銅含量通常在2.5%~5%，銅含量在4%~6.8%時(shí)強(qiáng)化效果zui好，所以大部分硬鋁合金的含銅量處于這范圍。鋁銅合金中可以含有較少的硅、鎂、錳、鉻、鋅、鐵等元素。硅元素：Al—Si合金系富鋁部分在共晶溫度577時(shí)，硅在固溶體中的zui大溶解度為1.65%。盡管溶解度隨溫度降低而減少，介這類(lèi)合金一般是不能熱處理強(qiáng)化的。鋁硅合金具有極好的鑄造性能和抗蝕性。若鎂和硅同時(shí)加入鋁中形成鋁鎂硅系合金，強(qiáng)化相為MgSi。鎂和硅的質(zhì)量比為1.73:1。設(shè)計(jì)Al-Mg-Si系合金成分時(shí)，基體上按此比例配置鎂和硅的含量。有的Al-Mg-Si合金，為了提高強(qiáng)度，加入適量的銅，同時(shí)加入適量的鉻以抵消銅對(duì)抗蝕性的不利影響。Al-Mg2Si合金系合金平衡相圖富鋁部分Mg2Si在鋁中的zui大溶解度為1.85%，且隨溫度的降低而減速小。變形鋁合金中，硅單獨(dú)加入鋁中只限于焊接材料，硅加入鋁中亦有一定的強(qiáng)化作用。鎂元素：Al-Mg合金系平衡相圖富鋁部分盡管溶解度曲線表明，鎂在鋁中的溶解度隨溫度下降而大大地變小，但是在大部分工業(yè)用變形鋁合金中，鎂的含量均小于6%，而硅含量也低，這類(lèi)合金是不能熱處理強(qiáng)化的，但是可焊性良好，抗蝕性也好，并有中等強(qiáng)度鋁合金元素分析。鎂對(duì)鋁的強(qiáng)化是明顯的，每增加1%鎂，抗拉強(qiáng)度大約升高瞻遠(yuǎn)34MPa。如果加入1%以下的錳，可能補(bǔ)充強(qiáng)化作用。因此加錳后可降低鎂含量，同時(shí)可降低熱裂傾向，另外錳還可以使Mg5Al8化合物均勻沉淀，改善抗蝕性和焊接性能。錳元素：Al-Mn合金系平平衡相圖部分在共晶溫度658時(shí)，錳在固溶體中的zui大溶解度為1.82%。合金強(qiáng)度隨溶解度增加不斷增加，錳含量為0.8%時(shí)，延伸率達(dá)zui大值。Al-Mn合金是非時(shí)效硬化合金，即不可熱處理強(qiáng)化。鋅元素：Al-Zn合金系平衡相圖富鋁部分275時(shí)鋅在鋁中的溶解度為31.6%，而在125時(shí)其溶解度則下降到5.6%鋁合金元素分析。鋅單獨(dú)加入鋁中，在變形條件下對(duì)鋁合金強(qiáng)度的提高十分有限，同時(shí)存在應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、傾向，因而限制了它的應(yīng)用。在鋁中同時(shí)加入鋅和鎂，形成強(qiáng)化相Mg/Zn2，對(duì)合金產(chǎn)生明顯的強(qiáng)化作用。Mg/Zn2含量從0.5%提高到12%時(shí)，可明顯增加抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。鎂的含量超過(guò)形成Mg/Zn2相所需超硬鋁合金中，鋅和鎂的比例控制在2.7左右時(shí)，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂抗力zui大。