废铝再生相对电解铝具有低能耗、低排放等优势,发展再生铝资源是铝工业发展的必然趋势,但如何通过废铝熔体的高效排杂净化,提高再生铝材的品质,是废铝再生过程中必需解决的重要问题。本课题综合运用基于经典力学的分子模拟技术和基于计算流体力学的数值模拟技术,以及俄歇电子、DTA、XRD、SEM和EDS等材料分析方法,系统研究了铝熔体中的杂气行为及废铝排杂净化的热力学与动力学问题,包括铝熔体中氢的扩散行为及杂气作用机制,熔剂与A1203夹杂物的润湿性、溶解性,与铝液的界面张力,熔剂在铝熔体中扩散过程动力学,以及这些特性对废铝排杂净化效果的影响等,在此基础上设计高效的排杂净化熔剂,并进行废铝熔体的净化工艺试验。主要研究结果如下。(1)应用分子模拟技术研究了铝熔体中氢的行为,从原子层面探讨氢扩散行为的本质和杂气作用关系,运用Lennard-Jones势能函数揭示不同类型氢的扩散机理,并通过废铝熔体中的杂气关系验证试验,证实模拟与试验结果的一致性。分子模拟结果表明,普通氢原子(Hh)比较难扩散,H2中的H原子(Hhlh)和H20中的H+离子(Hhlo)可以较充分地扩散。铝熔体中的A1203会造成Hhlh在其周围聚集,且使Hhlh的扩散速率降低,从而形成气孔,但对Hh和Hhlo扩散的影响不显著。氢扩散行为的这些差别是由氢本身的力场半径和势阱深度决定的。废铝熔体中杂气关系试验表明,废铝箔和铝屑都会显著增加铝熔体的夹杂物和气体含量,二者呈正比关系,即杂多气多,且气孔依附在夹杂物上长大。试验验证结果与杂气关系的分子模拟是一致的,表明A1203夹杂物和气孔具有明显的寄生关系,因此铝熔体的高效排杂净化是除气的基础。从理论和实践上进一步表明了本课题组前期提出的“排杂为主,除气为辅”的铝液净化原则这一观点的正确性和实际应用价值。(2)在分析碱金属氯化物与氟化物的物理化学性质的基础上,建立了等摩尔NaCl-KCl+氟化物的熔剂组成结构,其中氯化物具有较好的化学稳定性和较低熔点,作为熔剂的基础组元,氟化物作为活性组元。并研究了该类熔剂的物理化学性质及与铝熔体中主要元素的化学反应特性,发现熔剂中的碱金属氟化物一方面可以降低熔剂的熔点,NaF和KF可以显著降低熔点,AlF3和Na3AlF6也可以较大程度降低熔点,而MgF2、CaF2、SrF2、BaF2等由于自身熔点较高,对熔剂的熔点影响较小。另一方面会与铝熔体中的主要合金元素发生化学反应,改变铝合金的组织与成分。其中含NaF、SrF2或BaF2的熔剂最容易与Al、Mg反生置换反应,在铝熔体中生成Na、Ba、Sr等金属单质,对共晶硅相有显著变质作用。含Na3AlF6熔剂也会少量增加铝熔体中Na含量,对共晶硅相有一定变质作用,而含AlF3、MgF2或CaF2的熔剂对铝合金组织和成分没有明显影响。(3)结合分子动力学模拟和试验,研究了熔剂排杂净化过程的热力学问题,揭示了碱金属氟化物对熔剂与Al2O3氧化膜的润湿性和溶解性、熔剂与铝液界面张力的影响规律和作用机理。废铝聚合试验结果表明,氟化物大多可以促进A1203氧化膜的溶解,使A356铝屑在750℃熔融熔剂中可以聚合为铝球,其中效果最显著的是 NaF、KF、Na3AlF6、CaF2,其次为 AlF3、BaF2、SrF2,而 MgF2最差。废铝聚合机理分析表明,熔融熔剂中游离态F-离子是溶解Al2O3夹杂物的必备条件,熔剂与氧化膜良好的润湿性可提高Al2O3氧化膜溶解速度。界面张力试验结果表明,添加NaF、KF可以显著降低界面张力,且随加入量增加,界面张力可持续降低;CaF2、BaF2、SrF2、MgF2也可降低界面张力,但随加入量增加,降低幅度减小;而AlF3和Na3AlF3会提高界面张力。(4)应用流体力学数值模拟的双流体分析技术研究了熔剂在铝熔体中的分散性与分离性,为改进熔剂加入方式,改善排杂净化的动力学条件提供科学依据。数值模拟结果表明,液态的熔剂在铝熔体中较难弥散分布,且界面张力越大,分散性越差。即使采用搅拌工艺也难以有效提高其分散性,因此,熔剂以固态加入到铝熔体时就应充分考虑其分散性,以保证熔解为液态时可以保持弥散状态,提高熔剂与夹杂物的接触几率。(5)通过废铝的排杂净化试验,系统研究了熔剂溶解氧化膜的能力和熔剂与铝液界面张力对排杂净化处理过程的影响规律,发现良好的氧化膜溶解能力和大的界面张力有利于排杂净化处理。试验结果表明,含NaF的熔剂由于界面张力低,不利于熔剂与铝液分离;AlF3虽然可增加铝液与熔剂的界面张力,但其润湿溶解Al2O3氧化膜的能力较差,净化处理效果不理想。而含Na3AlF6的熔剂,既有利于提高熔剂润湿Al2O3氧化膜的能力,也会增大熔剂/铝液界面张力,促进熔剂上浮,可获得最佳净化效果。(6)突破传统的依靠经验和试验优化熔剂组成的思路,在熔剂排杂净化热力学与动力学理论研究基础上,提出了熔剂组成的优化设计原则,再结合熔盐相图优化成分配比。分别设计了三种熔剂成分,加入方式和加入量,通过正交试验优化工艺,并应用于铝屑排杂净化。结果表明,最优熔剂成分为等摩尔NaCl-KCl(85%)+Na3AlF3(7.8%)+AlF3(5.7%)+CaF2(1.5%),最佳加入方式为铝屑和熔剂混合均匀后加入铝熔体,最佳熔剂加入量为1%。在最优净化工艺条件下,A356铝合金试样的含杂量、除气率和抗拉强度均优于市售精炼熔剂的净化处理效果。