摘要
化铣是航空航天中薄壁、曲面铝合金部件精密加工的重要手段。化铣过程中铝离子的累积会影响槽液使用寿命，稀释结晶法是目前常用的化铣液再生法，但此方法效率低、工艺复杂，研究化铣槽液的高效循环利用方法至关重要。本文系统研究了利用二氧化碳去除铝合金化铣槽液中铝离子的原理及方法；讨论了化铣槽液循环利用过程中槽液主要成分、铝离子、合金元素离子的变化规律和控制过程，探讨了主要副产物Na2CO3的演化过程；验证了铝合金在循环利用槽液中的化铣加工质量，分析了循环利用中Na2CO3对化铣性能的影响；同时，设计了一套槽液循环中沉淀物的分离装置，并验证了其回收化铣清液的效果。结果表明： （1）二氧化碳去除铝离子的原理是以溶液中铝离子稳定性破坏机制为主。铝溶解时均以[Al(OH)4]-形式进入化铣液，去除铝离子时又以Al(OH)3形式析出并回收。槽液中OH-一部分储存在[Al(OH)4]-中，一部分游离在溶液里。利用CO2去除铝离子的过程中，OH-和CO2反应生成CO32-，而CO32-在溶液中又会水解形成HCO3-并提供OH-。经计算溶解3mol铝的过程中67.1%的OH-由CO32-水解提供。CO2的加入使循环化铣槽液中Na2CO3和NaHCO3逐渐达到饱和，达到饱和点后加入的CO2摩尔量与析出Na2CO3、NaHCO3的摩尔量一致。溶液中析出Al(OH)3时的苛性比和需消耗的游离碱总量受CO32-、S2-与[Al(OH)4]-的共同耦合作用影响。对于无副产物Na2CO3的化铣废液，加入二氧化碳与去除铝离子摩尔比控制在1∶(1.5～3)；若化铣废液中含有饱和Na2CO3，加入二氧化碳与去除的铝离子的摩尔比为1∶(1～2)。铝离子的最大去除率可以达到96%。增大压强和减小干冰颗粒尺寸都可以加速气液相传质，加快反应速率，提高干冰利用率。反应析出的沉淀物经清洗后是较为纯净的Al(OH)3。 （2）在循环化铣槽液中S2-主要与合金元素形成沉淀，消耗较少，槽液中的TEA基本不消耗。利用CO2去除槽液中铝离子的过程对S2-和TEA浓度影响不大。由于溶度积的作用使槽液中合金元素离子也不会累积。 （3）铝合金在循环利用的化铣液中可以获得良好的加工效果。相比于不含Na2CO3的化铣液，槽液中饱和的Na2CO3为化铣液提供了1.5mol/L的OH-，使化铣加工速度增加约5μm/min左右，化铣粗糙度（Ra）降低约0.1μm。同时，CO32-的存在使化铣废液中NaOH的补充量可以减少约1/3。 （4）根据化铣槽液沉淀物的沉降规律，设计了一套面向化铣槽液循环中沉淀物的多层沉降槽，经过三轮沉降该装置分离槽液的回收率可达99.8%。
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