Способ рафинирования алюминиевых сплавов
Владельцы патента RU 2318029:
Способ рафинирования алюминиевых сплавов включает обработку расплава флюсом, содержащим хлориды, фториды и огнеупорные наполнители в виде дисперсных частиц тугоплавких оксидов алюминия и кремния, при этом флюс замешивают в сплав, находящийся в твердожидком состоянии, а затем нагревают его до температуры 720-730°С. В качестве основного рафинирующего реагента во флюсе используется диоксид кремния SiO2 или метакаолинит Al2О3·2SiO2 при следующем соотношении компонентов, вес.%: KCl 1,9-9,4, NaCl 1,2-6,0, Na3AlF6 0,9-4,6, SiO2 или Al2O3·2SiO2 — остальное. Обеспечивается повышенная рафинирующая способность, низкая себестоимость и экологическая безопасность. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к металлургии цветных металлов, в частности к способам рафинирования алюминиевых сплавов от газов, окислов и других неметаллических включений, и может быть использовано в металлургии вторичных цветных металлов при производстве алюминиевых сплавов.
Наиболее распространенным способом рафинирования алюминиевых сплавов является рафинирование при помощи флюсов, содержащих соли фтора и хлора. Несмотря на свою широкую распространенность, ближайшие аналоги обладают общим недостатком — невозможностью обеспечения равномерного распределения рафинирующих реагентов по всему объему расплава и, соответственно, снижением их рафинирующей способности. Кроме того, большинство таких флюсов экологически небезопасны. Известен способ рафинирования с использованием флюсов, содержащих криолит, фторидные и хлоридные соли: NaF 25-38 вес.%; Na3AlF6 25-37 вес.%; NaCl — остальное [А.с. 834179, С22С 1/06, С22В 9/10. Флюс для активного фильтра Б.А. Иванов, Г.Н. Чирков, А.С. Кауфман, В.В. Хлынов, Е.А. Шуликов, 16.07.1979]. Недостатком способа является то, что использование этих флюсов не дает заметного повышения физико-механических свойств сплавов.
Известен способ рафинирования алюминиевых сплавов от железа [А.с.1161575, С22С 1/06, С22В 9/10. Способ рафинирования алюминиевых сплавов от железа. А.М. Апанасенко, И.П. Иванов, М.Я. Гендельман, 19.12.1983], включающий обработку расплава рафинирующим реагентом с последующим отделением соединений железа фильтрацией, отличающийся тем, что в качестве основного рафинирующего реагента используют смесь, содержащую 10-70% оксидов алюминия, кремния и магния в количестве 0,8-1,6 вес.ч. оксида на тонну вес.ч. железа в расплаве. Смесь помещают на поверхность расплава, выдерживают расплав в течение 20-30 мин до отстаивания частиц и фильтрацию расплава осуществляют через образовавшийся на подине слой, состоящий из смеси оксидов и интерметаллидов Fe2Al5. Недостаток данного способа заключается в том, что частицы рафинирующей смеси, находясь на поверхности расплава, покрываются окисной пленкой оксида алюминия, из-за чего не полностью вступают в реакцию с расплавом. Также недостатком являются повышенные энергозатраты при выдержке расплава в течение 25-30 мин под рафинирующим реагентом.
Известен способ, в котором флюс для обработки алюминия и алюминиево-кремниевых сплавов содержит оксиды титана, бора, кальция, калия, натрия и кремния [А.с. 955706, С22В 9/10. Флюс для обработки алюминия и алюминиево-кремниевых сплавов. Ю.Н. Степанов, А.И. Конягин, В.П. Ивченков и др., 03.12.1980]. Целью обработки является улучшение механических характеристик сплава за счет защиты его от воздействия окружающей среды, модифицирования эвтектики и рафинирования от неметаллических включений. Поставленная цель достигается тем, что флюс содержит указанные компоненты в следующем соотношении, вес.%: диоксид титана 0,5-4,0; оксид бора 30-40; оксид кальция 0,5-4,0; оксид калия 15-22; оксид кремния 15-23; оксид натрия — остальное. Недостатком данного способа является невозможность обеспечения равномерного распределения флюса по объему расплава, что снижает его рафинирующую способность.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому изобретению является способ рафинирования с использованием комбинированных флюсов. Комбинированный флюс состоит из 20-40% солевого флюса, применяемого по технологии серийной плавки, а 60-80% его массы заменяют другими технологическими добавками с целью усилить защитные, рафинирующие свойства флюса и его экологичность, улучшить температурный режим плавки. Технологическими добавками являются вещества, состоящие из оксидов Al2О3, SiO2, MgO и др., т.е. огнеупорные и теплоизоляционные материалы, например молотый шамот, вспученные перлит, вермикулит и т.п. [С.В. Филиппов, В.Ф. Колосков. Опыт применения комбинированных флюсов. — Прогрессивные литейные технологии: Труды III Междунар. науч.-практ. конф. — М.: МИСиС, 2005. — С.242-246]. Комбинированный флюс — порошкообразная, сыпучая масса, которая, равномерно покрывая зеркало расплава сравнительно толстым слоем, предохраняет его от контакта с атмосферой цеха и испарения компонентов, как сплава, так и флюса. Ввиду того, что флюс наносится на зеркало расплава, данный способ рафинирования обладает недостатком, связанным с тем, что при последующем дроблении флюса и замешивании его в расплав не удается равномерно распределить рафинирующие реагенты во всем объеме расплава, что существенно снижает рафинирующую способность флюса.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа рафинирования, отличающегося повышенной рафинирующей способностью, низкой себестоимостью и экологической безопасностью. Этот технический результат достигается тем, что при рафинировании алюминиевых сплавов, включающем обработку расплава флюсом, содержащим хлориды, фториды и огнеупорные наполнители в виде дисперсных частиц тугоплавких оксидов алюминия и кремния, флюс замешивают в расплав, находящийся в твердожидком состоянии, а затем нагревают его до температуры 720-730°С, т.е. выше ликвидуса, при следующем соотношении компонентов флюса, вес.%: KCl 1,9-9,4; NaCl 1,2-6,0; Na3AlF6 0,9-4,6; оксиды Al и Si — остальное. От ближайшего прототипа предлагаемый способ рафинирования отличается тем, что содержание дисперсных тугоплавких частиц оксидов Al и Si в составе флюса достигает 80-96 вес.%, а также самой технологией рафинирования. Для реализации предлагаемого способа рафинирования разработана технология введения рафинирующих средств в сплав. Рафинирующую смесь, перемешивая, вводят в сплав, нагретый до температур в интервале ликвидус-солидус, т.е. находящийся в твердожидком состоянии, что и обеспечивает равномерное распределение реагентов в сплаве. При последующем повышении температуры до 720-730°С происходит активное взаимодействие флюса с расплавом, в результате которого частицы рафинирующего реагента всплывают на поверхность, адсорбируя при этом находящиеся в расплаве газы, окислы и др. неметаллические включения. Дисперсные частицы тугоплавких оксидов алюминия и кремния вводят в состав флюса в виде SiO2 или метакаолинита Al2O3·2SiO2 (прокаленного при t=550-600°С каолинита Al2O3·2SiO2·H2O для удаления конституционной влаги).
Рафинирование сплава АК12 (ГОСТ 1583-93) стандартным рафинирующим флюсом при 720-730°С. Состав флюса, вес.%:
Длительность выдержки расплава под флюсом 30 мин.
Рафинирование сплава АК12 по предлагаемому способу комбинированным флюсом состава, вес.%:
| KCl | 1,9 |
| NaCl | 1,2 |
| Na3AlF6 | 0,9 |
| SiO2 | 96 |
При рафинировании сплава АК12 рафинирующий флюс вводили в количестве 2,5% от массы сплава. Замешивание флюса осуществляли в интервале температур ликвидус — солидус (Т=570-575°С). При последующем нагревании расплава до 730°С флюс взаимодействовал с расплавом с экзотермическим эффектом. С поверхности расплава снимали шлаки и отливали стандартные образцы по ГОСТ 1583-93 для последующих механических испытаний.
Длительность выдержки расплава под флюсом 15-20 мин.
Рафинирование сплава АК12 по предлагаемому способу комбинированным флюсом состава, вес.%:
| KCl | 1,9 |
| NaCl | 1,2 |
| Na3AlF6 | 0,9 |
| Метакаолинит Al2O2·2SiO2 | 96 |
Рафинирование осуществляли аналогично способу, описанному в примере 2.
Длительность выдержки расплава под флюсом 15-20 мин.
Рафинирование сплава АК12 по предлагаемому способу комбинированным флюсом состава, вес.%:
| KCl | 9,4 |
| NaCl | 6,0 |
| Na3AlF6 | 4,6 |
| SiO2 | 80 |
Рафинирование осуществляли аналогично способу, описанному в примере 2.
Длительность выдержки расплава под флюсом 15-20 мин.
Рафинирование сплава АК12 по предлагаемому способу комбинированным флюсом состава, вес.%:
| KCl | 9,4 |
| NaCl | 6,0 |
| Na3AlF6 | 4,6 |
| Метакаолинит Al2O3·2SiO2 | 80 |
Рафинирование осуществляли аналогично способу, описанному в примере 2.
Длительность выдержки расплава под флюсом 15-20 мин.
Уменьшение в составе флюса огнеупорной составляющей менее 80% и увеличение количества солей не усиливает рафинирующей способности флюса, но отрицательно воздействует на стенки тигля, футеровку печи и ухудшает экологическую обстановку в цехе. С другой стороны, уменьшение в составе флюса солевой составляющей менее 4% увеличивает прямые потери металла со шлаком, т.к. не обеспечивает эффективного разделения металла и шлака. Этим и определяются граничные значения содержания огнеупорных наполнителей — тугоплавких оксидов алюминия и кремния (80-96 вес.%) и солевых составляющих (20-4 вес.%).
Эффективность рафинирования сплава комбинированными флюсами оценивали по механическим свойствам сплава — временному сопротивлению разрыву σВ, МПа, и относительному удлинению δ, %. Результаты механических испытаний приведены в таблице 1.
| Таблица 1. | |||
| № | Способ рафинирования (состав флюса в вес.%) | Временное сопротивление разрыву σВ, МПа | Относительное удлинение δ, % |
| 1 | Рафинирование стандартным рафинирующим флюсом (47% KCl, 30% NaCl, 23% Na3AlF6) при 720-730°С | 190 | 4,2 |
| 2 | Рафинирование комбинированным флюсом (1,9% KCl, 1,2% NaCl, 0,9% Na3AlF6, 96% SiO2) | 203 | 5,5 |
| 3 | Рафинирование комбинированным флюсом (1,9% KCl, 1,2% NaCl, 0,9% Na3AlF6, 96% метакаолинит) | 202 | 5,5 |
| 4 | Рафинирование комбинированным флюсом (9.4% KCl, 6.0% NaCl, 4.69% Na3AlF6, 80% SiO2) | 208 | 6,0 |
| 5 | Рафинирование комбинированным флюсом (9.4% KCl, 6.0% NaCl, 4.69% Na3AlF6, 80% метакаолинит) | 210 | 6,5 |
Результаты испытаний показывают, что при использовании комбинированных флюсов, заявленных в изобретении, существенно повышается эффективность процесса рафинирования алюминиевых сплавов, что приводит к повышению их механических свойств. За счет сокращения длительности выдержки расплава под флюсом снижаются энергозатраты или себестоимость рафинирования. Уменьшение содержания солевых составляющих во флюсе (≤20 вес.%) способствует повышению экологической безопасности.
1. Способ рафинирования алюминиевых сплавов, включающий обработку расплава флюсом, содержащим хлориды, фториды и огнеупорные наполнители в виде дисперсных частиц тугоплавких оксидов алюминия и кремния, отличающийся тем, что флюс замешивают в сплав, находящийся в твердожидком состоянии, а затем нагревают его до температуры 720-730°С.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве основного рафинирующего реагента во флюсе используют диоксид кремния SiO2 или метакаолинит Al2О3·2SiO2 при следующем соотношении компонентов, вес.%:
Источник
2.3 Рафинирование алюминиевых сплавов
Во время плавки алюминиевые расплавы подвергают очистке от растворенных металлических примесей (натрия, магния, железа и цинка), взвешенных оксидных (неметаллических) включений и растворенного водорода. Для этих целей применяют различные методы продувки расплавов инертными и активными газами, отстаивание, обработку хлористыи солями и флюсами, вакуумирование и фильтрование через сетчатые, зернистые и спеченные керамические фильтры.
Продувка газами широко используется для дегазации расплавов и очистки их от неметаллических включений. Рафинирование осуществляется тем успешнее, чем меньше размер пузырьков продуваемого газа и равномернее распределение их по объему расплава. Продувку, как правило, ведут через пористые вставки из спичечного глинозема, которые обеспечивают получение газовых пузырьков диаметром 1,5 – 2 мм. Продувку осуществляют в специальных футерованных емкостях, установленных на пути перелива металла из миксера в кристаллизатор или в ковшах. В дно ковша или емкости устанавливают пористую керамическую вставку. Для рафинирования алюминиевых расплавов используют: азот, аргон, гелий, хлор и смесь азота (90%) с хлором, очищенные от влаги и кислорода. В данном случае рафинирование проводится аргоном или азотом.
Ковш с пористой керамической вставкой для продувки расплавов инертным газом изображен на рисунке 4.
Рисунок 4 – Ковш с пористой керамической вставкой для продувки расплавов инертным газом
1 – кожух для подвода инертного газа; 2 – пористая керамическая вставка;
3 – футеровка; 4 – газовый пузырек.
Продувку азотом или аргоном ведут при 720 – 730 С. Длительность продувки в зависимости от объема расплава колеблется в пределах 5-20мин; расход газа составляет 0,5 – 1 м 3 на 1 т расплава. Такая обработка позволяет снизить содержание неметаллических включений до 0,5 – 0,1 мм 2 /см 2 по технологической пробе Добаткина-Зиновьева, а содержание водорода — до 0,2 – 0,15 см 3 на 100г.
При использовании для продувки расплавов специальных фурм скорость газа на срезе сопла составляет 200-250 м/с, что обеспечивает диспергирование газовых пузырьков в объеме расплава до 3-5 мкм; длительность продувки при этом не превышает 5 мин, а расход газа на 1 т расплава 0,05м 3 .
Продувка газами сопровождается потерями магния. При обработке азотом теряется 0,01% магния.
Необходимой операцией после продувки является выдержка расплава в течение 10 – 30 мин для удаления мельчайших газовых пузырьков. Использование расплавов сразу же после окончания продувки без выдержки всегда сопряжено с образованием большого числа газовых дефектов в отливках.
2.4 Флюсы
Для повышения выхода годного и чистоты расплава при плавке целесообразно применять защитные и рафинирующие флюсы.
В качестве покровно-рафинирующего флюса для сплавов систем Al-Mg и Al-Mg-Si применяют флюс следующего состава: 60% Mg Cl 2 KCl; 40%CaF2.
Составы универсальных флюсов приведены в таблице 6.
Таблица 6 — Составы универсальных флюсов
Удельный вес флюса 1 в жидком состоянии 1,8 г/см³; температура плавления 850º. Флюс растворяет до 1,7% (вес) и адсорбирует до8% (вес) окиси алюминия.
Соли, применяемые для составления флюсов, необходимо предварительно высушить при температуре 150-200º в течение 12-16 час. Затем их размалывают на бугунах и просеивают через сито с отверстиями диаметром 3-5 мм. Готовый флюс хранится в железных ящиках в сухом и тёплом помещении.
Покровный флюс в количестве 2-3% к весу шихты насыпают на поверхность чушек сразу после их загрузки в печь (если флюс добавлять к сплаву после расплавления, то слияние корольков сплава будет менее полным). По мере испарения флюса его добавляют.
Рафинирование и дегализация флюсами производятся путем нанесения слоя флюса (0,5-1% к весу расплава) на поверхность ванны и последующего замешивания при помощи ложки или мешалки. Покрытых слоем защитной краски. Перемешивание необходимо продолжать до прекращения реакции взаимодействия флюса с расплавом. Затем с поверхности металла снимают шлак и производят разливку.
Источник
