Развитие внепечной обработки расплавов цветных металлов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Развитие внепечной обработки расплавов цветных металлов

Цветные металлы широко применяются в различных сферах экономики и в значительной степени определяют уровень развития научно-технического прогресса. Из всего многообразия цветных металлов наиболее распространенными являются элементы, которые принято относить к группе легких (алюминий, цинк, магний) и тяжелых металлов (медь, свинец, никель). Соответственно, наибольшее число известных и разрабатываемых способов относится к обработке именно этих металлов. В современной технике применяются металлы, обладающие однородной структурой, минимальным содержанием примесей и дефектов структуры, поэтому требования к чистоте металлов и сплавов цветных металлов постоянно возрастают и, как правило, не могут быть удовлетворены без применения различных видов внепечной обработки расплавов при выпуске из печи, транспортировке в ковшах и миксерах и разливке. Рафинирование - это удаление примесей из металлов и сплавов для повышения качества изделия и его показателей, а также извлечение ценных сопутствующих элементов.

Большое число обрабатываемых металлов и сплавов с широким разбросом физических свойств обуславливают появление, интенсивное развитие и промышленное применение множества вариантов технологий и оборудования для рафинирования расплавов. Многие способы рафинирования, технологические операции и приемы могут с успехом применяться для различных цветных металлов. Вместе с тем, отдельные специфические метода обработки могут носить уникальный характер. Как и при обработке черных металлов, обработке может подвергаться ванна металла в разливочном ковше или специальном реакторе, часть металла в специальной емкости или в струе. Большинство технологических операций основано на введении в расплав разнообразных реагентов в различных видах и количествах, продувка металла инертными или реакционными газами, вакуумирование, фильтрация, перемешивание ванны гидродинамическими или электромагнитными способами, а также применение специальных методов воздействия на кристаллизующийся металл. Кроме того, для рафинирования расплавов цветных металлов применяются различные ликвационные методы, основанные на расслоении структуры металла на фракции с различной плотностью и другими свойствами. Для получения особо чистых цветных металлов применяются также электролитическое рафинирование, дистилляция и другие специальные методы. Многие методы внепечного рафинирования находятся в стадии разработки и проведения экспериментов.

Современное развитие цветной металлургии позволяет применять более совершенные технологии для очистки вторичных сплавов. Основными способами рафинирования являются: продувка инертными газами, электрошлаковый и электроннолучевой переплав, рафинирования специальным флюсами.

В основу рафинирующих флюсов для очистки алюминия входят соли щелочных и щелочноземелных металлов, а также хлор, фтор и фосфор, что повышает токсичность рафинирования.

На рис 1. приведены основные методы обработки, применимые к большинству распространенных цветных металлов

Общие способы рафинирования алюминиевых сплавов

Наибольшее распространение в технике получили алюминий и его сплавы. Соответственно, внепечной обработке именно алюминия посвящено наибольшее число проектов, исследований, статей и изобретений.

Рис. 1. Классификация основных методов рафинирования цветных металлов

При выплавке алюминиевые сплавы весьма склонны к окислению и насыщению водородом. Если не проводить специальных операций по рафинированию расплавов, то слитки алюминия и готовые изделия могут быть поражены газовой пористостью и неметаллическими включениями, существенно снижающими их свойства. Рафинирование чаще всего производят продувкой расплава аргоном, азотом, активными газами - хлором, смесями азота с хлором, введением хлористого цинка. Весьма эффективна вакуумная обработка. Хорошо очищает расплав от включений фильтрация через сетчатые, зернистые или керамические фильтры с диаметром пор 0,15 -0.2 мм, которые обеспечивают включение размерами более 0,01 мм. Для получения микрозернистой структуры силуминов производят модифицирование сплавов с помощью хлористого и фтористого натрия.

Производство алюминия сопровождается вредными выбросами веществ, составляющих флюса и примесей. Одной из основных неметаллических примесей в алюминиевых сплавах является окись алюминия, образующаяся при взаимодействии жидкого металла с кислородом воздуха, попадающая в расплав с окисленной и неподготовленной шихтой, возникающая при контакте жидкого металла с непросушенными футеровкой и плавильно-заливочным инструментом и т.д. Наиболее вредными считаются оксидные плены, которые при толщине от 0,1 до 1 мкм и протяженности до нескольких мм, резко ослабляют сечения отливок, снижают пластические, прочностные и усталостные свойства, являясь концентраторами напряжений. Плотность Al2O3 различных модификаций находится в пределах от 3,53 до 4,5 г/см3, то есть выше плотности расплавленного алюминия. Однако окисные плены могут иметь поры, заполненные газом, поэтому их плотность близка к плотности жидкого алюминия. В связи с этим, пленообразная окись алюминия обычно находится во взвешенном состоянии в расплаве, что делает неэффективным рафинирование отстаиванием.

Развитие промышленности способствует созданию всё новые способы очистки алюминиевых сплавов. Продолжается поиск наиболее эффективных способов обработки алюминиевых сплавов расплавленными солями.

Одними из наиболее распространенных методов является очистка вторичных алюминиевых сплавов, флюсами и продувкой газами. Флюсы для рафинирования алюминиевых сплавов должны обладать рядом свойств, которые определяют их эффективность:

- температура плавления флюса должна быть равна температуре сплава в период разливки, то есть флюс должен быть жидким;

- плотность жидких флюсов и шлаков на их основе должна быть меньше плотности жидкого сплава для всплытия их на поверхность металла в ковше или печи;

- вязкость флюсовых систем должна быть невелика, и мало отличаться от вязкости расплава

- флюсы должны хорошо смачивать неметаллические включения или растворять их;

- гигроскопичность флюсов должна быть как можно меньше для предотвращения возможного загрязнения сплава водородом;

- флюсы должны легко удаляться с поверхности расплава.

Основной проблемой при очистке алюминия является водород. Так как большинство соединений мало реагируют с водородом, то вывод его из расплава алюминия производится при помощи чистого хлора или хлористых солей.

Но так как хлор является вредным и ядовитым газом, то применение его сопровождается загрязнением атмосферы и окружающей среды. Современные разработки в этой сфере до конца до сих пор не нашли замену хлору.

Кроме неметаллических включений на свойства алюминиевых сплавов отрицательное влияние оказывают также различные газы, например взаимодействие сплавов алюминий и Al-Si с азотом, кислородом, сложными газами CO, CO2, SO2, приводит к образованию карбидов, нитридов, оксидов, сульфидов в расплаве, но при этом не приводит к увеличению пористости.

Задача, поставленная в данной работе, заключается в изучении, разработке и внедрения в металлургию перспективного флюса без хлористых соединений. Что позволит исключить хлор и позволит улучшить экологическую и экономическую обстановку.

Производство сплавов цветных металлов всегда сопровождалось образованием в них газов и всякого рода включений. Основная часть таких включений является примесными и только ухудшают качество и характеристики сплавов.

Чтобы вывести из сплава нежелательные включения используют процесс рафинирования.

Одной из важных характеристик флюса для рафинирования является поверхностное натяжение. Состав жидкой солевой фазы в металле может приводить к изменению поверхностного натяжения на границе расплав-газ, так и на границе расплав-твёрдая фаза. То есть это приводит к изменение краевого угла смачивания.

Поведение в расплавах можно характеризовать взаимодействием электростатических частиц, определяемые в первом приближении их обобщёнными моментами.

В современной промышленности используется ряд методов для рафинирования алюминиевых сплавов. При этом выбор того или иного способа рафинирования основан не на наибольшей его эффективности, а на технических, технологических и материальных условиях литейного цеха. От качества проведения операции рафинирования во многом зависит и качество получаемого сплава. Основные методы рафинирования представлены на рис. 1.

Основные методы очистки алюминия:

а) к адсорбционному методу относится, обработка расплва газами (аргоном, азотом, хлором и др.), хлористыми солями (МnCl2, ZnCl2, C2Cl6 и др.), обработка расплава титаном, цирконием, флюсовое рафинирование, фильтрация через активные (переплавленные эвтектические смеси хлористых солей магния, натрия, кальция и др.) и инертные (стеклоткань, металлические сетки и др.) фильтры;

б) к неадсорбционному методу рафинирования относятся отстаивание, обработка расплавов ультразвуком, вакуумирование, дегазация постоянным электрическим током, вращающимся магнитным полем, виброимпульсная дегазация расплава и др.;

в) метод отстаивания, в процессе которого мелкие частицы примесей всплывают на поверхность, а тяжёлые оседают на дне.

Таким образом, основу рафинирования алюминиевых сплавов составляет адсорбционный метод, который позволяет предложить перспективный способ рафинирования.

При производстве отливок необходимо очищать сплавы от содержащихся в них неметаллических включений, повышение частоты сплава влияет на его физико-механические свойства.

Известно, что алюминий и его сплавы склонны к взаимодействию с газами это объясняется его высокой химической активностью. В алюминии и его сплавах присутствуют водород, кислород, закись и окись углерода. Основной объем приходится на долю водорода, растворенный в сплаве водород при кристаллизации создает достаточное давление, способствует развитию пористости сплава.

Предложен эффективный способ рафинирования алюминиевых сплавов, техническим результатом которого является упрощение рафинирования металла, уменьшение затрат энергии, снижение трудоемкости процесса, повышение эффективности и полноты очистки металла от неметаллических включений, улучшение качества металла.

Сущность способа заключается в пропускании расплава солей через расплав алюминия. Для определения оптимальных параметров процесса рафинирования и режимов литья было проведено большое количество опытов, исследовались различные сочетания алюминиевых сплавов и солей. Таким образом, в данной главе были рассмотрены основные способы рафинирования, общие понятия рафинирования. Проведённый патентный поиск показывает основные недостатки и преимущества выбранных способов. Так же был рассмотрен перспективный способ рафинирования алюминиевых сплавов.

Одним из перспективных способов обработки алюминиевых сплавов является обработка расплава импульсными магнитными полями.

Выполнено компьютерное моделирование основных силовых факторов при обработке алюминиевых расплавов по радиальной и осевой схемам воздействия. Установлено, что при радиальной схеме ударная волна, возникающая в расплаве после единичного импульса, прорабатывает весь его объем в течение 40 мкс, а по осевой - в течение 416 мкс. Экспериментальные исследования на промышленных силуминах АК6М2 и АК10М2Н подтвердили наличие устойчивого модифицирующего эффекта при магнитно-импульсной обработке (МИО): уменьшаются размеры дендритов б-Al и кристаллов эвтектического кремния, повышаются плотность и электропроводность, а также прочность и пластичность сплавов в литом состоянии. На основании экспериментальных исследований сделан вывод о наибольшей технологичности МИО при осевой схеме воздействия. /2. Никитин К.В., Никитин В.И., Тимошкин И.Ю., Глущенков В.А., Черников Д.Г. Обработка расплавов магнитно-импульсными полями с целью управления структурой и свойствами промышленных силуминов // Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2016. No. 2. С. 34-42. /.

Расплавы подвергали МИО по двум схемам воздействия импульсными магнитными полями -- радиальной и осевой (рис. 2).

При обработке по радиальной схеме расплавы из печи переливали в специальную тепловую камеру с индуктором, внутри витков которого располагался графитовый тигель (рис. 2). Расплавы предварительно нагревали до температуры 790 °С для компенсации теплопотерь при их переливе. Далее перелитую порцию расплава подвергали МИО. Осевую схему воздействия реализовали непосредственно в тигле плавильной печи.

В обоих случаях использовали энергию разряда (W = 1ч1,5 кДж) и количество импульсов (n == 5ч10 шт.).

В настоящее время накоплен большой арсенал различных способов воздействия на твердые, жидкие и кристаллизующиеся сплавы с целью управления их структурой и свойствами Согласно классификации специальных способов обработки шихтовых металлов большинство воздействий на расплавы можно отнести к физическим методам [1], и основное их назначение -- получение литой модифицированной структуры с целью обеспечения высоких физико-механических свойств литых изделий.

Среди основных требований, предъявляемых к физическим способам обработки расплавов, можно выделить следующие: неизменность химического состава рабочего сплава, живучесть модифицирующего эффекта в процессе литья, отсутствие вредных выбросов в атмосферу литейного цеха. Наибольшее распространение эти методы получили при подготовке к литью расплавов на основе алюминия.

Перспективным физическим способом является обработка расплавов на основе алюминия импульсными магнитными полями -- магнитно-импульсная обработка (МИО).

Цель работы состояла в исследовании МИО на структуру и свойства силуминов автомобильного назначения.

Эксперименты по влиянию магнитно-импульсной обработки на структуру и свойства сплавов АК6М2 (ГОСТ 1583-93) и АК10М2Н (ГОСТ30620-98) выполняли в ЦЛТ СамГТУ на опытной магнитно-импульсной установке МИУ-5, разработанной и изготовленной специалистами НИЛ-41 СГАУ. Чушки разрезали на мерные части и загружали в разогретый до 600 °С тигель печи. После расплавления шихты расплавы перегревали до 750+10 °С, дегазировали таблетированным препаратом ?Дегазер? на основе гексахлорэтана (ТУ 2458-002-79162668) и рафинировали порошкообразным флюсом ?ФНК-А? (ТУ 2149-008-43884713) в количествах 0,06 и 0,22 % от массы расплава в печи.

Рис. 2. Радиальная (а) и осевая (б) схемы магнитно-импульсной обработки расплавов 1 - расплав; 2 - индуктор; 3 - тигель

рафинирование алюминий примесь импульсный

В современной цветной металлургии появляется большое количество принципиально новых технически сложных устройств, происходит совершенствование и усложнение уже существующих, при постоянно ожесточающихся требованиях к ним, что приводит к необходимости повышения их эксплуатационных характеристик. Кроме того, большое внимание уделяется снижению массы деталей, что увеличивает потребительский спрос на литые заготовки из алюминиевых сплавов. Следовательно, задача повышения качества отливок и совершенствования процесса их производства крайне актуальна.

Одним из основных критериев получения высококачественных сплавов из распространенных цветных металлов (алюминий, медь, никель, олово, цинк и т.п.) с высокой добавленной стоимостью является их соответствие по прочностным характеристикам заданным требованиям, т.е. устойчивость материала изделия к возникновению и росту макро и микротрещин.

Поры и неметаллические включения ? неизбежные явления в структуре отливок. Они оказывают отрицательное влияние на механические и прочностные свойства изделий, так как являются концентраторами напряжений, что обуславливает трещинообразование. Поэтому одна из задач при производстве ?уменьшение размеров пор, увеличение равномерности их распределения в объеме металла, а также снижение концентрации неметаллических включений. Кроме неметаллических включений на свойства алюминиевых сплавов отрицательное влияние оказывают также различные газы. Взаимодействие алюминия и сплавов системы Al ? Si с азотом, кислородом, сложными газами CO, CO2, SO2, образующимися при сгорании топлива, масел, эмульсий и красок, вносимых в печь вместе с шихтовыми материалами, увеличивает количество нитридов, оксидов, карбидов, сульфидов в расплаве, однако, как правило, не приводит к увеличению газовой пористости. Пористость является основным дефектом, снижающим статические, динамические характеристики отливок и механические свойства сплавов, особенно отрицательно воздействующим на пластичность.

Для осуществления задач, описанных выше на производстве применяют операции рафинирования.

При производстве высококачественных алюминиевых отливок обязательным является осуществление дегазации расплавленного металла, что позволяет снизить содержания водорода, наличие которого обуславливает образование пор. При активной дегазации, когда пузыри газа всплывают из объема метала на поверхность, за счет явления флотации на поверхность выносятся неметаллические частицы, которые скапливаются на поверхности зеркала в виде шлака.

Существует множество методов рафинирования расплавленного металла: рафинирование газами, хлористыми солями, флюсовое, а также фильтрование, отстаивание, воздействием ультразвуком, виброимпульсное воздействие и т.д.

Одной из основных неметаллических примесей в алюминиевых сплавах является окись алюминия, образующаяся при взаимодействии жидкого металла с кислородом воздуха, попадающая в расплав с окисленной и неподготовленной шихтой, возникающая при контакте жидкого металла с непросушенными футеровкой и плавильно ? заливочным инструментом и так далее. Наиболее вредными считаются оксидные плены, которые при толщине 0,1 ? 1 мкм и протяженности до нескольких мм, резко ослабляют сечения отливок, снижают пластические, прочностные и усталостные свойства, являясь концентраторами напряжений. При этом существенное значение имеет не только количество пор, но также их форма, размеры и распределение.

Решающим фактором для развития металлургии алюминиевых деформируемых сплавов является качество отливаемой заготовки. Значительная окисляемость алюминия и его способность растворять водород требуют применения специальных мер при приготовлении расплавов и очистке их от водорода и оксидных плён. В соответствии с ГОСТ 1583-93 («Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия») и ГОСТ 1131-76 («Сплавы алюминиевые деформируемые в чушках. Технические условия») содержание водорода в высококачественном алюминиевом сплаве должно составлять не более 0,35 см3 / 100 г. Содержание в алюминиевом сплаве такой величины водорода невозможно добиться без использования систем дегазации расплава. Дегазация - это уменьшение содержания газа в жидком металле, находящегося в нем как в растворенном состоянии, так и в виде пузырьков различного размера. Степень дегазации расплава является самым показательным критерием для определения эффективности рафинирования.

Рис. 3. Растворимость водорода в алюминии

Дегазация алюминиевых расплавов от водорода крайне важна, так как при фазовом переходе алюминия резко возрастает способность металла растворять водород (рис. 3). Это очень неблагоприятное явление, поэтому если не снизить уровень водорода перед кристаллизацией расплава, то результатом будут газовые пузырьки в металле (пористость), которые могут быть причиной внутренних и внешних дефектов продукции при последующей обработке. Вероятность образования газовых пузырьков в алюминиевом сплаве при кристаллизации будет определяться разностью концентраций (СЖ - СТВ). Чем меньше будет в расплаве водорода, тем меньше опасность образования пор. В промышленных условиях используется целый ряд методов рафинирования и дегазации расплавов, причем выбор того или иного способа обычно основан не на наибольшей его эффективности, а на технических, технологических и материальных условиях литейного цеха. От качества проведения операции рафинирования во многом зависит и качество получаемого сплава.

Технологии рафинирования алюминиевых сплавов адсорбционным методом.

Адсорбция газов ? процесс, происходящий на поверхности раздела металл - газ, заключающийся в притяжении молекул газа из окружающей атмосферы атомами, находящимися в кристаллической решетке (если речь идет о твердом теле) или на поверхности жидкости. Толщина адсорбированного газового слоя равна в основном диаметру газовой молекулы.

К адсорбционным методам относится обработка расплава газами (аргоном, азотом, хлором и др.), хлористыми солями (МnCl2, ZnCl2, C2Cl6 и др.), рафинирование флюсами, фильтрация через активные (переплавленные эвтектические смеси хлористых солей магния, натрия, кальция и др.) и инертные (стеклоткань, металлические сетки и др.) фильтры.

Действие газов основано на адсорбции и диффузии в пузырьки рафинирующих газов, проходящих через расплав, растворенных в расплаве других газов, в частности водорода, поскольку один газ растворяется в объеме рафинирование, фильтрация через активные (переплавленные эвтектические смеси хлористых солей магния, натрия, кальция и др.) и инертные (стеклоткань, металлические сетки и др.) фильтры.

Рафинирование газами (флотационная обработка). Действие газов основано на адсорбции и диффузии в пузырьки рафинирующих газов, проходящих через расплав, растворенных в расплаве других газов, в частности водорода, поскольку один газ растворяется в объеме другого. Если газонасыщенный расплав находится в контакте с атмосферой, не содержащей растворенного в металле газа, то газ будет выделяться из расплава. При этом предполагается, что газ не взаимодействует ни с металлом, ни с растворённым в нём водородом. Вместе с водородом адсорбируются также твердые неметаллические частицы, всплывающие на поверхность ванны. Продувка осуществляется двумя видами газов: продувка сплава инертными и активными газами. Продувка инертными газами (аргоном, гелием) или азотом) алюминиевого сплава сопровождается очищением его от газов и неметаллических включений. Для этой цели часто применяют азот, так как он дешевле и доступнее, чем другие газы.

В качестве химически активного газа можно применить газообразный хлор. В литературе отмечается применение ряда хлорсодержащих соединений: четыреххлористых кремния, углерода и титана. Широко применяют хлористый цинк, хлористый марганец. Исследован треххлористый бор. Сущность действия хлора состоит в образовании хлористого алюминия при взаимодействии хлора и алюминия, который мгновенно превращается в пар, а также в образовании хлористого водорода при взаимодействии хлора и находящегося в расплаве водорода. Хлористый алюминий, обладающий высокой упругостью пара (кипит при 180°С), находится в расплаве в парообразном состоянии, поэтому он, а также хлористый водород выделяются перемещаются к поверхности и выделяются в окружающую среду. При этом на пузырьках хлористого алюминия и хлористого водорода адсорбируются пузырьки водорода и твердые неметаллические включения.

В промышленности на технологии флотационной обработки создано большое количество различных устройств. На заводах западной Европы и в России широко применяются установки рафинирования типа SNIF (Spinning Nozzle Inert Flotation - инжекция инертного газа через вращающееся сопло) (представлен на рис. 4) компании Pyrotek.

Позволяющие очищать расплавы на основе алюминия непосредственно перед литейной машиной после раздаточного миксера. Подобные установки внепечного рафинирования разработаны фирмой NOVELIS (Франция), где подвод рафинирующего газа осуществляется через пенокерамические сопла, которые уставлены снизу.

Рис. 4. Установка рафинирования типа SNIF

Рафинирование хлористыми солями. Действие хлористых солей основано на способности их к реакции:

AI+3MeCl = АlCl3 + 3 Me,

в результате которой образуется хлористый алюминий. Как и при обработке расплава хлором, рафинирующий эффект оказывают пузыри хлористого алюминия, на которых адсорбируются газы и твердые включения. Во избежание поглощения водяных паров хлористый цинк необходимо вводить в расплав горячим с одновременно перемешивают сплав. Операцию рафинирования считают законченной после прекращения выделения из металла пузырьков газа. После рафинирования с поверхности расплава снимают шлак, сплав выдерживают не менее 5 ? 10 мин и разливают по формам. Обычно в расплав вводят не более 0,1 ? 0,2 % хлористого цинка от массы шихты, чтобы не загрязнять алюминиевые сплавы цинком. Более целесообразно применение хлористого марганца в количестве 0,05 ? 0,1 % от массы расплава. Хлористый марганец отличается меньшей гигроскопичностью и перед употреблением его достаточно просушить в сушильном шкафу при температуре 110 ? 115 °С, а затем хранить в герметически закрытой посуде. Дегазацию можно осуществлять также непосредственно хлористым алюминием, количество которого в отличие от двух первых солей не ограничивается.

Обработка сплавов флюсами Алюминиевые флюсы для литья и плавки классифицируются по назначению на покровные, покровно-рафинирующие и модифицирующие. Выпускаются в виде порошков, гранул, таблеток. Многообразие составов обусловлено их многоцелевым назначением и большим разнообразием составов соответствующих сплавов.

В качестве покровного флюса для всех сплавов, кроме сплавов систем AI ? Mg и AI - Mr ? Si, рекомендуют применять флюс состава 39% NaCI; 48% КCl; 6,6% Na3AlF6; 6,4% CaF2. В качестве покровно ? рафинирующего флюса для сплавов тех же систем рекомендуется применять высококриолитный флюс состава: 47% КСl; 30% NaCI; 23% Na3AIF6 . Этот флюс с плотностью в жидком состоянии 1,6 г/см3 и температурой плавления 700°С растворяет до 0,66 и адсорбирует до 10% (по массе) окиси алюминия. Обработка флюсом увеличивает выход годного по сравнению с рафинированием расплава хлором. В качестве покровно ? рафинирующего флюса для сплавов систем AI ? Mr и AI ? Mr ? Si применяют флюс состава: 60% MrCI2·KCI; 40% CaF2. В группу рафинирующе ? модифицирующих флюсов входят универсальные флюсы для фасонного литья: флюс №1 (60% NaF, 25% NaCI, 15% Na3AIF6), плотности в жидком состоянии 1,8 г/см3 , температура плавления 850єС. Флюс растворяет до 1,7% (по массе) и адсорбирует до 8% (по массе) окиси алюминия. Предназначается для рафинирования и одновременного модифицирования сплавов с высоким содержанием кремния (АЛ2), а также рекомендуется в тех случаях, когда детали отливаются при высоких температурах ? порядка 800 °С.

Соли, применяемые для формирования я флюсов, необходимо предварительно высушивать при температуре 150 ? 200°С, в течение 12 ? 16 ч. Затем их размалывают на бегунах и просеивают через сито с отверстиями диаметром 3 ? 5 мм. менее полным). По мере испарения флюса его добавляют. Рафинирование флюсами производится путем нанесения слоя флюса на поверхность ванны и последующего замешивания. Затем с поверхности металла снимают шлак и производят разливку. Также есть множество других запатентованных способов рафинирования расплавов флюсами, например, способ, включающий в себя подачу флюса расплав и перемешивание расплава воздействием нескольких электромагнитных полей.

Компания Стройбис занимается разработкой и изготовлением высоко-качественных флюсов для металлургических предприятий по производству алюминия и сплавов на его основе. Они представляют собой солевые системы, прошедшие предварительные термическую (сушка, прокалка, спекание, переплав) и механическую (измельчение, микширование) обработки. Компонентный состав и предварительная подготовка композиций обеспечивают получение требуемых механических, эксплуатационных свойств литых заготовок и максимальные эффективность, технологичность, экологическую безопасность процессов их промышленного применения.

Составные части флюса размалывают в шаровой мельнице до порошкообразною состояния, смешивают и расплавляют, расплавленный флюс разливают по изложницам. Чушки флюса размалывают на куски размером 10 ?15 мм; готовый флюс хранят в термостате при температуре 150 ? 200°С. Для фильтрации применяют сухие песчаные чаши со стальными сетками, предварительно окрашенные и прокаленные. Непосредственно перед заливкой на сетку насыпают слой горячего флюса толщиной 90 ? 100 мм. Чаши с фильтром устанавливают на формах или тиглях н производят заливку, наблюдая за тем, чтобы во время заливки чаша все время оставалась полной. Активные фильтры очищают расплав от твердых неметаллических включений и от газов значительно лучше, чем сетчатые фильтры, н позволяют в 10 ? 15 раз снизить загрязненность алюминиевых сплавов неметаллическими включениями.

Все приведенные выше методы адсорбционного рафинирования построены по одной принципиальной схеме введение в расплав или образование в нем газа, всплывание пузырьков этого газа на поверхность, адсорбция других газов и твердых неметаллических частиц и удаление их из расплава.

Помимо химического состава рафинирующего вещества, на эффективность рафинирования большое влияние оказывают такие факторы, как температура и вязкость расплава, , размеры и скорость выделения рафинирующих газовых пузырьков. Скорость всплывания пузырька рафинирующего газа прямо пропорциональна радиусу пузырька и разности плотностей расплава и газа и обратно пропорциональна вязкости расплава. Чем выше вязкость расплавленного металла, тем труднее выделить из него неметаллические примеси, так как скорость их всплывания даже при значительной разнице плотностей металла и включения замедляется. Вязкость алюминиевых сплавов зависит от температуры и химического состава. Поэтому температурный режим необходимо устанавливать в зависимости от вязкости данного сплава при определенной температуре. Например, сплавы, близкие к эвтектическому составу, можно рафинировать при более низких температурах, чем сплавы с меньшим содержанием эвтектической составляющей или с повышенным содержанием магния.

Метод фильтрационного рафинирования. Фильтрация состоит в том, что расплав перед заливкой пропускают через специальные фильтры. Фильтры в зависимости от характера их действия делят на две группы: сетчатые и «активные». В сетчатых фильтрах твердые неметаллические включения, размеры которых больше размера ячеек фильтра, задерживаются механически. Сетчатые фильтры изготовляют преимущественно из стеклоткани, устойчивой по отношению к алюминию или покрытой специальной керамикой. Эффективность очистки тем выше, чем меньше размеры ячеек фильтра. Однако действие сетчатых фильтров ограничивается вязкостью расплава и его поверхностной активностью. Например, через стеклоткань с размерами ячеек меньше 0,4 мм2 алюминиевые расплавы не фильтруются. «Активные» фильтры, в которых задержка неметаллических включений является результатом главным образом адсорбции, изготовляют из огнеупорной крошки (шамот, магнезит), пропитанной рафинирующим флюсом, или непосредственно из кусочков этого флюса. Состав солевого сплава должен быть подобран таким образом, чтобы он хорошо смачивал окись алюминия. В качестве фильтрующего в фасонном литье применяют флюс состава 50 ? 55% фтористого кальция, 40 ? 45% фтористого натрия.

Для реализации этого способа обработки расплава разработано устройство для рафинирования расплавленных металлов и сплавов, преимущественно алюминиевых, методом фильтрации. Такое устройство представлено на рис. 4.

В состав устройства входит тигель 1, включающий кожух 2 с огнеупорной футеровкой 3, например, из жаропрочного бетона. Форма рабочей камеры 4 изготавливается таким образом, чтобы была возможность установить последовательно две фильтрующие перегородки 5, 6, имеющие одинаковые геометрические размеры, с размером ячеек на первой относительно второй, равным 2/1-2/1,5. При этом рабочие камеры отделены перегородкой 7, предотвращающей попадание металла на фильтрующую перегородку 6, минуя фильтрующую перегородку 5. Гнездо для установки фильтрующей перегородки 5 в рабочей камере 4 выполнено с подъемом 3-5 градусов по ходу движения металла таким образом, чтобы предотвратить образование воздушной пробки под фильтрующей перегородкой 5 при начале литья. В рабочей камере 4 выполнены входное отверстие 8 и выходное отверстие 9 для вывода очищенного металла. Под корпусом 1 установлен на основании 10 механизм поворота 11 корпуса 1, позволяющий сливать металл через желоба 12, выполненные в футеровке 3, остатки металла с рабочей камеры 4 в емкость 13. Съемная крышка 14 оборудована промышленными фенами 15 с нагнетательными вентиляторами 16 и электрическими нагревательными элементами 17, установленными в защитных кожухах из жаропрочной оболочки 18. Электрические нагревательные элементы 17 удерживаются внутри кожуха 18 с помощью огнеупорных изоляторов 19. Для поворота съемной крышки 14 используется механизм поворота 20. Термоэлектрические преобразователи 21 устанавливаются таким образом, чтобы обеспечить замену в процессе эксплуатации устройства, не создавая помехи наклону.

Рис. 5. Устройство для фильтрации расплавленных металлов и сплавов: 1- тигель; 2 -кожух; 3- огнеупорная футеровка; 4 - рабочая камера; 5,6 - фильтрующие перегородки; 7 -разделительная перегородка; 8 - входное отверстие; 9- выходное отверстие; 10 -основание; 11 -механизм поворота тигля; 12 -желоб; 13 -емкость; 14 -съемная крышка; 15 -промышленный фен; 16 - нагнетательный вентилятор; 17 -нагревательный элемент; 18 - жаропрочная оболочка; 19 -изоляторы; 20 -механизм поворота крышки; 21 -термоэлектрические преобразователи

Устройство работает следующим образом. Жидкий металл через входное отверстие 8 поступает в рабочую камеру 4, а очищенный металл выводится через выходное отверстие 9. Неметаллические включения задерживаются сначала на первой пористой фильтрующей перегородке 5, а затем металл окончательно очищается от неметаллических включений меньших размеров во второй фильтрующей перегородке 6 с размером ячеек на первой относительно второй, равным 2/1-2/1,5, причем фильтрующая перегородка 5, установленная у входного отверстия, расположена с подъемом 3-5 градусов по ходу движения металла. Для подогрева фильтрующих перегородок 5, 6 перед началом литья в съемной крышке 14 устанавливаются промышленные фены 15, а для подогрева во время литья и между плавками используются электрические нагревательные элементы 17 установленные в защитные кожуха 18. Защитные кожуха 18, выполнены из жаростойкой стали, обладающей стойкостью против химического разрушения поверхности от выбросов жидкого алюминия с поверхности металла. Контроль температуры воздуха и металла в устройстве производят при помощи термоэлектрических преобразователей 21. Управление нагревом обеспечивается двумя термоэлектрическими преобразователями 21, установленными один в крышке между защитными кожухами электрических нагревательных элементов 17 для контроля температуры воздуха, а второй под керамическим картриджем для контроля температуры металла. Электрические нагревательные элементы 17 выполнены из карбида кремния и обеспечивают поддержание температуры металла на уровне 680-720°С во время литья и в стационарном режиме поддержания температуры между плавками, с жидким металлом (экономный вариант для многократного использования фильтрующих элементов).

Технологии рафинирования алюминиевых сплавов неадсорбционными методами.

К неадсорбционным методам рафинирования относятся: вымораживание, отстаивание, обработка расплавов ультразвуком, вакуумирование, дегазация постоянным электрическим током, вращающимся магнитным полем, виброимпульсная дегазация расплава и др.

Рафинирование методом вымораживания. На принципе выделения газа из раствора медленно охлаждающегося сплава основан способ рафинирования вымораживанием. Сущность метода заключается в том, что жидкий металл медленно охлаждается в печи вплоть до затвердевания или разливается в чушки, после чего его снова быстро расплавляют, доводят до требуемой по технологии температуры и заливают в формы. В процессе охлаждения и в момент перехода сплава из жидкого состояния в твердое из него удаляется основная масса газа. Данный способ основан на диффузионном выделении газа и в виде пузырьков.

Рафинирование методом отстаивания. Наиболее простым способом рафинирования является отстаивание расплава. В процессе отстаивания легкие частицы примесей всплывают на поверхность расплава, а тяжелые ? оседают на дно печи. Одновременно с этим происходит также и выделение части растворенного в металле газа (в основном водорода), пузырьки которого образуются преимущественно на взвешенных в расплаве частицах примесей и вместе с ними всплывают на поверхность металла. В обычном расплаве алюминия содержится от 0,008 до 0,03% взвеси оксидов алюминия, большая часть которой имеет размеры частиц менее 1 мкм. Если допустить, что включения имеют шарообразную форму и их осаждение или всплывание подчиняется закону Стокса, можно оценить эффективное время отстаивания. По данным источников эффективное время отстаивания резко возрастает с уменьшением размера частицы. Так, если при размерах частиц 0,1 мм продолжительность седиментации составляет 2,8 мин, то при размерах частиц 0,01 мм оно возрастает до 218 мин. Существенными недостатками этого метода является его малая эффективность, высокая длительность и связанная с этим потеря производительности плавильно-литейного оборудования. Чтобы увеличить чистоту расплава алюминия в 2 раза необходимо вести отстаивание в течение 10 часов. Кроме того, следует учитывать, что степень очистки расплава, достигаемая при отстаивании, зависит от влажности атмосферы печи, которая, в свою очередь, определяется влажностью цеховой атмосферы, зависящей от климата и времени года, эффективности покровных флюсов и пр.

Рафинирование расплава ультразвуком. При прохождении упругих колебаний через жидкую среду (расплав) наблюдается явление кавитации, приводящее к разрыву сплошности и жидкой фазе с образованием пустот, в которые устремляется растворенный в жидкости (расплаве) газ. Вследствие этого упругие колебания звуковой и особенно ультразвуковой частоты способствуют формированию зародышей газовых пузырьков и стимулируют их дальнейший рост в жидкой фазе и коалесценцию до размеров, обеспечивающих активное выделение газа из жидкости (расплава). Изображение установки для ультразвукового рафинирования приведено на рис. 6.

Рис. 6. Схема установки рафинирования расплава с применением ультразвука - введения упругих колебаний в расплав: 1 - кожух; 2 - магнитный преобразователь с обмоткой; 3 - концентратор; 4 - вибратор с резьбовым креплением; 5 - резиновый амортизатор; 6 - сифон; 7 - крепление узла колебаний, опора; 8 - тигель с расплавом; 9 - печь сопротивления

Ультразвуком обрабатывали сплавы алюминия с содержанием магния 5 ? 7%. При этом был применен способ дегазации расплавов путем наложения постоянного магнитного поля на высокочастотное поле индукционной печи в которой расплавляли металл. При таком способе обработки в расплаве возникали интенсивные колебания под действием электродинамических сил, что обеспечивало полную дегазацию расплава за 30 ? 60 мин без интенсивного перемешивания.

В настоящее время ряд металлургических предприятий, специализирующихся на выпуске продукции из металлов и сплавов, в течение длительного времени успешно эксплуатирует разработанное ООО «Александра ? Плюс» оборудование для УЗ ? обработки металла при непрерывном и полунепрерывном литье заготовок. Среди них можно выделить ОАО «Панком ? Юн» (бывший завод «Центролит», г. Одесса, где оборудование установлено на вертикальных кристаллизаторах с 2006 г.) и ОАО «Катех ?Электро» (г. Киев, где аналогичное оборудование используется с 2008 г.). Применение ультразвука в технологическом процессе позволило гомогенизировать структуру медной заготовки и минимизировать количество ликвационных участков (вплоть до их полного отсутствия), благодаря чему сократилась обрывность проволоки при волочении, улучшились ее пластичность и свариваемость. Также разработкой и производством оборудования для УЗ обработки расплавов занимается ООО «ТД РЭЛТЕК».

Рафинирование алюминиевых сплавов методом вакуумирования.

Так как в этой работе изучается эффект дегазации под воздействием вакуума, этот метод рассматривается подробнее, чем вышеописанные и вынесен отдельным пунктом. Наиболее совершенным способом получения качественных отливок является плавка и заливка в вакууме. При этих условиях обеспечивается удаление газов и других примесей из жидкого сплава быстро и наиболее полно. Такой очистки сплава при атмосферном давлении достичь не удается.

Параметры, влияющие на процесс вакуумной дегазации. Основные переменные параметры, определяющие течение процесса вакуумного рафинирования и степень его завершения, это величина остаточного давления, температура расплавов, продолжительность процесса, глубина ванны, неупорядоченные и упорядоченные явления массообмена в объеме ванны, поверхностные явления на границе металл - газ. Конечные результаты обработки расплавов в вакууме и ее эффективность определяются влиянием этих переменных.

Анализ экспериментальных данных по рафинированию в вакууме литейных сплавов позволил сделать вывод, что рафинирование в интервале остаточных давлений 20 ? 0,1 мм рт. ст. при продолжительности процесса до 30-ти минут обеспечивает значительное снижение содержания газообразных неметаллических включений в сплаве. Эффективность вакуумирования возрастает при снижении остаточного давления, наименьшее остаточное давление равное 0,1 мм рт. ст. позволяет получить наилучшие результаты.

Вакуумированием достигается различная степень очистки расплавов от твердых неметаллических включений в зависимости от исходного содержания водорода, чем оно выше, тем меньше остается в ванне окислов, т. е. интенсивнее и в большем по глубине слое идет процесс пузырькового кипения, сопровождающийся выделением на поверхность расплава комплексов пузырек - твердое неметаллическое включение. При исходном содержании водорода 0,55 см3/ 100 г после вакуумирования содержание окислов снижается в 1,5 ? 2,5 раза от первоначального. При исходном содержании водорода в пределах 0,35 ? 0,4 см 3 / 100 г (минимально возможная величина, отмеченная при проведении исследования) содержание окислов снижается в 1,3 раза. В интервале давлений 0,1 ? 10 мм рт. ст. обеспечивается практически независимо от исходного содержания водорода остаточное от 0,07 до 0,14 см3 / 100 г. Остаточные содержания водорода в основном определяются величиной разрежения и продолжительностью процесса и в исследованном диапазоне температур практически не зависят от температуры. Степень извлечения окислов из ванны определяется при прочих равных условиях 22 (величина разрежения и продолжительность процесса) температурой сплава. Наиболее существенно возрастает очистка от твердых включений в интервале температур 730 - 750 °С. В вакуумных печах и камерах без перемешивания перераспределение комплексов водород-твердая неметаллическая частица между донными и поверхностными слоями в ванне осуществляется посредством незначительного по интенсивности массообмена, вызванного конвекцией и перемешиванием при пузырьковом кипении. Поэтому эффект дегазации алюминиевых сплавов, в емкостях большого объема с большой глубиной ванны, без перемешивания сравнительно невелик. В этих условиях основным способом перемещения водорода в расплаве является конвективная диффузия и она определяет скорость процесса дегазации. Это подтверждается значительным возрастанием степени дегазации при уменьшении глубины ванны.

На данный момент существует большое разнообразие способов и установок для осуществления вакуумного рафинирования сплавов различных металлов. Способ вакуумной обработки алюминиевых сплавов включающий заливку нагретого расплава в печь, создание в печи вакуума, выдержку расплава в вакууме в течение 45 ? 90 минут в интервале температур выше точки ликвидуса на 15 ? 30 °С при остаточном давлении 1,33·102 ? 18,62·102 Па. Другой способ заключается в том, что расплав вакуумируют в цилиндрической емкости с вертикальной осью с введением инертного газа 0,1 ? 50 кг/т вводят инертный газ в периферийную зону ванны емкости, а отводят в точке, расположенной относительно точки подачи газа по прямой, образующей с диаметром емкости, проходящим через точку подачи газа, угол 30 ? 70°. рафинирование алюминий примесь импульсный

В последнее время вакуумирование металла в миксерах и ковшах начинает уступать место более прогрессивным способам вакуумирования металла в потоке. Стремление обойтись без громоздких вакуумных камер и сократить необходимую производительность вакуумных насосов привело к созданию способа вакуумирования алюминиевого расплава при его циркуляции через вакуумную камеру. Над ковшом устанавливается вакуумкамера с двумя патрубками, погруженными под уровень металла в ковше. Такая вакуумная камера (рис. 5, б) имеет в нижней части две футерованные трубы, одна из которых совпадает с вертикальной осью ванны, а вторая - вертикальная или слегка наклонная - присоединена к сосуду у его периферии. В вакуум ? камере создается остаточное давление и по трубопроводу в патрубок вакуум ? камеры подается инертный газ (аргон) под давлением. Под действием атмосферного давления металл поднимается по трубам, соединяющим вакуумную камеру с ванной металла в ковше или печи, где производится вакуумирование. Циркуляция металла через вакуумную камеру обеспечивается за счет подачи инертного газа в один из трубопроводов, в котором при этом получается эффект эрлифта и происходит подъём жидкого металла.

Также существует другая конструкция установки циркуляционного вакумирования, включающая в себя индуктор. Когда трубы погружены в жидкий металл, создание в сосуде вакуума обусловливает подъём металла до уровня индуктора, окружающего огнеупорную футеровку в нижней части боковых стенок сосуда. Подвод напряжения к индуктору вызывает, с одной стороны, появление электрического тока в металле и соответствующего его нагрева и, с другой, создает электромагнитную силу, обусловливающую различие уровней металла в центральной части и на периферии сосуда. Создающаяся в результате этого разница давлений у отверстий двух труб вызывает подъём металла по боковой трубе и опускание его по центральной. Уровень металла в верхней части циркуляционной системы - вакуумной камере, определяется глубиной вакуума и является стабильным, излишек металла в ней сливается по другой ветви контура обратно в ковш. Такой способ вакуумирования жидкого алюминия разрабатывался фирмой Эртей (Франция). М. Г. Резин и Я. Д. Дробинин в 1959 г. предложили заменить эрлифт в одной из ветвей установки индукционным насосом. Имеются сообщения о использовании такого решения фирмой Латроуб Стил Ко. (США). На рис. 6 (а) представлена схема установки Thermo?Flow, вертикальные каналы - патрубки которой снабжены индукторами бегущего магнитного поля, одновременно осуществляющего перемещение и подогрев жидкого металла.

Перед проведением процесса вакуумирования осуществляют раскисление металла и шлака в ковше до получения содержания свободного растворенного кислорода в металле не более 3 ppm. Затем наводят высокоосновной покровный шлак и производят десульфурацию металла до содержания серы не более 20 ppm. Далее осуществляют вакуумирование металла продолжительностью 20 ? 22 мин при разрежении не более 2,0 мбар с расходом аргона в патрубке вакуумкамеры 4,2 ? 5,6 л/(мин·т). Использование этого способа обеспечивает снижение брака и возможность расширения марочного сортамента выплавляемого металла.

Эффективными агрегатами для рафинирования алюминиевых расплавов могут быть индукционные вакуумные агрегаты типа ИАКМВ (рис. 6), например, ёмкостью 25 или 80 тонн, которые успешно используются на ОАО «Красноярский металлургический завод» (г. Красноярск). В них нагрев металла и интенсификация тепломассообменных процессов в расплаве реализуется с использованием индукционной единицы, а рафинирование осуществляется при помощи дегазации путём создания глубокого вакуума.

Рис. 7. Способы циркуляционного вакуумирования расплава алюминия: а - процесс Termo-Flow; б - процесс Dynatherm; 1 - ковш; 2 - вакуумная камера; 3 - хобот вакуумной камеры; 4 - трубопровод к вакуумному насосу; 5 - индуктор

Рис. 8. Вакуумный миксер типа ИАКМВ ? 25: 1 - отъёмная индукционная единица ИЕ; 2 - летка; 3 - траверса крепления крышки миксера; 4 - водоохлаждаемая крышка; 5 - обрамление; 6 - вакуумное уплотнение; 7 - лётка; 8 - футеровка

За время эксплуатации такие агрегаты зарекомендовали себя, как высокоэффективные и экономичные устройства и успешно применяются с 1986 г. до настоящего времени. Одним из существенных недостатков индукционных вакуумных миксеров на является постоянное движение металла в ванне вакуумного миксера, вызванное работой индуктора , что затрудняет отстой расплава перед литьем. Однако, установка перед литейной машиной блока с пенокерамическим фильтром решает проблему удаления из расплава механических взвесей и включений. Загрузка (заливка) расплава из плавильной печи в вакуумный миксер производится также при достаточно глубоком разрежении, что способствует удалению водорода еще на стадии перелива металла (вакуумирование струи расплава) в течение 25 ? 30 мин.

Следующий способ подразумевает рафинирование расплава в транспортном ковше перед заливкой металла в разливочные миксеры. Способ включает подачу флюса и перемешивание расплава. Перемешивание проводят путем воздействия на расплав бегущим электромагнитным полем непрерывно или повторно ? кратковременно, создаваемым источниками электромагнитного поля с переменой направления движения электромагнитного поля. Флюс подают в расплав под зеркало металла. Воздействие на расплав осуществляют бегущим электромагнитным полем, создаваемым источником электромагнитного поля, установленным вплотную к наружной стенке транспортного ковша, таким образом, что центральная ось источника электромагнитного поля совпадает с геометрическим центром расплава в транспортном ковше. Обеспечивается возможность рафинирования в автоматическом режиме с минимальными затратами времени, электроэнергии и расходуемых материалов. На рисунке 1.7 представлена установка для рафинирования металла описанным способом.

Рис. 9. Установка для дегазации расплава в транспортном ковше : 1 - футерованная емкость; 2 -расплав; 3 -устройство для подачи газопорошковой смеси; 4 - фурма для подачи инертного газа; 5-индуктор; 6 -механизм для перемещения индуктора

На чертеже изображена опытная промышленная установка для рафинирования в транспортном ковше. Установка содержит футеровочную емкость 1 для транспортировки расплава 2, устанавливаемую на подставку с направляющими 3. По направляющим при помощи транспортной тележки 4 перемещается устройство для перемешивания 5, состоящее из одного или нескольких многофазных индукторов бегущего электромагнитного поля, расположенных с боковой стороны футеровочной емкости. Чтобы плотно прижать к поверхности футеровочной емкости устройство для перемешивания, на тележке установлен выравнивающий механизм 6. Для подачи флюса внутрь транспортного ковша на подставке 7 устанавливается устройство для ввода газопорошковой смеси 8. В расплав вводилась рафинирующая соль в течение 5 минут с расходом до 300 г/мин посредством титановой трубы, подсоединенной с помощью гибкого шланга к устройству ввода газопорошковой смеси и погруженной в металл на глубину около 1 м. В каждом из опытов брался химический анализ расплава перед началом и после завершения эксперимента. Результаты химического анализа представлены в таблице.