Способ рафинирования алюминия и сплавов на его основе

 

Изобретение относится к рафинированию алюминиевых расплавов от примесей, например, щелочных металлов, водорода и неметаллических включений. Техническим результатом является повышение производительности процесса, снижение потерь металла и расхода флюса за счет его введения на стадии разливки и повышение качества готового сплава за счет достижения дополнительного эффекта - модифицирования. Это решено тем, что при обработке непрерывного потока расплава флюсами, содержащими хлориды и фториды щелочных металлов, при одновременном его перемешивании мешалкой и отделении металлов от продуктов реакций в состав флюсов вводят фторсоли титана и бора в соотношении к хлоридам и фторидам щелочных металлов (7 - 9):(3 - 1), при этом расплав перемешивают со скоростью в 20-30 раз больше скорости потока расплава, а флюс вводят в вихревую воронку, образованную мешалкой, при ее глубине, равной 0,3-0,4 глубины погружения мешалки в расплав. Степень рафинирования расплава повышается в среднем: по оксидным включениям - на 50%, по водороду - почти на 60%, по натрию - практически на уровне ближайшего аналога. Более чем на порядок уменьшается размер макрозерна, что позволяет прогнозировать повышение физико-механических свойств сплава. Расход флюса снижается. При этом увеличивается производительность процесса в целом, поскольку не требуется дополнительных затрат времени на рафинирующую обработку. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к цветной металлургии, конкретно к рафинированию алюминиевых расплавов от примесей, например, щелочных металлов, водорода, неметаллических включений.

Известен способ рафинирования алюминия, заключающийся во вдувании в расплав инертным газом флюсов различного состава (хлоридов натря и калия, четыреххлористого углерода, гексахлорэтана) (см. Курдюмов А.В., Инкин С.В., Чулков В.С., Шадрин Г.Г. Металлические примеси в алюминиевых сплавах. - М.: Металлургия, 1988, с. 132 - 136). Показано, что введение в расплав 2 кг на 1 т алюминия порошка гексахлорэтана в смеси с азотом позволяет снизить содержание натрия до 0,0004%. Установлено также, что наиболее высокие механические свойства имеют полуфабрикаты, полученные из металла, рафинированного смесью аргона с четыреххлористым углеродом. Флюсы эффективнее применять в сочетании с продувкой активными газами, которым принадлежит основная роль в очистке расплава от примесей: флюсы же преимущественно улавливают продукты взаимодействия газа с расплавом и неметаллические включения.

Основные недостатки этого способа состоят в том, что здесь процесс рафинирующей обработки расплава осуществляется в печи либо в ковше и требует заметных затрат времени, при этом достигнутые результаты рафинирования могут ощутимо быть снижены (особенно по водороду и неметаллическим включениям) из-за того, что в процессе разливки готового сплава металл способен как окисляться, так и загрязняться водородом и неметаллическими включениями. Кроме того, указанные составы используемых флюсов не способны оказывать модифицирующего воздействия на алюминий и его сплавы.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому способу является способ рафинирования алюминия и его сплавов, состоящий в том, что на поверхность расплава в емкости загружают флюс, содержащий фториды и/или хлориды алюминия и щелочных металлов, осуществляют механическое перемешивание расплава в течение определенного времени, необходимого для снижения концентрации примесей до заметного уровня, съем шлака, при этом перемешивание ведут с числом оборотов, равным 1,0 - 1,2 от определяющего числа оборотов мешалки, а центр рабочей части мешалки находится от нижней границы расплава на расстоянии, равном 0,1 - 0,2 высоты расплава (авт.св. СССР N 1688595, кл. C 22 B 21/06, 9/10, 1995).

Главные недостатки этого способа заключаются в том, что рафинирование, как и в предыдущем способе, производится в стационарной емкости (ковше), что приводит к затратам времени и насыщению расплава водородом и оксидными включениями на последующих технологических стадиях процесса приготовления готового металла. Кроме того, используемые составы флюсов не содержат компонентов, которые в дальнейшем смогли бы оказать влияние на модифицирование структуры готового материала.

Техническая задача изобретения - повышение производительности процесса, снижение потерь металла и расхода флюса, повышение качества готового сплава за счет достижения дополнительного эффекта - модифицирования.

Техническая задача решается тем, что в известном способе рафинирования и его сплавов, включающем обработку непрерывного потока расплава флюсами, содержащими хлориды и фториды щелочных металлов, при одновременном его перемешивании мешалкой и отделении металла от продуктов реакций в состав флюсов вводят фторсоли титана и бора в соотношении (7 - 9) : (3 - 1), при этом расплав перемешивают со скоростью в 20 - 30 раз больше скорости потока металла, а флюс вводят в вихревую воронку, образованную мешалкой, при ее глубине равной 0,3 - 0,4 глубины погружения мешалки в расплав.

Сущность изобретения заключается в том, что при введении в алюминий в качестве флюса фторбората и фтортитаната калия протекает реакция, которая экзотермична и смещается вправо во всем интервале температур, в результате образуются модифицирующие титан- и борсодержащие интерметаллиды (TiB₂ и Al₃Ti) и газообразный фторид алюминия, активно удаляющий примеси щелочных металлов по прямой химической реакции с ними (например, AlF₃ + Na ---> 3NaF + Al), а также взвешенные включения и водород соответственно за счет флотации и диффузии (Бондарев Б.И., Напалков В.И., Тарарышкин В.И. Модифицирование алюминиевых деформируемых сплавов. - М.: Металлургия, 1979).

Для описанного процесса интенсивное перемешивание является фактором необходимым, поскольку для эффективного протекания указанных реакций требуется постоянный массообмен между фазами. Интенсивность перемешивания расплава в реакционной зоне, усиливаемая тем, что процесс обработки осуществляется в потоке металла на стадии разливки, обеспечивается установленной скоростью перемешивания металла в зависимости от скорости потока и подачей флюса в определенный участок расплава.

Выбранные параметры лимитируются следующими факторами. Проведенными экспериментами установлено, что в случае, когда соотношение фторсолей титана и бора и хлоридов и фторидов щелочных металлов выбиралось ниже 7 : 3, обеспечивалась приемлемая степень рафинирования расплава от примесей, но не достигался необходимый модифицирующий эффект; в случае, когда это соотношение превышало 9 : 1, не было получено результатов с повышенным рафинирующемодифицирующим эффектом по сравнению с тем, что имел место при соотношении компонентов флюса (7 - 9) : (3 - 1).

Для краткости изложения введем следующие обозначения: V₂ = (20 - 30)V₁ и h = (0,3 - 0,4)H, где V₁ - скорость потока металла в разливочном желобе, м/с; V₂ - скорость перемешивания потоков металла в рабочей зоне мешалки, м/с; h - углубление центральной вихревой воронки, м; H - глубина погружения мешалки в металл, м.

Установлено, что при выборе V₂<20V часть флюса не успевает использоваться по назначению (т. е. отреагировать с алюминием), вследствие чего не обеспечивается достижение необходимой степени удаления примесей и ожидаемого модифицирующего эффекта. Когда же V₂>30V₁, не происходит улучшения качественных показателей, которые достигаются при условии V₂ = (20 - 30)V₁.

При выборе h<0,3H имеют место непроизводительные потери флюса из-за частичной возгонки, вызываемой снижением скорости его замешивания в расплав, что в дальнейшем снижает и модифицирующий эффект из-за потерь потенциальных центров кристаллизации в них титан- и борсодержащих интерметаллидов; когда же h>0,4H, то может произойти обнажение рабочей части мешалки, вследствие чего увеличиваются потери металла на окисление, а также дополнительное загрязнение расплава водородом и оксидными включениями.

При выборе значения скорости течения металла в разливочном желобе (V₁) при литье слитков из алюминия и его сплавов использованы известные рекомендации (Плавка и литье алюминиевых сплавов. /Справочное руководство под редакцией В.И. Добаткина. - М.: Металлургия, 1970, с. 176 - 224). Скорость перемешивания металла V₂ (скорость движения потоков в рабочей зоне мешалки) определяли по известной методике (Шустеров В.С. Исследование и разработка способа интенсификации процессов приготовления сплавов на основе алюминия-сырца, диссертация на соиск. уч. степени к.т.н., Л., 1981, с. 46 - 57).

Способ испытан в промышленных условиях и осуществляется следующим образом.

На чертеже показан разрез печи в зоне летки с установкой для рафинирования.

Из газовой отражательной печи 1 вместимостью 25000 кг жидкий алюминий марки A6 выпускается в разливочный желоб 2 (где V₁ = 0,0015 м/с), на котором смонтирована установка для рафинирования, представляющая футерованную емкость 3 с внутренними размерами 50 (длина) · 20 (ширина) · 30 (глубина) см вместимостью 70 кг, разделенную перегородкой 5 на две камеры; попадая в первую из них (ее вместимость составляет 2/3 объема емкости 3, т.е. 46 кг), расплав подвергается флюсовой рафинирующей обработке, заключающейся в том, что в расплав погружается мешалка 4, приводимая в движение приводом 6 до получения скорости перемешивания V₂ = 0,030 м/с (V₂ = 20V₁), а в углубление образующейся центральной вихревой воронки, равное 0,3 глубины погружения мешалки (при H = 12 см обычно эта величина составляет приблизительно 0,2 - 0,4 глубины расплава h = 0,3 · 12 = 3,6 см), с помощью шнекового механизма 7 вводится флюс, состоящий из смеси (KBF₄ + K₂TiF₆) и (NaCl + NaF) в соотношении 7 : 3; обработанный металл перетекает во вторую камеру (вместимостью 24 кг), после заполнения которой с помощью "коромысла" 8 и стопора 9 он подается в литейный желоб 10 и далее в кристаллизатор 11.

Исходное содержание примесей в алюминиевом расплаве и характеристика макроструктуры (размер зерна) в пробах, отобранных до камеры рафинирования: Неметаллических включений (Al₂O₃) по химическому анализу - 0,020% Водорода - 0,22 см³/100 г Натрия - 0,0025%
Размер зерна в отливке, определяемый методом секущих - 3,5 мм
(Бондарев Б.И. и др. Модифицирование алюминиевых деформируемых сплавов, с. 181).

Содержание примесей и размер зерна в пробах, отобранных после рафинирующей обработки:
Неметаллических включений - 0,004%
Водорода - 0,06 см³/100 г
Натрия - 0,0001%
Размер зерна - 0,3 мм
Из приведенных данных видно, что достигается весьма высокая степень рафинирования расплава от примесей (определяемая по формуле где C₀ и C - исходное и конечное содержание примесей в расплаве соответственно): по неметаллическим включениям - около 73%, по натрию 92%. При этом размер макрозерна уменьшился более чем в 10 раз, а его величина позволяет отнеси это зерно к мелким равноосным кристаллам (Там же, с. 181).

Заявляемый способ исследовался также с запредельными и предельными значениями выбранных параметров. Исследовался и известный способ (прототип).

Результаты исследований приведены в таблице.

Из данных таблицы следует, что наиболее высокие показатели процесса рафинирования достигаются при использовании заявляемого способа и соблюдении выбранных параметров процесса. Так, степень рафинирования расплава в сравнении со способом-прототипом повысилась в среднем: по оксидным включениям - на 50%; по водороду - почти на 60%; по натрию - практически на уровне прототипа. При этом более чем на порядок уменьшился размер макрозерна, что позволяет прогнозировать повышение физико-механических свойств сплава. Расход флюса снизился на 25%. Кроме того, при использовании заявляемого способа повышается производительность процесса в целом, поскольку здесь не требуется дополнительных затрат времени на рафинирующую обработку (она осуществляется во время разливки металла), а в способе-прототипе - это отдельная (внепечная) операция. Следствием этого является также снижение безвозвратных потерь компонентов расплава.

Формула изобретения

Способ рафинирования алюминия и сплавов на его основе, включающий обработку непрерывного потока расплава флюсами, содержащими хлориды и фториды щелочных металлов, при одновременном его перемешивании мешалкой и отделение металла от продуктов реакций, отличающийся тем, что в состав флюса вводят фторсоли титана и бора в соотношении к хлоридам и фторидам щелочных металлов 7 - 9 : 3 - 1, при этом расплав перемешивают со скоростью в 20 - 30 раз больше скорости потока металла, а флюс вводят в вихревую воронку, образованную мешалкой, при ее глубине, равной 0,3 - 0,4 глубины погружения мешалки в расплав.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2