Производство сплавов типа алюминий-кремний

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу производства сплавов алюминий-кремний, в частности сплавов, содержащих более 7% кремния. Способ включает введение в жидкий алюминий частиц кремния размером не более 10 мм. В качестве частиц кремния используют гранулят кремния, полученный путем грануляции кремния в воде и имеющий свойство фрагментироваться на более мелкие гранулы после нагревания гранулята до температуры жидкого алюминия. Гранулят вводят в жидкий алюминий при температуре от 700 до 850°С. В частных воплощениях изобретения гранулят кремния вводят при температуре от 800 до 850°С. Гранулят кремния может содержать менее 0,1% гранул размером менее 5 мкм или менее 0,05% гранул размером менее 5 мкм; после фрагментации гранулят кремния может содержать менее 0,1% гранул размером менее 5 мкм; гранулят кремния может иметь фракцию с размерами гранул от 1 до 10 мм, которая получена путем просеивания. Гранулят кремния однократно или многократно последовательно промывают водой для удаления более мелких частиц и высушивают. Техническим результатом изобретения является сокращение времени производства сплавов алюминий-кремний, а также уменьшение потерь металла при окислении. 6 з.п. ф-лы.

 

Область техники

Изобретение относится к способу производства сплавов алюминий-кремний, в частности сплавов, содержащих более 7% кремния, путем введения металлургического кремния в жидкий алюминий.

Уровень техники

Кремний является обычной добавкой для алюминиевых сплавов, в частности сплавов Al-Si-Mg (серии 6000) и сплавов Al-Si (серии 4000). В этой последней категории сплавов, применяемых в основном для производства литых изделий, содержание кремния может быть значительным и иногда превышать содержание эвтектики, которое составляет около 13%. Такие сплавы могут содержать другие добавки, например магний, медь, марганец, цинк или никель.

Такие сплавы обычно производят в пламенных печах или в индукционных печах при температуре примерно от 700 до 800°С. К загрузке алюминия в начале процесса добавляют загрузку металлургического кремния в количестве, составляющем от 75 до 90% от необходимого количества. На этом этапе кремний загружают кусками и он постепенно растворяется в алюминии в процессе плавления загрузки, что никак не отражается на производительности печи. По окончании плавления загрузки берут пробу для проведения анализа и вводят дополнительное количество кремния для установления окончательного содержания, и эта операция, продолжительность которой обусловлена скоростью растворения кремния в сплаве, в основном состоящем из алюминия, ограничивает производительность печи, в которой операция осуществляется.

В технологии, применяемой до настоящего времени, конечной вводимой добавкой является кремний, полученный из слитков массой всегда более 10 кг, раздробленный, а затем измельченный до получения кусков размером менее 10 мм и просеянный через 1 мм сито, т.е. продукт фракции с размерами от 1 до 10 мм.

Кинетика растворения твердого кремния в алюминии и его сплавах является относительно медленной и, несмотря на гранулометрию, выбранную для вводимого кремния, растворение вполне может продолжаться около часа. Перемешивание раствора, например, с помощью ракли, является обычным приемом ускорения растворения добавок, в частности кремния. Недостаток перемешивания заключается в том, что при каждом вмешательстве разрушается защитный слой алюминия, образующийся на поверхности жидкого сплава на базе алюминия, что приводит к потерям алюминия, составляющим от 2 до 3% от загруженного в печь количества металла.

Разница между плотностью твердого кремния и жидкого сплава на базе алюминия в процессе производства очень мала, поэтому кремний имеет тенденцию плавать на поверхности ванны сплава. Таким образом, поверхность печи, соприкасающаяся с атмосферой, увеличивается, что усиливает окисление металлических элементов, загруженных в печь, и образование шлаков в ущерб производительности.

Сущность изобретения

Предметом изобретения является способ производства сплавов Al-Si, в частности сплавов, содержащих от 7 до 13% кремния, в пламенной печи или в индукционной печи, позволяющий быстро растворять кремний, уменьшить число перемешиваний ванны и образование шлаков.

Предметом изобретения является способ производства сплавов Al-Si, заключающийся в том, что в жидкий алюминий при температуре от 700 до 850°С вводят металлургический кремний с размером гранул меньше 10 мм, гранулы которого имеют свойство фрагментироваться (распадаться) на более мелкие гранулы после их нагревания до температуры жидкого алюминия.

Предпочтительно используемые гранулы металлургического кремния получают путем грануляции расплавленного кремния в воде.

Описание изобретения

Изобретение основано на обнаруженном заявителем факте, что при производстве сплавов алюминий-кремний обычно применяемый кремний, полученный при литье слитков, дроблении и измельчении, и кремний, полученный путем грануляции в воде, имеют разные свойства. Последний в некоторых условиях применения действительно позволяет сократить как время растворения кремния в жидком алюминии, так и потери металла при окислении.

Металлургический кремний, гранулированный в воде, используют для синтеза галогеносиланов, которые применяют для получения силиконов, как указано в патентах ЕР 0610807 (Wacker Chimie) или EP 0673880 (Pechiney Electrometallurgie). Способ грануляции кремния в воде описан, например, в патенте FR 2723325 (Pechiney Electrometallurgie).

Заявителем был сделан анализ различий между двумя указанными типами гранул кремния. Первое различие касается содержания мелких частиц. Действительно, в дробленом кремнии было отмечено значительное количество частиц размером менее 5 мкм. Опыт показывает, что просеивание порошка для удаления фракции, содержащей частицы размером менее 50 мкм, оказывается совершенно неэффективным для устранения более мелких частиц, размером, например менее 5 мкм. Такие очень мелкие частицы, возможно, появляются во время упаковки продукта, и изучение порошка под микроскопом подтверждает их присутствие. Изменение их относительного количества по массе можно определить лазерной гранулометрией. Во фракции кремния с размером от 1 до 10 мм, полученной сухим способом, всегда присутствует фракция, по меньшей мере, около 0,5 мас.% частиц размером менее 5 мкм.

При грануляции кремния в воде можно, наоборот, извлечь пользу из метода получения продукта и включить в способ стадию промывки водой, которая позволит устранить большую часть частиц размером менее 5 мкм. Таким образом можно получить гранулят, содержащий менее 0,1% частиц размером меньше 5 мкм, даже менее 0,05%, осуществив последовательно две промывки. Интересно также отметить, что в полученном таким образом продукте количество частиц размером соответственно меньше 50 мкм и 5 мкм остается практически неизменным при его последующем нагревании до температуры жидкого металла.

Другое отличие было выявлено во время опытов введения кремния в жидкий алюминий, которые заявитель поставил в лаборатории. Действительно, эти опыты показали особое поведение кремния, гранулированного в воде, по отношению к измельченному кремнию. Помещенные на поверхность ванны расплавленного алюминия эти гранулы неожиданно взрываются и распадаются на более мелкие гранулы, которые отбрасываются на несколько десятков сантиметров. Можно было бы подумать, что такое поведение является следствием остаточных небольших количеств (следов) влаги. Чтобы прояснить это, заявитель провел опыты в лабораторной печи, которая была пустой, т.е. без расплавленного алюминия, при температуре от 700 до 850°С. Поведение гранулированного кремния, помещенного в эту печь в указанных условиях, было такое же, как и в присутствии алюминия, что исключает объяснение его поведения взаимодействием между алюминием и возможными следами влаги.

Взрываются не несколько гранул гранулированного кремния, а их большая часть, что исключает объяснение внезапным испарением включений воды, случайно присутствующих в некоторых из указанных гранул.

Разрыв самых больших гранул является относительно поверхностным, и ядра остаются механически стабильными. И наоборот, каждая гранула размером менее 10 мм распадается не более чем на 2-4 части. Полученный продукт не содержит мелких частиц как размером менее 50 мкм, так и менее 5 мкм. Таким образом, при проведении опыта с образцом гранул размером от 5 до 6,7 мм после термической обработки получают следующий состав, выраженный количеством гранул:

гранулы размером более 5 мм: 37%

гранулы размером от 2 до 5 мм: 47%

гранулы размером от 1,6 до 2 мм: 7%.

Причину такого поведения гранулированного кремния следует, вероятно, искать во внутреннем механическом напряжении, аккумулированном в металле при его быстром отверждении, которое высвобождается в результате теплового шока, вызванного его введением в жидкий алюминий.

Что касается гранул размером больше 10 мм, феномен менее ярко выражен, и поведение гранул, полученных в результате грануляции в воде и измельчения самых больших из полученных гранул, можно перепутать с поведением кремния, отлитого в слитки, раздробленного и измельченного. Такое поведение может быть связано с плохой теплопроводностью кремния, в связи с чем при грануляции в воде эффект резкого охлаждения испытывает только оболочка гранул, а температура их внутренней части понижается значительно медленнее.

Поскольку при грануляция жидкого кремния в воде можно получить продукты с размером гранул от 0 до 30 мм, необходимо выделить из гранулированного кремния путем, например, просеивания фракцию более мелких частиц, ограничившись фракцией менее 10 мм.

Для получения удовлетворительного коэффициента использования кремния при его введении в жидкий алюминий необходимо соблюдать некоторые условия. Поскольку разница плотности твердого гранулированного кремния и жидкого алюминия очень незначительна, гранулированный кремний, как и дробленый кремний, имеет тенденцию плавать на поверхности ванны и может предпочтительно оказаться в шлаке. Поэтому правильнее удалять шлак с поверхности ванны с расплавленным металлом прежде, чем вводить гранулированный кремний. Кроме того, предпочтительно осуществлять процесс при температуре от 800 до 850°С, т.е. примерно, по меньшей мере, на 50°С выше температуры, принятой в обычных рабочих условиях.

В указанных условиях отмечают, что:

- скорость растворения гранулированного кремния выше, чем дробленого кремния при сравнимой гранулометрии (размере зерен). Выигрыш в скорости растворения, который дает гранулированный кремний, является более значительным, чем тот, который дает повышение температуры, и недостатки, связанные с окислением ванны, не возникают;

- при использовании быстрорастворяющегося продукта перемешивание ванны можно осуществлять реже и менее интенсивно, чем при использовании продукта, который растворяется медленно.

Таким образом, можно сократить время производства сплава и число перемешиваний, что позволяет значительно уменьшить потери при окислении. Следует, таким образом, отметить, что выигрыш в выходе металла, равный 1% при работе со 100 кг, может достигать 3% при работе с 5 т.

Способ согласно изобретению позволяет получать сплавы Al-Si, качество которых является, по меньшей мере, таким же высоким, что и при применении дробленого и измельченного кремния. Качество сплавов с включениями находится на том же уровне, при этом количество включений, обнаруженных в сплавах, изменяется незначительно. Содержание водорода, измеряемое в жидком сплаве, составляет примерно от 0,1 до 0,2 см³ водорода на 100 г сплава. При введении кремния это содержание изменяется примерно на 10% независимо от типа используемого кремния, что подтверждает тот факт, что использование гранулированного кремния не приводит к значительному притоку водорода.

Примеры

В нижеследующих примерах контроль качества жидкого металла с включениями осуществляли с помощью тестов K-Mold и LIMCA (Liquid Metal Cleanliness Analysis), цель которых заключалась в количественном определении концентраций оксидных включений с результатами, выраженными в единицах, соответствующих каждому из указанных тестов.

Тест K-Mold заключается в подсчете числа включений, обнаруженных на поверхности излома образца, отлитого в определенной форме. Результаты выражают числом включений на поверхности излома образца. Этот тест позволяет выявить крупные включения, обычно фракции с размерами 50-300 мкм.

Контроль LIMCA осуществляют с использованием оборудования, аналогичного Coulter Counte, и определяют концентрацию в металле твердых включений размером от 20 до 150 мкм; результаты выражены числом включений на 1 кг металла. Для сплавов типа Al-Si можно наблюдать от 1000 включений на 1 кг сплава, считающегося чистым, до 100000 включений на 1 кг очень грязного сплава.

Контроль содержания водорода осуществляют с помощью устройства ALSCAN, которое позволяет провести измерение непосредственно в жидком сплаве. Результаты выражены в см³ газообразного водорода на 100 г сплава в условиях нормальной температуры и давления.

Пример 1

Продукт из кремниевой печи, обработанный в ковше для устранения в основном кальция, отлили в изложнице в слиток толщиной 10 см.

Получили следующие результаты анализа металла:

Fe: 0,27%; Са: 0,045%; Al: 0,12%; С: 0,08%; Р: 12 млн.д. (миллионных долей) Mn: 0,07%; Cr: 3 млн.д.; Cu: 1 млн.д.; Ti: 12 млн.д.; Ni: 4 млн.д.; V: 8 млн.д.

Этот продукт измельчили до максимального размера гранул 10 мм, затем просеяли через сито с ячейками 1 мм, чтобы отделить фракцию 1-10 мм. Для определения гранулометрического качества этого продукта взяли образец, затем промыли его водой.

Воду, использованную для промывки, затем выпарили, чтобы получить мелкие захваченные частицы, анализ которых провели с помощью лазерного гранулометра. Таким образом смогли воссоздать настоящий гранулометрический анализ исходного продукта, в составе которого оказалось 0,51% мелких частиц размером менее 5 мкм.

Такой обычный кремний, отлитый в слитки, дробленый, затем измельченный и просеянный для отделения частиц от 1 до 10 мм, разделили на четыре одинаковые части, одну из которых использовали в опытном цехе для легирования сплавов Al-Si в ванне перед литьем. Цель операций заключалось в том, чтобы поднять на 1 единицу процентное содержание кремния в сплавах Al-Si с 0, 6 и 12% Si соответственно. Операции осуществили в электропечи сопротивления при 750°С в тиглях, содержащих 100 кг сплава. Время, необходимое для растворения вводимого кремния, составило от 10 до 12 минут.

Опыты, проведенные с металлом до и после введения кремния, показали среднее повышение индекса K-Mold примерно на 10.

Измерения содержания водорода в жидком металле до и после введения кремния показали практически постоянные результаты - примерно 0,18 см³/100 г. Выход металла составил 98,3%.

Пример 2

Вторую часть измельченного кремния из примера 1 использовали во время опыта в цехе по производству сплава A-S13 для легирования ванны перед литьем. Опыт провели в пламенной печи объемом 5 т, температура 750°С в которой была установлена в качестве сигнальной точки. Для осуществления легирования ввели 245 кг продукта, и интервал между указанным введением и конечным литьем составил 47 мин. Осуществили два перемешивания ванны и по окончании процесса получили 16 кг шлаков.

Коэффициент использования кремния, определенный после увеличения процентного содержания кремния в результате введения добавки, составил 93%.

Получены следующие результаты контроля качества сплава A-S13: качество по включениям, определенное по методу LIMCA: 1100 включений на 1 кг. Содержание водорода: 0,20 см³/100 г.

Пример 3

Третью часть измельченного кремния из примера 1 использовали для повторного проведения опыта из примера 1, подняв температуру в печи до 810°С. Время, необходимое для растворения добавок кремния, составило от 8 до 10 мин, что позволило сделать вывод о 20%-ном выигрыше в результате повышения температуры.

Опыты, проведенные с металлом до и после введения кремния, показали среднее повышение индекса K-Mold примерно на 15.

Измерения содержания водорода в жидком металле до и после введения кремния показали практически постоянные результаты - примерно 0,22 см³/100 г. Коэффициент использования металла составил 96%.

Пример 4

Четвертую часть измельченного кремния из примера 1 использовали во время опыта в цехе по производству сплава A-S13 для легирования ванны перед литьем. Опыт провели в пламенной печи объемом 5 т, в которой была установлена температура 810°С в качестве сигнальной точки. Для осуществления легирования ввели 179 кг продукта, и интервал между этим введением и конечным литьем составил 28 мин. Осуществили два перемешивания ванны и по окончании процесса получили 12 кг шлаков.

Коэффициент использования кремния, определенный после подъема процентного содержания кремния в результате введения добавки, составил 94%.

Получены следующие результаты контроля качества сплава A-S13: качество по включениям, определенное по методу LIMCA: 1400 включений на 1 кг. Содержание водорода: 0,20 см³/100 г.

Пример 5

Опыт по получению гранулированного кремния провели на той же промышленной установке, которую использовали для получения измельченного кремния в примере 1, не изменив ни загрузку печи кремнием, ни условия процесса обработки в ковше в целях измельчения. Находящийся в ковше расплавленный при 1530°С кремний вылили в установку для грануляции в кювете с водой.

Продукт, полученный в грануляционном бассейне, промыли разбрызгиваемой водой прежде, чем высушить его, а затем просеять через 10 мм сито. Фракция частиц с размером больше 10 мм была удалена и использована в других целях. Просеивание через 1 мм сито не проводилось.

Полученный гранулят размером 0/10 мм подвергли гранулометрическому контролю в тех же условиях, что и в примере 1. Обнаружили 0,03% малых частиц размером меньше 5 мкм.

Получили следующие результаты химического анализа металла:

Fe: 0,28%; Са: 0,038%; Al: 0,14%; С: 0,08%; Р: 12 млн.д.; Mn: 0,07%; Cr: 3 млн.д.; Cu: 1 млн.д.; Ti: 14 млн.д.; Ni: 4 млн.д.; V: 7 млн.д.

Полученный таким образом металл разделили на две равные части, одну из которых использовали в опытном цехе для легирования сплавов Al-Si в ванне перед литьем. Как и в примере 1, цель операций заключалась в том, чтобы поднять на 1 единицу процентное содержание кремния в сплавах Al-Si с 0, 6 и 12% Si соответственно. Эти операции провели в электропечи сопротивления при 750°С в тиглях, содержащих 100 кг сплава. Время, необходимое для растворения вводимого кремния, составило от 10 до 12 мин.

Опыты, проведенные с металлом до и после введения кремния, показали среднее повышение индекса K-Mold примерно на 12.

Измерения содержания водорода в жидком металле до и после введения кремния показали практически постоянные результаты - примерно 0,20 см³/100 г. Коэффициент использования металла составил 99,0%.

Пример 6

Вторую часть гранулированного кремния из примера 5 использовали во время опыта в цехе по производству сплава A-S13 для легирования ванны перед литьем. Опыт провели в пламенной печи объемом 5 т, температура 810°С в которой была установлена в качестве сигнальной точки. Для осуществления легирования ввели 256 кг продукта. Плавление и смешивание указанной добавки произошли очень быстро; осуществили только одно перемешивание ванны, и литье началось через 19 мин после введения кремния. По окончании процесса получили только 3,5 кг шлаков.

Коэффициент использования кремния, определенный после увеличения процентного содержания кремния в результате введения добавки, составил 98%.

Качество по включениям, определенное по методу LIMCA: 800 включений на 1 кг. Содержание водорода: 0,18 см³/100 г.

1. Способ производства сплавов Al-Si, включающий введение в жидкий алюминий частиц кремния размером не более 10 мм, отличающийся тем, что в качестве частиц кремния используют гранулят кремния, полученный путем грануляции кремния в воде и имеющий свойство фрагментироваться на более мелкие гранулы после нагревания гранулята до температуры жидкого алюминия, при этом гранулят вводят в жидкий алюминий при температуре от 700 до 850°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что гранулят кремния вводят при температуре от 800 до 850°С.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что используют гранулят кремния, содержащий менее 0,1% гранул размером менее 5 мкм.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что используют гранулят кремния, содержащий менее 0,05% гранул размером менее 5 мкм.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют гранулят кремния, содержащий после фрагментации менее 0,1% гранул размером менее 5 мкм.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют гранулят кремния, представляющий собой фракцию с размерами гранул от 1 до 10 мм, полученную путем просеивания.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что гранулят кремния однократно или многократно последовательно промывают водой для удаления более мелких частиц и высушивают.