Рафинирующий флюс для удаления магния из алюминиевых сплавов
Изобретение относится к области вторичной металлургии легких металлов, в частности к составу рафинирующего флюса для удаления магния из алюминиевых сплавов. Состав флюса включает хлориды щелочных металлов, криолит и кремнефтористый натрий. Для снижения удельного расхода флюса на 1 кг удаляемого магния в состав флюса дополнительно вводят оксид алюминия при следующем соотношении компонентов (вес.%): Na2SiF6 35-60; γ-Al2О3+α-Al2О3 15-3; Na3AlF6 5-15; KCl 30-12; NaCl 15-10. Содержание α-Al2О3 в порошкообразном активированном оксиде алюминия составляет не более 8% от общего количества входящего в состав флюса оксида алюминия (γ-Al2О3+α-Al2О3). Обеспечивается большая эффективность флюса, снижение его удельного расхода на 1 кг извлекаемого магния в среднем на 4,3 кг ниже, чем у остальных аналогичных флюсов, упрощение технологии рафинирования, улучшение экологической обстановки на рабочих местах и возможность удаления магния из всех алюминиевых сплавов, которые изготавливаются на заводах вторичных цветных металлов. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится ко вторичной металлургии легких металлов, в частности к рафинирующим флюсам, использующимся для удаления магния из алюминиевых сплавов.
Проблема удаления магния из алюминиевых сплавов актуальна. В используемом для вторичной металлургии алюминия сырье содержится, как правило, большое количество магния, и при изготовлении сортовых сплавов с низким содержанием магния его излишек приходится удалять. В связи с этим представляет большой интерес создание эффективного флюса, рафинирующего алюминиевые сплавы от магния.
Известен флюс для рафинирования алюминиевых сплавов от магния, содержащий хлориды щелочных металлов и криолит [1]. Согласно этому изобретению очистку алюминиевых сплавов от магния ведут флюсом следующего состава: 40% NaCl; 20% KCl; 40% Na3AlF6.
Недостатком этого состава флюса является, во-первых, повышенный удельный расход криолита (на 1 кг магния). На практике двойной расход криолита от стехиометрии по реакции:
Во-вторых, высокая температура рафинирования 800°С.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является рафинирующий флюс, состоящий из хлоридов щелочных металлов и кремнефтористого натрия. Данный флюс имеет следующий состав: 52-57% NaCl; 30-35% KCl, 10-15% Na2SiF6 [2].
Основным недостатком этого состава флюса является то, что при взаимодействии кремнефтористого натрия с алюминиевым сплавом при температуре около 600°С начинается выделение газообразного четырехфтористого кремния, что приводит к потерям рафинирующего реагента, а следовательно, и к снижению эффективности флюса. При этом ухудшается экологическая обстановка в цеху - нарушаются нормы ПДК по фтору на рабочих местах.
Задача изобретения - увеличение эффективности флюсового рафинирования алюминиевых сплавов от магния.
Технический результат изобретения достигается тем, что в состав флюса для рафинирования алюминиевых сплавов от магния, включающий хлориды щелочных металлов, криолит и кремнефтористый натрий, вводят дополнительно порошкообразный активированный оксид алюминия γ-Al2О3.
В составе предлагаемого флюса используются следующие соотношения компонентов (вес.%):
| Na2SiF6 | 35-60 |
| γ-Al2О3+α-Al2О3 | 15-3 |
| Na2SiF6 | 5-15 |
| KCl | 30-12 |
| NaCl | 15-10 |
Содержание α-Al2О3 в порошкообразном активированном оксиде алюминия составляет не более 8% от общего количества входящего в состав флюса оксида - γ-Al2О3+α-Al2О3.
Данный состав позволяет уменьшить удельный расход рафинирующего флюса при удалении магния из алюминиевого сплава по сравнению с прототипом. Это достигается прежде всего за счет того, что газообразный SiF4 реагирует с γ-Al2О3 по реакции:
и образует рафинирующий реагент AlF3.
Рассмотрим подробнее механизм рафинирования алюминиевых сплавов от магния в прототипе и прелагаемом изобретении.
Взаимодействие кремнефтористого натрия с алюминием, находящимся в алюминиевом сплаве, протекает в три последовательные стадии уже при температуре 600°С по схеме (3-5) с образованием на одной из стадий газообразного четырехфтористого кремния:
В прототипе образование газообразного четырехфтористого кремния приводит к потерям фтора в газовую фазу и соответственно к увеличению удельного расхода флюса, а также к нарушению экологической обстановки на рабочих местах.
В предлагаемом изобретении появляющийся в процессе рафинирования газообразный SiF4 улавливается γ-Al2О3 по реакции (2).
Реагенты, полученные в результате вышеперечисленных реакций, могут быть использованы для рафинирования алюминиевых сплавов от магния. Магний при этом будет переходить в шлак по следующим реакциям:
Таким образом, в предлагаемом изобретении газообразный SiF4 не улетает из зоны реакции, а образует по реакции (2) активный рафинирующий реагент AlF3, который по реакции (7) рафинирует алюминиевый сплав от магния и тем самым уменьшает удельный расход флюса и соответственно увеличивает его эффективность. Кроме того, экологическая обстановка на рабочих местах значительно улучшается.
В качестве хлоридной составляющей возможно использовать отработанный электролит магниевого производства ("хлор-калий" электролит), что удешевляет процесс рафинирования, не снижая его эффективности.
Соотношение компонентов в данном рафинировочном флюсе объясняется следующим: кремнефтористый натрий является основным поставщиком рафинирующих реагентов и при его содержании менее 35% эффективность флюса будет ниже, чем в прототипе. Увеличение Na2SiF6 более 60% не дает адекватного увеличения эффективности флюса, т.к. флюс становится вязким и за счет снижения его поверхностной активности эффективность всего флюса снижается. Оксид алюминия добавляется для улавливания выделяющегося газообразного SiF4. При содержании Al2О3 менее 3% возможно неполное улавливание выделяющегося газа и соответственно будут увеличены потери рафинирующего реагента. Повышение концентрации Al2О3 более 15% не увеличивает эффективность работы флюса, т.к. его количество будет превышать необходимое для нейтрализации газа SiF4 и не будет участвовать в реакции. Al2О3 будет только увеличивать вязкость флюса, а следовательно, и снижать его эффективность.
Хлориды добавляются для увеличения поверхностно-активных свойств флюса. При содержании хлорида калия менее 12% поверхностные свойства рафинирующего флюса ухудшаются. Содержание хлорида калия более 30% не дает существенного улучшения поверхностно-активных свойств рафинирующего флюса. Содержание хлорида натрия менее 10% не дает заметного снижения поверхностного натяжения на границе металл-оксид, содержание же в соленой смеси хлорида натрия более 15% несущественно улучшает поверхностно-активные свойства рафинирующего флюса. В пределах указанных концентраций хлоридов образуется легкоплавкая эвтектика соленого расплава, которая и обеспечивает необходимые поверхностно-активные свойства рафинирующего флюса.
Криолит (Na3AlF6) добавляется для снижения температуры плавления хлоридной составляющей и соответственно для увеличения поверхностно-активных свойств полученной хлоридно-фторидной системы. Содержание криолита менее 5% не дает существенного снижения температуры плавления хлоридно-фторидной системы, содержание же криолита более 15%, наоборот, сильно увеличивает температуру плавления хлоридно-фторидной системы. В пределах указанных концентраций криолита образуется легкоплавкая эвтектика хлоридно-фторидных расплавов, которая и обеспечивает необходимые поверхностно-активные свойства рафинирующего флюса. Кроме того, криолит является еще и рафинирующим реагентом и способствует удалению магния из алюминиевого сплава.
Что касается γ-Al2О3+α-Al2О3, то содержание в нем более 8% α-Al2О3 не обеспечивает необходимой адгезии газообразного SiF4, соответственно увеличиваются потери рафинирующего реагента и снижается эффективность флюса.
Таким образом, рафинирующий флюс для удаления магния из алюминиевого сплава при соотношении компонентов (вес.%):
| Na2SiF6 | - 35-60 |
| γ-Al2О3+α-Al2О3 | - 15-3 |
| Na3AlF6 | - 5-15 |
| KCl | - 30-12 |
| NaCl | - 15-10 |
обладает минимальным удельным расходом и соответственно высокоэффективен.
Пример 1
Взяли навеску рафинирующего флюса в количестве 50 кг при следующем соотношении компонентов (вес.%):
| Na3SiF6 | - 50 |
| γ-Al2О3+α-Al2О3 (содержание α-Al2О3 2%) | - 10 |
| Na3AlF6 | - 10 |
| KCl | - 18 |
| NaCl | - 12 |
Расплавили алюминиевый сплав с содержанием магния 1,0% в количестве 1 т. Таким образом, в данном количестве алюминиевого сплава содержится 10 кг магния. На поверхность расплавленного металла добавили флюс. Рафинирование вели в течение 20 минут при перемешивании расплава. Через 20 минут взяли пробу металла и проанализировали ее спектральным методом на содержании магния. Количество магния в алюминиевом сплаве уменьшилось до 0,45%. Таким образом, из 1 т расплавленного алюминиевого сплава было извлечено 5,5 кг магния.
Удельный расход флюса на 1 кг магния составил:
50 кг (флюс):5,5 кг (Mg)=9,1 кг флюса/1 кг Mg.
Пример 2
Граничные значения
Взяли навеску рафинирующего флюса в количестве 50 кг при следующем соотношении компонентов (вес.%):
| Na3SiF6 | - 35 |
| γ-Al2О3+α-Al2О3 (содержание α-Al2О3 8%) | - 15 |
| Na3AlF6 | - 5 |
| KCl | - 30 |
| NaCl | - 15 |
Расплавили алюминиевый сплав с содержанием магния 1,0% в количестве 1 т. Таким образом, в данном количестве алюминиевого сплава содержится 10 кг магния. На поверхность расплавленного металла добавили флюс. Рафинирование вели в течение 20 минут при перемешивании расплава. Через 20 минут взяли пробу металла и проанализировали ее спектральным методом на содержании магния. Количество магния в алюминиевом сплаве уменьшилось до 0,51%. Таким образом, из 1 т расплавленного алюминиевого сплава было извлечено 4,9 кг магния.
Удельный расход флюса на 1 кг магния составил:
50 кг (флюс):4,9 кг (Mg)=10,2 кг флюса/1 кг Mg.
Пример 3
Граничные значения
Взяли навеску рафинирующего флюса в количестве 50 кг при следующем соотношении компонентов (вес.%):
| Na3SiF6 | - 60 |
| γ-Al2О3+α-Al2О3 (содержание α-Al2О3 4%) | - 3 |
| Na3AlF6 | - 15 |
| KCl | - 12 |
| NaCl | - 10 |
Расплавили алюминиевый сплав с содержанием магния 1,0% в количестве 1 т. Таким образом, в данном количестве алюминиевого сплава содержится 10 кг магния. На поверхность расплавленного металла добавили флюс. Рафинирование вели в течение 20 минут при перемешивании расплава. Через 20 минут взяли пробу металла и проанализировали ее спектральным методом на содержании магния. Количество магния в алюминиевом сплаве уменьшилось до 0,56%. Таким образом, из 1 т расплавленного алюминиевого сплава было извлечено 4,4 кг магния.
Удельный расход флюса на 1 кг магния составил:
50 кг (флюс):4,4 кг (Mg)=11,3 кг флюса/1 кг Mg.
Пример 4
За граничные значения
Взяли навеску рафинирующего флюса в количестве 50 кг при следующем соотношении компонентов (вес.%):
| Na3SiF6 | - 30 |
| γ-Al2О3+α-Al2О3 (содержание α-Al2О3 12%) | - 20 |
| Na3AlF6 | - 4 |
| KCl | - 37 |
| NaCl | - 9 |
Расплавили алюминиевый сплав с содержанием магния 1,0% в количестве 1 т. Таким образом, в данном количестве алюминиевого сплава содержится 10 кг магния. На поверхность расплавленного металла добавили флюс. Рафинирование вели в течение 20 минут при перемешивании расплава. Через 20 минут взяли пробу металла и проанализировали ее спектральным методом на содержании магния. Количество магния в алюминиевом сплаве уменьшилось до 0,69%. Таким образом, из 1 т расплавленного алюминиевого сплава было извлечено 3,1 кг магния.
Удельный расход флюса на 1 кг магния составил:
50 кг (флюс):3,1 кг (Mg)=16,1 кг флюса/1 кг Mg.
Пример 5
За граничные значения
Взяли навеску рафинирующего флюса в количестве 50 кг при следующем соотношении компонентов (вес.%):
| Na3SiF6 | - 65 |
| γ-Al2О3+α-Al2О3 (содержание α-Al2О3 20%) | - 1 |
| Na3AlF6 | - 16 |
| KCl | - 9 |
| NaCl | - 9 |
Расплавили алюминиевый сплав с содержанием магния 1,0% в количестве 1 т. Таким образом, в данном количестве алюминиевого сплава содержится 10 кг магния. На поверхность расплавленного металла добавили флюс. Рафинирование вели в течение 20 минут при перемешивании расплава. Через 20 минут взяли пробу металла и проанализировали ее спектральным методом на содержании магния. Количество магния в алюминиевом сплаве уменьшилось до 0,68%. Таким образом, из 1 т расплавленного алюминиевого сплава было извлечено 3,2 кг магния.
Удельный расход флюса на 1 кг магния составил:
50 кг (флюс):3,2 кг (Mg)=15,6 кг флюса/1 кг Mg.
Результаты примеров приведены в таблице.
| Таблица | ||||||||
| Пример | Соотношение компонентов, вес.% | Содержание α-Al2О3 в общем (γ-Al2О3+α-Al2О3), % | Удельный расход флюса, кг/кг Mg | Значение | ||||
| Na2SiF6 | γ-Al2О3+α-Al2О3 | Na3AlF6 | KCl | NaCl | ||||
| 1 | 50 | 10 | 10 | 18 | 12 | 2 | 9,1 | среднее |
| 2 | 35 | 15 | 5 | 30 | 15 | 8 | 10,2 | граничное |
| 3 | 60 | 3 | 15 | 12 | 10 | 4 | 11,3 | граничное |
| 4 | 30 | 20 | 4 | 37 | 9 | 12 | 16,1 | за граничное |
| 5 | 65 | 1 | 16 | 9 | 9 | 20 | 15,6 | за граничное |
| Прототип | - | - | - | - | - | - | 14,5 | прототип |
Из таблицы видно, что в случае применения предлагаемого состава флюса (см. примеры 1, 2, 3) удельный расход рафинирующего флюса на 1 кг магния меньше по сравнению с известным в среднем на 4,3 кг. Что касается за граничных значений концентраций компонентов, то их применение нецелесообразно, т.к. удельный расход рафинирующего флюса на 1 кг магния в этих случаях (см. примеры 4, 5) увеличивается и превышает известный, описанный в прототипе.
Источники информации
1. Металлургия вторичного алюминия, Б.А.Фомин, В.И.Москвитин, С.В.Махов. - М.: Экомет, 2004, 238 с. (стр.162).
2. «Флюсовая обработка и фильтрование алюминиевых расплавов», А.В.Курдюмов, С.В.Инкин, B.C.Чулков, Н.Н.Графас. - М.: Металлургия, 1980, 196 с. (стр.131).
1. Состав флюса для рафинирования алюминиевого сплава от магния, включающий хлориды щелочных металлов, криолит и кремнефтористый натрий, отличающийся тем, что он дополнительно включает порошкообразный активированный оксид алюминия при следующем соотношении компонентов, вес.%:
| Na2SiF6 | 35-60 |
| γ-Al2О3+α-Al2О3 | 15-3 |
| Na2AlF6 | 5-15 |
| KCl | 30-12 |
| NaCl | 15-10 |
2. Состав по п.1, отличающийся тем, что содержание α-Al2О3 в порошкообразном активированном оксиде алюминия составляет не более 8% от общего количества входящего в состав флюса оксида алюминия (γ-Al2О3+α-Al2О3).
