Способ подготовки шихтовой заготовки для получения изделий методом литья
Владельцы патента RU 2678628:
Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" (RU)
Изобретение относится к металлургическому производству, в частности к шихтовой заготовке, которую используют для получения бронзовых заготовок методом литья. В качестве исходной шихты используют отработанный в процессе электролитического получения алюминия инертный анод, имеющий состав, вес.%: медь 45-60, никель 10-25, железо - остальное, который засыпают глиноземом с обеспечением его взаимодействия с вытекающим электролитом во время термообработки, проводимой в интервале температур 950-1200°С и выдержкой в печи по меньшей мере 3 суток. Изобретение позволяет получить шихтовую заготовку с минимальным содержанием в ней электролита. 3 з.п.ф-лы, 4 ил., 3 табл.
Область техники
Изобретение относится к металлургическому производству, в частности, к металлической твердой шихте, которая может быть использована для производства изделий методом литья в песчаные формы, а также центробежного литья при получении бронзовых заготовок.
Предшествующий уровень техники
Известны разные классы инертных анодов, используемых при электролизе: металлические, керамические и керметные. С точки зрения экономической эффективности и технической реализуемости, наиболее предпочтительными являются аноды из металлических сплавов, так как они обладают меньшей стоимостью, высокой электропроводностью, пластичностью и одновременно механической прочностью, легко обрабатываются и свариваются (международная заявка WO 2015/026257). Недостатком данной технологии является то, что при электролизе снижается концентрация железа в отливках, пустоты заполняются электролитом, что затрудняет дальнейшую переработку отливок для последующего их вовлечения в переработку.
Известен способ получения литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе (патент РФ №2470081, С22С 1/02, С22В 9/02, опубл. 20.12.2012), включающий подготовку шихтовых материалов, содержащих отходы жаропрочных никелевых сплавов, и их последующий переплав в вакууме. В качестве отходов жаропрочных никелевых сплавов используют возврат литейного производства и стружку, полученную при резке прутков жаропрочных никелевых сплавов, в количестве 3-10% от массы шихтовых материалов. Стружку предварительно промывают в проточной водопроводной воде до остаточного содержания масел на поверхности стружки в количестве 3-5%, обезжиривают в ультразвуковой ванне с водным раствором технического моющего средства, промывают в ультразвуковой ванне с использованием проточной водопроводной воды, а затем осуществляют промывку в непроточной дистиллированной воде. Далее проводят конвекционную сушку в сетчатых вращающихся барабанах и магнитную сепарацию стружки.
Недостатком способа является длительный технологический цикл, большое количество оборудования, большое количество обслуживающего персонала, высокие трудозатраты.
Известен способ получения шихтового материала для металлургического передела (патент РФ №2149190, С21С 5/52, С22В 1/00, опубл. 20.05.2000), который включает: предварительное заполнение мульд разливочной машины наполнителем, последующую заливку его жидким чугуном и воздействие на наполнитель силой, обеспечивающей преодоление Архимедовой силы. В качестве наполнителя используют твердые добавки, обладающие магнитными свойствами. Воздействие на твердые добавки осуществляют сразу после заливки чугуном знакопеременным, переменным или постоянным магнитным полем в течение 1-6 с напряженностью магнитного поля, обеспечивающего силу в пределах 0,01-50 Тл.
Недостатком способа является необходимость обеспечения постоянного или переменного магнитного поля, отсутствия возможности удаления из шихтовой заготовки остатков электролита по всему объему, образование большого количества фторсодержащих паров и науглероживание шихтовой заготовки.
Раскрытие изобретения
Задачей предложенного изобретения является удаление электролита из отработанного инертного анода для повторного использования при изготовлении отливок и слитков.
Техническим результатом является решение поставленной задачи и получение шихтовой заготовки с минимальным содержанием в ней электролита.
Технический результат достигается тем, что способ подготовки шихтовой заготовки для получения изделий методом литья в песчаные формы или методом центробежного литья включает засыпку отработанного в процессе электролиза инертного анода глиноземом с термообработкой в интервале температур 950-1200°С, при контролируемом следующем основном составе получаемой шихты, вес. %:
| Медь | 45-60% |
| никель | 10-25% |
| железо | остальное. |
Способ характеризуется частными примерами реализации. Так, термообработку инертного анода с глиноземом проводят совместно, выдержка в печи по меньшей мере 72 часа или 3 суток. Глинозем дозируют из условия обеспечения полного погружения в него отработанного инертного анода, для этого соотношение объема глинозема должно быть в 3,4 раза больше по отношению к отработанному инертному аноду. Инертный анод засыпают глиноземом и обеспечивают его взаимодействие с вытекающим электролитом во время термообработки.
Осуществление изобретения
В процессе электролитического получения алюминия с использованием инертных анодов происходит снижение содержания железа в них. Пустоты, образовавшиеся при растворении железа в процессе электролиза, заполняются электролитом, который во время плавки попадает в рабочее пространство плавильной печи, разрушая футеровку и загрязняя жидкий металл неметаллическими включениями, а воздушное пространство над печью наполняется большим количеством фторсодержащих паров.
Были исследованы образцы отработанных инертных анодов. Наибольшее количество фторидов регистрируется в центральной пористой части образца, причем содержание фтора варьируется в очень широких пределах (от 5% до 33%), что объясняется наличием менее пористых участков в структуре оксидного слоя анодной решетки после электролитического испытания. Основными компонентами электролита являются фтор, натрий, калий. Результаты представлены в таблице 1.
Для нейтрализации вытапливающегося электролита, отработанный инертный анод засыпается глиноземом, который во время термообработки взаимодействует с вытекающим электролитом. Глинозем после термообработки может быть использован при электролитическом получении алюминия.
Термообработку отработанного инертного анода проводят в интервале температур 950°С-1200°С и выдержкой в печи около 3 суток. Это оптимальные условия для термообработки отработанного инертного анода, полученные экспериментально, при которых достигается технический результат.
Нагрев менее 950°С не позволит перевести электролит в жидкое состояние, которое необходимо для удаления его из отработанного инертного анода, поддерживать температуру более 1200°С нет необходимости, так как к моменту нагрева печи до температуры 1200°С весь электролит удаляется из отработанного инертного анода.
Глинозем дозируют из условия обеспечения полного погружения в него отработанного инертного анода, экспериментально установлено, что для этого соотношение глинозема должно быть в 3,4 раза больше по отношению к отработанному инертному аноду. Такое соотношение обеспечивает равномерную подушку глинозема по всему периметру отработанного инертного анода, которая не позволяет вытапливающемуся электролиту взаимодействовать с емкостью где производится термообработка, тем самым разрушая ее.
При опытно-промышленных испытаниях проводился эксперимент по уменьшению количества глинозема до 1-2 раз больше по отношению к отработанному инертному аноду, в результате которого произошло разрушение емкости, также при термообработке наблюдалось большое выделение газообразных соединений.
Минимально достигнутое время обжига - 72 часа или 3 суток без учета охлаждения до комнатной температуры.
Выдержка в печи менее 3 суток нецелесообразна, так как за это время отливка не прогревается настолько, сколько необходимо для удаления электролита, а более 3 суток приведет к дополнительным затратам электроэнергии.
После проведения опытно-промышленных испытаний, образцы отработанных инертных анодов были переданы в НАЛ ЛЦ ООО «РУСАЛ ИТЦ» для исследования их структуры.
Исследования структуры представленных образцов проводились на оптическом стереомикроскопе OLYMPUS SZX16 (ОМ). Для построения графиков распределение содержания химических элементов по сечению предоставленных образцов отработанных инертных анодов проводился микрорентгеноспектральный анализ на электронном сканирующем микроскопе FEI Quanta FEG 650 (SEM) с энергодисперсионным спектрометром X-MaxN SDD (EDS).
При структурном анализе выявлено, что образцы имеют слоистую структуру. На поверхности образцов наблюдается относительно плотный оксидный слой различной толщины, а основа представляет собой пористые и неоднородные остатки металла. Для построения графиков распределения химических элементов по сечению огарков использовался метод EDS-анализа.
Основной состав получаемой шихты, вес. %: медь 45-60, никель 10-25, железо - остальное. Данный состав шихтовой заготовки позволяет вовлекать ее при изготовлении деталей методом литья с высоким содержанием меди и никеля. Распределение химических элементов по сечению образцов показано на графике распределения (фиг. 1).
Примеры конкретного выполнения
Пример 1. Лабораторные испытания.
В качестве исходного материала для разработки методики переработки отработанных инертных анодов с содержанием железа более 70% был выбран отработанный инертный анод 3 кА после 70 дней электролиза.
С помощью рентген анализатора X - МЕТ3000ЕХ+ (метод - FP) определили концентрацию основных легирующих элементов в отработанном инертном аноде, вес. %: медь - 70, никель - 19, железо - 11.
В корундовый тигель загружали отработанный инертный анод массой 2,6 кг и засыпали глиноземом массой 2 кг.
Режим термообработки: нагрев в печи Naberteherm H31\N до 1050°С, выдержка 3 часа, остывание с печью.
Порядка 20%-30% глинозема взаимодействовало с электролитом.
После термообработки отработанный инертный анод чистый, без окалины, не требует дополнительной очистки в дробемете.
Масса отработанного инертного анода после термообработки составила 2,2 кг, разница в весе 0,4 кг.
Для определения количества циклов термообработок, загружаем повторно отработанный инертный анод в тигель и засыпаем глиноземом массой 2 кг. После проведения повторной термообработки масса отработанного инертного анода составила 2,2 кг. Следовательно, при данном режиме термообработки происходит полное удаление электролита.
Пример 2. Опытно-промышленные испытания.
В качестве исходного материала был выбран отработанный инертный анод после 150 дней электролиза.
Для обжига использовалась печь сопротивления мощностью 20 кВт со спиральными нагревателями из фехраля (фиг. 2). Нагреватели расположены по периметру печи и на дне, 3 термопары ТХА помещались в корундовые чехлы и размещались по пространству печи для контроля инерционности печи в режиме реального времени. Чехлы с термопарами внутри емкости засыпались глиноземом вместе с отработанным инертным анодом до полного его скрытия, масса глинозема около 1000 кг.
Одна из термопар измеряла температуру непосредственно на нагревателях, вторая - возле края емкости (внешняя термопара), третья - посредине отработанного инертного анода (внутренняя термопара).
После помещения внутрь печи отработанного инертного анода массой 330 кг, нагревали до температуры 950°С.
После термообработки глинозем, который прореагировал с электролитом, довольно легко отделяется от отработанного инертного анода в количестве ~10% от массы образцов.
В качестве материала емкости для термообработки использовали сталь 20х23н18.
В образце после термообработки обнаружено минимальное содержание фтора, натрия и калия как компонентов электролита, что позволяет говорить о практически полном очищении отработанного инертного анода. Результаты представлены в таблице 2. Данные локального химического состава собирались с участков, расположенных вдоль красных линий (фиг. 3).
Пример 3. Аналогично примеру 2, проводили испытания при температуре нагрева 1050°С, все остальные данные оставались неизменными. В образце после термообработки обнаружено минимальное содержание фтора, натрия и калия как компонентов электролита. Результаты представлены в таблице 3. График проведенного режима термообработки представлен на фиг. 4.
Пример 4. Аналогично проводили испытания при температуре нагрева 1200°С, все остальные данные оставались неизменными. Полученные результаты были аналогичными примерам 2, 3.
Отличия данного метода от всех аналогов заключаются в том что, речь идет о переработке электролит-содержащих шихтовых материалов, а именно отработанных инертных анодов, которые могут быть вовлечены для дальнейшего переплава.
Способ позволяет удалять электролит из отработанного инертного анода для повторного использования при изготовлении отливок и слитков, без выделений газов в окружающую среду.
1. Способ получения шихтовой заготовки для изготовления отливок, содержащих медь, никель и железо, характеризующийся тем, что в качестве исходной шихты используют отработанный в процессе электролитического получения алюминия инертный анод, имеющий состав, вес. %: медь 45-60, никель 10-25, железо - остальное, который засыпают глиноземом с обеспечением его взаимодействия с вытекающим электролитом во время термообработки, проводимой в интервале температур 950-1200°С и выдержкой в печи по меньшей мере 3 суток.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что он предназначен для изготовления отливок методом центробежного литья или литья в песчаные формы.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют дозирование глинозема при засыпке из условия обеспечения полного погружения в него упомянутого инертного анода.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соотношение объема глинозема составляет в 3,4 раза больше по отношению к упомянутому инертному аноду.
