Способ очистки алюминия и его сплавов от интерметаллидов и иных неметаллических включений
Изобретение относится к способу очистки алюминия и его сплавов от интерметаллидов и неметаллических включений. Способ включает перегревание расплава алюминия или его сплава после расплавления до температуры 750-800°С и заливку его во вращающуюся изложницу, предварительно раскрученную до достижения у внешней стенки вращающейся изложницы значения гравитационного коэффициента, равного 170-200. При вращении изложницы обеспечивают отбор тепла от внешней стенки изложницы по направлению к ее оси вращения со средней скоростью охлаждения 0,02-0,1°С /с для перемещения интерметаллидов и неметаллических включений давлением плоского фронта кристаллизации в направлении к оси вращения изложницы кристаллизатора при остывания расплава в этом же направлении. А при достижении температуры отливки меньше температуры солидус отливку охлаждают и определяют размер центральной части отливки, занятой вытесненными интерметаллидами и неметаллическими включениями, и эту центральную часть отливки удаляют. Обеспечивается повышение степени очистки. 3 ил.
Изобретение относится к области металлургии, а точнее к металлурги алюминия и его сплавов, но может найти применение и в других областях металлургии.
Очистка алюминия и алюминиевых материалов от различных неметаллических примесей является актуальной задачей современной металлургии. Потребность в чистых и особо чистых алюминиевых материалах непрерывно растет. Существующие технологические подходы к проблеме не позволяют в полной мере получать желаемые результаты. Кратко, они сводятся к разного рода лифтингам связанных включений на поверхность расплава с последующим их сбором. Сюда же относятся и процессы барботажа различными газами расплавов алюминиевых материалов, позволяющие связать не желательные металлические примеси, превращая их в интерметаллиды. Таким образом, конечной задачей получения алюминиевых материалов заданной чистоты является удаление интерметаллидов.
В последнее время металлургическая наука отметила недооцененную ранее роль модулятора основных служебных свойств металлических материалов, в частности алюминиевых, которым являются малые (сотые доли масс. %) примеси наноразмерных частиц или комков интерметаллидов различной природы. Именно этим объясняется разброс показателей свойств отливок полученных казалось бы при одних и тех же условиях их получения. Особенно заметна негативная роль интерметаллидных включений в процессах рециклинга алюминия, где именно проблема удаления интерметаллидов и других не металлических включений является главным препятствием получения вторичного алюминия заданного качества.
Существующие способы очистки расплавов керамическими фильтрами, химической обработкой, с последующей очисткой зеркала расплава от всплывших связанных включений не достаточно эффективны. Способ очистки зонной плавки достаточно эффективен в конечном результате, но не приемлем по длительности процесса (до нескольких десятков часов), сложности аппаратного обеспечения и дороговизне технологического процесса, что делает его применение целесообразным при получении чистого и особо чистого алюминия в сравнительно небольших объемах.
Известен патент RU 2312156, С22 В21/00, С30В 13/00, С22В 9/02, опубл. 10.12.2007 (принятый за прототип), в котором описан способ производства особо чистых металлов и монокристаллов из них (в том числе, алюминия и алюминиевых сплавов), заключающийся в том, что для получения монокристаллической структуры и сопутствующего рафинирования кристаллизацию расплава проводят в силовом поле центрифуг с коэффициентом гравитации, обеспечивающим создание адекватного переохлаждения в расплаве и равного разнице между оптимальным значением величины переохлаждения, соответствующего максимуму линейной скорости роста кристалла, и интервалом метастабильности роста, при этом указанная разница определяется выражением:
где
θ - поправка коэффициента гравитации;
А, В, L, М - коэффициенты, из которых числовое значение В определяется, исходя из термодинамических характеристик кристаллизатора, определяющих скорость протекания теплопроцессов, а числовые значения A, L, М определяются физико-химическими характеристиками металлов;
Кg - коэффициент гравитации;
Т - температура кристаллизации;
ΔТо - переохлаждения расплава, полученные опытным путем. При этом при рафинировании расплава последний объемно охлаждают со скоростью 0,02-0,08°С/с.
В этом способе процесс вытеснения плоским фронтом кристаллизации (ФК) включений не востребованный самим процессом кристаллизации в центральную часть кристаллизатора является побочным, не оптимизированным процессом. Предлагаемый диапазон гравитационных коэффициентов Kg совершенно не подходит для организации процесса вытеснения ФК не металлических примесей, так как противодействующая сила разделительной диффузии с ростом Kg становится непреодолимой. Более того, в нем игнорируются необходимые термодинамические условия направленной кристаллизации, а провозглашаемые условия проведения процедуры в условиях равномерного объемного охлаждения представляются недостижимыми в силу влияния скрытой теплоты на процесс. Также не учтен необходимый перегрев расплава перед заливкой в кристаллизатор на величину, обеспечивающую нахождение расплава в жидкой фазе до полного заполнения изложницы кристаллизатора и создания в кристаллизаторе нужного Kg. Гравитационный коэффициент - это безразмерная величина, показывающая во сколько раз величина ускорения центробежных сил во вращающейся изложницы кристаллизатора больше ускорения гравитационных сил на поверхности земли: Kg=ω2R/g.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении степени очистки алюминия и его сплавов за счет применения процесса вытеснения фронтом кристаллизации интерметаллидов и неметаллических включений.
Указанный технический результат достигается тем, что способ очистки алюминия и его сплавов от интерметаллидов и иных неметаллических включений характеризуется тем, что расплав алюминия или его сплава после расплавления перегревают до температуры 750-800°С и заливают в изложницу кристаллизатора, предварительно раскрученную до достижения у внешней стенки вращающейся изложницы кристаллизатора значения гравитационного коэффициента равного 170-200, и при вращении изложницы кристаллизатора обеспечивают отбор тепла от внешней стенки изложницы по направлению к ее оси вращения со средней скоростью охлаждения 0,02-0,1 грС/с для перемещения интерметаллидов и иных неметаллических включений давлением плоского фронта кристаллизации в направлении к оси вращения изложницы кристаллизатора при остывания расплава в этом же направлении, а при достижении температуры отливки меньше температуры солидус отливку охлаждают и определяют размер центральной части отливки, занятой вытесненными интерметаллидами и неметаллическими включениями, и эту центральную часть отливки удаляют.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения указанного технического результата.
Новый способ иллюстрируется поясняющим иллюстративным материалом, на котором:
фиг. 1 - схема продвижения фронта кристаллизации своей двухфазной зоной;
фиг. 2 - схема действия сил на зерно примеси;
фиг. 3 - конструктивная схема изложницы кристаллизатора.
Предлагается новый способ очистки алюминия и его сплавов за счет применения процесса вытеснения фронтом кристаллизации интерметаллидов и неметаллических включений, при котором размер включений не играет существенной роли. Предлагаемый способ лишен названных недостатков прототипа и позволяет очистить расплав алюминия уже в процессе кристаллизации этого расплава.
Согласно настоящего изобретения способ очистки алюминия и его сплавов от интерметаллидов и иных неметаллических включений строится на следующей последовательности взаимосвязанных действий:
- расплав алюминия или его сплава после расплавления перегревается до температуры 750-800°С заливают в изложницу кристаллизатора, которую предварительно раскрутили до достижения у внешней стенки вращающейся изложницы кристаллизатора значения гравитационного коэффициента равного 170-200;
- при вращении изложницы кристаллизатора обеспечивают отбор тепла от внешней стенки изложницы по направлению к ее оси вращения со средней скоростью охлаждения 0,02-0,1 грС/с;
- это делается для перемещения интерметаллидов и иных неметаллических включений давлением плоского фронта кристаллизации в направлении к оси вращения изложницы кристаллизатора при остывания расплава в этом же направлении;
- при достижении температуры отливки меньше температуры солидус отливку охлаждают и определяют размер центральной части отливки, занятой вытесненными интерметаллидами и неметаллическими включениями, и эту центральную часть отливки удаляют.
Существующая в современной металлургии практика очистки металлов и сплавом базируется на использовании фильтров, через которые проливается очищаемый расплав. Степень очищения определяется размером ячейки фильтра. Современные промышленные фильтры обычно задерживают включения размерностью 5 микрон и более, то есть, чем больше размер нерастворенных включений, тем легче их отфильтровать. А область размеров включений от 5 микрон и менее, включая нано размерные частицы и комки наночастиц, для современных промышленных фильтров для очистки просто не доступны. Частично к решению задачи приближается способ очистки зонной плавкой со всеми своими названными недостатками
Предлагаемый способ решает эту задачу. Важным представляется, что именно малоразмерные включения "фильтруются" в первую очередь. Дело в том, что, чем меньше размер включения, тем легче плоскому фронту кристаллизации Front (ФК) продвигать его своей двухфазной зоной и тем меньше противодействие силы разделительной диффузии (фиг 1).
В сплавах, затвердевающих в интервале температур, эта поверхность соответствует началу кристаллизации, которая заканчивается на некотором расстоянии от нее, а именно на изотермической поверхности, соответствующей температуре неравновесного солидуса. Область, заключенная между границами начала и конца затвердевания, состоит из двух фаз, причем количество твердой фазы в ней изменяется в соответствии с распределением температуры и темпом кристаллизации. Ширина двухфазной зоны равна частному от деления величины температурного интервала кристаллизации сплава на среднюю величину температурного градиента в этой зоне. В свою очередь температурный градиент тем круче, чем выше интенсивность охлаждения, меньше толщина затвердевшего слоя слитка и ниже теплопроводность сплава.
Предлагаемый способ очистки алюминия и его сплавов от интерметаллидов и иных неметаллических включений основан на процессе вытеснения неметаллических включений, в том числе и интерметаллитов, плоским фронтом ФК, движущимся к центральной части вращающейся с заданной скоростью ω изложницы в градиентном поле центробежных сил F от внешней стенки изложницы к центру в русле, определенном вектором термодинамического предпочтения изложницы. Термодинамический вектор задается конструкцией изложницы (фиг. 2). При этом давлению фронта кристаллизации противодействует центробежная сила F, действующая на массу m вытесняемой частицы. В результате наложения на частицу двух противодействующих сил возникают ограничения по массе вытесняемых включений.
Особенностью заявленного способа является то, что коэффициент гравитации Kg одинаков в любых точках расплава, равноудаленных от оси вращения изложницы кристаллизатора, что обеспечивает получение абсолютно плоских ФК. Воздействие повышенной гравитации приводит к резкому уменьшению двухфазной зоны, что обеспечивает гораздо более эффективную очистку (рафинирование) расплава. Перечисленные обстоятельства, аналитически рассчитанные и экспериментально подтвержденные, позволяют утверждать, что данный способ в отличие от любых существующих способов очистки алюминия и его сплавов от интерметаллидов и иных неметаллических включений эффективнее в разы.
Фронтом кристаллизации (или фронтом роста) называют изотермическую поверхность, являющуюся границей фазового перехода расплав - кристалл и перемещающуюся по сплаву, находящемуся в литейной форме, по мере его кристаллизации. При этом при наличии плоского ФК происходит перемещение примесей этим фронтом, а если фронт кристаллизации искривлен, то и в поперечном сечении слитка должно выявляться спиральное распределение примесей. Число витков этой спирали зависит от кривизны фронта кристаллизации. Об эффекте перемещения примесей движением ФК при наличии перегрева расплава указано в диссертации канд. физ.-мат.наук Асеева Данила Леонидовича "Нелинейная динамика двухфазной зоны в процессах затвердевания расплавов", Екатеринбург, 2006, РГБ ОД, 61:07-1/285, 131 стр. Однако, данный процесс в нормальных условиях атмосферного давления имеет неустойчивый характер, приводящий при перемещении примесей к их одновременному распределению по длине отливки.
Для исключения "прорыва" примесей в прокристаллизовавшуюся зону в рамках реализации заявленного способа расплав алюминия или его сплава/вов после расплавления перегревают до температуры 750-800°С и заливают в подготовленную изложницу кристаллизатора (фиг. 3). Подготовка изложницы кристаллизатора заключается тем, что перед заливкой перегретого расплава ротор 1 кристаллизатора вместе с футерованной изложницей раскручивается до достижения у внешней стенки вращающейся изложницы значения гравитационного коэффициента равного 170-200. Раскрутка изложницы кристаллизатора до значения гравитационного коэффициента равного 170-200 позволяет существенно сузить ширину двухфазного слоя, при которой влияние примеси на процесс затвердевания (появление зерна) не влияет на изменение температуры фазового перехода (ликвидуса) смеси. Для расплава, как это имеет место в современных процессах кристаллизации, температура ликвидуса является функцией концентрации примеси, а процесс кристаллизации сопровождается при направленном затвердевании расплава диффузией примесей (в настоящее время диффузией примеси в твердой фазе традиционно пренебрегают). Уменьшение толщины двухфазного слоя приводит к торможению процесса диффузии примесей и одновременному перемещению этих примесей перед ФК в сторону направленного охлаждения расплава.
Особенностью исполнения футерованной изложницы кристаллизатора является то, что она имеет, тем иди иным образом организованное, термодинамическое предпочтение к остыванию расплава от внешней стенки 2 к внутренней центральной части изложницы (к ее оси вращения 3) (фиг. 3). Для формирования заданного режима остывания в заданном направлении изложница оснащается фигурной термодинамической вставкой 4, оказывающей влияние на степень охлаждения участков изложницы. Эта фигурная вставка регулирует теплоотдачу от расплава и прокристаллизовавшейся его части через боковые стенки. На фиг. 3 показана изложница кристаллизатора, представляющая собой дискообразную (роторного типа) чашу на оси вращения, внутри которой расположена кольцеобразная полая вставка из графита (разборная графитная вставка) с наклонными стенками, толщина которых растет в направлении от оси вращения к наружной (внешней стенке). Такое исполнение изложницы позволяет получить термодинамические характеристики кристаллизатора, позволяющие сформировать преимущественный отбор тепла от внешней стенки изложницы по направлению к центру со средней скоростью охлаждения 0,02-0,1 грС/с.
После завершения процессов кристаллизации (температура отливки меньше температуры солидус) отливку охлаждают и, взятием проб, определяют размер центральной части отливки, занятой вытесненными неметаллическими включениями. Затем загрязненную часть отливки тем или иным способом удаляют. В итоге получают кольцеобразной формы отливку с очищенным металлом или сплавом.
Полученные значения гравитационных коэффициентов, температур перегрева и скорости охлаждения были теоретически рассчитаны и в дальнейшем скорректированы в режиме опытных плавок и представляют собой в большей степени эмпирически полученные значения, при которых возможно реализация заявленного способа и при которых возможно получить высокие степени очистки алюминия и его сплавов.
Для экспериментальной проверки работоспособности изобретенного способа очистки алюминия и его сплавов от интерметаллидов и иных неметаллических включений использовалась лабораторная металлургическая центрифуга с рабочим диаметром изложницы ротора кристаллизатора равном 300 мм и возможностями регулирования оборотов ротора центрифуги в диапазоне 1200-2500 об/мин. Для создания в изложнице технологически необходимого предпочтительного направления охлаждения расплава была изготовлена разборная графитовая вставка (фиг. 3). Вставка подкалиберно вставлялась в изложницу ротора лабораторной центрифуги. Для опытных плавок был выбран алюминий марки А99. Расплав получали в графитовом ковше лабораторной печи сопротивления. Центрифуга вместе с печкой сопротивления монтировалась в согабаритном металлическом ящике, внутренний объем которого наполнялся сверху подсушенным аргоном. После получения слабо перегретого расплава с температурой 750°С, он переливался специальным манипулятором ковша печи в предварительно прогретую до 200°С изложницу с термодинамической вставкой, предварительно раскрученной до оборотов 1800 об/мин. По завершении процесса, полученный отливок извлекался и разрезался на тамплеты. Полученные лабораторные результаты показали очень высокую эффективность процесса.
Минимальная эффективность очистки алюминия наблюдалась при использовании исходного сырья чистотой 99,99%, на выходе получался алюминий чистотой 99,9992%. Максимальная эффективность наблюдалась при получении алюминия чистотой 99,99992% из сырья 99,997% за один цикл рафинирования.
Настоящее изобретение кроме этого, целесообразно применять для эффективного рафинирования любых металлов и их расплавов.
Настоящее изобретение промышленно применимо, так как, основываясь на известных термодинамических и металлургических процессах, позволяет использовать процесс вытеснения плоским ФК в качестве процесса очистки от интерметаллидов и иных неметаллических включений алюминия или его сплава.
Способ очистки алюминия и его сплавов от интерметаллидов и неметаллических включений, характеризующийся тем, что расплав алюминия или его сплава после расплавления перегревают до температуры 750-800°С и заливают во вращающуюся изложницу, предварительно раскрученную до достижения у внешней стенки вращающейся изложницы значения гравитационного коэффициента, равного 170-200, и при вращении изложницы обеспечивают отбор тепла от внешней стенки изложницы по направлению к ее оси вращения со средней скоростью охлаждения 0,02-0,1°С/с для перемещения интерметаллидов и неметаллических включений давлением плоского фронта кристаллизации в направлении к оси вращения изложницы при остывания расплава в этом же направлении, а при достижении температуры отливки меньше температуры солидус отливку охлаждают, определяют размер центральной части отливки, занятой вытесненными интерметаллидами и неметаллическими включениями, и эту центральную часть отливки удаляют.
