Активный раскислитель-модификатор для алюминиевых сплавов и шлаков

Изобретение относится к активному раскислителю жидких и тугоплавких горячих и холодных шлаков в печи цветной металлургии и может быть использовано для обработки алюминия и сплавов на основе алюминия на газовых, газовых отражательных, нагревательных переменного тока и индукционных печах. Активный раскислитель жидких и тугоплавких горячих и холодных шлаков в печи содержит порошок диоксида кремния и смесь следующих компонентов, мас.%: NaCl - не менее 30, KCl - не более 8, SiO₂ - не менее 35, Al₂O₃ - не более 5, Fe₂O₃ - не более 1,5, CaO - не более 5, MgO - не более 1,5. Обеспечивается сокращение времени расплава шихты на 15-25%, снижение угара алюминия, измельчение зерна, повышение плотности, снижение балла пористости, предотвращение окислительной реакции за счет препятствия насыщению сплава водородом, кислородом, понижение температуры заливки ковш-стояк.

 

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано для обработки алюминия и сплавов на основе алюминия на газовых, газовых отражательных, нагревательных (переменного тока) и индукционных печах.

Из уровня техники известна шлакообразующая смесь (патент на изобретение RU № 2572669) для непрерывной разливки стали, включающая аморфный графит, известь, алюминийсодержащие и фторсодержащие вещества, которая дополнительно содержит диоксид кремния при соотношении компонентов, мас. %

Аморфный графит	10-20
Известь	20-30
Диоксид кремния	30-40
Пылевидные отходы производства
алюминия	20-30

Также известна шлакообразующая смесь для промежуточного ковша (патент на изобретение RU № 2356687), содержащая пылевидные отходы производства алюминия, диоксид кремния и пылевидные отходы производства извести, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Диоксид кремния	36-40
пылевидные отходы производства алюминия	19-23
пылевидные отходы производства извести	39-43,

при следующем химическом составе, мас. %:

С	4,0-16,0
CaO	24,0-35,0
SiO2	32,0-40,0
Al2O3	6,0-13,0
F	2,5-8,5
Na2O	2,0-8,0
К2О	0,5-4,0

и отношении CaO/SiO2=0,7-1,0.

Указанная смесь выбрана заявителем в качестве ближайшего аналога.

Технической проблемой, решаемой заявляемым решением, является создание активного раскислителя, адсорбирующего неметаллические включения и блокирующего образование окислов в расплавленном жидком металле.

Техническим результатом, обеспечиваемым при применении заявляемого состава раскислителя при выплавке алюминия и сплавов на основе алюминия, является:

- сокращение времени расплава шихты на 15-25% (время перехода шихты из твердой фазы в жидкую);

- снижение угара алюминия;

- измельчение зерна, повышение плотности, снижение балла пористости;

- предотвращение окислительной реакции за счет препятствия насыщению сплава водородом, кислородом;

- понижение температуры заливки ковш-стояк.

Для достижения заявленного технического результата предлагается активный раскислитель жидких и тугоплавких горячих и холодных шлаков в печи, содержащий порошок диоксида кремния, который согласно заявляемому изобретению представляет собой смесь следующих компонентов, мас. %:

NaCl - не менее 30%;

KCl - не более 8%;

SiO₂ - не менее 35%;

Al₂O₃ - не более 5%;

Fe₂O₃ - не более 1,5%;

CaO - не более 5%;

MgO - не более 1,5%.

Заявляемое соотношение компонентов подобрано опытным путем.

При этом в случае уменьшения содержания NaCl менее 30%, и/или уменьшение содержания KCl более 8%, и/или уменьшение содержания SiO₂ менее 35%, и/или увеличение содержания Al₂O₃ свыше 5%, и/или увеличение содержания Fe₂O₃ свыше 1,5%, и/или увеличение содержания CaO свыше 5%, и/или увеличение содержания MgO свыше 1,5% будет снижаться физико-химическая активность активного раскислителя шлаков при выплавке алюминия или его сплавов.

Активный раскислитель-модификатор никаким образом не изменяет химический состав сплавов. Химические элементы из активного раскислителя не восстанавливаются в расплав.

Активный раскислитель-модификатор может применяться со всеми существующими модификаторами, лигатурами, ферросплавами, науглераживателями, солями. Совместное применение носит экономический эффект и повышает физико-механические свойства готовых металлических изделий через повышение усвоения элементов.

Основными принципами действия заявляемого активного раскислителя является следующее:

- заявляемый состав является сверхактивным по отношению к неметаллическим включениям: отбирает кислород, собирает неметаллические включения и объединяет их в глобулярные частицы малой плотности, которые очень быстро всплывают;

- создается высокая поверхностная энергия (Wпов) на границах между средами (металл-шлак);

- образуются границы между средами (металл-шлак);

- снижаются газов в расплаве с обеспечением вакуумирование без вакууматора;

- температура расплава должна быть меньше критической температуры для сохранения высокой поверхностной энергии.

Процесс превращения оксидов в элементы или перевод высших оксидов в низшие происходит путем отнятия от них кислорода при помощи активного раскислителя, обладающий большим сродством к кислороду, чем восстанавливаемые элементы.

Упругость диссоциации оксида металла растет с повышением температуры. Оксид, имеющий меньшую упругость диссоциации, более прочен, а образующее его вещество обладает большим сродством к кислороду, и поэтому способно отнять кислород от оксида восстанавливаемого металла. Таким образом, восстановителем может быть любой элемент, упругость диссоциации оксида которого меньше упругости диссоциации восстанавливаемого оксида.

Молекулярный водород соединяется с заявляемым активным раскислителем, посредством этого идет снижение концентраторов напряжения в металле.

На этапе расплава шихты получается высокая плотность металла снижается содержанием водорода (плотность повышается на 4-5%), через повышение плотности растет ферростатическое давление расплава - снижается способность атмосферного давления насыщать расплав газами (принцип вакуумирования, но без вакууматора), что позволяет производить расплав шихты на более низкой температуре и как следствие ведет к снижению времени плавки и снижению расхода электроэнергии.

Поскольку окисление происходит минимально, значительно снижается угар.

Применение заявляемого состава позволяет увеличить интервал жидкоподвижности металла в ковше.

Заявляемый состав при своих преимуществах не влияет на химический состав расплава по всем значениям.

Применение заявляемого активного раскислителя возможно на газовых, газовых отражательных, нагревательных (переменного тока) и индукционных печах.

Заявляемый активный раскислитель-модификатор применяется следующим образом:

Норма расхода активного раскислителя-модификатора составляет от 0,2 до 0,4% на массу жидкого металла. В начале плавки подается 50% от общей массы активного раскислителя, по мере осаждения шихты активный раскислитель подсыпается на шлаковые корочковые трещины на зеркале до полной кристаллизации шлаковой корочки в количестве 30%-40% от общей массы используемого при выплавке активного раскислителя. При выпуске металла из плавильного агрегата в промежуточный ковш добавляют оставшиеся 10-20%.

Заявляемый активный раскислитель был опробован при варке следующих марок АМг6, АВ, АД33, АК6, АК8, Д1ч, Д16ч, В96Ц, АК9ч, АК12, АМг10 и т.д.

Смесь активного раскислителя готовилась смешиванием следующих компонентов, мас. %:

NaCl - 37%;

KCl - 8%;

SiO₂ - 42%;

Al₂O₃ - 5%;

Fe₂O₃ - 1,5%;

CaO - 5%;

MgO - 1,5%.

На производственных предприятий активный раскислитель прошел испытания.

В частности, Предприятие 1 использовали активный раскислитель (далее по тексту - флюс ВКФ - 2) при приготовлении АК7ч без вакуумирования и применения модификаторов.

Загрузку шихты производили в печь:

A356,2 - 50 кг

Отходы (крупные) - 104 кг

Общий вес - 154 кг

Химический состав сплава АК7ч:

Химический состав сплава	№ плавки	Время	Основные компоненты в %	Примеси, не более в %	Примечание
Al	Mg	Si	Fe	Mn	Cu	Zn	Ti
По ГОСТ 1583-93	“-“	“-“	Основа	0,2-0,4	6,0-8,0	1,0	0,5	0,2	0,3	0,15
фактический	172Б	13:25	Основа	0,27	7,06	0,16	0,02	0,08	0,03	0,12	Добавили 0,2 кг МГ95
повтор	172Б	13:45	Основа	0,38	6,94	0,16	0,02	0,11	0,04	0,12
повтор	172Б	15:05	Основа	0,34	6,94	0,22	0,02	0,09	0,03	0,11	Из ВРП после заливки

Расплав приготовлен в наклонной печи. Загружено 154 кг шихты.

Модифицирование и вакуумирование сплава не проводили.

Время	Описание	Расход флюса
8:20	На подину, перед завалкой насыпали флюс ВКФ-2
8:25	Загрузили шихту
11:26	Произвели дозагрузку шихты.
12:29	Закончилось расплавление шихты, присыпали флюсом ВКФ-2.
13:15	Присадили Мг95
13:30	Повторно присадили Мг95, присыпали флюсом ВКФ-2
13:50	Перелили сплав в ВРП, насыпав флюс на дно стационарного тигля и при переливе, в выемной тигель	0,05 кг на дно, 0,1 кг в выемной тигель
	Вовремя между заливками, присыпали флюсом поверхность металла в ВРП.
ИТОГО	0,7кг - 0,45% от веса шихты

Заливка отливок и дефекты

№ отливки	Температура сплава °С	Рентгеновский контроль	Примечания
162	710	Годная
163	706	Годная
164	700	Годная

Были залиты плитки на микро, макро анализ, образцы на механические свойства, проведены исследования. Согласно свидетельствам механической лаборатории № 107 от 28.10.19 и № 113 от 01.11.19, а также свидетельству рентгеновской лаборатории № 96 существенных отличий в микро и макроструктуре плавки проведенной при использовании флюса ВКФ - 2 от плавки проведенной по серийной технологии не обнаружено. Механические свойства соответствуют требованию ГОСТ 1583 - 93. Все три отливки признаны годными. Расход флюса при плавке с использованием флюса ВКФ - 2 составил 0,45% от веса шихты (при серийном производстве расход покровно-рафинирующего флюса около 2%), при этом вакуумирование и рафинирование сплава не производилось.

Предприятием было принято решение внести активный раскислитель в технологические документы как допустимый вариант.

На Предприятии 2 был испытан активный раскислитель (флюс ВКФ-2), исследовалось влияние шлакующего флюса ВКФ-2 на свойства сплава АЛ27.

Используемый плавильный агрегат - индукционная печь «Индуктотерм-0,4», заливаемая форма изготовлена с использованием ХТС технологии. За период исследования было проведено девять плавок. Было опробовано несколько видов покровно-рафинирующих флюсов и дегазирующих таблеток. При применении указанных материалов в итоге получали сплав с высоким баллом пористости - 4-5 баллов по ГОСТ 1583-93. При применении флюса ВКФ-2 сплав получили абсолютно плотным, ниже 1 балла. На срезе отливки пористость не просматривается.

При механической обработке изделия получались с гладкой зеркальной поверхностью, из-под резца выходила неломкая вьющаяся стружка, термообработка не проводилась.

В ходе ведения плавки с использованием ВКФ-2 наблюдались следующие эффекты:

- обволакивание поверхности расплава стойкой матовой пленкой;

- «успокаивание» поверхности расплава при наведении магнитной индукции;

- отсутствие газовых выделений во время ведения плавки;

- выведение неметаллических включений на поверхность расплава в шлак.

После заливки сплава в прибылях наблюдались концентрические усадочные раковины. Отливки имели светлую матовую поверхность без бурых разводов. Средний расход шлакующего флюса ВКФ-2 на металлозавалку составил 0,45%.

Активный раскислитель-модификатор для алюминиевых сплавов и шлаков, содержащий порошок диоксида кремния, отличающийся тем, что представляет собой смесь следующих компонентов, мас.%:

NaCl – не менее 30;

KCl – не более 8;

SiO₂ – не менее 35;

Al₂O₃ – не более 5;

Fe₂O₃ – не более 1,5;

CaO – не более 5;

MgO – не более 1,5.