Меню Рубрики

Установки для рафинирования алюминиевых сплавов

Рафинирование алюминиевых сплавов

Присутствие в металлах и их сплавах газовых и неметаллических примесей значительно снижает их прочность и пластичность. Для очистки металлов от нежелательных примесей газов, оксидов, нитридов и других неметаллических включений существует комплекс технологических операций, которые можно объединить общим понятием рафинирование.

При рафинировании в расплав вводят инертные или активные газы, а также твёрдые вещества, которые при нагревании легко разлагаются на газообразные продукты. Вследствие низкого давления внутри этих газовых пузырьков в них диффундируют растворенные в металле водород, азот и другие газы, а на поверхности пузырьков адсорбируются твердые частицы неметаллических включений. Пузырьки, достигнув определённого размера, поднимаются на поверхность жидкого расплава, захватывая с собой неметаллические включения.

Существует большое разнообразие оборудования для глубокой очистки алюминия и его сплавов [51]. Стремление повысить надежность установок, упростить конструкцию и повысить производительность процесса рафинирования обусловило применение электротехнологий, основанных на силовом и тепловом воздействии электрического тока на расплав.

Для рафинирования алюминиевых расплавов на ОАО «Красноярский металлургический завод» успешно используют индукционные вакуумные агрегаты типа ИАКМВ [51; 52]. В них нагрев металла и интенсификация тепломассообменных процессов в расплаве реализуется с использованием индукционной единицы, а рафинирование осуществляется при помощи дегазации путём создания глубокого вакуума.

Эффективной установкой внепечного рафинирования в литейном производстве ОАО «Красноярский металлургический завод» показала себя установка МГДР [53]. Устройство выполнено на базе индукционной единицы с дополнительными обмотками [51] для получения вращения металла в каналах.

Технология дегазации в потоке подразумевает очистку металла с помощью вакуумирования и продувки рафинирующим газом. В этом случае благодаря применению цилиндрических МГД-устройств в установке удается достичь достаточно глубокого вакуума, а также получить турбулентное движение расплава за счёт МГД-воздействия на жидкий расплав, что позволяет добиться более мелкой дисперсии газа в металле и, как следствие, лучшей очистки жидкого расплава от водорода.

Принцип действия установки (рис. 1.7, а) заключается в следующем. Металл из желоба (1) через канал (2) за счет разницы давлений поступает в вакуумную камеру (3). МГД-насосы (4), охватывающие каналы и работающие на выкачивание металла, создают дополнительное разряжение в вакуумной камере. Из-за разницы усилий, создаваемых МГД-насосами, в рафинирующей установке создается транзитное течение металла.

В некоторых случаях целесообразна технологическая схема, когда первичный алюминий очищается от вредных примесей в процессе отстаивания в ковше перед заливкой в миксер. Такой способ позволяет экономить время приготовления сплава, поскольку его рафинирование проводится в период отстаивания и в некоторых случаях может исключить повторное рафинирование после приготовления сплава в печи или миксере.

Для реализации такой технологии разработан дугостаторный индуктор, который устанавливается с боковой стороны транспортного ковша [54].

Рис. 1.7. Установка для рафинирования путем вакуумирования (а) и установка рафинирования в ковше (б)

Сущность технологии рафинирования алюминиевого расплава в ковше (рис. 1.7, б) заключается в следующем: жидкий металл (1), находящийся в транспортном ковше, устанавливается на площадку с индуктором МГД-устройства (2). Индуктор создает вращательное движение жидкого металла с воронкообразной лункой на оси вращения и нисходящими осевыми потоками. В образовавшуюся лунку жидкого металла подается солевой раствор рафинирующей смеси дозатором (3), частицы которого вовлекаются в объём расплава в ковше. Образовавшиеся газы отбираются при помощи газоотвода (4).

Технологическая установка, изготовленная и испытанная на предприятии ОАО «РУСАЛ Красноярск», показала положительные результаты при очистке расплавов алюминия от примесей калия, натрия и водорода.

источник

Установка для рафинирования алюминия и его сплавов

Изобретение относится к области металлургии, в частности к установкам для рафинирования расплавленных металлов из алюминия и его сплавов, от неметаллических включений и водорода. Цель изобретения повышение производительности процесса фильтрования при сохранении эффективности рафинирования. Установка содержит камеру фильтрования с сетчатым многослойным фильтром, сливным отверстием и источником ультразвука и снабжена дополнительной камерой фильтрования, внутри которой размещен сетчатый фильт, вокруг которого установлена полая чаша с выполненной по периметру фасоной канавкой. Сам фильтр выполнен плоским и с двух сторон зажат перфорированными металлическими пластинами, а источник ультразвука выполнен с возможностью плоскопараллельного движения по поверхности фильтра. Верхняя перфорированная пластина, зажимающая фильтр, выполнена из титана и сплавов на его основе. Изобретение позволяет повысить производительность процесса рафинирования. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к установкам для рафинирования расплавленных металлов из алюминия и его сплавов, от неметаллических включений и водорода. Известно устройство для рафинирования алюминия и его сплавов, содержащее кристаллизатор, многослойный фильтр из стеклоткани, представляющий собой устройство в виде полого каркаса с натянутой на нем стеклотканью, желоб и миксер. Известное устройство имеет низкую производительность вследствие того, что неметаллические частицы, содержащиеся в расплаве, оседают на фильтре в виде осадка, соответственно уменьшается расход рафинируемого металла через фильтр. Забивание сетки происходит особенно сильно при фильтрации больших масс расплава. Наиболее близким к предлагаемой установке по технической сущности является известное устройство для рафинирования алюминиевых сплавов, содержащее камеру фильтрования с неподвижным сетчатым многослойным фильтром, сливным отверстием и источниками ультразвука. Эта установка имеет низкую производительность, так как ее конструкция позволяет фильтру прогибаться в зоне действия источников ультразвука, вследствие этого фильтр уходит из зоны и эффективность фильтрования падает. Кроме того, фильтр неподвижен, поэтому фильтрование будет происходить лишь с двух противоположных сторон, что также ограничивает производительность устройства. При таком конструктивном исполнении имеет место локальное фильтрование, что также снижает производительность, поскольку расход металла через фильтр небольшой. Целью изобретения является повышение производительности процесса фильтрования. Указанная цель достигается тем, что предлагается установка для рафинирования алюминия и его сплавов, выполненная в виде камеры фильтрования со сливным отверстием, в торце которой со стороны, противоположной миксеру и перпендикулярной ей, смонтирована дополнительная камера фильтрования, внутри которой размещен сетчатый фильтр. Последний выполнен в виде нескольких слоев стеклоткани, зажатых между двумя плоскими перфорированными металлическими пластинами, верхняя из которых изготовлена из титана и сплавов на его основе. Фильтр размещен внутри полой чаши, имеющей по периметру фасонную канавку. В стороне от камеры фильтрования с возможностью поворота смонтирован механизм подъема и опускания источника ультразвука. На поворотной платформе этого механизма установлен механизм привода кривошипов шарнирных параллелограммов, на подвижной шайбе которого с возможностью плоскопараллельного перемещения по поверхности фильтра жестко укреплен источник ультразвука. Отличие предлагаемой конструкции от известной заключается в том, что она снабжена дополнительной камерой фильтрования, внутри которой размещен сетчатый фильтр, вокруг которого установлена полая чаша с выполненной по периметру фасонной канавкой. Сам фильтр выполнен плоским и с двух сторон зажат перфорированными металлическими пластинами, а источник ультразвука выполнен с возможностью плоскопараллельного движения по поверхности фильтра. Верхняя перфорированная пластина, зажимающая фильтр, выполнена из титана и сплавов на его основе. Установка снабжена дополнительной камерой фильтрования. Введение последней позволяет использовать плоские фильтры больших габаритов с обеспечением смачивания их сверху и снизу, а также осуществить движение зоны кавитации относительно поверхности фильтра и, как следствие, интенсифицировать технологический процесс фильтрования. Плоскопараллельное движение источника ультразвука по поверхности фильтра дает возможность использовать всю поверхность фильтра и, соответственно, повысить производительность установки. Необходимо отметить, что только при условии, когда плоскость торца источника ультразвука параллельна плоскости фильтра, наиболее полно используется энергия кавитации, т.е. обрабатывается большая площадь вокруг источника ультразвука. Благодаря тому, что в конструкции фильтра верхняя перфорированная пластина изготовлена из титана и сплавов на его основе в процессе образования слитка происходит модифицирование структуры, так как пластина под действием акустической кавитации, производимой источником ультразвука, разрушается и весь разрушенный при фильтровании титан полностью используется в процессе модифицирования структуры. На фиг. 1 изображена предлагаемая установка, общий вид; на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1. Установка содержит камеру фильтрования 1 со сливным отверстием 2, снабженную дополнительной камерой фильтрования 3 с установленным в ней с возможностью съема сетчатым фильтром 4, вокруг которого размещена полая чаша 5 с выполненной по периметру фасонной канавкой 6. В камере фильтрования 3 с возможностью продольного и плоскопараллельного движений по поверхности фильтра 4 смонтирован источник ультразвука 7. Сетчатый фильтр 4 выполнен плоским и с двух сторон зажат перфорированными металлическими пластинами 8. Верхняя перфорированная пластина, зажимающая фильтр, выполнена из титана и сплавов на его основе. Источник ультразвука 7 жестко закреплен на фланце механизма 9 приводов кривошипов шарнирных параллелограммов, смонтированного на подвижной каретке 10 с возможностью плоскопараллельного и одновременно продольного перемещений. Продольное перемещение осуществляется посредством винтовой передачи 11. Подъем и опускание источника ультразвука осуществляются посредством механизма 12 подъема и опускания, установленного в стороне от камер фильтрования и выполненного в виде винтовой передачи, на корпусе 13 которой с возможностью подъема и опускания установлена плита 14 с пазом 15 для движения поперек дополнительной камеры фильтрования источника ультразвука 7. На плите 14 с возможностью продольного перемещения смонтирована подвижная каретка 10. Установка работает следующим образом. После приготовления расплава в миксере (на фиг. не показан) открывают его сливное отверстие, и расплав поступает в камеру фильтрования 1, далее переливается через край полой чаши 5 и, заполняя ее, перекрывает отверстия верхней перфорированной металлической пластины 8 и через них смачивает сетчатый (из стеклоткани) фильтр 4. Затем после наполнения полой чаши 5 металл переливается через нее и, заполняя под ней объем, смачивает сетчатый фильтр снизу. Условия смачивания сетчатого фильтра сверху и снизу обязательны, иначе фильтрования не будет. Далее из сливного отверстия 2 дополнительной камеры 3 фильтрования производят подъем запорной иглы (на фиг. не показана), и жидкий металл сливается в кристаллизатор (на фиг. не показан). Происходит так называемая затравка слитка. Это предварительная операция подготовки к литью слитка. Вся эта часть металла идет на образование дна слитка и в дальнейшем отрезается. Далее в расплав вводится источник ультразвука. Его ввод осуществляется посредством механизма 12 подъема и опускания источника ультразвука 7. При подъеме корпус 13 вместе с плитой 14 и установленными на ней подвижной кареткой 10 вместе с механизмом 9 приводов кривошипов шарнирных параллелограммов и источником ультразвука 7 поднимается посредством винтовой передачи в крайнее верхнее положение, при котором плоскость торца источника ультразвука должна быть выше верхней части дополнительной камеры фильтрования 3. Затем производится поворот плиты 14, а вместе с ней источника ультразвука до верхнего уровня перфорированной титановой пластины 8. Далее включается источник ультразвука 7, а затем приводы механизма 9 и винтовой передачи 11. При этом источник ультразвука 7, перемещаясь в пазу 15 плиты возвратно-поступательно и перпендикулярно оси камеры фильтрования 1, обрабатывает всю площадь фильтра. Благодаря его плоскопараллельному движению по поверхности всей площади фильтра достигается наибольшая производительность процесса фильтрования. Через 10-60 с работы преобразователя расплав начинает продавливаться через сетчатый фильтр 4 и очищенный от неметаллических включений и оксидов алюминия через сливное отверстие 2 сливается в кристаллизатор. Все задерживаемые сетчатым фильтром 4 частицы сбиваются с поверхности фильтра 4 и попадают в фасонную канавку 6 полой чаши. Тем самым указанные частицы оксида не гоняются по поверхности фильтра, мешая процессу фильтрования. Благодаря этому производительность процесса фильтрования увеличивается. После окончания формирования слитка в кристаллизаторе сливное отверстие миксера и дополнительной камеры 3 фильтрования перекрывают. Такое конструктивное выполнение установки позволит повысить ее производительность за счет исключения прогиба фильтра. В этом случае энергия кавитации перемещается по всей плоскости фильтра и действует на фильтр на одинаковом расстоянии от плоскости торца источника ультразвука до перфорированной титановой пластины. Производительность установки повышается также за счет того, что ее конструктивное исполнение позволяет осуществить сброс отфильтрованных частиц с фильтра, благодаря чему поверхность фильтра будет чистой и соответственно расход расплава через фильтр увеличивается. П р и м е р 1. Проводят отливку слитков алюминиевого сплава 1541 через фильтры на предлагаемой и известной установках. Фильтры сетчатые многослойные три слоя с ячейкой 0,4х0,4 мм. Производительность установки характеризуется объемом профильтрованного металла в единицу времени. На предлагаемой установке она составляет 20-24 кг/мин, а на известной 4-7 кг/мин. Преимуществом предлагаемой установки является расширение возможности получения из отфильтрованного металла слитков больших сечений. Например, на этой установке были получены слитки как круглого (диаметром 354 мм), так и прямоугольного (550х165 мм) сечений. В табл. 1 представлены экспериментальные результаты по эффективности рафинирования с применением предлагаемой установки. П р и м е р 2. Проводят отливку слитков сплава АМц сечением 550х165 мм с применением узфиральс-процесса через три слоя с ячейкой 0,4х0,4 мм. На сетчатый фильтр устанавливают верхнюю перфорированную пластину из титана ВТ1-0 толщиной 5 мм. За время литья ( 40 мин) и осуществление узфиральс-процесса происходит частичное разрушение пластины и тем самым модифицирование расплава за счет частичек Аl3Ti, образуемых при взаимодействии расплава с титаном. В результате структура слитка измельчается и возрастает пластичность (см. табл. 2).

Читайте также:  Установка зажигания мотороллер турист

1. УСТАНОВКА ДЛЯ РАФИНИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ, содержащая камеру фильтрования с сетчатым многослойным фильтром и сливным отверстием и источник ультразвука, отличающаяся тем, что, с целью повышения производительности при сохранении эффективности рафинирования процесса фильтрования, она снабжена дополнительной камерой фильтрования с полой чашей, в которую установлен плоский сетчатый фильтр с расположенными на нем сверху и снизу перфорированными металлическими пластинами, а источник ультразвука установлен с возможностью плоскопараллельного движения по поверхности фильтра. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что, с целью улучшения механических свойств сплава, верхняя перфорированная пластина фильтра выполнена из титана и сплавов на его основе. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что дно чаши по окружности выполнено с фасонной канавкой.

источник

Рафинирование сплавов

Во время плавки алюминиевые расплавы подвергают очистке от растворенных металлических примесей (натрия, магния, железа и цинка), взвешенных оксидных (неметаллических) включении и растворенного водорода. Для этих целей применяют различные методы продувки расплавов инертными и активными газами, отстаивание, обработку хлористыми солями и флюсами, вакуумирование и фильтрование через сетчатые, зернистые и спеченные керамические фильтры.

Удаление примеси натрия из алюминия и алюминиевомагниевых сплавов АМг2 и АМгб можно осуществить продувкой расплава хлором, смесью инертного газа с хлором (на 100 объемных частей инертного газа 1-10 объемных частей хлора), парами хлоридов (СгС1б. СС14, TiCl4), фреоном (CCI2F2) и фильтрованием через зернистые фильтры из AlFj или АЬОз, активированные хлором или фтором. Расход рафинирующего газа составляет 0,2. 0,5 м’ на 1 т расплава. Длительность продувки через керамические насадки или пористые керамические вставки 10. 15 мин при температуре расплава

700. 720 °С. В процессе продувки из расплава удаляются также примеси лития, калия и кальция и теряется до 0,2 % Mg. Фильтрование расплавов ведут через фильтры толщиной 150. 200 мм из зерен диаметром 4. 6 мм. Перечисленные методы рафинирования позволяют довести остаточное содержание натрия в расплаве до (2. 3)-1()’ 4 %.

Вредное влияние натрия на технологические свойства сплава АМгб может быть подавлено введением в расплав присадок висмута или сурьмы (0,2. 0,3 % от массы расплава), образующих с натрием интермегаллиды, плавящиеся соответственно при 775 и 856 °С.

Продувку газами широко используют для дегазации расплавов и очистки их от неметаллических включений. Рафинирование осуществляется тем успешнее, чем меньше размер пузырьков продуваемого газа и равномернее распределение их по объему расплава. Продувку, как правило, ведут через пористые вставки из спеченного глинозема, которые обеспечивают получение газовых пузырьков диаметром 1,5. 2,0 мм. Этот способ рафинирования широко используют в литейных цехах по производству слитков. Продувку осуществляют в специальных футерованных емкостях, установленных на нуги перелива металла из миксера в кристаллизатор или в ковшах. В дно ковша или емкости устанавливают пористую керамическую вставку (рис. 7.26). Для рафинирования алюминиевых расплавов используют азот, аргон, гелий, хлор и смесь азота (90 %) с хлором, очищенные от влаги и кислорода.

Рис. 7.26. Ковш с пористой керамической вставкой для продувки расплавов инертным газом:

1 — кожух для подвода инертного газа; 2 — пористая керамическая вставка; 3 — футеровка; 4 — газовый пузырек

Продувку азотом или аргоном ведут при 720. 730 °С. Длительность продувки в зависимости от объема расплава колеблется в пределах 5. 20 мин; расход газа составляет 0,5. 1,0 м’ на 1 т расплава. Такая обработка позволяет снизить содержание неметаллических включений до 0,5. 0,1 мм 2 /см 2 по технологической пробе Добаткина- Зиновьева, а содержание водорода — до 0,20. 0,15 см на 100 г.

При использовании для продувки расплавов специальных фурм скорость газа на срезе сопла составляет 200. 250 м/с, что обеспечивает диспергирование газовых пузырьков в объеме расплава до

3. 5 мкм; длительность продувки при этом не превышает 5 мин, а расход газа на 1 т расплава 0,05 м’.

Обработку расплавов хлором осуществляют в герметичных камерах или ковшах, имеющих крышку с отводом газов в вентиляционную систему. Хлор вводят в расплав через трубки с насадками при 7Ю. 720°С. Длительность рафинирования при давлении хлора 0,11. 0,12 МПа составляет 10. 12 мин; расход хлора 0,3. 0,5 м 3 на 1 т расплава. Применение хлора обеспечивает более высокий уровень очистки по сравнению с техническим азотом и аргоном. Однако токсичность хлора, необходимость обработки расплавов в специальных камерах и трудности, связанные с его очисткой, существенно ограничивают применение хлорирования расплавов в промышленных условиях. Замена хлора смесью его с азотом обеспечивает достаточно высокий уровень очистки, но не позволяет решить проблемы, связанные с токсичностью и осушкой.

Читайте также:  Установка задних тормозных колодок на матизе

Продувка газами сопровождается потерями магния. При обработке азотом теряется 0,01 % Mg; дегазация хлором увеличивает эти потери до 0,2 %.

Необходимой операцией после продувки является выдержка расплава в течение 10. 30 мин для удаления мельчайших газовых пузырьков. Использование расплавов сразу же после окончания продувки без выдержки всегда сопряжено с образованием большого числа газовых дефектов в отливках.

В процессе продувки наблюдается образование значительного количества пены, которая увлекается потоком металла в отливку. Подавление ценообразования достигают нанесением на поверхность расплава в камере продувки слоя солевых гранул диаметром

6. 10 мм, толщиной 40. 60 мм. Нарушая сплошность оксидной плены на поверхности расплава, гранулы обеспечивают спокойный выход инертного газа из расплава. Сублимация составляющих гранул создает в их слое защитную атмосферу, предохраняющую металл от окисления. Использование гранул позволяет существенно снизить содержание оксидных плен в отливках, на 10. 30 % уменьшить содержание водорода и снизить брак штамповок по расслоениям.

Рафинирование хлоридами в фасоннолитейном производстве, особенно на российских предприятиях, до сих пор достаточно распространено. Для этой цели применяют хлористый цинк, хлорид марганца, гексахлорэтан, четыреххлористый титан и ряд других хлоридов. Все перечисленные хлориды гигроскопичны. Поэтому перед употреблением их подвергают сушке (МпС12, С2С16) или переплавке (ZnCl2). Технология рафинирования хлоридами состоит во введении их в расплав колокольчиком и непрерывном перемешивании до прекращения выделения продуктов реакции. Хлориды цинка и марганца вводят в количестве 0,05. 0,20 % при температуре расплава

700. 730 °С, гексахлорэган — в количестве 0,3. 0,7 % при 740. 750 °С в несколько приемов. С понижением температуры эффективность рафинирования снижается в связи с повышением вязкости расплавов; рафинирование при более высоких температурах нецелесообразно, так как оно сопряжено с интенсивным окислением.

В настоящее время из-за экологической вредности в цехах фасонного литья рафинирование хлоридами стараются использовать все реже. Особенно эго касается таблетированного препарата «Дегазер», состоящего из гексахлорэтана и хлористого бария (10%), которые вводят в расплав в количестве 0,5 % при 720. 750 °С.

Хлориды взаимодействуют с алюминием по реакции ЗМеС1г + + 2А1 —» 2А1СЬ + ЗМе. Пузырьки хлорида алюминия, поднимаясь на поверхность расплава, увлекают взвешенные неметаллические включения; внутрь пузырьков диффундирует растворенный в расплаве водород, происходит очистка расплава. По окончании перемешивания расплаву дают отстояться в течение К). 30 мин при 720. 730 °С для выделения мелких газовых пузырьков.

Рафинирование хлоридами ведут в печах или ковшах с малой удельной поверхностью зеркала расплава. При малой толщине слоя расплава рафинирование хлоридами малоэффективно. По уровню очистки от неметаллических включений и растворенного газа обработка хлоридами уступает продувке хлором.

Очистку алюминиевых расплавов флюсами применяют при плавке литейных и деформируемых сплавов. Для рафинирования используют флюсы (табл. 7.8 и 7.9) на основе хлористых солей щелочных и щелочноземельных металлов с добавками фторидов — криолита, плавикового шпага, фторидов натрия и калия, кремнефтористого натрия.

В практике плавки большинства алюминиевых деформируемых сплавов для рафинирования используют флюс № 1, а для очистки сплавов алюминия с магнием безнагриевые флюсы на основе карналлита (№ 3-№ 9).

Предварительно переплавленные и высушенные флюсы в количестве 0,5. 1,0 % от массы металла вводят в расплавы колокольчиком. Для проработки всего объема расплава колокольчик с флюсом перемещают по всей площади расплава до полного расплавления всей навески. Температуру расплава при рафинировании поддерживают на уровне 720. 750 °С. После выдержки расплава в спокойном состоянии в течение 30. 45 мин с его поверхности удаляют шлак и переливают в ковши или миксеры.

Состав флюсов для рафинирования

Для всех алюминиевых сплавов, не содержащих магний

35 КС 1; 50 NaCl; 15 Na2SiF6

Для сплавов, содержащих магний

12. 15 KC1; 80 MgCbKCl; 5. 8 BaCb

Универсальные (рафинирующие и модифицирующие) флюсы для сплавов системы Al-Si

11,5 KC1; 56,5 NaCl; 7 Na3AlF6; 25 NaF

10 КС 1; 50 NaCl; 10 Na,AlF(); 30 NaF

40 KC1; 35 NaCl; 15 Na,AlF6; 10 NaF

Для рафинирования литейных алюминиевых сплавов (силуминов) широко применяют флюсы № 2 и № 13. Их вводят в расплавы в жидком виде в количестве 0,5. 1,5 % и энергично замешивают. Флюсы способствуют разрушению пены, образующейся при переливе расплавов, но обогащают расплавы натрием. Более целесообразно использовать для рафинирования безнатриевые флюсы.

Высокий уровень дегазации получают при вакуумировании. Для этого выплавленный но стандартной технологии в открытых печах металл переливают в ковш и помещают в вакуумную камеру. В камере металл выдерживают при остаточном давлении 1330 Па в течение 10. 30 мин, температуру расплава при этом поддерживают в пределах 720. 740 °С. В тех случаях, когда вакуумирование ведут без подогрева, расплав перед обработкой подогревают до 760. 780 °С.

В больших масштабах для очистки алюминиевых расплавов от неметаллических включений применяют фильтрование через сетчатые, зернистые и пористые керамические фильтры.

Сетчатые фильтры широко используют для очистки расплавов от крупных включений и плен. Они отделяют те включения, размер которых больше ячейки сетки. Сетчатые фильтры изготавливают из стеклоткани различных марок с размером ячейки от 0,5×0,5 до 1,5×1,5 мм и титана. Их устанавливают в распределительных коробках и кристаллизаторах, в литниковых каналах и раздаточных тиглях (рис. 7.27); применение их позволяет в 1,5-2,0 раза снизить в расплаве содержание крупных неметаллических включений и плен и не оказывает влияния на содержание дисперсных включений и водорода.

Рис. 7.27. Расположение сетчатых фильтров: а — в распределительной воронке в кристаллизаторе; б — в распределительном желобе; в — в кристаллизаторе и подлегочной коробке; г — в раздаточном тигле; д — в литейной форме под стояком;

I — ломик; 2 — желоб; 3 — фильтр; 4 — распределительная воронка;

  • 5 — кристаллизатор; 6 — миксер; 7 — распределительная коробка;
  • 8 стопор; 9 — слиток

Значительно больший эффект очистки дают зернистые фильтры. Простейший фильтр представляет собой слой из зерен фильтрующего материала размером 5. 15 мм в поперечнике и толщиной 100. 150 мм. Для изготовления их используют шамот, магнезит, алунд, графит, сплавы хлоридов и фторидов и другие материалы. Очистка мегаллических расплавов от взвешенных включений при фильтровании через зернистые фильтры обусловлена механическими и адгезионными процессами. Первым из них принадлежит решающая роль при отделении крупных включений и плен, вторым — при отделении гонко- дисперсных включений. За счет сеточного эффекта зернистые фильтры задерживают лишь те включения, размеры которых превышают эффективный диаметр межзеренных каналов.

Полнота удаления взвешенных включений зависит от природы материала, размера зерна, толщины слоя фильтра и металлостатического напора, определяющего скорость фильтрации. Наиболее эффективны фильтры, изготовленные из сплавов фторидов (активных материалов). Так, фильтры из сплава фторидов кальция и магния позволяют получать отливки из сплавов АК9ч(АЛ4), АК6, АМгб в 1,5-3,0 раза менее загрязненными оксидными включениями, чем фильтры из магнезита (рис. 7.28). Эффективность очистки возрастает по мере увеличения толщины фильтра и уменьшения диаметра зерна (рис. 7.29) и металлостатического напора.

Рис. 7.28. Эффективность очистки сплава АК6 от оксидных плен в зависимости от размера зерна d, природы материала и толщины фильтра. Уровень металла над фильтром 50 мм. Материал фильтра: 1, 2,4 — сплав фторидов кальция и магния; 3,5,7 — графит; 6,8,9 — магнезит. Толщина фильтра: 4,7,9 — 50 мм; 2,5,8- 70 мм; 1, 3,6- 100 мм

Рис. 7.29. Зависимость концентрации крупных включений и плен в отливках из сплавов АК6 и АК9ч от толщины L и материала фильтра. Уровень металла над фильтром 50 мм. Материал фильтра:

Максимальный эффект очистки получают при использовании мелкозернистых (4. 6 мм в поперечнике) фильтров из материалов, обладающих наиболее высокой работой адгезии с неметаллическими включениями (фториды).

Содержание плен и крупных неметаллических включений в расплавах после фильтрования может быть рассчитано по уравнению

где С — концентрация неметаллических включений после фильтрования, %;

С — исходная концентрация неметаллических включении, %;

Ки — коэффициент, характеризующий адгезионную активность материала фильтра: 6,2 для сплавов фторидов кальция и магния,

3 для графита, 2 для магнезита);

L — толщина фильтра, мм; d — средний диаметр зерна фильтра, мм.

Существенное влияние на полноту отделения крупных включений и плен оказывают скорость и режим течения расплава но межзе- ренным каналам фильтра. С увеличением скорости уменьшается возможность осаждения включений из движущегося потока под действием силы тяжести и увеличивается вероятность смыва уже осевших включений за счет гидродинамического воздействия, сила которого пропорциональна квадрату скорости течения расплава.

Читайте также:  Установка противотуманных фар расстояние

Активные материалы наряду с крупными включениями и пленами позволяют отделить до 30. 40 % тонкодисперсных взвесей и на 10. 20 % снизить содержание водорода в сплавах, подвергнутых рафинированию флюсом или хлоридами. По мере удаления гонкодис- персных взвесей увеличивается размер зерна в отливках, снижается газосодержание, растут пластические свойства сплавов (см. рис. 7.22). Высокий уровень очистки сплавов АК6 и АК9ч (АЛ4) от включений и водорода наблюдается при использовании фильтров из сплава фторидов кальция (48 %) и магния (52 %) с размером зерна 4. 6 мм в поперечнике и высотой фильтрующего слоя 100. 120 мм.

Очистка расплавов от тонкодисперсных включений и переход их из расплава на поверхность зерен фильтра обусловлены убылью свободной энергии системы, пропорциональной удельной работе адгезии включений к фильтру, величина которой может быть оценена уравнением

где — работа адгезии включений к фильтру в среде расплавлен-

— работа адгезии включений к фильтру в газообразной среде, мДж/м 2 ;

ож.в — поверхностное натяжение расплава, мН/м;

0), 02 — краевые углы смачивания материала фильтра и включений расплавом соответственно, град.

Эффективность очистки алюминиевых расплавов от тонкодисперсных включений зернистыми фильтрами возрастает по мере ухудшения смачивания фильтра и включений расплавом.

Зернистые фильтры, гак же как и сетчатые, устанавливают на пути перелива металла из миксера в форму. При непрерывном литье слитков оптимальным местом установки является кристаллизатор; 192

при фасонном литье фильтр располагают в стояке, раздаточном тигле или литниковой чаше. Расположение зернистых фильтров показано на рис. 7.30. Перед использованием фильтр нагревают до 700. 720 °С для удаления адсорбированной влаги и предотвращения замораживания металла в каналах.

Рис. 7.30. Расположение зернистых фильтров: а — на участке перелива металла из миксера в форму; б — в кристаллизаторе; в — в распределительной коробке; г — в раздаточной печи; д — в раздаточном тигле; е — в литниковой чаше; 1 — миксер; 2 — тигель; 3 — фильтр; 4 — печь для подогрева; 5 — распределительная коробка; 6 — кристаллизатор; 7 — слиток;

  • 8 пористая графитовая плита; 9 — труба; 10 — стопор;
  • 11 распределительная воронка; 12 — перфорированная плита

Рис. 7.31. Установка для фильтрования алюминиевых расплавов через трубчатые керамические фильтры:

I — футерованная коробка; 2 — керамическая трубка; 3 — корундовая плитка; 4 — отверстие для выдачи фильтрованного расплава;

5 — осадок тяжелых неметаллических включений

Заливку ведут таким образом, чтобы верхний уровень фильтра был покрыт слоем металла толщиной 10. 15 мм, а истечение металла после фильтра происходило под затопленный уровень. При соблюдении перечисленных условий остаточное содержание неметаллических включений и плен в отливке может быть доведено до 0,02. 0,08 мм 2 /см 2 по технологической пробе, т.е. в 2-4 раза снижено но сравнению с фильтрованием через сетчатые фильтры.

Насыпные зернистые фильтры, несмотря на высокий уровень очистки расплавов, обладают существенным недостатком — при использовании их сложно обеспечить стабильность процесса из-за возможного образования каналов большого сечения.

Для очистки алюминиевых расплавов от неметаллических включений размером более 10 мкм успешно используют корундовые пластинчатые фильтры на нитридной связке с фиксированным размером межзеренных каналов и трубчатые керамические фильтры с диаметром пор 175. 200 мкм. Установка для фильтрования через трубчатые фильтры показана на рис. 7.31.

Самый эффективный способ очистки алюминиевых расплавов от плен и крупных неметаллических включений — электрофлюсовое рафинирование (рис. 7.32). Оптимальный режим этого процесса предусматривает пропускание струи металла диаметром 5. 7 мм, нагретого до 700. 720 °С, через слой расплавленного флюса толщиной 100. 150 мм с наложением ноля постоянного тока силой 600. 800 А и напряжением 6. 12 В с катодной поляризацией металла. Для элек- трофлюсового рафинирования используют футерованные шамотом емкости с выемной перегородкой, образующей в них два отсека, соединенные между собой в нижней части емкости (см. рис. 7.32, в). В большой отсек помещают стальной кольцевой токоподвод. Затем емкость на 2/3 по высоте заполняют металлом. После этого в большой отсек заливают флюс с таким расчетом, чтобы уровень его перекрыл кольцевой токоподвод, а толщина слоя флюса была не менее 100 мм. При расходе флюса (карналлитового с 10. 15% CaF2, MgFi или K:,A1F6 для сплавов Al-Mg и Al-Mg-Si и криолигового для других алюминиевых сплавов) 4. 6 кг на I т расплава и тщательном удалении влаги из флюса и разливочных устройств содержание крупных неметаллических включений в сплавах АК6, АМгб, В95 может быть снижено до 0,003. 0,005 мм 2 /см 2 по технологической пробе.

Рис. 7.32. Установки для фильтрации через жидкие солевые расплавы: а — с газовым подогревом флюса; б — с электрическим подогревом флюса; в — для электрофлюсового рафинирования; 1 — желоб миксера;

  • 2 — распределительная коробка; 3 — печь; 4 — тигель; 5 — жидкий флюс; 6 — распределительная воронка; 7 — кристаллизатор; 8 — слиток; 9 — электрические нагреватели; 10- стопор; 11- миксер;
  • 12 — кольцевой электрод; 13 — пробка сливного отверстия;
  • 14 — генератор тока; 15 — регулятор напряжения;
  • 16 переключатель

Пропускание тонких струй расплава через слой жидкого флюса с одновременным наложением на металл и флюс поля постоянного тока создает благоприятные условия для адсорбции включений флюсом за счет снижения межфазного натяжения на границе с металлом и уменьшения краевого угла смачивания неметаллических включений флюсом. С увеличением удельной поверхности и длительности контакта металла с флюсом эффективность очистки возрастает. Поэтому конструкция устройств для флюсового и элекгрофлюсового рафинирования предусматривает дробление струи металла. Эффективность очистки снижается по мере повышения температуры флюса, уменьшения толщины его слоя, увеличения диаметра струи металла и длительности использования флюса.

Электрофлюсовое рафинирование в отличие от зернистых фильтров не сопровождается дегазацией расплава и очисткой от тонкодисперсных включений и не оказывает влияния на макроструктуру отливок.

По мере увеличения выпуска отливок из алюминиевых сплавов промышленность все в большей мере использует вторичные сплавы, полученные переплавкой различных отходов. Как правило, у этих сплавов более высокое содержание примесей железа, магния, цинка и других металлов. Поэтому в процессе выплавки их подвергают очистке.

Очистку вторичных алюминиевых сплавов от примесей магния, цинка и железа осуществляют флюсованием, вакуумной дистилляцией и отстаиванием с последующим фильтрованием.

Удаление магния флюсом основано на реакции 2Na;,AlF6 + 3Mg —? —> 3MgF2 + NaF + 2A1. Сущность технологии очистки состоит в загрузке на поверхность перегретого до 780. 800 °С алюминиевого расплава смеси криолита (50 %) и хлористого натрия (50 %), расплавления флюса, интенсивном перемешивании расплава с флюсом в течение 10. 15 мин и удалении продуктов реакции, всплывших на поверхность расплава. При высоком исходном содержании магния (1,5. 3,0%) в сплаве процесс рафинирования повторяют несколько раз. С помощью криолита содержание магния в алюминиевых сплавах может быть снижено до 0,1 %. Для этого необходимо на каждый 1 кг удаляемого магния расходовать не менее 12 кг криолита.

Магний можно удалить из алюминиевых расплавов также флюсом, состоящим из 50 % Na2SiF6, 25 % NaCl и 25 % КС1.

Очистку расплавов от магния и цинка производят дистилляцией в вакуум-дистилляционных печах при 950. 1000 °С. Указанная обработка позволяет получать сплавы, содержащие 0,1. 0,2% Mg и

0,02. 0,05 % Zn. Очистку расплавов от магния этим способом производят в тех случаях, когда содержание его в сплаве велико и применение очистки флюсованием становится невыгодным.

Отстаивание, как самостоятельный процесс, используют для очистки алюминиевых расплавов от железа. Отстаиванием можно снизить содержание железа в алюминиевом сплаве до 1,7 %, г.е. почти до эвтектического содержания согласно равновесной диаграмме состояния Al-Fe. Дальнейшее снижение достигается совмещением процесса отстаивания с введением в сплав марганца или магния. Присадка этих элементов сдвигает эвтектическую точку в сторону алюминия и способствует отделению избытка железа. При введении в расплав 1,0. 1,5 % Мп содержание железа в нем может быть снижено до 0,7 %. Присадка магния в количестве 25. 30 % позволяет довести содержание железа до 0,1. 0,2%. Для ускорения процесса очистки после непродолжительного отстаивания расплавы фильтруют. Фильтрование осуществляют через нагретый до 700 °С базальтовый фильтр с применением вакуума.

Рафинирование от железа при помощи магния применимо для сплавов, содержащих не более 1 % Si. При более высоком содержании кремния образуются силициды, сильно затрудняющие фильтрование и выводящие из цикла значительное количество магния. Кроме того, сплав обедняется кремнием.

источник