СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОДНОРОДНЫХ КАЛЬЦИЙСОДЕРЖАЩИХ СПЛАВОВ Российский патент 1995 года по МПК C22C1/02 

Изобретение относится к металлургии цветных металлов и может быть использовано для промышленного получения сплавов активных металлов, включая кальций, интенсивно взаимодействующих при нагревании с атмосферным воздухом и обладающих высокими значениями упругости паров при температуре плавления.

Известны способы получения слитков кальцийсодержащих сплавов восстановлением из окислов углеродсодержащим восстановителем, сплавлением под флюсом, электролизом расплавленных солей с последующим сливом в изложницу на воздухе или извлечением сплава вакуумным ковшом в изложницу в атмосфере с пониженным содержанием кислорода. Данные способы характеризуются низким выходом готового продукта и применимы для получения сплавов, содержащих до 46,0 ат. кальция.

Известен способ получения кальцийсодержащих сплавов, используемый в лабораторной практике, путем сплавления компонентов в герметичном контейнере в среде инертного газа. Способ пригоден для синтеза сплавов с любым содержанием кальция, однако он не решает задачу извлечения сплава в виде слитка.

Известно другое, взятое за прототип техническое решение, позволяющее получать однородные кальцийсодержащие сплавы сплавлением исходных компонентов с получением слитков. Этот способ получения кальций-алюминиевого сплава заключается в сплавлении элементных кальция и алюминия в среде инертного газа путем ввода с определенной скоростью твердого дисперсного алюминия в струю расплавленного кальция при температуре 550-1100^оС, охлаждении сплава до кристаллизации и получения слитков неправильной формы путем его выбивки из плавильного стакана. Допускается извлечение сплава литьем в изложницу или распылением жидкого сплава в струе инертного газа.

Создание защитной атмосферы вытеснением воздуха из плавильного стакана аргоном, углекислым газом или азотом с содержанием кислорода менее 2 об. не обеспечивает полную изоляцию струи жидкого кальция и расплавленного сплава от воздуха, что приводит к угару металла. Поэтому данный способ является пожароопасным и применим для получения сплавов с содержанием кальция не выше 80 ат. с выходом годного 85%
Цель изобретения расширение верхнего предела содержания кальция в слитке сплава, увеличение выхода годного продукта и снижение пожароопасности.

Предлагаемый способ получения кальцийсодержащих сплавов заключается в нагреве исходных компонентов в инертной среде до температуры, на 5-20^оС превышающей температуру плавления легкоплавкого компонента, гомогенизации первичного сплава барботажем инертного газа, изменении температуры до температуры, на 5-20^оС превышающей температуру плавления сплава, с последующей гомогенизацией указанным способом, литье сплава в изложницу, охлаждении до кристаллизации и извлечении слитка.

Отличие заявляемого способа от прототипа заключается в проведении гомогенизации барботажем инертного газа при температуре, превышающей температуру плавления легкоплавкого компонента на 5-20^оС, и при температуре, превышающей температуру плавления сплава на 5-20^оС, а также в том, что технологический цикл осуществляется в одном высокогерметичном объеме.

Полная изоляция расплава от атмосферного воздуха, достигаемая использованием высокогерметичных реторт без движущихся узлов и механизмов, а также самая низкая для жидкого состояния сплава температура позволяют получать сплавы с высоким содержанием кальция с выходом годного более 96% Плавление легкоплавкого компонента при минимальном перегреве с одновременным понижением его активности за счет образования первичного сплава при барботаже расплава инертным газом приводит к снижению давления паров легколетучего компонента и, соответственно, количества его пожароопасных возгонов. Повторный барботаж при температуре выше температуры плавления сплава, но ниже температуры плавления тугоплавкого компонента позволяет вести процесс сплавообразования при низких значениях давления пара тугоплавкого компонента и уменьшить количество его возгонов. В целом низкая температура процесса и непродолжительное пребывание сплава в жидком состоянии позволяют резко уменьшить количество возгонов и, следовательно, снизить пожароопасность процесса и увеличить выход годного.

П р и м е р. Получение кальцийсодержащих сплавов проводилось в вертикальной герметичной реторте, в которую помещался плавильный стакан с изложницей. В дне плавильного стакана находился сифон, соединяющий между собой объемы стакана и реторты. В крышке плавильного стакана и в стенке реторты находились патрубки, подключающие указанные объемы к вакуумным линиям и линиям подачи инертного газа.

Расчетное количество исходных компонентов загружалось в плавильный стакан, который совместно с изложницей помещался в реторту. После сборки реторты и создания в ней вакуума проводилась проверка герметичности сборки, а затем заполнение реторты инертным газом до рабочего давления. Собранная реторта устанавливалась в шахтную печь сопротивления с помещением в зону нагрева стакана сплавления. Шихта нагревалась на 5-20^оС выше температуры плавления легкоплавкого компонента. При достижении указанной температуры в объеме реторты подавался инертный газ, который через сифон барботировал через расплав, перемешивая его, с образованием первичного сплава. После полного расплавления легкоплавкого компонента температура сплава изменялась так, чтобы превысить температуру плавления сплава на 5-20^оС, и вновь производилось его перемешивание инертным газом.

После гомогенизации сплава в плавильном стакане создавалось необходимое избыточное давление и сплав по сифону сливался в изложницу, находящуюся вне зоны нагрева. Затем производилось внепечевое охлаждение реторты, ее разборка, извлечение сплава из изложницы и отбор проб по действующей методике от верхней, средней и нижней части слитка.

Однородность сплава оценивалась по величине среднего квадратичного отклонения, рассчитываемого по формуле:
S где S среднее квадратичное отклонение содержания кальция в слитке;
С среднее арифметическое значение содержания кальция в слитке сплава;
C_в, С_с, С_н содержание кальция в верхней, средней и нижней частях слитка соответственно;
n количество анализов.

Химический состав кальцийсодержащих сплавов, полученных по заявляемому способу, представлен в таблице.

Из таблицы видно, что по заявляемому способу при указанных температурно-временных параметрах возможно получение сплавов с высоким содержанием кальция, например 90% однородных по составу (квадратичное отклонение содержания кальция по высоте слитка не превышает 0,16), с выходом годного более 96%
В результате проведения экспериментов выявлены дополнительные положительные эффекты. Во-первых, отсутствовал литейный брак из-за того, что расплав заливается в изложницу под давлением инертного газа, и, во-вторых, оставшийся в плавильном стакане после слива сплав имеет низкую температуру начала плавления. Жидкая фаза сплава взаимодействует с шихтой до плавления легкоплавкого компонента, облегчая сплавообразование. Таким образом, сокращается время процесса.

Возможность осуществления заявляемого способа показана на примере кальций-магниевых и кальций-никелевых сплавов различных составов с получением слитков заданной формы, определяемой геометрией изложницы. Однако, приведенные примеры не ограничивают области применения предлагаемого способа. По заявляемому способу возможно получение двойных и многокомпонентных сплавов кальция с температурой ликвидуса до 1100^оС как из элементных исходных компонентов, так и из лигатур.

Диспергирование струи расплавленного металла, сливаемого через сифон одним из известных методов (распыление инертным газом, механическим диспергатором и дp. ) позволяет получать сплав в виде порошка или гранул сферической формы.

Дозирование объема сливаемого расплава с помощью регулирования давления инертного газа позволяет получать слитки сплава заданной массы.

Использование: для получения однородных слитков сплава с высоким содержанием кальция. Сущность: способ включает нагрев исходных компонентов в инертной среде до температуры, на 5 20°С превышающей температуру плавления легкоплавкого компонента, перемешивание сплава барбатажем инертного газа, последующий нагрев до температуры, на 5 20°С превышающей температуру плавления сплава, повторную гомогенизацию указанным методом, слив готового сплава в изложницу и извлечение слитка. 1 з. п. ф-лы, 1 табл.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОДНОРОДНЫХ КАЛЬЦИЙСОДЕРЖАЩИХ СПЛАВОВ, включающий сплавление исходных компонентов в инертной среде, литье сплава в изложницу, его охлаждение и извлечение слитка, отличающийся тем, что перед литьем осуществляют гомогенизацию расплава барботажем инертного газа сначала при температуре на 5-20 град. выше температуры плавления легкоплавкого компонента, а затем при температуре, превышающей на 5-20 град. температуру плавления образующегося сплава. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что оплавление, гомогенизацию, литье в изложницу и охлаждение осуществляют в одном объеме.