СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОАЛЮМИНИЯ Российский патент 1996 года по МПК C22C1/08 C22B21/00 

Изобретение относится к металлургии, в частности, к получению из расплава пеноалюминия.

Известен способ получения пеноалюминия, включающий увеличение вязкости расплава легированием металлическим кальцием при весовом отношении к расплаву 0,2-8% вспенивание расплава замешиванием порошкообразного гидрида титана при весовом отношении 1-3% охлаждение образующего пористого расплава до затвердевания [1]
Недостатком способа является малая и нерегулируемая дисперсия пузырьков, обусловленная природой процесса термического разложения гидрида титана с выделением газа при перемешивании, а также высокая стоимость металлического кальция и гидрида титана.

Известен способ получения пеноалюминия, включающий замешивание в расплав инертного по отношению к алюминию или кислородсодержащего газа в дисперсном виде для увеличения вязкости расплава, вспенивание расплава добавлением при перемешивании порошкообразных гидридов титана, гафния или циркония и охлаждение пористого расплава до затвердевания [2]
Известный способ выбран в качестве прототипа по технической сущности: использование газа в качестве загустителя расплава.

Недостатком способа является малая дисперсия пузырьков и пористость, обусловленные способом ввода загущающего газа, основанном на относительном движении газа в расплаве, что приводит к неустойчивости системы. Кроме того, загущающий газ выносит на свободную поверхность расплава часть вспенивающего газа, что увеличивает расход порообразующего вещества.

Замешивание в расплав алюминия газа (азота, аргона, воздуха, углекислого газа, водяного пара) или высокодисперсного порошка вещества, обладающего температурой плавления более высокой, чем у алюминия, увеличивает вязкость расплава.

Однако, известные приемы осуществления этих способов не обеспечивают устойчивость системы, требуемых значений вязкости расплава и пористости, их контролируемость без применения специальных порообразующих веществ.

Для повышения качества продукции за счет обеспечения оптимальной дисперсии пузырьков, пористости и структуры пор, а также для снижения себестоимости продукции, за счет исключения использования дорогостоящих материалов, предлагается следующая технология. В способе получения пеноалюминия, включающем смешивание расплава металла с газом, вспенивание расплава и охлаждение до затвердевания, поток расплава диспергируют в потоке аэрозоля, содержащего ультрадисперсные частицы твердого адсорбирующего газ вещества, а статическое давление в потоке диспергированной смеси перед охлаждением увеличивают до атмосферного.

Кроме того, в качестве дисперсной фазы аэрозоля используют двуокись кремния в виде аэросила.

Техническая сущность предлагаемого технического решения заключается в образовании газожидкометаллической смеси регулируемого качества, где сплошной средой является газ, а дисперсной расплав, с последующей контролируемой инверсией смеси в расплав, насыщенный пузырьками газа, где сплошная среда - расплав, а дисперсная газ.

Процесс получения пеноалюминия, как все процессы в природе, является энергетическим. Плотность потока поступающей энергии и эффективность ее трансформации ограничены физическими свойствами среды и граничными условиями. Эффективность трансформации энергии определяет перспективность технологии и качество продукции, а значение ограничений по вводимой энергии определяет производительность технологии.

В процессе, по прототипу, в расплав вводится тепловая энергия загущающего и вспенивающего газа, механическая энергия перемешивания которая трансформируется в упругую и поверхностную энергию пены. При этом, плотность потока вводимой энергии и эффективность ее трансформации ограничены энергией поверхностного натяжения свободной поверхности расплава, т.е. недопустимы разрывы поверхности. Такая система принципиально неустойчива, т. е. приведена в состояние с увеличенной поверхностной энергией, а технология малопроизводительная и ограничивает величину дисперсии пор и пористость.

Значительное увеличение плотности потока вводимой энергии и эффективность ее трансформации обеспечивается предлагаемым процессом, где диспергируют поток расплава в потоке аэрозоля, содержащего ультрадисперсные частицы твердого, адсорбирующего газ, вещества с последующей инверсией газожидкометаллической смеси в расплав, насыщенный пузырьками газа (пену), за счет увеличения статического давления в смеси.

Диспергирование потока расплава в потоке аэрозоля осуществляют, например, сдвиговой деформацией совместно текущих потоков на ограниченном участке с заданной частотой. При этом формируется поток однородной газожидкометаллической смеси с включением твердой фазы аэрозоля. Объемное соотношение расплава с газом при смешивании не должно быть менее 7:93, т.к. теоретически возможная степень пористости расплава алюминия 93% (1,2).

Величина плотности потока энергии, вводимой в данном случае в систему, ограничивается только технически, например, максимально возможной окружной скоростью вращения механического диспергатора 100 м/с, и по величине возможна в сотни раз больше, чем в процессе по прототипу.

Обеспечивается высокая заданная степень дисперсности расплава и получение динамически устойчивой газожидкостной смеси. Исключается проблема вязкости в процессе получения пеноалюминия, а сформированный поток газожидкостной смеси является структуроформирующей основой качества пеноалюминия.

Диспергирование расплава в потоке аэрозоля, диспергированная фаза которого содержит ультрадисперсные частицы твердого адсорбирующего газ вещества, приводит к компенсации сил поверхностного натяжения расплава, увеличению его вязкости и создает условия для устойчивости дисперсной газожидкометаллической системы. Подача ультрадисперсных частиц твердого вещества в зону смешивания с расплавом наиболее эффективно осуществляется в составе аэрозоля. Также, диспергирование потока расплава в потоке аэрозоля создает определенную структуроформирующую основу (в зависимости от концентрации твердой фазы аэрозоля) в газожидкометаллической смеси и пене.

Частицы твердой фазы аэрозоля должны быть минимально возможного размера, ультрадисперсные менее 1 мкм, для обеспечения однородного смешивания с расплавом, максимальной компенсации действия сил поверхностного натяжения и исключения концентрации напряжения в отвердевшей пене. Частицы должны быть дезагрегированы и сохранять твердость при температуре расплава алюминия в процессе. Для увеличения эффективности создания структурного барьера на поверхности дисперсной фазы расплава и увеличения вязкости газожидкометаллической смеси частицы твердой фазы аэрозоля должны обладать высокой способностью адсорбировать газ. Высокоэнергетическая обработка расплава, в т.ч. твердыми частицами, также уменьшает действие сил поверхностного натяжения. Газожидкометаллическая смесь с добавкой твердой фазы аэрозоля обладает меньшей энергией, а значит более устойчива.

Одним из видов вещества, удовлетворяющего указанным требованиям, является чистая ультрадисперсная двуокись кремния в виде аэросила (ГОСТ 14922-77/1).

Таким образом, диспергированием потока расплава в потоке аэрозоля, достигается получение газожидкометаллической смеси более высоких и регулируемых параметров, обладающей минимальной поверхностной энергией при высокой дисперсности, т.е. повышенной устойчивостью, и при увеличении производительности.

Характерным свойством полученной газожидкометаллической эмульсии является наличие разрывов (несплошность), т.е. газ в общем случае сплошная среда, а расплав дисперсная.

Для получения пенолалюминия осуществляют компактирование полученной газожидкометаллической смеси скачкообразным увеличением статического давления в потоке смеси перед охлаждением до атмосферного.

При скачкообразном увеличении статического давления в потоке газожидкометаллической смеси, т. е. уменьшении скорости потока, осуществляется инверсия смеси в пену, где расплав является сплошной средой, а газ дисперсной, вследствие интенсивных коллективных процессов, столкновений частиц расплава. Из возможных способов торможения потока газожидкометаллической смеси для ее инверсии в пену, наиболее приемлемо технически расширение потока [3] Для процесса компактирования дисперсной среды нет теоретических ограничений на объемное соотношение расплава к газу.

Однако, для практических целей осуществления способа, объемное соотношение расплава к газу не должно быть менее 7:93, т.к. теоретически возможная степень пористости расплава алюминия 93%
Торможение потока смеси осуществляют увеличением статического давления в нем до атмосферного, что способствует стабилизации пены, наряду с повышенной вязкостью и уменьшенным действием сил поверхностного натяжения расплава, достигаемых диспергированием расплава в потоке аэрозоля.

При статическом давлении в потоке после торможения менее атмосферного (давление окружающей среды над свободной поверхностью потока) происходит инжекция газа в поток и разрывы, т.е. неприемлемый режим работы из-за неустойчивости системы.

При статическом давлении в потоке более атмосферного развивается неустойчивость системы с частичным выходом газа из расплава.

При статическом давлении в потоке равном и менее атмосферного на величину давления столба пены на свободном сливном участке, или более атмосферного на величину столба пены в кристаллизаторе, что практически составляет ±3 кПа, осуществляется наиболее благоприятный режим для устойчивости полученной металлической пены.

Скорость потока на выходе из диффузора практически имеет значение 100-300 мм в мин.

Степень пористости пеноалюминия определяется качеством приготовленной газожидкометаллической эмульсии (дисперсностью, устойчивостью), которое ограничено только технически возможной вводимой энергией, т.е. значительно превышает качественные показатели продукции по прототипу.

Добавочный вклад в пористость расплава вносит газ, десорбированный с поверхности дисперсной фазы аэрозоля при его замешивании в расплав.

В качестве дисперсной фазы аэрозоля целесообразно использовать уникальный по свойствам материал чистую двуокись кремния в виде аэросила (ГОСТ 14922-77/1).

Аэросил удовлетворяет требованиям к использованию в качестве загустителя расплава, стабилизатора газожидкометаллической смеси и пены, является дополнительным источником порообразующего газа, недефицитен и дешевле металлического кальция и гидрида титана в 5-10 раз соответственно.

Расход аэросила в интервале 0,1-10 кг на тонну расплава.

Аэросил рыхлый, ультрадисперсный порошок с диаметром частиц 5-40 м, не агрегирует, твердый, тугоплавкий, хорошо адсорбирует азот и воздух до 44 см³ газа на 1 г порошка.

Таким образом, себестоимость производства пеноалюминия по предлагаемой технологии на 30% дешевле, чем по традиционной технологии, при более высоком качестве, обеспеченном большей дисперсностью. пор и пористостью.

Пример. В лабораторных условиях осуществляли процесс получения пеноалюминия максимальной пористости с использованием предлагаемой технологии.

Поток расплава алюминия с температурой 750^oС и расходом 200 кг/ч диспергировали в потоке аэрозоля. Применяли аэрозоль состава: азот с концентрацией аэросила 20 г/м³; 200 г/м³; 1000 г/м³; 2000 г/м³ с расходом 0,75 нм³/ч. Осуществляли механическое диспергирование потока газожидкометаллической смесью. Скачкообразно увеличивали статическое давление в потоке диспергированной смеси, перед охлаждением, до атмосферного расширения потока. Скорость потока пены на сливном участке 100-200 мм в минуту. Диспергатор нагрет до температуры 700-750^oC. Поток пены направляли в водоохлаждаемую изложницу объемом 0,1 м³. Пористость контролировали взвешиванием проб отвердевшей металлической пены. Интервал дисперсии пор определяли посредством увеличительного измерительного инструмента. Диспергатор был выполнен в виде ротора. При постоянных вышеуказанных параметрах изменяли скорость вращения ротора в интервале 100-2000 об/мин.

Результаты исследований приведены в таблице.

Установлено, что при механическом диспергировании расплава в потоке аэрозоля с увеличением плотности вводимой энергии увеличивается пористость и уменьшаются размеры пор. Концентрация аэросила в аэрозоле 20-200 г/м³ обеспечивает необходимое увеличение вязкости, наряду с загущающим газом, и компенсацию сил поверхностного натяжения расплава, причем, значение пористости пеноалюминия достигает 90% (дисперсия пор 1-3 мм) при скорости вращения ротора диспергатора 900 об/мин и более.

При увеличении концентрации аэросила в аэрозоле до 1000-2000 г/м³ увеличивается пористость и уменьшаются размеры пор, 93% и 0,4-3 мм соответственно.

Дальнейшее увеличение концентрации аэросила в аэрозоле для увеличения пористости нецелесообразно, т. е. достигнуты практически максимальная пористость пеноалюминия.

Полученный пеноалюминий с широким диапазоном пористости и дисперсии пор в зависимости от технологического режима позволяет обеспечить широкий спектр конструкционных и функциональных свойств материала.

Экономический эффект заключается в снижении себестоимости продукции по сравнению с базовой технологией на 30% за счет исключения использования металлического кальция и гидрида титана.

Использование: получение пеноалюминия. Изобретение позволяет получить пеноалюминий с регулируемой пористостью до 90% (дисперсия пор 1-3 мм). Поток расплава диспергируют в потоке аэрозоля, содержащего ультрадисперсные частицы твердого адсорбирующего газ вещества, а статистическое давление в потоке диспергированной смеси перед охлаждением увеличивают до атмосферного. В качестве дисперсной фазы аэрозоля используют, например, двуокись кремния в виде аэросила. 1 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения пеноалюминия, включающий смешивание расплава металла с газом, вспенивание расплава и охлаждение до затвердевания, отличающийся тем, что смешивание и вспенивание расплава осуществляют диспергированием в потоке аэрозоля, содержащего ультрадисперсные частицы твердого адсорбирующего газ вещества, и перед охлаждением в потоке диспергированной смеси увеличивают статическое давление до атмосферного. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве аэрозоля используют диоксид кремния в виде аэросила.