СПОСОБ РАФИНИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ Российский патент 1997 года по МПК C22B21/06 

Изобретение относится к области цветной металлургии, конкретно к рафинированию алюминиевых расплавов от примесей, например, щелочных металлов, водорода, неметаллических включений.

Известен способ рафинирования расплавленного алюминия или его сплавов путем продувки при температуре 730 780^oC газовой смесью, состоящей из инертного газа (азота или аргона) с добавкой 4 10% CO₂, при этом расход газа 0,4 1 м³/т алюминия, а процесс осуществляется в противоточном режиме со скоростью до 20 т/ч с непрерывной фильтрацией расплава, в результате чего за 1 ч барботажа концентрацию натрия удается снизить с 20•10^-4 до (1-2)•10^-4 и водорода с 0,2 ^oC 0,3 до 0,1 см³/100 г (пат. Швецарии N 638565, заявл. 21.11.78 N 11914/78, опубл. 30.09.83 г.).

Основные недостатки этого способа состоят в том, что, во-первых, для достижения необходимой высокой степени рафинирования требуется значительная продолжительность обработки расплава; во-вторых, имеется возможность обволакивания пузырьков газовой смеси оксидной пленкой, приводящая к снижению эффективности процесса рафинирования и усугубляемая тем, что химически активный компонент газовой смеси (CO₂) не способен разлагать оксидную пленку. Кроме того, в результате указанных недостатков может иметь место непроизводительный расход рафинирующей смеси.

Недостатком этого способа является также сравнительно высокая турбулентность потоков расплава, поступающих к фильтру, из-за интенсивного барботажа при продавке газовой смесью, в результате чего разрушается кековый слой из задержанных включений у поверхности фильтра и снижается степень рафинирования расплава от взвешенных включений.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ рафинирования алюминия и его сплавов, включающий непрерывную обработку в потоке расплава флюсом, наведенным на поверхности расплава и нанесенным на материал фильтра, продувку газом и фильтрование (см. Brant M.V. Done D. E. Emley E.F. "J. of Metals", 1971, V. 23, N 3, p. 48 53). Здесь в качестве флюса использовали как основу хлориты натрия и калия (в эвтектическом соотношении) и добавку фтористого кальция. Эффективность процесса исследовали на алюминиевом сплаве при расходе металла 70 272 кг/мин, азота 0,8 нм³/т и флюса 0,9 кг/т. Уровень содержания натрия удалось снизить с 0,002 0,0025% до 0,0008 0,0009% а содержание водорода с 0,3 до 0,13 см³/100 г.

Основные недостатки этого способа заключаются в том, что, во-первых, при нанесении флюса на поверхности расплава эффективность рафинирования сравнительно невысокая из-за небольшой поверхности контакта расплава с флюсом, при этом также имеют место потери флюса из-за его частичной возгонки, приводящей к тому же к ухудшению экологии; во-вторых, флюс, нанесенный на поверхность фильтра, способствует глубинной обработке лишь первых порций металла, поскольку после этого он быстро вырабатывает свою химическую активность; в-третьих, здесь металл к фильтру подводится в виде высокотурбулизированных потоков из-за барботажа металла газом, осуществляемого вблизи поверхности фильтра, что неизбежно приводит к разрушению кекового слоя из задержанных включений и как следствие к снижению степени рафинирования от взвешенных включений, а также к быстрому зарастанию каналов фильтра, т.е. к снижению производительности процесса.

Технической задачей изобретения является повышение степени рафинирования алюминиевых расплавов и сокращение продолжительности процесса рафинирования за счет более полного использования работы газовой и флюсовой обработки расплава и создания наиболее эффективных условий фильтрации.

Техническая задача решается тем, что в известном способе рафинирования алюминия и его сплавов, включающем обработку расплава флюсом, продувку газом и фильтрование, флюс и газ вводят совместно под уровень расплава, при этом фильтрацию осуществляют в условиях ламинарного металла; кроме того, флюс и газ вводят в соотношении 6^oC15 1 по удельному расходу, а скорость течения металла на выходе из фильтра не превышает 0,001 м/с.

Сущность изобретения заключается в том, что совместная подача газа и флюса исключает возможность обволакивания пузырька газофлюсовой смеси оксидной пленкой и при непрерывном введении этой смеси под уровень расплава способствует более полному и стабильному использованию газофлюсовой смеси для рафинирования от примесей как за счет отсутствия оксидной пленки на поверхности пузырьков и большой поверхности контакта реагента с расплавом, так и за счет постоянства состава подаваемой смеси, а достаточная удаленность зоны барботажа от поверхности фильтра способствует погашению турбулентности в движущемся потоке расплава и подводе его к поверхности фильтра со скоростями течения, соответствующими ламинарному характеру движения, не нарушающему кекового слоя из задержанных включений.

Выбранные параметры лимитируются следующими факторами.

При введении совместно флюса и газа в соотношении ниже 6:1 по удельному расходу не достигается достаточно высокая степень рафинирования от примесей и повышается продолжительность рафинирования, а когда это соотношение превышает 15: 1, имеет место непроизводительный расход компонентов смеси при уже не улучшающихся показателях процесса рафинирования.

Характер течения металла в рафинированном устройстве определяли по известной методике (см. Шустеров В.С. Исследование и разработка способа интенсивности процессов приготовления сплавов на основе алюминия-сырца. Диссерт. на соиск. уч. ст. к.т.н. Л. 1981, с.47-57) и оценивали по числу Рейнольдса (, где u скорость течения, м/с; d гидравлический параметр, м; n коэффициент кинематической вязкости среды, м²/с). Согласно данным работам (см. Шехтман Ю.М. Фильтрация мелкоконцентрированных суспензий. М. Изд-во АН СССР, 1961, 211 с. и Тепакс Л.А. Гидравлическое сопротивление при турбулентной фильтрации, Серия А, N 81. Таллин, ТПИ, 1956, 20 с.), ламинарный характер течения имеет место на входе в фильтр, если при выходе из каналов фильтра число Рейнольдса не превышает 10. Учитывая, что для условий фильтрования алюминиевых расплавов м²/с, а гидравлический параметр (диаметр каналов) 0,005 м, нетрудно подсчитать, что для достижения ламинарного характера течения металла на входе в фильтр скорость движения металла на выходе из фильтра не должна превышать 0,001 м/с.

Заявляемый способ испытан в промышленных условиях и осуществляется следующим образом.

На чертеже показан разрез печи с установкой для рафинирования.

Из газовой отражательной печи 1 вместимостью 25 000 кг жидкий алюминий марки А6 выпускают в литейный желоб 2, на котором смонтирован рафинировочный участок, представляющий футерованную емкость 3 вместимостью 130 кг, разделенную по центру перегородкой 4 на две камеры; попадая в первую из них, металл продувается с помощью газораспределительного устройства 5 смесью флюса (карналлит) с азотом в соотношении 8:1 (расход азота составлял 1 нм³/т, а карналитта 8 кг/т), а перетекая во вторую камеру, металл фильтруется через пенокерамический фильтр 6 размерами 200x100x36 мм в восходящем потоке, после чего попадает в кристаллизатор 7. При этом скорость течения расплава на выходе из фильтра составляла 0,001 м/с.

Исходное содержание примесей в алюминиевом расплаве (до поступления в рафинировочное устройство):
неметаллических включений (Al₂O₃): крупных включений 0,3 мм²/см², тонкодисперсных 0,015%
натрия 0,0025%
водорода 0,25 см³/100 г.

Содержание примесей после рафинирующей обработки:
крупных включений Al₂O₃ 0,008 мм²/см²;
тонкодисперсных включений Al₂O₃ 0,004%
натрия 0,0005%
водорода 0,06%
Время рафинирования 30 мин.

Из приведенных данных видно, что достигается достаточно высокая степень рафинирования (здесь и далее рассчитанная по формуле , где C₀ и C исходная и конечная концентрации примесей в металле соответственно): по натрию 80% по водороду 76% по неметаллическим включениям (обоих видов) около 75% Достигнутые результаты превышают аналогичные показатели, полученные при использовании способа-прототипа, на 20 30% вдвое сокращается время рафинирования.

Исследовался также заявляемый способ с запредельными и предельными значениями выбранных параметров. Кроме того, в качестве флюсов использовали составы: гексахлорэтан и смесь NaCl + KCl (в эвтектическом соотношении) + Na₃AlF₆. Исследовался и известный способ (прототип).

Результаты исследований приведены в таблице.

Из данных таблицы следует, что наиболее высокие показатели процесса рафинирования достигаются при использовании заявляемого способа и соблюдении выбранных параметров процесса. Так, степень рафинирования расплава в сравнении со способом-прототипом повысилась в среднем: по водороду на 20% по натрию на 25% по оксиду алюминия (крупные включения) на 20% и по оксиду алюминия (тонкодисперсные включения) на 30% время рафинирования сократилось в 1,5 раза в случае применения смеси азот + карналлит, в 2 раза в случае использования смеси азот + (NaCl + KCl + Na₃AlF₆) и более чем в 2 раза при использовании в смеси гексахлорэтана. Из данных таблицы видно, что при скорости металла на выходе из фильтра меньше 0,001 м/с во всех случаях возрастает время рафинирования при достижении достаточно высоких степеней рафинирования, когда же эта скорость превышает 0,001 м/с, везде снижается степень рафинирования от обоих видов неметаллических оксидных включений, что объясняется, очевидно, нарушением ламинарного характера течения расплава перед входом его в фильтр. Следует выделить, что, как видно из таблицы, показатели процесса рафинирования в случае использования гексахлорэтана наиболее высокие. Объяснить это можно следующими причинами. Как всякий хлорид, C₂Cl₆ весьма активно разрушает оксидную пленку, т.к. обладая высоким сродством к алюминию, адсорбируется, проникает под пленку и реагирует с ним с образованием газообразного хлорида алюминия (см. Курдюмов А.В. Инкин С.В. Чулков В.С. Графас Н.М. Флюсовая обработка расплавов. М. Металлургия, 1980, 196 с.). Кроме того, в результате взаимодействия C₂Cl₆ с алюминием образуется второй газообразный продукт реакции тетрахлорэтилен (C₂Cl₄). Оба этих газообразных вещества, проходя через объем расплава, производят рафинирующее воздействие, аналогичное действию хлора. Таким образом, при воздействии гексахлорэтана повышается интенсивность и полнота протекания физико-химических процессов удаления водорода, примесей щелочных и щелочноземельных металлов, а также неметаллических включений.

Использование: рафинирование алюминиевых расплавов от примесей, например, щелочных металлов, водорода, неметаллических включений. Техническим результатом изобретения является повышение степени рафинирования алюминиевых расплавов и сокращение продолжительности процесса рафинирования за счет более полного использования работы газовой и флюсовой обработки расплава и создания наиболее эффективных условий фильтрации. Сущность: в способе рафинирования алюминия и его сплавов, включающем обработку расплава флюсом, продувку газом и фильтрование, флюс и газ вводят совместно под уровень расплава, при этом фильтрацию осуществляют в условиях ламинарного течения металла; кроме того, флюс и газ вводят в соотношении 6 - 15:1 по удельному расходу, а скорость течения металла на выходе из фильтра не превышает 0,001 м/с. Применение совместной подачи газа и флюса исключает возможность обволакивания пузырька газофлюсовой смеси оксидной пленкой и непрерывное введение этой смеси под уровень расплава способствует более полному и стабильному использованию газофлюсовой смеси для рафинирования от примесей как за счет отсутствия оксидной пленки на поверхности пузырька и большей поверхности контакта реагента с расплавом, так и за счет постоянства состава подаваемой смеси, а достаточная удаленность зоны барботажа от поверхности фильтра способствует погашению турбулентности в движущемся потоке расплава и подводе его к поверхности фильтра со скоростями течения, соответствующими ламинарному характеру движения. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Способ рафинирования алюминия и его сплавов, включающий обработку расплава флюсом, продувку газом и фильтрование, отличающийся тем, что флюс и газ вводят совместно под уровень расплава, а фильтрацию осуществляют в условиях ламинарного течения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что флюс и газ вводят в соотношении 6 ^oC 15 1 по удельному расходу. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость течения металла на выходе из фильтра не превышает 0,001 м/с.