РАФИНИРУЮЩИЙ ФЛЮС ДЛЯ УДАЛЕНИЯ МАГНИЯ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2008 года по МПК C22B9/10 

Изобретение относится ко вторичной металлургии легких металлов, в частности к рафинирующим флюсам, использующимся для удаления магния из алюминиевых сплавов.

Проблема удаления магния из алюминиевых сплавов актуальна. В используемом для вторичной металлургии алюминия сырье содержится, как правило, большое количество магния, и при изготовлении сортовых сплавов с низким содержанием магния его излишек приходится удалять. В связи с этим представляет большой интерес создание эффективного флюса, рафинирующего алюминиевые сплавы от магния.

Известен флюс для рафинирования алюминиевых сплавов от магния, содержащий хлориды щелочных металлов и криолит [1]. Согласно этому изобретению очистку алюминиевых сплавов от магния ведут флюсом следующего состава: 40% NaCl; 20% KCl; 40% Na₃AlF₆.

Недостатком этого состава флюса является, во-первых, повышенный удельный расход криолита (на 1 кг магния). На практике двойной расход криолита от стехиометрии по реакции:

Во-вторых, высокая температура рафинирования 800°С.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является рафинирующий флюс, состоящий из хлоридов щелочных металлов и кремнефтористого натрия. Данный флюс имеет следующий состав: 52-57% NaCl; 30-35% KCl, 10-15% Na₂SiF₆ [2].

Основным недостатком этого состава флюса является то, что при взаимодействии кремнефтористого натрия с алюминиевым сплавом при температуре около 600°С начинается выделение газообразного четырехфтористого кремния, что приводит к потерям рафинирующего реагента, а следовательно, и к снижению эффективности флюса. При этом ухудшается экологическая обстановка в цеху - нарушаются нормы ПДК по фтору на рабочих местах.

Задача изобретения - увеличение эффективности флюсового рафинирования алюминиевых сплавов от магния.

Технический результат изобретения достигается тем, что в состав флюса для рафинирования алюминиевых сплавов от магния, включающий хлориды щелочных металлов, криолит и кремнефтористый натрий, вводят дополнительно порошкообразный активированный оксид алюминия γ-Al₂О₃.

В составе предлагаемого флюса используются следующие соотношения компонентов (вес.%):

Na₂SiF₆35-60γ-Al₂О₃+α-Al₂О₃15-3Na₂SiF₆5-15KCl30-12NaCl15-10

Содержание α-Al₂О₃ в порошкообразном активированном оксиде алюминия составляет не более 8% от общего количества входящего в состав флюса оксида - γ-Al₂О₃+α-Al₂О₃.

Данный состав позволяет уменьшить удельный расход рафинирующего флюса при удалении магния из алюминиевого сплава по сравнению с прототипом. Это достигается прежде всего за счет того, что газообразный SiF₄ реагирует с γ-Al₂О₃ по реакции:

и образует рафинирующий реагент AlF₃.

Рассмотрим подробнее механизм рафинирования алюминиевых сплавов от магния в прототипе и прелагаемом изобретении.

Взаимодействие кремнефтористого натрия с алюминием, находящимся в алюминиевом сплаве, протекает в три последовательные стадии уже при температуре 600°С по схеме (3-5) с образованием на одной из стадий газообразного четырехфтористого кремния:

В прототипе образование газообразного четырехфтористого кремния приводит к потерям фтора в газовую фазу и соответственно к увеличению удельного расхода флюса, а также к нарушению экологической обстановки на рабочих местах.

В предлагаемом изобретении появляющийся в процессе рафинирования газообразный SiF₄ улавливается γ-Al₂О₃ по реакции (2).

Реагенты, полученные в результате вышеперечисленных реакций, могут быть использованы для рафинирования алюминиевых сплавов от магния. Магний при этом будет переходить в шлак по следующим реакциям:

Таким образом, в предлагаемом изобретении газообразный SiF₄ не улетает из зоны реакции, а образует по реакции (2) активный рафинирующий реагент AlF₃, который по реакции (7) рафинирует алюминиевый сплав от магния и тем самым уменьшает удельный расход флюса и соответственно увеличивает его эффективность. Кроме того, экологическая обстановка на рабочих местах значительно улучшается.

В качестве хлоридной составляющей возможно использовать отработанный электролит магниевого производства ("хлор-калий" электролит), что удешевляет процесс рафинирования, не снижая его эффективности.

Соотношение компонентов в данном рафинировочном флюсе объясняется следующим: кремнефтористый натрий является основным поставщиком рафинирующих реагентов и при его содержании менее 35% эффективность флюса будет ниже, чем в прототипе. Увеличение Na₂SiF₆ более 60% не дает адекватного увеличения эффективности флюса, т.к. флюс становится вязким и за счет снижения его поверхностной активности эффективность всего флюса снижается. Оксид алюминия добавляется для улавливания выделяющегося газообразного SiF₄. При содержании Al₂О₃ менее 3% возможно неполное улавливание выделяющегося газа и соответственно будут увеличены потери рафинирующего реагента. Повышение концентрации Al₂О₃ более 15% не увеличивает эффективность работы флюса, т.к. его количество будет превышать необходимое для нейтрализации газа SiF₄ и не будет участвовать в реакции. Al₂О₃ будет только увеличивать вязкость флюса, а следовательно, и снижать его эффективность.

Хлориды добавляются для увеличения поверхностно-активных свойств флюса. При содержании хлорида калия менее 12% поверхностные свойства рафинирующего флюса ухудшаются. Содержание хлорида калия более 30% не дает существенного улучшения поверхностно-активных свойств рафинирующего флюса. Содержание хлорида натрия менее 10% не дает заметного снижения поверхностного натяжения на границе металл-оксид, содержание же в соленой смеси хлорида натрия более 15% несущественно улучшает поверхностно-активные свойства рафинирующего флюса. В пределах указанных концентраций хлоридов образуется легкоплавкая эвтектика соленого расплава, которая и обеспечивает необходимые поверхностно-активные свойства рафинирующего флюса.

Криолит (Na₃AlF₆) добавляется для снижения температуры плавления хлоридной составляющей и соответственно для увеличения поверхностно-активных свойств полученной хлоридно-фторидной системы. Содержание криолита менее 5% не дает существенного снижения температуры плавления хлоридно-фторидной системы, содержание же криолита более 15%, наоборот, сильно увеличивает температуру плавления хлоридно-фторидной системы. В пределах указанных концентраций криолита образуется легкоплавкая эвтектика хлоридно-фторидных расплавов, которая и обеспечивает необходимые поверхностно-активные свойства рафинирующего флюса. Кроме того, криолит является еще и рафинирующим реагентом и способствует удалению магния из алюминиевого сплава.

Что касается γ-Al₂О₃+α-Al₂О₃, то содержание в нем более 8% α-Al₂О₃ не обеспечивает необходимой адгезии газообразного SiF₄, соответственно увеличиваются потери рафинирующего реагента и снижается эффективность флюса.

Таким образом, рафинирующий флюс для удаления магния из алюминиевого сплава при соотношении компонентов (вес.%):

Na₂SiF₆- 35-60γ-Al₂О₃+α-Al₂О₃- 15-3Na₃AlF₆- 5-15KCl- 30-12NaCl- 15-10

обладает минимальным удельным расходом и соответственно высокоэффективен.

Пример 1

Взяли навеску рафинирующего флюса в количестве 50 кг при следующем соотношении компонентов (вес.%):

Na₃SiF₆- 50γ-Al₂О₃+α-Al₂О₃ (содержание α-Al₂О₃ 2%)- 10Na₃AlF₆- 10KCl- 18NaCl- 12

Расплавили алюминиевый сплав с содержанием магния 1,0% в количестве 1 т. Таким образом, в данном количестве алюминиевого сплава содержится 10 кг магния. На поверхность расплавленного металла добавили флюс. Рафинирование вели в течение 20 минут при перемешивании расплава. Через 20 минут взяли пробу металла и проанализировали ее спектральным методом на содержании магния. Количество магния в алюминиевом сплаве уменьшилось до 0,45%. Таким образом, из 1 т расплавленного алюминиевого сплава было извлечено 5,5 кг магния.

Удельный расход флюса на 1 кг магния составил:

50 кг (флюс):5,5 кг (Mg)=9,1 кг флюса/1 кг Mg.

Пример 2

Граничные значения

Взяли навеску рафинирующего флюса в количестве 50 кг при следующем соотношении компонентов (вес.%):

Na₃SiF₆- 35γ-Al₂О₃+α-Al₂О₃ (содержание α-Al₂О₃ 8%)- 15Na₃AlF₆- 5KCl- 30NaCl- 15

Расплавили алюминиевый сплав с содержанием магния 1,0% в количестве 1 т. Таким образом, в данном количестве алюминиевого сплава содержится 10 кг магния. На поверхность расплавленного металла добавили флюс. Рафинирование вели в течение 20 минут при перемешивании расплава. Через 20 минут взяли пробу металла и проанализировали ее спектральным методом на содержании магния. Количество магния в алюминиевом сплаве уменьшилось до 0,51%. Таким образом, из 1 т расплавленного алюминиевого сплава было извлечено 4,9 кг магния.

Удельный расход флюса на 1 кг магния составил:

50 кг (флюс):4,9 кг (Mg)=10,2 кг флюса/1 кг Mg.

Пример 3

Граничные значения

Взяли навеску рафинирующего флюса в количестве 50 кг при следующем соотношении компонентов (вес.%):

Na₃SiF₆- 60γ-Al₂О₃+α-Al₂О₃ (содержание α-Al₂О₃ 4%)- 3Na₃AlF₆- 15KCl- 12NaCl- 10

Расплавили алюминиевый сплав с содержанием магния 1,0% в количестве 1 т. Таким образом, в данном количестве алюминиевого сплава содержится 10 кг магния. На поверхность расплавленного металла добавили флюс. Рафинирование вели в течение 20 минут при перемешивании расплава. Через 20 минут взяли пробу металла и проанализировали ее спектральным методом на содержании магния. Количество магния в алюминиевом сплаве уменьшилось до 0,56%. Таким образом, из 1 т расплавленного алюминиевого сплава было извлечено 4,4 кг магния.

Удельный расход флюса на 1 кг магния составил:

50 кг (флюс):4,4 кг (Mg)=11,3 кг флюса/1 кг Mg.

Пример 4

За граничные значения

Взяли навеску рафинирующего флюса в количестве 50 кг при следующем соотношении компонентов (вес.%):

Na₃SiF₆- 30γ-Al₂О₃+α-Al₂О₃ (содержание α-Al₂О₃ 12%)- 20Na₃AlF₆- 4KCl- 37NaCl- 9

Расплавили алюминиевый сплав с содержанием магния 1,0% в количестве 1 т. Таким образом, в данном количестве алюминиевого сплава содержится 10 кг магния. На поверхность расплавленного металла добавили флюс. Рафинирование вели в течение 20 минут при перемешивании расплава. Через 20 минут взяли пробу металла и проанализировали ее спектральным методом на содержании магния. Количество магния в алюминиевом сплаве уменьшилось до 0,69%. Таким образом, из 1 т расплавленного алюминиевого сплава было извлечено 3,1 кг магния.

Удельный расход флюса на 1 кг магния составил:

50 кг (флюс):3,1 кг (Mg)=16,1 кг флюса/1 кг Mg.

Пример 5

За граничные значения

Взяли навеску рафинирующего флюса в количестве 50 кг при следующем соотношении компонентов (вес.%):

Na₃SiF₆- 65γ-Al₂О₃+α-Al₂О₃ (содержание α-Al₂О₃ 20%)- 1Na₃AlF₆- 16KCl- 9NaCl- 9

Расплавили алюминиевый сплав с содержанием магния 1,0% в количестве 1 т. Таким образом, в данном количестве алюминиевого сплава содержится 10 кг магния. На поверхность расплавленного металла добавили флюс. Рафинирование вели в течение 20 минут при перемешивании расплава. Через 20 минут взяли пробу металла и проанализировали ее спектральным методом на содержании магния. Количество магния в алюминиевом сплаве уменьшилось до 0,68%. Таким образом, из 1 т расплавленного алюминиевого сплава было извлечено 3,2 кг магния.

Удельный расход флюса на 1 кг магния составил:

50 кг (флюс):3,2 кг (Mg)=15,6 кг флюса/1 кг Mg.

Результаты примеров приведены в таблице.

ТаблицаПримерСоотношение компонентов, вес.%Содержание α-Al₂О₃ в общем (γ-Al₂О₃+α-Al₂О₃), %Удельный расход флюса, кг/кг MgЗначениеNa₂SiF₆γ-Al₂О₃+α-Al₂О₃Na₃AlF₆KClNaCl1501010181229,1среднее2351553015810,2граничное3603151210411,3граничное4302043791216,1за граничное565116992015,6за граничноеПрототип------14,5прототип

Из таблицы видно, что в случае применения предлагаемого состава флюса (см. примеры 1, 2, 3) удельный расход рафинирующего флюса на 1 кг магния меньше по сравнению с известным в среднем на 4,3 кг. Что касается за граничных значений концентраций компонентов, то их применение нецелесообразно, т.к. удельный расход рафинирующего флюса на 1 кг магния в этих случаях (см. примеры 4, 5) увеличивается и превышает известный, описанный в прототипе.

Источники информации

1. Металлургия вторичного алюминия, Б.А.Фомин, В.И.Москвитин, С.В.Махов. - М.: Экомет, 2004, 238 с. (стр.162).

2. «Флюсовая обработка и фильтрование алюминиевых расплавов», А.В.Курдюмов, С.В.Инкин, B.C.Чулков, Н.Н.Графас. - М.: Металлургия, 1980, 196 с. (стр.131).

Изобретение относится к области вторичной металлургии легких металлов, в частности к составу рафинирующего флюса для удаления магния из алюминиевых сплавов. Состав флюса включает хлориды щелочных металлов, криолит и кремнефтористый натрий. Для снижения удельного расхода флюса на 1 кг удаляемого магния в состав флюса дополнительно вводят оксид алюминия при следующем соотношении компонентов (вес.%): Na₂SiF₆ 35-60; γ-Al₂О₃+α-Al₂О₃ 15-3; Na₃AlF₆ 5-15; KCl 30-12; NaCl 15-10. Содержание α-Al₂О₃ в порошкообразном активированном оксиде алюминия составляет не более 8% от общего количества входящего в состав флюса оксида алюминия (γ-Al₂О₃+α-Al₂О₃). Обеспечивается большая эффективность флюса, снижение его удельного расхода на 1 кг извлекаемого магния в среднем на 4,3 кг ниже, чем у остальных аналогичных флюсов, упрощение технологии рафинирования, улучшение экологической обстановки на рабочих местах и возможность удаления магния из всех алюминиевых сплавов, которые изготавливаются на заводах вторичных цветных металлов. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Состав флюса для рафинирования алюминиевого сплава от магния, включающий хлориды щелочных металлов, криолит и кремнефтористый натрий, отличающийся тем, что он дополнительно включает порошкообразный активированный оксид алюминия при следующем соотношении компонентов, вес.%:

Na₂SiF₆ 35-60γ-Al₂О₃+α-Al₂О₃15-3Na₂AlF₆5-15KCl30-12NaCl15-10