ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ РАФИНИРУЮЩИЙ ФЛЮС ДЛЯ УДАЛЕНИЯ МАГНИЯ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2009 года по МПК C22B9/10 

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

Проблема удаления магния из алюминиевых сплавов актуальна. Во вторичной металлургии алюминия образуется много сплавов, из которых необходимо удалять магний. Процесс этот проводят в различных печах (отражательных, индукционных, роторных, печах сопротивления и т.д.). В каждой из них создаются свои специфические условия. Многие из этих печей преимущественно работают при повышенных температурах (~800-850°С), а флюсы при этом применяются обычные. В связи с этим представляет большой интерес создание эффективного высокотемпратурного 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: 25% NaCl, 25% KCl, 50% Na₃AlF₆.

Недостатком этого флюса являются повышенный удельный расход криолита (на 1 кг магния - 10-12 кг криолита) и низкая его эффективность.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является рафинирующий флюс, состоящий из криолита, кремнефтористых солей натрия и калия и хлоридов щелочных металлов [2]. Данный флюс имеет следующий состав: 20-30% NaCl; 10-30% KCl; 3-5% Na₃AlF₆; 10-40% K₂SiF₆; 10-40% Ka₂SiF₆.

Основными недостатками этого состава флюса являются повышенный удельный расход флюса (на 1 кг магния ~10 кг флюса), а также вредные выбросы в атмосферу (SiF₄). Вследствие этого нарушаются нормы ПДК на рабочих местах до такой степени, что находиться около печи становится невозможным, т.к. SiF₄+H₂O (пар)=SiO₂+4HF↑.

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

Технический результат достигается тем, что в состав флюса для рафинирования алюминиевых сплавов от магния, включающий хлориды щелочных металлов, кремнефтористые соли натрия, согласно изобретению вводят дополнительно фторид алюминия при следующем соотношении компонентов (вес.%):

суммарное содержание хлористого калия и хлористого натрия - 30-40% при весовом соотношении KCl:NaCl=1,27-1,00;

кремнефтористый натрий - 25-35%;

смесь криолита и фтористого алюминия - 45-25%.

Причем криолитовое отношение в смеси криолита и фтористого алюминия должно быть 0,89-0,67.

Данный состав позволяет уменьшить удельный расход рафинирующего флюса при удалении магния из алюминиевого сплава. Это достигается за счет того, что при данном соотношении компонентов рафинирующая способность флюса увеличивается за счет увеличения количества реагента (AlF₃) во флюсе.

Соотношение компонентов в данном рафинирующем флюсе объясняется следующим: при суммарном содержании хлоридов калия и натрия менее 30% поверхностные свойства рафинирующего флюса на границе «металл-оксид» ухудшаются, т.е. замедляется контакт магния с рафинирующим флюсом. Содержание в солевой смеси суммарного количества хлоридов калия и натрия более 40% несущественно улучшает поверхностно-активные свойства флюса. Причем лучшее соотношение хлоридов калия и натрия 1,27-1,00, т.к. при этих соотношениях улучшаются поверхно-активные свойства флюса.

При рафинировании кремнефтористым натрием образуется газ SiF₄, который удаляет магний по реакции: SiF₄+2Mg=2MgF₂+Si. Реакция с газовой фазой идет быстро, это увеличивает скорость рафинирования. Поэтому в рафинирующий флюс целесообразно добавлять кремнефтористый натрий. При концентрации Na₂SiF₆ более 35% нарушается экологическая атмосфера в цехе (см. выше). Поэтому нецелесообразно добавлять кремнефтористый натрий во флюс более 35%. При концентрации Na₂SiF₆ менее 25% эффект ускорения реакции рафинирования не заметен.

Что касается смеси криолита и фтористого алюминия, то границы ее применения обусловлены температурой плавления рафинирующего флюса. Процесс получения алюминиевых сплавов ведут при температуре 750-850°С. При этом перегрев флюса будет составлять 100-150°С. При таком перегреве, с одной стороны, достигаются необходимые поверхностно-активные свойства рафинирующего флюса, с другой стороны, обеспечиваются минимальная летучесть рафинирующего флюса. Поэтому содержание смеси криолита и фтористого алюминия более 45% увеличивает температуру плавления флюса до такой степени, что его применение становится невозможным. При содержании смеси криолита и фтористого алюминия менее 25%, количество реагента уменьшается, расход флюса увеличивается и применение его становится нецелесообразным.

Увеличение криолитового отношения в смеси криолита и фтористого алюминия более 0,89 уменьшает количество реагента (AlF₃), что ухудшает рафинирующую способность флюса. Уменьшение криолитового отношения менее 0,67 резко увеличивает температуру плавления флюса и ухудшает его эффективность.

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

суммарное содержание хлористого калия и хлористого натрия - 30-40%; при весовом соотношении KCl:NaCl=1,27-1,00;

кремнефтористый натрий - 25-35%;

смесь криолита и фтористого алюминия - 45-25%.

при криолитовом отношении 0,89-0,67 обладает минимальным удельным расходом и соответственно высокоэффективным.

Пример 1

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

смесь хлоридов натрия и калия - 35;

кремнефтористый натрий - 30;

смесь криолита и фтористого алюминия - 35 (криолитовое отношение - 0,78).

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 30 минут при перемешивании расплава. Через 30 минут взяли пробу металла и проанализировали ее спектральным методом на содержание магния. Количество магния в алюминиевом сплаве уменьшилось до 0,337%, таким образом, из 1 т расплавленного алюминиевого сплава было извлечено 6,63 кг магния.

Удельный расход флюса на 1 кг магния составит:

50 кг флюса : 6,63 кг магния = 7,54 кг флюса / 1 кг магния.

Пример 2. Граничные значения

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

смесь хлоридов натрия и калия - 30;

кремнефтористый натрий - 25;

смесь криолита и фтористого алюминия - 45 (криолитовое отношение - 0,67).

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 30 минут при перемешивании расплава. Через 30 минут взяли пробу металла и проанализировали ее спектральным методом на содержание магния. Количество магния в алюминиевом сплаве уменьшилось до 0,457%, таким образом из 1 т расплавленного алюминиевого сплава было извлечено 5,43 кг магния.

Удельный расход флюса на 1 кг магния составит:

50 кг флюса : 5,43 кг магния = 9,2 кг флюса / 1 кг магния.

Пример 3. Граничные значения

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

смесь хлоридов натрия и калия - 40;

кремнефтористый натрий - 35;

смесь криолита и фтористого алюминия - 25 (криолитовое отношение 0,89).

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 30 минут при перемешивании расплава. Через 30 минут взяли пробу металла и проанализировали ее спектральным методом на содержание магния. Количество магния в алюминиевом сплаве уменьшилось до 0,49%, таким образом, из 1 т расплавленного алюминиевого сплава было извлечено 5,1 кг магния.

Удельный расход флюса на 1 кг магния составит:

50 кг флюса : 5,1 кг магния = 9,8 кг флюса /1 кг магния.

Пример 4. Заграничные значения

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

смесь хлоридов натрия и калия - 25;

кремнефтористый натрий - 20;

смесь криолита и фтористого алюминия - 55 (криолитовое отношение 0,6).

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 30 минут при перемешивании расплава. Через 30 минут взяли пробу металла и проанализировали ее спектральным методом на содержание магния. Количество магния в алюминиевом сплаве уменьшилось до 0,6%, таким образом, из 1 т расплавленного алюминиевого сплава было извлечено 4 кг магния.

Удельный расход флюса на 1 кг магния составит:

50 кг флюса : 4 кг магния = 12,5 кг флюса / 1 кг магния.

Пример 5. Заграничные значения

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

смесь хлоридов натрия и калия - 45;

кремнефтористый натрий - 40;

смесь криолита и фтористого алюминия - 15 (криолитовое отношение - 0,95).

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 30 минут при перемешивании расплава. Через 30 минут взяли пробу металла и проанализировали ее спектральным методом на содержание магния. Количество магния в алюминиевом сплаве уменьшилось до 0,638%, таким образом, из 1 т расплавленного алюминиевого сплава было извлечено 3,62 кг магния.

Удельный расход флюса на 1 кг магния составит:

50 кг флюса : 3,62 кг магния = 13,8 кг флюса / 1 кг магния.

Результаты примеров приведены в таблице.

№ Соотношение компонентов (вес.%) Криолитовое отношение в смеси криолита и A1F₃ Удельный расход флюса на 1 кг магния Значения KCl + NaCl Na₂SiF₆ Смесь криолита и AlF₃ K₂SiF₆ Na₃AlF₆ 1 35 30 35 - - 0,78 7,54 среднее 2 30 25 45 - - 0,67 9,2 граничное 3 40 35 25 - - 0,89 9,8 граничное 4 25 20 55 - - 0,6 12,5 заграничное 5 45 40 15 - - 0,95 13,8 заграничное 6 20 25 - 25 5 - 10,5 прототип

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 1,65 кг. Что касается заграничных значений концентраций компонентов, то их применение не целесообразно, т.к. удельный расход рафинирующего флюса на 1 кг магния в этих случаях (см. примеры 4 и 5) увеличивается и превышает известный, описанный в прототипе.

Источники информации

1. «Металлургия легких металлов». Николаев И.В., Москвитин В.И., Фомин Б.А. «Металлургия», М., 1997., 430 с. (стр.311).

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

Изобретение относится к области вторичной металлургии легких металлов и может быть использовано для удаления магния из алюминиевых сплавов. В состав рафинирующего флюса для удаления магния из алюминиевых сплавов, содержащего хлориды щелочных металлов, кремнефтористый натрий и криолит, вводят дополнительное количество фтористого алюминия. При этом криолитовое отношение в смеси криолита и фтористого алюминия равно 0,89-0,67. Данное соотношение компонентов флюса обеспечивает увеличение количества реагента (AlF₃) во флюсе. Состав рафинирующего флюса обеспечивает удельный расход на 1 кг извлекаемого магния в среднем на 1,65 кг ниже, чем у остальных аналогичных флюсов, что упрощает технологию рафинирования, дает экономический эффект и позволяет удалять магний из всех алюминиевых сплавов, которые изготавливаются на заводах вторичных цветных металлов. 1 табл.

Состав флюса для рафинирования алюминиевых сплавов от магния, включающий хлориды щелочных металлов, кремнефтористый натрий и криолит, отличающийся тем, что для снижения удельного расхода флюса в него введен фторид алюминия при следующем соотношении компонентов, вес.%:
суммарное содержание хлористого калия и хлористого натрия 30-40 кремнефтористый натрий 25-35 смесь криолита и фторида алюминия 45-25