СПОСОБ РАФИНИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2010 года по МПК C22B9/10 C22C1/06 C22B21/06 

Изобретение относится к металлургии цветных металлов, в частности к способам рафинирования алюминиевых сплавов от газов, окислов и других неметаллических включений, и может быть использовано в металлургии вторичных цветных металлов при производстве алюминиевых сплавов.

Известен способ, в котором флюс для обработки алюминия и алюминиево-кремниевых сплавов содержит порошкообразные оксиды титана, бора, кальция, калия, натрия и кремния [а.с. 955706, C22B 9/10. Флюс для обработки алюминия и алюминиево-кремниевых сплавов. Степанов Ю.Н., Конягин А.И., Ивченков В.П. и др., 03.12.1980]. Целью этого изобретения является улучшение механических характеристик сплава за счет защиты его от воздействия окружающей среды, модифицирования эвтектики и рафинирования от неметаллических включений. Поставленная цель достигается тем, что флюс для обработки алюминия и алюминиево-кремниевых сплавов, содержащий окислы титана, бора, кальция, калия, натрия и кремния, указанные компоненты содержат в следующем соотношении, вес.%: двуокись титана 0,5-4,0; окись бора 30-40; окись кальция 0,5-4,0; окись калия 15-22; окись кремния 15-23; окись натрия - остальное. Недостатком данного способа является необходимость выдержки расплава под слоем флюса в течение 15-20 мин и невозможность обеспечения равномерного распределения флюса по объему расплава, что, соответственно, снижает его рафинирующую способность.

Известен способ рафинирования с использованием комбинированных флюсов. Комбинированный флюс состоит из 20-40% солевого флюса, применяемого по технологии серийной плавки, а 60-80% его массы заменяется другими технологическими добавками, имеющими целью усилить защитные, рафинирующие свойства флюса и его экологичность, улучшить температурный режим плавки. Технологическими добавками являются вещества, состоящие из оксидов Al₂O₃, SiO₂, MgO и др., т.е. огнеупорные и теплоизоляционные материалы, например, молотый шамот, вспученные перлит, вермикулит и т.п. [Филиппов С.В., Колосков В.Ф. Опыт применения комбинированных флюсов. - Прогрессивные литейные технологии: Труды III Междунар. науч.-практ. конф. - Москва: МИСиС. 2005. - с.242-246]. Комбинированный флюс - порошкообразная, сыпучая масса, которая, равномерно покрывая зеркало металла сравнительно толстым слоем, закрывает расплав, предохраняет его от контакта с атмосферой цеха и испарения компонентов как сплава, так и флюса. Ввиду того что флюс наносится на зеркало расплава, данный способ рафинирования обладает недостатком, связанным с тем, что при последующей рубке флюса и замешивании его в расплав не удается равномерно распределить рафинирующие реагенты во всем объеме расплава, что существенно снижает рафинирующую способность флюса.

Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому изобретению является способ рафинирования алюминиевых сплавов, включающий обработку расплава флюсом, содержащим хлориды, фториды и огнеупорные наполнители в виде дисперсных частиц тугоплавких оксидов алюминия и кремния [Пат. 2318029, C22B 9/10, C22C 1/06, C22B 21/06. Способ рафинирования алюминиевых сплавов. Панфилов А.В., Бранчуков Д.Н., Панфилов А.А. и др. 28.06.2006]. Целью этого изобретения является создание способа рафинирования, отличающегося повышенной рафинирующей способностью, низкой себестоимостью и экологической безопасностью. Поставленная цель достигается тем, что флюс замешивают в сплав, находящийся в твердожидком состоянии и нагревают его до температуры 720-730°C при следующем соотношении компонентов флюса, вес.%: KCl 1,9-9,4; NaCl 1,2-6,0; Na₃AlF₆ 0,9-4,6; оксиды Al и Si - остальное.

Недостатками способа являются необходимость использования флюса в сыпучем порошкообразном состоянии и сложность технологического процесса рафинирования, обусловленная необходимостью строгого поддержания температуры расплава в твердожидком состоянии при замешивании флюса, а также длительность процесса.

Техническим результатом, достигаемым при реализации предлагаемого изобретения, является создание способа рафинирования, отличающегося высокой производительностью при повышенной рафинирующей способности, низкой себестоимости и экологической безопасности.

Этот технический результат достигается тем, что в способе рафинирования алюминиевых сплавов, включающем обработку расплава флюсом, содержащим хлориды, фториды и огнеупорные наполнители в виде дисперсных частиц тугоплавких оксидов алюминия и кремния, обработку проводят при температуре 750-760°C брикетированным флюсом, содержащим органические или неорганические связующие при следующем соотношении компонентов флюса, вес.%: KCl 2,0-10,0; NaCl 2,0-10,0; органические связующие 2,0-3,0 или неорганический 20-30% водный раствор солевой составляющей флюса; оксиды Al и Si до 100.

В качестве органических связующих используются растительное масло или 30-40% раствор полистирола. Выбор органических связующих компонентов обусловлен тем, что при температурах ввода брикета 750-760°C образующиеся газообразные и твердые продукты деструкции органических связующих практически полностью выгорают или всплывают на поверхность расплава в течение 15-20 сек. В связи с этим нет оснований для опасений, связанных с возможным насыщением расплава водородом и частицами карбида алюминия. Использование в качестве связующего водного раствора солевой составляющей позволяет получить брикет без использования дополнительных технологических добавок, который при вводе в расплав полностью разрушается, не выделяя продуктов деструкции. Граничные значения связующих компонентов определяются тем, что при содержании связующего ниже 2% не обеспечивается достаточная прочность брикета, а при содержании связующего выше 3% брикет разрушается в расплаве не полностью, что отрицательно сказывается на его рафинирующей способности.

Для реализации предлагаемого способа рафинирования в расплав при температуре 750-760°C вводят брикет рафинирующей смеси в количестве до 2,5 вес.% с последующим замешиванием в течение 2-3 мин, что обеспечивает ее равномерное распределение в расплаве. При температуре менее 750°C не обеспечивается полное разрушение брикета, а при температуре более 760°C увеличиваются окисляемость расплава и энергозатраты. При дальнейшей выдержке расплава в течение 10-12 мин происходит активное взаимодействие флюса с расплавом, в результате которого частицы рафинирующего реагента всплывают на поверхность, адсорбируя при этом находящиеся в расплаве газы, окислы и др. неметаллические включения, и образовывают покровный слой, защищающий расплав от дальнейшего окисления. Сокращение времени выдержки расплава под флюсом до 10-12 мин обусловлено тем, что при температуре 750-760°C происходит более интенсивное отделение рафинирующих компонентов от расплава.

ПРИМЕР 1

Рафинирование сплава АК12 (ГОСТ 1583-93) порошкообразным комбинированным флюсом по известной технологии. Состав флюса, вес.%:

KCl - 9,4 NaCl - 6,0 Na₃AlF₆ - 4,6 SiO₂ или Al₂O₃·2SiO₂ - 80,0

Длительность выдержки расплава под флюсом 15-20 мин.

ПРИМЕР 2

Рафинирование сплава АК12 по предлагаемой технологии брикетом комбинированного флюса состава, вес.%:

KCl - 2,0 NaCl - 2,0 30-40% раствор полистирола - 3,0 SiO₂ или Al₂O₃·2SiO₂ - 93,0

При рафинировании сплава АК12 брикет рафинирующего флюса вводился в количестве 2,5% по массе сплава. Введение брикета осуществлялось при T=750-760°C с последующим замешиванием в течение 2-3 мин. После выдержки расплава в течение 10-12 мин с поверхности расплава снимали сухой шлак и отливали стандартные образцы по ГОСТ 1583-93 для последующих механических испытаний и для анализа на содержание водорода.

ПРИМЕР 3

Рафинирование сплава АК12 по предлагаемой технологии брикетом комбинированного флюса состава, вес.%:

KCl - 10,0 NaCl - 10,0 30-40% раствор полистирола - 2,0 SiO₂ или Al₂O₃·2SiO₂ - 78,0

Рафинирование осуществлялось аналогично способу, описанному в примере 2. Длительность выдержки расплава 10-12 мин.

ПРИМЕР 4

Рафинирование сплава АК12 по предлагаемой технологии брикетом комбинированного флюса состава, вес.%:

KCl - 2,0 NaCl - 2,0 Растительное масло - 3,0 SiO₂ или Al₂O₃·2SiO₂ - 93,0

Рафинирование осуществлялось аналогично способу, описанному в примере 2. Длительность выдержки расплава 10-12 мин.

ПРИМЕР 5

Рафинирование сплава АК12 по предлагаемой технологии брикетом комбинированного флюса состава, вес.%:

KCl - 10,0 NaCl - 10,0 Растительное масло - 2,0 SiO₂ или Al₂O₃·2SiO₂ - 78,0

Рафинирование осуществлялось аналогично способу, описанному в примере 2. Длительность выдержки расплава 10-12 мин.

ПРИМЕР 6

Рафинирование сплава АК12 по предлагаемой технологии брикетом комбинированного флюса состава, вес.%:

KCl - 2,0 NaCl - 2,0 SiO₂ или Al₂O₃·2SiO₂ - 96,0 H₂O до 20-30% концентрации   солевой составляющей  

Рафинирование осуществлялось аналогично способу, описанному в примере 2. Длительность выдержки расплава 10-12 мин.

ПРИМЕР 7

Рафинирование сплава АК12 по предлагаемой технологии брикетом комбинированного

KCl - 10,0 NaCl - 10,0 SiO₂ или Al₂O₃·2SiO₂ - 80,0 H₂O до 20-30% концентрации   солевой составляющей  

Рафинирование осуществлялось аналогично способу, описанному в примере 2. Длительность выдержки расплава 10-12 мин.

Уменьшение огнеупорной составляющей флюса менее 78% ведет к увеличению количества солей в составе флюса без увеличения его рафинирующей способности. Также повышенное количество солевой составляющей отрицательно воздействует на стенки тигля, футеровку печи и ухудшает экологическую обстановку в цехе. С другой стороны, уменьшение солевой составляющей менее 4% в составе флюса увеличивает прямые потери металла со шлаком, т.к. не обеспечивает эффективного разделения металла и шлака.

Эффективность рафинирования сплава брикетированными комбинированными флюсами оценивали по механическим свойствам сплава - временному сопротивлению разрыву σ_в, МПа и относительному удлинению δ, %, а также по результатам анализа на содержание в сплаве водорода. Результаты исследований приведены в таблице 1.

Таблица 1 № Способ рафинирования (состав флюса в вес.%) Временное сопротивление разрыву σ_в, МПа Относительное удлинение δ, % Водород (ppm, 1×10^-4%) 1 Рафинирование комбинированным флюсом по технологии по известной технологии (9,4% KCl; 6,0% NaCl; 4,6% Na₃AlF₆; 80% SiO₂ или Al₂O₃·2SiO₂) 208 6,5 0,15 2 Рафинирование брикетированным комбинированным флюсом (2,0% KCl; 2,0% NaCl; 3,0% 30-40% раствор полистирола; 93,0% SiO₂ или Al₂O₃·2SiO₂) 209 6,5 0,14 3 Рафинирование брикетированным комбинированным флюсом (10,0% KCl; 10,0% NaCl; 2,0% 30-40% раствор полистирола; 78,0% SiO₂ или Al₂O₃·2SiO₂) 212 6,8 0,14 4 Рафинирование брикетированным комбинированным флюсом (2,0% KCl; 2,0% NaCl; 3,0% растительное масло; 93,0% SiO₂ или Al₂O₃·2SiO₂) 208 6,5 0,13 5 Рафинирование брикетированным комбинированным флюсом (10,0% KCl; 10,0% NaCl; 2,0% растительное масло; 78,0% SiO₂ или Al₂O₃·2SiO₂) 210 6,7 0,14 6 Рафинирование брикетированным комбинированным флюсом (2,0% KCl; 2,0% NaCl; 96,0% SiO₂ или Al₂O₃·2SiO₂; H₂O до 20-30% 208 6,5 0,13   концентрации)       7 Рафинирование брикетированным комбинированным флюсом (10,0% KCl; 10,0% NaCl; 80,0% SiO₂ или Al₂O₃·2SiO₂; H₂O до 20-30% концентрации) 211 6,8 0,12

Результаты испытаний показывают, что при использовании брикетированных комбинированных флюсов, заявленных в изобретении, повышается эффективность процесса рафинирования алюминиевых сплавов. Применение брикетированных флюсов упрощает технологический процесс рафинирования алюминиевых сплавов и повышает производительность процесса за счет сокращения длительности выдержки расплава под флюсом.

Способ рафинирования алюминиевых сплавов включает обработку расплава при температуре 750-760°С брикетированным флюсом, содержащим органические или неорганические связующие, хлориды, фториды и огнеупорные наполнители в виде дисперсных частиц тугоплавких оксидов алюминия и кремния. При использовании органических связующих флюс имеет следующий химический состав, вес.%: KCl 2,0-10,0; NaCl 2,0-10,0; органические связующие 2,0-3,0; SiO₂ или Al₂O₃·2SiO₂ - остальное. В качестве неорганического связующего используется 20-30% водный раствор солевой составляющей флюса. Обеспечиваются повышенная рафинирующая способность и производительность процесса. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ рафинирования алюминиевых сплавов, включающий обработку расплава флюсом, содержащим хлориды, фториды и огнеупорные наполнители в виде дисперсных частиц тугоплавких оксидов алюминия и кремния, отличающийся тем, что обработку проводят при температуре 750-760°С брикетированным флюсом, содержащим органические связующие при следующем соотношении компонентов, вес.%:
KCl 2,0-10,0 NaCl 2,0-10,0 органические связующие 2,0-3,0 SiO₂ или Al₂O₃·2SiO₂ остальное

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве связующего используется водный раствор солевой составляющей флюса при следующем соотношении компонентов, вес.%:
KCl 2,0-10,0 NaCl 2,0-10,0 SiO₂ или Al₂O₃·2SiO₂ остальное,