Флюс для обработки алюминиевых сплавов Российский патент 2021 года по МПК C22B21/00 

Заявляемое техническое решение относится к области металлургии цветных металлов и предназначено для обработки алюминиевых сплавов в литейном производстве.

Известна, например, композиция солевого флюса [1] для плавки алюминиевого лома (US 6053959, 25.04.2000, [1]), содержащий, мас. %: хлористый калий - 47,5%, хлористый натрий - 47,5%, источник фторида (MAlF₄, M₃AlF₆, MF, CaF₂) - 5%, где источником фторида может быть KAlF₄.

Также известен флюс (Альтман М. Б. «Металлургия литейных алюминиевых сплавов. М. Металлургия», 1972, А. В. Курдюмов, М. В. Пикунов, В. М. Чурсин, Е. Л. Бибиков «Производство отливок из сплавов цветных металов». М. МИСиС, 1996, стр. 159, [2]), содержащий, мас. %: хлористый калий - 47, хлористый натрий - 30, гексафтороалюминат натрия - 23.

Указанный аналог [2] является по совокупности существенных признаков наиболее близким аналогом того же назначения к заявляемому техническому решению, поэтому он принят в качестве прототипа.

Решаемой технической проблемой является необходимость повышения степени рафинирования и снижения температуры плавления флюса. Температура плавления является одним из важнейших свойств флюса и должна быть ниже рабочих температур приготовления алюминиевых сплавов. Это объясняется кинетическими закономерностями протекания реакций, поскольку большинство металлургических реакций гетерогенные, то они протекают на границе раздела фаз. В случае твердого флюса данная граница раздела (поверхность контакта) значительно меньше, чем в случае жидкости. По этой причине увеличение площади контакта фаз (плавление флюса) приводит к большей эффективности протекания реакции, чем быстрее расплавится флюс и вступит во взаимодействие с расплавом, тем лучше.

Недостатком аналога [1] является то, что содержание KAlF₄ составляет 5% - такого количества KAlF₄ недостаточно для необходимого рафинирующего эффекта в части удаления неметаллических включений и водорода.

У прототипа [2] температура плавления гексафтороалюмината натрия составляет 1013°C, что увеличивает температуру плавления флюса. Кроме того, известное содержание хлористого калия 47% и хлористого натрия 30% повышает стоимость флюса, так как хлорид калия стоит примерно в пять раз дороже хлорида натрия.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым техническим решением, является повышение эффективности флюса для обработки алюминиевых сплавов.

Другим техническим результатом является снижение температуры плавления флюса.

Технический результат заявленного технического решения достигается тем, что флюс для обработки алюминиевых сплавов содержит смесь NaCl, KCl и источника фторида. Отличается тем, что источником фторида является KAlF₄ или NaAlF₄, при этом соотношение компонентов в смеси составляет, масс. %:

NaCl 10 - 70 KCl 10 - 45 KAlF₄ или NaAlF₄ 10 - 80.

Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного технического решения, обеспечивающих достижение всех заявленных технических результатов.

В частном предпочтительном случае соотношение компонентов в смеси составляет, масс. %:

NaCl 47 KCl 30 KAlF₄ или NaAlF₄ 23.

Автором заявленного технического решения изготовлен опытный образец этого решения, испытания которого подтвердили достижение технических результатов.

Осуществление технического решения.

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

NaCl 10 - 70 KCl 10 - 45 KAlF₄ или NaAlF₄ 10 – 80.

Соотношение компонентов в данном флюсе объясняется следующим.

Температура плавления тетрафтороалюмината калия KAlF₄ составляет 560°С, при этом температура плавления тетрафтороалюмината натрия NaAlF₄ составляет 720°C. В ходе эксперимента установлено, что содержание KAlF₄ или NaAlF₄ в количестве 23% является оптимальным для снижения температуры плавления флюса и улучшения рафинирующего эффекта в части удаления неметаллических включений и водорода, по сравнению с аналогами.

Полученные температуры плавления флюсов указаны в таблице 1.

Таблица 1

Содержание компонентов, % Температура плавления, °C NaCl KCl KAlF₄ NaAlF₄ Na₃AlF₆ 47 30 23 - - 622 47 30 - 23 - 635 30 47 - - 23 686 Al металлический 659,5

В таблице 2 представлены показатели рафинирования сплава флюсами.

Эффективность флюсовой обработки расплава сравнивали с качеством исходного металла. Представленные результаты исследований свидетельствуют о высокой эффективности рафинирования сплавов заявленными флюсами при обработке расплава заявленным флюсом - в результате степень рафинирования по водороду повысилась в 4,82 раза, по неметаллическим включениям в 11,6 раз (в сравнении образцов № 1 и 4), а цена снизилась примерно на 25% (в сравнении образцов № 2 и 4).

Таблица 2

Флюс NaCl - 47,5
KCl - 47,5
KAlF₄ - 5 NaCl - 30
KCl - 47
Na₃AlF₆ - 23 NaCl - 47
KCl - 30
NaAlF₄ - 23 NaCl - 47
KCl - 30
KAlF₄ - 23 NaCl - 47
KCl - 47
NaAlF₄ - 10 NaCl - 47
KCl - 47
KAlF₄ - 10 Номер образца 1
(аналог 1) 2
(прототип 2) 3 4 5 6 Марка сплава 6063 6063 6063 6063 6063 6063 Содержание водорода до рафинирования, см³/100 г 0,27 0,27 0,27 0,28 0,26 0,27 Содержание водорода после рафинирования, см³/100 г 0,25 0,20 0,20 0,18 0,23 0,23 Степень рафинирования по водороду, % 7,40 25,92 25,92 35,71 11,53 14,81 Содержание включений до рафинирования, мм²/кг (PoDFA) 1,0147 1,0255 1,0183 1,0124 1,0196 1,0279 Содержание включений после рафинирования, мм²/кг (PoDFA) 0,9579 0,3912 0,3776 0,3563 0,8124 0,8535 Степень рафинирования по неметаллическим включениям, % 5,59 61,85 62,92 64,80 20,32 16,96 Содержание металла в шлаке, % 37,0 32,5 24,8 22,2 26,4 28,9 Шлакообразование, кг/т 5,5 4,5 4,1 4,0 4,3 4,3 Расход флюса для рафинирования, кг/т 1 1 1 1 1 1 Расход флюса для обработки шлака, кг/ кг шлака 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25

Реализация заявляемого технического решения не ограничивается приведенным выше примером. При содержании KAlF₄ или NaAlF₄ более 50% флюс может быть использован как рафинирующий реагент для очистки расплава от щелочных и щелочноземельных металлов по реакциям:

2KAlF₄ + Mg = 2KF + 3MgF₂ + 2Al

2KAlF₄ + Ca = 2KF + 3CaF₂ + 2Al

KAlF₄ + 3Li = KF + 3LiF + Al

KAlF₄ + 3Na = KF + 3NaF + Al

2NaAlF₄ + Mg = 2NaF + 3MgF₂ + 2Al

2NaAlF₄ + Ca = 2NaF + 3CaF₂ + 2Al

NaAlF₄ + 3Li = NaF + 3LiF + Al

Заявленный флюс используют для снижения содержания металла в шлаке, шлакообразования и очистки от неметаллических включений и водорода. Приготовление сплавов ведут в печи (миксере) под слоем расплавленного флюса, чтобы предотвратить окисление алюминия в атмосфере печи (миксера) и/или обрабатывают шлак в конце плавки для коалесценции расплавленного алюминия с целью максимального извлечения металла из шлака и снижения шлакообразования. Для рафинирования расплава от неметаллических включений и водорода флюс замешивают по всей глубине ванны после снятия шлака и дают технологическую выдержку 20 минут для всплытия включений.

Заявляемое техническое решение реализовано с использованием промышленно выпускаемых материалов и нашло широкое применение для плавки и рафинирования алюминиевых сплавов.

Изобретение относится к флюсу для обработки алюминиевых сплавов и предназначено для обработки алюминиевых сплавов в литейном производстве. Флюс содержит смесь NaCl, KCl и источника фторида при соотношении компонентов в смеси, составляющем, мас. %: NaCl - 10-70, KCl - 10-45, KAlF₄ или NaAlF₄ - 10-80. Обеспечивается повышение эффективности флюса, степени рафинирования, и снижение температуры плавления флюса и стоимости флюса для обработки алюминиевых сплавов. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Флюс для обработки алюминиевых сплавов, содержащий смесь NaCl, KCl и источника фторида, отличающийся тем, что источником фторида является KAlF₄ или NaAlF₄, при этом соотношение компонентов в смеси составляет, мас. %:

NaCl 10 - 70 KCl 10 - 45 KAlF₄ или NaAlF₄ 10 - 80

2. Флюс по п. 1, отличающийся тем,  что соотношение компонентов в смеси составляет, мас. %:

NaCl 47 KCl 30 KAlF₄ или NaAlF₄ 23