Способ рафинирования сплавов на основе алюминия Советский патент 1984 года по МПК C22B9/10 C22C1/06 

00

s|

о со Изобретение относится к металлур гии цветных металлов, а именно к сп co6aTi рафинирования и дегазации сплавов, например, на основе алюминия. В современных литейных цехах для удаления из алюминиевых сплавов неметаллических включений и газов широко используют различные флюсы, которыми обрабатывают жидкий металл При этом флюс может быть жидким или порошкообразным, а также в виде отдельных кусков и гранул. Для удаления газов, растворенных в расплаве, практикуется продувка металлической ванны активными (хлор), нейтральными (азот) или инертными (чаще аргон) газами. Известен способ удаления неметаллических включений фильтрацией через кусковый активный фильтр, устанавливаемый на пути движения струи Переливаемого металла flJ. Однако такие фильтры не обеспечивают глубокой очистки расплава от растворенных газов. Кроме того, сте пень рафинирования фильтрацией заметно падает при прохождении через адсорбент свьппе 75 кг рафинируемого металла, что объясняется постепенньп снижением влияния активной поверхности фильтра на зффективность очис ки расплава. I Известен также метод,в котором о ществляется совмещение процесса фильтрации сплава через активный кусковый фильтр с продувкой жидкого металла инертным газом Этот сп соб позволяет осуществить эффективную очистку металла не только от включений, но и от растворенных в нем газов. Однако и он не свободен недостатков, которые ограничивают область его применения. Известно, что эффективная очистка расплавов от включений всех видов реализуется при скорости фильтрации, не превьппаю щей 0,5 м/с. Но такую скорость нево можно вьщержать особенно в тех случа ях, когда из плавильного агрегата вы пускают большие массы жидкого метал ла. В то же время, при увеличении скорости фильтрации в 1,8 раза против 0,5 м/с резко (в 50 раз) возрас тает коэффициент гидравлического со противления, что приводит к существенному снижению эффективности очист ки сплава от включений. Кроме того, наряду с отмеченной ограниченной возможностью метода в осуществлении качественного рафинирования больпих масс расплава при использовании фильтров отмечается также высокий расход тепловой энергии, связанный с необходимостью перегрева сплава и подогрева гранул адсорбента. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ обработки расплавленного алюминия, включающий подачу расплавленного металла в емкость с расплавом флюса, перемешивание расплавов металла и флюса с одновременной продувкой инертным газом и отеделение металла от флюса. В этом способе около 8 т алюминия в час пропускают -через устройство, состоящее из трех зон или камер, последовательно соединенных между собрй. В первой зоне (перемешивания) жидкие фазы металла и флюса вовлекаются в движение с помощью дискового импеллера мешалки и перемешиваются. В этой же зоне в целях дегазации рафинируемого металла через расплав пропускают неактивный газ. Во второй зоне (сепараир и) происходит отделение флюса, содержащего окисные включения и газы, от металла, подвергнутого очистке в камере смешения. Третья камера устройства предназначена для раздачи очищенного металла З J. Этому методу рафинирования также присущи недостатки, суть которых состоит в следукщем. Известно, что вероятность возникновения газового пузырька Л характеризуется зависимостьюГ ьтгб.г I Л Кехр г 3RT(P-P,)J где 6 - поверхностное натяжение на границе жидкость-газ; R - универсальная газовая постоянная;k - коэффи1р1ент пропорциональности, Т - температура, (Р-Р) - падение давления в системе. Из приведенной зависимости (1) ледует, что Л тем выше, чем ниже оверхностное натяжение -г и чем ольше перепад давления (Р-Р,) в истеме.. При интенсивном перемешивании одновременно большой массы металла флюса и газа в зоне смешения вероятность возникновения пузырьков, барботируемого газа и эффективность их воздействия на рафинируемь0 сплав при прочих равных условиях будут невелики, что следует связать с высоким поверхностным натяжением d..P дисперсионной фазы (в основном жидкого алюминия) и ее турбулизацией вызванной воздействием дискового импеллера мешалки. Качество рафинирования также во многом определяется количеством встреч рафинирующей фазы (флюса) с неметаллическими частицами, взвешенными в обрабатываемом металле, В этом плане достиже ние капельного состояния флюса в I среде металла (эмульгирование) способствует повьш1ению глубины очистки последнего. Однако метод подачи жидкого металла под слой флюса, принятый в прототипе, не способствует эмульгированию расплава соли в среде жидкого алюминия. Лишь применение мешалки в известной степени способствует увеличению поверхности контак та рафинирующей фазы и жидкого метал ла. Но при значительном количестве обрабатываемого металла трудно ждать его эффективной проработки даже в том случае, если бы весь флюс замешивался импеллером в объем жидкого алюминия. Из описания и схемы работы устройства-прототипа следует . что лишь ограниченное количество флюса из его слоя может быть введено в глубину металла в камере смешения . Агрегаты, подобные приведенному в прототипе-, часто встраиваются между миксером и кристаллизатором и обычно используются при непрерывном литье деформируемых металлов и спла вов. Применение таких устройств для обработки литейных сплавов затрудни тельно, так как даже при массовом производстве фасонных отливок процес р-азливки металла по формам организу ся дискретно. В этом случае металл отдельными порциями поступает из печи .или миксера в разливочный ковш масса жидкого алюминиевого сплава в котором редко превып/ает 1000 кг. Цель изобретения - повьшёние сте пени рафинирования сплава от газовых неметаллических примесей, Поставленная цель достигается тем что согласно способу рафинирования сплавов на основе алюминия, включающему подачу расплава металла в емкость с расплавом флюса, перемешивание расплавов металла и флюс с од новременной продувкой инертным газом и отделение металла от флюса, расплав флюса перед подачей в него расплава металла продувают инертным газом. Предварительная подготовка флюса заклк1чается в его ааливке на дно ковща и продувке флюсовой ванны инертным газом еще доначала заполнения емкости жидким металлом. Вероятность зарождения пузьфей Я , согласно зайисимости (1), в неперейешиваемом жидком флюсе выше, чем в том случае, когда металл, флюс и газ вовлекаются в интенсивное перемешивание, как это предусмотрено в прототипе, ибо в последнем случае дисперсионная фаза в основном состоит из жидкого алюминия, поверхностное натяжение которого на порядок величины выше поверхностного натяжения флюса. Из этого вытекает возможность более полной проработки всей массы металла в ковше за счет дробления флюсовой ванны на отдельные капли и флюсогазовые пузыри, всплывающие в жидком металле не только во время заполнения ковша, но и в процессе выстаивания, когда происходит разделение м(таЛла и флюса при всплывании капель последнего. Кроме того, высокая степень рафинирования металла согласно предлагаемому способу в отличие от прототипа объясняется еще и тем, что жидкий флюс в компактном фазовом слое испытывает двойное эмульгирующее воздействие, в результате соударения со струей метал.ла и от продуваемого газа. Следовательно, капельное состояние рафинирующей фазы в жидком металле осуществляется за счет ее предвари р-ельного диспергирования. С другой . стороны, согласно прототипу диспергирова1ше жидкого флюса осуществляется без соударения и не на предварительной стадии, а в процессе его перемешивания с больщими массами металла, подаваемого в камеру смешения, когда каплеобразование рафинирующей фазы происходит при значительном гидродинамическом сопротивлении со стороны дисперсионной среды, вследствие которого затруднительно получение капель расплавленнсзй соли достаточно малых размеров. В

таких условиях, естественно снижаются как поверхность взаимодействия,: так и степень ассимиляции включений рафинирующей фазой.

Кроме того, продувка жидкого флюса газом, а следовательно, и замеши вание солевого расплава в металл происходят как при запсшнении ковша, так и при отделении капель флюса от металла в результате выстаивания, тогда как в прототипе эти операции осуществляются только при перемешивании. Известно также, что в интенсивно перемешиваемых расплавах всплывание пузырей продуваемого газа затруднено из-за осложняющего влияния турбулентности, что снижает эффективность дегазации жидкого металла.

При продувке-газа через слой расплавленного флюса, а затем и жидкого металла отмечается процесс дробления пузырьков продуваемого газа вследствие того, что они формируются в жидкости с меньшей плотностью (флюс) и переходят в жидкость с большей плотностью (металл),

Пример . Проводили рафинирование сплава АЛ32 (ГОСТ 2685-75) по предлагаемому способу. Жидкий сплав АЛ32 приготовляли в газовой печи марки ПБ 2721. Во флюсоплавильной установке приготовили жидкий флюс, имеющий состав, мас.%:

Хлористый натрий42

Хлористый калий50,6

Криолит7,4

Жидкий флюс указанного состава заливали на дно разливочного ковша. Расход флюса принимали ориентировочно 1,5-2 мас.% от массы металла в ковше, составляющей около 400 кг. Затем во флюсовую .ванну погружали улитку с отверстиями диаметром 4-5. мм

и подавали аргон. Расход аргона конт ролировали расходомером, а его давление в трубопроводе - манометром. Предварительно аргон очищали от кислорода и остаточной влаги. После

проявления пузырей на поверхности ванны флюса начинали запопнение жидким металлом. Температура рафИ нирования вьщерживалась в йределах

680-720 0.

Результаты обработки сплава по предлагаемому способу сопоставляли с данными, приведенными в описании спо соба-прототипа. Так, степень дегазации жидкого металла оценивали по его газосодержанию до и после рафини рования, определяемому по методу первого пузырька. Дополнительно, отбирали пробы металла до и после рафинирования и определяли плотность металла в них методом гидростатического взвешивания. Загрязненность сплавов неметаллическими включениями оценивали по результатам осадки обрацов, их надреза, и изучения изломов.. Кроме того, дополнительно изготов- , ляли металлографические шпифы из металла до и после рафинирования. Просмотр шлифов проводили на .металлографическом микроскопе в 80 полях зрения. Эффективность рафинирования (ЭР)() оценивали по соотношению:

ЭР - (2) х V,

где V - средняя объемная доля, занятая включениями на шпифе, полученном из нерафинированного металла-, Vj - то же, после рафинирования.

Результаты испытаний представлены в таблице. .

СПОСОБ РАФИНИРОВАНИЯ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛКМИНИЯ, включающий подачу расплава металла в емкость с расплавом флюса, перемешивание расплавов металла и флюса с одновременной продувкой инертным газом и отделение металла от флюса, отличающийся тем, что, с целью повышения степени рафинирования сплава от газовых и неметаллических примесей, расплав флюса перед подачей в него расплава металла продувают инертным газом. г

0,15 2,21 2,61 3 1 0,15 2,12 2,61 1 О

Способ рафи нирования

Предлагае„20

По результатам изучения изломов

трех партий 45 образцов (по 15 шт. в партии) только в двух образцах одной партии после рафинирования по предлагаемому способу обнаружены

25 включения типа плен окислов. Однако их количество в переводе на 1 см площади излома образца не превьппало количества подобных дефектов, найденных в металле, обработанном по

30 способу-прототипу. В остальных образцах, полученных из металла, очищенного п,о предлагаемому методу, в отличие от прототипа крупных включений не обнарз ено.

35

Для более надежного суждения о степени очистки металла от включений в предлагаемом способе величину ЭР оценивали по результатам металлографического изучения шлифов, которое позволяет определить площадь не толь- ° ко крупных, но и мелкодисперсных включений, видимых в полях зрения микроскопа. Результаты этой оценки

Продолжение таблицы

также свидетельствуют о высокой эффективности рафинирования по предлагаемому методу.

Из анализа данных, представленньк в таблице,также следует, что и газо содержание металла, обработанного по предлагаемому методу,существенно ниже зафиксированного при рафинировании по способу-протруипу. Это однозначно .подтверждается результатами измерения плотности образцов, а также непосредственным определением содержания газов в жидком металле, проведенным экспрессным методом первого пузырька.

Использование предлагаемого способа рафинирования по сравнению с базовым, в качестве которого принят прототип, обеспечивает возможность более глубокой очистки сплавов от неметаллических включений и газов, повышение механических свойств металла за счет резкого снижения содержа1шя в нем мелкодисперсных включений.