СПОСОБ ВВЕДЕНИЯ ЦИРКОНИЯ В МАГНИЙ Советский патент 1995 года по МПК C22C23/00 C22C1/02 

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано в литейном производстве при приготовлении магниевых сплавов, содержащих цирконий (ГОСТ 2 856-68).

Целью изобретения является повышение усвояемости циркония магнием.

Цель достигается тем, что обработку расплава магния проводят расплавом магний-циркониевой лигатуры, подвергнутым предварительной обработке в магнитном поле соленоида постоянного тока. Обработку расплава лигатуры проводят в магнитном поле напряженностью 2-5 ˙ 10⁵ А/м, пропуская ее при температуре 720-750^оС по оси соленоида со скоростью 2,0-5,0 м/с в цилиндрическом канале, выполненном из немагнитного материала, обработанную лигатуру вводят в расплавленный магний, нагретый до 730-780^оС.

Выбор данных параметров обусловлен следующим. При проведении экспериментальных исследований нами установлено, что значительная часть циркония в лигатуре находится в виде агломератов, состоящих из 3-10 зерен α-циркония. Причем большей частью зерна α-циркония покрыты оксидно-солевой оболочкой, препятствующей их взаимодействию с магнием. В таком виде цирконий из лигатуры переходит в магний. При этом зерна α-циркония, находящиеся внутри агломератов, а также зерна, покрытые оксидно-солевой оболочкой, не взаимодействуют с магнием. Они достаточно быстро опускаются в шламовую зону и не способствуют повышению степени усвояемости циркония магнием.

Для повышения степени усвояемости циркония предлагается расплав лигатуры предварительно (до введения в магний) обрабатывать в магнитном поле соленоида постоянного тока. При этом в металле, движущемся вдоль оси соленоида, индуцируется электрический ток, который, взаимодействуя с порождающим его магнитным полем, приводит к возникновению в металле объемных электромагнитных сил. В верхней части соленоида эти силы стремятся разорвать струю металла по ее радиусу и сжать вдоль по оси, в нижней части соленоида напротив сжать по радиусу и растянуть по оси. Причем электромагнитное давление, учитывая, что электропроводимость металла на четыре порядка выше электропроводимости соли, оказывается только на металл. В результате такой двойной деформации металла агломераты из зерен α-циркония распадаются на отдельные зерна, и, кроме того, на них разрушается оксидно-солевая оболочка. Вследствие этого резко увеличивается площадь удельной поверхности взаимодействия магния с цирконием и, кроме того, мелкие зерна α-циркония значительно более медленно опускаются в шламовую зону. Все это приводит к увеличению растворимости циркония в магнии, т.е. к увеличению его усвояемости.

Экспериментально установлено, что указанный эффект, т.е. дробление агломератов из α-циркония на отдельные зерна и разрушение на них оксидно-солевой оболочки, происходит при обработке лигатуры в магнитном поле напряженностью 2-5 ˙ 10⁵ А/м.

При снижении напряженности магнитного поля до ниже 2 ˙ 10⁵ А/м электромагнитные силы, возникающие в металле, недостаточны для того, чтобы раздробить все агломераты из зерен α-циркония и разрушить оксидно-солевую оболочку на их поверхности. Увеличение напряженности магнитного поля до значения 5 ˙ 10⁵ А/м не приводит к существенному улучшению показателей процесса и поэтому нерационально. Установлено, что температура лигатуры в процессе ее обработки должна быть 720-750^оС. Снижение температуры до ниже 720^оС приводит к увеличению вязкости лигатуры, что затрудняет ее обработку (транспортировку в канале). Увеличение температуры до выше 750^оС экономически нецелесообразно и, кроме того, повышается вероятность ее окисления. Экспериментально установлено, что оптимальная скорость движения расплава лигатуры в соленоиде 2,0-5,0 м/с. Скорость движения расплава ниже 2,0 м/с приведет к существенному снижению величины электромагнитных сил в металле, так как их величина пропорциональна скорости движения металла. Увеличение скорости выше 5,0 м/с не рационально, так как может привести к появлению электромагнитных сил, способных разорвать или пережать струю металла.

Установлено, что обработку лигатуры следует проводить в цилиндрическом канале, выполненном из немагнитного материала. Выбор формы канала обусловлен осесимметричной формой соленоида, так как только в таком канале радиальная составляющая электромагнитных сил симметрична относительно оси соленоида и тольков этом случае их энергия полностью расходуется на сжатие или растяжение струи металла, а не тратится бесполезно на ее смещение в направлении оси соленоида. Канал должен быть выполнен из немагнитного материала, так как в противном случае, например при изготовлении канала из ферромагнетика, магнитные силовые линии магнитного поля соленоида будут проходить по стенкам канала и не падать в обрабатываемый металл. В результате этого силы, действующие на металл, будут незначительными по величине и разрушения агломератов из зерен α-циркония не произойдет.

Экспериментально установлено, что ввод лигатура в расплавленный металл следует проводить при температуре 730-780^оС. Снижение температуры металла до ниже 730^оС приводит к тому, что загружаемая в расплав лигатура может понизить температуру металла еще на 10-20^оС. Это вызовет повышение вязкости металла и соответственно ухудшение показателей процесса, в частности загрязнение металла оксидами и хлоридами. Увеличение температуры металла до значения свыше 780^оС приводит к повышенным потерям металла на угар.

Сущность предложенного способа заключается в следующем. Магний-циркониевую лигатуру предварительно обрабатывают в магнитном поле соленоида постоянного тока. Для этого ее нагревают до 720-750^оС и пропускают по оси соленоида в магнитном поле напряженностью 2 ˙ 10⁵ 5 ˙ 10⁵ А/м со скоростью 2,0-5,0 м/с в цилиндрическом канале, выполненном из немагнитного материала. Обработанную таким образом лигатуру загружают в расплавленный магний при температуре последнего 730-780^оС.

Известны способы введения циркония в магний из К₂ZrF₆, проводимые при температурах, превышающих 850^оС. Однако они нерациональны из-за большой зафлюсованности отливок и низкой усвояемости циркония. Введение циркония из K₂ZrF₆ сопровождается образованием тугоплавких продуктов реакции. Усвояемость циркония в этом способе составляет всего 20-30%
Известны способы введения циркония из хлористого циркония (ZrCl₄) и хлорцирконатов натрия и калия. Усвояемость циркония в этих случаях 10-25%
Известно легирование магния металлическим цирконием. Для этого цирконий в гранулах быстро вводили под поверхность расплавленного магния или магний лили на гранулы, но, несмотря на выдержку металла в течение длительного времени под флюсом или аргоном при частых перемешиваниях и значительных температурах, эффективное содержание циркония в сплаве достигло лишь 0,5% Еще более низкое содержание циркония получается при введении в магний чистого иодистого циркония в виде листов и прутков.

Наибольшее распространение получили способы ввода циркония в магний с помощью металлических лигатур. Впервые такие лигатуры были предложены фирмой "Magnesium Electron Ltd", они содержали около 30% циркония и около 10% остатка хлоридных солей. В СССР технология получения металлической лигатуры Mg-Zr взамен шлак-лигатуры, содержащей 50% K₂ZrF₆ + 22% Mg и 25% карналлита, разработана в 1964 г. В настоящее время такая лигатура изготавливается на Соликамском магниевом заводе и заключается в восстановлении фторцирконата калия в жидком карналлите магнием. Эту лигатуру перед введением в магний нагревают до 300-400^оС и вводят в расплав при температуре 820^оС.

Заявляемый способ отличается тем, что расплав магний-циркониевой лигатуры перед вводом ее в магний предварительно обрабатывают в магнитном поле соленоида постоянного тока.

Обработку лигатуры проводят в магнитном поле напряженностью 2 ˙ 10⁵ 5 ˙ 10⁵ А/м, пропуская ее при температуре 720-750^оС по оси соленоида со скоростью 2,0-5,0 м/с в цилиндрическом канале, выполненном из немагнитного материала. Обработанную лигатуру вводят в магний, нагретый до 730-780^оС. Способ позволяет значительно повысить усвояемость циркония магнием.

Экспериментальную проверку предложенного способа проводили в лабораторных условиях. Для этого чушки магний-циркониевой лигатуры расплавляли в тигле печи сопротивления и нагревали до заданной температуры. Расплав перемешивали и от него отбирали две равные по массе партии лигатуры в абсолютно идентичные кокили. Причем одну отбирали сразу в кокиль, а вторую предварительно пропускали через соленоид постоянного тока. В процессе обработки лигатуры в магнитном поле изменяли напряженность магнитного поля Н_о (а/м), температуру расплава t (^оС), скорость прохождения через соленоид V (м/с), а также материал канала и его форму. Затем полученную лигатуру, обработанную и не обработанную в магнитном поле, анализировали на содержание циркония и от каждой партии отбирали одинаковые по массе образцы. Для исследования усвояемости циркония магнием в двух абсолютно идентичных тиглях расплавляли равное количество магния (МГ90, ГОСТ 804-72) и при достижении заданной температуры вводили подготовленные образцы лигатуры. Причем одну плавку "контрольную" (К) проводили на лигатуре, не обработанной в магнитном поле, а вторую "опытную" (ОП) на лигатуре, прошедшей обработку в магнитном поле соленоида постоянного тока. Технологический режим "контрольной" и "опытной" плавок (продолжительность перемешивания и отстоя металла, его температура) был полностью одинаковый. После окончания плавок полученный сплав (Mg-Zr) сливали в идентичные кокили, охлаждали и анализировали металл каждой плавки на содержание циркония. Таким образом, каждый опыт состоял из двух плавок "контрольной" и "опытной". По каждой плавке рассчитывали коэффициент усвояемости циркония. Для этого в сплаве каждой плавки определяли расчетное содержание циркония, т.е. содержание циркония, которое должно было бы быть в сплаве при условии, если весь цирконий из лигатуры перешел в сплав. Коэффициент усвояемости циркония определяли как отношение (в процентах) истинного содержания циркония в сплаве (определенного по результатам химического анализа) к расчетному содержанию.

Примеры выполнения способа и полученные коэффициенты усвояемости приведены в таблице.

В результате проведенных опытов была отработана технология введения циркония в магний, заключающаяся в предварительной обработке расплава лигатуры в магниевом поле соленоида постоянного тока. Определен технологический режим обработки и условия введения лигатуры в магний. Установлено, что разработанная технология позволяет не менее, чем в два раза увеличить усвояемость циркония магнием.

Использование: в литейном производстве при приготовлении магниевых сплавов, содержащих цирконий. Сущность: осуществляют обработку расплава магния расплавом магнийциркониевой лигатуры. Лигатуру предварительно нагревают до 720 - 750°С и обрабатывают в магнитном поле соленоида постоянного тока при напряженности 2·10⁵-5·10⁵A/м по оси соленоида со скоростью 2,0 - 5 м/с в цилиндрическом канале из немагнитного материала. Температуру расплава магния поддерживают равной 730 - 780°С. 2 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. СПОСОБ ВВЕДЕНИЯ ЦИРКОНИЯ В МАГНИЙ, включающий обработку расплава магния расплавом магний-циркониевой лигатуры, отличающийся тем, что, с целью повышения степени усвоения циркония, расплав лигатуры подвергают предварительной обработке в магнитном поле соленоида постоянного тока, в цилиндрическом канале из немагнитного материала. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплав лигатуры нагревают до 720 750^oС, обработку осуществляют при напряженности 2 5 · 10⁵ А/м и движении лигатуры по оси соленоида со скоростью 2,0 5 м/с. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру расплава магния поддерживают равной 730 780^oС.