3.2.4. Рафинирование алюминиевых сплавов.

Очистка алюминиевых сплавов от различных включений и водорода может быть проведена отстаиванием расплава, продувкой инертными и активными газами, обработкой хлористыми солями и флюсами, вакуумированием и фильтрацией.

Отстаивание основано на всплывании или осаждении включений за счет различия в плотности с расплавом. Эта разница невелика, невелика и эффективность данного метода. Даже при длительной выдержке удаляются только крупные частицы. Если выдерживать расплав в выключенной печи и охладить расплав до температуры плавления (произвести вымораживание расплава) то можно частично удалить растворенный водород.

Продувка расплавов газами сопровождается диффузией растворенного газа (водорода) в пузырьки продуваемого газа и флотирующим действием пузырьков по отношению к некоторым включениям. Используют инертные (аргон, гелий) или нейтральные газы (азот) и активный газ – хлор или смесь азота с хлором. Для алюминиевых сплавов обычно выбирают более дешевый азот. При температурах до 800 °С, азот не вступает во взаимодействие с расплавленным алюминием, т.е. является нейтральным газом по отношению к алюминию. При более высоких температурах образуются нитриды алюминия.

Механизм рафинирования продувкой инертными или нейтральными газами, в частности азотом, приведен на рис. 14. Газ можно подавать в расплав при помощи керамических (или футерованных металлических) трубок с пористыми наконечниками (рис. 14, а) в плавильный тигель или разливочный ковш, а также через пористые керамические вставки, смонтированные в дно ковша (рис. 14, б). Трубку с газом необходимо перемещать по всему объему расплава. Газ поступает из баллона через редуктор. Давление газа увеличивают постепенно до появления легкого бурления над расплавом. В систему подачи газа должен быть встроен осушитель, наполненный гранулами силикагеля.

Рис. 14. Способы продувки расплава азотом через трубку с пористым наконечником (а) и через пористую вставку (б): 1 – тигель (ковш); 2 – трубка; 3 – пористая вставка; 4 – пористая вставка; 5 – кожух для подачи газа

На рис. 15 показано распределение парциальных давлений в поднимающемся пузырьке азота. Так как парциальное давление водорода во вновь образованном пузырьке равно нулю, то начинается диффузия растворенного в расплаве водорода в этот пузырек, несмотря на то, что давление азота в нем больше атмосферного (иначе он не будет всплывать). Растворенный газ будет переходить из расплава в пузырек до тех пор, пока не наступит равновесие между газовой фазой и расплавом – раствором. Чем больше суммарная поверхность пузырьков инертного газа (меньше размер пузырьков), тем выше скорость дегазации. Этим объясняется использование при продувке пористых материалов с диаметром пор не более 0,1 – 0,5 мм.

Всплывающие газовые пузырьки всегда оказывают флотирующий эффект по отношению к неметаллическим включениям, которые плохо смачиваются расплавом (являются гидрофобными телами). Пузырьки «прилипают» к поверхности включений. Этот процесс энергетически выгоден. В результате в расплаве образуются целые агрегаты из пузырьков газа и неметаллических включений, (рис. 16). В агрегате может быть один пузырек и одна или несколько частиц, а может быть несколько пузырьков и одна или несколько частиц. Как только суммарная плотность такого агрегата станет меньше плотности расплава, он поднимется на поверхность и перейдет в шлак.

Рис. 15. Парциальные давления газов в всплывающем пузырьке азота

Рис. 16. Агрегаты неметаллических включений и газовых пузырьков

Высокие результаты достигаются при продувке активным хлором. Пузырьки хлора, введенного в расплав, в первую очередь взаимодействуют с алюминием по реакции:

2 Al + 3 Cl₂ = 2 AlCl₃

Хлористый алюминий (температура кипения 180 ^оС) мгновенно превращается в пар и образует дополнительные газовые пузырьки. Часть хлора вступает в реакцию с растворенным водородом:

Cl₂ + 2 Н = 2 НCl

Хлористый водород также находится в парообразном состоянии. Пузырьки AlCl₃ и НCl будут всплывать на поверхность. Так как парциальное давление водорода в них в начальный момент равно нулю, то водород, растворенный в металле, вследствие разности парциальных давлений будет диффундировать в пузырьки рафинирующих газов. Так же, как и при использовании инертного или нейтрального газа, этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не сравняются парциальные давления водорода в расплаве и в газовом пузырьке.

Если на пути газовых пузырьков встретятся твердые частицы, смачиваемые газом, то они также будут всплывать на поверхность расплава.

Расход хлора 0,3 – 0,5 м³ на тонну сплава, длительность продувки при 710 – 730 °С может составлять 10 – 12 мин. Давление хлора поддерживают на уровне 0,11 – 0,12 МПа, при котором наблюдается легкое бурление на поверхности расплава. Обработку хлором проводят в герметичных камерах или в ковшах с крышкой, соединенной с вентиляционной системой.

Хлор - токсичный газ, поэтому необходимо тщательно соблюдать меры по охране труда. По этой причине продувка хлором в настоящее время практически не применяется на производстве.

Продувку азотом или аргоном ведут при 720 – 730 °С в течение 5-20 мин. Расход этих газов составляет 0,5 – 1,0 м³ на тонну сплава. Эффективность метода возрастает, если продувку вести через пористые керамические вставки. Чем меньше размеры пузырьков продуваемого газа и равномернее распределение по объему расплава, тем чище расплав.

Продувку расплава газами целесообразнее проводить при плавке в тигельных печах. В отражательных печах глубина ванны мала и пузырьки всплывают очень быстро.

Обработка хлористыми слоями сопровождается протеканием обменных, реакций с расплавом. Применят хлористые цинк и марганец (0,05-0,2 % при температуре 700 – 730 °С), гексахлорэтан С₂Cl₆ (0,3 – 0,7 % при температуре 740 – 750 °С), а также TiCl₄, и другие хлориды. При протекании реакций

3 TiCl₄ + 4 Al = 4 AlCl₃ + 3 Ti

3ZnCl₂ + 2 Al = 2 AlCl₃ + 3 Zn

3MnCl₂ + 2 Al 2 AlCl₃ + 3 Mn

образуются газообразные продукты реакции (AlCl₃), которые оказывают рафинирующее действие, как при продувке газами.

Хлористые неорганические соли обладают высокой гигроскопичностью. Для удаления влаги соли подвергают сушке (МnС1₂) или переплавляют (ZnСl₂) и вводят в расплав при помощи колокольчика в несколько приемов. После обработки расплав выстаивают 10-15 мин. Подготовленные соли после переплава или сушки необходимо хранить в термостате при 120 – 150 °С. Металлы, восстановленные из солей, остаются в расплаве. Некоторые из них полезны и могут играть роль модификаторов, но для ряда сплавов могут оказаться вредными примесями.

Органические хлориды, и в первую очередь гексахлорэтан, отличаются пониженной гигроскопичностью, недефицитны и обладают хорошей дегазирующей способностью. Гексахлорэтан С₂Cl₆ (бесцветное кристаллическое вещество с температурой возгонки 187 °С и плотностью 2,1 г/см³) постепенно вытесняет другие соли. При взаимодействии с расплавленным алюминием образуются два газообразных продукта:

3 C₂Cl₆ + 2 Al = 3 C₂Cl₄ + 2 AlCl₃.

Тетрахлорэтилен (C₂Cl₄) вскипает при 121 С и вместе с AlCl₃ оказывает рафинирующее действие. Если в сплаве содержится магний, то рафинирующее действие солей снижается из-за протекания реакции

3 Mg + 2 AlCl₃ = 2 Al + 3 MgCl₂

и образования жидкого хлористого магния.

В настоящее время на основе гексахлорэтана производится препарат «Дегазер» в виде таблеток в вакуумной упаковке. Для увеличения плотности в препарат добавлен хлористый барий (10 %), поэтому таблетки опускаются на дно, увеличивая объем обрабатываемого расплава.

Общим недостатком всех адсорбционных методов рафинирования является то, что они не могут охватить весь объем расплава и очищают только те участки расплава, через которые проходит адсорбент.

Обработка рафинирующими флюсами является более универсальным и эффективным методом рафинирования алюминиевых сплавов, чем продувка газами и обработка солями.

В основу этого метода рафинирования положено физико-химическое взаимодействие между флюсом и примесями, а именно способность флюса адсорбировать и растворять неметаллические примеси или химически связывать их в прочные соединения, которые легче удаляются из расплава в виде шлака. Главную роль играют поверхностные явления. Включения переходят во флюс под действием межфазных сил. Такими свойствами обладают флюсы на основе хлористых и фтористых солей с содержанием не менее 10 % фторидов (NaF, CaF₂, Na₃AlF₆, Na₂SiF₆ и др.) Составы основных рафинирующих флюсов приведены в табл. 9.

Таблица 9

Составы рафинирующих и универсальных флюсов для плавки алюминиевых сплавов

Номер флюса	Содержание компонентов, %	Область применения
1 2	47 KCl; 30 NaCl; 23 Na3AlF6	Рафинирующие флюсы для всех сплавов без магния
	35 KCl; 50 NaCl; 15 Na2SiF6
3 4 5 6 7 8 9	60 MgCl2×KCl; 40 KF 80 MgCl2 KCl; 12 – 15 KCl; 5 – 8 BaCl2 80 MgCl2×KCl; 20 CaF2 85 MgCl2×KCl; 15 MgF2 90 MgCl2×KCl; 10 K3AlF6 90 MgCl2×KCl; 10 KF 90 MgCl2×KCl; 10 AlF3	Рафинирующие флюсы для алюминиево-магниевых сплавов
10 11 12 13	11,5 KCl; 56,5 NaCl; 25 NaF;7 Na3AlF6 10 KCl; 50 NaCl; 10 Na3AlF6; 30 NaF 45 NaCl; 15 Na3AlF6; 40 NaF 40 KCl; 35 NaCl; 10 NaF	Универсальные (рафинирующие и моди-фицирующие) флюсы для силуминов

Для алюминиевых сплавов применяют преимущественно верхнее флюсование и флюсование по всему объему. Предварительно переплавленные и высушенные флюсы в количестве 0,5-1,0 % от массы металла засыпают на поверхность и энергично замешивают в расплав при температуре 700-750 °С в течение 3-5 мин. Затем шлак снимают и дают сплаву отстояться 10-15 мин. После повторного снятия шлака металл готов к разливке. Целесообразнее вводить флюсы при помощи "колокольчика", который перемещают по всему объему тигля до полного расплавления флюсов и прекращения взаимодействия с расплавом (прекращения бурления металла).

Флюс № 1 используют для рафинирования деформируемых сплавов, а флюсы № 2 и №13 для рафинирования литейных силуминов. Для сплавов системы Al – Mg применяют рафинирующие флюсы № 3 – 9 на основе карналлита.

Для ускорения процесса рафинирования и повышения его эффективности флюсы лучше использовать в жидком виде. С этой целью их расплавляют в отдельной флюсовой печи.

Вакуумирование является одним из наиболее надежных способов дегазации металлических расплавов. Ковш с расплавом помещают в вакуумную камеру и выдерживают при остаточном давлении 13,3 – 133 Па в течение 10-15 мин. Схема процесса вакуумирования представлена на рис. 17. В вакуумной камере 1 установлена печь 3 с газовым обогревом, в которую устанавливается тигель 2 с расплавленным металлом. Расплав перегревают на 40 – 50 °С, убирают газовую горелку 5 и закрывают камеру крышкой. При помощи ресивера 8 в камере быстро (1 – 2 мин) создается необходимое разрежение. Из ресивера воздух предварительно откачивают вакуумным насосом 6. Остаточное давление в ресивере, а потом и в камере контролируют при помощи вакуумметров 7.

Рис. 17. Схема установки для вакуумирования алюминиевых расплавов

Фильтрация расплавов в настоящее время стала неотъемлемой частью технологического процесса плавки и разливки алюминиевых сплавов на всех предприятиях. Применяют сетчатые, зернистые и пористые керамические фильтры.

Сетчатые фильтры изготовляют из стеклоткани или металлосетки с размерами ячеек от 0,5 × 0,5 мм до 1,5 × 1,5 мм. Фильтры отделяют те включения, размер которых больше ячейки сетки. Их применение позволяет в 1,5 – 2 раза снизить содержание крупных включений и пленок. Но они не оказывают влияния на содержание мелкодисперсных включений и водорода. Обычно их устанавливают по разъему формы под стояком.

Значительно эффективнее зернистые фильтры. Их получают из крошки шамота, магнезита, алунда, кремнезема, сплавов хлористых и фтористых солей (рафинирующих флюсов) и других материалов. Полнота удаления взвешенных неметаллических включений зависит от природы материала фильтра, диаметра и длины межзеренных каналов. Очистка обусловлена механическими и адгезионными процессами. Фильтры из крошки переплавленных флюсов называют активными. За счет адгезионных процессов они позволяют отделить до 40 % тонкодисперсных взвесей и на 10 – 20 % снизить содержание водорода в сплавах, прошедших рафинирование флюсами.

Зернистые фильтры, как и сетчатые, устанавливают на пути заливаемого в форму металла. Средний размер зерен фильтрующего материала от 4 до 15 мм в поперечнике, а высота слоя 100 – 150 мм. Располагают зернистые фильтры в раздаточном тигле, в стояке или в литниковой чаше. Заливку ведут таким образом, чтобы фильтр был закрыт слоем расплава 10 – 15 мм. Зернистые фильтры рекомендуется нагревать до 700 – 720 °С. Это позволяет удалить адсорбированную влагу и предотвратить замораживание металла в тонких каналах. Существенное влияние на полноту отделения включений и плен оказывает скорость течения расплава по межзеренным каналам фильтров. При большой скорости течения уменьшается возможность осаждения включений и увеличивается вероятность смыва уже осевших частиц.

Насыпные зернистые фильтры не всегда обеспечивают стабильность процесса очистки расплава. При случайном расположении между крупными зернами могут образоваться каналы большого сечения. Этих недостатков лишены современные объемные пористые керамические фильтры любой формы (рис. 18) с любым заданным сечением каналов. Их изготовляют из Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂ и других материалов. Фильтры могут поставляться в виде крупных блоков или фасонных изделий любой формы по требованию заказчика

а

б

Рис. 18. Пенокерамические фильтры для фильтрации металлических расплавов: а – форма фильтров, б – структура фильтра

Пенокерамические фильтры можно установить в любой части литниковой системы.

Фильтры из муллитокорундовой керамики производства Минского института порошковой металлургии имеют следующие характеристики:

открытая пористость……………….………….	75-85%
предел прочности при изгибе…………………	1-5 МПа
максимальная рабочая температура ……….....	1550oC
средний размер пор……………………………	1-5 мм;
вязкостный коэффициент проницаемости …..	10-9-10-8 м2
максимальный линейный размер…………….	180 мм
толщина…………………………………………	10-25 мм

Эффективность их использования рассмотрим на примере фильтрации эвтектического поршневого сплава АК12ММгН:

Характеристики металла	без очистки	с очисткой
Предел прочности при растяжении, МПа	140-145	165-170
Содержание неметаллических включений, мм2/см2	0.20-0.25	0.05-0.06
Балл пористости	3	1