Плавка сплавов цветных металлов

15.1. Плавка сплавов на основе алюминия

Физико-химические особенности процесса. При рассмотрении технологии плавки алюминиевых сплавов наряду с общеизвест­ными физическими свойствами алюминия — низкой плотностью (2,7 т/м³) и сравнительно низкой температурой плавления (658 °С) следует отметить его высокую теплоемкость и скрытую теплоту плавления. Энтальпия жидкого алюминия при 700 °С сопоставима с энтальпией чугуна при 1250 °С (950 и 1050 кДж/кг соответствен­но). Удельное электрическое сопротивление расплава алюминия 0,24-10~⁶ Омм, т.е. примерно в 6 раз ниже, чем расплава стали. Небольшая величина удельного электрического сопротивления алюминия уменьшает электрический КПД плавки в индукцион­ных печах.

В зависимости от состава газовой фазы печи алюминий может вступать во взаимодействие с кислородом, С0₂ и парами воды по реакциям:

4А1 + 30₂ = 2А1₂0₃, 2А1 + ЗС0₂ = А1₂0₃ + ЗС0, 2А1 + ЗН₂0 = А1₂0₃ + ЗН₂.

Оксидная пленка А1₂0₃, образующаяся на поверхности метал­ла, защищает его в дальнейшем от воздействия газовой фазы. Од­нако защитные свойства оксидной пленки могут меняться под воздействием различных материалов, применяемых во время плав­ки. Калий, натрий и другие щелочные и щелочноземельные ме­таллы, а также цинк, гексахлорэтан (С₂С1₆), фториды бора и крем­ния разрыхляют пленку, делая ее проницаемой для газов. Наобо­рот, бор, фтор и газообразные фториды уменьшают газопроница­емость пленки.

В результате взаимодействия алюминия с парами воды проис­ходит не только его окисление, но и образование водорода, кото­рый легко растворяется в расплаве. Содержание водорода в пере­гретых сплавах алюминия на практике может достигать 3 см³ на 100 г металла. В процессе кристаллизации растворимость водорода уменьшается в 10 раз, что приводит к образованию газовых рако­вин и пористости. Источниками образования паров воды помимо продуктов сгорания топлива могут являться влага кусков шихты и гигроскопичных флюсов, непросушенная футеровка печи и инст­румент, применяемый при плавке, а также некоторые виды лига­тур. Содержащиеся в алюминиевом сплаве Си и Si уменьшают ра­створимость в нем водорода, a Mg, Ti, Li, Be, Na, Ca и Zr увели­чивают.

Алюминий может взаимодействовать также с кремнеземом кис­лой футеровки, восстанавливая его, но развитие этой реакции сдерживается образованием оксидной пленки А1₂0₃ на поверхно­сти зерен футеровки.

Печи для плавки алюминиевых сплавов. Для футеровки печей используют шамот или высокоглиноземистые материалы. В зави­симости от назначения алюминиевых сплавов, масштаба произ­водства и условий литейных цехов плавки проводят в разнообраз­ных плавильных печах, как топливных, так и электрических.

Индукционные тигельные печи промышленной час­тоты используют для плавки алюминия в крупносерийном произ­водстве. Среднечастотные печи также используются для плавки алюминиевых сплавов. По принципу действия индукционные ти­гельные печи для плавки алюминия аналогичны печам, исполь­зуемым для плавки чугуна и стали. Следует, однако, учитывать, что в связи с высокой электропроводностью алюминия электри­ческий КПД печи значительно ниже, чем при плавке железоуглероди­стых сплавов.

Рис. 15.1. Печи для плавки алюминия: а — тигельная печь сопротивления: 1 — тигель; 2 — нихромовая спираль; б — пламенная отражательная печь: 1 — горелка; в — двухкамерная газовая печь: 1 — плавильная камера; 2 — накопительная камера; г — шахтно-отражательная печь: 1 — шахта; 2 — карман выдачи металла; 3 — горелка; 4 — отражательная часть

Индукционные канальные печи позволяют создать максимально благоприятные условия для плавки алюминия при низком расходе электроэнергии на плавку. Однако в процессе плав­ки алюминия на стенках канала печи откладывается тугоплавкий оксид алюминия, это приводит к необходимости очищать канал от нароста каждые 3 — 4 плавки. Снижение производительности печей и увеличение расхода электроэнергии на плавку, связан­ные с очисткой канала от нароста, являются серьезным недостат­ком, препятствующим широкому использованию таких печей для плавки алюминиевых сплавов.

Электрические печи сопротивления —нагреватель­ные элементы из хромоникелевых сплавов обеспечивают темпе­ратуру в рабочем пространстве печи не выше 1100°С, а керами­ческие — не выше 1300 °С. При этом продолжительность плавки алюминия составляет 2,5...4,5 ч. Печи сопротивления в связи с низкой производительностью в современных литейных цехах ис­пользуются, главным образом, как раздаточные. На рис. 15.1, а показана тигельная печь сопротивления с чугунным литым тиг­лем 1 и проволочным спиральным нагревателем 2.

Во избежание загрязнения алюминиевого расплава железом и разъедания тигля на его внутреннюю поверхность наносят слой обмазки, состоящей из 60 % магнезитового порошка, 30 % огнеупорной глины, 10 % графита и жидкого стекла в качестве связу­ющего. Вместо магнезитового порошка часто используют мелкий кварцевый песок.

Топливные печи используют при небольших объемах про­изводства для плавки алюминиевых сплавов. Это тигельные печи с чугунным тиглем, обогреваемые газом или мазутом.

Пламенные отражательные печи (рис. 15.1, б) от­личаются высокой производительностью (более 5 т/ч) и возмож­ностью получить за одну плавку большое количество жидкого ме­талла. Пламя, получаемое от сжигания топлива в горелках 7, на­правляется («настилается») на свод печи. Теплота передается ме­таллу путем отражения от свода и излучения пламени. Такая кон­струкция печей позволяет уменьшить отрицательные последствия контакта пламени с жидким металлом.

Многолетний производственный опыт, в частности на ВАЗе и КамАЗе, показал возможность получения в газовых печах каче­ственного металла при рациональной конструкции печи и пра­вильном ведении плавки. Так, малые газонасыщенность, окис- ленность и загрязненность расплава неметаллическими включе­ ниями достигаются быстрым расплавлением шихты, поддержа­нием слабоокислительной атмосферы (содержание С0₂ не более 9 %) и разделением процессов расплавления и выстаивания ме­талла по разным зонам печи либо по разным печам, объединен­ным в один блок. На рис. 15.1, в показана схема газовой плавиль­ной печи с плавильной камерой 1 и накопительной камерой 2.

Шахтно-пламенные печи (рис. 15.1, г) имеют шахту 1 и отражательную часть 2, в которой расположены газовые го­релки 3. Готовый металл выдается через карман 4.

Технология плавки алюминиевых сплавов. Основные технологи­ческие приемы, используемые при плавке большинства алюми­ниевых сплавов, примерно одинаковы и не зависят от типа пла­вильного агрегата. Исключением являются сплавы, легированные большим количеством магния (5... 10 %), а также жаропрочные и коррозионно-стойкие сплавы.

Процесс приготовления жидкого металла можно разделить на несколько этапов: пуск печи, подготовка и загрузка шихты, рас­плавление и перегрев металла, рафинирование и в некоторых слу­чаях модифицирование.

Пуск печи после капитального ремонта футеровки требует продолжительного и равномерного нагрева во избежание растрес­кивания футеровки. Эта операция во многом определяет длитель­ность эксплуатации печи. Чем сложнее конструкция футеровки и больше ее габариты, тем продолжительнее должен быть период сушки и разогрева. Сушка футеровки индукционной тигельной печи продолжается обычно в течение нескольких суток. Газопламенные печи для плавки алюминия на ВАЗе сушат и разогревают около 30 сут, а продолжительность их бесперебойной работы после это­го не менее семи лет.

Непросушенные футеровка и плавильный инструмент являют­ся, кроме того, причиной газовой пористости в отливках.

Шихта для плавки алюминиевых сплавов не должна быть влажной и загрязненной маслом, эмульсией, землей. Все компо­ненты шихты, вводимые в жидкий металл, должны быть нагреты до 150... 200 °С во избежание выбросов металла. В состав шихты входят чушковый первичный алюминий и первичные литейные алюминиевые сплавы, возврат, лом и отходы. Тугоплавкие леги­рующие элементы, например никель, медь, марганец, титан, а также легкоокисляющиеся элементы вводят в виде лигатур с це­лью облегчения их растворения и уменьшения угара. В табл. 15.1 приведены составы и температуры плавления лигатур, а также температура расплава, при которой легирующий компонент вво­дится в расплав при выплавке лигатуры. Выплавку лигатур лучше всего проводить в индукционных тигельных печах.

Тугоплавкие лигатуры выплавляют в шамотно-графитовых тиг­лях. Плавку ведут под покровными флюсами. После расплавления

Таблица 15.1