Способ рафинирования расплавленного алюминия и его сплавов

(23) приоритет 26.12. 72(32) 27. 12. 71 2226/ С 22 В 21/06 С 22. В 9/05 рственныЯ ко СССР ам нзобрете открытнЯ) 211950 (ЗЗ) СШАОпубликовано 15. 12. 82, Бвллет но дел н(72) Автор изобрете ия Иностранная фирма Юнион Карбид Корпорейшнф1) Заявитель 54) СПОСОБ РАФИНИРОВАНИЯ РАСПЛАВЛЕННО АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ ва и ния п нем в месей 1Изобретение относится к металлургии цветных металлов и сплавов и направлено на совершенствование технологии рафинирования алюминия и его сплавов от растворенных в них газах и неметаллических включений.До разливки нерафинированный расплавленный алюминий содержит приме си, главными иэ которых являются.О растворенный водород и взвешенные неметаллические включения (окись магния, окись алюминия, частицы огнеупорных материалов и т.п.). Если эти примеси не удалить, снижается качест-, во иэделий, отлитых иэ металла, увеличиваются потери металла при литье В частности, водород вызывает мелкую пористость в быстро застывающем металле. Твердые неметаллические примеси играют роль центров при образовании кислородных пузырьков во время эатвердевания металла и значительно ухудшают свойства литого металла.Известно технологическое решение по снижению содержания растворенных газов и неметаллических включений в расплавленных металлах обработкой их смесью инвертного газа и хлора,Газ перед подачей в расплав подогревают 1 1-.Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности и достигаемому результату является способ рафинирования расплавленного алюминияи его сплавов, предусматривающий по"дачу расплавленного металла в зону.рафинирования,.ввод предварительноподогретого рафинирующего газа в форме дискретных пузырьков через погруженный в расплав вращающийся газовыйинжектор под-поверхность обрабатываемого расплава, перемешивание раоплаудаление его иэ зоны рафинироваосле удаления растворенного водорода и неметаллическиЖпри(2,Известный способ позволяет осуществить одновременное рафинированиеи обезгаживание обрабатываемого расплава, однако не достаточно эффектив"но, поскольку не отработан рбжимпредварительного нагрева рафннирующего газа, режим ввода газа в расплави режим работы газового инжектора,Цель изобретения - повышение эффективности рафинирования.Цель достигается тем, что согласно способу рафинирования расплавленного алюминия и его сплавов над по"верхностью расплава поддерживают защитную дгмосферу при положительномдавлении относительно давления окружающей среды, рафинирующий гаэ доразделения на пузырьки подогреваютдо температуры расплава и вводят врасплав в направлении радиально наружу с нижней составляющей относитель Оно точки ввода газа при скорости по"тока иэ расчета по Формуле У = Ф С 1 М,где М - скорость потока рафинирующегогаза через инжектор, м/мин;=К С й,15Ю - скорость подачи металла в зону рафинирования, кг/мин;С - расходный. коэффициент газа,равный 0,0003-0,0025 м /кгпвМ - количество инжекторов в системе.При этом инжектор для ввода газаприводят в действие со скоростью,определяемой по Формуле257,6.6751 1,1 гбгде К - скорость вращения инжектора,об/мин;1 - скорость потока газа черезинжектор, м/мин1 - отношение наименьшего разме-ра в сечении зоны рафинирования к диаметру инжектора(беэ размерности); 353 - диаметр инжектора, м.Разработанное для осуществления предложенного способа устройство обеспечивает впрыскивание рафинирующего газа с высокой скоростью в " 4 О расплавленный металл в виде дискретных газовых пузырьков, чем достигается высокая степень рассеивания их в расплавленном металле. Устройство обеспечивает образование потоков в 45 металле в районе устройства таким образом, что образованные пузырьки перемещаются вдоль получающегося в результате вектора потока., который направлен радиально в противополож" 5 ную сторону с расположенными внизу компонентами относительно вертикальной оси устройства, что дает следующие преимущества: во-первых, по существу вертикальное перемещение обес" печивается для всеЯ массы расплавленного металла, в которой направленные вниз вдоль устройства потоки в соче-тании с вращающимися лопастями вызывают разделение газа на маленькие дискретные пузырьки; во-вторых, быстО рое распространение газовых.пузырьков в сторону от точки впрыскивания в металл предотвращает коалесценцию пузырька в зоне, где концентрация пузырь" ков самая высокая; в-третьих, время 65 пребывания хорошо рассеянных газовых пузырьков в расплавленном металле увеличивается из-эа того, что сразу после образования пузырьки не поднимаются на поверхность под действием силы тяжести.Другой Фактор, который содействует максимальному разделению газа на маленькие пузырьки и, следовательноведущий к увеличению площади соприкосновения пузырьков и металла, является предварительный нагрев газа до впрыскиванияТакое предварительное нагревание обеспечивается в изобретении пропусканием газа через канал, идущий вдоль длины отверстия, которое погружено в расплавленный металл. Таким образом, холодный гаэпредварительно нагревается до температуры расплава, вступая в теплообмен с теплопроводными стенками канала, где газ расширяется перед разделением на газозые пузырьки, Следовательно, количество пузырьков, выработанных из данного объема газа, значительно увеличивается и термический росг маленьких пузырьков в расплавленном металле в сущности предотвращается.При использовании впрыскивания в расплавленный алюминий устройство дает непредвиденные улучшения эффективности процессов рафинирования. Способность при высокой скорости- дегазировать металл, интенсивное смешивание, создаваемое устройством в сочетании с увеличившимся контактом поверхностей газа и металла, благодаря хорошо рассеянным пузырькам газа, обеспечивают эффективное удаление твердых примесей в металле, чего главным образом недостает в известных технических решениях по рафинированию легких металлов инертными газами. В результате; предлагаемым способом можно рафинировать алюминий с эффективностью, которую обеспечивает хлор, В то же время . устраняются проблемы, связанные с офлюсованием хлором.Способ согласно изобретению может проводиться периодически или непрерывно.Эффективным и удобным способом подачи флюсующего агента непосредственно в ванну является добавление незначительных количеств хлора к инертному газу. При подаче хлора в расплавленный алюминиевый сплав, содержащий магний, часть хлора реагирует с магнием, образуя хлорид магния, который является эффективным Флюсующим агентом, оставшаяся часть реагирует с аллюминием, образуя газ .хлорида магния, Установлено, что в присутствии больших излишков инертного газа преимущественно образуется хлорид магния по сравнению с хлоридом алюминия, причем в таком количестве, что весь хлор, подаваемуй с инертным газом, реагирует с магнием, Поэтому можно сразу подавать эффективный Флюсующий агент в алюминиевый сплав, содержащий магний, путем введения в .расплавленный металл небольшого количества хлора, растворенного в инертном газе, через впрыскиващее устройство. Непосредственное смешивание впрыскиваемого газа и расплавленного металла ускоряет образование хлорида магния. Это пре дотвращает эмиссию непрореагировавшего хлора и хлорида алюминия иэ системы,.Концентрация хлора в инертном га зе обычно регулируется в пределах 0-5 об, в зависимости от содержания магния в сплаве;Ни в коем случае не допускается превышение количества хлора, которое.;у 0 вызывает эмиссию вредных побочных продуктов из системы.Преимуществом предложенного способа является то, что может быть легко срегулирована подача рафини рующего газа в любые сорта сплавов и при любой скорости литья,Особые требования к рафинирующему газу, выраженныв обычно в виде объема газа при нормальной темпера- З 0 туре и давлении на единицу веса обрабатываемого металла, зависят от состава сплава и требуемого уровня чистоты готового продукта. Скоростьпотока металла через рафинирующую систему определяется скоростью литейных работ, например типом применяемой литейной машины и количества эа" готовок, изготовляемых одновременно иэ рафинированного металла. Следую- щие примеры показывают удобный спо соб регулирования рабочих условий в системе в зависимости от определенного рафинируемого сплава и необходимой скорости рафинирования согласно изобретению, 45Вначале скорость потока рафинирующего газа в газовом инжекторе рассчитывается по Формуле: сплава при обычном способе. Например, сплавы, относительно легко поддающиеся двгазации или неприменяющив. ся в критических условиях, могут 3быть рафинированы,с С = 0,0014 м /кгкалла, в то время как высокопроч.ые структурные сплаву требуютС0,011 мосгаза/кг металла для получения более чистого продукта. После ) определения скорости прохождения потока газа через вярыскивающее устройство скорость вращения ротора регулируется в соответствии с Формулой Ч=% СЗН И), 501где Ч - скорость прохождения рафинирующего газа через устройство, м/минуФ - скорость потока металла илискорость рафинирования,кг/мин;С - особые требования к рафини"рующему газу, м/кг металла,)4 - количество впрыскивающихустройств в системе,Особые требования к рафинирукщемугазу Сф определяются экспериментальным путем или при пуске системыпо количеству хлора, используемогодля офлюсования этого определенного 65 где Й - скорость вращения ротора,об/минуЧ - скорость прохождения потокагаза через устройство (рас"считывается по Формуле 1)) - отношение размера наименьшего поперечного сечения рафинирующей эоны вокруг роторак диаметру ротора (рассчитывается с помощью составляющяхединиц) уд -диаметр ротора, м.Эта формула дает приблизительноеколичество оборотов в минуту ротора,обеспечивающего удовлетворительновРассеивание рафинирующего газа ихорошее перемешивание металла приисключительных рабочих условиях. ПоФормуле видно, что скорость ротораможет быть увеличена с возрастаниемскорости потока Рафинирующего газа.Следует отметить, что. устройствоможно применять при значительно болеенизких скоростях по сравнению с теми, которые дает формула. Оптимальная скорость в основном диктуетсянеобходимой степенью рафинирования.Пример 1.744 кг сплава алюминия, имеющегоследующий химический состав, вес. ЪМя 0,94Сп 0,14Еп 0,0681 0,51Мп 0,17ТЗ. 0,02Ге 0,28Сг 0,15А 1 Остальноерафинируют в течение 12 мин с применением рафинирующего газа аргона всадочном процессе согласно описанному способу.Применяя формулу (1)Ч=% СМ,где Ж 62 кг/мину С=О,000912 м/кгуМ=1 р Ч=620,000912/1 0,0565.Применяя Формулу (2)К= (7,62 + 673 Ч + 2,1 г)д,где Ч=О,0565 м/мину Г=4 у су=О 2032 м,Р 390 об/мин.982546 ВНИИПИ Заказ 9752/80 Тираж 660 Подписное Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4 Сплав, подлежащий рафинированию, ссдержит свыше 0,4 мл Н 1 (водорода) на 100 г сплава, что поддерживается специально для испытаний, для чего поверхность расплава покрывают смоченным огнеупорным листом. После ра" финирования расплав содержит 0,07 мл Н на 100 г сплава. При металлограФическом исследовании включений окислов не обнаружено.П р и м е р 2. Пример 1 повторяют в условиях непрерывного процесса, в котором пропускают 16800 кг/ч алюминиевого сплава следующего химсостава, вес, ЪгМд 2,64Рп 0,11Я 1 0,06Сг 0 21Ре 0,182 п 5,80Сц 1,70Т 1 0,02А 1 Остальное.По Формуле (1) ч=а с 1 й,гдеХ = 280 кг/мину С : 0,00119 м/кгпвИ = 2. Следовательно,.Ч = 280 0,00119/2 = 0,1 ббм 3/мин. При.меняя формулу (2) для Ч= 0,1 ббм/мин)= 3,2 у с 3 = О, 1905 м, К= 739 об/мин,Сплав до рафинирования содержал0,25 мл Н на 100 г сплава. Высокоесодержание Н получают при подготовке необработанного сплава на 40загрузки скрапа. Высокий уровень неметаллических включений сопровождается высоким содержанием окислов.Из практики известно, что при плавке аллюминиевого скрапа в расплаввводят окислы и водород в избыточныхколичествах, особенно если сплав со"держит магний, как в данном случае.После рафинирования сплав содержит 0,05-0,07 мл Н на 100 г сплава(определяется по методу Телегаэ) .Диски из затвердевших слитков сплава подвергают нескольким испытаниямна определение наличия или отсутствия неметаллических включений, напористость и наличие трещин. Микроскопическое исследование и исследование с применением красителя не обнаруживает этих дефектов. Металлографическое исследование полированных частей слитков не обнаруживаетприсутствие окисей. Пластинки иэсплава подвергают испытанию ультразвуком согласно стандартам класса Аи класса В, которые относятся к разряду высокопрочных авиационных конструкционных сплавов. Установлено,что сплав по существу свободен отН и неметаллических примесей и чтоэто не влияет на элементарный составсплава.формула изобретения1. Способ рафинирования расплавленного алюминия и его сплавов, пре"дусматривающий подачу расплавленногометалла в зону рафинирования, ввод 10 предварительно. подогретого рафинирующего газа в форме дискретных пузырьков через погруженный в расплав вращающийся газовый инжектор под поверхность обрабатываемого расплава,перемешивание расплава и удаление 15 е го из зоны рафинирования после удаления растворенного в нем загородаи неметаллических примесей, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения эффективности рафи нирования, над поверхностью расплаваподдерживают защитную атмосФеру при,положительном давлении относительйодавления окружающей средй, рафинирующий гаэ до разделения на пузырьки 25 подогревают до температуры расплаваи вводят в расплав в направлении радиально наружу с нижней составляющейотносительно точки ввода газа прискорости потока из расчета по формущ ле Ч=Ч,где Ч - скорость потока рафинирующего газа через инжектор,м /мин у35 ЪЧ - скорость подачи металла в зону рафинирования, кг/мин 1С - расходный коэф 4 оциент газа,равный О, 0003-0, 00 25 м /кг рИ - количество инжекторов в сис 40 теме,2. Способ по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что инжектор дляввода газа приводят в действие соскоростью, определяемой по формуле45 76+ 673 Ч+ 2.,1 гдгде К - скорость вращения инжектора,об/мин;Ч - скорость потока газа через50 инжектор, м/мин;- отношение наименьшего размера в сечении эоны рафинирования к диаметру инжектора(беэ размерности);55 д - диаметр инжектора, м.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР9 2.12526 кл. С 22 В 9/08, 1965.2, Патент США Р 3227547,кл. 75-59, опублик, 1961.