Способ рафинирования сплавов на основе алюминия

СООЗ СОВЕТСКИХсб.ВЛаюепжипРЕСПУБЛИК ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ЗОБРЕТЕНИ ЕЛЬСТВУ Й 3 ИОАН ИЕ(71) Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им, С.М.Кирова и Уфимское моторостроительное производственное объединение(54)(57) СПОСОБ РАФИНИРОВАНИЯ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ, включающийподачу расплава металла в емкость срасплавом флюса, перемешиваниерасплавов металла и флюса с одновременной продувкой инертным газом иотделение металла от флюса, о т -л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения степени рафинирования сплава от газовых и неметаллических примесей, расплав флюса переподачей в него расплава металлапродувают инертным газом,1 1118Изобретение относится к металпургии цветных металлов, а именно к способам рафинирования и дегаэациисплавов, например, на основе алюминия е5В современных литейных цехах дляудаления из алюминиевых сплавов неметаллических включений и газовшироко используют различные флюсы,которыми обрабатывают жидкий металл,При этом флюс может быть жидким илипорошкообразным, а также в видеотдельньм 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 фильтрациейчерез кусковый активный Фильтр, устанавливаемый на пути движения струипереливаемого металла 11.Однако такие фильтры не обеспечивают глубокой очистки расплава отрастворенньм газов, Кроме того, степень рафинирования Фильтрацией заметно падает при прохождении черезадсорбент свьппе 75 кг рафинируемогометалла, что объясняется постепенньп.30снижением влияния активной поверхности фильтра на эффективность очистки расплава,Известен также метод,в котором осу.ществляется совмещение процесса З 5фильтрации сплава через активныйкусковый фильтр с продувкой жидкогометалла инертным газом 2 3. Этот способ позволяет осуществить эффективную очистку металла не только отвключений, но и от растворенных внем газов. Однако и он не свободен отнедостатков, которые ограничиваютобласть его применения, Известно,что эффективная очистка расплавов от 45включений всех видов реализуетсяпри скорости фильтрации, не превьппающей 0,5 м/с. Но такую скорость невозможно выдержать особенно в тех случаях, когда из плавильного агрегата вы пускают большие массы жидкого металла. В то же время, при увеличениискорости фильтрации в 1,8 раза против 0,5 м/с резко (в 50 раз) возрастает коэффициент гидравлического со противления, что приводит к существенному снижению эффективности очистки сплава от включений,703 2Кроме того, наряду с отмеченнойограниченной возможностью метода вос уществле нии кач ест вен ног о рафинирования больших масс расплава прииспользовании фильтров отмечаетсятакже высокий расход тепловой энергии, связанный с необходимостью перегрева сплава и подогрева грануладсорбента.Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсяспособ обработки расплавленногоалюминия, включающий подачу расплавленного металла в емкость с расплавом флюса, перемешивание расплавовметалла и Флюса с одновременнойпродувкой инертным газом и отеделение металла от флюса. В этом способе около 8 т алюминия в час пропускают:через устройство, состоящее изтрех зон или камер, последовательносоединенных между собой. В первойзоне (перемешивания) жидкие фазы .металла и флюса вовлекаются в движение с помощью дискового импеллерамешалки и перемешиваются. В этой жезоне в целях дегазации рафинируемого металла через расплав пропускаютнеактивный газ, Во второй зоне (сепарации) происходит отделение флюса,содержащего окисные включения и час(гично газы, от металла, подвергнутогр очистке в камере смешения. Третья камера устройства предназначена для раздачи очищенного металла 3 .1Этому методу рафинирования такжеприсущи недостатки, суть которьмсостоит в следующем. Известно,что вероятность возникновения газового пузырька Ь характеризуетея за- висимостью где 6 " поверхностное натяжение награнице жидкость-газ;К - универсальная газовая постоянная;К - коэффициент пропорциональностиТ - температура,(Р-Р 1) - падение давления в системе.Из приведенной зависимости (1) следует, что й тем выше, чем ниже поверхностное натяжение Й,и чем больше перепад давления (Р-Р,) в системе. При интенсивном перемеши3 1118вании одновременно большой массы металла флюса и газа в зоне смешениявероятность возникновения пузырьков.барботируемого газа и эффективностьих воздействия на рафинируемыйсплав при прочих равных условиях бу 5дут невелики, что следует связать свысоким поверхностным натяжением6 .дисперсионной фазы (в основномжидкого алюминия) и ее турбулиэацией,10вызванной воздействием дискового импеллера мешалки. Качество рафинирования также во многом определяетсяколичеством встреч рафинирующейфазы (флюса) с неметаллическими15частицами, взвешенными в обрабатываемом металле. В этом плане достижение капельного состояния флюса всреде металла (эмульгирование) способствует повышению глубины очистки20последнего. Однако метод подачи жидкого металла под слой флюса, принятый в прототипе, не способствуетэмульгированию расплава соли в среде жидкого алюминия. Лишь применениемешалки в известной степени способствует увеличению поверхности контакта рафинирующей фазы и жидкого металла. Но при значительном количествеобрабатываемого металла трудно ждатьего эффективной проработки даже в30том случае, если бы весь флюс замешивался импеллером в объем жидкого алюминияИз описания и схемыработы устройства-прототипа следует, . Что лишь ограниченное количество 35флюса из его слоя может быть введено в глубину металла в камере смешения.Агрегаты, подобные приведенномув прототипе, часто встраиваются между миксером и кристаллизатором иобычно используются при непрерывномлитье деформируемых металлов и сплавов. Поименение таких устройств дляобработки литейных сплавов затруднительно, так как даже при массовомпроизводстве фасонных отливок процессразливки металла по формам организуется дискретно. В этом случае металлотдельными порциями поступает из 50печи ;или миксера в разливочный ковш,масса жидкого алюминиевого сплавав котором редко превышает 1000 кг.Цель изобретения - повышение степени рафинирования сплава от газовых неметаллических примесей.Поставленная цель достигается тем,что согласно способу рафинирования ГОЗ 4сплавов на основе алюминия, включающему подачу расплава металла в емкость с расплавом флюса, перемешивание расплавов металла и флюса с одновременной продувкой инертным газом и отделение металла от флюса, распЛав флюса перед подачей в него расплава металла продувают инертным газом.Предварительная подготовка флюса заключается в его заливке на дно ковша и продувке флюсовой ванны инертнь 1 м газом еще до начала заполнения емкости жидким металлом. Вероятность зарождения пузырей 21, согласно зависимости (1), в неперейешиваемом жидком флюсе выше, чем в том случае, когда металл, флюс и гаэ вовлекаются в интенсивное перемепквание, 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 флюеовой ванны на отдельные капли и флюсогаэовые пузыри, всплывающие в жидком металле не только во время заполнения ковша, но и в процессе выстаивания, когда происходит разделение мЕтаЬла 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 металла и от продуваемого газа. Следовательно, капельное состояние рафинирующей фазы в жидком металле осуществляется за счет ее предваркгельного диспергирования. С другой, 1 стороны, согласно прототипу диспергирование жидкого флюса осуществляется без соударения и не на предварительной стадии, а в процессе его перемешивания с большими массами металла, подаваемого в камеру смешения, когда каплеобразование рафинирующей фазы происходит при значительном гидродинамическом сопротивлении со стороны дисперсионной среды, вследствие которого затруднительно получение капель расплавленнойсоли достаточно малых размеров. В(2) Плотность образ- Содержание цов., г/см включений,см Способ рафинирова ния ЭР Га з ос одержани е,сплава, см /100 г Исход- После ра Исход После ная финиро- ное рафинивания рования Исход- После ное рафини- рования Прототип Ф Оф 15 2 ф 33 2761 0,15 2,21 2,61 015 212 261 12. 1 3 1 1 0 12 5 11187 таких условиях, естественно снижают"л ся как поверхность взаимодействия,. так и степень ассимиляции включений рафинирующей фазой.Кроме того, продувка жидкого флюса газом, а следовательно, и замешивание солевого расплава в металл происходят как при заполнении ковша, так и нри отделении капель флюса от металла в результате выстаивания, 10 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 влия-, ния турбулентности, что снижает эффективность дегазации жидкого металла.При продувке газа через. слой рас плавленного флюса, а затем и жидкого металла отмечается процесс дробления пузырьков продуваемого газа вследствие того, что они формируются в жидкости с меньшей плотностью 25 (флюс) и переходят в жидкость с большей плотностью (металл) .П р и м е р . Проводили рафинирование сплава АЛ 32 (ГОСТ 2685-75) по предлагаемому способу. Жидкий сплав АЛ 32 приготовляли в газовой печи марки ПБ 2721, Во флюсоплавильной установке приготовили жидкий флюс, имензций состав, мас.%:Хлористый натрий 42Хлористый калий 50,635Криолит 7,4Жидкий флюс указанного состава заливали на дно разливочного ковша. Расход флюса принимали ориентировоч но 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 03 би 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 заполнение ков,ша жидким металлом. Температура рафинирования выдерживалась в Пределах680-720 С.Результаты обработки сплава попредлагаемому способу сопоставляли сданными, приведенными в описании способа-прототипа. Так, степень дегазации жидкого металла оценивали поего газосодержанию до и после рафини-,рования, определяемому по методу"первого пузырька". Дополнительно,отбирали пробы металла до и послерафинирования и определяли плотностьметалла в них методом гидростатического взвешивания, Загрязненность сплавов неметаллическими включениямиоценивали по результатам осадки образцов,их надреза. и изучения изломов,Кроме того, дополнительно изготов-, ляли металлографические шпифы изметалла до и после рафинирования.Просмотр шлифов проводили на .металлографическом микроскопе в 80 поляхзрения. Эффективность рафинирования (ЭР) оценивали по соотношению; где Ч - средняя объемная доля, занятая включениями на шпифе,полученном из нерафинированного металлаЧ, - то же, после рафинирования. Результаты испытаний представленыв таблице.- Газосодержание Плотность обр сплава,смз /100 г цов, г/смзодержаниеключений,м сход Пос ое раф осле раинирьания е вания едлагае 7 20 2,2,15 225 0,0 10 0015 20 175, 10 2,25 5 Составител Техред .С. Ии В.Бадовскинова Корректор О,Ти Редактор Т.К Подпис аз 7379/21 Тираж 602 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, %-35, Раушская наб., Филиал ППП"Патент", г. Ужгород, ул,Проектная 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 включения типа плен окислов. Однако их количество в переводе на 1 см площади .излома образца не превышало количества подобных дефектов, найденных в металле, обработанном по способу-прототипу. В остальных образцах, полученных из металла, очищенного по предлагаемому методу, в отличие от прототипа крупных включений не обнаружено.Для более надежного суждения о степени очистки металла от включений в предлагаемом способе величину ЭР оценивали по результатам металлографического изучения шпифов, которое позволяет определить площадь не только крупных, но н мелкодисперсных включений, видимых в полях зрения микроскопа. Результаты этой .оценки также свидетельствуют о высокой эффективности рафинирования по предлагаемому методу.Из анализа данных, представленныхв таблице, также следует, что и газо" содержание металла, обработанного по предлагаемому методу, существенно ниже зафиксированного при рафинирова- нии по способу-прототипу. Это одно значно .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 воэможность более глубокой очистки сплавов от неметаллических включений н газов, повышение механических свойств металла за счет резкого снижения содержания в нем мелкодисперсных включений.