автореферат диссертации по металлургии, 05.16.03, диссертация на тему:Исследование и разработка эффективного способа комплексного рафинирования расплавов на основе первичного алюминия от примесей

На правах рукописи

ПАЛЕНКО

Анатолий Иванович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОГО СПОСОБА КОМПЛЕКСНОГО РАФИНИРОВАНИЯ РАСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ПЕРВИЧНОГО АЛЮМИНИЯ ОТ ПРИМЕСЕЙ

05.16.03 - металлургия цветных и редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1997 г.

Работа выполнена в АО"Всероссийский алюминиево-магня институт" и 0А0"ВолгоградсклЗ алюминий"

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, действительный член Р Макаров Г.С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Лебедев O.A. кандидат технических наук, старший научный сотрудник Гоги

Ведущее предприятие: ОАО "Красноярский алюминиевый

Защита диссертации состоится "24" декабря 1997 г. в ¿Ц час. на заседании диссертационного Совета К 139.СП.> при АО"Всероссийский алюыиниево-ыагниевый институт" (АО В, по адресу: I99Q26, г.Санкт-Петербург, В.0., Средний пр., 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке инсти:

Автореферат разослан "ßi" ноября 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук

Т. А. Ар лик

0К1АЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ--------------------- ------------

Актуд^цост^ т;^. В мировой практике считается установленным, что качество полуфабрикатов из алюминия и его сплавов является одним из наиболее важных показателей в ряду операций плавка-литье-обработка. Этот показатель неразрывно связан с уровнем содержания в металле в основном примесей водорода, неметаллических включений и натрия. В настоящее время наметилась неуклонная тенденция к резкому снижению уровня содержания этих примесей в готовой продукции.

Указанные примеси не только снижают общий уровень качества выпускаемой продукции, но и становятся причиной различных видов брака, снижения выхода годного и ухудшения экономических показателей производства. Поэтому интенсификация процессов производства, коренное улучшение качества изделий из них и снижение материалоемкости невозможно без снижения металлических и неметаллических приме сой в алюминия в его сплавах.

Задача удаления примесей водорода, неметаллических включений, щелочных металлов особенно актуальна в условиях производства первичного алюминия, т.к. концентрация этих примесей в нем заметно выше, чем в переплавленном металле. Значимость решения этой задачи здесь значительно возрастает в связи с тем, что появляется возможность организации производства высоколегированных сплавов на основе первичного алюминия на алюминиевых заводах, что позволит обеспечить значительный эффект за счет исключения энергозатрат и потерь металла при переплаве.'

Сравнение различных способов рафинирования, применяемых в отечественной и зарубежной практике, позволили выделить из них прежде всего способы непрерывной комбинированной обработки расплава в прсцвссвразливка, как наиболее перспективные. Из них наиболее эффективными (аз известных) являются способы, основанные на продувке расплава газами в сочетании с фильтрованием. Неоднозначно оценивается эффективность методов флюсовой обработки в сочетании с продувкой газами или фильтрованием. Однако большое количество способов, использю-

вание токсичных реагентов, конструктивная незавершенность и недостаточная обоснованность не позволяют выделить наиболее оптимальный из них и затрудняет их широкое применение. Недостаточно исследованными цредставляются закономерности процессов, протекающих при двойной комбинированной обработке расплавов (газ+фильтрование, флюс+газ, флвс+фильтрование). Мало изучены закономерности процессов, имеющих ыесто при тройной комбинированной обработке расплавов (газ+флюс+фильтрование через пенокерамику). Особенно это касается роли гидродинамики расплава в этих процессах, в связи с чем до настоящего времени не разработано определенного способа рафинирования на основе тройной обработки, который представляется наиболее совершенный, поскольку суммирует в себе достоинства каждого из видов обработки и позволяет эффективно удалять все виды примесей.'

Дельк? рдбощ является исследование закономерностей процесса очистки алюминиевых расплавов от примесей водорода, неметаллических включений и щелочных металлов при комбинированной обработке (газ+флюс+фильтрование) в потоке на стадии раз— лиБкг-аеталлй', определение влияния гидродинамики "расплава на эффективность рафинирования и разработка нового способа поточного рафинирования металла на базе этого процесса.

В соответствии с поставленной целью в работе решены следующие задачи:

- определены методики теоретических и экспериментальных исследований;

- изучена кинетика удаления примесей при обработке расплава газофлюсовыми смесями, а также при фильтровании через пенокераыичаские фильтры;

- исследованы особенности гидродинамики расплава при тройном комбинированном способе рафинирования в потоке и установлено ее влияние на организацию и эффективность комплексной очистки расплавов от примесей, определены геометрические параметры камеры рафинирования;

- исследована кинетика удаления примесей при разработанном комбинированном способе рафинирования (газофлюсовая смесь с последующим фильтрованием), установлены оптимальные составы

газофлюсовой смсси и режимы рафинирования;

- исследовано влияние рафинирования разработанном способом на структуру- и-механические-свойства_алюминия.и его_____

сплавов (в том числе в сочетании с последующи» модифицированием э потоке прутковыми лигатурами);

- испытан и освоен в промышленных условиях разработанный способ рафинирования алюминия и его сплавов от водорода, неметаллических включений и натрия.

Цаучная, .цдвцзаа рдбрд;.. Исследована кинетика удаления натрия из алюминиевых расплавов при обработке последних га-зофлюсохшми смесями с различными составами флюсов на сспово результатов расчета активности флюсов по отношению к натрию.'* Установлена зависимость степени удаления натрия, водорода, и оксидных включений в зависимости от технологических параметров и состава газофлюсовых смесей.1 Впервые на водных моделях по разработанной методике исследована гидродинамика - . _ расплава при комбинированном рафинировании в потоке (газофлюсовая смесь с последующим фильтрованием через пенокара-мический фильтр в восходящем потоке). Определена зависимость характера (и величин) распределения скоростей потокоз металла и уровня пульсаций скоростей в объеме камеры рафинирования от геометрии камеры и взаимного расположения обязательных элементов ее конструкции, что позволило установить оптимальную конструкцию камеры рафинирования. Исследована кинетика удаления водорода, неметаллических включений а натрия при обработке расплава новым комбинированным способом рафинирования. Результаты этих исследований дали возможность установить наиболее эффективные технологические р<э-жиш ведения процесса рафинирования. ■

ЩззОДтадШ Д9ВДВД,Т.Ь« Разработан и внедрен в производство новый эффективный способ удаления примесей водорода, неметаллических включений из алюминиевых расплавов, не требующий больших капитальных затрат и дополнительных производственных площадей. Разработанный процесс и аппаратура созданы в промышленном масштабе, испытаны и обоснованы технологические параметры процесса рафинирования.

Разработанная технология и аппаратура для рафинирования испытана и внедрена на АСВолгограяскзЯ

алюминий". I

Апробапия Работы, Основные положения работы изложены на научно-практической конференции энергоресурсосбережения, экологии и экономики (г.Чебоксары, ЧТУ, 1995 г.), на международ- ■ ном семинаре-выставке "Алюминий Сибири"-97 (Красноярск, 1997 г., 23-25 сентября)

Публикаций- Основное содержание работы отражено в четырех статьях, двух докладах и трех патентах на изобретения.

Объем рдботн. Диссертация состоит из 5 глав, выводов, списка использованной литературы (123 наименований) и приложений.'

Работа изложена на 183 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков и 15 таблиц.'

СОДЕШНИВ РАБОТЫ

Во ..втзадедвд обоснована актуальность темы, определен объект разработки, поставлена цель и сформулированы задачи работы.

В -ДерзоД проанализированы современные технологии и аппаратура для рафинирования алюминия и сплавов на его основе от примесей водорода, неметаллических включений и натрия^

Сравнительный анализ различных способов рафинирования позволил выделить из них прежде всего способы непрерывной комбинированной обработки расплава в потоке в процессе разливки, как наиболее перспективные. Из них наиболее эффективными из известных являются способы, основанные на продувке расплава нейтральными ( И2» А г ) и активными (С12) газами и их смесями в сочетании с фильтрованием. Неоднозначно оценивается роль флюсовой обработки в сочетании с продувкой газами или фильтрованием.1 Однако большое многообразие этих способов, использование токсичных материалов, конструктивная незавершенность и недостаточная обоснованность не позволили выделить наиболее оптимальный из них и затрудняет их широкое применение/

Показано, что непременной составляющей всех современных поточных методов рафинирования является фильтрование.Имеются данные свидетельствующие в пользу сетчатых, зернистых,жидко-

творлофлгасовых и керамических фильтров."1 Несмотря на то, что в послелнив годы отдается явное предпочтение жестким фильтрам из пенокарамшш, реальную их эффективность по'сравнению с-дру— -- — гими материалами трудно оценить из-за незавершенности теоретического обоснования каждого из них, различного подхода к оценке качества продукции и неоднозначности условий эксперимента.' Недостаточно исследованными представляются закономерности процессов, протекающих при двойной и тройной комбинированной обработке расплавов. Особенно это касается роли гидродинамики расплава в этих процессах, в связи с чем до настоящего времени не разработано определенного способа рафинирования в потоке на основе тройной обработки, который представляется наиболее совершенным.1

В качестве объекта исследований выбрали способ непрерывного рафинирования расплава в потоке газофлюсовыми смесями с последующим фильтрованием.'

ро второй главе изложена методика проводимых исследований, приведена схема конструкции лабораторной установки для испытания различных методов рафинирования алюминиевых расплавов, а также схемы конструкции лабораторных установок для продувки расплава инертным газом и газофлюсовымз смесями.1 Сущность методики исследования заключалась в определении факторов, обуславливающих эффективность рафинирования, их количественных взаимодействий при действии одного из видов рафинирующей обработки на основе существующих воззрений на закономерности протекающих процессов, их уточнение, в определении взаимного влияния различных факторов при совместном воздействии нескольких видов обработка и установлении оптимальных режимов рафи-нирования.'1

Основной принцип при сравнительной оценке эффективности того или иного метода рафинирования состоял в соблюдении идентичности условий плавки и литья и сохранении корректной близости величин исходных концентраций примесей, а в качестве основных критериев оценки выбраны макроструктура и физико-механические свойства материала отливки.

Содержание натрия в расплаве определяли химическим методом, а также спектральным методом с фотоэлектрической регистрацией спектра на квантометра АВЬ-ЗЮй с использованием

стандартных образцов фирмы "Падшна".

Содержание водорода определялось методом первого пузырька (Дардв лла-Гудченко) на приборе МАТИ и в ряде случаев контролировалось методом горячей вакуумной экстракции по ГОСТ 2II32.I.

Содержание оксида алшиния определяли химическими методами: броиметаноловым в купрумдихлоридным. Кроме л>го, количественный анализ неметаллических включений, интерметал-лидов я величин зерна определяли на приборе "Mo^tscan" английской фирмы "J.^c« LotSl«,

< Для исследования влияния рафинирования на макроструктуру алюминия и его сплавов металл при температуре литья (чаще цри 700-720°С) заливали в нагретый до такой же темпе— —ра^ры*тонкостенный стальной стакаг ~<р 50 мм г погружали в холодную воду.

Определение размера зерна производили методом подсчета количества зерен пересекаемых отрезком прямой длиной t (при мелких зернах s 10 мм, при крупных зернах ^ = 30 им). Измерения проводили в трех местах и определяли среднюю величину. Средний размер зерна ( d> ср) находили из отношения l/d09 и выражали в мм.

Прочность и пластичность сплавов изучалась на вырезных 1 нетермообработанннх круглых разрывных образцах на разрывной ыашиве Мор-федергаф с усилием 3 т. Разрыву подвергали образцы всех контролируемых плавок, но сравнительный анализ свойств производился у образцов, имевших одинаковый или достаточно близкий химический состав^*

В качестве рафинирующих флюсов (покровный и покровно-рафинируюэдй и входящих в состав газофлвсовых смесей) цри-меняли флюсы следушшх составов:

1. 4,7% KCl, 30£NaCI, ЗЗЯЫазАП^

2. 90$CI#MgCl2, Ш K^IPg

3. C^Ig - гексахлорэтан.

В работе использовали пенокерамические фильтры отечественного производства (Т00"фильтр", г.Волгоград).

g третьеff изучали термодинамическую и киадтичеокую

обусловленность удаления цримесей при обработке расплава

газами, флюсами, фильтровании, а также исследовали кинетику --удаления примесей-при .продувке газофлюсовыми смесями и фильтровании.

Установлено, что продувка дискретных объемов расплава газами является термодинамически более выгодным процессом по сравнению с выстаиванием (обработка всего объема расплава газами при выстаивании), т.к.* она при одном и том же удельном расходе газа обеспечивает более высокую степень удаления водорода:'

Результатами экспериментальных исследований показано, что повышение температуры расплава приводит к увеличению в

ГЪ -раз объема рафинирующего газа, необходимого для удаления из расплава одного и того же количества водорода, а также, что количество рафинирующего газа прямопропорционально давлению в системе.1

Установлено, что влага, присутствующая в нейтральном газе,снижает эффект дегазации вследствие образования оксида алюминия и водорода.'

Показано.что на переход водорода из расплава в рафинирующую сроду существенно влияют физико-химические процессы в системе.* Прежде всего они связаны с химическим взаимодействием расплава с рафинирующим газом или его компонентами."

Термодинамический анализ процесса, основанный на сопоставлении начальной и конечной энергии системы расплав-газовый пузырек-включение, показывает, что адгезия включения к пузырьку возможна,1 если изменение удельной свободной энергии IV ? 0.

Для алюминиевых расплавов, у которых основным видом твердых включений являются оксида, величина *И/> 0 всегда, так как краевой угол смачивания б> 0. Это говорит о том,что оксидные неметаллические включения должны прилипать к пузырькам рафинирующего газа.' При этом, чем хуже смачиваемость расплавом поверхности включения, тем эффективнее прилипание включения к пузырьку газа.'

Показано, что при флюсовой обработке расплава свободный конвективный ыассоперенос для доставки включений малоэффективен. Наиболее эффективным является турбулентный механизм, по которому движение включений в направлении, перпендикулярном потоку, происходит благодаря турбулентной пульсации

струи. Установлено, что наиболее благоприятные условия выхода на границу раздела с флпсоы имеют включения с большей скоростью, больших размеров и остроугольной формы, что подтверждено экспериментальными данными.4

Подтверждено, что важной особенностью механизма рафинирования алюминиевых расплавов от неметаллических включений является необходимость разрушения оксидной пленки на поверхности расплава.' Скорость этого процесса - лимитирующее звено кинетики процесса в целом. Обработка флюсом сопровождается и дегазацией расплава.' Повышение турбулизации потоков в объеме расплава за счет принудительного перемешивания в значительной мере активизирует процссс удаления водорода.'

Очистка металлических расплавов от взвешенных включений при фильтровании обусловлена в основном механическими и адгезионными процессами." Возможности механического отделения включений в значительной черв определяются сеточным эффектом, гидродинамическими и капиллярными явлениями/

Проведенный анализ закономерностей процессов удаления примесей водорода, неметаллических включений и щелочных металлов, имевших место при отдельных способах рафинирования алкашниевых расплавов, позволяет заключить, что, во-первых, они достаточно хорошо изучены; во-вторых, для каждого из способов исследованы закономерности удаления определенного вида примесей или узкой группы примесей, на которые каждый из них, в основном, ориентирован; в-третьих, недостаточно исследована кинетика комплексного удаления примесей при обработке расплава газофлюсовыми смесями (здесь сведения ограничены лишь термодинамической обусловленностью) и фильтровании чероз нейтральные пенокерамические фильтры и, в-чет-вартих, практически не изучены закономерности процессов комплексной очистки, протекающих при комбинированных способах рафинирования* Исследованию двуз последних вопросов и посящены последующие разделы работы.'

"В этой связи в настоящей работе изучались закономерности удаления примесей при применении пенокерамических фильтров, а также при их использовании в сочетании с продувкой газами, их смесями, флюсованием и продувкой газофлюсовыми

смесями. Исследовали влияние схемы расположения фильтра, его высоты, скорости фильтрования и температуры металла и фильтра на эффективность очистки расплава от тонкодисперс-нюс и крупных включений и плен, структуру и физико-механические свойства отливок.

На рис.1 представлена зависимость содержания оксида алюминия в слитках из алюминия и сплава АД31 в зависимости от высоты фильтра и схемы фильтрования. Для кривых исследуемых зависимостей характерно резкое снижение содержания включений в первых слоях фильтра и плавное уменьшение при прохождении последующих слоев. Это указывает на неодинаковую эффективность работы фильтра по высотеНаиболее эффективно работает верхний слой(примерно до 50 мм): в нем задерживается до 15% крупных включений и плен.'

1,0к

О 25 50 75 100 125

__ высота фильтра,мм

РисЛ. Зависимость снижения содержания крупных включений AlgOg в слитках из алюминия марки А6 и сплава

АД31 от высоты фильтра и схемы фильтрования л,о - схема фильтрования вверх а, ф- схема фильтрования вниз

Сравнительный анализ результатов очистки алюминиевых расплавов по двум схемам фильтрования показал, что при схеме фильтрования вверх достигается более глубокая очистка расплавов от крупных включений и план, что подтверждает ранее сделанное предположение при сопоставлении условий фильтрования по двум схемам," выполненное по величинам гидравлического уклона.' На рис.1 видно, что эффективность очистки алюминия от неметаллических включений и плен выше, чем в случав сплава АД31. Это различие дает основание полагать, что наряду с чисто, механическим отделением крупных включений учитываемое развитие получает и очистка за счет сил адгезии, поскольку

--лалинина-рабоисадгезии включений -А^з к материалам фильтра -

при фильтровании алюминия в 1,5-2 раза выше, чем в случае ___ сплавов.1

Кинетику процесса удаления натрия из расплава изучали путем оценки констант скоростей и "кажущейся" энергии активации." Расчет констант скоростей реакции и "кажущейся" энергии активации процесса, выполненный исходя из законов Гульдберга-Вааге и Аррениуса соответственно, проводили на основании лабораторных данных по рафинированию алюминия га-j зофлюсовыми смесями различного состава.'1 Для определения констант скоростей исследовали зависимость типа ¿лС^ва+в?", . где CNa - концентрация натрия, атомные доли; ¡Г- время,с. Здесь коэффициент " в " соответствует константе скорости рв81щии.;

Из полуденных данных следует, что для всех используемых в качестве рафинирующих реагентов флюсов зависимости - я -f- ( бГ ) распадаются на два прямолинейных участка, причем везде наличие излома наблюдается при концентрациях натрия около 0,001*. Можно предаю дожить,что на первой стадии процеос определяется активационным, а на второй -диффузионным контролем, где скорость процесса лимитируется стадией подвода натрия в 80ну реакции.

Обработкой зависимости ín к , определенных для первого участка, от обратной температуры определили величины "кажущейся" энергии активации процесса рафинирования:

- для смеси азот + CgCIg ^кт039 •к^к/моль;

- для смеси азот + №С1-КС1-№зА1Р6 Е^-11 кДж/моль;

--------для смеси азот + -КС1«МдС12 ЕаКТ=66 кЛя/моль.

Из этих данных следует, что процесс удаления натрия до концентрации около О,ООЙ определяется активационннм контролем.

Результата опытов по рафинированию алюминиевого расплава в потоке газофлюсовыми смесями различного состава показали, что во всех случаях достигается достаточно высокая степень рафинирования от натрия (75,6-?87,2#). Для сравнения следует отметить, что при продувке расплава в потока одним азотом степень рафинирования от натрия на превышала 33-40$.

Стабильно высокую степень рафинирования от натрия можно объяснить тем, что,как уже отмечалось выше, пленка флюса обволакивает пузырек газа, препятствуя образованию вокруг него оксидной пленки, либо разлагает еа - все это облегчает уело» . вия перехода натрия во флюо, стимулирует протекание реакции взаимодействия между ними с максимальной полнотой и способствует удалению продуктов этой реакции на поверхность расплава в шлаковую или газовую фазу.'

Этими же причинами можно объяснить и высокую степень рафинирования от всех видов примесей, которая достигается при обработке алюминия газофлюсовой смесью, содерхащей гексахлор-этан. Объяснить это можно следующими причинами.1 Как всякий хлорид С.^]^ по существу разрушает оксидную пленку,так как, обладая высоким сродством к алюминию, адсорбируется, проникает под пленку и реагирует с ним с образованием хлорида алюминия (ДЩз = -605 кДя/моль). Кроме того, в результате взаимодействия гексахлорэтана с алюминием образуется второй газообразный продукт реакции _ тетрахлорэтилен (С^С14). Оба эти газообразные вещества, проходя через объем расплава, производят рафинирующее воздействие, аналогичное действию хлора.

Таким образом, цри воздействии гексахлорэтана повышается интенсивность и полнота протекания физико-яшических процессов удаления водорода, примесей щелочных и щелочноземельных металлов, а также неметаллических включений.

В-Че.хвортой.,гдвдз. приведены результаты исследования гидродинамики расплава в камере рафинирования, кинетики

/

удаления примесей при непрерывном совместном воздействии на расплав газа, флюса и фильтрования, влияния рафинирования на структуру и свойства слитков из алюминия и его сплавов.

Б работе изучались особенности гидродинамики расплава в камере рафинирования путем исследования на гидравлической модели характера движения потоков в объеме камеры в зависимости от технологических факторов и конструктивных параметров камеры.'

Гидравлическая модель выполнена в масштабе М= 1:3 по охашани» к-рагльной камере.-1 При этом-соблюдалосьтеометри- -ческое*подобие и подобие физических параметров средыСЕея/^г'").

Ее = - = idem (i)

где и - скорость движения среды, м/с; d - гидравлический радиус, м;

V - коэффициент кинематической вязкости среды, и^/с.

Исходя из условия (I), скорость воды в испытаниях на модели с учетом кинематической вязкости воды и алюминия определяется следующим образом.

Ю = А- . и,дт «О^Ж6 . ЗИ,Р2,5%т (2)

в ЯГ ^Г AI 0,48*I0~® AI

где V в и У Aj - коэффициенты кинематической вязкости соц. ответственно для воды (18°С) и жидкого алюминия (?50°С), м2/с.

Таким образом,скорость движения воды на модели в 2,5 раза выше скорости движения жидкого алюминия в реальной камере рафинирования.

Измерение скоростей движения потоков на модели производилось с помощью специального датчика по разработанной методике.

Из полученных данных следует, что для всех исследуемых случаев в объеме воды имеет место значительная турбулизация потоков с заметными степенями пульсации скоростей."1 Но если для случая L =€0 мм (240 мм для реальной ванны) величина пульсации скоростей не превышает 0,08 м/с, то в двух других случаях эта величина значительно выше (для I =56,6 мм -0,18м/с, для Ь ® 73,3 мм - 0,16 м/с). Причем для двух последних случаев область высоких пульсаций скоростей потоков

распространяется на весь объем I отделопия каморы (отделение обработки газом). Для случая истечения затопленной струи

в полубесконечннй объем,-рассчитали скорость движения пото------

коп води по П отделении (отделение фильтрования) камеры у стенки, противоположной месту подвода воды по уравнению:

_ , о»

+ 0,29

где а0 - скорость истечения воды на входе во П отделение камеры, м/с;

X - ширина ваннн П отделения,м;

Ло - расстояние между дном камеры и нижним торцом перегородки, м. При 110= 0,005 м/с, X = 0,08 м и Ео= 0,01 м 0,00516 м/с, откуда следует, что величина средней скрости воды во П отделении камеры рафинирования практически мало отличается от скорости воды на входе во П отделение. Измерение скоростей движения потоков у поверхности фильтра производилось по принятой методике при следующих условиях: 80 мм, О/2 ~ мм; фильтр располагается на уровнях = 20 мм, Н2 = 30 мм, Нд = 40 мм (высота камеры 40 мм).1

Результаты измерения средних скоростей ( и^ движения потоков воды и амплитуд колебаний скоростей в направлении, перпендикулярном основному вектору потока (А.) приведены в таблице.

Таблица

Значения Ли в зависимости от месторасположения

фильтра (Н)

Значение Н, мм 1 » 80 мм "' & = 73,3 мм ......

Игр, м/с | Ли ,м/с ■г^,м/с м/с

20 | 0,0048 | 0,0006 30 1 0,0045 | 0,0003 40 | 0,0045 \ 0,0001 0,0048 0,0011 ; 0,0048 | 0,0009 1 0,0046 0,0006 "

Из полученных данных следует, что при С =73,3 мм и Н = 20, 30, 40 мм величина Ли составила 22,93; 18,75"? и 13% соответственно от скорости основного потока, а при I = 80 мм -12',5%; 6,75; 2,2,» соответственно. Отсюда вытекает, что поставленная цель достигается при условии, когда Ь = 80 мм и Н = 30-40 мм.

Проведенные исследования позволяют заключить, что в реальной каморе благоприятный гидродинамический режим следует ожидать при расположении патрубка для продувки расплава газофлю-совями^смесями на расстоянии 240 мм от перегородки и при расположении фильтра на высоте 90-120 мм.

На основании проведенных исследований создана обоснованная конструкция камеры рафинирования, с использованием которой в

узле разливки и проводились технологические испытания.

Результаты экспериментальных исследований представлены на рис.2.

см

.3 - Н?+(Ио.С1+КС1+Ка3А1Р6) *-П2 +(1{аС1+КС1+На3А1Р6)

™ 0,40 0,5, — —-Ц„+(КС1Ч,1РС1.Л 0 »00254 . -Н-+(КС1.МК "

б '0,1 0,2 0,3 0,4

Расход газофлюсовой смеси, м3/т

0,1 0,2 0,3 о,

Расход газофлюсовой смеси, м3/т

а) б)

Рис.2 Зависимость содержания водорода и оксида алюминия (а) и натрия (б) в слитках из алюминия от расхода и состава газофлюсовой смеси

Из полученных данных видно, что уже при расходе газофлюсовой смеси 0,3 м3/т (при расходе флюса 2 кг/т) имеет, место существенное снижение содержания примесей в алюминии, некоторое понижение уровня содержания примесей наблюдается при повышении расхода смеси до 0,5 ы®/т, дальнейшее повышение расхода смеси малоэффективной Следует отметить более высокую степень удаления примесей в случае применения газофлюсовой смеси, имеющей в свеем составе гексахлорэтан, что подтвержает высказанные выше причины эффективности его использования^ Сравнительный анализ позволяет заключить, что ыаксмальная эффективность очистки алюминиевых расплавов при прочих равных условиях достигается при применении разработанного комбинированного способа рафинирования, сочетающего обработку расплава газофлюсовой смесью состава азот+гекса-хлорэтан с последующим фильтрованием в восходящем потоке через пенокерамические фильтры.''

Установлено, что укрупнение зерна в результате очистки от оксидных включений монет иметь место лишь у сплавов, имеющих достаточно большой интервал кристаллизации.' С целью исключения этого нежелательного явления, а также для более тонкого измельчения зерна, оказывающего положительное влияние на физико-механические и технологические свойства сплавов, целесообразно осуществлять модифицирование расплава добавками титана или совместными добавками титана и бора.'

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о благоприятном эффективном воздействии на структуру и свойства алюминия непрерывного модифицирования отрафинированного алюминиевого расплава прутковыми лигатурами А1-ЗХТ1 и А1-5#Ти-1^В.Независимо от способа рафинирования, модифицирование приводит к значительному измельчению зерна и повышению механических свойств слитков из алюминия? Лучшие резльтаты получены в случае применения тройной лигатуры (фир-мы"Кавецки-Еяллитон").

В.ткто^ глат& приведены результаты промышленных испытании.

В период промышленных испытаний были приготовлены опытные партии цилиндрических слитков 0 203 мм из сплава 6063 в количестве 1000 т, в том числе по серийной технологии 200- тис применением разработанного способа рафинирования - 800 т.

Показано, что применение разработанного способа рафинирования в сравнении с серийной технологией позволяет снизить почти вдвое газосодержание, на порядок - содержание оксида алюминия, стабильно снижать содержание натрия ниже 0,С01#. Следует отметить, что комбинированный способ рафинирования рбеспечивает эффективную комплексную очистку сплава от всех видов примесей, что хорошо согласуется с результатами лабораторных исследований.1 Количественные расхождения между данными ^лабораторных и промышленных испытаний, как- и предполагалось, объясняются различием в условиях и масштабах плавок, различной природой исследуемого металла.1

Результаты количественного анализа неметаллических включений показали, что при применении комбинированного способа рафинирования расплава в сочетании с последующим модифицированием лигатурным прутком А1-5#Г1-1лВ фирмы "Кавецки-Билли-тон" в сравнении с ,-серийной технологией достигается стабильно однородная, более мелкозернистая макроструктура слитков о классической микроструктурой/ Здесь результаты анализа структуры слитков по заводским методикам и на приборе практически идентичны.

Проведенные опытно-промышленные испытания разработанного комбинированного способа рафинирования алюминиевых сплавов при литье слитков показали его высокую эффективность как по сравнению с серийной технологией завода, так и в сравнении о существующими в настоящее время мировыми аналогами^ Применение данного метода рафинирования позволяет повысить качество •' слитков, снизить такие виды брака литейного происхождения как пористость, горячеломкость и др. Достигаемая при этом химическая и структурная однородность в сечениях слитка предопределяет получение более однородных механических свойств в объеме и сечениях литых материалов, что приводит к снижению коэффициента запаса прочности материала и, как следствие, -к снижению материалоемкости изделий;"

Разработанные высокоэффективный способ рафинирования"" алюминия и его сплавов и конструкция аппарата для его осуществления (рис.3) внедрены на ОАО"Волгоградский алюминий" I в технологии производства цилиндрических слитков из сплавов 6053 И АЛЗГ.

На разработанные способ рафинирования и конструкцию

л

картон а"с7»]сто-' вый КАОН-1-ГО ГОСТ 2850 шанец;.

J}-Ji

300

I

ы to

I

Piro-. 3 При лэ точное ^устройство для комбинированного рафинирования

алшзния и ого сплавов

аппарата поданы заявки на изобретение Ж34043759, 94043760, 97105498, приоритет от 14.12.94, 14.12.94, 04.04.97 г. соответственно и получены решения о выдаче патентов от 21.06.96, 18.06.96, 10.10.97 г.соответственно.

Выводы

1. На основании теоретических и экспериментальных данных разработан эффективный способ и аппарат для непрерывного рафинирования алюминиевых расплавов от примесей водорода,оксидов, щелочных металлов, позволяющий достигать уровня содержания этих цримесей в готовом материале соответствующего мировым стандартам. Способ основан на комбинированном воздействии на поток расплава газофлюсовой смеси с последующим фильтрованием в восходящем потоке через панокерамичвские фильтры.1

2. Анализ закономерностей процессов удаления примесей при рафинировании отдельными методами (газами, флюсами, фильтровании), и проведенные исследования показали, что эти методы могут быть эффективны для удаления какой-то определенной примеси и не способны обеспечить комплексную очистку расплава от всей группы примесей.' Установлено, что продувка расплава газами (особенно смесями нейтральных и активных газов) позволяет в 2-3 раза снизить газосодержание (до 0,2 см®/100 г) и в 3-4 раза содержание оксида алюминия (до 0,0005$), что является недостаточным; достигаемый же уровень содержания натрия вообще лежит либо вблизи критического (0,001$), либо выше этого значения.' Еще более низкая степень очистки достигается при флюсовой обработке (флюс на поверхности расплава). При"чистом" фильтровании через нейтральные фильтры обеспечивается лишь приемлемая степень очистки от оксидных включений.'

3.' Результаты исследований кинетики удаления примесей через пенокерамические фильтры при различных схемах фильтрования и технологических режимах ведения процесса рафинирования позволили определить, что при схема фильтрования в восходящем потоке достигается более глубокая степень очистки расплава в сравнении с фильтрованием в нисходящем потоке. Установлено, что изменение температурных условий (680-760°С) практически не отражается на уровне очистки. Показано, что параметры фильтра ощутимо влияют на очистку от крупных оксидных включений, начиная со скоростей фильтрования 5+7 см/с.

Усовершенствована для условий фильтрования через пенокерами-ческие фильтры формула зависимости степени очистки алюминиевых расплавов от оксидных включений от параметров фильтра.'

4. Анализ данных," получзнных~на основании исследования кинетики удаления примесей при продувке расплава газофлюсовыми смесями, показал достаточно высокую степень очистки алюминиевых расплавов от натрия, водорода и оксидных включений.^ Расчет констант скоростей и "кажущейся" энергии активации реакций удаления натрия (по данным проведенных экспопи-ментов) позволили установить, что зависимость -^С^а =/(7") имеет перегиб в области концентрации натрия 0,001/1, что дало возможность предположить,, что на первой стадии процесс определяется активационннм, а на второй диффузионным контролем, где скорость процесса лимитируется стадией подвода натрия в зону реакции. Подтверждена предпочтительность использования гексахлорэтана в составе газофлюсовой смеси;-

5. Результаты исследования влияния различных способов рафинирования на степень комплексной очистки алюминиевых расплавов, показали, что наиболее эффективным является разработанный комбинированный способ рафинирования (при наличии гексахлорэтана в составе газофлюсовой смеси): здесь степень удаления натрия составила 83,8$, водорода - 92,3$ и тонкодисперсных включений - 85$. Из зсех комбинаций компонентов

в составе продуваемых смесей наибольший вклад в процесс удалений примесей вносит обработка газофлюсовыми смесями.'

6. На основе результатов моделирования оценена роль гидродинамики расплава при его обработка газофлюсовой смесью с последующим йзльтрованием.1 Установлены основные параметры гидродинамического режима в рафинировочной камере ( оптимальная скорость движения расплава в различных участках камеры, зона подвода газофлюсовой смеси, место расположения фильтра), необходимого для обеспечения наиболее высоких показателей удаления примесей - все это позволило определить наиболее рациональный вариант конструкции рафинировочной каморы.1

7. Установлено, что рафинирование расплава от водорода и оксидных включений практически не оказывает влияние на макроструктуру алюминия. Это влияние (укрупнение зерна) имеет место только в случае рафинирования сплавов с достаточно

большим интервалом кристаллизации и связано с удалением тонко дисперсных оксидных включений^ Последнее объясняется тем, что тонкодисперсные включения могут выступать в качества центров кристаллизации при возникновении концентрационного переохлаждения. Показано, что уровень содержания водорода, оксида алюминия и натрия оказывает влияние на технологические и литейные свойства сплавов.'' I 8. Промышленные испытания разработанного способа рафинирования при литье слитков из алюминия и его сплавов подтвердили результаты лабораторных исследований и показали высокую его эффективность как в сравнении с серийной технологией завода, так и с другими существующими аналогами;? Установлено, что, применение данного метода рафинирования позволяет повысить качество слитков, снизить такие виды брака литейного происхождения как пористость, горячеломкость и др.: Достигаемая при этом химическая и структурная однородность в сечениях слитка предопределяет получение более однородных механических свойств в объеме и сечениях литых материалов'} что приводит к снижению коэффициента запаса прочности материала и, как следствие, к снижению материалоемкости изделий/

Экономический эффект от внедрения результатов работы составил 550 ылн.руб в год.

Основное солаожание работы изложено в публикациях: I. Хавский H.H., Крюков В.Р., Смирнов В.А., Паленко А.И., Зенькович Г.С., Савинов В.И. Внепачное флюсование металла в первичной металлургии.- Цветные металлы, 1986, В I, о.42-44.

2. Паленко А.И., Постеров C.B., Макаров Г.С., Шэме-тев Г.фГ, Чупалова Т.А.' Исследование кинетики рафинирования алюминиевых расплавов от примесей при обработке газофлюсовн-ии смесями.- Цветные металлы, 1995, Л 8, о.61-64.

3; Паленко А.И., Щустеров B.C., Макаров Г.С., GJsue-- - тев Г.Ф., Чу па лова Т.А. Исследование кинетики удаления примесей при фильтровании алюминиевых расплавов через пенокера-мические фильтры.*1- Цветные металлы, 1995, Л 9 , 0.59-62.

4.' Паленко А.И. .Щустеров С.В, З^чков Б.П., йзметев Г.Ф., Чупалова Т.А. Иссаддсйзние. совместного веяния рафинирования

й модифицирования на структуру и физико-ыеханическпе свойства алюминия и аго сплавов.- Тезисы докладов научно-практической кснферовдлп энергоресурсосбережения, экологии и экономики;-----

Известия ИТА Чувашской республики, 1996, № 2(3), с.259-266.

5. Заявка № 94СЙ3759/С12((И4168) приоритет от I4.I2.~94 г.' "Устройство для рафинирования алюминия и его сплэеов" /Паленко А.И., Нестеров C.B., Кононов М.П. и др./. Решение о выдача патента на изобретение от 21.СВ.96 г.

6.' Заявка Л 94СЙ3760/Ш( 044169) приоритет от 14.12.94 г. "Способ рафинирования алюминия и его сплавов" /Паленко А.И., Еустеров C.B., Кононов М.П. и ip/. Решение о выдаче патента на изобретение от К/Об.Эб г.

7. Заявка Ji 97lQ5498/Q2( ÛQ5684) приоритет от 04.04.97 г.

"Способ рафинирования алюминия и сплавов на его основе"Доно-

•« » » -* *

нов H.П., Липинский Л.П., Щустеров C.B., Паленко А.И. И'Др./ Решение о выдаче патента на изобретение от 10.10.1997 г.

АО ВАМИ.зак.^/^

14. И. 97 г.