автореферат диссертации по металлургии, 05.16.03, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии рафинирования АL-Si сплавов в центробежных и ультразвуковых полях

рте

од

С- I- " --------

На правах рукописи

КЛЮВОВ КОНСТАНТИН ВЛАДИМИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РАФИНИРОВАНИЯ СПЛАВОВ В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ И УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПОЛЯХ

Специальность ОЬ.16.03. - " Металлургия цветных

и редких металлов "

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

канлилзт.4 технических наук

Москва 1997

Работа выполнена ь Всероссийском институте легких сплавов

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ: Кандидат технических наук,

профессор Н. II. Ханский

Доктор технических наук, профессор Г.И.Эскин

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Ведущее предприятие:

Доктор технических наук, профессор Ю.А.Лайнер

Доктор технических наук, профессор И.А.Якубович

Подольский завод цветных металлов

Защита диссертации состоится 1997 года в

часов на заседании специализированного совета К-053.08.04 при ковском институте стали и сплавов по адресу: 117936, Москва, нинский проспект, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 997 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Л.С.СТРИЖКО

----------------- ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ -------- ------------------

Актуальность темы. Заэвтектические силумины (.сплавы на осно-

ве алюминия с 15-25 X кремния ) относят к естественным композиционным материалам, обладающими, важными для. практики свойствами, та-

■ кими как повышенный модуль упругости, повышенная 'износостойкость при удовлетворительных характеристиках прочности и пластичности.

До последнего . времени эти сллаш применяли только для произ-. водства фасонных отливок, гранул й жидкой хтамг.оькн, так как клас- . сические методы металлургий ( производство слитков и их деформацию ) не удавалось использовать из- за формирования гру6ых( кристаллов первичного кремния и малой технологической пластичности мате" риала.

. Разработки последних лет по-модифицированию структура слитков ' ,зазвтектических силуминов позволили увеличить пластичность, и раз' работать технологию производства горячепрессованных полуфабрика.' ТОВ. ' ..... ""'• " ' ~...............

Экономически выгодно применять для производства гачвтектичес-ких силуминов углетермический силумин используя процессы рафинирования, модифицирования и делегирования. Однако такой силумин (• например, производства Запорожского алюминиевого комбината ) содержит до 10 7. твердых неметаллических включений и металлических примесей.

В этой связи разработка универсального комбинированного мето-

■ да рафинирования алюминиевых сплавов от металлических и неметадли- • ческих примесей и последовательное ияучение структуры и механических свойств очищенных зазвтектических силуминов, несомненно, яюш-

• ютсл актуальными задачами. - . _ . . . .....

Цель работы. В. процессе теоретического и экспериментального изучения различных вариантов Фильтрования заяйтоктическил силуминов от металлических и неметаллических примесей решены следующие задачи.

1. Исследовано развитие акустической к.чиитации р ая^миннрвок-ремниевых расплавах.

• 2. Определены оптимальные релимн фвльтроьания аа**|«г>'ктич*ч;ких

силуминов в центробежных и кавитационных полях.

3. Разработана комплексная эффективная технология рафинирования первичного электротермического силумина от примесей железа, титана, избыточного кремния и оксида алюминия.

4. Изучены структура и механические'свойства очищенного силумина в литом и деформированном состоянии в сравнении их со структурой и свойствами синтетического сплава.

Научная новизна. Впервые проведено систематическое исследование комплексной обработки расплава заэвтектических силуминов в центробежных и ультразвуковых полях и показано, что для эффективного рафинирования ( очистки от неметаллических примесей - оксида алюминия и металличеасих примесей - титану, железа, а также кремния ) целесообразно в начале центрифугировать расплав, а затем проводить фильтрование через многослойные сетчатые фильтры в режиме развитой кавитации. .

Методом контроля кавитационного шума изучено влияние концентрации первичного кремния в вазвтектическом силумине на переход от пороговых-режимов кавитации к режиму развитой кавитации при ультразвуковом фильтровании расплава. Тем самым экспериментально установлены оптимальные режимы ультразвукового фильтрования заэвтектических силуминов в поле акустической кавитации. В отличие от стандартных алюминиевых сплавов и технического алюминия пороговые значения перехода к режиму развитой кавитации при обработке расплавов заэвтектических силуминов повышаются на 25-30 2.

О применением нейтронно-активационного метода контроля чисто-, ты алюминиевых сплавов по оксиду алюминия и химическому анализу установлено, что в результате предложенной комплексной обработки расплава из заэвтектического силумина с 36 % Э!» 2 % Ре, 1 2 Т1 и 1 X А1"0з можно получить силумин с 21 2 , 1 2 Ре, 0.3 % Та и менее 0.02 % оксида алюминия.

Исследования структуры и свойств силуминов показывают, что при ссчетании фильтрования в поле акустической кавитации с модифи-цироканигм фосфором 1<аг.меры первичных кристаллов кремния уменьшается и составляют 10-60 мкм.

- б -

Практическая ценность и реализация результатов исследования. Наиденные оптимальные условия фильтрования заэвтектически:: силуминов от примесей железа, титана, избыточного кремния и оксида алюминия в центробежных и кавитационных полях могут использоваться в качестве базовой технологии для переработки различных алюминиевых сплавов, загрязненных этими примесями. Разработана опытная технология рафинирования от желеёа, титана, оксида алюминия и кремния первичного электротермического алюмишшвокремниевого сплава. Изменяя температуру процесса фильтрования, можно получить силумин с заданным содержанием кремния. Предлагаемая технология продёлана.в укрупненно-лабораторных условиях и позволяет пслучить силумин с содержанием, кремния. 21 У.. Рассмотрены возможности утилизации образующихся шлаков.

• Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, ■пяти глав, выводов и списка литературы. Она изложена на 188 страницах, включая 38 рисунков. 32 таблицы; список литературы содержит 153 наименования...........................

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Рафинирование алюминиевых сплавов от металлотеских и неметаллических примесей

Свойства алюминиевокремниевых сплавов сильно вависят от содержания в них различных при».?есей. "Особенно нежелательными примесями, в присутствии которых резко ухудшаются такие сьсйства как пластичность, ударная вязкость и коррозионная стойкость, являются железо, титан и оксид алюминия. .

Наиболее перспективным способом рафинирования алючиниегч.ч расплавов от. примесей железа и титана является кристаллизационный способ, сущность которого СОСТОИТ 3 0('ра30К1Н!Ш ТУГОПЛ.'И'КИХ >!)1Т>-р-

металлических примесьсодоржащих. соединенш'.. ь расплаве и последе." а-, тельное их отделение из жидкой фчк.н. В литератур'1 ««••»'•тс 1 дмшмс о влиянии присадок различии* металл ж ( ( I. Мп, м, с.', »V. Г'Ь,

Ca, Be, Ce ) на образование различных железосодержащих фаз в расплаве, . а также на состав фильтрата. Лучшей присадкой, которая сникает концентрацию мелева в эвтектике, видоизменяет форму интерметаллических соединений и при этом имеет невысокую стоимость является марганец. Марганцевый способ рафинирования силумина от железа применяется в производстве электротермического силумина. Для этого в расплав вводят марганца в 1.6 раза больше, чем там содержится железа. После этого расплав фильтруют через слой кварцевой крупки при температуре, близкой к температуре кристаллизации двойной эвтектики Al-Si. На фильтре остаются фильтростатки, имеющие следующий химический состав: 17-21 Z SI, 1.5-4.6 Z Fe, 1.1-2.3 % Ti,2-5 Z Мп, остальное алюминий. Фильтростатки, с которыми теряется большое количество полезных компонентов, т.е. Al и Si, лишь частично используются для раскисления стали, остальное вывозится в отвал. Предлагаемая в литературе двухстадийная схема рафинирования.силумина от железа позволяет снизить потери алюминия и кремния с фидь-тростатками, за счет того, что на первой стадии фильтруется силумин без добавки марганца, и железо, в этом случае, удаляется из расплава в виде фазы с высоким его содержанием ( AlsFeSi ), а на второй стадии в расплав вводится марганец и производится вторая Фильтрация для снижения содержания железа в фильтре. Однако, такая схема в условиях производства потребует большого количества дополнительного оборудования, т.к. значительно возрастает объем фильтруемого расплава. -

Отделение .интерметаллических примесных соединений от жидкой фазы наиболее эффективно может быть осуществлено методом центробежного фильтрования. Центрифугирование расплавов позволяет снизить ■потери металла с фильтростатками в Б-10 раз по сравнению с вакуумным фильтрованием. Б цветной металлургии имеется опыт работы с погружными центрифугами ПА'№С-6К)-9У, которые применяются для фильтрования олова, свинца, а также анодного сплава и анодных осадксв в производстве алюминия высокой частоты.

Для удаления оксида алюминия и газообразных примесей из жидкого металла эффективной технологией является фильтрование в кави-vaunoHHca пале.

>

Технология фильтрования ь кавйтационном поле основана на использовании интенсивной ультразвуковой обработки расплава в потоке перед входом в многослойный фильтр-из стеклоткани с размером ячей" ки 0.4x0.4 мм. Фильтр установлен на пути транспортировки жидкого металла из раздаточной плавильней печи в кристаллизатор непрерывного литья или непосредственно в жидкой ванне слитка. Тонкое фильтрование по предлагаемому способу позволяет задержать на фильтре твердые частицы оксида алюминия размером 1-10 мкм. Концентрация водорода в алюминиевых...сплавах, . прошедших фильтрование в . ачустк-ческом поле, снижается в 1.5-2,0 раза по сравнению с необработанным металлом.

. ' Фильтрование в поле акустической кавитации .может быть осуществлен на любых типах действующих в производстве плавильно-литейных агрегатов, в том числе с высокопроизводительными миксерами. •В литературе имеются данные о диаграммах состояния Al-Si-Ре-Т1 в области составов электротермического силумина, поэ-- тешу в данной работе на их основе разработана эффективная технологическая схема рафинирования Ai-Si сплавов от железа, титана, оксида алюминия, определены оптимальные режимы процесса фильтрования, в кавитационных и центробежных полях и изучены структура и механические свойства счищенного силумина.

2, Исследование условий развития готической кавитации в алюминии и аиоминиевокремниевых ^плавах

Для разработки эффективной технологии фильтрования гипоминие-вокремниевых сплавов в поле акустический кавитации необходимо знать условия развития активной кавитации в расплаве, ¿«слеримен-• тальных данных о параметрах ультразвука, вызывающих начало развития кавитации, и особенно степень ее развития в расплавах алюминиевых сплавов недостаточно, л'исследование кавитации в аломиыиоьок-ремниевых сплавах ранее не провсдкчись. Шитому исследование условий начала перехода к режиму развитой кавитации в Al-Si гнглвдх является актуальной задачей.

.....Методом контроля ш.Е!1таш1с:шого шума иосач> лопано- нмма/л t-a:-i-

вития активной кавитации в алюминии и алюминиевокремниевых сплавах.

В табл. I представлены сводные результаты исследования перехода на режим развитой кавитации в алюминии марки А7 и алюминиевокремниевых сплавах ь зависимости от температуры и содержания кремния. Результаты экспериментов показывают, что с повышением температуры эта граница уменьшается. Это можно объяснить тем, что

Таблица 1.

Влияние температуры и содержания кремния на порог активного развития кавитации в алюминии и алюминиевокремниевых сплавах ( по показаниям амперметра на панели генератора )

Показания амперметра, А

Температура, Сплавы

Ор,

А7 А1-11 X А1-18 X А1-35 % А1-35 X 31

+ флюс

900 1.5 1.5 - 1.5 .. 1.5

850 1.5 1.5 1.5 -

800 1.5 1.5 1.6 < 1.8 2.0

750 1.8 1.8 - . 1.9 2.3

700 2.0 2.0 2.0 - -

670 2.2 - - -

600 2.3 2.5 - г

с повышением температуры расплава понижается поверхностное натяже-ии* расплава, что приводит к снижению кавитациэнной прочности. Исследования показали, что для А'/ и сплава А1-11 % 5\ граница перехода к режиму развитой кавитации одинакова. Для за-эвтектических силуминов с уменьшением температуры ¡:эблвдаетоя кристаллизация тя-рьичного кремния, что пркьодит,- с одной стороны, к увеличению

вначения вязкости и, - с другой - к повышению навигационной прочное- . ти расплава. Для сплава, обработанного флюсом, первичные кристаллы кремния переходят во. Флюс,, что, хотя и, приводит к снижению вязкости_ расплава, но не ведет к повышению каьитационного порога.

Для наших исследований представляет также интерес зависимость ■ перехода к режиму развитой кавитации А]-51 сплавов от температуры, при которой проводили фильтрование в поле акустической кавитации. Из результатов следует, что за счет повышения вязкости расплава переход на режим развитой кавитации становится более затруднительным. При этом, если для алюминия я сплава А1-11 X 51 при температурах процесса фильтрования ( 720-820 °С ) металл находятся в расплавленном состоянии, то для сплава с 35 % 31 эта температура .. значитёльно выше. В этом случае в расплаве, находятся первичные • .кристаллы кремния, которые повышает вязкость расплава и тем самым ' " -увеличивают порог начала развития кавитации..

Таким образом, проведенные исследования показывают., что на развйтие кавитации.в.расплаве оказывает влияние температура и содержание кремния. Это надо учитывать при выборе; режимов фильтрования расплава в поле акустической кавитации..

3. Исследование процесса рафинирования силуминов от неметаллических примесей с помощью физических методов очистки

Для рафинирования первичного алюминиевокремниевего сплава от •. оксида алюминия использованы 'два физических метода: ультразвуковое и центробежное фильтрование.

Установка, на которой проводилось фильтрование в .пол*.акустической кавитации, представлена па рис. 1.

На этой .установке в тигель 3 установлена подставка под фильтр . .7 с многослойным фильтром л иэ стеклоткани с размером ячейки 0.4x0.4 мм. С помощью подъемного механизма к п<">ы>рхнооти фильтра 'опускали излучатель ультразвука Ь. Расстояние мю*ду фильтром и получателем ультразвука составляет 4-5 мм. При у ньи-ч ^аггтеянии происходит разрыв фильтр.' из тчиоткль;;; при рч-.-уцщ;;. .«о;;-".' Г1

мм процесс фильтрования протекает очень медленно: В каадом эксперименте фильтрования подвергалась неизменная порция сплава АК-90 общим весом 1 1а\ Частота ультразвука составляла 18 кГц.

Рис- 1. Схема лабораторной установки по рафинированию зазптектических силуминов в поде акустической , кавитации .

1 - печь', 2 - отрафлнированный металл, 3 - тигель, 4 - многослойный фильтр, 5 - источник ультразвука, 6 - металл из раздаточной печи, 7 - подставка под фильтр.

Схема погружной лабораторной центрифуги изображена на рис. 2. Установка состоит из ротора 1, который служит также фильтрующим устройством. механизма подъема ротора 8 и печи 2 для расплавления А]лигатуры.

Ц^нтробежнсе фильтрование расплавленного металла ведется с пачощыз погрулчого ьращачлцегося фильтра, представляющего собой две

- и -

Рис. 2. Сйема лабораторной погружной центрифуги-------------

1 - ротор, 2 - печь, 3 - силитовый нагреватель.. 4 - критика, 5 - тигель, 6 - ременная передача, 7 - двигатель, 8 - механизм подъема. 9 - термопара... . ___________...... .......... ...

конусообразные тарели, соединенные болышши основаниями с образованием фильтрующей.щели Т.. (рис. . 3 ). Фильтр погружают в расплав-. , ленный металл и вращают со скоростью, обеспечивающей центробежный фактор рзделения, который представляет собой отношение ускор<ч'ир поля центробежных сил к ускорению силы тяжести'. При иравдши ритора жидкий расплав со взвешенными твердьы,ч крист.чллами V! -н*к.-1"тгя через окна 5 в полость Фильтра '¿. Под действием центроСехних Ч. ил легкая ( жидкая ) Фаза сплава продазлигмс-тгн ч^рез поры тя.м-.пго осадка 3 в объем .расплава. Фильтр лсдшишлси. н:,.,>. на •. ..

тадла и старость вращения ротора увеличивается для Солее эффективного удаления остатков жидкого металла. - Далее ротор поднимают еще выше и.размыкают тарели 1 и 4.

Рис. 3. Схема ф^трумцего устройства

1 - нижняя тарель, 2 - полость фильтра, 3 - осадок, 4 - верхняя тарель, 5 - заборные окна, Т - фильтрующая щель.

Перед определением оптимальных режимов фильтрования была исследована удельная производительность фильтрования в поле акустической кавитации.

В табл. 2 представлены результаты определения удельной произ-ьоднтельлости фкльарозаниь без и ~с использованием флюса при постоянной температуре процесса 730 °С и различном количестве слоев стеклоткани в фш^тре. Так как первичный силумин сильно зашлакован, то использовали флюс на основе карналлита с 15 I криолита. ),'лсса фдххт-а ссютавльлл 3 % от массы сплава. Невысокая удельная ||ри.-:;годительность фильтрования через многослойный фильтр без ис-

пользоватщ флюса, объясняется высокой зазлаковапносп.ю исходного сплава ( выход шлака составляет до 15 7. от массы расплава. ), что приводит к увеличению вязкости расплава. Кроме того, плановые частицы. находящиеся в расплаве, забивают ячейки фильтра, что такж« приводит к снижению производительности установки. При использова-■ нии флюса шлаковые включения переходят во флюс, что приводит к уменьшению вязкости и увеличению производительности. Однако ис-. пользование одно- и двухслойных фильтроз не.эффективно-из-за сравнительно невысокой степени рафинирования от неметаллически): и гя~ ,'зовых примесей. Использование в фильтре пяти и болм» слое? экономически не выгодно ввиду малой производительности установки.

Таблица 2.

, Влияние флюса и.числа слоев в многослойном фильтре ча удельную "V •' " производительность фильтрования расплава при 730 °С в;

ультразвуковом поле

Количество слоев Длительность фильтрования, мин Удельная производительность установки, кг/(см2мин)

с флюсом без флюса с флюсом без флюса

1 0.42 0.30 0.21 0.13

2 0.50 0.75 0.15 0. И

3 0.75 0.75 .0.11 0.03

4 ' 1.16 1.Р0 0.08 0.05

5 1.50 1.80 ' 0.04 о. и::

В табл. .3 представлены результаты влияния температуры на производительность фильтрования через трехслойный фильтр.

Удельная производительность фильтрования в полр акустической кавитации через трехслойный фильтр из ст^глстка^и с. размером кчмй-ки 0.4x0.4 мм заметно увеличивается в интервал? температур ?Х~Р60 °С. Выше температуры ГСО °С все компоненты сплльл раствори* ?оя и

поэтому расплав проходит черев фильтр совершенно беспрепятственно. При снижении температуры ниже 820-830 °С удельная производительности падает. Это связано с тем, что в силумине с 35 X кремния в сплаве температура ликвидуса повышается до 850 сС; ниже указанной температуры начинают выпадать первичные кристаллу кремния и тугоп-лав)сие интерметаллические соединения. Расплав представляет собой гетерогенную вязкую систему, что и снижает скорость фильтрования. При температурах ьиже 660-670 °С расплав находится практически в твердом состоянии.

Таблица 3

Влияние температуры на удельную производительность фильтрования расплава в ультразвуковом поле через трехслойный фильтр

" Температура фильтрования,°С Длительность ' фильтрования, мин Удельная производительность , кг/(см2мин)

860 0.30 • 0.35

830 0.35 0.33

800 0.67 0.22 .

770 0.67 0.16

730 0.75 0.12

700 2.10 0.09

660 4.00 0.03

Для оценки эффективности очистки сплава АК-00 от оксида алюминия использовали нейтронно-активационный метод". Этот метод основан на использовании ядерной реакции 1б0(п,р)1бМ, протекающей при облучении анализируемой пробы быстрыми нейтронами. Массовую

* Определение проводили по ОСТу 1-^2107-84 в лаборатории га-¿Г1»ого аналиг.д всероссийского института легких сплавов.

-------долю кислорода определяют срзЕнениам~актто«ооти раднс1Г/члида ^азо-

та-16 в анализируемом образце с активностью тоге же радионуклида в контрольном образце. В результате проведенных исследований получились следующие результаты.

В табл. , 4 представлены сводные результаты влияния температурь; на очистку сплава АК 90 от оксида апюминня в кавиганионном и центробежном полях. В исходном металле содержание оксида алюминии составляло 0.85 1.

..Таблица 4.

влияние температуры на очистку расплава от оксида алюминия в кавитационном и центробежном полях

' Температура, °С 830 770 730 700 660

Содержание оксида алюминия, 7.

Фильтрование ультра-

звуковым методом

через 3-х слойный 0.75 0.55 0.34 - 0.

фильтр с ячейкой

0.4x0.4 мм

Центробежная фильт-

рование .п=250 об/мин 0.76 0.56 0.23 0.20 -

Т"-10 МИН • - •

Из табл.-4 видно, .что с уменьшением температуры эффективность рафинирования расплава повышается, причем при более низких температурах использование центрифуги дает большую степень очистки, чем ультразвуковой метод. Это чожне объяснить тем, что йри температурах ниже температуры плав (гения сплава, выпадают перг-ичн.л- кригтал-лы кремния и интермпталлические (-оединещ«', котурне г.ри центрич'У-гировании попадают в полость фильтра ротора к дополнительно повышают Фильтрующие способности ■ метода. • Осидмие , ¡«к/юч'чи'л. ' чрохг.гм

через естественный фильтр из' кристаллов кремния и интерметаллидов, остаются на нем, а счищенный металл через фильтрующую щель выходит в объем расплава. Чем нте температура процесса, тем больше образуется первичных кристаллов кремния и интерметаллических соединений и тем самым белее эффективно происходи? рафинирование расплава от оксидных включений. При фильтровании в поде акустической кавитации происходит тот же процесс, что и при центрифугирования. Однако при белее низких температура); наблюдается зарастание каналов фильтроткани, что снижает эффективность процесса фильтрования.

В табл. Б представлены результаты рафинирования ультразвуковым методом расплава АК-90 от оксида алюминия в зависимости от числа слоев стеклоткани с размером ячейки 0:4x0.4 мм в фильтре при постоянной температуре процесса -730 °С .

Таблица б.

Влияние числа.слоев в многослойном фильтре на очистку расплава от оксида алюминия

Количество слоев 1 2 3. 4 5

Содержание А1г0з» Я 0.798 - 0.34 - .0.04

Иа табл. Б видно, что с увеличением числа слоев в многослойном фильтре до пяти степень очистки расплава от оксида алюминия увеличивается более чем в 20 раз для фильтра из стеклоисани с ячейкой 0.4x0.4 мм.■ Это объясняется тем, что в первичном электротермическом алюминиэвокремниевом сплаве содержатся достаточно крупные частицы оксидов, . которые при фильтровании остаются аа фильтре. Увеличение числа слоев в фильтре хотя и приводит к снижение очсида а расплаве, дднако первичный сплав сильно загрязнен примесит;, которые ььтолняют роль центров кристаллизации, в результате чего ьыпадавт иногр мелких первичних кристаллов, которые аабиваюч ячейки Фильтра и затрудняют процесс фильтрования. С целью уда^ну». этих примесек первичный ■ аа^втектический расплав перед

фильтрованием .нужно подвергать рафинированию флюсом или использовать другие методы.

На рис. 4 изображена зависимость содержания оксида алюминия в расплаве от времени центрифугирования расплава после обработки флюсом и без обработки флюсом при снижении температуры от 820 до 720 °С ( частота вращения ротора 300 об/мин ):

Рис." 4. Влияние длительности центрифугирования на содержание '

' . оксида алюминия'в расплаве сплава АК-90 ^

Содержание А1г03, X 0.86

30 40

, время, мин

1 - без обработки флюсом; 2-е обработкой флюсом

Как видно из рис. 4, использование флюса ,более эффективно влияет на очистку расплава ЛК-90 от оксида алюминия. Находящиеся в силумйне мелкие частицы смачиваются флюсом, образуя более крупные частицы. За счет разности плотностей расплава и частиц, они выносятся на поверхность расплава где попадают в воронку, создаваемую при. вращении ротора центрифуги, и затягиваются в полость фильтра ротора. При снижении температуры, интерметаллические соединения и шлаковые включения, образуют внутри фильтрующего органа центрифуги каркас, который служит фильтром. С увеличением продолжительности центрифугирования расплав многократно проходит через этот фильтр, что способствует более глубокой степени очистки При беафлюсовом центрифугировании более мелкие частицы, оксида алюминия проскакивают через ячейки фильтра, что в меньшей степени сказывается на эффективности очистки расплава. И только при увеличении продолжительности центрифугирования, когда расплав многократно пройдет через фильтрующий орган, происходит более глубокая очистка расплава.

Таким образом, результаты проведенных экспериментов показывают, что центрифугирование и кавитационная обработка одинаково активно способствуют очистке расплава от оксида алюминия. / . ,

4. Исследование процесса рафинирования алюминиевокремниевых сплавов от металлических примесей с помощью "физических методов очистки расплава

В предыдущем разделе рассмотрены возможности- рафинирования первичного электротермического силумина от оксида алюминия в центробежных и кавитационных полях. В данном разделе рассматриваются вопросы рафинирования алюминиевокремниевых сплавов от железа, титана и избыточного кремния с использованием тех же методов рафинирования. Для определения элементов в сплаве испольвовали химический анализ.

В табл. 6 представлены результаты определения влияния температуры на содержание металлических примесей в силумине после фильг трования расплава в центробежных и кавитационных полях.

При нагреве до температуры 820 °С ззэвтектический силумин

полностью не расплавляется. Содержащаяся в нем низкоплавкая фаза при этих температурах* расплавляется и получается конгломерат из кристаллов интерметаллидов, содержащих жидкую фазу. Перемешиванием массы достигается разрушение каркаса интерметаллидов и получается жидкая фаза с равномерно распределенной в ней твердой фазой - интерметаллическими соединениями,■которые подлежат удалению из расплава. При нагревании ниже 700 °С количество жидкой фазы незначительно, а твердой еще много, что затрудняет разделение фаз и снижает выход годного продукта.' Повышение температуры выше 840 ° С приводит к резкому увеличению жидкой фазы, растворению интерметаллидов, ч$о влечет за собой повышение энергетических затрат. Снижение температуры полного отделения твердой фазы ниже 577 °С приводит к кристаллизации всей твердой фазы и обусловливает потери годного металла с кристаллами твердых интерметаллидов в 'продуктах фильтрования, а также не исключает возможности поломки оборудования.

......' .' ' таблица 6.

Влияние температуры рафинирования электротермического силумина марки АК-90 на содержание металлических примесей

в расплаве

Химический состав, X

Температура, °С Центробежное Ультразвуковое

■ фильтрование- ■ фильтрование '

Ре П Ге П

820 35.16 2.04 0.75 ,35.24 1.70 0.70

780 30.78 1.67 0.71 29.29 1.56 0.Б0

740 ■¿о.уг 1.54 0.46 26.1Ь 1.50 0.20

700 22.94 1.?/ 0.41 23. 36 1.50 0.17

При снижении температуры ниже 750 ,°С выпадают первичные кристаллы кремния и инТерметаллические соединения, которые повышают вязкость расплава. При центрифугировании эти соединения препятствуют проникновению расплава в полость фильтра ротора' центрифуги, При фильтровании в кавитационном поле интерметаллиды забивают ячейки фильтра и процесс практически прекращается. Удельная производительность для последнего метода фильтрования составляет менее 0.9 кг/(м2мин), а выход годного металла всего 10-15 X, . ' • • В табл. 7 представлены результаты определения влияния числа слоев в • многослойном фильтре на рафинирование расплава обработанного и необработанного флюсом от металлических примесей по методу фильтрования в поле.акустической кавитации при постоянной температуре 730 °С. -

• ' '• Таблица 7.

Влияние числа/слоев в многослойном фильтре на рафинирование ' сплава от металлических примесей с и без использования

флюса • - . .

Количество слоев в фильтре Обработка флюсом ■ .Химический состав, 7.

Фильтрат Фильтростаток

■ Б! Ре Ге

1 + 30.27 2.00 36.28 1.36

1 - 28.50 1.90 34.10 1.82

2 + 26.84 1.83 35.91 2.03

2 - 27.96 1.87 35.41 2.62

3 + 26.33 1.25 35.60 3.71

3 - 26.16 1.80 29.60 1.73

4 + 29.93 1.50 35.95 1.88

4" - • 25.47 1.68 32.70 1.89

5 + 26.21 1.42 35.61 2.42

5 - 26.82 1.62 30.68 2.48

.__.•_..-. Так как температура процесса ниже температуры плавления спла:-----------

ва АК-90, то образуются первичные кристаллы кремния ь интерметаллические соединения... При обработке расплава флюсом последний смачивает эти соединения, образуя более крупные частицы из этих соединений, в результате чего первичные кристаллы кремния уже при фильтровании через двухслойный фильтр остаются на его поверхности. Частицы соединений железа имеют меньший размер, поэтому для них нужен более тонкий фильтр. В расплаве; не обработанном" флюсом, со-' держатся частицы различных размеров. Поэтому с увеличением числа слоев в ' фильтре происходит постепенная очистка расплава от этих соединений. .

На рис. 5 показана зависимость степени очистки расплава от числа оборотов вращения ротора центрифуги.

Рис. 5. Зависимость степени очистки расплава от числа об ротов вращения ротора центрифуги

об/мин

Как видно из рис. 5 степень очистки зависит от числа оборотов ротора .центрифуги' и характеризуется кривой с максимумом, который

находится около 300-400 об/мин. Увеличение числа оборотов в минуту более 700 приводит к прекращению поступления расплава в полость фильтра центрифуги. .

IВ табл. 7 и 8 представлены результаты влияния скорости охлаждения расплава на степень очистки сплава АК-90 от металлических примесей с использованием и без использования флюса, при постоянной частоте вращения ротора 300 об/мин,.начальной температурой процесса 820 °С и конечной 720 °С. • ,

Таблица 7.

Влияние скорости охлаждения на очистку расплава сплава АК-90. от металлических примесей с использованием флюса.

Скорость охлаждения °С/мий Химический состав, 7. Выход осадка, X

Фильтрат Фильтростаток

Ре Т1 21 .'Те ТД

67 22.46 1:40 0.83 31.93 1.69 0.17 15.3

20 26.33 2.06 0.59 36.98 1.55 0.34 16.3

10 26.20 1.28 0.50 48.16 1.85 0.69 19.3

5 ' .25.03 1.23 0.50 38.35 1.61 0.72 20.7

2.5 .. 19.85 1.04 0.33 47.28 1.99 1.08 22.7

Из полученных результатов видно, что с уменьшением скорости охлаждения наблюдается увеличение степени очистки расплава от металлических примесей. Повышение скорости охлаждения более 10 °С/мин ведет к измельчению кристаллов интерметаллидов. что снгхает выход годного продукта и снижает эффективность фильтрования. Охлаждение со qкopocтью менее 2 °С/мин, не улучшает условия отделения интерметаллидов, а ведет к повышению загрузке оборудования и энергетических затрат.

Таблица 8.

Влияние скорости охлаждения на очистку расплава

сплава АК-90 от металлических примесей без ' использования флюса

1 | Скорость -|охлаждения, I °С/мин | 1 ' 1 ■ 1 .. Химический состав, X - | 1 Выход | осадка,| г 1

1 Фильтрат | 1 Фильтростаток | 1

1 ; Бг | 1 1 Ре | Т1 1 1 1 1 1 ЬЧ | Ре | Тз | 1 1 1

1 | 67 1 26.811 1 -1 1-471 - | 1 1 1 33.84| 2.23| - | 3.0 1

1 20 26.51| 1.25| 0.69| 34.46| 1.19| 0.04| 5.0 |

| 10 27.94| 1.37| 0.4Ц 28.081 2.11| 0.2Ц - 4.7 |

15 23.29| 1,32| 0.39| 37.291.2.26| 0.55| 6.0 |

f 2.5 » 22 671 1.28| 0.40| .... 1 . ,.. 1 39.85| 1.73| 0.65 » 1 - -1- 28.7 | . 1

Результаты .проведенных экспериментов по рафинированию первичного электротермического силумина от металлических примесей в центробежных и кавитационных полях показали, что предпочтительно использовать метод центробежного фильтрования. При фильтровании в поле акустической кавитации образуются значительные количества осадков, которые содержат полезные компоненты, т.е. алюминий и кремний. Эти осадки требуют дальнейшей переработки. Поэтому с целью уменьшения потерь ценных компонентов целесообразно использовать этот метод совмеотно с каким-либо методом рафинирования, например, с фильтрованием в центробежных полях.

5. Разработка технологии рафинирования заэвтектических силуминов от металлических и неметаллических примесей с использованием кавитационной обработки и"центрифугирования

расплава

На основе исследований различных вариантов режимов фильтррва-

нйя заэвтектиче'ских силуминов в центробежных и кавитационных полях можно предложит^ ряд технологических рекомендаций для' рафинирования различных видов алюминиевого сырья. . ,

■ IВ настоящей работе разработана комбинированная технология переработки одного из таких видов сырья .- электротермического алюми-ниевокремниевого сплава, образующегося в результате углетермичес-. кого восстановления глинозем-кремнеземистой шихты в рудновосстано-вительных печах. Электротермический сплав имеет следующий химический состав: 30-40 % Б1, 1-4 7. 0.3Т1 % Т1, 0.5-1 X Си, 0.2-2 % А1г0з, остальное алюминий. Высокое содержание алюминия и кремния делает его ценным сырьем, которое можно использовать в производстве силумина, если очистить его от избыточного содержания кремния, железа, титана и оксида алюминия.

Для рафинирования алюшниевокремниевого сплава от избыточного содержания кремния, железа и титана целесообразно использовать кристаллизационный способ, 'одной из задачей которого является образование в расплаве тугоплавких интерметаллических соединений, содержащих железо и титан. В вависимости от соотношения концентраций компонентов' В системе АЬБЬГе-П кристаллизуются различные, промежуточные ¿азы: Т1гА1з512, А15ГеЭ1, АЦГе512, адь 31. Таким образом, титан может быть - выведен из расплава в виде фазы Т1гА1з512, а У.елезо в виде двух фаз: А^еБ! и АЦРе^г.

Процесс рафинирования ведут при снижающейся температуре расплава. Начальная температура зависит от количества примесей в чер-. новом металле, то есть определяется по физическому его состоянию ( когда расплав, становится достаточно жидкотекучим, способным поступать в ротор центрифуги и фильтроваться ). Для сплава, содержащего 35 % кремния предпочтительно использовать начальную температуру процесса 820 °С. ' - '

Для удаления неметаллических примесей - оксидных и газовых включений - предпочтительно использовать фильтрование через многослойные сетчатые фильтры с размером ячейки 0.4x0.4 мм в поле акустической кавитации. Процесс фильтрования также обеспечивает' удаление интерметаллидов и первичных кристаллов кремния, оставшихся после центрифугирования.'

---------На рис. 6 приведена технологическая схема рафинирования первичного электротермического силумина типа АК-90.

Рис. 6. Технологическая схема переработки сплава АК-90

СПЛАВ АК-90

ФИЛЬТРАТ 2 ....................ФИЛЬТРОСТАТОК 2.

Предлагаемая схема опробована в укрупненном лабораторном опыте. Сплав загружали в силитовую печь и расплавляли при температуре 820 °С. Затем в расплав добавляли флюс в количестве 3 % от массы сплава. После перемешивания опускали погружную центрифугу и расплав охлаждали со скоростью 2.5 °С/мин до температуры 720 °С. Затем в расплав добавляли модификатор { фосфористая медь ) й обрабатывали ультразвуком в потоке металла при входе в трехслойный фильтр : при температуре 680 °С. Результаты опробования технологии по схеме рис. 6 приведены в табл. 9.

. Таблица 9

Результаты опробования опытной технологии переработки первичного электротермического алюминиевокремниевого сплава АК-90 на выход годной продукции.

Материалы и. продукты / Количество, г Содержание компонентов % .

Ai S1 ■, Fe T1 AI2O3

Сплав АК-90 ^ 8000 58.10 36.48 1.77 0.80 0.86

Флюс: |

47 X KClxMgCl2+

38 7. NaCl+ 240 2.47 -

15 X Na3AlP6.

Фильтростаток 1 2440 20.84 47.57 2.70 1.38 -

Фильтрат 1 5800 64.56 24.03 1.30 0.41 0.03

Модификатор:

Си + 10 X Р 32 - / - -

Фильтростаток 2 552 53.62 34.94 1.36 0.35 -

Фильтрат 2 5280 72.17 21.83 1.00 0.32 0.02

Выход фильтрата составил 64 X от массы фильтруемого расплава при содержании кремния в сплаве 21 7..

Ожидаемый-технико-экономический эффект от внедрения предлага-

емой технологии на объем производства сплава АК-21 7.5 тыс.т/год составит 0.71 млрд. рублей в ценах апреля 1996 года.

На основе разработанной технологии .исследована структура и механические свойства очищенного силумина. Исследования показали, что при модифицировании расплава фосфором и действии ультразвука при фильтровании первичные "кристаллы кремния измельчаются более чем в 10 раз И размер их составляет 20-60 мкм ( рис. 7). Наиболее удовлетворительные механические свойства получились после деформации и отжига. ■

ОСНОВНЫЕ.ВЫВОДЫ.

1. Впервые проведено систематическое исследование комплексной обработки расплава заэвтектических силуминов в центробежных и ультразвуковых поля" и показано, что для эффективного рафинирования от неметаллических и металлических примесей.целесообразно в начале центрифугировать расплав, а затем проводить ультразвуковое фильтрование через многослойные сетчатые фильтры в режиме развитой кавитации.

2. Методом контроля кавитациоцного шума изучено влияние концентрации первичного кремния в заэвтектическом силумине на переход от пороговых режимов кавитации к режиму развитой кавитации при ультразвуковом фильтровании расплава. Тем самым экспериментально обоснованы оптимальные режимы ультразвукового фильтрования заэвтектических силуминов в поле кавитации. В отличие от стандартных. алюминиевых сплавов и технического алюминия пороговые значения перехода к режиму развитой кавитации при обработке заэвтектических силуминов повышаются на 2.5-30 7..

3. Установлены оптимальные режимы рафинирования заэвтектичес-кого силумина в кавитационных полях от металлических и неметаллических примесей. Исследования показали, что наиболее оптимальным режимом рафинирования в поле акустической кавитации является коли-, чество слоев стеклоткани с размером ячейки 0.4x0.4 мм в фильтре 2-А, начальная температура процесса 820 °С, конечная 720 °0.,При

Рис. 7. Влияние технологии обработки расплава на структуру слитков ваэвтектических силуминов ( х125 )

а - исходный сплав АК-90 с 36.5 % кремния;

б - сплав после центрифугирования 25 % кремния;

в - сплав после комплексной обработки расплава - 21 % кремния.

таких условиях достигается высокая; степень очистки расплава от------

примесей при удовлетворительной .производительности уел .шовки. Однако большие потери алюминия и кремния со шлаком приводят к.неэффективному- использованию фильтрованию расплава в поле акустической кавитации в виде самостоятельного процесса.

4. Определены оптимальные режимы фильтрования первичного алю-миниевокремниевого сплава в центробежных полях от металлических и неметаллических примесей. -Исследования показали, что оптимальным-режимом фильтрования является число оборотов ротора центрифуги 350±50 об/мин,* . скорость охлаждения расплава 2.5-5 °С/мил, начальная температура процесса 820 °С, конечная зависит от требуемого содержания кремния-в сплаве, но не ниже 720 °С, так как ниже этой температуры в расплав находится небольшое количество жидкой фазы и процесс фильтрования затруднен.

5. Для рафинирования первичного электротермического силумина в кавитационных и центробежных полях от неметаллических твердых включений и металлических примесей целесообразна, использовать флюс на основе карналлита с 15 % криолита. Масса флюса составляет 2,5-3 X от массы сплава. При использовании флюса уменьшается вязкость расплава, что положительно влияет на процесс фильтрования заэвтек-тического силумина.

6. Разработан и опробован комбинированный метод рафинирования заэвтектических силуминов в центробежных и кавитационных полях. Установлено, что в результате предложенной комплексной обработки расплава из силуминов с 36 % 31, 2 % Ге, 1 % Т1 и 1 X А1г0з можно получить силумин с 21 X 51, 1 X Ге, 0.3 X Т1 и менее 0.02 X А1е0з.

7. С применением разработанной технологии фильтрования электротермического силумина в центробежном и кавитационном полях получены лабораторные партий метала и исследованы структура и механические свойства очищенного сплава. Исследования показали, что при модифицировании расплава фосфором в количестве 0.05 X и действии ультразвука при фильтровнии первичные кристаллы кремния измельчаются более чем в 10 раз и размер их составляет 20-60 мкм. . ...

Механические свойстза заэвтектического силумина с 21 X в горячепрессованисм состоянии после гомогенизирующего отжига в те-

Ченга 8 часов при температуре 470 °С составили: бв - 190-200 МПа, бо.г - 150-160'МПа, 5 - 5-7 Z, ф - 10-11 Г..

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Клюзов К.В., Эскин Г.И., Хавский H.H., Пименов Ю.П. Изучение возможности рафинирования заэвтектических силуминов в центробежных полях. // Известия ВУЗов. Цветная металлургия. 1996. - N1. - о. 12-16. • ,

2. КлюзоВ К.В., Эскин Г.И., Хавский H.H., Пименов Ю.П. Изучение эффективности- рафинирования электротермического силумина от неметаллических примесей в кавитационных и центробежных полях. // Известия ВУЗов. Цветная металлургия. 1996. - N4. - с. 13-16.

3. Клюзов К.В., Эскин Г.И. , Хавский H.H., Пименов Ю.П. Способ получения силумина. Заявка на патент N 96120432 от 4.10.96.

4. Клюзов'К. В., Эскин Г.Й., Хавский H.H. Исследование структуры и механичеЬких свойств заэвтектических силуминов, прошедших обработку в центробежных и кавитационных полях. // Изв. ВУЗов. Цветная, металлургия. Послана в редакцию 12.96.

. Типография МИСИС

Заказ 6Т тирад ЮО