автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка и исследование технологии рафинирования алюминиевых сплавов продувкой газами с высокой скоростью истечения

Государственный комитет РФ по делач науки и высшей еколы Московский ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Краевого Знамени институт стали и сплавов

6 О

3 :.!АР

УДК 621.746.583.669715

Палачев Валерий Александрович

Разработка и исследование технологии рафинирования алюминиевых сплавов продувкой газами с высокой скоростью истечения

Специальность 05.16,04 - Литейное производство

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Диссертационная работа выполнена на кафедре технологии литейных процессов Московского института стали и сплавов. Московском заводе алюминиевых сплавов и на г/а "Яжмаа".

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Ин-кин'С.В,

Официальные оппоненты: доктор технических наук Макаров Г.С., кандидат технических наук Чулков B.C.

Ведущее предприятие: Концерн "Подольск".

Защита состоится:%{&на заседании специализированного совета К.053.08.01 по присуждению ученых степеней при Московском ийституте стали и сплавов по адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Справки по тел.: 237-84-45

Автореферат разослан " /3" \ЧЧУ/т.

Ученый секретарь Совета профессор

И.Ф.Курунов

Обшая характеристика работы

Актуальность работы, г5 наптоятее премя в фасоно.пит< ¡ном производстве остается актуальной проблема снижения брака выпускаемой продукции из алюминиевых сплавов. Основной причиной брака являются неметаллические включения и высокое газосодержание расплавов. В соответствии с возрастающими требованиями к качеству готовой продукции содержание неметаллических включений в отливках ограничивают тысячными долями процента, а количество газа стремятся поддерживать на уровне менее 0,2 см3/100 г Ме.

В решение проблемы повышения чистоты алюминиевых сплэеов решающий вклад вносит рафинирование. Наиболее широкое распространение получили такие способы как вакуумирование, фильтрование, обработка расплава хлористыми солями, флюсовое рафинирование, продувка активными и инертными газами. Сравнительный анализ показал, что глубокая дегазация алюминиевых расплавов и удаление неметаллических включений возможны в случае его продувки инертным газом с высокой скоростью истечения. При этом не происходит заметного загрязнения окружающей среды, а для организации процесса не требуется значительных капитальных затрат.

Благодаря трудам Альтмана М. К , Арсентьева П. П., Бакакина А. а , Добаткина В. И. , Макарова Г. С. .Сизова А. И. , Тена Э. Б. и других ученых достигнут значительный прогресс в области теории и практики рафинирования металлических расплавов от растворенных газов и неметаллических включений. Однако, теоретические и прикладные аспекты рафинирования алюминиевых расплавов продувкой высокоскоростной струей инертного газа изучены недостаточно. Необ-

ходимо дальнейшее исследование процесса взаимодействия с жидкой средой высокоскоростной струи газа, истекающей через сопла малого диаметра. При этом требует более глубокой проработки вопрос 'стабильного получения пузырьков рафинирующей фазы размером 1-3 мм, обладающих максимальным рафинирующим эффектом. В полной мере не исчерпаны возможности комбинированного рафинирования, позволяющие быстро очищать расплав от растворенных газов и неметаллических включений.

Дель работы.

1. Осуществить физическое моделирование процесса высокоскоростной продувки алюминиевых расплавов через сопла малого диаметра (0,2-1,5 мм) с целью дальнейшего изучения процесса взаимодействия струи газа с жидкой средой и исследования закономерностей барботажа.

2. Изучить закономерности процесса рафинирования алюминиевых сплавов при высокоскоростной продувке. Установить оптимальные режимы продувки: избыточное давление газа и его расход; скорость истечения газа; длину и диаметр сопла для достижения развитой межфазной поверхности контактирующих фаз.

а Разработать и исследовать технологию комбинированного рафинирования алюминиевых сплавов, совмещающую высокоскоростную продувку расплава с его обработкой летучими галогенидами и флюсовыми добавками, повышапцими скорость массопереноса водорода и работу адгезии включений к газовому пузырьку.

Научная новизна.

1. Установлены закономерности барботажа расплава при его продувке газами с высокой скоростью истечения ч реэ сопла малого

диаметра: найдены зависимости величины зоны диспергирования, скорости истечения и расхода газа, размера пузырьков в барб'~тарном слое от избыточного давления и диаметра сопла.

2. На основании экспериментальных данных оценена зависимость коэффициента скорости массопереноса водорода на границе пузырек-расплав от критериев йдадта и Рейнольдса Установлено решающе влияние на его величину размера газовых пузырей рафинирующей фаза

3. Изучены термодинамические аспекты и предложен механизм' удаления неметаллических включений при введении в струю инертного газа летучего галогенида и расплавленного флюса

Практическая значимость работы. На базе проведенных исследований разработана и защищена авторскими свидетельствами технология высокоскоростной продувки, позволяющая в течение 3-5 мин очищать расплав от растворенных газов и эффективно удалять неметаллические включения. Передвижная дегазирующая установка (УД) для рафинирования алюминиевых сплавов эксплуатируется на госзаводе "Иимаш".

Апробация работы. Основные положения работы были доломены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях:

1. X Всесоюзная научно-техническая конференция "Неметаллические включения и газы в литейных сплавах", г. Запорожье, 1988г.

2. Всесоюзная научно-техническая конференция "Прогрессивные процессы плавки и литья цветных металлов и сплавов"»-г. Москва, 1989г.

3. Отраслевое научно-техническое совещание работников литейного производства "Технологические процессы и оборудование,

обеспечивающие безопасность работы и экологическую чистоту в литейном производстве", г.Ижевск, 1990г.

1 4. Научно-техническая конференция "Управление технологичес-'кими процессами литья и свойствами отливок",-г. Москва, 1990г.

5. Научно-технический семинар "Совершенствование технологии и оборудования в литейном производстве с целью улучшения условий труда и экологии окружающей среды", г.Москва, 1991г.

6. Ж научно-техническая конференция "Неметаллические включения и газы в литейных сплавах",-г,Запорожье, 1991г.

7. Научнг-техническая конференция "Теория и технология производства отливок из сплавов цветных металлов",-г. Владикавказ, 1991г.

• Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 3 статьи и получено 2 авторских свидетельства

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 20<$ страницах машинописного текста, содержит ^О таблиц и рисунков. Библиографический список включает наименований использованной литература

Методика экспериментов. В качестве исходного шихтового материала использовали чушковый алюминиевый сплав КС 740 (ТУ 48-2635-75). При проведении лабораторных экспериментов расплав готовили как в печи сопротивления С1ЮЛ, так и в индукционной печи ИСТ-0,06.

■На Московском заводе алюминиевых сплавов металл плавили в

печи ИАТ-6,0,. а на г/э "Ижмаш" в индукционной канальной печи ИАК-0,4. Высокоскоростную лродувку расплава проводили как кзо-образным аргоном (ГОСТ 10157-79), так и газообразным азотом (ТУ б-21-2?-?7с изменениями N1) с точкой росы не выше - 50°С. Скорость газа на срезе сопла расчитывали как отношение его массового расхода к произведению плотности газа и площади среза сопла. С учетом разности плотностей газа перед соплом и на его выходе было получено уравнение:

где - расход воздуха по паспорту на ротаметр, л/час;

Изучение процесса взаимодействия высокоскоростной струи газа с жидкой средой осусествляли на воде. Газ вдували через -сопла ' малого диаметра от 0,2 до 1,5 мм. Фотографирование проводили фотоаппаратом марки "Зенит-Е" с объективом "Гелиос". Диаметр образующихся пузырьков газа измеряли при помощи микроскопа МПБ-2 по фотографиям методом случайных секущих.

Плотность образцов до и после рафинирования определяли гидростатическим взвешиванием, а количественное содержание водорода вакуумной экстракцией по ГОСТ 21132.1-74. - Балл пористости теш-летов,вырезанных из чушек сплава КС 740 оценивали по стандартной шкале пористости БИАМ. Пораженность образцов* газовыми пореши и

-8 Ов V Риэб'

(1)

- избыточное давление газа. Па; Ро - атмосферное давление с учетом давления столба

жидкости. Па; с1с - диаметр сопла, м.

неметаллическими включениями изучали по отношению площади дефектов (мм2) к площади исследуемого участка (см2). Количество крупных неметаллических включений в исследуемых образцах опреде-'ляли по технологической пробе Е И. Добаткина," а структуру металла изучали с помощью металлографических микроскопов ЫИМ-8 и МЕ0Г0Т-21. Погрешность измерений определяли по стандартной методике.

1. Исследование закономерностей высокоскоростной продувки алюминиевых расплавов инертным газом на модельной жидкости.

■ Цри продувке алюминиевых сплавов инертным газом с высокой скоростью истечения происходит интенсивный распад рафинирующей фазы на отдельные пузырьки. Во время всплытия газового пузырька в расплаве внутрь него происходит диффузия водорода и одновременная флотация неметаллических включений. Аналитическое решение задачи удаления водорода из расплава применительно к одиночному пузырьку инертного газа показало, что эффективность дегазации можно, повысить разрушением оксидной пленки на поверхности рафинирующей фазы, увеличением расхода газа и измельчением образующихся пузырей, как это следует из выражения:

(2)

где Со - начальная концентрация водорода в расплаве, см /100г Ш;

^ - коэффициент скорости массопереноса водорода, м/с;

р - глубина ванны, м;

- удельный расход газа, м3/с;

V« - объем ванны с расплавом, м5;

1п - радиус пузырька инертного газа,м;

Т/п - скорость всплытия пузырей, м/с;

Т - длительность продувки, с. Степень удаления неметаллических включений при продувке расплава инертным газом подчиняется экспоненциальному закону и возрастает с увеличением размера частиц, расхода газа, длительности продувки, а также при снижении размера образующихся пузырей:

с = с о • екр 5Ха-Я-% • % '

гп.-Ум ' (3)

где - радиус включения, м.

Из имеющихся сведений о современных способах диспергирования газа в расплаве следует, что наиболее эффективно оно протекает в случае применения сопла с высокой скоростью истечения.

Для исследования факторов, повышающих диспергирование высокоскоростной струи газа в жидкости, а также изучения влияния на лроцесс высокоскоростной продувки таких параметров, как избыточное давление, скорость газа и его расход, длина и диаметр сопла было проведено физическое моделирование на жидкой среде - воде. Для оценки соответствия процессов протекающих при истечении

АО

струи газа в воду и алюминиевый расплав были использованы критерии подобия 1?е, Аг, Уе, ЗЬк и Зс.

1 Установлено, что при истечении газа в жидкую среду со ско-'ростями 30-300 м/с через сопла малого диаметра от 0,2 до 1,5 мм формируется факел газа, который имеет сложное строение. Факел газа в жидкости представляет собой двухфазный газожидкостный поток, состоящий из следующих участков: зоны диспергирования газовой фазы, зоны всплытия, барботажного слоя, зоны вторичного замешивания газовых пузырьков.

Зона диспергирования характеризуется большим перепадом скоростей газовой и жидкой фаз. Внутри этой зоны происходит интенсивное дробление жидкости на мельчайшие капли, которые могут иметь очень вытянутую форму по направлению газового потока Вычисления по критерию Вебера показали, что дробление капель жидкости диаметром менее 2,5 мм в зоне диспергирования прекращается в случае падения скорости газа для расплава алюминия -до 35 м/с; для флюса - до 33 м/с. Установлено, что зона диспергирования максимальна при горизонтальном расположении сопла и увеличивается с повышением избыточного давления и диамётра сопла В критериальной форме она может быть описана зависимостью:

I = к-с!с Аг°'3 ; с«

где: к - коэффициент;

с/с - диаметр сопла, м; А г - критерий Архимеда

и

На основании многочисленных экспериментальных данных расчитан коэффициент к, равный 6,3.

На расстоянии Ь от среза сопла жидкость достигает горизонтальной оси струи, вследствие превышения подъёмных сил, над инерционными силами газового потока. В результате нарушается сплошность струи и формируется зона всплытия. В этой зоне происходит интенсивный распад газовой фазы на отдельные пузырьки, которые при подъеме формируют барботажный слой.

При моделировании установлено, что барботажный слой имеет мелкоячеистую структуру с размером газовой фазы 1-3 мм. Вследствие пульсации формы пузырей происходит их отклонение от вертикали, в результате чего они поднимаются по зигзагообразной или винтовой траектории. Последний фактор способствует раскачиванию барботакно-го слоя в целом. Определено, что сектор раскрытия барботажного слоя мало зависит от избыточного давления и диаметра сопла и лежит в пределах 40-45°. Установлено соответствие теоретических расчетов и опытных данных по скорости всплытия пузырьков газа в барботатаом слое. В экспериментах скорость подъема пузырей получена равной 0,24-0,27 м/с, а в расчетах получена величина 0,26 м/с.

Вторичное замешивание пузырьков газа в жидкость наблюдается * при Рц3<5 0,3-0,4 МПа и выше, в случае применения сопел диаметром более 0,5 мм. При этом пузырьки как бы "отражаются" от поверхности ' раздела гаэовой и жидкой фаз и вновь вовлекаются в жидкую среду. Наблюдения позволили отметить движение жидкости во всем объеме модельной емкости. Особенно интенсивно оно происходит в зоне диспергирования и барботажном слое. Движение жидкости можно считать установившимся спустя 15-20 с. с момента подачи газа.

В результате моделирования установлено, что при истечении газа в жидкую среду на срезе сопла диаметром 0,5-1,5 мм достига-

ется скорость более 200 м/с ухе при избыточном давлении 0,2-0,4 МПа. Повышение давления до 0,8-1,0 МПа позволяет достичь околозвуковой скорости - 300 м/с, а в случае сопла Лаваля их 'сверхзвуковые значения. В последнем случае расчеты производили по формуле Сен-Венана и Ванцеля.

Значительное снижение скорости газа наблюдается для сопел диаметром менее 0,5 мм. Определено, что для сопла диаметром 0,19мм скорость газа в выходном сечении не превышает величины 150 м/с при - 1,0 МПа.

Установлено, что перепад давлений на входе и выходе из сопла возрастает с увеличением его длины, что выражается в заметном снижении скорости газа Из рис. 1 видно, что наибольший перепад давлений, вычисленный по формуле 5 и максимальное значение скорости, расчитанное по выражению'1, достигается на соплах длиной от 3 до 11 мм.

6 tsj-fii

где: 5 ~ коэффициент;

6 - длина сопла, м;

J>r - плотность газа, кг/м3.

Значительные потери давления и скорости на соплах большой длины можно объяснить действием трения газа о стенки сопла, в результате чего теряется значительная часть кинетической энергии высокоскоростной струи.

При моделировании установлено, что эффективность диспергирования высокоскоростной струи газа в жидкой среде возрастает по мере подъема избыточного давления, а следовател но и его скорос-

\ъ

Зависимость скорости истечения газа и падения даыення для

сопла 0 0,67 мм

О 3 П 22 4Я

.72 мм 87

Рис I

Т,2|3,4,5 - Ризб - 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0 МПа соответственно

ти, и уменьшения диаметра сопла, как это показано на рис. 2. Видно, что основная масса образующихся пузырей имеет диаметр 1-Змм, а их количество составляет 70-802. Такие пузырьки образуют развитую меж|азнут> поверхность между расплавом и рафинирующей фазой, что гарантирует быструю дегазацию и качественную очистку расплава от неметаллических включений.

Полученные в экспериментах результаты по изменению расхода газа в зависимости от избыточного давления и диаметра сопла хорошо согласуются с теоретическими расчетами. По результатам моделирования для продувки алюминиевых сплавов высоко "простной струей инертного газа было рекомендовано сопло диаметром 0,7-1,0 мм и длиной 3-10 мм. Избыточное давление следует поддерж-вать на .уровне 0,3-0,5 МПа. При этом достигается скорость газа 240-250 м/с, хорошее его диспергирование и сравнительно небольшой расход - не более 40 л/мин.

/

2. Разработка технологии рафинирования алюминиевых расплаво: высокоскоростной продувкой инертными газами.

. Высокоскоростную продувку алюминиевых расплавов в лабораторных условиях производили в тигле емкостью 15 кг. Ввод газовой фазы в расплав осуществляли через специальный рабочий орган -сопловую насадку, крепящуюся к трубопроводу. При моделировании было установлено, что во время высокоскоростной продувки возникает интенсивное движение жидкой фазы. В связи с этим материал сопловой насадки должен хорошо противостоять эрозионному воздействию потоков расплава. В качестве материала сопловых наеадор был опробован чугун, сталь, графит, силицир вашшй графит, ;

Изменение среднего диэметра пузырька и их распределение по размерам

5 мм

60

40

6 20

Р изб

50

32

а

60

40

20

пуз. ср.

32

15

"ï

пуз. ср

0,2 0,4 О, S 0,8 1,0 О I 2 3 4 5 G ?

МПз •• мм

0 1 2 3 4 5 6 мм

Рис 2 I - Ос - 0,67 мм

2 - de - 0,9 мм

3 -Qic - 1.5 мм

de - 0,67 мм Р изб - 0,4 МПз

de - 1,05 мм ß изб - 0,4 МПэ

2

также титан, прошедший химико-термическую обработку.

Экспериментально установлено, что эксплуатационные возможности сопловых насадок из чугуна и стали в расплавах алюминия невысокие. В результате интенсивного эрозионного воздействия потоков алюминиевого расплава на околосопловое пространство, устье сопла быстро растворяется и дальнейшее применение насадки становится невозможным. Фактически насадки из чугуна и стали могут использоваться не более чем для 5-7 продувок (25-30 мин) при сравнительно низких температурах металла.

Высокую работоспособность при высокоскоростной продувке показали сопловые насадки из графита, силицированного графита и титана, прошедшего химико-термическую обработку. Это обусловлено инертностью материалов по отношению к расплавам алюминия, что гарантирует их эксплуатацию в течение нескольких недель. При этом установлено, что наиболее предпочтительным материалом является графит. Он хорошо обрабатывается резанием, недефицитен, сохраняет необходимую прочность при температурах 700-850° С и из него возможно изготовление сопловых насадок высокой сложности.

В экспериментах разработаны конструкции сопловых насадок для проведения комбинированного рафинирования в металлургических агрегатах различной вместимости по схемам:

1. Инертный газ - пар галогенида

2. Инертный газ - пар галогенида - хлоридно-фторидный флюс.

В центральное отверстие такой сопловой насадки загружается

галогенид, а в перфорированный резервуар под соплом мерное количество флюса Насадка выполняется со специальным пояском, который уменьшает эрозионное воздействие потокор расплава на околосопловое пространство и нижнюю часть трубопровода, а также предотвращает соприкосновение сопла со стенкой ко! .¡¡а.

" м

В соответствии с результатами по высокоскоростной продувке было принято сопло диаметром 0,7-1,0 мм, а избыточное давление 0,3-0,5 МПа. Оптимальное время продувки и количество сопел определяли при рафинировании поршневого заэвтектического силумина КС 740 . Время продувки в экспериментах варьировали от 1 до 5 мин, а , избыточное давление от 0,2 до 0,5 МПа. Установлено, что при использовании одного сопла диаметром 0,9 мм оптимальное время продувки составляет 5 мин, а избыточное давление 0,3 МПа. При этом,'

3

плотность образцов достигает величины 2,73 г/см , пористость .

3

составляет 0,35%, а остаточное газосодержание 0,30 см /100г Ме. Согласно рис. 3 вид кривых по снижению газосодержания и неметаллических включений близок к экспоненциальной зависимости, хорошо согласующейся с выражениями 2, 3. .

Эффективность дегазации значительно возрастает в случае повышения скорости массопереносп водорода в приграничном ламинарном слое. Это достигается, в первую очередь , разрушением оксидной пленки на поверхности рафинирующей фазы. Расчеты скорости ' при помощи критериев Шмидта и Рейнольдса показали, что она увеличивается в случае комбинированного рафинирования по схеме: инертный газ - пар галогенида. В качестве галогенида использовали гексахлорэтан в количестве 0,01 % от массы расплава, что в 40-50 раз меньше, чем по традиционной технологии рафинирования "Дегаэером". Экспериментально установлено, что в случае добавки гексахлорэтана в высокоскоростную .струю инертного газа металл получается с более высокой плотностью, равной 2,74 г/см3 и меньшей пористостью и газосодержанием, в сравнении с продувкой газообразным азотом без такой добавки. Результаты 'проведенных экспериментов показали, что наиболее эффективно удаление неметаллических включений и растворенных газов протекает р случае комби-

"Изменение содержания водорода и неметаллических включений от времени комбинированной продувки сплава 740

Рис. 3 О-О комбинированная продувка по схеме:

инертный газ - пар галогенида - хлорид но - фторидный флюс.

Д—:-А то же по схеме: инертный газ - пар

твлогетяа. д--□ продувка газообразным азотом.

нированной продувки по схеме: инертный газ - пар галогенида -хлоридно-фторидный флюс. В качестве флюса использовали подсушенную смесь солей состава: 45 КС1- 45 МаС1 - 10 К^г^ в количестве 0,25 % от массы сплава, что в 8-10 раз меньше по сравнению с обычными технологиями флюсового рафинирования. Флюс приведенного состава применяли в связи с его хорошими рафинирующими свойствами, а также высокой работой адгезии по отношению к неметаллическим включениям.

Как показано на рис. 3 остаточное содержание водорода после 5 мин продувки при - 0,3 МПа не превышает 0,16 см3/100г Ме, ' а пораженность образцов крупными неметаллическими включениями не

Качественная очистка расплава от водорода в случае комбинированного рафинирования предотвращают протекание окислительной реакции между алюминием и примесями паров воды и кислорода, неизбежно присутствующими в инертном газе. В случае образования

разрушение под воздействием активных добавок. Вычисления по формуле 6 показали, что в случае комбинированной продувки скорость

массопереноса водорода в приграничном ламинарном слое выше чем

-4

при использовании пористых вставок и составляет 4,6*10' м/с.

г г

более 0,05 мм /см .

оксидной пленки на поверхности газового пузыря происходит ее •

(6)

гд- V

- площадь межфазной поверхности, м'2 (в расчетах принято, что образующиеся пузырьки газа имеют диаметр 3 мм).

Эффективность флотации пузырьками частиц оксида алюминия, составляющих 90 % от общего количества включений, расчитывали по критерию Стокса:

9«,-А Ке>

где Ъд - радиус включений, м;

- плотность включений, кг/м"5;

- плотность расплава алюминия, кг/м ;

- критерий Рейнольдса

Пр - Уп'1п .

ке - ^ , (8)

коэффициент кинематической вязкости (для АГ-

-6 ц

0,48 10 м /с).

При этом флотация включений прекращается в случае снижения 5Ьк •0,08. В расчетах п. •представлены в табл. 1.

' ' 3

0,08. В расчетах плотность А^О^принята 3400 кг/м .-Данные

Таблица 1

Зависимость критерия Стокса от размеров включений и' пузырька

Размер включений, мкм Диаметр пузырька, мм 100 50 40 30 "20 10

3,0 0,44 0,11 0.07 0. ¿4 0,02

г,о 0,77 0,19 0,12 0,07 0,03 _ 1 '

1.0 2,16 0,54 0,34 0,19 0,09 0,02

Из табл. 1 видно, что флотирующая способность мелких частиц • жсида алюминия ухудшается по мере укрупнения пузырей. ' Если пу-шрьками диаметром 3 мм невозможна флотация включений менее 50 км, то для пузйрьков диаметром 1,0 мм эта величин!снижается до :0 мкм. Более мелкие частицы при этом следуют по линиям тока и ix. столкновение с пузырьком затруднено. Экспериментально уста-овлено, что при комбинированной продувке поршневого сплава КС 40 по схеме: инертный газ-пар. галогенида-хлоридно-фторидный люс происходит эффективное удаление (до 75Х) включений размером -10 мкм. Это объясняется наличием солевой пленки флюса на по-ерхности газового пузыря. • В этом случае дЬстаточно сближения глких включений с пузырьком на расстояние' 10-100 нм, после чего

они легко преодолевают расклинивающее давление тонких слоев металла и самопроизвольно переходят во флюс в силу различий в смачиваемости контактирующих фаз.

Расчеты показали, что солевая пленка флюса на поверхности газовой фазы в 6-8 раз повышает'работу адгезии включений к пузырьку.

Wa(n) = Wü[Г] - (Jm СО$Вм-п<р - 6mCQ$ 8м-£'(д) пф-ft

. где - работа- адгезии включения и флюса в газообразной

среде, Дж/м2; бм - поверхностное натяжение расплава, н/м; 9 м-nq?j 0М-В - краевые углы смачивания включения и пленки флюса металлом.

"При этом практически исключается отрыв частиц и их повторное замешивание в жидкий металл.

.В работе установлено положительное влияние динамического воздействия высокоскоростной струи газа на поршневой заэвтекти-ческий силумин КС 740. На образцах отлитых в сырую песчаную форму обнаружено измельчение кристаллов первичного кремния .со 100-140 мкм до 25-40 мкм. Это объясняется тем, что чушки сплава •КГ 740 были получены с'завода изготовителя, где они были модифицированы фосфором. Образующиеся частицы AIP, являются центрами

- . ,—--------- т —«.ч^цгдм^- • , »

'25

кристаллизации первичного кремния и склонны к образованию конгломератов, не смачиваемых расплавом алюминия. В результате динамического воздействия высокоскоростной струи конгломераты разрушаются, а частицы AIP, совместно с мелкодисперсным включениями А1д 03, равномерно распределяются в объеме расплава При этом _ создаются новые центры кристаллизации, способствующие дополнительному модифицированию первичного кремния.

з

В результате снижения содержания водорода до О,16 см /100г• Ш при комбинированной продувке сплава КС 740, эффективного удаления крупных и мелких включений, измельчения кристаллов ' первичного кремния до 25-40 мкм - достигнут заметный прирост' механических свойств сплава, в сравнении с исходным состоянием. . Испытания образцов отлитых в кокиль показали, что предел проч- ' ности возрос со 170 до 240 МПа, а относительное удлинение с 0,5 до 1,0 X.

3. Промышленное опробование технологии продувки расплава высокоскоростной струей инертного газа

В промышленных условиях высокоскоростную продувку осуществляли в ковшах емкостью 2 т через сопловую насадку с 4" соплами. Эффективность рафинирований оценивали по баллу пористости.темп-летов, вырезанных из чуиек сплава КС 740, а также по коэффициенту поракенности. •

Изменение балла пористости и коэффициента пораженности показано на рис. 4 а,б. При этом избыточное давление варьировали от 0,1 до 0,7 МПа, а максимальное время продувки составило 7 мин." Зависимости хорошо согласуются между собой, а вид кривых близок к экспоненте, соответствующий выражению 2. Анализируя

Изменение газовой пористости и коэ$$ипиентэ порэжвнности сшшвэ КС цри пропуске в 2 - тонных ковшэх

Р изб - сопэ! - 0,5 МПа

6 мин 8

Рис. 4

рис. 4 а,б можно сделать вывод, что 1 балл пористости-и низкий коэффициент пораженности достигается через 5 мин продувки расплава при избыточном давлении 0,5 МПа. Эти параметры рекомендованы как оптимальные при внедрении высокоскоростной продувки на Московском заводе алюминиевых сплавов.

Очистка расплавов от растворенных газов и неметаллических включений продувкой струей инертного газа с высокой скоростью истечения опробована также в разливочных ковшах емкостью 150' кг в условиях литейных цехов госзавода "Ижмаш". В результате многочисленных экспериментов установлено, что оптимальное время обра- ' ботки расплава составляет 3 мин, а избыточное давление 0,3 МПа Количество сопел определено равным двум при их диаметре 0,9 мм... Соблюдая указанные режимы продувки балл пористости отливок рав-' ной О по СТПЦТ 216-74 получен в каждой второй плавке. Брак поршней по газовой пористости и неметаллическим включениям исключен полностью.

На основании лабораторных и заводских исследований, а также ' решения уравнения кинетики дегазации,- установлены оптимальные параметры высокоскоростной продувки- алюминиевых расплавов в металлургических агрегатах различной вместимости.

В табл.2 показано, что оптимальные параметры высокоскоростной продувки установлены для" лабораторных тиглей, масса которых редко превышает 50 кг; разливочных ковшей и'раздаточных печей емкостью до 200 кг; транспортировочных ковшей от 200 кг до 1 т; а также для плавильных печей и транспортировочных ковшей емкостью не более 2 т. Видно, что по мере увеличения массы расплава оптимальное избыточное давление повышается с 0,3 до 0,5"МПа

Таблица 2

•Оптимальные параметры высокоскоростной продувки алюминиевых расплавов в металлургических агрегатах различной вместимости

масса Оптималь- Оптималь- Кол-во Расход Удельный

расплава, ное избы- ное время сопел, газа, расход

т точное продувки. 00,9 мм л/мин газс1.

давление. мин М^/Т

№

. до 0,05 0.3 5 1 18,6 1.9

0,05-0,2 0,3 ' 3 2 37,2 2,2-0,6

0,2.-1,0 • 0,5 3 3 85,0 1,3-0,4

1.0-2,0 0,5 5 4 114,4 0,6-0,3

При этом расход газа также возрастает с 18,6 до 114,4 л/мин, что достигается увеличением избыточного давления и количества сопел от 1 до 4. Однако удельный расход газа в пересчете на единицу массы расплава уменьшается, и для ковшей емкостью 2 т не превы-

" „ о

шает .величины 0,3 м /т. .

Установлена оптимальная добавка гексахлорэтана при проведении комбинированной продувки. Для случая лабораторных тиглей, раздаточных печей и разливочных ковшей емкостью до 200 кг ока определена равной 0,01 2L Применительно к транспортировочным •коршам и плавильным печам от 200 кг до 2т -0,005 X от-массы расплава, что значительно меньше в сравнении с традиционной тех-

нологией рафинирования "Дегазером".

При проведении комбинированного рафинирования по схеме: инертный газ-пар галогенида-хлоридно-фторидный флюс в ковшах емкостью 2 т были определены выбросы вредных выделений. Количество вводимого в инертный газ гексахлорэтана составило 0,005%, а флю- . са состава 45 НаС1-45КС1-10К^2г1^-0,4 кг/т. Пробы воздуха отбирали из- отверстия в воздуховоде вытяжной вентиляционной системы. В исследуемых пробах определяли содержание газообразных фтористых соединений в пересчете на фтористый водород, растворимых .. фторидов и хлористого водорода Результаты исследований приведе- " ны в табл. 3. • .

Количество вредных выбросов в исследуемых пробах, сравнивали

с предельно-допустимой концентрацией, которая по № не должна

3 3

превышать величины 0,5 мг/м растворимым фторидам - 1,0 мг/м ,

3

НС1 - 5,0 мг/м . Проведенные замеры показали, что превышения ПДК определяемых вредные веществ не обнаружено. Таким образом, пред-

"Э . ■

ложенная технология комбинированной дегазации позволяет умень- ' шить вредные выбросы, оздоровить окружающую среду и улучшить условия труда работающих.-

На базе проведенных исследований по высокоскоростной продувке алюминиевых расплавов разработана конструкция передвижной дегазирующей установки для осуществления рафинирования в фасоно-литейных цехах. В настоящее время установка эксплуатируется да г/з "Ижмаш •". •

2% Таблица 3.

Концентрация вредных выделений при рафинировании сплава КС 740 в 2-тонных ковшах.

Определяемое Операция" Концентрация в

вещество воздуховоде, мг/м''

Фтористые газообразные Комбинированная

соединения в пересчете продувка 0,39

на НР Снятие шл-ка 0,06

< Хлористый водород Комбинированная

' продувка 1,81

Снятие шлака 0,42

' Растворимые фториды Комбинированная

с продувка 0,45

Снятие шлака 0,21

Выводы.

1. В результате моделирования процесса высокоскоростной продувки алюминиевых расплавов инертным газом через сопла малого диаметра (0,2-1,5 мм) установлены закономерности его истечения.и взаимодействия с жидкой фазой при избыточном давлении 0,12-1,0 МЦа Найдена зависимость расхода газа и скорости его истечения от параметров дутья. Показано, что оптимальными являются сопла.

2.9

диаметром 0,7-1,0 мм,позволяющие получить развитую межфазную поверхность газа с жидкой средой с минимальными потерями давления.

г. Установлено, что при истечении высокоскоростной струи газа в. жидкость формируется газовый факел, состоящий из зоны диспергирования, зоны всплытия, барботажцого слоя и зоны вторич- _ ного замешивания газовых пузырьков^ Найдена зависимость длины зоны диспергирования от диаметра сопла и критерия Архимеда. Оценена степень дробления капель алюминия и флюса в зоне диспергирования в зависимости от критерия Вебера и пузырей газа в барбо-тажном слое о$ критерия Рейнольдса . • ' •

г Изучено влияние параметров высокоскоростной продувки на эффективность рафинирования алюминиевых расплавов. Подтвержден экспоненциальный характер степени снижения растворенных газов ' и неметаллических примесей. Установлено положительное влияние динамического воздействия высокоскоростной струи газа на поршневой заэвтектический сг ->умин КС 740,. заключающееся в дополнительном модифицировании кристаллов первичного кремния.

4. На основании экспериментальных даннйх при помогай критериев ПЬтдта и Рейнольда рассчитан коэффициент скорости массопе-реноса водорода,'показывающий его увеличение при снижении размера газовых пузырей.

. 5. Разработаны и защищены авторскими свидетельствами комбинированные способы рафинирования, заключающиеся в одновременной обработке расплава высокоскоростной струей инертного газа, парами галогенида и расплавленного флюса, вводимого в струю инертного газа На основании расчета работы адгезии и критерия Стокса предложен механизм удаления из расплава мелких включений разме-

ъо

ром 10-20 мкм при комбинированной продувке.

• 6. Разработаны конструкции сопловых насадок, установлены оптимальные параметры высокоскоростной продувки алюминиевых расплавов применительно к металлургическим емкостям вместимостью ог 0,05 до 2,0 т. На базе проведённых исследований сконструирована передвижная дегазирующая установка (УД), которая эксплуатируется на г/а "Ижмаш".

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Использование инертного газа для рафинирования алюминиевых сплавов из Вторичного сырья. /курдюмов А. В., Инкин С. Е , Белов В. Д., • Палачев . Е А. и др. Цветная металлургия,-1989,-N11,-с. 46-48.

2'. Рафинирование алюминиевых сплавов высокоскоростной продувкой инертным газом (Инкин С. Е . Белов Е Д., Палачев Е А. и др. Литейное-производство,-1992,-N2,-013-15.

3. Повышение эффективности дегазации алюминиевых сплавов продувкой инертными газами (Палачев Е А., Инкин С. Е .Белов Е Д. и др..) Литейное производство,-N3,-1992.-clO-.il.

4. А. с. N 1636464 Способ рафинирования алюминия и его сплавов: (Курдюмов А.Е .Белов Е Д., Инкин С. Е , Палачев Е А. и др:).

"5. А. с. N 1652369 Способ рафинирования алюминия и его сплавов (Курдюмов А.Е, Инкин С. Е , Белов ЕД., Палачев Е А.- и др.).

6. Разработка и внедрение технологии рафинирования алюминиевого сплава КС 740 и вторичных низкокремнистых силуминов. (Инкин

C.B., Белов В.Д., Палачев В.А. и др.). Научный руководитель KyR-дюмов A.B. Отчет о НИР; N г.p.Y 62386.-M. :МИСиС,-1090г.-100с.

7. Разработка и внедрение технологии рафинирования и модифицирования силуминов. (Инкин С.В., Белов В.Д.. Гусева В.В., Палачев В.А. и др.). Научный руководитель Курдшов A.B.' Отчет о НИР N г.p. V 65232,-М.:МИСиС,-1991г.-120с.

МОСКОВСКИЙ И1СЛП7Т СТАЛИ И СПЯАВОВ

Заказ 6 S' Ç Объем <Л о Тирах уСсу Типография ИКиС, ул.- Ордаониквдэе, 8/9