CC BY
374
Трусов В.А., Вершинин Н.Н., Трусов В.В., Макаров В.В. Грузин Д.П.
Пензенский государственный университет
ФЛЮСЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Высокая экономическая эффективность использования вторичных алюминиевых сплавов взамен получаемых из рудного сырья, связанная с относительно низкими удельными капитальными вложениями, эксплуатационными расходами и энергозатратами, предопределила опережающее развитие вторичной металлургии . Действительно , на выпусксплавов из лома и отходов при производстве алюминия расходуется в 25-30 раз, а при производстве сплавов на основе меди в 5-9 раз меньше энергии, чем в первичной металлургии [1] . В последние несколько лет происходят заметные изменения в металлургии вторичного алюминия в России. Если в 90-е годы всё вторичное алюминиевое сырьё использовалось для производства литейных сплавов и чушковых раскислителей для чёрной металлурги (85 - 90 %), то сейчас начато производство профилей строительного назначения, электротехнической катанки и поршней для автомобильной промышленности, в небольших объёмах фасонного литья. Но такая замена первичных алюминиевых сплавов становится возможной, если качество вторичного алюминия не уступает первичному металлу. Как правило, для очистки вторичных алюминиевых сплавов применяют флюсовое рафинирование. Важнейшая задача любого металлургического процесса — наибольшее извлечение металла. Флюсовое рафинирование очищает при плавке вторичные алюминиевые сплавы, обеспечивает более полное извлечение металла из шлака. При плавке алюминия задачаизвлечения металла осложняется легкой окисляемостью и необратимостью реакции окисления алюминия. Переплавка же лома и отходов алюминия затрудняется еще и тем, что вторичное сырье загрязнено землистыми примесями, маслом, влагой, различными приделками, ухудшающими условия извлечения металла. Потери металла при плавке алюминия можно разделить на химические (окисление, взаимодействие с азотом, углеродом и т. д.) и физические (потери металлического алюминия со шлаками, приделками и др.).
Скорость и степень окисления лома зависят от температуры, продолжительности плавки, размеров частиц переплавляемого металла, химического состава, состояния поверхности и наличия примесей. Окисление алюминия прямо пропорционально температуре и времени, причем роль последнего преобладающая. Поэтому режим плавки будет оптимальным при соблюдении принципа — плавить горячо и быстро. При плавке лома и отходов металл окисляется больше всего в период, предшествующий расплавлению, когда температура высокая, а поверхность большая. Расплавленный металл может иметь более высокую температуру, но образование жидкой ванны резко уменьшает его поверхность, которая к тому же прикрыта флюсом.Жидкий металл окисляется очень быстро, а перемешивание его только ускоряет процесс. Плотность оксида алюминия несколько больше плотности жидкого алюминия, но благодаря поверхностному натяжению она удерживается на поверхности жидкого металла. Однако по мере утолщения и утяжеления оксидной пленки отдельные ее куски отрываются и остаются в жидком металле или оседают, в результате чего происходит зарастание подины и стенок печи. Взвешенная в жидком металле оксидная пленка ухудшает его механические и технологические свойства, снижая предел прочности, увеличивает загазованность металла и ухудшает процесс механической обработки деталей.При плавке стружки и других мелких отходов прочные оксидные пленки препятствуют слиянию капель жидкого металла и на поверхности металла образуется пенообразная масса. Если последнюю массу удалить из ванны, то на воздухе она быстро окисляется с вылением большого количества тепла, которое добела раскаляет съемы, и при этом весь металл окисляется.
На извлечение металла оказывает влияние и суммарная поверхность металла, а также ее состояние и засоренность. Поверхность окисления будет тем больше, чем мельче размеры переплавляемых кусков металла и чем больше в нем трещин. Блестящая поверхность холоднокатаного листа окисляется меньше, чем окисленная шероховатая поверхность отливки. Поэтому при плавке стружки и съемов получается наименьшая степень извлечения металла, которая еще больше снижается при наличии влаги и масла.Обрезки, вы-штамповка и другие отходы менее подвержены окислению, чем съемы и стружка, но наличие на них приде-лок, краски, различных покрытий снижает степень извлечения металла. Последнюю можно повысить при соответствующей подготовке сырья к плавке — уменьшив засоренность и снизив удельную его поверхность, т.е. отношение поверхности к его объему.Удаление масла, влаги, краски, железных и других приделок — часто дорогостоящая операция, но она способствует большему извлечению металла. Снижение содержания влаги с 10% до нуля повышает выход металла на 1,6% и примерно также влияет на извлечение металла и содержание масла. Резко увеличивает степень извлечения металла и обогащение съемов простое грохочение. Так, при плавке съемов с содержанием металла 50 % удается извлечь только половину этого количества, а при содержании в съемах 70 % металла извлечение его вырастает до 80 %. Пакетирование отходов примерно на 3 % повышает извлечение металла.Большое влияние на извлечение металла оказывает и ход
плавки. При плавке отходов и листового лома могут быть большие потери металла, если не защитить поверхность его от окисления. Этого можно достичь изменением атмосферы в печи и путем ведения плавки в жидкой ванне. В печи может быть создан вакуум, инертная, восстановительная или неменяющаяся атмосфера. Наиболее благоприятна плавка в атмосфере инертного газа (аргон, азот) или вакуума, что, однако, очень осложняет плавильное оборудование и его обслуживание. Восстановительная атмосфера может быть получена в результате неполного сгорания топлива в рабочем пространстве печи, но при этом алюминий сильно насыщается водородом, а извлечение повышается ненамного. Неменяющаяся атмосфера тигельной печи благоприятствует уменьшению потерь металла, и в настоящее время это наилучший путь повышения эффективности плавки. Широкое распространение за рубежом в последние годы получила плавка отходов в жидкой ванне расплавленного металла с флюсами — роторные печи.
Повышению извлечения металла способствует применение флюсов, особенно при плавке стружки и других мелких отходов. Способ введения флюсов мало влияет на степень извлечения металла, а увеличение их количества положительно сказывается на выходе, однако при этом снижается производительность печи и создается дополнительная загазованность в цехе. Расход флюса зависит от типа используемой печи, вида перерабатываемого сырья и степени подготовки флюса. В среднем расход флюса в электрических тигельных печах составляет 2 % от массы металла, в пламенных печах — 8, а в роторных печах — до 18 %. При плавке плотного лома расход флюсов снижается.
Большее влияние на извлечение металлов оказывает степень подготовки флюсов. Наличие во флюсах влаги увеличивает окисление металла. Во вторичной металлургии алюминияиспользуют флюсы:
- для очистки расплава от неметаллических и газовых включений;
- для модифицирования жидкого металла;
1
- для снижения содержания алюминия в шлаке и предотвращения окисления алюминия во время плавления ;
- для очистки алюминиевого сплава от магния;
- для плавки шлаков, банки, стружки в роторных печах.
По Российским и зарубежным даннымк 2015-2020г.г. значительно увеличится доля легковесного скрапа: упаковочная фольга, банки для напитков, тонкостенные профили и т.д., а доля алюминиевых деформируемых сплавов с повышенным содержанием магния в ломах и отходах алюминия составит 60-70%. Поэтому проблема рафинирования вторичных алюминиевых сплавов от избыточного магния, который поступает с ломами деформируемых сплавов будет оставаться и дальше актуальной.Эту актуальную проблему решают комплексно следующими методами спомощью флюсов: рафинированиемот Mg, рафинированием от A12O3 и Н2,покровная обработка шлака, модифицирование эвтектики , Al-Si сплавов.
Для проведения экспериментов использовались: роторная печь ёмкостью 1.5 тонныи ванная газоваяпечь отражательного типа ёмкостью 3 тонны[2].Существенно отметить, что в газовой ванной отражательного типа печи ёмкостью 3 тонны использовался запатентованный механизм подъёма и опускания заслонки печи [3].Производилось рафинирование алюминиевого сплава марки АК5М2 ГОСТ 1583-93 от избыточного Mg флю-сом«Экораф-3» и флюсом разработанным авторами статьи.Во всех проводимых экспериментах количество Mg в жидком сплаве находилось в пределах 1,2-1,4%.
Самым распространённым методом удаления магния является обработка расплава криолитом в смеси с хлоридами натрия и калия. Удаление магния из алюминиевого расплава устойчиво и стабильно протекает по известной реакции:
2Na3AlF6 + 3Mg = 6NaF + 3MgF2 + 2Al
По стехиометрическому расчету реакций для удаления I кг магния требуется 5,8 кг Na3AlF6. На практике расход криолита возрастает до 12 - 14 кг / 1 кг Mg (при концентрации магния до 0,3 %), температура обработки 800 - 850°С. Следует отметить, что расход криолита возрастает при неэффективном замешивании криолита в расплавленном металле, а так же не правильным выборомтемпературы и времени рафинирования.
Рафинирование флюсом «Экораф3» вторичного алюминиевого сплава АК5М2 для получения чушек по ГОСТ массой 15 кг производилась в роторной печи ёмкостью 1,5 тонны. Начальное содержание в расплаве Mg составляло 1,3%. После 7 минут перемешивания флюса в жидком металле концентрация Mg составляла 0,66%, спустя ещё 15 минут концентрация Mg составляла 0,47%, перемешивание ещё в течение 45 минут дал результат 0,3%. Дальнейшее перемешивание флюса в расплаве в течение часа снизил концентрацию Mg только на 0.09%. Рафинирование флюсом, разработанным авторами вторичного алюминиевого сплава АК5М2 для получения чушек по ГОСТ массой 15 кг производилась в ванной газовой печи отражательного типа ёмкостью 3 тонны. Начальное содержание в расплаве Mg составляло 1,26%. После 7 минут перемешивания флюса в жидком металле концентрация Mg составляла 0,7%, спустя ещё 15 минут концентрация Mg составляла 0,51%, перемешивание ещё в течении 45 минут дал результат 0,33%. Дальнейшее перемешивание флюса в расплаве в течении часа снизил концентрацию магния на 0,1%.
Из приведённых данных видно, что в основном рафинирование происходит впервые7 - 30 минут, далее идёт постепенное снижение концентрации, которое практически останавливается примерно на 60-70 минуте от начала рафинирования.Как правило, предприятия постоянно используют флюсы для рафинирования от Mg при выплавке алюминиевых сплавов, поставляемых за рубеж. Кстати сказать, ООО «Ресурсы Поволжья», ООО «Эком», ООО «Промышленное литьё» г. Пенза для поставки за рубеж сплавов DiN 226, DiN 231, ADC 12 использовали для рафинирования от Mg в трёхтонных патентованных ванных печах отражательного типа флюс «Экораф 3», при этом содержание Mg доводили до 0,25-0,3%.
На тех же печах выплавлялся сплавАК7 ГОСТ 1583-93и исследовалась зависимость расхода флюса «Экораф 3» и флюса, разработанного авторамиот температуры. Рафинирование флюсом «Экораф3» вторичного алюминиевого сплава АК7 для получения чушек по ГОСТ массой 15 кг производилась в роторной печи ёмкостью 1,5 тонны.Рафинирование флюсом,разработанного авторами вторичного алюминиевого сплава АК7 для получения чушек по ГОСТ массой 15 кг производилось в ванной газовой печи отражательного типа ёмкостью 3 тонны. Исследованияобработки флюсамижидкогосплава проводились в интервалах температур 700-850°С. Результаты работ приведены на рисунке 1.
1-кривая зависимости расхода флюса «Экораф- 3»; 2-кривая зависимости расхода флюса авторов статьи.
Рисунок 1. Зависимость расхода флюса «Экораф - 3» и флюса авторов статьи от температуры
Первая кривая зависимости расхода флюса от температуры имеет вид вогнутой кривой. Очевидно, что наиболее меньший расход флюса наблюдается в диапазоне температур 750 - 790°С. Вторая кривая расхода флюса от температуры напоминает первую, причем меньший расход флюса происходит, если рафинирование происходится в интервале температур740-800°С. Анализируя графики отмечаем, что увеличение расхода флюсовпроисходит, когда температура жидкого металла недостаточна высока или притемпературе более 820°С, когда происходит испарение флюса. После 830°С снова идёт снижение расхода, однако, скорее всего это связано с дополнительным выгоранием магния при высоких температурах. Также следует отметить, что после 10 - 15 минут замешивания флюса в расплав, температура расплава в печи падает на 30 - 50°С, следовательно, на момент начала рафинирования температура расплава в печи должна быть в диа-
2
пазоне 750 - 780°С. В среднем можно сказать, что при выключенных горелках, открытом окне и интенсивном промешивании расплавакаждую минуту расплав теряет 2 - 3 °С.
Далее, скорость химической реакции зависит не только от температуры,но и от концентрации веществ. Практикапоказала, что при повышении температуры на 10°С скорость химической реакции возрастает в 2 - 4 раза. Из закона действующих масс следует, что скорость химической реакции возрастает с повышением концентраций веществ, участвующих в реакциях, поэтому при повышении содержания магния в алюминиевом расплаве практический расход уменьшается, приближаясь к стехиометрическому расходу (рис.
2) .
1-кривая зависимости расхода флюса «Экораф- 3»; 2-кривая зависимости расхода флюса авторов статьи Рис. 2. Зависимость расхода флюса «Экораф - 3» и флюса авторов статьи от концентрации
Вероятность столкновения молекулы активного реагента (АР) с молекулой магния возрастает при увеличении концентрации Mg. Если в определённом объёме содержится только по одной молекуле АР : Mg = 1 : 1, то вероятность их столкновения равна 1. Однако, это вероятность возрастает за тот же промежуток времени в десять раз, если отношение АР : Mg = 10 : 1. Повышение числа столкновений молекул АР и Mg
приводит к возрастанию скорости реакции и снижению практического расхода флюса. При выборе флюса для рафинирования алюминия от магния правильно учитывать не только расход флюса, время рафинирования и температуру при которой наиболее устойчиво проходит реакция взаимодействия магния с АР, но и необходимость дополнительного использования хлористых солей (смесь NaCl : KCl = 1 : 1), а так же шлакооб-
разование, которое происходит в процессе рафинирования.Чем больше Кшл (отношение шлака к загруженному флюсу), тем больше потерь алюминия в процессе рафинирования, как в виде алюминия металлического снятого вместе со шлаком после обработки расплава флюсом, так и в виде оксида алюминия. Окисление алюминия происходит как в процессе контакта с воздухом в процессе перемешивания, так и в результате окисления кислородом при использовании натрий содержащих флюсов, где натрий является катализатором окислительных процессов. В настоящее время для получения качественных сплавов применяют роторные печи с неподвижной и наклоняющейся осью. Кроме рассмотренных выше флюсов нашёл широкое применение для получения качественных алюминиевых сплавов флюс производства компании «Стройбис - ХХ1»марки «ФПК - 5». При выборе флюсов для плавки алюминия необходимо руководствоваться не только принципами достаточности, как это зачастую бывает, но и принципами эффективности и целесообразности и сознательно управлять процессами плавки алюминия.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шкляр М.С. Печи вторичной цветной металлургии. М. Металлургия, 1987.
2. Трусов В. А. Патентна изобретение №2361161 «Отражательная печь для переплава металла». Опубликовано 10.07.2009. Бюл. №19.
3. Трусов В.А. Патент на изобретение №2324881 «Устройство для подъёма и опускания заслонки печи». Опубликовано 20.05.2008. Бюл. № 14.
3
