Свойства алюминия

Способы плавки алюминиевых сплавов зависят от применяемого типа печей и шихтовых материалов. Тип плавильных печей выбирают в зависимости от характера производства и назначения сплава. Плавку алюминиевых сплавов производят в тигельных печах с нефтяным, газовым и электрическим обогревом, в пламенных отражательных печах, подовых электропечах сопротивления и индукционных печах. По назначению различают печи плавильные, раздаточные и плавильно-раздаточные. Наиболее качественный металл получается при плавке в индукционных печах. В этих печах плавка идет быстро, металл получается хорошо перемешанным и менее газонасыщенным. Отражательные печи, отапливаемые газом, применяют для плавки алюминиевых сплавов в цехах заготовительного литья, а также для переплавки отходов и стружки. В фасоннолитейных цехах распространены отражательные электропечи сопротивления. Тигельные печи с различными способами нагрева применяют для плавки сравнительно небольших количеств металла (особенно они удобны как раздаточные печи). Для плавки алюминиевых сплавов применяют преимущественно металлические сварные, литые, реже кованые тигли. При плавке в металлических тиглях имеется опасность взаимодействия сплава с тиглем и загрязнение его примесями железа. Наиболее агрессивны по отношению к чугунным тиглям алюминиевые сплавы с кремнием, затем с магнием и менее с медью и цинком. Поэтому стенки тиглей перед плавкой покрывают специальными защитными красками, кроме того, подбирают составы чугуна или стали, более стойкие по отношению к алюминию. Например, серые чугуны более стойки, если в них больше графита и он находится в сильно разветвленной форме. Кремний в чугуне (как и кремний в расплаве) способствует взаимодействию металла с материалом тигля поэтому стремятся снижать содержание его в чугуне до нижнего предела, а в качестве графитизирующего элемента при выплавке используют алюминий (1,2--3,0%). Алюминий, кроме того, снижает окисляемость тигля и с наружной стороны. Содержание марганца должно быть минимальным. Высокую стойкость имеют тигли из чугуна с содержанием алюминия до 8% и с присадками хрома (0,4--1,0%), а также никеля и молибдена. алюминий химический литейный легирующий

Рекомендуются следующие общие правила приготовления алюминиевых сплавов:

1. При плавке на свежих шихтовых материалах и лигатурах в первую очередь загружают (целиком или по частям) алюминий, а затем растворяют лигатуры.

2. Если плавка ведется на предварительном чушковом сплаве или на чушковом силумине, в первую очередь загружают и расплавляют чушковые сплавы, а затем подшихтовывают сплав необходимым количеством алюминия и лигатур.

3. Сильно склонные к угару металлы, например цинк, магний, вводят в сплав в последнюю очередь, желательно под слой флюса.

4. Если шихта состоит из отходов и чушковых металлов, очередность загрузки определяется количеством составных частей шихты: в первую очередь загружают в печь и расплавляют наибольшую часть шихты. Если, однако, отходы сильно загрязнены, то лучше их вначале расплавить, дегазировать и затем загружать чушковый металл.

5. Если емкость печи и габариты шихты позволяют загружать различные ее составляющие одновременно, то вместе загружают то, что имеет близкую температуру плавления, например силумин, отходы, чушковый алюминий. Шихту подбирают с наименьшим количеством примесей для данного сплава. Укладку шихты в печь надо производить компактно, расплавление вести быстро. При загрузке в жидкую ванну твердую шихту необходимо предварительно подогревать. Шихтовые материалы и возвраты необходимо хранить в сухих и теплых помещениях. Хранение их в сырых Шихту обычно составляют из отходов и 20--60% свежих материалов, тщательно взвешивают в соответствии с расчетными данными. Расчет шихты литейных алюминиевых сплавов проводят по данным ГОСТа (по среднему или оптимальному составу). В зависимости от особенностей сплавов и требований к свойствам отливки состав одних компонентов рассчитывают по минимальному количеству, других -- по максимальному, а третьи компоненты рассчитывают по среднему количеству. Например, при расчете шихты для приготовления слитков из алюминиевых сплавов АК4, АК5, АК6 и Д16 содержание меди в сплавах берут по верхнему пределу, что способствует снижению склонности сплавов к трещинообразованию, а содержание железа, магния и кремния принимают, наоборот, по нижнему пределу, для уменьшения ликвации. Сплав АЛ4 имеет следующие пределы химического состава по ГОСТу: 8--10,5% Si, 0,25--0,5% Mn, 0,17--0,3% Mg, остальное Al. Обычно расчет ведут на содержание кремния 8,25--9,25%. Пониженное по сравнению со средним (9,25%) содержание кремния берут потому, что это способствует повышению прочности, уменьшению концентрированной усадки и ликвации сплава. Но чрезмерное понижение кремния вызывает уменьшение жидкотекучести и механических свойств, что особенно важно при литье тонкостенных деталей. Поэтому в таких случаях расчет ведут на содержание кремния 9,25%. Марганец вводят в сплав АЛ4 главным образом для устранения вредного влияния железа, но повышенное содержание марганца может вызвать сильную ликвацию. Поэтому если шихта сравнительно чистая по железу, то расчет ведут на среднее содержание марганца (0,37%), а если шихта сильно загрязненная, то количество марганца доводят до 0,45%, т. е. ближе к верхнему пределу. Особенно важно при составлении шихты сплава АЛ4 учитывать влияние магния на механические свойства этого сплава. При содержании магния на нижнем пределе сплав будет иметь пониженную прочность и твердость, но высокую пластичность. Часто при выборе оптимального состава сплава приходится учитывать одновременно влияние на свойства сплава нескольких компонентов и затем выбирать наиболее удобные их сочетания. Например, сплав Д19 (3,8--4,3% Cu; 1,8--2,3% Mg) высокие жаропрочные свойства имеет в том случае, если суммарное количество меди и магния в сплаве будет равным 6,1%, что необходимо учитывать при расчете шихты. При плавке сплава АЛ19 (4,5--5,3% Cu, 0,6--1,0% Mn, 0,25--0,35% Ti, <0,3% Fe, <0,3% Si, 0,05% Mg, остальное Al) высокие прочностные и пластические свойства получаются в том случае, когда содержание меди и марганца находятся на среднем уровне марочного состава сплава (5% Cu, 0,8% Mn,0 3% Ti, остальное Al). Любые отклонения от среднего содержания этих металлов неблагоприятно сказываются на механических свойствах. Поэтому при плавке некоторых алюминиевых сплавов (особенно многокомпонентных) приходится иногда вначале готовить из чистых металлов подготовительный сплав определенного химического состава, разливать его в чушки, анализировать состав и потом уже при условии соответствия заданному составу использовать его в качестве исходной шихты для приготовления рабочего сплава, непосредственно идущего для заливки литейных форм. Стандартные сплавы, технология плавки которых достаточно хорошо отработана, обычно готовят однократно из шихтовых материалов и сразу же заливают металл в формы. Расплавление шихты ведут форсировано, но не рекомендуется чрезмерно перегревать расплав. Если шихта мелкогабаритная, та для предохранения от чрезмерного окисления плавку осуществляют с применением покровных флюсов из смеси хлористых солей, которые загружают вместе с металлической шихтой в количестве 2--3% от массы металла. По достижении необходимого перегрева металл контролируют по технологическим пробам на газонасыщенность и загрязненность окисными включениями и в случае необходимости приступают к рафинированию и дегазации сплава. На всем протяжении плавки, начиная с подготовки шихтовых материалов, необходимо не допускать излишнего окисления и газонасыщения расплава. Для этого надо тщательно готовить к плавке шихту и очищать ее от посторонних примесей, а также держать чистыми печь и весь инструмент. Чем больше внимания и времени уделяется подготовке шихты и печи, тем меньше окислов и газов окажется в расплаве и тем легче отрафинировать расплав перед разливкой. Небрежная плавка, в том случае, когда используют загрязненную, влажную шихту, не просушивают футеровку печи (в расчете на последующую очистку расплава в результате рафинирования и дегазации в конце плавки), не дает хороших результатов, так как зачастую легче предотвратить попадание в расплав окислов и газов, чем затем освободиться от них. Практика плавки алюминиевых сплавов показывает, что существует прямая связь между количеством окисных пленок в расплаве и его газонасыщенностью. Чем больше в сплаве окисных пленок, тем выше газонасыщенность. Поэтому излишнего перемешивания расплава следует избегать, особенно если плавку ведут без покровных флюсов.

8. Назовите основные методы рафинирования алюминиевых сплавов

Изобретение относится к способам рафинирования алюминиевых сплавов от магния и может быть использовано при производстве алюминиевых сплавов из вторичного сырья. Лом алюминиевого сплава расплавляют и перегревают выше температуры ликвидуса на 150-300^oC, вводят при непрерывном перемешивании рафинирующий компонент, в качестве которого использованы оксиды металлов, входящих в состав алюминиевого сплава, а именно оксиды кремния, меди, цинка, в количестве, в 1,3-2,6 превышающем стехиометрически необходимое для окисления магния, взятые отдельно или в смеси. Оксиды взаимодействуют с магнием, который окисляется и переходит в шлак, а элемент оксида растворяется в металле, легируя его. Увеличивается скорость процесса рафинирования, создается возможность удаления магния при минимальных потерях алюминия, обеспечивается одновременно с рафинированием от магния легирование металла элементами, входящими в состав алюминиевых сплавов. 1 з.п. ф-лы, 2 табл. Изобретение относится к металлургии цветных металлов и сплавов, в частности к способам рафинирования алюминиевых сплавов от магния, и может быть использовано при производстве алюминиевых сплавов из вторичного сырья. Алюминиевые промышленные отходы образуются в больших количествах и перед разработчиками стоит задача создания метода их использования, способствующего возвращению их в производство. В настоящее время актуальной задачей является использование лома алюминиевых сплавов с высоким содержанием магния (5-10%) для получения готовых сплавов или полуфабриката с содержанием магния менее 1%, применяемого в дальнейшем для производства широкой гаммы алюминиевых сплавов. Известны способы рафинирования алюминиевых сплавов от магния путем обработки расплава флюсом, содержащим фториды алюминия, калия [1,2], хлориды меди [3]. Недостатками данных способов являются использование дорогих реагентов, низкая производительность процесса и его малая эффективность при повышенном (> 5%) содержании магния, значительные затраты на безопасное хранение экологически вредных фтор- и хлорсодержащих отходов производства.

Известен также способ рафинирования алюминиевых сплавов от магния, заключающийся в том, что на расплавленный металл загружают покровный флюс. После расплавления флюса в расплав добавляют порошок закиси меди в количестве 0,3-0,5 мас. % металла и через расплав пропускают воздух. Образующийся при этом окись магния растворяется в покровном флюсе и после окончания процесса снимается со сплава Недостатком способа является низкая степень удаления магния, а именно, максимальное количество вводимой в расплав закиси меди 0,5 мас.% обеспечивает снижение содержания магния всего на 0,17%. Кроме того, продувка воздухом приводит к значительным потерям алюминия вследствие его окисления. Наиболее близким к предлагаемому является способ удаления магния из алюминиевого сплава, состоящий из обработки магнийсодержащего сплава двуокисью кремния в количествах, превышающих количество магния по массе в расплаве в 5-25 раз (4-20 от стехиометрически необходимого). При этом двуокись кремния восстанавливается до металлического кремния, который растворяется в алюминиевом сплаве, легируя его, а магний окисляется до окиси магния, удаляемой со шлаком [5].

Реакции между сплавом и двуокисью кремния идут при непрерывном перемешивании.

Недостатки способа заключаются в следующем: 1. При обработке сплава с высоким содержанием магния использование кремнезема в количествах, предлагаемых прототипом, приводит к значительным потерям алюминия, например, при содержании магния в сплаве 7% избыток кремнезема в 4-20 раз более стехиометрически необходимого приводит к окислению алюминия в количестве 11,5-78% соответственно, что существенно снижает экономическую эффективность процесса рафинирования. 2. Рафинирование сплавов ведется при низких температурах 620-710^oC, что снижает производительность процесса, так как реакции окисления протекает медленно, снижается эффективность процесса. 3. Известный способ может быть использован только для получения продукта, используемого в дальнейшем для приготовления сплавов со значительным содержанием кремния. Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является удаление при минимальных потерях алюминия, обеспечение высокой производительности процесса, а также обеспечение возможности использования полученного готового сплава полуфабриката для производства широкой гаммы алюминиевых сплавов. Для решения поставленной задачи в способе рафинирования алюминиевых сплавов от магния, включающем обработку сплавов рафинирующим компонентом при непрерывном перемешивании, согласно изобретению, обработку оксидами металлов, являющихся компонентами алюминиевых сплавов, взаимодействие которых с магнием происходит при отрицательном значении изобарно-изотермического потенциала восстановительных процессов, а именно оксидами кремния, цинка, меди, взятыми отдельно или в смеси в количестве, превышающем стехиометрически необходимое, для окисления магния в 1,3-2,6 раза. Обработку ведут при начальной температуре сплава, на 150-300^oC превышающей температуру ликвидуса. Использование в качестве рафинирующего компонента оксидов, являющихся компонентами алюминиевых сплавов, а именно оксидов кремния, меди, цинка, позволяет осуществлять рафинирование от магния одновременно с легированием. Указанное количество вводимого компонента обеспечивает максимальную скорость удаления магния при минимальных потерях алюминия. При количестве оксидов, взятых менее 1,3 к стехиометрически необходимому, наблюдается существенное снижение скорости процесса - уменьшение содержания магния в единицу времени. При избытке оксидов более 2,6 скорость процесса не возрастает, а увеличиваются окисление алюминия и его потери. При температуре перегрева менее 150^oC производительность процесса снижается из-за замедления реакции окисления магния. Повышение температуры перегрева более 300^oC не приводит к заметному увеличению скорости процесса.

Способ осуществляют следующим образом.

Лом алюминиевого сплава с содержанием в сплаве от 5 до 10% магния расплавляют и перегревают на 150-300% выше температуры ликвидуса. Вводят рафинирующий компонент, в качестве которого используются оксиды металлов, являющихся компонентами алюминиевых сплавов, взаимодействие которых с магнием происходит при отрицательном значении изобарно-изотермического потенциала восстановительных процессов, например, оксиды кремния, цинка, меди, взятые отдельно или в смеси, в количестве, превышающем стехиометрически необходимое для окисления магния в 1,3-2,6 раза. Оксиды или их смесь вводят в виде дисперсных порошков крупностью менее 0,5 мм. Одновременно осуществляют перемешивание рафинирующего компонента с расплавом известными методами (механическое, электромагнитное перемешивание и др.). Идет взаимодействие оксидов с магнием, последний окисляется и переходит в шлак, а элемент оксида растворяется в металле, легируя его. По окончании процесса удаляется шлак и металл разливается в изложницы. В примерах 1-9 приведены экспериментальные данные по влиянию на эффективность удаления от магния количества рафинирующего компонента и температуры перегрева сплава перед его введением в сплав. В тигельной печи сопротивления расплавляли 105 кг алюминиевого сплава, содержащего 7,3 мас.% магния. В примерах 1-7 (табл.1) в качестве рафинирующего компонента использован молотый кварцит фракции менее 0,3 мм с содержанием двуокиси кремния более 97%.

При сравнении плавок NN 1,2 видно, что увеличение температуры перегрева сплава перед введением кварцита при его неизменном количестве привело к снижению содержания магния на 2% и повышению скорости процесса с 0,52 до 1,4%/ч. Увеличение количества рафинирующего компонента от стехиометрически необходимого в плавке N 2 до 1,3 в плавке N 3 при неизменной температуре перегрева 150^oC привело к повышению скорости процесса с 1,4 до 2,32 %/ч. Повышение температуры перегрева от 150^oC в плавке N 3 до 300^oC в плавке N 4 при неизменном избытке рафинирующего компонента 1,3 повышает скорость процесса с 2,32 до 3,54 %/ч. Увеличение избытка двуокиси кремния до 2,6 в плавке N 5 по сравнению с 1,3 в плавке N 4 при неизменной температуре перегрева 300^oC дает дальнейшее повышение скорости процесса с 3,54 до 4,25 %/ч. Дальнейшее увеличение избытка количества двуокиси кремния до 3 в плавке N 6 по сравнению с2,6 в плавке N 5 при неизменной температуре перегрева практически не влияет на скорость процесса - 4,07 и 4,25 %/ч соответственно и приводит к дальнейшему повышению содержания кремния за счет восстановления двуокиси кремния алюминием. Увеличение перегрева сплава до 350^oC в плавке N 7 при избытке рафинирующего компонента 1,3 по сравнению с плавкой N 4 (перегрев 300^oC, избыток количества SiO₂ - 1,3) влияет на скорость процесса незначительно - 3,34 и 3,54 %/ч соответственно, одновременно приводя к увеличению угара алюминия. В табл. 2 приведены примеры использования в качестве рафинирующего компонента смеси оксидов кремния и цинка (плавка N 8) и смеси оксида кремния и меди (плавка N 9), которые подтвердили эффективность удаления магния с одновременным легированием сплава цинком и медью. Преимущества заявляемого технического решения по сравнению с прототипом следующие: увеличение скорости процесса с 0,5 %/ч (в прототипе) до 3-4 %/ч (по заявляемому решению); удаление магния при минимальных потерях алюминия; осуществление одновременно с рафинированием от магния легирования металла элементами, входящими в состав алюминиевых сплавов, что ведет к снижению затрат на шихтовые материалы; обеспечение возможности использования получаемого готового сплава полуфабриката для производства широкой гаммы алюминиевых сплавов.

Формула изобретения

1. Способ рафинирования алюминиевых сплавов от магния, включающий обработку расплава рафинирующим компонентом при непрерывном перемешивании, отличающийся тем, что в качестве рафинирующего компонента используют оксиды металлов, входящих в состав алюминиевых сплавов, взаимодействие которых с магнием происходит при отрицательном значении изобарно-изотермического потенциала восстановительных процессов, в количестве, в 1,3 2,6 раза превышающем стехиометрически необходимое для окисления магния, и обработку расплава ведут при его начальной температуре на 150 300^oС выше температуры ликвидуса.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рафинирующего компонента используют оксиды кремния, меди или цинка, взятые отдельно или в смеси.

Размещено на Allbest.ru