Способ рафинирования алюминия и его сплавов

 

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано в цветной металлургии для очистки алюминия и его сплавов от водорода, натрия и неметаллических включений. Сущность способа: предполагает подачу под уровень рафинируемого металла расплава рафинирующего реагента, вспенненного газом, вытеснение пеной области расплава металла, прилегающей к области подачи рафинирующих реагентов, и увеличение давления в пене до величины, соответствующей барботажу газа в пузырьковом режиме. В качестве рафинирующих реагентов используется либо расплав рафинируемого металла, либо расплав галоидных солей щелочных и щелочноземельных металлов. Способ позволяет производить очистку от водорода до 0,06cм³/100г , от натрия до 0,0001 мас.%, от неметаллических включений до 0,0001 мас.%. 2 з.п. ф-лы. 1 табл.

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано для очистки алюминия и его сплавов от водорода, неметаллических включений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ рафинирования сплавов на основе алюминия, включающий подачу расплава металла в емкость с расплавом флюса, перемешивание расплавов металла и флюса с одновременной продувкой инертным газом и последующим отделением металла от флюса, где расплав флюса перед подачей в него расплава металла продувают инертным газом. При этом происходит более полная проработка массы металла за счет дробления флюсовой ванны на отдельные капли и флюсогазовые пузыри.

Однако такой способ обработки существенно снижает производительность процесса рафинирования и, кроме того, степень рафинирования недостаточно высока, так как не весь расплав флюса переходит в флюсогазовые пузыри, обеспечивающие большую площадь контакта металл-рафинирующий реагент. Велик расход флюса, что повышает себестоимость процесса.

Для повышения эффективности рафинирования и снижения себестоимости процесса в предлагаемом способе рафинирования алюминия и его сплавов, включающем одновременную подачу под уровень расплава металла рафинирующих реагентов в виде газа и расплава, расплав рафинирующего реагента предварительно вспенивают рафинирующим газом, вытесняют пеной прилегающую к области подачи область расплава металла, а затем увеличивают давление в пене до величины, соответствующей барботажу газа в пузырьковом режиме.

При этом в качестве жидкого рафинирующего реагента используют расплав рафинируемого металла или расплав галоидных солей щелочных и щелочно-земельных металлов.

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Осуществляется предварительная подготовка расплава рафинирующего реагента, заключающаяся в его вспенивании рафинирующим газом и подаче пены под уровень расплава рафинируемого металла.

Такое решение принципиально отличается от технологии по прототипу, где расплав флюса, до заливки в него металла, продувают инертным газом и продолжают продувать после заливки металла в течение всего цикла рафинирования. При этом обеспечивают пузырьковый режим барботажа.

Продуваемый газом расплав флюса и вспененный расплав рафинирующего реагента находятся в принципиально различных физических состояниях, отличающихся степенью дисперсности фаз и пористостью. Кроме того, пена обладает структурой и на порядок большей вязкостью.

Например, металлическая или солевая пена, полученная из расплава, обладает пористостью 90% при заданной дисперсности пор, что невозможно получить продувкой газа.

Предварительное вспенивание расплава рафинирующего реагента, например расплава рафинируемого металла или расплава галоидных солей щелочных или щелочноземельных металлов, рафинирующим газом (нейтральным, инертным или активным) позволяет получить высокодисперсную пену заданных параметров (диаметр пузырьков 1-2, 2-3, 5-7, 2-8 мм) при пористости 90%.

Устройством для вспенивания служит турбовинтовой движитель специальной конструкции. Таким образом, получают высокодисперсную пену из жидкого рафинирующего реагента и рафинирующего газа. Далее вспененный рафинирующий реагент подают под уровень расплава рафинируемого металла и вытесняют пеной прилегающую в области подачи область расплава металла. Очевидно, для этого необходимо формировать пену при статическом давлении, превышающем сумму атмосферного и металлического давлений для данной области подачи. Объем формируемой подуровневой области пены создают достаточным для устойчивого его осуществления и эффективной обработки расплава.

На начальном этапе процесса статическое давление в пене рафинирующего реагента создают ≈ 10 кПа, для вытеснения требуемой области расплава и формирования эффективного подуровневого объема пены без барботажа газа сквозь слой сплошного расплава металла.

Процесс формирования требуемой области пены занимает 0,5-3 с, высокая вязкость пены компенсирует ее избыточное давление и барботаж исключен. Далее увеличивают статическое давление в пене, в процессе ее формирования, до величины, соответствующей барботажу газа в пузырьковом режиме. Обычно величину давления выбирают 20-100 кПа в зависимости от глубины области формирования пены.

Высокодисперсная (регулируемая по дисперсности) пена рафинирующего реагента, насыщенная рафинирующим газом, позволяет обеспечить высококачественное рафинирование расплава алюминия от водорода, неметаллических включений и щелочных металлов с большей степенью очистки, чем технология "Альпур" с вращающимся диспергатором газа и метод по прототипу.

Повышенная эффективность предлагаемого способа объясняется более высокой газонасыщенностью расплава, регулируемой дисперсностью пузырьков и высокой вязкостью пены.

В качестве рафинирующего газа применяют нейтральный (азот), инертный (аргон) или активный (хлоразотную смесь) в зависимости от задач рафинирования.

Для практических целей целесообразно применять в качестве жидкого рафинирующего реагента расплав рафинируемого металла в количестве 2% от массы подлежащего рафинированию металла.

Часть металлического расплава направляют для вспенивания в специальное устройство с использованием, например, азота или аргона. Алюминиевую пену, уже рафинированную в процессе получения, направляют под уровень расплава рафинируемого металла, вытесняют часть объема расплава с образованием подуровневой области пены, затем увеличивают статическое давление в пене при ее приготовлении до величины, достаточной для барботажа пузырьков пены через слой рафинируемого металла. Вследствие высокой вязкости пены и заданного статического давления создается стабильный пузырьковый режим барботажа с очень высокой регулируемой насыщенностью барботирующими пузырьками области рафинируемого расплава, до 90%. Кроме того, наличие в рафинируемом металле пузырьков с оболочкой из уже очищенного металла ускоряет процесс диффузии водорода в пузырьки и захват неметаллических включений. Этот вариант технологии наиболее просто и дешево осуществить.

Второй вариант технологии, где в качестве жидкого рафинирующего реагента используют расплав галоидных солей щелочных и щелочноземельных металлов, обеспечивает еще более высокую степень очистки, но технологически более сложен, чем первый, и осуществляется с меньшей производительностью, так как необходим дополнительный процесс очистки рафинированного расплава от капелек солевого флюса, например, отстаиванием или вылюраживанием. При использовании расплава солевого флюса его вспенивают газом в аналогичном, как для вспенивания металлов, устройстве и подают солевую пену под уровень расплава рафинируемого металла с образованием подуровневой области пены. Далее увеличивают давление в пене до величины, достаточной для барботажа газа, капелек флюса и флюсогазовых пузырей через слой рафинируемого расплава.

Повышенная эффективность этого варианта технологии объясняется большей дисперсностью газовых пузырьков, которые легче образуются в расплаве флюса и дробятся при переходе из флюса в расплав металла, наличием высокодисперсных капель флюса, образующихся при разрушении пены, образованием флюсогазовых пузырей, ускоряющих процесс диффузии водорода в пузырьки, и захват неметаллических включений. По сравнению с известными решениями здесь обеспечена несравнимо более высокая дисперсность пузырьков газа и капель флюса.

Вращающийся элемент конструкции вынесен за пределы ванны расплава, а при использовании расплава флюса технология допускает более высокую производительность, чем в процессе по прототипу. Высокая эффективность рафинирования влечет и более низкую себестоимость технологии. При практическом осуществлении предлагаемого способа рафинирования алюминия, в общем случае, расплав рафинирующего реагента подают в дозатор и камеру смешивания с разреженным рафинирующим газом, где турбовинтовой движитель специальной конструкции осуществляет вспенивание рафинирующего реагента (диспергированием с непрерывным сжатием смеси) и подачу пены при требуемом избыточном давлении под уровень расплава рафинируемого металла с обеспечением пузырькового режима барботажа газа и капель жидкого рафинирующего реагента в процессе регулируемого разрушения подуровневой области пены.

Предлагаемый процесс может быть осуществлен в полунепрерывном или непрерывном режиме, непосредственно в процессе литья, в транспортном ковше или в печи.

П р и м е р. В лабораторных условиях проводили рафинирование алюминия технического по предлагаемому способу. Исходный алюминий содержит в среднем следующие примеси: водород 0,19 см³/100 г, неметаллические включения (Al₂O₃ ≈ 0,001 мас.%), Na ≈ 0,005 мас.%.

Осуществляли рафинирование расплава алюминия в нескольких вариантах.

1). С использованием в качестве жидкого рафинирующего реагента расплава рафинируемого металла, т. е. того же алюминия технического, а в качестве рафинирующего газа - азота повышенной чистоты (ГОСТ 9293-74) в одном случае и хлоразотной смеси с объемным содержанием хлора 4% в другом случае.

2). С использованием в качестве жидкого рафинирующего реагента расплава флюса состава (NaCl - 42%, KCl - 50,6%, Na₃AlF₆ - 7,4%), а в качестве рафинирующего газа - азота повышенной чистоты в одном случае и хлоразотной смеси с объемным содержанием хлора 4% в другом случае.

Расход жидкого рафинирующего реагента 8 кг, т.е. 2% от массы металла в тигле, составляющей 400 кг, расход газа до 2,5 л в минуту.

Глубина подачи рафинирующей пены 400 мм (на границу расплав - днище тигля). Превышение статического давления в пене над суммой атмосферного и металлостатического давлений 40-50 кПа.

Расплав рафинирующего реагента вспенивали газом (пористость пены 90%, интервал дисперсности пузырьков 1-2 мм) в турбовинтовом вспенивателе, откуда пену при требуемом статическом давлении (40 кПа) подавали под уровень рафинируемого расплава на границу расплав - днище тигля с вытеснением пеной, прилегающей к области подачи области расплава алюминия. При получении объема пены в подуровневой области, охватывающей 80-90% горизонтального сечения массы рафинируемого расплава (определяли по характеру барботажа газа), увеличивали статическое давление в пене при ее приготовлении до величины, соответствующей барботажу газа и капель из пены в оптимальном режиме.

После 10-12 мин обработки расплава прекращали подачу пены. Контролировали газосодержание и дисперсность подаваемой пены, ее статическое давление, визуально характер барботажа газа, степень вытеснения расплава, содержание примесей в рафинируемом расплаве, водорода методом первого пузырька, неметаллических включений (Al₂O₃) химическим методом, Na-методом эмиссионной спектрофотометрии.

Результаты представлены в таблице.

Из анализа данных, представленных в таблице, следует, что газосодержание, содержание неметаллических включений и содержание натрия в образцах, обработанных по предлагаемому способу, существенно ниже показателей при использовании известного решения, не уступает по эффективности другим известным техническим решениям при более низкой себестоимости процесса.

Формула изобретения

1. СПОСОБ РАФИНИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ, включающий одновременную подачу под уровень расплава металла расплава рафинирующего реагента и газа, отличающийся тем, что расплав рафинирующего реагента предварительно вспенивают рафинирующим газом с последующим увеличением давления в пене до величины, соответстующей барботажу газа в пузырьковом режиме.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рафинирующего реагента используют расплав рафинируемого металла.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рафинирующего реагента используют расплав галоидных солей щелочных и щелочноземельных металлов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2