Способ получения алюминиевого сплава

 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к технологии приготовления алюминиевых кремнийжелезосодержащих сплавов. В предлагаемой технологии, включающей подачу и растворение в жидком алюминии расчетного количества легирующих компонентов в виде сплава, в алюминий подают жидкую и/или твердую лигатуру, приготовленную из алюминия и ферросилиция. Техническим результатом изобретения является снижение энергозатрат на приготовление сплава, повышение его физико-механических характеристик, более полное усвоение легирующих элементов.

Предлагаемое изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано при приготовлении алюминиевых деформируемых сплавов.

Традиционная технология получения алюминиевых сплавов включает загрузку и растворение в алюминиевой основе, как правило, расплаве технического алюминия, легирующих элементов. При приготовлении алюминиевых кремнийсодержащих сплавов кремний загружается в расплав в виде дробленого кристаллического кремния. К недостаткам данной технологии следует отнести значительные потери кремния (фракция менее 3 мм практически не усваивается), низкая однородность состава сплавов, механические свойства не высоки.

Известен способ получения алюминиево-кремниевых сплавов и устройство для его реализации, в которых в расплавленный алюминий заливают расплавленный кремний и осуществляют перемешивание по всему объему турбулентными потоками инертного газа, периодически меняя давление от 0,2 до 0,6 атм (Пат. РФ 2025526, С 22 С 1/02, 1994г.).

Недостаток известного решения - значительный "угар" алюминия при заливке в него кремния, имеющего температуру до 1750^oС, кроме того, для реализации технологии необходимо достаточно сложное оборудование.

Известна лигатура для выплавки алюминиевых сплавов, содержащая кремний, марганец, хром, железо и алюминий, которая содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: Кремний - 10-14 Марганец - 14-18 Хром - 8-12 Железо - 9-13 Алюминий - Остальное (А.с. СССР 1073316, С 22 С 35/00, 1984г.).

Технология приготовления этой лигатуры: введение кремния, марганца, хрома, железа в алюминий в виде сплавов (ферросплавов) принята в качестве ближайшего аналога.

Основной недостаток - сложность шихтовки алюминиевой основы при использовании различных ферросплавов для приготовления сплава.

Задачей предлагаемого решения является снижение себестоимости получения алюминиевого деформируемого сплава и повышение его качества.

Техническим результатом является снижение энергозатрат на приготовление сплава, более полное усвоение легирующих элементов, повышение физико-механических характеристик сплава.

Поставленный технический результат достигается тем, что в способе получения деформируемого алюминиевого сплава, включающем подачу и растворение в жидком алюминии расчетного количества легирующих компонентов в виде сплава, в алюминий подают жидкую и/или твердую лигатуру, приготовленную из алюминия и ферросилиция.

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Основными задачами по снижению себестоимости производства сплавов являются замена дорогостоящих материалов, содержащих легирующие компоненты, на более дешевые, снижение энергозатрат на приготовление сплава, более полное усвоение легирующих.

Важной задачей является также высокое качество сплава.

В предлагаемой технологии получения деформируемого алюминиевого сплава, содержащего кремний и железо, например сплав 8011 (по стандартам ASTMB, США), содержащий, мас.%: Кремний - 0,5-0,9 Железо - 0,6-1,0 Медь - До 0,1
Марганец - До 0,2
Магний - До 0,05
Хром - До 0,05
Цинк - До 0,1
Титан - До 0,08
Прочие примеси в сумме - До 0,15
Алюминий - Остальное
в качестве основы используют жидкий технический алюминий, получаемый в электролизерах.

Все задачи по повышению технико-экономических показателей процесса в предлагаемой технологии решаются комплексно:
1) кремний и железо вводят в расплав не в виде кристаллического кремния, а в виде сплава, что намного экономичнее: цена ферросилиция в 1,7-1,9 раза меньше, чем кристаллического кремния, легирующие компоненты практически полностью усваиваются - потери их сведены к минимуму, т.к. удельная плотность загружаемого материала выше плотности жидкого алюминия;
2) введение легирующих в виде лигатуры, приготовленной из алюминия и ферросилиция в твердом и/или жидком состоянии, обеспечивает точную шихтовку расплава, еще в большей мере снижает потери металла, т.к. плотность лигатурного сплава больше плотности алюминия.

На стадии приготовления лигатуры из алюминия и ферросилиция возможно варьирование содержания легирующих компонентов, что повышает технологические возможности использования лигатуры для приготовления алюминиевых сплавов.

Использованием при получении алюминиевого деформируемого сплава твердой и/или жидкой лигатуры, приготовленной из алюминия и ферросилиция, достигается повышенное качество структуры, ее однородность за счет образования легкоплавких многокомпонентных эвтектик на стадии производства ферросилиция, при приготовлении лигатуры из алюминия и ферросилиция и собственно при получении сплава.

Загрузка лигатуры в алюминиевый расплав в твердом и/или жидком виде позволяет переработать как ранее произведенную, при этом снижаются энергозатраты на получение сплава, обеспечивается точная шихтовка легирующих компонентов.

В качестве алюминиевой основы для приготовления лигатуры и деформируемого сплава используют жидкий технический алюминий, полученный в электролизере, что также снижает энергозатраты, т.к. не требуется расплавление алюминия, а теплоту перегрева электролизного металла можно использовать для приготовления сплава, а в качестве охладителя сплава использовать твердые шихтовые материалы в виде твердого ферросилиция при приготовлении лигатуры и в виде твердой лигатуры при получении деформируемого сплава. С технологической точки зрения целесообразно готовить лигатуру из алюминия и ферросилиция, что связано с наиболее эффективным приготовлением лигатуры (растворимость легирующих и однородность сплава за счет использования сплава - ферросилиция), снижение потерь металла за счет большей плотности ферросилиция по сравнению с алюминием и энергозатрат.

Снижение потерь металла в том и другом случае связано со снижением температуры сплавов за счет снижения объема высокотемпературного жидкого компонента и за счет разности плотностей, снижение энергозатрат на приготовление сплавов происходит из-за повышенного теплосодержания расплава за счет введения жидкого высокотемпературного компонента, т.е. не требуется дополнительных энергозатрат на разогрев и поддержание температуры расплава.

Для конкретного случая (сплав 8011) целесообразно использовать ферросилиций марки FeSi 75 при приготовлении шихтовой лигатуры. При приготовлении других сплавов возможно использование иных марок ферросилиция. Содержание компонентов в лигатуре не регламентировано и выбирается с учетом состава получаемого с использованием лигатуры сплава, технических и технологических возможностей и оборудования.

Сравнение предлагаемого решения с ближайшим аналогом выявило следующее.

Оба технических решения характеризуются сходными признаками:
1) в качестве основы для приготовления сплава по предлагаемой технологии и известного сплава (лигатуры для выплавки алюминиевых сплавов) используют алюминий;
2) расчетное количество легирующих компонентов вводят в алюминиевый расплав в виде сплава: для известной лигатуры - ферросплавы (ферросиликохром, силикомарганец); для предлагаемого - в виде лигатуры.

Предлагаемое решение характеризуется признаками, отличными от признаков ближайшего аналога:
1) в жидкий алюминий подают сплав в виде лигатуры, приготовленной из алюминия и ферросилиция;
2) в алюминий подают жидкую и/или твердую лигатуру. Наличие в предлагаемом решении отличительных признаков по отношению к ближайшему аналогу позволяет сделать вывод о его соответствии критерию изобретения "новизна".

В процессе поиска и сравнительного анализа предлагаемого решения с ближайшим аналогом с другими известными решениями в данной области выявлено следующее:
- общеизвестна технология производства кремнийсодержащих сплавов, включающая растворение в алюминии или его сплаве кристаллического кремния
(М. Б. Альтман и др. "Плавка и литье легких сплавов", М.: Металлургия, 1969г., с.270-271);
- известно растворение расчетного количества кристаллического кремния в алюминиево-кремниевой основе (Пат. РФ 2015187, С 22 С 1/02, 1994г.) в способе получения низколегированного алюминиево-кремниевого сплава;
Не выявлено технических решений, в которых легирующие компоненты в виде сплава подают в виде жидкой и/или твердой лигатуры, приготовленной из алюминия и ферросилиция.

Совокупность известных и отличительных неизвестных признаков, характеризующая предлагаемое решение, позволяет получить при использовании более высокие технико-экономические результаты, чем по известным технологиям, что свидетельствует о соответствии предлагаемого решения критерию изобретения "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Пример 1.

Готовили алюминиевый деформируемый сплав 8011, по стандартам ASTMB, США, содержащий, маc.%: Si-0,5-0,9; Fe-0,6-1,0; Cu<0,l; Mn<0,2; Zn<0,1; Mg<0,05; Ti<0,08; Cr<0,05.

Содержание основных легирующих компонентов в лигатуре, мас.%: Si-10; Fe-3,19.

Для получения сплава в жидкий алюминий марки АО из электролизного корпуса заливают в миксер в количестве = 9650 кг.

В расплав загружают твердый лигатурный сплав в количестве 350 кг в виде чушек.

Перемешивают расплав. Полученный сплав имеет содержание, мас.%:
Si - 70,82
Fe - 0,65
Cu - 0,08
Mn - 0,06
Zn - 0,07
Mg - 0,03
и соответствует требованиям стандарта ASTMB, США для сплава 8011.

Пример 2.

Готовили сплав 8011 по примеру 1.

В расплав жидкого алюминия (35000 кг) загружают (заливают) жидкую лигатуру, приготовленную из ферросилиция марки FeSi 75, содержащую 2,3 маc.% железа и 5,1 маc. % кремния в количестве 4100 кг и перемешивают расплав в миксере.

В результате химических анализов сплава получено: Fe 0,88; Si 0,73, что удовлетворяет требованиям стандарта ASTMB, США по сплаву 8011.

Пример 3.

Готовили сплав 8011 по примеру 1.

В расплав жидкого алюминия (3500 кг) загружают 400 кг твердой лигатуры с содержанием кремния 10 маc.% и железа 3,2 маc.%, а также жидкую лигатуру в количестве 2900 кг с содержанием железа 2,3 маc.% и кремния 5,1 мас.%. В результате получен сплав с содержанием Fe 0,87 маc.%; Si 0,68 маc.%, что соответствует требованиям стандарта ASTMB по сплаву 8011.

Опытно-промышленные испытания предлагаемой технологии получения алюминиевого деформируемого сплава проходят на Братском алюминиевом заводе.

Формула изобретения

Способ получения алюминиевого сплава, включающий подачу и растворение в жидком алюминии расчетного количества легирующих компонентов в виде сплава, отличающийся тем, что в алюминий подают жидкую и/или твердую лигатуру, приготовленную из алюминия и ферросилиция.