Способ приготовления и подачи защитной газовой смеси для плавки магниевых сплавов
Владельцы патента RU 2763844:
Публичное акционерное общество «Авиационная корпорация «Рубин» (RU)
Изобретение относится к области металлургии, конкретно к плавке и литью сплавов на основе магния, и может быть использовано для получения фасонных отливок, например, корпусов различных агрегатов, используемых в аэрокосмической отрасли и в других отраслях промышленности. Способ приготовления и подачи защитной газовой смеси газа-носителя, инертного или малоактивного по отношению к расплаву, и газообразного перфторэтилизопропилкетона при плавке магниевых сплавов включает получение газовой смеси, содержащей перфторэтилизопропилкетон в количестве 0,1-10% от объема подаваемой газовой смеси, непосредственно в подводящей трубке, подающей газовую смесь к плавильному тиглю, посредством смешения газа-носителя и газообразного перфторэтилизопропилкетона, получаемого испарением его жидкой фазы, подводимой самотеком капельным способом через капиллярный ввод непосредственно в подводящую трубку, за счет конвективной передачи тепла от металла в тигле. Изобретение направлено на создание способа приготовления и подачи защитной газовой смеси для плавки магниевых сплавов, позволяющего упростить конструкцию газовой системы для ввода защитной газовой смеси и использовать при создании этой смеси жидкий материал, в частности перфторэтилизопропилкетон. 8 з.п. ф-лы, 2 пр., 3 табл., 3 ил.
Область техники
Изобретение относится к области металлургии, конкретно к плавке и литью сплавов на основе магния, и может быть использовано для получения фасонных отливок, обладающих сочетанием хороших прочностных свойств, а также повышенной коррозионной стойкостью, например, корпусов различных агрегатов, используемых в аэрокосмической отрасли и в других отраслях промышленности.
Уровень техники
Особенностью практически всех используемых в настоящее время магниевых литейных сплавов является их склонность к интенсивному окислению вплоть до возгорания при контакте с воздухом в процессе плавки и литья. Вследствие этого предпринимаются специальные меры по защите поверхности металла от контакта с атмосферой.
Самым распространенным способом защиты от окисления является ведение плавки с применением покровных и рафинирующих флюсов на основе хлористых и фтористых солей (Альтман М.Б., Лебедев А.А. и др. «Плавка и литье легких сплавов». М., «Металлургия», 1969 г., стр. 332-335). Однако включения флюсов в литом металле значительно снижают коррозионную стойкость литых деталей, поэтому в настоящее время плавка с использованием флюсов постепенно заменяется плавкой с использованием защитной газовой атмосферы. В качестве газов, применяемых для этого, используют различные химические соединения, образующие на поверхности жидкого магниевого расплава плотную защитную пленку.
Наиболее распространенными защитными газами для плавки магниевых сплавов являются крайне токсичный диоксид серы SO2 и элегаз SF6, кроме того известны и другие защитные газы (таблица 1), причем более 20 лет предпочтительным защитным газом был элегаз (SF6) в низких концентрациях в смеси с воздухом, аргоном или диоксидом углерода.
Таблица 1. Защитные газы, используемые для плавки магниевых сплавов
| Соединение | Время существования в атмосфере, годы | Потенциал глобального потепления (GWP), за период 100 лет |
| CO2 | 100-150 | 1 |
| N2O | 120 | 360 |
| CH4 | 12 | 24 |
| SO2 | - | - |
| SF6 | 3200 | 23900 |
Из-за экстремальных значений потенциала глобального потепления (Global Warming Potential - GWP) в последнее время SF6 активно заменяется другими соединениями (Regulation (EU) No 517/2014 of the European Parliament and of the Council of 16 April 2014 on fluorinated greenhouse gases and repealing Regulation (EC) No 842/2006Text with EEA relevance. P. 36).
Известен способ обработки расплавленных реакционноспособных металлов и сплавов с использованием фторуглеродов в качестве защитного газа (US 6,685,764 B2, 22.03.2003), где для защиты магниевых расплавов предлагается использовать смесь перфторкетонов, гидрофторкетонов и их смесей с осушенным воздухом или другими газами. Преимущество этой смеси заключается в очень низком значении GWP компонентов (менее 10) и их слабой токсичности для человека. Недостатком данного способа является наличие достаточно большого количества фтороводорода в продуктах реакции газовой смеси с воздухом и жидкого магния, что ведет к разрушению металлических частей плавильной установки.
Также известен материал Novec 612, разработанный компанией 3M Innovative Properties Company (США), который предназначен для защиты расплавленных реакционноспособных металлов, таких как магний и его сплавы, в смеси с CO2 или осушенным воздухом и способ его применения (https://multimedia.3m.com/mws/media/713947O/3m-novec-612-magnesium-protection-fluid.pdf). Материал Novec 612 представляет собой жидкость, которая значительно более реакционноспособна при температурах расплава и, следовательно, более эффективно используется, чем SF6. Однако поскольку материал жидкий при комнатной температуре (температура кипения 49,2°C), создание газовой смеси представляет некоторые трудности. Способ создания защитной газовой смеси с использованием жидкого Novec 612 (прототип) заключается в вводе Novec 612 в поток газа-носителя с помощью барботера газа или прецизионной насосной системы, в результате чего Novec 612 переходит в газообразное состояние. Novec 612 является эффективным защитным газовым агентом для защиты расплавленного магния, однако реализация способа его применения связана с использованием специального высокоточного оборудования, а следовательно, с увеличением стоимости производства.
В отечественной промышленности известен газ хладон ФК 5-1-12 (перфторэтилизопропилкетон), который относится к фторкетонам и предназначен, прежде всего, для использования в качестве хладагента и средства для пожаротушения. Основным его преимуществом при использовании в качестве активного газа для создания газовой смеси перфторэтилизопропилкетона перед другими активными газами является его низкий показатель GWP, что в значительной мере повышает соответствие технологии плавки магниевых сплавов в газовой атмосфере, постоянно ужесточающимся экологическим требованиям.
Несмотря на его схожесть химической формулы с материалом Novec 612, он ранее не использовался как материал для создания защитной газовой атмосферы для плавки магниевых сплавов, поскольку перфторэтилизопропилкетон при комнатной температуре представляет собой жидкость и активно не испаряется на воздухе, таким образом создание газовой смеси, в которой перфторэтилизопропилкетон достигал бы необходимой концентрации, затруднено.
Раскрытие сущности изобретения
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа приготовления и подачи защитной газовой смеси для плавки магниевых сплавов, позволяющего упростить конструкцию газовой системы для ввода защитной газовой смеси и использовать при создании этой смеси жидкий материал, в частности перфторэтилизопропилкетон.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции газовой системы для ввода защитной газовой смеси для плавки большинства промышленных магниевых сплавов в части дозирования, смешивания и подачи к поверхности расплава компонентов газовой смеси.
Технический результат достигается тем, что предложен способ приготовления и подачи защитной газовой смеси газа-носителя, инертного или малоактивного по отношению к расплаву, и газообразного перфторэтилизопропилкетона при плавке магниевых сплавов, отличающийся тем, что газовую смесь, содержащую перфторэтилизопропилкетон в количестве 0,1-10 % от объема подаваемой газовой смеси, получают непосредственно в подводящей трубке, подающей газовую смесь к плавильному тиглю, посредством смешения газа-носителя и газообразного перфторэтилизопропилкетона, получаемого испарением его жидкой фазы (формы), подводимой самотеком капельным способом через капиллярный ввод непосредственно в подводящую трубку, за счет конвективной передачи тепла от металла в тигле.
Содержание перфторэтилизопропилкетона в газовой смеси в количестве 0,1-10% от объема подаваемой газовой смеси обусловлено по нижней границе минимально необходимым для формирования на поверхности расплава защитной плены оксифторидов магния количеством перфторэтилизопропилкетона, а с верхней стороны - содержанием в газовой смеси перфторэтилизопропилкетона, превышение которого будет приводить к активному разрушению стенок плавильного тигля.
В качестве газа-носителя допустимо использовать аргон, диоксид углерода, гелий, азот, осушенный воздух, а также смесь двух и более перечисленных газов. Выбор этих газов в качестве газов-носителей обусловлен их инертностью или слабой химической активностью по отношению к магниевому расплаву при используемых температурах плавки.
Предпочтительно, что крышка тигля снабжена рабочим отверстием с крышкой, которое может быть открыто в процессе плавки для проведения работ с металлом в печи, при этом расход газовой смеси, подаваемой в тигель, увеличивают для компенсации его рассеивания в атмосфере рабочей зоны цеха.
Важно, что капиллярный ввод, используемый для ввода жидкого перфторэтилизопропилкетона в подводящую трубку, имеет диаметр капиллярного отверстия 0,1-1,5 мм. Применение капиллярного отверстия другого диаметра не способствует устойчивому капельному дозированию перфторэтилизопропилкетона.
Основными отличиями от прототипа являются:
использование оригинального способа приготовления и подачи газовой смеси, которая не создается заранее с помощью барботера газа или прецизионной насосной системы, а создается непосредственно в подводящей трубке, подающей газовую смесь к плавильному тиглю, за счет смешения газов при поступлении в подводящую трубку газа-носителя и жидкого перфторэтилизопропилкетона, который испаряется при нагреве от тепла металла в тигле, что значительно упрощает конструкцию газовой системы;
подача жидкого перфторэтилизопропилкетона для образования смеси производят капельным способом непосредственно в подводящую трубку через капиллярный ввод самотеком, дозировка осуществляется по объему вытекающей жидкости, расход которой определяется по шкале, нанесенной на прозрачную стенку сосуда с жидким перфторэтилизопропилкетоном из расчета образования из 1 мл жидкого перфторэтилизопропилкетона примерно 120 мл газообразного. Этот способ дозирования позволяет наглядно контролировать расход перфторэтилизопропилкетона и оперативно изменять подаваемое количество активного газа и при этом не применять сложные и дорогостоящие устройства дозирования и измерения газов.
Описание иллюстраций
Изобретение поясняется иллюстрациями, где на фиг. 1. показано устройство приготовления и подачи защитной газовой смеси, где:
1 - баллон; 2 - газовый редуктор; 3 - манометр; 4 - ротаметр; 5 - тигель; 6 - полость тигля; 7 - крышка тигля; 8 - поверхность расплава; 9 - градуированная прозрачная стенка; 10 - подводящая трубка; 11 - система; 12 - капельница; 13 - капиллярный ввод; 14 - регулятор расхода; 15 - отводная трубка.
На фиг. 2 показана защитная пленка на поверхности магниевого сплава МЛ5 (изображение со сканирующего электронного микроскопа), расплавленного в атмосфере защитного газа, состоящего из 99 об.% аргона и 0,5 об.% перфторэтилизопропилкетона, приготовленного с помощью устройства приготовления и подачи защитной газовой смеси, состоящая из фторида и оксида магния с примесью углерода.
На фиг. 3 показана защитная пленка на поверхности магниевого сплава МЛ10 (изображение со сканирующего электронного микроскопа), расплавленного в атмосфере защитного газа, состоящего из 99 об.% аргона и 0,5 об.% перфторэтилизопропилкетона, приготовленного с помощью устройства приготовления и подачи защитной газовой смеси, состоящая из фторида и оксида магния с примесью углерода.
Осуществление изобретения
Из баллона (1) газ-носитель через газовый редуктор (2), снабженный манометром (3) и ротаметром (4), подается в подводящую трубку, имеющую наклон в сторону тигля (5), из которой попадает в полость тигля (6) через герметичную крышку тигля (7), по пути смешиваясь с испаряющимся перфторэтилизопропилкетоном, где и распределяется над поверхностью расплава (8), в то же время, перфторэтилизопропилкетон, находящийся в жидком состоянии в емкости, имеющей градуированную прозрачную стенку (9), располагающейся выше подводящей трубки (10), с возможностью восполнения убыли перфторэтилизопропилкетона, расходуемого в процессе работы системы (11), вытекает капельным способом через капельницу с прозрачными стенками (12) в трубку, которая соединяется с подводящей трубкой через тройник с капиллярным вводом диаметром 0,1-1,5 мм (13), причем скорость истечения хладона регулируется с помощью регулятора расхода (14), при этом перфторэтилизопропилкетон переходит в газообразное состояние и смешивается с газом-носителем только в подводящей трубке за счет тепла, идущего от тигля, когда стекает по наклонной подводящей трубке в сторону металла, а излишки газовой смеси удаляются из тигля через отводную трубку (15), в систему вытяжной вентиляции.
Пример 1
Была проведена плавка содержащего алюминий магниевого сплава МЛ5 в стальном тигле под стальной крышкой, оборудованной отверстиями для входа и выхода газовой смеси. В одно отверстие устанавливалась подводящая трубка, через которую газовая смесь газа носителя и газообразного перфторэтилизопропилкетона подавалась в плавильный тигель, в другое отверстие устанавливалась отводящая трубка, соединенная с системой вытяжной вентиляции для эвакуации продуктов реакции из помещения, места ввода трубок и примыкания стальной крышки к тиглю герметизировались. В подводящую трубку, по которой подавался газ-носитель, через тройник сверху устанавливалась трубка, идущая от стеклянного сосуда с жидким перфторэтилизопропилкетоном, на стенке которого была нанесена градировочная шкала, позволяющая определять расход. Расход жидкого перфторэтилизопропилкетона регулировался с помощью клапана, установленного на трубке, идущей от стеклянного сосуда, и был установлен на уровне 0,5 % газообразного перфторэтилизопропилкетона от объема подаваемой газовой смеси. Необходимое количество для получения газовой смеси определяли из расчета получения из 1 мл жидкого перфторэтилизопропилкетона 120 мл газа. Подача перфторэтилизопропилкетона в подводящую трубку с диаметром канала 15 мм осуществлялась капельным способом через капиллярный ввод с диаметром отверстия 0,4 мм. Наклон подводящей трубки в сторону плавильного тигля позволял жидкому перфторэтилизопропилкетону беспрепятственно течь по ее стенке до момента полного испарения и смешивания с газом-носителем, в качестве которого использовался аргон. Количество перфторэтилизопропилкетона в газовой смеси колебалось в процессе плавки от 1 до 10%. Продукты реакции с магнием выходили по отводной трубке в виде явно различимого дыма, который был тяжелее воздуха, и попадали в вытяжную вентиляцию. Расплавленный сплав МЛ5 находился в тигле в защитной атмосфере в течение 1 часа при температуре 800±10°С, после чего нагрев был выключен и сплав затвердел в тигле. Следов возгорания на поверхности металла замечено не было. После затвердевания сплава была исследована поверхностная плена, которая состояла преимущественно из фторида и оксида магния с примесью углерода.
Пример поясняется результатами, представленными в таблице 2.
Таблица 2. Результаты микрорентгеноспектрального анализа поверхностной плены, образовавшейся на поверхности сплава МЛ5 в процессе плавки
| Содержание элементов % ат. | ||||||||
| C | N | O | F | Mg | Al | Zn | Прочие элементы | |
| Измерение 1 | 18,7 | 1,6 | 12,7 | 38,8 | 27,0 | 0,3 | 0,03 | 0,9 |
| Измерение 2 | 22,3 | 1,4 | 12,4 | 36,6 | 25,8 | 0,4 | 0,02 | 1,0 |
| Измерение 3 | 23,4 | 1,6 | 11,8 | 34,9 | 26,3 | 1,1 | 0,03 | 0,9 |
| Измерение 4 | 20,0 | 2,1 | 14,4 | 35,1 | 27,3 | 0,2 | 0,02 | 1,0 |
| Измерение 5 | 20,7 | 1,1 | 7,5 | 46,3 | 23,9 | 0,1 | 0,02 | 0,5 |
| Измерение 6 | 23,6 | 1,0 | 9,4 | 40,6 | 24,4 | 0,4 | 0,02 | 0,7 |
| Средний состав | 21,5 | 1,5 | 11,4 | 38,7 | 25,8 | 0,4 | 0,02 | 0,8 |
Пример 2
Была проведена плавка безалюминиевого магниевого сплава МЛ10 в тех же условиях, что и в Примере 1. Следов возгорания на поверхности металла замечено не было. После затвердевания сплава была исследована поверхностная плена, которая состояла преимущественно из фторида магния и углерода. Пример поясняется результатами, представленными в таблице 3.
Таблица 3. Результаты микрорентгеноспектрального анализа поверхностной плены, образовавшейся на поверхности сплава МЛ10 в процессе плавки
| Содержание элементов % ат. | |||||||||
| C | N | O | F | Mg | Zn | Zr | Nd | Прочие элементы | |
| Измерение 1 | 42,7 | 0,0 | 1,7 | 41,3 | 13,3 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 1,0 |
| Измерение 2 | 26,6 | 0,0 | 1,2 | 51,3 | 20,2 | 0,1 | 0,2 | 0,1 | 0,4 |
| Измерение 3 | 27,7 | 0,0 | 2,0 | 49,3 | 19,6 | 0,0 | 0,1 | 0,0 | 1,3 |
| Измерение 4 | 53,5 | 0,0 | 1,3 | 33,3 | 11,1 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,8 |
| Измерение 5 | 47,3 | 0,0 | 1,8 | 37,4 | 12,8 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,7 |
| Измерение 6 | 47,9 | 0,0 | 1,1 | 38,3 | 12,3 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,4 |
| Средний состав | 40,9 | 0,0 | 1,5 | 41,8 | 14,9 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 0,8 |
1. Способ приготовления и подачи защитной газовой смеси газа-носителя, инертного или малоактивного по отношению к расплаву, и газообразного перфторэтилизопропилкетона при плавке магниевых сплавов, отличающийся тем, что газовую смесь, содержащую перфторэтилизопропилкетон в количестве 0,1-10 % от объема подаваемой газовой смеси, получают непосредственно в подводящей трубке, подающей газовую смесь к плавильному тиглю, посредством смешения газа-носителя и газообразного перфторэтилизопропилкетона, получаемого испарением его жидкой фазы, подводимой самотеком капельным способом через капиллярный ввод непосредственно в подводящую трубку за счёт конвективной передачи тепла от металла в тигле.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве газа-носителя используют аргон.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве газа-носителя используют диоксид углерода.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве газа-носителя используют гелий.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве газа-носителя используют азот.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве газа-носителя используют осушенный воздух.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве газа-носителя используют смесь в любом соотношении двух и более газов из ряда: аргон, диоксид углерода, гелий, азот, осушенный воздух.
8. Способ по п.1 отличающийся тем, что крышка тигля снабжена рабочим отверстием с крышкой.
9. Способ по п.1 отличающийся тем, что капиллярный ввод имеет диаметр капиллярного отверстия 0,1-1,5 мм.
