Физико-химические процессы при плавлении алюминиевых сплавов, рафинирование

РАЗДЕЛ 3 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ЛЕКЦИЯ 3.1 ТЕМА: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПЛАВЛЕНИИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, РАФИНИРОВАНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Взаимодействие металлургических расплавов материалами футеровки плавильных печей с газами и В большинстве случаев плавку ведут на воздухе. Если взаимодействие с воздухом ограничивается образованием на поверхности нерастворимых в расплаве соединений и возникающая пленка этих соединений существенно замедляет дальнейшее взаимодействие, то обычно не принимают каких-либо мер для подавления такого взаимодействия. Плавку в этом случае ведут при прямом контакте расплава с атмосферой. Так поступают при приготовлении большинства алюминиевых сплавов. Если же образующаяся пленка нерастворимых соединений непрочна и неспособна защитить расплав от дальнейшего взаимодействия (магний и его сплавы), то принимают специальные меры, используя покровные флюсы или защитную атмосферу. Защита расплава от взаимодействия с газами совершенно необходима, если газ растворяется в жидком металле. Главным образом стремятся предотвратить взаимодействие расплава с кислородом. Это относится к плавке сплавов на основе никеля и медных сплавов, способных растворять кислород, где расплавы обязательно защищают от взаимодействия с атмосферой печи. Защита расплава достигается прежде всего применением шлаков, флюсов и других защитных покровов. Если подобные меры оказываются недостаточными или невозможными, прибегают к плавке в атмосфере защитных или инертных газов. Наконец, используют плавку в вакууме, т. е. при пониженном до определенного уровня давлений газов. В некоторых случаях для уменьшения интенсивности взаимодействия расплава кислородом в него вводят добавки бериллия (сотые доли процента в аллюминиево - магниевые и магниевые сплавы), кремния и алюминия (десятые доли процента в латуни). Несмотря на защиту, металлические расплавы все же загрязняются различными примесями выше допустимого предела. Нередко в шихтовых материалах имеется слишком много примесей. Поэтому часто при плавке проводят рафинирование расплавов - очистку от растворимых и нерастворимых примесей, а также раскисление - удаление растворенного кислорода. Газовой средой, с которой при плавке и разливке соприкасается металлический расплав, является не только обыкновенный воздух, но и продукты сгорания органического топлива, различные специально используемые газы (аргон, азот, гелий), т.е. в газовой среде над расплавом могут содержаться кислород, азот, пары воды, оксиды углерода (СО и СО2), сернистый газ SO2, метан СН4. Взаимодействие металлического расплава с газовой средой может быть трех типов: - первый тип - расплав не вступает во взаимодействие с газами и не растворяет в себе газ (полная инертность); так ведут себя все жидкие металлы в атмосфере инертных газов (аргон, гелий и др.). Практически полная инертность наблюдается между многими элементами и азотом (медь - азот, цинк - азот и др.), а также водородом (олово - водород, свинец - водород) и кислородом (золото - кислород); -второй тип - образуется устойчивое соединение металл - газ; это происходит между кислородом и жидким алюминием, магнием, цинком, оловом. Расплав загрязняется частицами этих соединений; -третий тип - в расплаве образуются растворы газа; подобный тип взаимодействия наблюдается во многих системах металл - водород (Мg, Al, Cu, Ni, Fe), металл - кислород (Cu, Ni, Fe). Водород обычно составляет основную долю газов, обнаруживаемых в растворенном состоянии в металлах. Главный источник водорода - вода, которая реагирует с расплавом по реакции Ме + Н2О — МеО + 2[Н]Ме, т.е. металл восстанавливает водород, который в атомарном состоянии легко растворяется в расплаве. Вода содержится в шихте, футеровке, шлаках. Кислород активно взаимодействует с большинством металлов, образуя оксиды и растворы кислорода. Если кислород находится в растворенном виде, то необходимо раскисление, т.е. перевод кислорода в нерастворимую форму. Нерастворимые оксиды удаляются из расплава отстаиванием, фильтрованием и пр. Легкоплавкие металлы, включая Mg и Al, не растворяют кислород, их взаимодействие выражается только в образовании на поверхности расплавов пленки нерастворимых оксидов. Сплавы на основе легкоплавких металлов при любых легирующих элементах ведут себя с кислородом подобно чистым металлам. Особенность поведения растворов кислорода в жидких металлах при плавке на воздухе состоит в том, что при охлаждении и кристаллизации расплава этот газ никогда не выделяется в свободном виде, а переходит либо целиком в твердый раствор (система Ti-O), либо в твердые соединения оксиды (системы Cu-O, Fe-O). Азот в легкоплавких металлах не растворяется. Более тугоплавкие металлы, начиная с марганца, растворяют азот, причем в Mn, Ni и Fe при понижении температуры, особенно при кристаллизации, растворимость азота в металлах снижается, и это может вызвать появление газовой пористости азотного происхождения. В расплавах Ti, Vи Cr, насыщенных азотом, наоборот, при снижении температуры азот полностью переходит в твердый раствор (Ti-N) или образует нитриды (Cr-Ni). Азот, оставшийся в твердом металле, является причиной резкого снижения пластичности металла, особенно если образует хрупкие нитридные фазы. Пары воды взаимодействуют почти со всеми металлами при тех температурах, когда они находятся в жидком состоянии. Легкоплавкие металлы не растворяют в себе ни кислород, ни водород. Следовательно, в жидком состоянии эти металлы будут окисляться парами воды, и покрываться пленкой нерастворимых оксидов. Жидкий Mg и Al будут растворять выделяющийся водород. Поэтому плавка этих металлов в атмосфере, содержащей вредные пары, будет вызывать не только загрязнение расплава неметаллическими включениями оксидного характера, но и насыщать его водородом. Все остальные металлы способны растворять и кислород, и водород. Поэтому при плавке в атмосфере, содержащей водяные пары, они будут загрязняться и водородом, и кислородом. Оксид углерода СО с легкоплавкими металлами (до алюминия) взаимодействует по реакции Ме + СО = МеО + С. Более активные металлы из данной группы (Mg, Al) будут окисляться в атмосфере СО при обычных температурах плавления. Поэтому атмосфера этого газа для данного металла является окислительной, вызывающей загрязнение расплава неметаллическими включениями. Жидкие металлы, находясь в плавильных печах и тиглях, соприкасаются с материалами, используемыми для футеровки ванн плавильных печей и разливочных ковшей, а также для изготовления плавильных тиглей. Эти материалы можно разделить на оксидные, оксидно-графитовые, чисто графитные, карборундовые, металлические. Наиболее опасным является взаимодействие металлического расплава с оксидом футеровки по реакции Ме + RO↔Me+ [R]. При таком взаимодействии не только разрушается футеровка, но и происходит загрязнение расплава восстановленным элементом R и оксидами Ме или растворенным кислородом. Оксидно-графитовые материалы, представляющие собой смесь шамота с 30 - 40% графита, имеют огнеупорность 1300 - 1400 оС и используются для плавки металлов, не взаимодействующих с С и SiO2. Шамотно-графитовые тигли используют для плавки алюминия, меди и их сплавов, а также сплавов на основе золота и серебра. Графит на воздухе очень быстро сгорает, начиная с 600 - 700оС, хотя сам по себе способен работать до 2500оС. Графитовые огнеупоры пригодны для плавки легкоплавких металлов. Наиболее часто графит применяют для плавки меди и ее сплавов, однако, начиная с 600оС, необходима защита от их окисления. Карборундовые материалы (~ 80% SiC, остальное - тугоплавкие оксиды) очень огнеупорны (~ 2000оС) и химически стойки. Карборундовая футеровка применяется для плавки алюминиевых и медных сплавов, которые практически не реагируют с SiC. Металлические материалы используются для изготовления плавильных емкостей, предназначенных для выплавки сравнительно легкоплавких материалов. Этими материалами в основном являются чугун и сталь. Основной вид взаимодействия расплавов с подобными материалами - простое растворение железа, причем загрязнение железом некоторых металлов может быть достаточно велико, например: при 700 оС в алюминии может раствориться 2,5% Fe. Чтобы предотвратить насыщение расплавов железом, внутреннюю поверхность тиглей окрашивают специальным составом. Таким образом, получаемые при плавке расплавы могут содержать различные примеси, которые вносятся исходными материалами (шихтой), появляются в ходе плавки в результате взаимодействия с атмосферой и огнеупорными материалами. ПРИМЕСИ В АЛЮМИНИЕВЫХ РАСПЛАВАХ Источники примесей в алюминии Обычный алюминий и его сплавы неизбежно содержат примеси, то есть химические элементы, которые специально не вводят в состав сплава. Примеси, включая железо, имеют различное происхождение. Они могут попадать из руды, могут входить в металл в процессе электролиза и не всегда полностью удаляются в процессе производства и рафинирования первичного алюминия. Примеси могут возникать в процессе плавления и разливки изза загрязнения шихты, взаимодействия металла с футеровкой и флюсами, а также из-за растворения элементов литейного оборудования и литейного инструмента. Кроме того, большое количество примесей может поступать при переплавке алюминиевых отходов. Кроме того, большое количество примесей может поступать при переплавке алюминиевых отходов. типы загрязнений и потенциальные источники их образования наблюдаемые типы загрязнений потенциальные источники загрязнений неметаллические экзогенные включения различные частицы огнеупоров, Al4C3 и т.д. разрушение огнеупоров, металл ковша, реакции огнеупоров с металлом неметаллические включения, образующиеся в расплаве скопления пленок MgO, Al2O3 и дисперсоиды, пленки и скопления MgAl2O4 плавление, легирование, турбулентность переноса металла классификация эндогенное распределение частиц галогенов соль/частица MgCl2-NaCl-CaCl2 и.т.д. MgCl2-NaCl-CaCl2/ MgO и.т.д. плохое разделение продуктов реакции ошлакования (рафинирования) соль, образующаяся при рафинировании хлором сплавов, содержащих магний; фильтры и системы разливки Железо и другие примеси в алюминии Железо является главной и наиболее опасной примесью в большинстве промышленных литейных и деформированных алюминиевых сплавов. Поэтому содержание железа в алюминиевых сплавах строго ограничивают, в некоторых сплавах – до 0,05 %. С другой стороны, железо является главным компонентом в материалах на основе алюминия, которые производят с применением новых технологий. Например, в аморфных и нанокристаллических сплавах содержание железа составляет более 10 %. Эти материалы обладают рекордным уровнем прочности до 1500 МПа. Железо принадлежит к малорастворимым металлическим примесям в алюминии. Концентрация железа в алюминии в зависимости от его чистоты алюминия может отличаться от сотых до десятых долей процента. Главная причина влияние железа на свойства алюминиевых сплавов заключается в фазах, которые оно образует с другими примесями, включая кремний, а также с основными легирующими элементами. Растворимость железа в алюминии весьма незначительна: ✓ 0,052 % при 655 ºС; ✓ 0,043 % при 625 ºС; ✓ 0,034 % при 600 ºС; ✓ ✓ 0,021 % при 500 ºС; 0,005 % при 450 ºС. марочные алюминиевые сплавы, ориентированные на применение в ответственных изделиях, имеют строгие ограничения по примесям железо в алюминиевых сплавах: железо и кремний являются неизбежными постоянными примесями в алюминии и алюминиевых сплавах, они образуют с алюминием тройные химические соединения, которые, особенно, если они находятся на границах зерен, снижают пластичность алюминия деформируемые алюминиевые сплавы содержат примерно 0,1 – 0,4 % (по массе) железа. Железо рассматривается как нежелательная примесь. Его содержание зависит от качества исходной руды (бокситов) и технологии электролитического восстановления факторы, определяющие чистоту металла высокое качество алюминиевых сплавов определяется его структурой, содержанием неметаллических включений, образующихся в расплаве, содержанием водорода С – включения образовываются в ходе разливки алюминия (оксидные пленки и шлаковые включения) Экзогенные включения также попадают на эту кривую В - для эндогенных включений, которые образуются в ходе плавления и обработки металла оксидные включения больше, чем те, которые состоят из карбидов и боридов – именно их необходимо удалять в первую очередь типы включений в расплаве алюминия КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИМЕСЕЙ В АЛЮМИНИИ Примеси в металлах, в том числе в алюминии, можно условно разделить на: ✓ ✓ растворимые и нерастворимые; металлические и неметаллические. Неметаллические включения в сплавах Неметаллические включения можно разделить на две группы: включения, которые образуются внутри расплавленного или твердого сплава в результате реакций, которые протекают между компонентами сплава, и включения, которые попадают в сплав в виде флюсов, шлаков, частей футеровки и других загрязнений. Неметаллические включения в затвердевшем сплаве являются телами, нарушающими сплошность и единообразие его структуры. Твердые неметаллические включения часто имеют острые углы и края, в которых образуются значительные концентрации напряжений. Тугоплавкие для данного сплава включения, температура плавления которых превышает температуру плавления данного сплава, обычно располагаются внутри кристаллов. Легкоплавкие включения входят в эвтектические «сетки» и располагаются по границам зерен, часто вызывая хрупкость или красноломкость. Неметаллические включения могут неблагоприятно сказаться и на процессах вторичной кристаллизации. Некоторые включения могут понижать химическую стойкость сплавов, так как они образуют с основным металлом сплава коррозионные гальванические пары, способствующие развитию электрохимических процессов коррозии. Различают три основных источника неметаллических включений: 1) Неметаллические включения могут возникать вследствие особенностей технологического процесса приготовления сплавов и их последующей кристаллизации. Например, растворимость элементов, образующих включения, зависит от температуры: чем выше температура, тем больше концентрация элементов в растворе. При понижении температуры кристаллизации эти элементы выделяются из раствора в виде мельчайших частичек и самостоятельно или, соединившись с другими компонентами сплава, образуют неметаллические включения. Часть неметаллических включений всегда имеется в шихтовых материалах и может остаться в сплаве. 2) Источником неметаллических включений могут быть химические реакции, происходящие в сплаве в результате целенаправленного процесса удаления нежелательных примесей (например, раскисления и др.). В результате таких реакций образуются нерастворимые в расплаве вещества (например, оксиды, нитриды и др.). Возможно и образование окисных включений в процессе разливки в результате вторичного окисления. 3) Источником неметаллических включений в отливках могут быть частицы шлака, футеровки печей, желобов, ковшей, а также литниковой системы и литейной формы. Неметаллические включения, отлагаясь по границам зерен, могут энергично реагировать с газами, ухудшать структуру сплавов и сильно снижать их физико-механические свойства. Их присутствие понижает ударную вязкость, износостойкость, усталостную прочность, пластичность, коррозионную стойкость, жаростойкость, жаропрочность и т. д. Во многих случаях неметаллические включения в отливках служат причиной их поломки. Доля посторонних включений, вносимых футеровкой ковша и желоба, зависит от качества огнеупоров: так, шамотная футеровка ковша вносит включений 4,6%; каолинитовая - 2,7%; высокоглиноземистая - 1,5%. Соответственно шамотная футеровка желоба вносит включений 0,4%, каолинитовая - 0,7%, а высокоглиноземистая- 0,0%. По величине неметаллические включения можно разделить на два вида: микровключения, обнаруживаемые в шлифе под микроскопом при увеличении в 50-1500 раз, и макровключения, которые различают в изломе или на поверхности отливки или на полированной поверхности невооруженным глазом либо при помощи лупы. Источниками засорения сплава неметаллическими включениями в основном являются продукты реакций, которые протекают в результате взаимодействия расплавленного сплава с печными газами и металлоидами; продукты, получающиеся в результате взаимодействия флюсов, шлаков, раскислителей и футеровки печей, а также в результате взаимодействия сплава с футеровкой ковша. Образующиеся неметаллические включения могут растворяться в жидком сплаве и не растворяться в твердом сплаве. Такие неметаллические включения при охлаждении сплава в момент его затвердевания выделяются из сплава. Форма неметаллических включений в сплавах в большой степени зависит от температуры плавления. Неметаллические включения, имеющие более низкую температуру плавления, чем температура плавления сплава, лучше коагулируют и могут оставаться в затвердевшем металле в шаровидной форме. Неметаллические включения, которые имеют температуру плавления более высокую, чем температура плавления сплава, выделяются в твердом краями, иногда в виде развитого кристалла. К такого рода включениям относятся тугоплавкие силикаты, чистый сернистый марганец, глинозем и другие. Чем выше растворимость неметаллических включений в сплаве, тем труднее бороться с ними при охлаждении и затвердевании сплава. Для борьбы с растворяющимися в сплаве неметаллическими включениями необходимо знать закономерности изменения растворимости этих веществ в сплаве при понижении температуры. Исследованиями установлено, что неметаллические вещества, выделяющиеся из сплава в последний момент затвердевания, располагаются по границам зерен и ослабляют связь между ними. Вещества, нерастворимые в сплавах, выделяются из сплава задолго до затвердевания; в этом случае они располагаются внутри зерен или кристаллических образований. При литье сплавов неметаллические включения должны иметь температуру плавления ниже, чем температура плавления данного сплава. ОСНОВНЫЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В ЛИТЕЙНЫХ СПЛАВАХ В каждой группе литейных сплавов встречаются различные неметаллические включения, которые необходимо удалять из сплава. Естественно, что элементарные вещества, сплавляясь между собой, могут образовывать весьма сложные соединения. Различные окислы образуются во время плавки, однако исходные материалы могут также вносить в сплав неметаллические включения. В сплавах на основе алюминия особое внимание обращают на окислы алюминия, которые образуются при окислении алюминия во время плавки. Кроме окислов алюминия, в этих сплавах могут находиться и другие неметаллические включения, образовавшиеся от окисления компонентов алюминиевого сплава; Si02; CaO; ZnO; Fe203; MgO; ТiO2 и др. В магниевых сплавах основное внимание обращают на окись магния, которая может оставаться в отливках в качестве неметаллических включений. Наряду с окисью магния могут быть и другие неметаллические включения, которые образуются от окисления компонентов сплава: А1203, МпО, ZnO, Si02, CaO, Fe203и др. Кроме включений, образующихся в цветных сплавах от окисления компонентов сплава, неметаллические включения могут образовываться при взаимодействии флюсов и модификаторов с расплавленными сплавами. Типовые требования потребителей к содержанию неметаллических включений: ✓ размером менее 20 мкм, шт. – не регламентируются ✓ 20-50 мкм – не более 7 шт.; ✓ 51-100 мкм – не более 2 шт.; ✓ Более 101 мкм - не допускаются. Влияние примесей на свойства алюминия и его сплавов Кроме определяемых примесей (Fe, Si, Cu, Zn, Ti) в первичном алюминии находится более десятка других металлических примесей, в количествах нескольких тысячных или десятичных долей процента, среди которых наибольшее влияние на свойства алюминия оказывают натрий и некоторые другие щелочные или щелочноземельные металлы. Влияние железа. Железо присутствует в технических сортах алюминия в количестве нескольких десятых долей процента. В то же время оно мало растворимо в твёрдом алюминии. При температурах ниже температуры эвтектики (6550С) растворимость составляет 0,052% и менее, при 400-450 0 С она практически равна нулю. Второй фазой в эвтектике в системе Al-Fe является интерметаллид FeAl3, который выделяется в виде иголок или пластинок. Фаза FeAl3 состоит из 40,83% Fe и 59,17% Al. Кристаллическая решётка её относится к орторомбической с периодами а=47,7Å, в=15,52Å и с=8,11Å. Плотность FeAl3 составляет 3,811 кг/м3, температура плавления 11580С, микротвёрдость соответствует 9400 МПа. За счёт гетерогенезами структуры предел прочности и твёрдость сплавов увеличиваются, при этом пластические свойства резко снижаются. Кроме, того при содержаниях железа от 0,1 до 0,5% повышается скорость коррозии алюминия в кислой среде. Аналогичное влияние оказывает увеличение содержания железа и на свойства сплавов, причём наиболее сильно снижаются пластичность и ударная вязкость сплавов. В связи с этим железо, за исключением особых случаев, о которых будет сказано при рассмотрении групп сплавов, является одной из самых вредных примесей для алюминиевых сплавов. Влияние кремния. Кремний является неизбежной примесью в алюминии и за исключением сплавов, в которых он находится как легирующий элемент, оказывает отрицательное влияние на эксплуатационные и технологические свойства. Несмотря на высокую равновесную растворимость кремния в алюминии при температуре эвтектики, равную 1,65%, при неравновесных условиях кристаллизации уже при содержаниях кремния больших 0.05% наблюдается появление эвтектики. Нагрев металла под последующую пластическую деформацию приводит к переводу эвтектики в жидкое состояние, что затрудняет или исключает проведение пластической деформации, так как на деформированных изделиях появляются трещины. Трещины не образуются, если содержание железа превышает содержание кремния. В этом случае кремний связывается в тройные соединения AlFeSi, которые кристаллизуются при более высокой температуре, чем эвтектика Al-Si 12 (температура плавления фазы α (FeSiAl8) равна 630°C, фазы β (FeSiAl5) 611°C, а эвтектики α + Si - 577°C ) . Тоже самое относится и к некоторым деформируемым алюминиевым сплавам. Влияние меди. Входя в значительных количествах в твёрдый раствор, примесь меди не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на механические свойства алюминия, но играет существенную роль в коррозионных процессах, особенно для алюминия высокой чистоты. Установлено, что при содержании меди выше 2010-4 % алюминиевый лист толщиной 1,5 мм при выдержке в 20%-ной соляной кислоте прокорродировал насквозь в течение недели; в тех же условиях лист из алюминия, содержащего от 0,9 до 3х10-4% меди, разрушился только через 2 недели. Влияние олова и свинца. Образуя легкоплавкие фазы и эвтектики, эти элементы затрудняют термическую обработку, т.к. при нагреве под закалку они плавятся, что приводит к пережогу и охрупчиванию сплава. Однако у сплавов Al-Si-Mg указанное отрицательное влияние Sn и Pb не проявляется. Это связано с тем, что Sn и Pb, являясь электронными аналогами Si частично замещают его в фазе Mg2Si, изменяя состав последней до Mg2 Si0.3 B0.7 (где В – олово или свинец). При этом включения свободного Sn или Pb отсутствуют. При этом часть Mg, связываясь в эти соединения, не участвует в процессах упрочнения, поэтому необходимо увеличивать его содержание. ВЛИЯНИЕ ЩЕЛОЧНЫХ И ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ Достоверно установлено отрицательное влияние тысячных долей натрия на механические (особенно пластические) свойства алюминия при 350-4000С. При больших содержаниях натрий вызывает интеркристаллитную коррозию. Совместное присутствие Ca и Na также отрицательно сказывается на коррозионной стойкости Al, т.к. Ca способствует удержанию в металле большего количества натрия. Эти примеси способствуют получению рыхлых окисных плёнок, которые легко замешиваются в расплав и образуют шлаковые включения в слитках и отливках. Усиливая газопоглощение расплава в атмосфере, содержащей пары воды, эти элементы образуют гидриды, которые могут разлагаться при отжиге листов, приводя к образованию пузырей. Натрий является особо вредной примесью в Al-Mg деформируемых сплавах. Даже сотые доли процента натрия увеличивают объёмную усадку, микропористость и газонасыщенность сплава АМг6, существенно снижают ударную вязкость, удлинение и прочность. Особенно вредное влияние натрий оказывает на горячеломкость слитков при литье и пластические характеристики сплавов при горячей деформации. Интенсивный рост брака по горячим трещинам при литье начинается уже при содержаниях натрия 0,0007-0,0008 %, а при содержаниях больших 0,0015 достигает почти 100%. Растрескивание слитков, содержащих натрий, при прокатке связано с межзеренным разрушением металла. Растворимость натрия в жидком алюминии при температуре эвтектики 659 0С составляет по разным данным от 0,14 до 0,18%. При больших концентрациях происходит монотектический распад на жидкий раствор натрия в алюминии и жидкий натрий. Растворимость натрия в твёрдом алюминии при температурах 550-6500С равна 0,002%. Учитывая неравновесность реальных процессов затвердевания, предельная концентрация, соответствующая предельной растворимости, сдвигается в сторону более низких содержаний натрия. При затвердевании сплава остаточная жидкость постепенно обогащается натрием и на определённой стадии затвердевания его концентрация может достигнуть величины, соответствующей монотектическому разделению жидкости. Известно, что натрий является поверхностно активным элементом и стремится выделиться по границам зёрен, что в ещё большей степени уменьшает предельные концентрации, при которых натрий образует самостоятельную фазу. Форма выделяющейся фазы зависит от смачиваемости ею ранее закристаллизовавшейся твёрдой фазы. При плохом смачивании форма включения стремится к сферической, а при хорошем смачивании примесь размазывается в виде легкоплавкой плёнки по границам зёрен. Наличие этой плёнки способствует резкому снижению пластичности при высокой температуре и повышает вероятность образования горячих трещин при литье и пластической деформации. Горячие трещины при прокатке не возникают, если содержание натрия не превышает 710-4% для сплава AMг6, 810-4% – для AMг3 и 10104% для AMг2. Примесь натрия снижает технологическую пластичность и при прессовании. В сплавах других систем, где содержание магния не превышает 2%, натрий менее опасен, т.к. находится в структуре в виде сравнительно тугоплавкого интерметаллического соединения NaAlSi. В сплавах с достаточно высоким магнием реакция NaAlSi + 2Mg →Na + Mg 2Si +Al смещается вправо с образованием элементарного натрия. Алюминий, непосредственно сливаемый из электролизеров, обычно содержит 0,006 – 0,008 % натрия. Содержания натрия и кальция в алюминий сырце находится в диапазоне концентраций 35 – 80 ppm и 3 – 10 ppm соответственно. Влияние лития и калия. Оказывают модифицирующее действие на эвтектику в доэвтектических силуминах, в качестве модификаторов не применяются из-за более быстрого, чем Na , выгорания в случае с калием или из-за повышенной объёмной усадки при кристаллизации и резкого увеличения газоусадочной пористости в случае с литием. Наиболее вредными примесями для высокопрочных сплавов типа В95 и АК8 являются Li и Ва, так как снижают технологическую пластичность, увеличивают микропористость и загрязнённость металла окисными пленами. ВЛИЯНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ Реальные алюминиевые расплавы представляют собой сложные гетерогенные дисперсные системы, в которых наряду с растворёнными металлическими примесями и водородом, в виде взвеси находятся различные продукты взаимодействия металла с окружающей средой (оксиды, карбиды, остатки флюсов, кусочки футеровки и другие). При затвердевании металла выделяющийся водород приводит к образованию пористости, которая в сочетании с другими неметаллическими включениями и избыточными фазами, создаёт в твёрдом металле структурную неоднородность, отрицательную влияющую на технологичность и эксплуатационные свойства его. Наиболее чувствительными к структурной неоднородности оказываются пластические свойства сплавов, которые определяют вероятность высокотемпературного разрушения деформируемого металла. В основе разрушения лежит процесс образования пор, которые, сливаясь, перерастают в трещину. Зарождение пор происходит у включений, упругие и пластические свойства которых сильно отличаются от свойств матрицы. Образующиеся пустоты вначале вытягиваются вдоль направления действующих напряжений, а затем, сливаясь с соседними, образуют трещину, которая проходит преимущественно по границам зёрен. Чем грубее структура и больше скоплений по границам зёрен, тем ниже пластичность. Степень воздействия крупных и тонкодисперсных включений на свойства отливок и деформированных изделий неодинакова. Наиболее вредное влияние оказывают крупные плены и макроскопические шлаковые включения, расположенные в теле металла. В местах их расположения резко ослабляется сечение отливок, являющееся причиной уменьшения механических свойств. Кроме, того эти участки являются очагами развития коррозии, трещин из-за концентрации напряжений, что зачастую исключает возможность пластической деформации. Из-за разности теплофизических свойств основного металла и крупного включения возникает местная усадочная рыхлота, приводящая к появлению негерметичности отливок. В большинстве случаев такие включения обладают повышенной микротвёрдостью (~10000÷20000) МПа, что приводит к быстрому износу и поломкам режущего инструмента. Наличие включений, снижая технологическую пластичность сплавов, способствует разрушению слитков в процессе деформации, образованию расслоений (несплошностей) и плен в деформированных изделиях. Крупные неметаллические включения являются причиной образования трещин и «рванин» по кромкам листов и лент, сильно снижают усталостные свойства изделий. В отливках в местах их залегания наблюдается пористость и происходит потеря герметичности. Большое влияние на свойства сплавов оказывают и мелкодисперсные неметаллические включения. Они повышают вязкость расплавов, снижают жидкотекучесть и уменьшают объём усадочной раковины, способствуют развитию микропористости, являясь центрами зарождения газовых пузырьков при затвердевании металла. Несмотря на уменьшение размера зерна по мере увеличения тонкодисперсных неметаллических включений наблюдается снижение пластических свойств сплавов. Связано это с тем, что центрами кристаллизации становится незначительная часть включений, а основная масса их скапливается по границам зёрен, затрудняя их рост, и ухудшая условия питания, вызывает образование несплошностей. Наличие мелких неметаллических включений особенно сильно проявляется на кованых и штампованных изделиях из алюминиевых сплавов. Для поковок и штамповок характерна значительная неравномерность течения металла по сечению. По линиям наибольшего течения одних слоёв относительно других, имеющих место в условиях большого нормального давления, происходит сильное трение металла о твёрдые и хрупкие включения окисных плен. Плены распрямляются и разрываются, а металл получает местный наклёп и разогрев. В местах трения металла о плены образуются притёртые площадки сильно наклёпанного металла с разбросанными в них кусочками собственно плены. При таком строении невозможно отделить собственно плену от металла. Следовательно, плены, обнаруживаемые в штамповках и поковках являются не просто окисными пленами, а участками сильно наклёпанного и перегретого металла с вкраплениями частиц окислов. Чем больше содержание окислов в исходном металле, тем большую площадь занимают такие участки. Размер плён может колебаться от 0.1мм2 до 300 мм2 Детали, поражённые пленами, показывают резко пониженные механические свойства в поперечном направлении. Так снижение прочности на поперечных образцах достигает 50%, а удлинение снижается в десять раз, по сравнению с продольными Физико-химические и механические свойства алюминия. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ РАСТВОРИМЫЕ ПРИМЕСИ В АЛЮМИНИИ Главными неметаллическими примесями в алюминии являются кислород и водород. Кислород имеет низкую растворимость в жидком и твердом алюминии, а водород – высокую растворимость в жидком алюминии и чрезвычайно низкую растворимость в твердом алюминии. Кислород образует оксиды. Водород, растворенный в жидком алюминии, выделяется при его затвердевании и приводит к образованию усадочной пористости. На практике вредное влияние газовых примесей подавляется путем очистки расплава от водорода (обычно продувкой инертными газами или хлором) и путем его фильтрования с целью удаления оксидных частиц. Металлические примеси в алюминии Металлические примеси также классифицируют как примеси с низкой и высокой растворимостью в алюминиевом твердом растворе. Их растворимость в жидком алюминии обычно очень высокая. Примеси с высокой растворимостью в твердом состоянии обычно оказывают на механические свойства небольшое влияние, но сильно снижают электрическое сопротивление и могут влиять на процессы рекристаллизации и старения при термической обработке. Нерастворимые примеси в алюминии Отрицательное влияние примесей с низкой растворимостью связано с образованием фаз и/или эвтектик с низкой температурой плавления. Частицы фаз, не растворимые при гомогенизирующем отжиге, имеют обычно низкую пластичность и часто вытянутую форму. Такие частицы значительно снижают технологическую пластичность, относительное удлинение и прочность алюминиевого сплава. Кроме того, необходимо учитывать возможность соединения основных легирующих элементов в нерастворимые фазы. Такие фазы могут приводить к снижению, например, эффекта упрочнения старением. Нерастворимые фазы часто имеют электродный потенциал, сильно отличающийся от потенциала алюминиевой матрицы, что снижает коррозионную стойкость сплава. С другой стороны, низкорастворимые металлы почти не влияют на электрическую проводимость, что дает возможность применять их как легирующие добавки в электрических сплавах. Первичные и вторичные примеси в алюминии Примеси разделяют также на первичные, которые были уже в первичном металле, и вторичные, которые образовались или были привнесены на последующих этапах обработки сплава. Железо, как и кремний, принадлежит к группе примесей, которые имеют самое большое содержание в сплаве. Факторы, влияющие на содержание примесей в технологии получения слитков Снижения содержания примесей в алюминии Анализ процессов рафинирования алюминиевых сплавов Растворимые примеси удаляют химическими способами, нерастворимые (неметаллические включения) примеси – механическими способами. Рафинирование расплавов от растворенных примесей проводят во время приготовления сплава путем продувки газом, обработки флюсами и др. Рафинирование алюминия объединяет процессы дегазации и очистки расплавов от твердых включений. Специфичность взаимодействия отдельных сплавов с газами и оксидами, разнообразие требований к степени чистоты металла, различия в эффективности методов в зависимости от условий применения учитываются при выборе способов очистки или их комбинаций. Способы рафинирования по воздействию на расплавленный алюминий разделяют на неадсорбционные и адсорбционные. К неадсорбционным способам относятся отстаивание, вакуумирование, обработка ультразвуком, постоянным током и некоторые другие. При неадсорбционных методах рафинирования оксидные включения и водород удаляют воздействием, оказываемым на всю массу металла. К адсорбционным методам относятся фильтрование, обработка флюсами, нейтральными или активными газами или летучими галогенидами. При адсорбционных методах расплав соприкасается с рафинирующим средством, взаимодействующим с оксидными включениями и газами (водородом), и удаляет их из расплава. При этом все методы рафинирования по технологическим признакам можно разделить на три группы: 1) поверхностное рафинирование; 2) рафинирование в потоке; 3) рафинирование газами. Основными методами по снижению вредного влияния примесей являются различные технологические приемы (рисунок 1): ✓ очистка (рафинирование) расплава от примесей путем выдерживания сплава при некоторой температуре (выжигание примесей); ✓ вакуумная обработка для летучих примесей; ✓ продувка инертным газом или хлором; ✓ обработка флюсами; ✓ фильтрование; ✓ электролитическое рафинирование; ✓ зонное рафинирование. Рисунок 1 – Классификатор способов обработки алюминиевых расплавов Однако технологические операции не всегда способны снизить содержание примесей до приемлемого уровня, а в некоторых случаях они просто экономически не эффективны. Например, стоимость алюминия после зонного рафинирования может быть в несколько раз больше, чем первичный электролитический алюминий. Альтернативным путем является контроль над примесями путем дополнительного легирования и термической обработки. Специальное легирование изменяет фазовый состав, свойства и морфологию избыточных фаз, а термическая обработка может приводить к растворению, фрагментации и коагуляции частиц с неблагоприятной морфологией. Таблица 1 – Способы рафинирования алюминиевых сплавов Способы рафинирование флюсами рафинирование инертными газами рафинирование ультразвуком Сущность метода покровно-рафинирующие флюсы защищают сплавы от взаимодействия с атмосферой, очищают от оксидных включений и дегазируют их. Флюсы адсорбируют до 10% (по массе) оксида алюминия и растворяют до 1%; при этом удаляется и водород. используют азот или аргон. Газ пропускают снизу через всю толщину расплава; в пузырьки газа диффундирует водород, находящийся в расплаве. Всплывая, пузырьки захватывают взвешенные неметаллические включения и выносят их на поверхность. Рафинирование аргоном ведут при 720 – 730 С в течение 10 – 15 мин; давление 10 – 20 кПа. После рафинирования сплав выстаивают 5 -10 мин. эффект дегазации достигается применением комбинированных методов рафинирования (сочетание ультразвука и обработки расплава солями). Ультразвуковые волны в расплаве возбуждают упругие колебания, что приводит к временному разрыву сплошности сплава и образованию в них микрополостей с глубоким вакуумом. В эти полости диффундирует газ, образуя пузырьки, которые всплывают и удаляются в атмосферу. рафинирование фильтрацией Фильтрацию ведут через активные и инертные фильтры. Активные фильтры способны рафинировать от газовых до оксидных включений. Один и тот же фильтр может быть использован не более 3 – х раз. Инертные фильтры эффективны только при очистке расплавов от твердых неметаллических включений. Обработка расплава рафинирующими флюсами Один из главных элементов современной технологии производства литых заготовок из алюминиевых сплавов – это рафинирование расплава от инородных включений Обработка расплава специальными солевыми композициями – флюсами является технологичным и эффективным методом рафинирования алюминиевых сплавов в литейных цехах. Широкое применение имеют флюсы, состоящими из хлоридов и фторидов щелочных и щелочноземельных металлов. Принципиальная схема офлюсования неметаллических включений в расплаве приведена на рисунке 2. Рисунок 2 – Схема офлюсовывания неметаллических включений а – условия смачивания оксидов флюсами; б - условия смачивания оксидов металлом; в - условия смачивания флюса металлом Рафинирующее действие флюсов заключается в том, что они способны адсорбировать до 10 % (по массе) оксида алюминия и растворять его до 1 %, при этом удаляется и водород, образующий комплексы с Al2O3. Требования к флюсам Некоторые требования являются специфическими, относящимися к конкретной группе флюса, другие - общими для всех флюсов: 1. Температура плавления флюса должна быть меньше технологической температуры алюминиевого расплава, т.е. флюс должен быстро расплавляться и находиться в жидком состоянии. Исключением являются флюсы, используемые в качестве твердых активных фильтров для очистки алюминиевых расплавов. 2. Плотность жидких флюсов должна быть меньше плотности алюминиевого расплава, чтобы адсорбируемые и растворяющиеся в них примеси концентрируются в верхних слоях расплава, откуда удаляются вместе с флюсом. Соотношение плотностей флюса и расплава определяет поведение расплава во флюсе и флюса в расплаве. 3. Жидкотекучесть флюса должна быть достаточно высокой, а вязкость - небольшой, чтобы обеспечить быстрое его растекание по поверхности. 4. Флюс должен быть химически инертным к газам печной атмосферы и к футеровке печей. Желательно, чтобы он в меньшей степени вступал в химическое взаимодействие с алюминием, с целью уменьшения потерь металла. 5. Флюс должен обладать химической активностью по отношению к металлическим примесям и способностью к удалению неметаллических примесей. 6. Смачивающая способность жидкого флюса в отношении оксидной пленки и др. твердых неметаллических включений должна быть выше, чем у алюминиевого расплава. Одновременно жидкий флюс должен смачивать алюминиевый расплав, обеспечивая при этом быстрое восстановление флюсового покрытия при его нарушении. 7. За счет минимальной смачивающей способности в отношении расплава, что позволяет полностью отделить расплав от флюса при съеме шлака, флюс должен обеспечивать минимальное содержание алюминия в шлаке. 8. Летучесть флюса не должна быть большой, не приводить к изменению во времени его свойств и не создавать трудности в применении изза загрязнения окружающей среды и ухудшения условий труда. 9. Флюс должен обладать минимальной гигроскопичностью, чтобы исключить насыщение алюминиевого расплава влагой и неметаллическими примесями и предотвратить образование хлопков при применении. 10. Флюс не должен содержать дорогостоящих или дефицитных компонентов. Выбор состава флюсов На практике требования, предъявляемые к флюсам, часто противоречат друг другу, поэтому в каждом конкретном случае идут на компромисс, выбирая какое-то оптимальное решение, в наибольшей степени отвечающее всему комплексу требований, на основе учета свойств веществ, вводимых в состав флюса в качестве его компонентов. Выбор состава флюса для обработки алюминиевых расплавов всегда является поиском компромисса для удовлетворения требований к флюсу и его следует осуществлять на основе учета возможного влияния составляющих флюса на эффективность его применения. При выборе композиции флюса целесообразно исходить из следующих принципов: 1. Для обработки алюминиевых расплавов в качестве основы жидкого флюса следует использовать хлоридные смеси щелочных и щелочноземельных металлов, позволяющие получать композиции с регулируемой плотностью и температурой плавления. 2. Выбор основы флюса определяется в зависимости от химического состава алюминиевых сплавов, которые должны обрабатываться в расплавленном состоянии флюсом. В частности, следует применять: - систему NaCl-KCl - для алюминиевых сплавов, легированных магнием до 2% и не содержащих лития; - систему NaCl-MgCl - для алюминиевых сплавов, легированных магнием выше 2% и не содержащих лития; - систему KCl-LiCl - для алюминиев литиевых сплавов. 3. Для правильного выбора состава флюса необходимо руководствоваться соответствующими диаграммами плавкости солей. Смесь солей, составляющих основу флюса, должна быть эвтектической или близкой к ней. 4. Состав и количество вводимых добавок определяется назначением флюса: - для покровных флюсов следует применять добавки с низкой реакционной способностью по отношению к алюминиевому расплаву (ВаС12, CaF2, СаС12, BaF2 и др.). - для улучшения отделения металла от шлака в состав покровных флюсов целесообразно вводить небольшие (как правило, до 5% масс.) добавки фторидов с высокой реакционной способностью по отношению к алюминиевому расплаву (MgF2 , NaF, KF и др.). -для рафинирующих флюсов, предназначенных для очистки расплава от твердых неметаллических включений, следует применять, как правило, одну или несколько добавок с высокой реакционной способностью к алюминиевому расплаву: (MgF2, NaF, KF) в количестве до 10% (масс.) каждой, криолит (K3A1F6, Na3AlF6) в количестве 15-20 % (масс.), Na2SiF6 в количестве до 20 % (масс.) и др. Суммарное количество этих поверхностноактивных добавок должно быть таким, чтобы величина межфазного натяжения на границе металл-флюс <ом.фл была не менее 310 мН/м для устранения загрязнения алюминиевого расплава включениями флюса; -необходимо учитывать возможность химического взаимодействия между компонентами флюса, которое может заметно изменять его свойства. Например, ухудшать рафинирующие способности при совместном введении MgCl2 с NaF или KF, за счет нейтрализации действия этих поверхностно активных фторидов по реакциям: MgCl2 + 2NaF = MgF2 + 2NaCl, MgCl2 + 2 KF = MgF2 + 2 KC1, 5. Целесообразно использовать дешевые и менее дефицитные компоненты для производства флюсов. Например, A1F3, являющийся одним из самых эффективных флюсов для удаления магния из алюминиевых расплавов, можно заменять смесью плавленых хлоридов металлов, состоящим из эквимольной смеси NaCl-KCl с 30% СиС12, который более чем в 2 раза дешевле A1F3. Это относится и к замене соли NaF менее дорогой добавкой Na2SiF6 в рафинирующих флюсах. В этом отношении вообще перспективны поиски добавок во флюсы среди сравнительно дешевых отходов или субпродуктов металлургических и химических составов флюсовых композиций. Высокую эффективность по степени очистки алюминиевых сплавов от газовых включений оказывают таблетки НПП «Эвтектика» «Таблетки дегазирующие для доэвтектических и эвтектических силуминов, технического алюминия» с активными серосодержащими соединениями и «Таблетки дегазирующие для деформируемых и литейных сплавов на основе алюминия» позволяют проводить глубокую рафинирующе-дегазирующую обработку алюминиевых расплавов. Действие препаратов основано на рафинировании по классическому адсорбционно-флотационному механизму и на связывании водорода в устойчивые гидриды. Компоненты таблеток в расплаве подвергаются термической диссоциации с образованием продуктов диссоциации карбонатных и азотосодержащих присадок (инертные) и продуктов диссоциации серосодержащих газов (активных). Перспективными дегазирующими флюсовыми композициями рассматриваются карбонаты щелочных и щелочноземельных металлов и, прежде всего, карбонат кальция. Наряду с физико-химическими свойствами применяемых при рафинировании флюсовых препаратов, важнейшую роль на эффективность удаления щелочных и щелочноземельных металлов оказывают технологические условия рафинирования, в том числе способ введения флюсов и применяемое оборудования. Приготовление и очистка сплавов с применением электромагнитного перемешивания (МГДП) Особенностью очистки расплавов непосредственно в печах и миксерах является интенсивное перемешивание алюминиевого расплава без введения рафинирующих смесей (пассивное рафинирование) или с введением в процессе перемешивания газовой или газопорошковой смеси в расплав (активное рафинирование). Разработано достаточно много способов и устройств для электромагнитного перемешивания электропроводных расплавов в печах и миксерах, которые успешно могут применяться и для осуществления печного рафинирования. В России наибольшее распространение получили МГДП производства ООО «НПЦ магнитной гидродинамики» (г. Красноярск) и ОАО «Электросила» (г. Санкт-Петербург). За рубежом основным производителем МГДП является фирма ABB (Германия), однако небольшое количество МГДП выпускается и другими фирмами – General Electric Сo (США), Atomic International (США), Westinghouse Electric Corp. Оборудование для печного рафинирования расплава Одним из основных критериев получения высококачественных алюминиевых сплавов с высокой добавленной стоимостью является их соответствие по химическому составу заданным требованиям, в том числе и чистоте сплава. Повышенной чистоты достигают посредством рафинирования расплава перед его кристаллизацией Присутствие в металлах и их сплавах сотых и даже тысячных долей таких примесей значительно снижает их прочность и пластичность. Для очистки металлов от нежелательных примесей газов, оксидов, нитридов и щелочных включений разработан комплекс технологических операций, которые можно объединить общим понятием «рафинирование». Оборудование для очистки расплава Система очистки и перемешивания металла в печах SNIF HD-2000 Система SNIF HD-2000, поставляемая фирмой «Pyrotek» (Швейцария), обеспечивает автоматическую обработку металла в печи и является безопасной, эффективной альтернативой ручному использованию флюсовальных трубок (рисунок 3). Рисунок 3 – Внешний вид системы очистки и перемешивания металла в печах SNIF HD-2000 Преимущества использования системы: – автоматизация процесса, что делает его более безопасным по сравнению с флюсованием вручную; – более эффективная очистка металла по сравнению с флюсованием трубками; – эффективное использование газа для уменьшения выбросов. Имея встроенный дегазационный ротор пропеллерного типа, SNIF HD-2000 обеспечивает проведение непрерывной циркуляции и дегазации расплава. Для удаления водорода и очистки металла система перемешивания SNIF HD-2000 инжектирует рабочий газ под поверхность расплава, что увеличивает эффективность очистки расплава и уменьшает выбросы. SNIF HD-2000 можно устанавливать либо на полу рядом с печью, либо монтировать на боковой стенке печи. В нерабочем положении вал и ротор полностью выведены из печи. Для работы вал и пропеллерный ротор приводятся в рабочее положение. Ротор полностью погружается в расплав алюминия, что обеспечивает максимальное перемешивание и одновременную эффективную дегазацию металла. Система может быть использована для автоматической дегазации, рафинирования и перемешивания во всех печах по обработке алюминия. Система инжекции флюсов и рафинирующих агентов PAL FI60R Система PAL FI60R, поставляемая фирмой «Pyrotek» (Швейцария), может работать с печами периодического действия, раздаточными ковшами, раздаточными и плавильными печами. Преимуществ системы: – скорость подачи газа доходит до 113 л/мин, расход при инжекции флюса примерно равен от ~1 до 4,5 кг/мин, что позволяет успешно использовать данную установку как в литейных цехах, так и на предприятиях фасонного литья; – резервуар емкостью 10 галлонов (38 л) вмещает до ~45 кг флюса; – новая и улучшенная конструкция роторной подачи флюса позволяет инжекцию как порошковых, так и гранулированных флюсов; – инжектор флюса установлен на прочную четырехколесную раму, что способствует легкой транспортировке между разными печами завода. Использование системы PAL FI60R повышает качество расплава металла путем удаления включений и водорода, снижает количество формирующегося шлака, уменьшает появление оксидных отложений на стенках печи, понижает общий объем потребления флюса за счет инжекции флюса под поверхность расплава, сокращает эксплуатационные затраты, потребление энергии и экономит время, создает более чистые условия труда. Рисунок 4 – Внешний вид системы инжекции флюсов и рафинирующих агентов PAL FI60R Система увеличивает эффект инжекции флюса путем введения постоянного потока флюса под линию поверхности расплава. Инжекторы флюса могут использоваться либо в крупных алюминиевых раздаточных печах, в соединении с длинной трубкой для вдувания флюса, либо в небольшой тигельной печи, в соединении с графитовой трубкой. Инжекторы флюса могут использоваться либо в крупных алюминиевых раздаточных печах, в соединении с длинной трубкой для вдувания флюса, либо в небольшой тигельной печи, в соединении с графитовой трубкой. Установка PAL FI60R также может быть использована в соединении с одной из популярных дегазационных установок «Pyrotek» с вращающимся соплом, как STAR или HD2000, для повышения производительности. Оборудование для внепечного рафинирования расплава Поточные системы (рафинирование в линии желобов между миксером и литейной установкой). При возрастающей потребности в бездефектном алюминиевом литье возникла необходимость разработки оптимальных способов очистки расплава алюминия и его сплавов от неметаллических и газовых включений. Присутствие в металлах и их сплавах сотых и даже тысячных долей процента газовых и неметаллических примесей значительно снижает их прочность и пластичность. Система рафинирования алюминия SNIF SHEER P-60UHB Система SNIF SHEER P-60UНВ с двумя соплами, выпускаемая фирмой «Pyrotek» (Швейцария), обеспечивает номинальную непрерывную производительность рафинирования 27 000 кг/ч. Устройство системы показано на рисунке 5. Рисунок 5 - Общий вид системы рафинирования алюминия SNIF SHEER Установка состоит из печи рафинирования, двух вращающихся сопел SNIF SHEER, автоматических средств управления процессом PLC и регулирования нагрева печи. Для оптимальной эффективности печь разделена на две отдельные камеры рафинирования, каждая из которых оборудована вращающимся соплом, смонтированным на крышке печи. Каждая камера сконструирована таким образом, чтобы обеспечить полное насыщение расплава пузырьками рабочего газа и достичь максимальной степени рафинирования с помощью обоих вращающихся сопел. Встроенная система перегородок регулирует поток металла, обеспечивая эффективное рафинирование расплавленного алюминия при прохождении его через печь рафинирования. Наиболее важной особенностью конструкции P-60UНВ является возможность проведения быстрой и простой замены предварительно обожженной огнеупорной футеровки картриджа печи. Футеровка картриджа состоит из многослойного плотного огнеупора и изоляции. Все огнеупоры являются не смачиваемыми и термоотвержденными. Печи Р-60U имеют автономный гидравлический механизм подъема крышки, который поднимает верхнюю часть печи, чтобы обеспечить доступ ко всей поверхности ванны для чистки и обслуживания. В закрытом положении крышка печи обеспечивает прекрасное уплотнение по периметру, что препятствует инфильтрации воздуха и образованию шлака. Выпускное отверстие обеспечивает возможность опорожнения печи при замене сплава или чистке. Тот или иной тип установки рафинирования подбирается под технические условия заказчика, исходя из скорости литья, типа сплавов и конечной продукции. Рафинирование производится аргоном, хлором. Рисунок 6 – Двухкамерная установка SNIF с нагревательным блоком, с цельной крышкой и мачтой для подъема крышки Как работают установки дегазации Водород удаляется из расплавленного алюминия посредством барботирования инертного газа через металл. Инертный газ, обычно аргон, вводится в камеру с помощью одного или более вращающихся продувочных устройств или устройства инжекции другого типа. Инжектор расщепляет газ на пузырьки, которые насыщают расплавленный металл. Когда пузырьки технологического газа поднимаются к поверхности расплава, растворенный водород десорбируется из расплава. (рисунок 7) Добавление небольшого количества хлора (обычно 0.5% или менее) в технологический газ ломает связь между алюминием и любыми присутствующими не смачиваемыми включениями, давая возможность поднимающимся пузырькам газа прилипать к включениям и перемещать их к поверхности расплава. Рисунок 7 – Теория удаления водорода Система внепечного рафинирования LARS Система дегазации LARS представляет новое поколение оборудования для рафинирования алюминиевых расплавов. Рисунок 8 – Общий вид системы внепечного рафинирования LARS Ротор системы LARS, погруженный в расплав, имеет внутреннюю сеть каналов, по которым газовая смесь циркулирует перед ее инжектированием в расплав. За счет общей длины этих каналов время пребывания газовой смеси внутри ротора в 20 раз дольше, чем аналогичных системах дегазации алюминиевых сплавов. Нагрев газовой смеси до температуры расплава позволяет улучшить глубину очистки в среднем на 15% по сравнению с другими установками, при одинаковых исходных параметрах (начальные концентрации примесей металлов и водорода, такая же скорость потока металла и т. п.). Одним из факторов, влияющих на глубину очистки расплава, является профиль внутренней поверхности реактора (печь) Схема ванны системы LARS Схема подача дегазирующей смеси В процессе всплытия пузырьков дегазирующей смеси и их приближения к поверхности расплава, их объём увеличивается; это неизбежный физический процесс. Если поперечное сечение реактора остаётся неизменным по всей его глубине, увеличивающиеся в размере пузырьки раньше или позже начинают “тесниться.” Это способствует процессу их коагуляции и, естественно, ещё большему увеличению объёма пузырьков. В результате, глубина очистки расплава снижается. Для компенсации этой нежелательной ситуации вертикальный профиль реактора LARS имеет вид перевёрнутой трапеции, в отличие от других систем, где боковые стены строго вертикальны. Увеличение поперечного сечения реактора в его верхней части предотвращает коагуляцию пузырьков и увеличивает эффективность рафинирования расплава. Естественное изменение размера пузырьков газовой смеси компенсируется увеличением объёма реактора от дна к верхней части Так как ротор погружен в расплав, температура газа в период его более длительного прохождения через каналы достигает температуры всего на 90 100оС ниже температуры расплава. Как известно, объём пузырька газа увеличивается по двум причинам: уменьшению внешнего давления и увеличению температуры. При выходе из канала ротора в расплав давление, естественно, уменьшается, и объём пузырьков увеличивается. Чем больше объём пузырьков, тем меньше их поверхность в фиксированном объёме. Это приводит к уменьшению эффективности химических реакций удаления водорода и примесей щелочных металлов, а также механическому захвату пузырьками твердых неметаллических частиц, находящихся в расплаве. Специальный профиль нижней части ротора при вращении разбивает пузырьки и, таким образом, компенсирует влияние пониженного давления на эффективность рафинирования расплава. “Разбивание” пузырьков является стандартным способом улучшения хода химической реакции, и поставщики многих систем применяют его в своих машинах. Феномен увеличения объёма пузырьков вследствие разницы температур газа и расплава труднее компенсировать. Естественно, чем меньше данный температурный ингредиент, тем глубже степень очистки расплава. За счёт того, что в системе LARS температура газа и расплава отличаются не больше чем на 100оС, газ в пузырьках нагревается незначительно и, соответственно, почти не расширяется. Это позволяет сохранить меньший диаметр пузырьков и, как следствие, более глубокую степень очистки расплава. Максимальная температура газовой смеси в системах (SNIF, ALPUR и других) не превышает 150оС, что в несколько раз ниже температуры газа в системе LARS. Пузырьки газа, выходящие из ротора системы дегазации при такой низкой температуре немедленно увеличиваются в размере, что приводит к снижению эффективности рафинирования до 30%. Метод сохранения минимального размера пузырьков за счёт их максимального нагрева является уникальным технологическим решением, не применяемым ни в одной другой системе внепечного рафинирования алюминия. Нагрев газовой смеси до температуры расплава позволяет улучшить глубину очистки металла системой LARS в среднем на 15% по сравнению с аналогичным оборудованием, при одинаковых исходных параметрах (начальные концентрации примесей металлов и водорода, такая же скорость потока металла, и т.п.). Продольный профиль реактора LARS также выполнен нетрадиционно. Продольная геометрия реактора LARS одинакова, независимо от точек ввода и вывода расплава (вход и выход на одной стороне, на противоположных сторонах, на двух соседних стенках и т.п.). Такой профиль, плюс боковые стенки, расширяющиеся к верху, позволяют обеспечить минимальную турбулентность потока и предотвратить образование воронок вокруг вращающихся роторов, даже при скоростях вращения до 450 оборотов в минуту. Технические характеристики установки приведены в таблице 19. Таблица 2 – Технические характеристики установки LARS Параметр Значение Номинальная мощность, кВт 45 Электрическое напряжение, В 380 Число каналов в роторе для нагрева газа, 30 шт. Максимальная температура в реакторе, 732 °С Максимальная температура газовой 621 смеси в каналах, °С Производительность установки, т/ч 63,5 Количество роторов, шт 2 Частота вращения роторов: режим холостого хода, об/мин 200 рабочий режим, об/мин 500 Ультразвуковая дегазация расплава Метод ультразвуковой очистки расплавов обладает рядом преимуществ над другими методами дегазации, он не требует больших затрат энергии, экологичный и имеет не высокую стоимость. Ультразвуковая очистка расплавов (УЗО) или Ultrasonic melt treatment (UST) практикуется с 1950 года и известно, что обработка расплавов ультразвуком оказывает значительное влияние на процесс кристаллизации. Ультразвуковые колебания ведут к дегазации и, как следствие, к уменьшению пористости; измельчению частиц первичной фазы и зерен; фрагментации дендритов; уменьшение сегрегации и агломерации из-за больших акустических давлений, оказываемое при схлопывании кавитационных пузырьков. Изучение закономерностей ультразвуковой дегазации жидкостей (обычно в качестве модельного раствора используется вода) позволяет судить о возможности и перспективности использования этого метода в металлургии, где проблема дегазации металла стоит весьма остро. Широкий круг исследований по ультразвуковой дегазации металлических расплавов описан в работах Г. И. Эскина и Д. Г. Эскина. В исследованиях были выявлены закономерности ультразвуковой дегазации легких сплавов на основе алюминия и магния, создано ультразвуковое оборудование, пригодное для обработки расплава в процессах фасонного и непрерывного литья, разработана технология ультразвуковой обработки расплавов. Несмотря на специфические особенности процесса ультразвуковой дегазации различных металлических жидкостей, кинетика дегазации при ультразвуковой обработке подчиняется общим закономерностям. В частности, чем выше интенсивность ультразвука, тем эффективнее удаляется газ из расплава. Зависимость эффективности процесса от вводимой акустической мощности характеризуется тремя областями (рисунок 9). Формирование этих областей можно истолковать с позиций возникновения и развития в жидком металле акустической кавитации. Так в области I эффект дегазации практически отсутствует, ее можно назвать областью докавитационных режимов обработки. В области II эффективность дегазации сначала резко возрастает, а затем постепенно стабилизируется. Эта область относится к области режимов обработки, когда в расплаве начинает развиваться кавитация. Область III называют область развитой кавитации. Экспериментально установлено, что сочетание ультразвуковой обработки в режиме кавитации с введением модификаторов зародышевого типа приводит к формированию структуры субдендритного типа (не дендритная структура), а фактором, однозначно определяющим размер субдендритного зерна и обеспечивающим предельное его измельчение, становится скорость охлаждения (рисунок 9). Рисунок 9 – Влияние интенсивности УЗО расплава и эффективности развития кавитационных процессов при кристаллизации слитков со скоростью охлаждения 60 К/с на переход от дендритной к недендритной кристаллизации : I – кавитация отсутствует; II- начало кавитации; III- режим развитой кавитации Диаграмма перехода от дендритной к недендритной кристаллизации за счет повышения интенсивности УЗО расплава и развитию кавитации при непрерывном литье слитков диаметром 70 мм из высокопрочного алюминиевого сплава системы Al-Zn-Mg-Cu-Zr. Обработка алюминия в ковшах (ТАС-процесс) Технология обработки алюминия для удаления лития, натрия и кальция без использования хлора В соответствии с современными требованиями прекращения использования хлора на заводах, разработаны технологии позволяющие производить удаление щелочных металлов и включений без газообразного хлора. Процесс ТАС доказал эффективность сокращения содержания щелочных металлов в алюминиевых сплавах. В процессе ТАС для эффективного удаления щелочи и щелочноземельных металлов из жидкого алюминия, без использования газообразного хлора и/или технологических газов, таких как аргон или азот, фторид алюминия подается непосредственно в ковш. Конструкция ротора ТАС обеспечивает оптимальный контакт и постоянную рециркуляцию флюса. Действие ротора создает завихрение осевых и радиальных потоков, что гарантирует высокую эффективность (кинетическую) реакции при минимальной поверхностной турбулентности расплава. В технологии обработки алюминия в ковше (ТАС-процесс), в жидкий алюминий непосредственно в ковше в виде солевого флюса вводится фторид алюминия; в ковше вращающимся чугунным ротором создается воронка. Вращение является эксцентрическим, т.е. смещено относительно центра ротора, установленного на соответствующем расстоянии от дна ковша на соответствующей высоте в жидком металле (рисунок 10). Одним из основных преимуществ технологии обработки алюминия в ковше является достаточное наличие на алюминиевом заводе флюсового материала, который может быть возвращен в электролизеры после очистки стенок ковша машиной для очистки. Время обработки обычно составляет порядка нескольких минут, но зависит от целевых значений удаления щелочных (например, Li или Na); полное время цикла может составлять менее 10-15 минут, что позволяет проводить на одной станции обработку до 150000 тонн в год. Технология характеризуется высокой эффективностью удаления щелочных металлов, что позволяет, обеспечить снижение уровня Na в расплаве с 90-100 ppm до менее 3 ppm за разумное время обработки. Ещё одним применяемым в промышленности способом обработки алюминия в ковшах с целью удаления примесей щелочных металлов является введение AlF3 через полые вращающиеся роторы (RAM-процесс). Фтористый алюминий смешивается с газообразным аргоном в камере флюидизации и подается по трубопроводу в ротор, который распределяет смесь в металле. Щелочные металлы в основном реагируют с AlF3, но также в определенной степени выносятся на поверхность расплава с пузырьками газа. Также имеет место удаление неметаллических включений флотацией. Рисунок 10 – Схема установки системы очистки металла от натрия и карбидов в ковшах и снятия шлака с ковшей (ТАС-процесс) 1 Поворотная опора ТАС Поворачивается в три положения 2 Модуль ТАС Вводит AlF3 и перемешивает расплав 3 Система подачи Дозирует AlF3 и подает его в ковш 4 Блок гидропривода Поднимает и опускает ТАС 5 Модуль ACS Удаляет шлак и электролит с поверхности расплава 6 Стойка для инструментов Держит лопатки доступными для работы 7 Камера бункера для шлака Собирает шлак, удаляемый модулем ACS 8 Доступ к зоне управления Ограждающие конструкции Устройство предназначено для удаления шлака без вмешательства человека. Для этого робот оборудован инструментом, специально разработанным для удаления шлака, плавающий на поверхности жидкого металла. Инструмент для удаления шлака совершает круговые движения и собирает шлак, затем вываливает его в мульду, оборудованную вытяжкой. Шлак попадает в поддон, где происходит его охлаждение. Принцип действия технологи ТАС Высокая эффективность технологии ТАС / обработки алюминия в ковшах, по сравнению с традиционной внутрипечной обработкой в печах, основана на высоком сродстве фторида алюминия и щелочных металлов. Обработка производится в ковшах в процессе транспортировки металла из корпуса электролиза в литейное отделение. Конструкция ротора ТАС обеспечивает оптимальный контакт и постоянную рециркуляцию потока. Ротор создает вихрь с осевым и радиальным потоком, обеспечивающим высокую эффективность реакции при минимальной турбулентности поверхности. Непрерывная рециркуляция гранул флюса с высоким содержанием AIF3 в процессе обработки препятствует потерям расплава и способствует повышению чистоты металла. Отличительные особенности ✓ Эффективность и надежность удаления (до 95%) щелочей (лития и натрия). ✓ Повышение чистоты металла. ✓ Высокая экономия времени - время обработки менее 10 минут. ✓ Высокая производительность устройства. ✓ Регулируемые технологические параметры в соответствии с требованиями, предъявляемыми к продукции. ✓ Отсутствие необходимости использования хлора. ✓ Полная автоматизация цикла. ✓ Полная переработка отработанного AIF3 в операциях электролиза. Установка оборудована комплектом специальных приспособлений для максимального удаления твердого электролита и шлака с поверхности жидкого металла. Часть приспособлений устанавливается стационарно, часть являются подвижными и совершают круговые движения по ковшу, собирая шлак и твердый электролит. Шлак и электролит сбрасываются в воронку и собираются в бункер (рисунок 11). Общий вид установки Процесс подачи ALF3 Процесс снятия шлака Качество поверхности металла Рисунок 11 – Позиции работы установки ТАС Кроме снижения до минимума отрицательного воздействия электролита автоматизированное устройство для съема пены (шлака) также снижает трудозатраты и эксплуатационные расходы, а также улучшает условия безопасности и охраны здоровья. Эффективность данной установки оценивается в снижении Na в алюминии сырце. Требуемое содержание Na в сплавах 5,6 ххх серии 5 ppm (0,0050 %). Фактическое содержание Na в алюминии сырце 6 ppm (0,0060 %). Фактическое снижение Na в алюминии сырце после обработке на установке ТАС составляет - ppm (0,0009 %). Высокая эффективность технологии ТАС / обработки алюминия в ковшах, по сравнению с традиционной внутрипечной обработкой в печах, основана на высоком сродстве фторида алюминия и щелочных металлов. Фтористый алюминий, как и другие активные фториды может удалять вредные щелочные примеси. На его основе используются следующие составы флюсовых препаратов (таблица 3). от 80 до 95% (NaCl•KCl), от 5 до 10% AlF3; от 90 до 95% (MgCl2•KCl), от 5 до 10 AlF3. Таблица 3 – Степень рафинирования флюсами со фтористым алюминием и 6ти фтористым калиевым криолитом Содержание натрия, %, в момент времени, Степень Состав Удален мин рафинир. флюса, % о% ,% 10 20 30 35 MgCl2·KCl 0,05 0,032 0,026 0,020 0,003 0,047 94 + K3AlF6 MgCl2·KCl 0,026 0,018 0,014 0,01 0,001 0,025 96 + AlF3 Компания АLCOA предлагает использовать фтористый алюминий в составе следующего флюса: • хлорид калия от 30 до 90%; • фтористый алюминий от 5 до 40%; • фторсиликат калия от 5 до 40%. С точки зрения удаления щелочных щелочноземельных металлов, флюс представляет большой интерес, так как содержит в себе два активных реагента (AlF3 и K2SiF6). А процесс протекает по следующим реакциям: 2AIF3 + 3Mg → 3MgF2 + 2AI; AIF3 + 3Na →3NaF + AI; AIF3 + 3Li →3LiF + AI; 2AIF3 + 3Ca → 3CaF2 + 2AI. Компании AlCAN, HYDRO ALUMINIUM, HOESCH METALLURGIE предлагают использовать фтористый алюминий в чистом виде в процессе обработки роторными флотационными установками. В последнее время технология замешивания флюса, в том числе фтористого алюминия в расплав нашла широкое применение. Оборудование и материалы для фильтрации расплава Расплавы алюминия, а также их сплавы особенно чувствительны к дефектам, вызванным посторонними включениями. Так, слишком высокое содержание магния может привести к образованию разрушительных окислительных частиц. Также нежелательными являются шпинели, оксидные пленки, остатки шлака или отколовшиеся частицы футеровки печи или лотков. Решить эти проблемы можно путем фильтрации расплава. При фильтрации неметаллические включения улавливаются на фильтре, установленном на пути потока металла. Простые фильтры представляют собой сетки из стекловолокна. Они улавливают оксидные пленки, но не мелкие включения. Очистка металлических расплавов от взвешенных включений при фильтровании через зернистые фильтры обусловлена механическими и адгезионными процессами. Чем меньше диаметр зерен фильтра и плотнее их укладка, тем выше достигаемый уровень очистки расплавов от крупных включений пленок. С увеличением толщины слоя фильтра эффективность очистки увеличивается. Фильтры, смачивающиеся расплавами, более эффективны, чем несмачивающиеся. Эффект фильтрации также основывается на силах сцепления в фильтрующей среде в виде слоистого глинозема или кокса. Этот вид фильтрации применяется для производства высококачественных слитков для прессования или прокатки. С точки зрения качества литья - фильтрование обеспечивает увеличение механических и эксплуатационных свойств отливок. Эффективность фильтра зависит от размеров его ячеек. Тщательно контролируя размер ячеек в фильтре, можно достигнуть более постоянной эффективности фильтрации. Точность размеров чрезвычайно важна для обеспечения правильной установки фильтра в корпус фильтровальной коробки и предотвращения прохождения металла мимо фильтра или излишней нагрузки на фильтр. На данный момент наиболее применяемы четыре вида фильтров, это: сетчатые фильтры; фильтры с применением пенокерамики; фильтры с насыпной постелью (или BED-фильтр); трубчатые фильтры (сменный картридж пучка труб). Двойные фильтры Duplex filter Двойной фильтр – разработанный фирмой «Drache» (Германия) фильтр, объединяющий в себе две различные пористости. Эти фильтры используются так же, как и другие фильтры. Пропускная способность Duplexfilter примерно соответствует пропускной способности «обычного» фильтра такой же пористости, как среднее значение пористостей Duplexfilter, т.е. пропускная способность 20" Duplex 30/50 ppi соответствует пропускной способности 20" 40 ppi обычного фильтра. Фильтры Duplexfilter рекомендуется применять там, где предъявляются особо высокие требования к чистоте металла (где мельчайшие включения приводят к проблемам при изготовлении готового продукта). Несколько примеров: сплавы для изготовления фольги, детали для самолето и кораблестроения. Имеются Duplex filter таких же размеров, как и «обычные» фильтры, т.е. от 9 до 23". Это означает, что Duplex filter можно вставить в фильтр-бокс. Принципиально возможна различная комбинация пористости, исключение составляет только 10 ppi (технически не рационально). Чаще всего используют следующие комбинации 30/50 или 40/60 ppi.(рисунок 12). Рисунок 12 – Двойные фильтры Duplex filter Для изготовления двойного фильтра, как и для «обычного», используют одно и то же сырье. Посредством разработанного компанией специального процесса поролон перед пропитыванием связывают друг с другом. При этом соприкасающаяся поверхность между поро- лоном образует твердое соединение, которое одновременно остается открыто-пористым, однако без остатков клея или прочего. Эффективная двухступенчатая фильтрация достигается благодаря сочетанию различной пористости, поскольку между ячейками разного размера задерживается большее количество маленьких частиц. При предварительном нагреве необходимо особо обратить внимание на то, чтобы обе стороны фильтры были одинаково прогреты. Пенокерамические фильтры SIVEX Пенокерамические фильтры SIVEX применяют во всем мире для фильтрации расплавленного алюминия. С помощью фильтров очищают алюминий, используемый для изготовления авиационных сплавов, банок для напитков и для других ответственных применений. Фильтры SIVEX изготавливаются фирмой «Pyrotek» в Sierr (Швейцария) по стандартам ISO 9001:2008. SIVEX является продуктом на основе высокочистого оксида алюминия с фосфатным связующим (рисунок 13). Пенокерамические фильтры SIVEX обеспечивают экономически эффективное и надежное удаление включений из расплава алюминия. Точный уровень эффективности удаления включений может сильно меняться в зависимости от условий применения. Обычно эффективность увеличивается с уменьшением размера ячейки фильтра и скорости прохождения металла через фильтр. Рисунок 13 – Общий вид пенокерамического фильтра SIVEX При производстве фильтры подвергаются машинной формовке для уменьшения допустимых отклонений размера. Фильтры SIVEX специально обработаны и обладают очень низкой хрупкостью. Керамический состав SIVEX сочетает высокую прочность, прекрасную стойкость к воздействию расплава алюминия и превосходные тепловые свойства. Такое сочетание физических характеристик делает фильтры SIVEX идеальными для применения во всех видах литейных операций. Пенокерамические фильтры VUKOPOR® Пенокерамические фильтры VUKOPOR® A предназначены для обеспечения высокой чистоты заготовительного литья алюминиевых сплавов на металлургических заводах и для фильтрации алюминиевых отливок в литейных цехах (рисунок 14). Рисунок 14 – Общий вид пенокерамического фильтра VUKOPOR Фильтры имеют трехмерную структуру взаимно-связанных пор, образующих лабиринт керамического тела фильтра. Фильтры отличаются однородной керамической структурой с минимумом блокированных мест на обеих рабочих поверхностях. Таким способом создаются оптимальные условия для эффективной работы всех механизмов фильтрации. Химический состав керамики фильтра на базе Al2O3 обеспечивает эффективное улавливание нежелательных примесей, особенно включений сходного состава (оксидных плен). Благодаря высокой стабильности даже при длительном воздействии высоких температур фильтры VUKOPOR® можно успешно применять в фильтрационных боксах или в подогревательных печах для фильтрации больших объемов жидкого металла. Трубчатые фильтры Mitsui (со сменными картриджами) Эти фильтры являются самой передовой технологией в области тонкой фильтрации расплавов. Они способны улавливать микровключения размером до трёх микрон и исключать их попадание в расплав практически на 100 %. Из-за особенности строения фильтра и особенности свойств материала, из которого сделан фильтрующий элемент, на него просто не могут влиять те факторы, которым подвержены вышеописанные установки. Основным компонентом фильтрующего элемента является карбид кремния (SiC). Мелкие частицы этого материала спекают между собой особым способом в форму трубки, потом требуемое количество трубок собирают в форму так называемого картриджа (рисунок 15). Металлофильтр Mitsui Корпус трубчатых фильтров Рисунок 15 – Общий вид металлофильтра Mitsui со сменными картриджем Трубчатые фильтрующие элементы, в количестве от 7 до 28 штук, собираются в форме картриджа (рисунок 15), который устанавливается в корпус для фильтрования. Алюминиевый расплав просачивается через стенку фильтрующих трубок во внутреннюю полость и в очищенном виде выходит из корпуса – так в самом простом виде представляется конструкция металлофильтра. Особенности трубчатых фильтров - весьма значительна общая поверхностная площадь фильтрации. Общая поверхностная площадь одной трубки составляет 20″ х 20″ (примерно 2733 см2). Поскольку в картридж собираются максимально до 28 таких трубок, то получается в итоге внушительная поверхностная площадь фильтрации. Поэтому во время прохода алюминиевого расплава через фильтрующую поверхность, его скорость может быть небольшой (не требуется никакого дополнительного давления), и тем самым обеспечивается более высокий эффект фильтрации плюс производительность. Фильтровальные коробки фирмы «Drache» Фильтровальные коробки (боксы) предназначены для установки в них пенокерамических фильтров. Боксы производятся фирмой «Drache», Германия (рисунок 16). . Рисунок 16 – Фильтровальная коробка (фильтрбокс) Конструктивно камеры фильтрации состоит из корпуса, крышки, системы газового нагрева, механизма подъема крышки и открытия сливного шибера, монтажа электрического. Корпус фильтрационной установки изготовлен из стали. Внутри корпуса установлена теплоизоляция, представляющая собой послойно уложенные стекловолокнистую ткань, теплоизоляционные пластин WDS и пластины из керамического волокна. Крышка фильтрационной установки изготовлена из стали. В крышку вмонтированы 2 газовые горелки теплоизолированные керамическим волокном. Система газового нагрева включает в себя две газовые горелки для сжигания пропана с регулируемой мощностью 30-50 кВт, металлические шланговые соединения системы подачи газа и сжатого воздуха, систему управления нагревом и систему блокировки. Механизм подъема крышки представляет собой два пневмоцилиндра, кнопку подъема/опускания крышки и жесткие шланговые соединения линии сжатого воздуха. Фильтровальные установки (рисунок 17) возможны различных размеров, одно- или двухкамерные. Кроме этого, установки могут быть как с горизонтальным, так и с вертикальным расположением фильтров. Вертикальные фильтровальные установки используются там, где мало площади между печью (дегазатором) и литейным столом. Площадь основания вертикального фильтр-бокса примерно в 2,5 раза меньше основания горизонтальных установок того же размера. Таким образом, их легко эксплуатировать и производить их техническое обслуживание. Для обеспечения оптимальной эффективности фильтров необходим их предварительный нагрев. Рисунок 17 – Фильтрационная установка