Основы теории плавления алюминиевых сплавов

РАЗДЕЛ 2 ПЛАВЛЕНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ЛЕКЦИЯ 2.1 ТЕМА: ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПЛАВЛЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Из всех известных технологических приемов к наиболее сложным и наименее ясным по характеру протекания при этом явлений следует отнести технологию подготовки расплава к литью. Известно, что многие металлические расплавы (комплексно-легированные цветные сплавы) склонны к микрогетерогенизации в жидком состоянии. Поэтому установление причины микрогетерогенизации металлических расплавов (создание в металлическом сплаве структуры, состоящей из двух или нескольких фаз) и ее связи со структурообразованием и физико-механическими свойствами позволяет разработать рекомендации по подготовке расплавов к заливке. теоретические основы плавильного процесса плавление металлов и сплавов - один из видов фазовых переходов первого рода, характеризующихся изменением объема энтропии или теплосодержания (при постоянном давлении). Это переход из состояния, в котором атомы образуют правильную кристаллическую решетку, в состояние . при котором решетка уничтожается (полное уничтожение кристаллической структуры) расплав – многофазная система в которой совершаются гетерогенные реакции между металлической шихтой и шлаковой фазами, реакции в .системах металл – газ и другие межфазные взаимодействия при плавке - отдельные вещества (компоненты) и однородные совокупности веществ, ограниченные поверхностью раздела (фазы) вступают между собой в различные взаимодействия в общем случае можно выделить следующие фазы: газ, твердый металл, твердый углерод, флюс, футеровка, жидкий металл, жидкий шлак 8 Металлы отличаются от других твердых тел наличием свободных электронов. Эти электроны не связаны с каким-то определенным атомом и движутся по всему металлу. Свободные электроны определяют такие свойства металлов, как пластичность, электропроводимость и др. Плавление - относительно простой процесс еще и потому, что жидкий сплав имеет строение, малозависящее от условий его образования. В твердой плавящейся фазе перераспределения химических веществ. практически не происходит Известно, что кристаллическим телам свойственна строгая периодичность в расположении частиц. В то же время силы, удерживающие атомы в узлах кристаллической решетки, очень малы. Достаточно тепловой энергии самих атомов, чтобы они отклонялись от равновесного положения на заметные расстояния. Установлено, что при обычной температуре величина теплового колебания может составлять 5-10% межатомного расстояния. При нагревании металлов и сплавов от обычной температуры до температуры плавления происходит непрерывное поглощение энергии, которая расходуется на увеличение интенсивности указанных колебании и движений. До какого-то момента времени каждый атом находится на своем обычном месте и окружен соответствующим числом ближайших атомов, расположенных на расстояниях, примерно соответствующих совершенной структуре. Но наступает момент, когда эти расстояния нарушаются или у атома изменяется число соседних атомов. Этот период предплавления характеризуется значительным ростом дефектов структуры различного вида. Из приведенного следует, что количество вакансий зависит главным образом от температуры. Например, у алюминия одна вакансия приходится на 1012 атомов при комнатной температуре, а при температуре плавления - только на 103 атома. Наличие одной вакансии на 1000 атомов типично для твердых металлов вблизи температуры плавления. Особенность предплавления значительная интенсификация диффузионных процессов - связана с тем, что атомы получают возможность перемещаться на большие расстояния вследствие увеличения количества вакансий и их передвижения. При плавлении нарушаются термодинамическая устойчивость кристаллических решеток и характерный для твердого состояния порядок расположения атомов (молекул или ионов). В результате твердые кристаллические тела теряют постоянство формы, происходит скачкообразное изменение (увеличение) внутренней энергии, объема, энтропии и некоторых других физических свойств металлов и сплавов. Сплавы, в отличие от однокомпонентных веществ, плавятся в некотором интервале температур, зависящем от их состава и давления. Тепло, образующееся в плавильных агрегатах в результате горения топлива или иного процесса, передается твердой металлической шихте и, в первую очередь, расходуется на тепловое расширение, являющееся следствием увеличения колебательного движения атомов относительно их обычного равновесного положения. С повышением температуры колебательные движения увеличиваются и твердое тело, проходя через область неустойчивых состояний, превращается в жидкое. Чтобы этот процесс мог завершиться полностью, в рабочее пространство печи должно поступать количество теплоты, необходимое для обеспечения отрыва атомов от их обычного равновесного положения и для компенсации различных потерь теплоты сопутствующих плавлению процессов. Особенностью многих процессов плавки в литейном производстве является необходимость достижения таких температур, при которых твердая металлическая шихта была бы превращена в такое состояние, при котором в максимально возможной степени будут уничтожены остатки структуры, характерной для твердого состояния. Некоторый перегрев выше температуры плавления необходим для того, чтобы расплавление кристалла началось внутри него. Следует отметить, что переход в жидкое состояние не всегда приводит к полному уничтожению кристаллической структуры. В жидкостях можно встретить некоторую упорядоченность расположения молекул, выражающуюся в том, что в отдельных ультрамикроскопических участках объема молекулы образуют ничтожно малые по размерам кристаллиты. Такие образования в жидкостях обнаруживаются при температурах, близких к температуре плавления. Полное уничтожение остатков кристаллического строения может быть достигнуто только при дальнейшем повышении температуры и длительной выдержке расплава. При плавлении объем металлов увеличивается на 3-4 %, что необходимо учитывать при изучении кристаллизации отливок в литейных формах, оснастке. Многие литейные сплавы, особенно цветные, содержат легко испаряющиеся компоненты. В литейном производстве, поэтому широко используют плавку в вакууме. При любой температуре выше абсолютного нуля все вещества, в основном жидкие, испаряются. Молекулярно-кинетическая теория дает объяснение этому явлению. На поверхности жидкости или твердого тела энергия отдельных молекул значительно превышает среднюю для данной температуры. Эта энергия может быть достаточной для отрыва молекул и рассеивания их в окружающем пространстве. Скорость испарения вещества определяется давлением его пара, зависящим от температуры, и внешним давлением других газов (например, воздуха) над испаряющимся веществом. Давление пара испаряющегося вещества зависит от его природы, температуры и кривизны поверхности и почти не зависит от давления других газов над испаряющимся веществом. Однако скорость диффузии пара, влияющая на общую скорость испарения, уменьшается с увеличением давления постороннего газа в системе. Это обстоятельство учитывают и используют в реальных плавильных процессах для уменьшения потерь легкоиспаряющихся компонентов сплава. Скорость испарения можно значительно снизить, если свободную поверхность испаряющейся жидкости покрыть поверхностно-активным слоем достаточно большой толщины. Слой шлака на жидком металле затрудняет испарение и является желательным при обычной плавке. Диалектический метод познания требует, чтобы явления или процессы рассматривались не оторвано друг от друга, а во взаимной связи, не остановившимися и неподвижными, а в их постоянном движении и изменении Применительно к теории плавки цветных металлов и сплавов эти требования наиболее просто могут быть выполнены, если процесс плавки разбить на отдельные элементарные процессы и выяснить влияние на них отдельных факторов. Процесс плавления металлов и сплавов является достаточно сложным из-за «накладывающихся» друг на друга различных физико-химических явлений Целью плавильного процесса является получение металла заданного химического состава с минимальным содержанием растворенных газов и неметаллических включений, так как они существенно снижают механические и эксплуатационные свойства отливок и во многих случаях являются основной причиной брака литья. В теории плавки можно рассмотреть следующие элементарные процессы и явления: 1. Взаимодействие металла с другими веществами в рабочем пространстве печи: ✓ взаимодействие твердого металла с твердыми веществами рабочего пространства печи; ✓ взаимодействие твердого металла с жидкими веществами в рабочем пространстве печи; ✓ взаимодействие твердого металла с атмосферой печи; 2. Взаимодействие расплавленного металла и сплава с твердыми веществами в рабочем пространстве печи: ✓ взаимодействие расплавленного металла и сплава с жидкими веществами в рабочем пространстве печи; ✓ взаимодействие расплавленного металла и сплава с атмосферой печи. 3. Шихтовые материалы и их плавление: ✓ состав и физическое состояние шихтовых материалов; ✓ ✓ ✓ ✓ явления при плавке, связанные с повышением температуры; явления при введении составных частей шихты в сплав; порядок загрузки составных частей шихты в сплав; расчет шихт. 4. Раскисление: ✓ раскисление как химический процесс восстановления оксидов, растворенных в металле; ✓ удаление твердых оксидов из расплавленного металла или сплава методом флюсования или флотационным путем. 5. Влияние прочих факторов на процессы плавки: ✓ движения металла в печи; ✓ размеров и формы рабочего пространства печи; ✓ температуры металла; ✓ давления в рабочем пространстве печи; ✓ времени плавки; ✓ точности соблюдения технологических требований аккуратности работы. и физико – химические процессы в теории плавки Основные (теплофизические) процессы, связанны с нагревом и плавлением шихтовых материалов, растворением легирующих элементов и выравниванием химического состава расплава в ванне печи, а также нагревом его до заданной температуры - заключаются в переносе тепла и вещества Сопутствующие (физико-химические) процессы обусловлены взаимодействием металла с атмосферой, флюсами и футеровкой печи, насыщением его газами и твердыми неметаллическими включениями ТЕОРИЯ ПЛАВКИ РАССМАТРИВАЕТ СЛЕДУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ ✓ ✓ ✓ ✓ . взаимодействие металла с другими веществами в пространстве печи удаление газов из раствора в металлах и сплавах шихтовые материалы и их плавление в пространстве печи влияние прочих факторов на процессы плавки Деление процесса плавки на элементарные процессы и рассмотрение элементарных явлений, происходящих при этом, и, наконец, установление отдельных факторов плавки на упомянутые элементы плавки в их взаимной связи друг с другом представляет преимущество перед другими методами изучения. Оно позволяет точнее устанавливать поведение различных металлов и сплавов при плавке, разрабатывать технологический процесс плавки новых сплавов, быстрее находить причины неполадок производства, устанавливать причины брака и рекомендовать способы его предотвращения. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ Отправными точками при создании технологии плавки металла или сплава являются его состав, который включает в себя основу, легирующие компоненты и примеси, и заданный уровень механических и других свойств сплава в литой заготовке. Кроме того, учитывается количественная потребность в расплаве в единицу времени. Способы плавки алюминиевых сплавов зависят от применяемого типа печей и шихтовых материалов. Тип плавильных печей выбирают в зависимости от характера производства и назначения сплава. нагрев и расплавление способы нагрева шихты сверху ( отражательные печи) снизу - теплопроводность с боков - нагрев всей массы шихты (индуктируемыми в металле токами) преимущества и недостатки этих способов ? теплопроводность, теплоемкость какова значимость этих характеристик для плавильных процессов? окислительная и восстановительная атмосфера печи целесообразность влияния таких атмосфер на алюминий? 45 ОБЩИЕ СПЛАВОВ ПРАВИЛА ПРИГОТОВЛЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ 1. При плавке на свежих шихтовых материалах и лигатурах в первую очередь загружают (целиком или по частям) алюминий, а затем растворяют лигатуры. 2. Если плавка ведется на предварительном чушковом сплаве или на чушковом силумине, в первую очередь загружают и расплавляют чушковые сплавы, а затем подшихтовывают сплав необходимым количеством алюминия и лигатур. 3. Сильно склонные к угару металлы, например цинк, магний, вводят в сплав в последнюю очередь, желательно под слой флюса. 4. Если шихта состоит из отходов и чушковых металлов, очередность загрузки определяется количеством составных частей шихты: в первую очередь загружают в печь и расплавляют наибольшую часть шихты. Если, однако, отходы сильно загрязнены, то лучше их вначале расплавить, дегазировать и затем загружать чушковый металл. 5. Если емкость печи и габариты шихты позволяют загружать различные ее составляющие одновременно, то вместе загружают то, что имеет близкую температуру плавления, например силумин, отходы, чушковый алюминий. Шихту подбирают с наименьшим количеством примесей для данного сплава. Укладку шихты в печь надо производить компактно, расплавление вести быстро. При загрузке в жидкую ванну твердую шихту необходимо предварительно подогревать. Шихтовые материалы и возвраты необходимо хранить в сухих и теплых помещениях. Хранение их в сырых помещениях или же на открытом воздухе приводит к адсорбции влаги и усиленному окислению. классификация шихтовых материалов основа металлических шихтовых материалов - первичные и вторичные черные и цветные металлы и лигатуры первичные продукция получаемая из рудных материалов поставляется в чушках вторичные лом, отходы металлов и сплавов, сплавы цветных металлов, выплавляемые из лома и отходов Сплавы в чушках – это готовые литейные сплавы Концентрация элемента в процессе плавки изменяется - происходит угар, либо пригар элемента. В связи с этим на первом этапе расчета шихты определяется средний химический состав исходя из требуемого химического состава жидкого сплава. При выборе шихты необходимо учитывать - в разных сплавах допустимо различное содержание примесей Шихту обычно составляют из отходов и 20—60% свежих материалов, тщательно взвешивают в соответствии с расчетными данными. Расчет шихты литейных алюминиевых сплавов проводят по данным ГОСТа (по среднему или оптимальному составу). В зависимости от особенностей сплавов и требований к свойствам отливки состав одних компонентов рассчитывают по минимальному количеству, других — по максимальному, а третьи компоненты рассчитывают по среднему количеству. Например, при расчете шихты для приготовления слитков из алюминиевых сплавов АК4, АК5, АК6 и Д16 содержание меди в сплавах берут по верхнему пределу, что способствует снижению склонности сплавов к трещинообразованию, а содержание железа, магния и кремния принимают, наоборот, по нижнему пределу, для уменьшения ликвации. Сплав АЛ4 имеет следующие пределы химического состава по ГОСТу: 8 -10,5% Si, 0,25- 0,5% Mn, 0,17- 0,3% Mg, остальное Al. Обычно расчет ведут на содержание кремния 8,25- 9,25%. Пониженное по сравнению со средним (9,25%) содержание кремния берут потому, что это способствует повышению прочности, уменьшению концентрированной усадки и ликвации сплава. Но чрезмерное понижение кремния вызывает уменьшение жидкотекучести и механических свойств, что особенно важно при литье тонкостенных деталей. Поэтому в таких случаях расчет ведут на содержание кремния 9,25%. Марганец вводят в сплав АЛ4 главным образом для устранения вредного влияния железа, но повышенное содержание марганца может вызвать сильную ликвацию. Поэтому если шихта сравнительно чистая по железу, то расчет ведут на среднее содержание марганца (0,37%), а если шихта сильно загрязненная, то количество марганца доводят до 0,45%, т. е. ближе к верхнему пределу. Особенно важно при составлении шихты сплава АЛ4 учитывать влияние магния на механические свойства этого сплава. При содержании магния на нижнем пределе сплав будет иметь пониженную прочность и твердость, но высокую пластичность. Часто при выборе оптимального состава сплава приходится учитывать одновременно влияние на свойства сплава нескольких компонентов и затем выбирать наиболее удобные их сочетания. Например, сплав Д19 (3,8- 4,3% Cu; 1,8-2,3% Mg) высокие жаропрочные свойства имеет в том случае, если суммарное количество меди и магния в сплаве будет равным 6,1%, что необходимо учитывать при расчете шихты. При плавке сплава АЛ19 (4,5— 5,3% Cu, 0,6 -1,0% Mn, 0,25- 0,35% Ti, При разработке технологии плавки учитывают, что масса полученного жидкого металла всегда будет несколько меньше массы металлической шихты из-за потерь металла в шлаке и потерь на угар. Эти потери составляют в сумме 2-5 %, при этом, чем больше масса единичной плавки, тем меньше потери. 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, цинковых, сплавов. Если же образующаяся пленка нерастворимых соединений непрочна и неспособна защитить расплав от дальнейшего взаимодействия (магний и его сплавы), то принимают специальные меры, используя флюсы или защитную атмосферу. управление плавильными процессами для получения качественного литейного сплава заданного химического состава с высоким уровнем литейных свойств необходимо предварительное решение многих вопросов: ✓правильно выбрать нужный плавильный агрегат, который обеспечит оптимальный режим плавки при достаточной производительности ✓ предупредить возможные загрязнения сплавов продуктами взаимодействия с атмосферой, материалами футеровки печи, флюсами ✓ выбрать наиболее эффективный способ легирования, рафинирования, модифицирования расплавов ✓ обеспечить условия, при которых потери металла на испарение, окисление, шлакообразование были бы минимальными процессы происходящие при плавке При плавлении изменяются - структура, физические, химические и технологические свойства сплава, особенно важны: удельная теплоемкость, теплота плавления и испарения, термическое расширение, теплопроводность, вязкость и поверхностное натяжение Во время плавки жидкие металлы обладают одним важнейшим физическим свойством - реакционной способностью с окружающей средой (газами, жидкими и твердыми телами) Поглощение газов металлом проходит через следующие стадии: атаку поверхности металла молекулами газа; диссоциацию их на поверхности; адсорбцию атомов газа поверхностью и их диффузию внутрь; абсорбцию атомов газа металлом с образованием раствора или химического соединения Всякие технологически нежелательные вещества, попадающие в расплавленный металл при плавке, вызывают загрязнение расплава В результате физико-химических процессов, происходящих при плавке, между расплавом и окружающей средой образуются твердые продукты различного химического состава и формы Защита расплава от взаимодействия с газами необходима, если газ растворяется в жидком металле. совершенно 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 аллюминиевомагниевые 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. классификация примесей в сплавах степень чистоты сплава - суммарное содержание в сплаве основного и всех легирующих компонентов, выраженное в весовых процентах постоянные (неизбежные) примеси - содержание их предопределяется особенностями металлургического процесса и наличием этих примесей в исходных материалах первичной металлургической плавки (в руде, флюсах и т. д.) случайные примеси (загрязняющие) - попадают в сплав случайно ухудшают свойства сплава, могут оказывать влияние на структуру и свойства сплавов, превосходящее влияние основного компонента лигатура - передельные сплавы из цветных металлов, используемые в процессах приготовления цветных сплавов модификаторы - металлы или сплавы (иногда и неметаллы) которые в очень малых количествах вводят в сплав для преднамеренного изменения его структуры или для получения определенных свойств его в жидком или твердом состоянии Многие сплавы находят применение, в модифицированном состоянии, когда они приобретают мелкокристаллическое строение и более высокие механические или технологические свойства. Операция модифицирования проводится как одна из последних ступеней процесса плавки непосредственно перед разливкой. При разработке технологии плавки учитывают, что масса полученного жидкого металла всегда будет несколько меньше массы металлической шихты из-за потерь металла в шлаке и потерь на угар. Эти потери составляют в сумме 2-5 %, при этом, чем больше масса единичной плавки, тем меньше потери. Шлак, всегда появляющийся на поверхности расплава, представляет собою сложную систему из сплавов-растворов и смесей оксидов основного компонента сплава, легирующих компонентов и примесей. Кроме того, в шлаке обязательно присутствуют оксиды футеровки плавильной печи. Такой естественно возникающий на расплаве первичный шлак может быть полностью жидким, частично жидким (творожистым) и твердым. Кроме оксидов, шлаки всегда содержат некоторое количество свободного металла. В жидких и творожистых шлаках свободный металл находится в виде отдельных капель - корольков. Если же оксиды, составляющие шлак, находятся ниже своей точки плавления, то они являются твердыми. При перемешивании расплава и попытках удаления с него шлака происходит замешивание этих оксидов, часто и имеющих вид плен, в расплав. Таким образом, несмотря на тугоплавкость оксидов, образующийся и удаляемый шлак имеет жидкую консистенцию, которая обусловлена большим количеством захваченного расплава. В таком шлаке количество свободного металла составляет около 50% от всей массы удаляемого шлака, тогда как в действительно жидких шлаках его содержание не превышает 10-30%. Потери металлов при плавке на угар определяются их испарением и взаимодействием с футеровкой, выражающемся в ее металлизации. Металл, находящийся в шлаке, может быть возвращен в производство. Наиболее просто это достигается по отношению к свободному металлу, не связанному в какие-либо соединения. Дробление и просев шлака позволяют возвратить 70-80 % свободного металла. Оставшийся шлак представляет собой доброкачественное металлургическое сырье, и его направляют на металлургические предприятия для выделения наиболее ценных компонентов. При определении потерь металла при плавке на угар и со шлаком нельзя забывать о загрязненности шихтовых материалов инородными неметаллическими примесями и включениями в виде остатков масла, эмульсии, воды, шлака. Масса этих примесей при невнимательной работе автоматически засчитывается как масса подвергаемого плавке металла, и в итоге получается необоснованно завышенная величина потерь при плавке. Важной стороной технологии является температурный режим плавки, порядок загрузки шихтовых материалов и введения отдельных компонентов сплава, последовательность технологических операций металлургической обработки расплава. Плавку всегда проводят в предварительно разогретой печи, температура в которой должна быть на 100-200 °С выше температуры плавления основного компонента сплава. Желательно, чтобы все загружаемые в печь материалы были нагреты до 150-200°С с тем, чтобы в них не оставалась влага. Первым в плавильную печь загружают тот шихтовой материал, который составляет наибольшую долю в навеске. В случае приготовления сплава из чистых металлов первым всегда загружают основной компонент сплава. Если плавку ведут с применением шлаков и флюсов, то их обычно засыпают сверху загружаемой металлической шихты. Если условия производства позволяют, новую плавку начинают, оставляя в печи некоторое количество расплава от предыдущей плавки. Загрузка шихты в жидкую ванну существенно ускоряет процесс плавки и снижает потери металла. Сначала в жидкую ванну загружают более тугоплавкую шихту. Периодически добавляют свежий шлак или флюс и, если необходимо, удаляют старый. Если по технологии необходимо раскисление расплава (удаление растворенного кислорода), то его проводят таким образом, чтобы избежать образования в расплаве трудно удаляемых и вредных неметаллических включений и обеспечить надежное удаление продуктов раскисления. В последнюю очередь в расплав вводят летучие и химически активные компоненты сплава, чтобы уменьшить их потери. Затем проводят рафинирование расплава. Непосредственно перед разливкой расплав модифицируют. Условия введения отдельных видов шихты или компонентов сплава в жидкую ванну целесообразно определять, сопоставляя температуру плавления загружаемого материала и его плотность с температурой плавления и плотностью сплава. Необходимо также знать хотя бы двойные диаграммы состояния основного компонента сплава с легирующими компонентами, примесями и модифицирующими и добавками. В подавляющем большинстве случаев все легирующие компоненты и примеси растворяются в жидкой основе сплава, так что расплав можно считать раствором. Однако получение и образование такого раствора осуществляют различными путями. Если очередная твердая добавка будет иметь температуру начала плавления более высокую, чем расплав, то возможно лишь обычное растворение твердого тела в жидком. Для этого необходимо активное принудительное перемешивание. Указанная тугоплавкая добавка может иметь плотность, меньшую плотности расплава, и в этом случае она будет плавать на поверхности, где возможно ее окисление, запутывание в шлак. Отсюда возникает опасность непопадания в заданный состав сплава. Если такая "легкая" добавка имеет меньшую температуру плавления, чем расплав, она переходит в жидкое состояние и поэтому ее дальнейшее растворение в расплаве существенно облегчается. В некоторых случаях, чтобы избежать окисления и потерь, подобные добавки вводят в расплав с помощью так называемого колокольчика - дырчатого стакана, в который закладывают вводимую добавку, и затем погружают в расплав. Если добавка тяжелее расплава, она погружается на дно жидкой ванны, поэтому ее окисление маловероятно. Однако трудно проследить за растворением таких добавок, особенно если они более тугоплавки, чем расплав. Необходимо достаточно длительное и тщательное перемешивание всей массы расплава, чтобы обеспечить полное растворение. Для приготовления сплавов нередко пользуются лигатурами промежуточными сплавами, состоящими обычно из основного компонента рабочего сплава с одним или несколькими легирующими компонентами, но в значительно больших содержаниях, чем в рабочем сплаве. К использованию лигатур приходится прибегать в тех случаях, когда введение компонента-добавки в чистом виде затруднено по различным причинам. Такими причинами могут быть длительность процесса растворения, потери от окисления, испарения, шлакообразования. Лигатуры используют также при введении химически активных добавок, которые на воздухе в свободном виде могут взаимодействовать с кислородом и азотом. Лигатуры широко используют и в тех случаях, когда чистый элемент-добавка слишком дорог или его вообще не получают, производство же сплавов-лигатур уже освоено, они доступны и достаточно дешевы. Наконец, лигатуры целесообразно применять при необходимости введения в сплав очень малых добавок. Навеска чистой добавки может составлять всего несколько сот граммов на несколько сот килограммов расплава. Надежно ввести такое малое количество легирующего компонента практически невозможно из-за различного рода потерь и неравномерности распределения. Использование лигатуры, которую вводят в значительно большем количестве, устраняет эти трудности. Следует отметить, что общим правилом технологии плавки сплавов является как можно меньшее время процесса. Это способствует уменьшению затрат энергии, потерь металла, загрязнения расплава газами и примесями. Вместе с тем необходимо иметь в виду, что для полного растворения всех компонентов и усреднения состава сплава обязательно следует "проварить" расплав - выдержать его при наибольшей допустимой температуре в течение 10-15 мин. ЛЕКЦИЯ 2.2 ТЕМА: ПЛАВИЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ КЛАССИФИКАЦИЯ ПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Технические требования по качеству металла, выдвигаемые сегодня заказчиками перед алюминиевой промышленностью, являются весьма жесткими. Поэтому все процессы получения алюминия и его сплавов, начиная с хранения шихтовых материалов и заканчивая транспортировкой продукции, требуют особого внимания и постоянного контроля. Печи для плавки алюминия и его сплавов Современные печи, предназначенные для плавки алюминия и его сплавов, должны удовлетворять таким требованиям, как: малые потери расплавляемого материала, сохранение качества расплава, низкий уровень теплового и шумового воздействия на оператора в процессе работы, эффективное использование электроэнергии, удобство при обслуживании и ремонте. Низкие потери на аккумуляцию в футеровке достигаются благодаря качественной футеровке с применением специальной комбинации из плотных огнеупорных материалов и плит из керамических волокон, что обеспечивает быстрый разогрев и эффективную работу печи. Для плавки сплавов могут быть применены любые плавильные печи, отвечающие требованиям выплавки данного сплава и условиям производства. Плавку алюминиевых сплавов производят в пламенных отражательных печах, подовых электропечах сопротивления и индукционных печах. По назначению различают печи плавильные, раздаточные и плавильно - раздаточные. Отправными точками при создании технологии плавки металла или сплава являются его состав, который включает в себя основу, легирующие компоненты и примеси, и заданный уровень механических и других свойств сплава влитой заготовке. Кроме того, учитывается количественная потребность в расплаве в единицу времени. Тип плавильной печи подбирают исходя из температуры плавления основного компонента сплава и химической активности, как его, так и всех легирующих компонентов и наиболее вредных примесей, одновременно решается вопрос о материале футеровки печи. плавильное оборудование требования к печам ✓ малые потери расплавляемого материала ✓ сохранение качества расплава ✓ низкий уровень теплового, шумового воздействия ✓ эффективное использование электроэнергии ✓ удобство при обслуживании и ремонте низкие потери на аккумуляцию в футеровке достигаются благодаря качественной футеровке с применением специальной комбинации из плотных огнеупорных материалов и плит из керамических волокон, что обеспечивает быстрый разогрев и эффективную работу печи К конструкции печей для плавки алюминиевых сплавов предъявляют ряд требований: печи должны обеспечивать максимальную производительность и наименьший удельный расход топлива; широкая механизация работ по загрузке шихты и по всем трудоемким операциям приготовления расплава и обслуживания плавильной ванны; равномерный прогрев ванны с тем, чтобы исключить недопустимые перегревы; максимальная скорость расплавления шихты; оптимальные геометрические характеристики рабочего пространства – увеличение отношения глубины ванны к поверхности расплава (с целью уменьшения поверхности контакта печной атмосферы с зеркалом расплавленного металла); получение высоких технико-экономических показателей: минимальных безвозвратных потерь металла, удельных расходов топлива, удельного использования производственных площадей, удельной трудоемкости, минимальных себестоимостей тонны литья и ряд других. плавильные печи для плавки алюминия отражательные пламенные печи: подвод тепла сверху (радиационный нагрев) передача тепла - конвективный теплообмен неполное сгорание топлива и выдувание тепла (тепло отходящих газов не используется) недостатки: повышенный угар металла (большая поверхность ванны) газонасыщение расплава (соприкосновение расплава с продуктами сгорания) камерные электропечи (миксер) – предназначен для приема, корректировки по температуре и химическому составу, выдержки и равномерной выдачи алюминиевых сплавов нагреватели радианного типа установлены в подсводовом пространстве преимущества: разливка расплава без нарушения оксидной пленки (чистый металл) Алюминий имеет высокую отражательную способность (поглощает около 10% лучистой энергии) поэтому радиационный нагрев при плавке сплавов в отражательных печах малоэффективен Плавильная газовая отражательная печь предназначена для плавки алюминия, выпускается фирмой «Almag» (г. Москва, Россия). К ее достоинствам можно отнести: – простоту конструкции, что обуславливает доступное обслуживание и ремонт оборудования; – высокоэффективную систему горелок регенерационного типа, оснащенную системой автоматического контроля; – безопасность печи, т.к. сварная дверь печи не требует подвода воды для охлаждения. газовая печь отражательного типа Almag достоинства: ✓ простота конструкции, доступное обслуживание и ремонт оборудования; ✓ высокоэффективная система горелок регенерационного типа ✓ поддерживание одинаковой температуры во всем объеме расплава ✓ полная автоматизация работы ✓ максимально возможное загрузочное окно, позволяет легко помещать в печь крупногабаритный лом и производить очистку жидкого алюминия от шлака 42 Таблица 17 - Характеристики газовой печи типа «Almag» Параметры Значения Виды применяемых энергоносителей Максимальная управляемая температура, º С расплав топка Объем загрузки (жидкий алюминий), т Топливо Скорость расплавления, т/ч Газ, дизельное топливо 800 1200 3–40 Природный газ 8 500 ккал/м³ 2,0–3,5 Газовая печь отражательного типа обслуживается с плавильной площадки, а ниже уровня пола цеха в приямке располагается керамический рекуператор. На фронтовой стенке рабочего пространства (ванны печи) размещены окна, через которые загружают шихту и чистят ванну. Размеры окон рассчитаны на проход мульды. На противоположной стенке находится карман, куда вводится сифон, передающий металл в миксер. Подавляющее большинство газовых печей отражательного типа, применяемых в отечественной металлургии алюминиевых сплавов, имеет принципиально одинаковую конструктивную схему. Печи состоят из следующих основных частей: рабочего пространства (ванны), сжигательных устройств и установки для использования тепла отходящих продуктов горения – рекуператора. Рабочее пространство и рекуператор соединены вертикальными дымоотводами. Большинство плавильных печей, применяемых в отечественной металлургии алюминиевых сплавов, работает на природном газе. В отдельных случаях применяют мазут и генераторный газ. Специальное внимание уделяют выбору типа рекуператора для установки на крупные плавильные печи. В спусках печей температура отходящих газов в период плавки и перегрева металла составляет 1150-1180 °С. Следовательно, рекуператоры должны удовлетворять двум требованиям: обладать устойчивостью против воздействия флюсов, содержащихся в дымовых газах, и высокой теплостойкостью. Общим этим требованиям в условиях крупных плавильных печей наилучшим образом удовлетворяют керамические рекуператоры. Поэтому большинство печей оснащено рекуператорами этого типа, несмотря на их известные недостатки: большие размеры и вес, малую газоплотность, меньшие по сравнению с металлическими значения коэффициентов теплопередачи и необходимость работы дутьевых вентиляторов на отсосе, т. е. на горячем воздухе. Камерная электропечь (поворотный миксер) – оборудование, предназначенное для приготовления и регулируемой подачи расплава с заданными температурой и химическим составом в литейную систему. камерные электропечи поворотный миксер САМП-100 • разливка без нарушения оксидной пленки и попадания ее в расплав • конкурентоспособность эксплуатационных параметров 43 схема миксера «Сибэлектротерм»: 1 – заливочная крышка; 2 – кожух; 3 – футеровка; 4 – нагревательные элементы; 5 – термопара; 6 – летка аварийного слива; 7 – магнитно-гидродинамический перемешиватель; 8 – рабочее окно; 9 – сливной носок Рисунок 1 – Общий вид миксера. Объем печи 100 т Миксер конструктивно выполнен в виде каркаса, соединенного с кронштейнами поворота и плунжерными цилиндрами для наклона на слив. Заливочный узел и рабочие двери имеют механизированные подъемы крышки и дверей. Нагреватели радианного типа фирмы «Kanthal» установлены в подсводовом пространстве на специальных подвесках. камерные электропечи поворотный миксер САМП Для обеспечения равномерного распределения температурного поля в объеме, прилегающем к разливочной летке, рабочее пространство миксера имеет несколько тепловых зон. В центральной части продольной оси в днище каркаса расположено специальное окно для установки водоохлаждаемой немагнитной плиты, сопряженной с МГД-перемешивателем конструкции, разработанной «Научнопроизводственным центром магнитной гидродинамики» – НПЦ МГД (г. Красноярск). П ИНП мкость миксера 0 т. Максимальнаятемпература расплава вмиксере 00 С . гол наклона поворотнойрамы 25 град. апряжение 3 0 В. Количество нагревательныхэлементов 15 шт. Общая мощность нагревательных элементов1000 кВт. ип форкамеры Одностворчатая. абаритныеразмеры проемафоркамеры, мм: ширина 300 высота 1500 ип нагревательных элементовсостав , 0 20. Механизм ввода вывода термопары Пневматический. абаритныеразмеры индуктора, мм: длина 2 ширина 11 2 высота 5 Охлаждениеблока катушек индуктора Воздушное принудительное. Время полного цикла перемешивания в автоматическомрежиме 12 0 мин. астота тока 0,2 0, ц. магнитогидродинамическое перемешивание а М перемешиватель с боковой стороны стационарного миксера б М перемешиватель под подиной поворотного миксера С Обратное возбуждение Возбуждение 830 800 1 770 740 2 710 680 650 Пперемешивание рсплава 2 4 6 8 10 12 14 мин Выравнивание температуры Конструкция миксера должна позволять: ✓ загрузку жидкого (первичного) металла; ✓ загрузку корректирующих, легирующих элементов; ✓ автоматизированное перемешивание расплава с целью выравнивания его химического состава и температуры во всем объеме ванны; ✓ управление температурными режимами (режим плавки, режим перемешивания, режим выдержки, режим литья и т.д.); ✓ поддержание требуемого уровня расплава в транспортных лотках; ✓ механизированную чистку ванны от шлака, инородных включений и оксидных пленок. К преимуществам миксеров можно отнести: ✓ возможность осуществления разливки расплава без нарушения оксидной пленки и попадания ее в расплав и за счет этого получение высокой чистоты металла; ✓ конкурентоспособность эксплуатационных параметров при обработке жидкого алюминия и сплавов на его основе. На рисунках 2-4 приведены конструкции миксеров, занятых в производствах литья слитков заводов компании ОК РУСАЛ. Рисунок 2 – Поворотный электрический миксер Богучанский, Красноярский алюминиевые заводы Рисунок 3 - Электрический миксер 70 т с МГД-перемешивателем Саяногорский, Красноярский алюминиевые заводы Рисунок 4 - 20 тонная печь переплава с регенеративными горелками Саяногорский алюминиевый завод Качество расплава во многом зависит от литейных миксеров. Их атмосфера должна содержать минимальное количество водяных паров. Глубина ванны желательна, возможно большая. Заданную температуру металла необходимо поддерживать с достаточной точностью, а перепад температур по объему расплава должен быть минимальным. В настоящее время миксеры работают на двух видах обогрева – пламенном и электрическом. Электрические миксеры имеют существенное преимущество, поскольку они частично дегазируют и, во всяком случае, не увеличивают газонасыщенности металла. Но вместе с тем у них есть и эксплуатационные недостатки. Нагревательные элементы в электрических миксерах могут располагаться только на своде. Размещение их в пазах кладки свода создает большую степень экранизации, что в сочетании с воздействием на них рафинирующих средств и частиц металла приводит к сравнительно частому выходу их из строя. Смена и обслуживание нагревателей связаны с определенными трудностями. В условиях эксплуатации весьма ответственная часть миксера – узел электронагревателей. Способы их размещения определяют также и конструкцию свода. Рабочее пространство по ширине миксера перекрыто двумя рядами блоков, каждый из которых на тягах подвешен к двутавровой балке. Балка несет четыре блока и опирается на металлоконструкцию каркаса миксера. При выборе мощностей электронагревателей миксеров следует учитывать условия компенсации тепловых потерь. Но в процессе приготовления расплава в ряде случаев возникает необходимость поднять температуру ванны миксера на 40-50° С в сравнительно короткие промежутки времени. Поэтому нагреватели рассчитывают на мощности выше тех, которые необходимы для компенсации тепловых потерь. Практически миксеры с емкостями ванн 25-35 т имеют тепловую мощность 400-500 кВт. Удельный расход электроэнергии на 1 т расплава составляет 80-85 кВт∙ч/т. Футеровка может выполняться из огнеупорных и теплоизоляционных материалов на основе формованных изделий и набивных масс. Выбор технологии изготовления и материалов футеровки производится на основании конкретных условий работы миксера. Кладка стенок и подины ванны печей должна обладать статочной механической прочностью, плотностью, химической пассивностью при взаимодействии с расплавом. Для футеровки ванн до последнего времени применяли два вида материалов: шамот и магнезит. Весьма широко использовали шамотный кирпич, отличающийся невысокой стоимостью и большой термической стойкостью. Однако его серьезные недостатки как футеровочного материала привели к необходимости поисков и применения других видов огнеупоров. Шамот вступает в химическое взаимодействие с алюминиевым расплавом. В результате восстановления алюминием кремнезема футеровки повышается содержание кремния в металле, что крайне нежелательно для ряда сплавов. Алюминий способен глубоко проникать в шамотную футеровку ванны. Проникновение металла и его химическое взаимодействие с кладкой приводят к повреждениям ее отдельных участков, росту безвозвратных потерь алюминия и металлизации подины с превращением ее в массивный монолит. Это значительно затрудняет ремонт печи и увеличивает потери тепла. Наконец, при шамотной футеровке ванна сравнительно быстро зарастает окислами металла, что уменьшает ее полезный объем. Второй футеровочный материал – магнезит из-за большой плотности препятствует проникновению алюминиевого расплава и не вступает с ним в химические реакции. Недостаток магнезита – его сравнительно низкая термостойкость. Более высокую термостойкость имеет хромомагнезит. Он хорошо препятствует проникновению алюминия в кладку ванны. Но при хромомагнезитовых футеровках повышается содержание в расплаве хрома. Для предотвращения прорыва металла через кладку в любых по конструкции и размерам ваннах плавильных печей необходимо укладывать по всей площади подины и стенок засыпку толщиной 60-70 мм из мелкого магнезитового порошка. Ф РОВКА ПЛАВИЛЬ ЫХ П Й Эффективность работы электрической печи определяется стойкостью огнеупорной футеровки Материал футеровки должен выдерживать эксплуатационные температуры плавки, химические и механические воздействия металла и шлака Основа огнеупоров: кислые - оксид кремния S O2 основные - МgO, aO и другие основные, амфотерные оксиды нейтральные - глиноземистые огнеупоры (основа Al2O3) в смеси с S O2 являются полукислыми. Металлургический процесс плавки стали и чугуна в целом зависит от футеровки печи Основность шлака должна соответствовать основности футеровки ХАРАК тип группа кремнеземистые динасовые кварцевые полукислые алюмосиликатные магнезиальные содержание основных компонентов, % ПОРОВ огнеупорность, ºС 93-96 SiO2 > 98 SiO2 65–80 SiO2 30–17 Al2O3 шамотные 50–65 SiO2 50–65 SiO2 высокоглиноземистые 46–99 Al2O3; < 50 SiO2 магнезитовые 90–95 MgO (периклазовые) доломитовые 45–60 MgO; 30–35 CaO; 15–5 SiO2 1780 - 1730 1750 - 1800 1600–1700 фостеритовые 1800 - 1850 шпинельные хромистые РИС ИКА О хромомагнезитовые хромитовые 50–55 MgO; 40–35 SiO2 25–30 MgO; 65–60 Al2O3 10–20 Cr2O3; 70–50 MgO 30–45 CrO3 1600 - 1700 1800 - 2000 2300 - 2 500 1750 - 1850 > 2000 >2200 2100 - 2200 управление плавильными процессами для получения качественного литейного сплава заданного химического состава с высоким уровнем литейных свойств необходимо предварительное решение многих вопросов: ✓правильно выбрать нужный плавильный агрегат, который обеспечит оптимальный режим плавки при достаточной производительности ✓ предупредить возможные загрязнения сплавов продуктами взаимодействия с атмосферой, материалами футеровки печи, флюсами ✓ выбрать наиболее эффективный способ легирования, рафинирования, модифицирования расплавов ✓ обеспечить условия, при которых потери металла на испарение, окисление, шлакообразование были бы минимальными