книги / Плавка цветных металлов

2Al + 3H2O = Al2O3 + 6 [H]Me.

Водород в атомарном виде растворяется в металле, а кислород образует оксид, нерастворимый в расплаве.

Влага содержится в шихтовых материалах, подлежащих плавке, во флюсах, в свежей футеровке печей и ковшей, адсорбируется на плавильном инструменте. Оксидная плена на шихтовых материалах, хранившихся во влажных помещениях, содержит гидрооксид

с этим необходимо хранить отходы и возвраты таким образом, чтобы исключить их окисление и коррозию. Мелкие отходы с развитой поверхностью желательно подвергать предварительному переплаву. Углеводороды жидкого и газообразного топлива, например метан, также служат источником поступления водорода к расплаву.

Как известно, влияние растворенного водорода на качество отливки оценивается не по его количеству в жидком металле, а по так называемому коэффициенту потенциального перенасыщения металла водородом при кристаллизации n, который определяется из соотношения

n = (H Ме ж – HМе тв) / HМе тв.

Чем больше численное значение этого коэффициента, тем больше склонность металла к образованию газовых дефектов из-за уменьшения растворимости газа при затвердевании. В алюминии растворимость водорода меньше, чем в других металлах. Несмотря на это, алюминий наиболее подвержен образованию газовой пористости, так как у него самое большое значение коэффициента потенциального перенасыщения (n = 13). В твердом алюминии растворимость водорода всего лишь 0,05 см3/100 г, поэтому он будет выделяться из жидкого раствора более интенсивно, чем из других металлов.

Взаимодействие водорода не с чистым алюминием, а со сплавами на его основе определяется их составом. Если в сплав входят компоненты, обладающие большей растворимостью газа, чем у основы, то растворимость газа в сплаве будет возрастать, и наоборот.

51

Так, например, в алюминиевых сплавах, содержащих магний, растворимость водорода больше, чем в алюминии или в сплавах алюминия с медью.

Перечисленные особенности алюминиевых сплавов указывают на необходимость защиты расплава от контакта с атмосферой и проведения тщательного рафинирования или дегазации расплава.

3.2. Технологические особенности плавки

Знание перечисленных физико-химических особенностей алюминия позволяет составить общую схему технологического процесса плавки: выбрать плавильный агрегат, шихтовые материалы, способы рафинирования и модифицирования расплава и установить температурный режим плавки.

3.2.1. Печи для плавки алюминиевых сплавов

Выбор типа печей осуществляется в зависимости от масштабов производства, характера литья (требований к качеству отливки) и энергетических возможностей. Плавка алюминиевых сплавов может производиться в разнообразных электрических и топливных печах.

Топливные печи могут быть тигельными, отражательными и шахтно-ванными. Наибольшее применение для алюминиевых сплавов нашли тигельные и ванные печи на газовом и жидком топливах.

При небольших объемах производства удобно использовать тигельные поворотные печи с мазутным или газовым обогревом. В них можно легко перейти от приготовления одного сплава к другому, провести рафинирование и модифицирование. В этих печах происходит минимальный угар металла (0,5–1,0 %). К недостаткам можно отнести малый тепловой КПД и необходимость частой замены тиглей. Тигельные топливные печи (рис. 9) состоят из следующих элементов: металлического корпуса 1, горелок (или форсунок) 2 и плавильного тигля 3. Корпус печи защищен теплоизоляционным слоем и огнеупорной кладкой. Над печью устанавливают вытяжной зонт для отвода дымовых газов. Для слива металла корпус имеет ручное поворотное устройство [3].

52

Тигельные топливные печи также применяют для плавки магниевых, медных, цинковых и других сплавов.

Рис. 9. Поворотная тигельная печь

Из электрических печей для плавки алюминиевых сплавов подходят тигельные или отражательные печи электросопротивления и индукционные печи.

Тигельные печи сопротивления типа САТ (рис. 10, а) используют для плавки небольшого количества (до 250 кг) алюминиевых сплавов. Чаще всего их применяют в качестве плавильно-разда- точных для поддержания температуры металла во время разливки по формам. Нагреватели печей САТ изготовляют из нихромовой проволоки.

53

В камерных отражательных печах типа САК (рис. 10, б) емкостью до 650 кг нагревательные элементы из нихрома или карборунда установлены в своде печи. Разбор металла производится через рабочее окно. Шихта загружается с противоположной стороны.

в

Рис. 10. Электрические печи сопротивления для плавки алюминиевых сплавов: а – тигельная печь типа САТ; б – отражательная печь типа САК; в – отражательная печь типа САН; 1 – термопара; 2 – крышка; 3 – нагреватели; 4 – тигель; 5 – вытяжной зонт

Электропечи типа САН (рис. 10, в) наиболее металлоемкие (до 3000 кг). Они имеют механизм наклона для слива металла через сливной носок. Нагреватели изготовляют из нихромовой проволоки.

54

Эти печи отличаются большой производительностью. Их экономически выгодно использовать при крупносерийном и массовом производстве, а также при переплаве отходов. Доводку и рафинирование сплавов осуществляют в раздаточных печах малой емкости.

Наиболее прогрессивным способом плавки алюминиевых сплавов в литейных цехах с серийным производством является индукционный нагрев токами промышленной, средней и высокой частоты. Для алюминиевых сплавов наиболее подходят открытые индукционные тигельные печи. Они имеют следующие преимущества:

1)высокая производительность;

2)интенсивная циркуляция расплава в тигле, обеспечивающая выравнивание температуры и химического состава по всему объему ванны;

3) возможность проведения плавки при любом давлении (от атмосферного до вакуума) и в любой атмосфере (окислительной, восстановительной или нейтральной);

4)простота и удобство обслуживания печи, управления и регулирования процессом плавки;

5)хорошие санитарно-гигиенические условия труда.

Внастоящее время ряд специализированных отечественных

изарубежных фирм поставляют комплектные индукционные плавильные установки (УИП). Так, отечественная группа компаний РЭЛТЕК поставляет установки, в состав которых входят: одна или две индукционные плавильные печи (ППИ), двухконтурная станция охлаждения индуктора с ионно-обменным фильтром, пульт дистанционного управления, гидропривод поворота печи, системы контроля футеровки тигля и охлаждающей воды.

Если в состав УИП входит одна печь, то комплект электрооборудования (рис. 11) включает в себя: устройство ввода высокого напряжения (УВН), силовой трансформатор (Тр), тиристорный преобразователь частоты (ТПЧП) и блок компенсирующих конденсаторов (БК).

Для более гибкого снабжения литейного цеха жидким металлом, повышения коэффициента использования печей и производительности можно реализовать двухпостовую тандемную схему плав-

55

ки. В этом случае в состав УИП входят две печи. Возможны три варианта электроснабжения тандемной плавки. Наиболее простой из них предусматривает один ТПЧП и дополнительное силовое переключающее устройство (СПУ). Когда в одной печи подготовлен расплав, электроснабжение переключается на вторую печь. Такая система способствует снижению простоя УИП, производительность возрастает незначительно [3].

Рис. 11. Схемы комплектования электрооборудования индукционных плавильных печей

Более производительная работа УИП достигается при наличии второго ТПЧП малой мощности не более 10 % основного канала или при использовании двухэнергоканальных преобразователей частоты, которые дополнительно включают в себя дроссели (ДР) и инверторы (И).

Современные УИП позволяют автоматизировать процесс плавки и вести статистическую обработку параметров процесса плавки. С этой целью предусмотрена возможность постоянного точного взвешивания расплава в печи на любой стадии работы, а значит, регулировки химического состава и учета загружаемой шихты и слитого металла.

Печи, входящие в состав УИП, могут иметь емкость от нескольких килограммов до нескольких тонн. Независимо от емкости индукционные тигельные печи имеют одинаковые конструктивные узлы и отличаются мощностью электрооборудования и производительностью. На рис. 12 показана печь ИАТ-2,5 емкостью 2,5 т.

В связи с высокой химической активностью алюминиевого расплава большое значение уделяется материалам для футеровки и тиглей.

Футеровку отражательных печей выполняют из магнезита или шамота. Для уменьшения взаимодействия с расплавом футеровку

56

покрывают обмазкой из флюса (23–25 % Na3AlF6, 20–27 % B2O3, ост. – NaCl), смешанного с жидкой глиной. Обмазку прокаливают при 900–950 °С.

Тигли для плавки алюминиевых сплавов изготовляют из серого или легированного чугуна. Можно использовать и графитошамотные тигли, предназначенные для плавки меди и медных сплавов. Их емкость от 0,5 до 500 марок. Условная единица емкости – марка – показывает объем, занимаемый 1 кг расплавленной меди. Зная значения плотности меди и сплава, можно определить массу сплава в тигле.

Рис. 12. Индукционная тигельная печь ИАТ-2,5 для плавки алюминиевых сплавов: 1 – магнитопроводы; 2 – индуктор; 3 – набивной тигель; 4 – каркас печи; 5 – рабочая площадка; 6 – сливнойносок; 7 – осьповоротного устройства

Для защиты от насыщения расплава железом рабочие поверхности литых чугунных тиглей покрывают защитными огнеупорными обмазками, а весь плавильный инструмент – огнеупорными красками.

57

Для чугунных тиглей применяют обмазку, состоящую из следующих элементов (мас. %): 17 – графита; 18 – огнеупорной глины; 5 – жидкого стекла и 60 – воды. Обмазку наносят слоем толщиной не менее 5 мм.

В состав красок для инструмента входят мел, оксид цинка, огнеупорная глина, тальк, коллоидный графит и другие вещества. Чаще всего используют краску, состоящую из 50 частей (по массе) отмученного мела, 50 частей оксида цинка, 5 частей жидкого стекла, 100 частей воды, или краску из 32,5 частей отмученного мела или окиси цинка, 1,5 частей жидкого стекла и 66 частей воды. Краску наносят на подогретые до 90–150 °С поверхности при помощи распылителя или кистью.

Футеровку индукционных тигельных печей для алюминиевых сплавов рекомендуется выполнять набивкой из жаростойких бетонов. Хорошо зарекомендовали себя бетоны на жидком стекле с кремнефтористым натрием. Они имеют следующий состав, %: 28,8 – тонкомолотый магнезит; 25,0 – шамотная крошка размером 0,15–0,50 мм; 30,0 – шамотная крошка размером 5–10 мм; 15 – жидкое стекло с плотностью 1,36–1,38 и 1,2 – кремнефтористый натрий. Высокую прочность жаропрочный бетон приобретает после обжига при температуре выше 800 °С [11].

3.2.2.Выбор и подготовка шихтовых материалов

Вкачестве исходных шихтовых материалов применяют первичные и вторичные металлы и сплавы, лигатуры, возврат и отходы. Соотношение этих материалов зависит от назначения отливок. Чем выше требования к их качеству, тем больше доля первичных материалов. Основное внимание обращается на содержание примесей. Для рядовых отливок обычно используют первичный алюминий технической чистоты марок от А0 до А85. Для отливок ответственного назначения – алюминий высокой чистоты А99 или А995. Для введения всех легирующих добавок необходимо использовать лигатуры, состав которых приведен в табл. 2. В чистом виде можно вводить только цинк марок Ц1, Ц2 и магний марок Мг90, Мг95, Мг96,

58

температура плавления которых ниже, чем у чистого алюминия. При необходимости можно заказать любой первичный алюминиевый сплав с заданным содержанием примесей. Самые дешевые составляющие шихты– вторичныечушковые сплавы и собственные отходы.

Шихтовые материалы для плавки алюминиевых сплавов, а также флюсы, рафинирующие и модифицирующие материалы должны храниться раздельно по маркам в специально оборудованном сухом помещении – складе шихтовых материалов. Собственные отходы и возврат очищают от песка в очистных устройствах вместе с отливками и маркируют клеймом плавки или красками. Мелкие отходы и стружку, а также отходы, загрязненные маслом и эмульсией, необходимо переплавлять и хранить в виде маркированных чушек.

Все компоненты шихты перед загрузкой в расплавленный металл должны быть нагреты до 150–200 °С на борту печи во избежание выбросов металла.

3.2.3. Защита от окисления и насыщения газами

Для предохранения от окисления и насыщения водородом можно вести плавку в вакууме, под защитной атмосферой инертных или нейтральных газов, в воздушной среде, содержащей фториды, и под покровными флюсами. Если при плавлении приоритет отдается защите от насыщения водородом, то применяют плавку под слабоокислительной атмосферой [12]. В производственных условиях наиболее распространена защита расплава покровными флюсами из смеси хлоридов и фторидов натрия, калия, кальция и магния. Состав некоторых покровных флюсов приведен в табл. 10.

Флюс № 1 имеет температуру плавления 650 °С, хорошо смачивает поверхность расплава и оксиды алюминия. Расход флюса – 1–2 % от массы шихты. Его всегда используют при плавке в отражательных печах. При больших скоростях плавления в тигельных печах покровный флюс можно не применять.

Для сплавов, содержащих магний, применяют флюсы на основе карналлита (MgCl2 KCl), которые смачивают оксид магния.

59

Несмотря на меры предосторожности, расплав в той или иной степени загрязняется металлическими и неметаллическими включениями, а также насыщается водородом. Для получения качественных отливок его необходимо рафинировать.

3.2.4. Рафинирование алюминиевых сплавов

Очистка алюминиевых сплавов от различных включений и водорода может быть проведена отстаиванием расплава, продувкой инертными и активными газами, обработкой хлористыми солями и флюсами, вакуумированием и фильтрацией.

Отстаивание основано на всплывании или осаждении включений за счет различий в значениях плотности с расплавом. Эта разница невелика, невелика и эффективность данного метода. Даже при длительной выдержке удаляются только крупные частицы. Если выдерживать расплав в выключенной печи и охладить его до температуры плавления (произвести вымораживание расплава), то можно частично удалить растворенный водород.

Продувка расплавов газами сопровождается диффузией растворенного газа (водорода) в пузырьки продуваемого газа и флотирующим действием пузырьков по отношению к некоторым включениям [8]. Используют инертные (аргон, гелий) или нейтральные газы (азот) и активный газ – хлор или смесь азота с хлором. Для алюми-

60