Технология рафинирования вторичных алюминиевых расплавов от примеси магния

Изучено влияние криолитово-карбамидного флюса на степень и скорость удаления магния из алюминиевых расплавов. Разработана математическая модель и рассчитаны оптимальные параметры обработки. Теоретически обоснована и разработана технология рафинирования вторичных алюминиевых расплавов от примеси магн...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Рыбак, В.Н., Чернега, Д.Ф.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2010
Назва видання:	Процессы литья
Теми:	Получение и обработка расплавов
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/49762
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Технология рафинирования вторичных алюминиевых расплавов от примеси магния / В.Н. Рыбак, Д.Ф. Чернега // Процессы литья. — 2010. — № 2. — С. 13-18. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-49762
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-497622013-09-28T03:05:32Z Технология рафинирования вторичных алюминиевых расплавов от примеси магния Рыбак, В.Н. Чернега, Д.Ф. Получение и обработка расплавов Изучено влияние криолитово-карбамидного флюса на степень и скорость удаления магния из алюминиевых расплавов. Разработана математическая модель и рассчитаны оптимальные параметры обработки. Теоретически обоснована и разработана технология рафинирования вторичных алюминиевых расплавов от примеси магния. Вивчено вплив кріолітово-карбамідного флюсу на ступінь і швидкість видалення магнію із алюмінієвих розплавів. Розроблено математичну модель і розраховано оптимальні параметри обробки. Теоретично обґрунтована і розроблена технологія рафінування вторинних алюмінієвих розплавів від домішки магнію. The influence of cryolite-carbamide fluxes is explored on a degree and speed of deleting of magnesium. A mathematical model is developed and the optimum parameters of process are set. The theory and the technology of deleting of magnesium is developed from secondary aluminum fusions by means cryolite-carbamide fluxes. 2010 Article Технология рафинирования вторичных алюминиевых расплавов от примеси магния / В.Н. Рыбак, Д.Ф. Чернега // Процессы литья. — 2010. — № 2. — С. 13-18. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0235-5884 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/49762 621.74:669.714.11 ru Процессы литья Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Получение и обработка расплавов Получение и обработка расплавов
spellingShingle	Получение и обработка расплавов Получение и обработка расплавов Рыбак, В.Н. Чернега, Д.Ф. Технология рафинирования вторичных алюминиевых расплавов от примеси магния Процессы литья
description	Изучено влияние криолитово-карбамидного флюса на степень и скорость удаления магния из алюминиевых расплавов. Разработана математическая модель и рассчитаны оптимальные параметры обработки. Теоретически обоснована и разработана технология рафинирования вторичных алюминиевых расплавов от примеси магния.
format	Article
author	Рыбак, В.Н. Чернега, Д.Ф.
author_facet	Рыбак, В.Н. Чернега, Д.Ф.
author_sort	Рыбак, В.Н.
title	Технология рафинирования вторичных алюминиевых расплавов от примеси магния
title_short	Технология рафинирования вторичных алюминиевых расплавов от примеси магния
title_full	Технология рафинирования вторичных алюминиевых расплавов от примеси магния
title_fullStr	Технология рафинирования вторичных алюминиевых расплавов от примеси магния
title_full_unstemmed	Технология рафинирования вторичных алюминиевых расплавов от примеси магния
title_sort	технология рафинирования вторичных алюминиевых расплавов от примеси магния
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Получение и обработка расплавов
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/49762
citation_txt	Технология рафинирования вторичных алюминиевых расплавов от примеси магния / В.Н. Рыбак, Д.Ф. Чернега // Процессы литья. — 2010. — № 2. — С. 13-18. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Процессы литья
work_keys_str_mv	AT rybakvn tehnologiârafinirovaniâvtoričnyhalûminievyhrasplavovotprimesimagniâ AT černegadf tehnologiârafinirovaniâvtoričnyhalûminievyhrasplavovotprimesimagniâ
first_indexed	2025-07-04T11:00:54Z
last_indexed	2025-07-04T11:00:54Z
_version_	1836713881253183488
fulltext	ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 2 (80) 13 Получение и обработка расплавов уДк 621.74:669.714.11 в. н. рыбак, Д. Ф. чернега Национальный технический университет Украины «КПИ», Киев технология раФинирования вторичных алЮминиевых расПлавов от Примеси магния Изучено влияние криолитово-карбамидного флюса на степень и скорость удаления магния из алюминиевых расплавов. Разработана математическая модель и рассчитаны оптимальные параметры обработки. Теоретически обоснована и разработана технология рафинирования вторичных алюминиевых расплавов от примеси магния. Ключевые слова: алюминиевые расплавы, рафинирование, примесь магния. Вивчено вплив кріолітово-карбамідного флюсу на ступінь і швидкість видалення магнію із алюмінієвих розплавів. Розроблено математичну модель і розраховано оптимальні параметри об- робки. Теоретично обґрунтована і розроблена технологія рафінування вторинних алюмінієвих розплавів від домішки магнію. Ключові слова: алюмінієві розплави, рафінування, домішки магнію. The influence of cryolite-carbamide fluxes is explored on a degree and speed of deleting of mag- nesium. A mathematical model is developed and the optimum parameters of process are set. The theory and the technology of deleting of magnesium is developed from secondary aluminum fusions by means cryolite-carbamide fluxes. Keywords: aluminium fusions, refinement, impurity of magnesium. введение С середины 50-х годов ХХ в. наблюдается постоянное увеличение доли отливок из цветных металлов в общем объеме выпуска отливок. Это происходит в основ- ном за счет отливок из алюминиевых сплавов, выпуск которых за последние 50 лет в странах шестерки (США, Япония, Германия, Франция, Великобритания, Италия) вырос в 13 раз и постоянно увеличивается. Основная причина такого увеличения – развитие транспортных отраслей, в основном автомобильной [1]. По объему производства алюминий уступает только сталям, существенно опере- жая другие цветные металлы. Мировое производство алюминия из скрапа отрабо- танных деталей составляет свыше 10 млн. т в год, то есть каждую третью тонну из всего производимого алюминия [2]. Это связано, в первую очередь, с желанием сократить расходы электроэнергии. Так, для производства первичного алюминия из руды необходимо израсходовать около 13 кВт⋅ч/кг, а на производство алюминия из лома потребуется всего 2 кВт⋅ч/кг [3]. Ожидается, что общий объем использова- ния алюминия в 2030 г может достичь 50 млн. т в год, из которых 22-24 млн. т могут быть вторичными [4]. В Украине объем использования алюминия немного меньше, но постоянно увеличивается [5]. В большинстве случаев отработанные детали, которые идут на вторичный пере- плав, представляют собой сплавы с различным содержанием легирующих и вредных компонентов. Большинство деталей авиационной промышленности (например, сплавы АМг) имеют повышенное содержание магния. Некоторые детали могут быть изготовлены полностью из магния [6]. Отличить эти детали без химического анализа невозможно, как и невозможно сделать химический анализ каждой детали. Поэтому очень часто детали с повышенным содержанием магния попадают в одну переплавную печь вместе с алюминиевыми и в результате конечный алюминиевый расплав превышает границу стандарта по магнию. Около 20 % плавок при переплаве алюминиевого лома получаются бракованными 14 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 2 (80) Получение и обработка расплавов из-за повышенного содержания в них магния. Как известно [7], магний является наиболее вредным компонентом в силуминах. Присутствие в сплавах системы Al-Si магния больше 0,4 % приводит к образованию большого количества фазы Mg 2 Si, благодаря чему снижаются количество эвтектики и механические свойства сплавов, особенно пластичность. Поэтому на металлургических предприятиях, которые за- нимаются переплавом скрапа цветных металлов, существует проблема получения сплавов с требуемым содержанием магния. Теоретически для удаления магния из алюминиевых расплавов можно исполь- зовать разные способы: разливание бракованной плавки в чушки и последующее легирование ими других плавок; выжигание; вакуумную дистилляцию; обработку хлором; рафинирование флюсами и др. Но на практике не все эти способы можно использовать из-за следующих их недостатков: высокой стоимости рафинирующих материалов, сложного оборудования, выделения токсичных газов или недостаточных степени и скорости удаления магния [7]. Одним из лучших способов рафинирования алюминиевых расплавов от примеси магния считается их обработка специальными флюсами, который связывает магний в химические соединения и переводит его в шлак [8]. Так, например, известна технология удаления магния из алюминиевых расплавов при помощи флюса следующего состава: 50 % AlF 3 + 25 % NaCl + 25 % �Cl. Флюс ука-l + 25 % �Cl. Флюс ука- + 25 % �Cl. Флюс ука- занного состава прокаливают при температуре 300 0С на протяжении 1,5 ч, а потом загружают на зеркало расплава и выдерживают в печи при температуре 800 0С на протяжении 30 мин, постоянно перемешивая. При этом наблюдается уменьшение содержания магния в расплаве АК5М2 с 1,8 до 0,7 % [9]. Расходы AlF 3 составляют 3,8 кг на 100 кг расплава. Существует также способ удаления магния при помощи криолитово-карбонатного флюса следующего состава: 36 % криолита + 64 % доломита. Флюс указанного состава загружают на зеркало расплава и выдерживают при температуре 750 0С, постоянно перемешивая расплав. Для уменьшения концентрации магния с 1,8 до 0,7 % за 30 мин обработки необходимо израсходовать 10,8 кг криолита на 100 кг расплава. При этом магний взаимодействует с криолитом с образованием фторида магния в соответствии с реакцией Mg + 2/3 Na3AlF6 = MgF2 + 2 NaF + 2/3Al; ∆G0 1000 К = - 48 кДж/моль, lg (Kp) 0 1000 К = 2,5. (1) Добавление к криолиту доломита существенно повышает эффективность про- цесса благодаря образованию из карбонатов углекислого газа, который играет роль оксидирующего агента, окисляет магний и превращается в угарный газ Mg + 1/3 Na3AlF6 + 1/2 (CaCO3 · MgCO3) = = MgF2 + 1/2 Na2O + 1/2 MgO + 1/2 CaCO3 + 1/3 Al + 1/2 CO; ∆G0 1000 К = - 125 кДж/моль, lg (Kp) 0 1000 К = 16,0. (2) Данные технологии имеют высокую стоимость из-за использования дорогого фторида алюминия и использования большого количества криолита. Поэтому ав- торами была предпринята попытка удешевить технологию удаления магния за счет использования более дешевого и эффективного оксидирующего агента. Методика исследований В качестве оксидирующего агента к криолиту было предложено использовать кар- бамид – вещество органического происхождения, которое в нормальных условиях представляет собой гранулы белого цвета, а при температурах 350-450 0С распада- ется с выделением углекислого газа и аммиака [10] в соответствии с реакцией ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 2 (80) 15 Получение и обработка расплавов 6CO(NH2)2 → С3N3(NH2)3 + 3CO2 + 6NH3 . (3) При этом предполагается, что углекислый газ будет использоваться в качестве окси- дирующего агента к флюсу на основе криолита, а аммиак – в качестве рафинирующего вещества, которое, подымаясь с глубины ванны в виде пузырьков, будет рафинировать расплав от образовавшихся неметаллических включений, а также дополнительно перемешивать расплав, ускоряя тем самым процесс удаления магния. Аммиак для рафинирования алюминиевых расплавов от неметаллических включе- ний и газов давно используется в металлургической промышленности. Один из спосо- бов введения его в расплав – использование колокольчика с хлористым аммонием, который распадается на аммиак и соляную кислоту в соответствии с реакцией NH4Cl = NH3 + HCl. (4) В лабораторных условиях были проведены исследования по влиянию обработ- ки криолитово-карбамидным флюсом на кинетику процессов удаления магния из алюминиевых расплавов. Технология обработки заключалась в расплавлении сплава с повышенным содержанием магния в печи и нагревании его до требуемой температуры обработки, нанесении на поверхность расплава требуемого количе- ства криолита и последующем введении в расплав на 2/3 глубины карбамида не- большими порциями при помощи колокольчика. При введении в расплав карбамида наблюдалось эффективное бурление на протяжении нескольких минут. Химический состав сплавов представлен в табл. 1. Исследования со сплавом АК5М2 проводили в печи типа СШОЛ (емкостью 3 кг по алюминию) с чугунным тиглем. Перед проведением плавок чугунный тигель покры- вали краской на основе оксида цинка. Исследования со сплавом АК12М2 проводили на магнито-динамической установке МДН-6А (емкостью 80 кг). Через определенные интервалы времени отбирали пробы для химического анализа. Химический состав сплавов исследовали на установке эмиссионного спектрального анализа МФС-8 в лаборатории МП «Ликвидус». Результаты Химическим анализом установлены кинетические зависимости содержания магния в расплавах от параметров и времени обработки различными флюсами (рис. 1, 2). Полученные результаты экспериментов были обработаны в пакете MS Excel. В результате регрессионной обработки была получена математическая модель, по- зволяющая определить содержание магния в расплаве в любой момент времени при известных значениях количества криолита, карбамида и температуры [Mg] = [Mg]н + 0,47 – 5,93 · 10-2 ⋅ {Kp} + 1,062 · {K} – 3,28 · 10-3 · τ – – (5,04 · 10-4 + 1,8 · 10-3 · {K} + 6,12 · 10-6 · τ) · t , %, (5) где [Mg] – содержание магния в расплаве, %; [Mg] н – содержание магния до начала обработки, %; {Кр} – количество криолита (0-8), %; {К} – количество карбамида (0-2), %; τ – длительность обработки (10-60), мин; t – температура обработки (700-900), 0С. Для расчета стоимостной функции (6) использовали реальные стоимости не- Сплав Содержание элемента, % Al Mg Si Mn Cu Ti Fe Zn Ni АК5М2 основа 1,58 4,5 0,27 2,40 0,05 0,81 1,10 0,06 АК12М2 основа 1,88 12,2 0,30 1,82 0,14 0,69 0,10 0,15 Таблица 1. Химический состав сплавов 16 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 2 (80) Получение и обработка расплавов обходимых материалов и характеристики печи типа САТ-0,25. Стоимость криолита была принята в размере 6,40 грн/кг или в перерасчете на проценты для обработки в печи САТ-0,25 – 16 грн/%. Стоимость карбамида – 2,31 грн/кг или 5,78 грн/%. Одна минута работы с расплавленным металлом, учитывая расход электроэнергии на поддержание металла в рабочем состоянии и затраты рабочего времени, была оценена в 0,24 грн/мин. Стоимость 1 градуса перегрева металла выше 700 0С была принята равной 0,13 грн/0С (по данным работы с печным агрегатом САТ-0,25 на МП «Ликвидус»). f({Kp}, {K}, τ , t) = 16 ⋅ {Kp} + 5,78 ⋅ {K}+ 0,24 ⋅ τ + 0,13 ⋅ (t - 700) , %. (6) Задав в пакете MathCAD стоимостную функцию (6), математическую модель процесса удаления магния (5) и ограничения всех параметров, а также, осуществив минимизацию стоимостной функции, получили оптимальные параметры процесса удаления магния при помощи криолитово-карбамидного флюса для разных значений удаляемого магния (табл. 2). Разработанную технологию удаления магния из алюминиевых расплавов срав- нили с применяемыми на производстве (табл. 3). Рис. 1. Кинетика процессов рафинирования расплава АК5М2 от примеси магния флюсами при температурах 800 (а) и 700 0С (б), в %: 1 – 5 Na 3 AlF 6 ; 2 – 2 CO(NH 2 ) 2 ; 3 – 5 Na 3 AlF 6 + + 2CO(NH 2 ) 2 ; 4 – 5 Na 3 AlF 6 ; 5 – 5 Na 3 AlF 6 + 0,7 CO(NH 2 ) 2 а б Рис. 2. Кинетика процессов рафинирования от примеси магния расплава АК5М2 при темпера- туре 900 0С (а) и расплава АК12М2 – при температуре 720 0С (б), в %: 1 – 8 Na 3 AlF 6 ; 2 – 8 Na 3 AlF 6 + + 2 CO(NH 2 ) 2 ; 3 – 8 Na 3 AlF 6 + 0,7 CO(NH 2 ) 2 ; 4 – без флюсов; 5 – 5,3 Na 3 AlF 6 + 1,0 CO(NH 2 ) 2 ба ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 2 (80) 17 Получение и обработка расплавов выводы Разработана технология удаления магния из алюминиевых расплавов при помо- щи криолитово-карбамидного флюса. Себестоимость обработки 1000 кг расплава при уменьшении концентрации магния с 1,8 до 0,7 % (при использовании печи САТ- 0,25) составляет 539 грн., что в 2-4 раза меньше себестоимости обработки другими флюсами. При этом длительность обработки составляет 40 мин, а температура процесса – 833 0С. Получена адекватная математическая модель процесса удаления магния из алюминиевых расплавов при помощи криолитово-карбамидного флюса, которая позволяет определить содержание магния в расплаве в зависимости от количества криолита, карбамида и параметров обработки. Рассчитана стоимостная функция процесса для печи САТ-0,25. При помощи математической модели процесса и стоимостной функции были рассчитаны оптимальные режимы обработки алюминиевых расплавов для печи САТ-0,25. Установлено, что удаление магния из алюминиевых расплавов при использовании криолитово-карбамидного флюса происходит за счет химической реакции магния с фтором криолита и кислородом карбамида, а также интенсификации данных про- цессов углекислым газом и аммиаком, которые, подымаясь из глубины расплава на поверхность, дополнительно его перемешивают. 1. Гини Э. Ч. Литейное производство в ХХ веке. Анализ итогов // Литейн. пр-во. – 2002. – № 8. – С. 4-9. 2. Макаров Г. С. Плавка алюминиевых сплавов: статус и перспективы // Специальная метал- лургия: вчера, сегодня, завтра: Тез. докл. (8-9 октября 2002 г., Киев). – Киев: ІВЦ. Вид-во Політехніка, 2002. – С. 367-372. Удаляемый магний, % Количество криолита, % Количество карбамида, % Время обра- ботки, мин Температура процесса, 0С Стои- мость, грн. 0,2 1,16 0,88 10 700 26,03 0,4 2,32 1,00 24 700 48,70 0,6 3,48 1,00 40 705 71,65 0,8 4,64 1,00 40 756 96,90 1,0 5,80 1,00 40 808 122,16 1,2 6,96 1,00 40 859 147,41 1,4 8,12 1,00 45 893 171,64 1,6 9,73 1,00 55 900 200,54 таблица 2. оптимальные параметры процесса удаления магния в печи сат-0,25 Название флюса Длитель- ность, мин Температура, 0С Стои- мость, грн. Фторид алюминия 30 800 1710 Марганцевый концентрат 30-50 740-800 1320 Криолитово-карбонатный 30 750 1050 Криолитово-карбамидный (приведенный) 30 750 800 таблица 3. сравнительный анализ технологий удаления магния из алю- миниевых расплавов (масса расплава 1000 кг, уменьшение содержания магния с 1,8 до 0,7 %) 18 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 2 (80) Получение и обработка расплавов 3. Беляев С. В., Грачев А. Н., Коровин В. А. Использование шлаковых съемов, образующихся при переплаве лома и отходов алюминия // Литейн. пр-во. – 2003. – № 11. – С. 9-10. 4. Paschen P., Altenpohl D. // Aluminium. – 2001. – № 1-2. – P. 8-13. 5. Никитин В. И. Проблемы и новые подходы к совершенствованию технологий приготовления алюминиевых сплавов: Тез. докл. // Прогрессивные литейные технологии. – М., 2002. – С. 26-29. 6. Міцність і довговічність авіаційних матеріалів та елементів конструкцій / О. П. Осташ, В. М. Федірко, В. М. Учанін та ін. // Механіка руйнування і міцність матеріалів: Довідн. посібник / Під ред. В. В. Панасюка. - Львів: Вид-во Сполом, 2007. – 168 с. 7. Комплексное удаление магния и железа из вторичных алюминиевых сплавов в процессе их производства / О. Н. Каленик, В. Л. Трибушевский, Л. В. Трибушевский и др. // Неме- таллические включения и газы в литейных сплавах. – Запорожье: АИНУ, 2003. – С. 213-215. 8. Григоренко Г. М. Рафинирование вторичных алюминиевых сплавов от примеси магния // Цв. металлы. – 1992. – № 6. – С. 59-60. 9. Усовершенствование технологии рафинирования вторичных алюминиевых сплавов от примеси магния / Ю. А. Мельников, Н. А. Калужский, А. П. Оскольских и др. // Там же. – 1997. – № 9. – С. 60-62. 10. Кучерявый В. И. Синтез и применение карбамида. – М.: Химия, 1970. – 448 с. Поступила 25.12.2009 уДк 669.158:621.785.74 б. Ф. белов, а. и. троцан, и. л. бродецкий, в. Д. александров* Институт проблем материаловедения НАН Украины, Киев *Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Макеевка структуризация оксиДных Фаз в Процессах раскисления железоуглероДистых расПлавов кремнием и алЮминием. условия образования и структуризация алЮмосиликатов железа. сообщение 5 Впервые представлена полигональная диаграмма FeO-SiO 2 -Al 2 O 3 , построенная новым гра- фоаналитическим методом для тройных систем, во всем интервале концентраций исходных компонентов, с помощью которой проведен анализ структурно-химического состояния алю- мосиликатов железа – неметаллических включений, образующихся в результате химических реакций раскисления железа кремнием и алюминием. Ключевые слова: полигональная диаграмма, ионно-молекулярные комплексы, структурно- химическое состояние, алюмосиликаты железа. Вперше представлена полігональна діаграма FeO-SiO 2 -Al 2 O 3 , яка побудована новим графоаналітичним методом для потрійних систем, у всьому інтервалі концентрацій початкових компонентів, за допомогою якої проведено аналіз структурно-хімічного стану алюмосилікатів заліза – неметалічних включень, що утворюються в результаті хімічних реакцій розкислювання заліза кремнієм та алюмінієм. Ключові слова: полігональна діаграма, іоно-молекулярні комплекси, структурно-хімічний стан, алюмосилікати заліза.

Технология рафинирования вторичных алюминиевых расплавов от примеси магния

Репозитарії

Схожі ресурси