способ приготовления фильтрующего слоя для рафинирования алюминиево-кремниевых сплавов

Формула изобретения

Способ приготовления фильтрующего слоя для рафинирования алюминиево-кремниевых сплавов, включающий нанесение на огнеупорный материал флюсового покрытия, содержащего хлорид калия, хлорид натрия и криолит, офлюсование, отличающийся тем, что к измельченному огнеупору при перемешивании добавляют жидкое стекло плотностью 1,25-1,35 г/см³ в количестве 15-20% от массы огнеупора, а затем наносят флюсовое покрытие в количестве 15-20% от массы огнеупора, в состав которого вводят фторид натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хлорид калия (КСl) - 43-45

Фторид натрия (NaF) - 12-18

Криолит (Na₃AlF₆) - 5-8

Хлорид натрия (NaCl) - Остальное

к полученной смеси добавляют насыщенный водный раствор хлорида натрия в количестве 4-8% от массы огнеупора, после чего осуществляют сушку в течение 6-8 ч при температуре окружающей среды и 2-3 ч при температуре 350-400^oС.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к рафинированию и модифицированию алюминиево-кремниевых сплавов фильтрацией.

Известен фильтр [В.Г. Королев. Рафинирование алюминиевых сплавов. - М.: Машгиз, 1963, с. 107-109] для рафинирования алюминиево-кремниевых сплавов, содержащий огнеупорный материал, например магнезит, и модифицирующий слой из переплавленного и раздробленного до размеров кусков 10-15 мм фтористого кальция (CaF₂), фтористого натрия (NaF) или фторцирконата калия (K₂ZrF₆).

Отмечаются хорошие рафинирующие свойства. Однако дополнительное модифицирование сплава ведут за счет уменьшения высоты рафинирующих слоев или увеличения общей высоты фильтра, что приводит к снижению эффективности очистки сплава от неметаллических включений и необходимости повышения металлостатического напора над фильтром или увеличения начальной температуры фильтра и металла.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является фильтрующий материал [А.П. Гудченко. Исследование рафинирования и дегазации алюминиевых сплавов при фильтрации. - МАТИ, 1963, с. 8-9], представляющий зерна огнеупорного материала, например шамот, с нанесенным на поверхность флюсовым покрытием (35% хлорид натрия + 42% хлорид калия + 23% криолит), предназначенный для очистки алюминиевых сплавов от неметаллических включений посредством адгезионного взаимодействия компонентов флюса с расплавом. Офлюсовывание зерен огнеупора во флюсе производят путем проваривания частиц в течение 1-1,5 ч при температурах 600-750^oС.

Отмечаются хорошие рафинирующие и дегазирующие свойства. Однако в процессе приготовления фильтрующего слоя во время продолжительной выдержки при температурах 600-750^oС для образования на поверхности зерен огнеупорного материала прочного флюсового покрытия происходит испарение составляющих флюса вследствие их низкой упругости паров (упругость паров хлоридов на 1-2 порядка выше, чем упругость пара фторидов [Курдюмов А.В. и др. Флюсовая обработка и фильтрование алюминиевых сплавов. - М.: Металлургия, 1980, 196 с.]. Это приводит к изменению химического состава и смещению состава расплава солей от эвтектической точки и, следовательно, к изменению температуры плавления флюсовой составляющей и снижению адгезионной активности фильтра.

В условиях фильтрования алюминиевых сплавов это требует более высокой температуры системы металл-фильтр для возникновения физико-химического взаимодействия, что приведет к неоправданному насыщению расплава неметаллическими включениями и растворенным водородом, а также снижению эффективности фильтрационного рафинирования.

Задачей изобретения является улучшение рафинирующей способности фильтра и расширение технологических возможностей.

Техническим результатом применения предлагаемого способа приготовления фильтрующего слоя для рафинирования алюминиево-кремниевых сплавов является повышение эффективности очистки алюминиево-кремниевых сплавов от неметаллических включений, получение равномерной модифицированной структуры, увеличение физико-механических свойств сплавов.

Этот технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе приготовления фильтрующего слоя для рафинирования алюминиево-кремниевых сплавов, включающем нанесение на огнеупорный материал флюсового покрытия, содержащего хлорид калия, хлорид натрия и криолит, офлюсовование, согласно изобретению к измельченному огнеупору при перемешивании добавляют жидкое стекло плотностью 1,25-1,35 г/см³ в количестве 15-20% от массы огнеупора, а затем наносят флюсовое покрытие в количестве 15-20% от массы огнеупора, в состав которого вводят фторид натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Хлорид калия (КСl) - 43-45

Фторид натрия (NaF) - 12-18

Криолит (Na₃ AlF₆) - 5-8

Хлорид натрия (NaCl) - Остальное

К полученной смеси добавляют насыщенный водный раствор хлорида натрия в количестве 4-8 мас.% огнеупора, после чего осуществляют сушку в течение 6-8 ч при температуре окружающей среды и 2-3 ч при температуре 350-400^oС.

Предлагаемый состав фтористых и хлористых солей натрия, обладающий более низкой температурой плавления (620^oС), чем составляющие его компоненты, оказывает флюсующее действие, размягчаясь при фильтровании алюминиевого сплава. Это обуславливает адгезионное взаимодействие его с неметаллическими включениями. Использование компонентов флюсовой составляющей в указанных пределах обеспечивает получение модифицированной структуры алюминиево-кремниевых сплавов и требуемый уровень очистки от неметаллических включений.

Изготовление фильтрующего слоя предлагается вести без предварительного расплавления солей и проварки частиц огнеупора.

Указанные соотношения ингредиентов обеспечивают получение прочного флюсового покрытия на поверхности огнеупора. При содержании флюсовой составляющей менее 15% эффективность очистки расплава от неметаллических включений возрастает незначительно. Вводить в фильтрующий слой флюсовую составляющую более 20% неэффективно, так как при этом не обеспечивается дальнейшее увеличение показателей рафинирующей способности, снижается прочность сцепления с поверхностью огнеупора и увеличиваются затраты на изготовление фильтрующего слоя.

Содержание жидкого стекла менее 15% не обеспечивает необходимой прочности сцепления огнеупора с флюсовым покрытием. Содержание жидкого стекла более 20% нецелесообразно из-за повышенного газовыделения в процессе фильтрации вследствие выделения связанной воды.

Применение жидкого стекла плотностью менее 1,25 г/см³ не обеспечивает требуемую адгезию на поверхности, что приводит к недостаточной прочности связи флюсового покрытия и огнеупора. Использование жидкого стекла плотностью более 1,35 г/см³ приводит к его недостаточной кроющей способности.

Добавка насыщенного водного раствора хлорида натрия (NaCl) в количестве менее 4% от массы огнеупора вызывает неравномерность распределения хлорида натрия (NaCl) на поверхности огнеупорного материала и снижение гелеобразования жидкого стекла. Добавка насыщенного водного раствора хлорида натрия (NaCl) в количестве более 8% от массы огнеупора снижет плотность жидкого стекла, нанесенного на поверхность огнеупора, уменьшая тем самым прочность сцепления флюсового покрытия с огнеупором.

Сушка фильтрующего слоя при температуре окружающей среды менее 6 ч не обеспечивает необходимого удаления несвязанной влаги, что приводит к образованию единого конгломерата при последующем термическом отверждении. При сушке фильтрующего слоя при температуре окружающей среды более 8 ч не происходит дальнейшего существенного удаления несвязанной влаги.

Сушка фильтрующего слоя при температуре менее 350^oС не обеспечивает удаления связанной влаги, что приводит к насыщению расплава во время фильтрации растворенными газами.

При сушке слоя более 400^oС происходит потеря прочности жидкого стекла и снижение сцепления между флюсовой составляющей и огнеупором.

Пример 1. Фильтрующий слой готовят следующим образом. Огнеупорный материал (например, шамот) измельчают до размера 13 мм. В процессе непрерывного перемешивания к измельченному огнеупору добавляют жидкое стекло плотностью 1,30 г/см³. На зерна огнеупора, покрытые жидким стеклом, наносят флюсовое покрытие (КСl - 44%; NaF -15%; Na₃AlF₆ - 6%; NaCl - 35%). К полученным зернам добавляют насыщенный водный раствор NaCl в количестве 5% от массы огнеупора. Далее осуществляют сушку в течение 7 ч при температуре окружающей среды для удаления влаги и предотвращения образования единого конгломерата при последующей термической сушке при температуре 375^oС в течение 2,5 ч, необходимой для полного удаления связанной влаги и образования прочного флюсового покрытия на поверхности фильтрующего слоя.

Фильтрующий слой помещают в фильтрующее устройство непосредственно после режима сушки, исключая тем самым необходимость предварительного нагрева либо охлаждают вместе с термическим шкафом до температуры окружающей среды, а перед использованием нагревают до температуры 400^oС.

Через нагретый фильтрующий слой непрерывно пропускают расплав со скоростью порядка 12-14 кгсм²/ч с температурой 740^oС. При этом происходит взаимодействие расплава и неметаллических включений с полутвердой поверхностью фильтрующего слоя, которая сепарирует поток металла на элементарные струйки и очищает сплав от включений за счет высокой работы адгезии, а также модифицирует сплав натрием солей.

Результаты испытания фильтрующего слоя, приготовленного по предлагаемому способу, приведены в примерах 2, 3 и таблице.

Пример 2.

В фильтрующий блок помещают описанный фильтрующий слой и подогревают до температуры 400^oС. Алюминиевый сплав АК9ч в количестве 250 кг непрерывно пропускают через фильтр. Во время опыта отбирают пробы на металлографический анализ, образцы на физико-механические свойства.

Результаты приведены в таблице, из которых видно, что механические свойства отфильтрованного алюминиево-кремниевого сплава АК9ч по предлагаемому способу сплавов выше обработанных по известным способам. Количество включений в сплаве, пропущенном через предлагаемый фильтр, сокращается более чем в 3 раза. В результате обработки микроструктура сплавов АК9ч становится модифицированной с равномерным распределением структурных элементов.

Пример 3.

Алюминиевый сплав АК9М2, полученный из переплавленных бракованных заготовок в количестве 20 кг, пропускали через описанный фильтр со скоростью 6-8 кгсм²/ч.

Результаты приведены в таблице, из которой видно, что фильтрующий слой, изготовленный по предложенному способу приготовления, обеспечивает равномерное распределение структурных составляющих, получение мелкодисперсной модифицированной структуры, очистку сплавов от неметаллических включений и интерметаллических фаз с 0,5 до 0,2 мм²/см², которые в комплексе обуславливают увеличение физико-механических свойств сплава АК9М2: предела прочности на разрыв с 9,7 до 20,5 кг/мм², относительного удлинения с 0,4 до 2,7%.