способ очистки алюминиевого сплава

Формула изобретения

1. Способ очистки алюминиевого сплава, содержащего легирующий элемент, включающий процесс фракционированной кристаллизации с разделением алюминиевого сплава, по меньшей мере, на поток продукта, содержание легирующего элемента в котором меньше содержания легирующего элемента в алюминиевом сплаве, и поток пониженной категории, содержание легирующего элемента в котором выше содержания легирующего элемента в алюминиевом сплаве, отличающийся тем, что поток пониженной категории подвергают процессу формирования и отделения интерметаллидов путем введения добавки для формирования содержащей интерметаллиды смеси и из этой смеси выделяют поток отходов и рециркуляционный поток, при этом поток отходов имеет большее содержание легирующего элемента, чем рециркуляционный поток, и рециркуляционный поток, по меньшей мере, частично подают в процесс фракционированной кристаллизации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что добавка содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из Si, Mn, Cu, Со и Ni.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что добавка содержит главным образом Mn.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что добавка содержит главным образом Mn.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что легирующий элемент алюминиевого сплава представляет собой Fe.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что содержание Fe в алюминиевом сплаве составляет менее 1,7 мас.%, предпочтительно менее 1,5 мас.%.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что содержание Fe в алюминиевом сплаве составляет более 0,4 мас.%, предпочтительно более 0,5 мас.%.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что содержание Fe в алюминиевом сплаве составляет более 0,4 мас.%, предпочтительно более 0,5 мас.%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается способа очистки алюминиевого сплава.

Известен способ фракционированной кристаллизации, который может применяться для очистки, например, алюминиевого сплава, загрязненного легирующим элементом, таким как железо. При фракционированной кристаллизации входной поток скрапа алюминиевого сплава, который по определенному легирующему элементу или загрязняющей примеси является доэвтектическим составом, разделяется на первый выходной поток или поток продукта в виде очищенного алюминия и второй выходной поток или поток пониженной категории, который более загрязнен примесью, чем входной поток, и имеет состав, близкий к эвтектическому составу по данной примеси.

Если в этом описании упоминается фракционированная кристаллизация, то должно быть понятно, что имеются в виду все виды фракционированной кристаллизации и все прочие способы очистки, начинающиеся с доэвтектического сплава, при этом состав потока пониженной категории определяется эвтектическим составом алюминия и легирующего элемента.

Недостаток фракционированной кристаллизации заключается в том, что максимальное содержание примеси в потоке пониженной категории определяется эвтектическим составом. И в том случае, когда входной поток алюминия загрязнен 0,5% железа, а содержание железа в потоке продукта менее 0,1%, поток пониженной категории, имеющий повышенное содержание железа, составляет более 25% входного потока.

Как может быть легко замечено из фазовой диаграммы Al-Fe, чем более чистым получен поток продукта, тем менее загрязнен поток пониженной категории. Однако для экономичного процесса желателен малый объем сильно загрязненного потока пониженной категории.

Характеристики основного процесса фракционированной кристаллизации могут быть улучшены за счет использования многостадийного или обратного протекающего процесса фракционированной кристаллизации, но предел для загрязнения потока пониженной категории легирующим элементом по-прежнему определяется эвтектическим составом.

Вообще говоря, материал потока продукта имеет более высокую стоимость, чем материал исходного алюминиевого сплава, тогда как материал потока пониженной категории имеет более низкую стоимость. На существующем рынке для большинства распространенных алюминиевых сплавов потеря в стоимости высоко загрязненного потока пониженной категории по сравнению со стоимостью исходного алюминиевого сплава не компенсируется увеличением стоимости потока продукта. Спрос на рынке на материал потока пониженной категории, получаемого процессом фракционированной кристаллизации, довольно мал, так что если бы он производился в больших количествах, то стоимость его быстро бы упала. Однако процесс фракционированной кристаллизации или по существу любой другой процесс отделения, в котором из входного потока отходов получают в итоге более очищенный поток и более загрязненный поток эвтектического или близкого к эвтектическому состава, до настоящего времени экономически нецелесообразен.

Задачей изобретения является предоставление способа очистки алюминиевого сплава, который экономически более целесообразен. Эта и другие задачи решаются с помощью способа очистки алюминиевого сплава, содержащего легирующий элемент или загрязняющую примесь, согласно которому алюминиевый сплав подвергают процессу фракционированной кристаллизации, при этом алюминиевый сплав разделяют по меньшей мере на поток продукта, содержание легирующего элемента в котором меньше содержания легирующего элемента в алюминиевом сплаве, и поток пониженной категории, содержание легирующего элемента в котором выше содержания легирующего элемента в алюминиевом сплаве, и при этом поток пониженной категории подвергают процессу отделения интерметаллидов, причем в поток пониженной категории вводят добавку для формирования смеси, содержащей интерметаллиды, образованные из легирующего алюминий элемента и добавки, а из этой смеси выделяют поток отходов и рециркуляционный поток, при этом поток отходов имеет большее содержание легирующего элемента, чем рециркуляционный поток, и рециркуляционный поток, по меньшей мере частично, подают в процесс фракционированной кристаллизации. Способ в соответствии с изобретением объединяет доэвтектический процесс, который аналогичен фракционированной кристаллизации (fractional crystallization, FC), с заэвтектическим процессом, который аналогичен отделению интерметаллидов (separation of intermetallics, SIM). Поток отходов содержит интерметаллиды, образованные из твердого легирующего алюминий элемента и добавки, а рециркуляционный поток в своей основе является потоком жидкого алюминия, содержащим меньше легирующего элемента, чем компонент пониженной категории. Часто присутствующим легирующим (сплавляемым) элементом является железо.

Принцип SIM-процессов известен в технологии металлургии и включает в себя такие процессы, как послойная кристаллизация, фильтрация, магнитное разделение, гидроциклонирование и осаждение в расплаве солей.

Поток пониженной категории из FC-процесса используется как входной поток для SIM-процесса. В ходе SIM-процесса вводится добавка. Добавка выбирается так, что она эффективно понижает эвтектическое содержание легирующего элемента и алюминия, например, эвтектическое содержание железа и алюминия.

Поток пониженной категории из процесса фракционированной кристаллизации преобразуется в заэвтектическую смесь путем введения в нее добавки. В SIM-процессе эта смесь разделяется на поток отходов с высоким содержанием добавки и легирующего элемента и рециркуляционный поток с низким содержанием легирующего элемента. Этот рециркуляционный поток смешивается с входным потоком алюминиевого сплава.

Способ по изобретению раскрывает новый, значительно более экономичный путь к очищению алюминиевого сплава, особенно подходящий для алюминиевых сплавов состава, обычного в области рециклирования скрапа.

Другими преимуществами способа являются экономия объема, синергетические преимущества интеграции процесса, низкая чувствительность к изменению цен на алюминий и приемлемый уровень экологичности. Способ остается экономически выгодным, даже когда применяется в очень большом масштабе.

Способ по изобретению использует процесс отделения интерметаллидов для очистки потока пониженной категории из FC-процесса, а FC-процесс - для очистки по меньшей мере части потока продукта (рециркуляционного потока) из SIM-процесса. Принципиальная невозможность пересечения эвтектики для FC-процесса и SIM-процесса по отдельности устраняется путем введения в соответствующий изобретению способ рециркуляционного контура. Близкий к эвтектическому поток пониженной категории из FC-процесса становится заэвтектическим за счет введения добавки. Близкий к эвтектическому поток продукта (рециркуляционный поток) из SIM-процесса становится доэвтектическим за счет разбавления добавки при введении материала алюминиевого сплава, подвергаемого очистке. Результатом процесса является по меньшей мере частичное удаление легирующего элемента из алюминиевого сплава с малым получаемым в результате потоком отходов с содержанием легирующего элемента выше эвтектического.

Поэтому способ по изобретению также называется перекрестно-эвтектической очисткой или XEP (cross-eutectic purification).

Из экономических соображений высоко загрязненный поток отходов меньшего объема предпочтителен по сравнению с менее загрязненным потоком отходов большего объема. Однако интерметаллиды, образованные из алюминия, железа и добавки, содержат большое количество алюминия. В обычном отдельно применяемом процессе отделения интерметаллидов разделение твердой и жидкой фазы предполагало бы даже большую потерю алюминия. Кроме того, поток отходов не является особенно дорогим. Он содержит довольно значительное количество железа, делающее его пригодным только для изготовления не очень ответственных изделий. Кроме того, поток продукта (рециркуляционный поток) из процесса отделения интерметаллидов, который является очищенным потоком, имеет близкий к эвтектическому состав. Имеется очень малый рынок для алюминиевых сплавов, содержащих в алюминии близкое к эвтектике количество легирующего элемента, такого как железо. Поэтому существующий рынок не может поглотить предлагаемое количество, что приводит к его низкой цене, делая процесс нецелесообразным для крупномасштабного промышленного применения. Из этих соображений SIM-процесс при отдельном его применении является экономически нецелесообразным.

В отличие от этого способ согласно изобретению создает очень малый поток отходов. Поэтому он не испытывает проблем, описанных выше и состоящих в том, что поток отходов в каждом отдельном процессе, т.е. SIM-процессе и FC-процессе, велик по сравнению со спросом на рынке. Следовательно, крупномасштабное применение способа согласно изобретению только в малой степени влияет на стоимость потока отходов и рентабельность всего процесса.

Баланс массы в процессе согласно изобретению может ограничиваться долей потока продукта из SIM-процесса, которая может быть возвращена в процесс фракционированной кристаллизации в качестве рециркуляционного потока. Кроме того, часть потока жидкого продукта остается со сформированными интерметаллидами. Предпочтительно по меньшей мере часть жидкого алюминия отделяется от интерметаллидов в последующем процессе отделения.

Как описывалось выше, процесс фракционированной кристаллизации в настоящее время не является экономичным, в особенности для крупномасштабных применений.

Однако посредством комбинирования двух процессов в соответствии с изобретением получается высоко очищенный поток продукта, а также поток отходов, меньший, чем в этих отдельных процессах, и содержащий большое количество легирующего элемента и добавки. Этот малый поток отходов может использоваться, например, как раскисляющий или легирующий агент в промышленности по производству стали, или же интерметаллиды могут разлагаться электролизом, а составляющие их компоненты могут извлекаться. Поток продукта является высокоценным исходным материалом для высококачественных алюминиевых сплавов. Поэтому комбинирование двух процессов, которые сами по себе экономически нецелесообразны, в один общий процесс приводит к экономической целесообразности нового и изобретательского способа.

Предпочтительный вариант осуществления характеризуется тем, что упомянутая добавка включает в себя по меньшей мере один элемент, выбранный из Si, Mn, Cu, Co и Ni. Эти элементы в качестве добавки, будучи введенными отдельно или в комбинации, легко формируют интерметаллиды со многими легирующими элементами, используемыми в алюминиевой промышленности, и дают в результате высокую эффективность удаления примесей. Они особенно применимы в том случае, когда удаляемым легирующим элементом является железо, но их применение не ограничивается только этим случаем.

Другой вариант осуществления характеризуется тем, что добавка содержит главным образом марганец. Если в качестве добавки используется главным образом марганец, то значительное уменьшение количества потока отходов может быть получено, в частности, в том случае, когда легирующий элемент представляет собой железо, но не ограничивается только этим.

Изобретение представляет особенный интерес в том случае, когда легирующим элементом является железо.

Загрязнение алюминия железом происходит во время использования или производства изделий из алюминия или накапливается в дополнительных процессах рециклирования. Железо оказывает неблагоприятный эффект на формуемость и механику разрушения изделий из алюминиевых сплавов, и поэтому его присутствие допускается только в малых количествах.

Предпочтительно, если удаляемым легирующим элементом является железо, то его содержание в алюминиевом сплаве составляет менее 1,7 мас.%, более предпочтительно менее 1,5 мас.%. В том случае, когда содержание железа является еще более близким к эвтектическому значению, возможное увеличение содержания железа в потоке пониженной категории из FC-процесса по сравнению с содержанием железа во входном потоке является слишком низким для того, чтобы обеспечить экономическую целесообразность всего процесса в целом.

Предпочтительно, если удаляемым легирующим элементом является железо, то его содержание в алюминиевом сплаве составляет более 0,4 мас.%, а более предпочтительно более 0,5 мас.%.

При более низком содержании железа во входном потоке очищаемого алюминиевого сплава не будет получено никакого значительного уменьшения количества потока отходов, так как рециркуляционный поток из SIM-процесса содержит в зависимости от используемой добавки также около 0,5% железа.

Изобретение будет проиллюстрировано посредством сравнения количества и состава потока отходов и потока продукта для процесса фракционированной кристаллизации и процесса, соответствующего этому изобретению.

В таблице 1 дан состав алюминиевого сплава. Масса взята равной единице, например, 1000 кг.

Таблица 1 Состав алюминиевого сплава (скрап)
	масса	Al, мас.%	Fe, мас.%	Mn, мас.%
скрап	1,000	99,50	0,50	0,00

Для случая, в котором скрап очищается с использованием FC-процесса, результирующие составы потока продукта и потока отходов и их массы даны в таблице 2. Как можно видеть, масса отходов составляет около 25% исходной массы скрапа.

Таблица 2 Масса и состав продукта и отходов при применении FC-процесса для скрапа из таблицы 1
FC	масса	Al, мас.%	Fe, мас.%	Mn, мас.%
продукт	0,754	99,94	0,06	0,00
отходы	0,246	98,15	1,85	0,00

Таблица 3 показывает результат применения способа согласно изобретению для указанного скрапа при введении добавки, аналогичной марганцу, в поток пониженной категории из FC-процесса и возврата по меньшей мере части потока продукта из SIM-процесса в качестве рециркуляционного потока на вход FC-процесса. Таблица показывает, что отходы сокращены до уровня менее 17% от массы входного скрапа. Предполагается, что образуется по меньшей мере интерметаллид Al₆[Fe,Mn].

Отходы в соответствии с таблицей 3 составляют около 17% входной массы. Количество рециркулята, которое может быть возвращено в FC-процесс, определяется соображениями баланса массы и во многих случаях не включает в себя всего количества продукта из SIM-процесса.

Количество отходов может быть дополнительно уменьшено посредством дополнительного отделения в процессе отделения алюминия, предпочтительно в жидкой фазе, от интерметаллидов.

Кроме того, прибавление дополнительного процесса отделения имеет преимущество большей гибкости в выборе применяемого SIM-процесса. Менее эффективный SIM-процесс, имеющий низкую способность отделения, тем не менее может быть применен из-за низких затрат. В таком случае дальнейшее отделение может быть выполнено посредством дополнительного процесса отделения.

Таблица 3 Масса продукта, отходов и добавки при применении процесса согласно изобретению для скрапа по таблице 1
XEP	масса	Al, мас.%	Fe, мас.%	Mn, мас.%
продукт	0,839	99,91	0,06	0,03
отходы	0,167	93,70	2,70	3,60
добавка	0,006	0,00	0,00	100,00

Далее изобретение будет иллюстрироваться со ссылкой на чертежи, на которых фиг.1 иллюстрирует принцип изобретения, а фиг.2 показывает схематичное представление варианта осуществления изобретения.

На фиг.1 основные процессы способа согласно изобретению окружены квадратом 20. Эти процессы включают в себя FC-процесс 21 и SIM-процесс 22. Подлежащий очистке скрап 23 подают по линии 24 в FC-процесс 21. Полученный очищенный продукт 25 удаляют из FC-процесса по линии 26. Поток 27 пониженной категории отводят из FC-процесса по линии 28 и подают в SIM-процесс 22 по линии 29. Компонент 30 отходов из SIM-процесса выводят из SIM-процесса по линии 31. Добавку 32 вводят в SIM-процесс по линии 33. Рециркуляционный компонент 34 выводят из SIM-процесса 22 по линии 35 и подают в FC-процесс по линии 36.

На фиг.2 ссылочной позицией 11 обозначена питающая линия, по которой поток алюминиевого сплава в виде скрапа, находящегося предпочтительно в расплавленной форме и содержащего легирующий элемент, вводится в первую технологическую камеру 12, в которой осуществляется процесс фракционированной кристаллизации. В качестве этого процесса фракционированной кристаллизации может быть выбран известный вариант осуществления фракционированной кристаллизации. С питающей линией 11 соединена обратная линия 13, функция которой будет описана ниже. Питающая линия 11 и обратная линия 13 соединяются во входную линию 19, которая связана с технологической камерой 12. В процессе фракционированной кристаллизации смесь алюминиевого сплава и потока пониженной категории разделяются на компонент продукта, который удаляется по линии 14 продукта, и остаточный компонент, который извлекается из технологической камеры 12 по линии 15 отходов. Линия 15 отходов соединена со второй технологической камерой 17, с которой также соединена питающая линия 16. По питающей линии 16 во вторую технологическую камеру 17 подается добавка, такая как марганец. Процесс отделения интерметаллидов осуществляется во второй технологической камере 17. Поток отходов, содержащий большое количество легирующего элемента, такого как железо, а также содержащий марганец, удаляется по линии 18 отходов. Кроме того, со второй технологической камерой 17 соединена обратная линия 13, по которой очищенный и отведенный из второго процесса поток возвращается в виде рециркуляционного потока в технологическую камеру 12.

В необязательном варианте поток отходов подается по линии 18 в последующий процесс 10 отделения, в котором алюминий в жидкой или твердой фазе отделяется от интерметаллидов. За счет этого дополнительного процесса отделения количество отходов, удаляемых по линии 9, может быть дополнительно уменьшено, и может быть получено большее количество очищенного алюминия, удаляемого по линии 8.

Общий комбинированный процесс в качестве входных потоков имеет поток очищаемого алюминиевого сплава и поток добавки, а в качестве выходных потоков - поток отходов и поток продукта.