Сравнительная эффективность карбонатной смеси при рафинирующе-дегазирующей обработки расплавов на основе алюминия

Задруцкий С.П., Слетова Н.В., Розум В,А., Немененок Б.М., Либерг И.Г., Довнар Г.В.

Исследование возможных экологически безвредных рафинирующих и модифицирующих составов для обработки расплавов на основе алюминия показывает, что наиболее рациональной карбонатной композицией для проведения рафинирующей или рафинирующе-модифицирующей обработок расплавов силуминов с точки зрения повышения прочностных, пластических свойств литых заготовок, их плотности и степени модифицирования при минимальном расходе является композиция 50% CaCO₃ + 50% SrCO₃. Для получения рафинирующего эффекта рациональной величиной расхода карбонатной смеси 50% CaCO₃ + 50% SrCO₃  является 0,07% от массы обрабатываемого расплава. Для рафинирующе-модифицирующей обработки силумина, рациональной добавкой указанной карбонатной композиции является 1,0% от массы обрабатываемого металла.

Для изучения сравнительной эффективности и возможности использования рафинирующе-модифицирующей карбонатной композиции 50% CaCO₃ + 50% SrCO₃ в действующих литейных и металлургических производствах были проведены сравнительные испытания указанной смеси с наиболее широко применяемыми в настоящее время рафинирующе-дегазирующими материалами. В качестве базы сравнения были выбраны следующие препараты:

1) рафинирующе-дегазирующие:

- флюс покровно-рафинирующий 45% NaCl + 40% KCl + 15% Na₃AlF₆;

- флюс покровно-рафинирующий ФМС-1 производства ООО «ПромФильтр», Республика Беларусь;

- флюс покровно-рафинирующий производства ОДО «Эвтектика», Республика Беларусь;

- флюс Probat Fluss AL 2126 производства Schafer chemische fabric GmbH, Германия;

- хлористый цинк;

- препарат «Дегазер» производства Чапаевского завода минеральных удобрений (основа С₂Cl₆), Российская Федерация;

- таблетированный флюсовой препарат ТПФ-1 производства ООО «ПромФильтр», Республика Беларусь;

- таблетка дегазирующая для доэвтектических и эвтектических силуминов, технического алюминия производства ОДО «Эвтектика», Республика Беларусь;

- препаратDegasalT 200производства Schafer сhemischefabricGmbH, Германия;

- аргон осушенный (продувка);

В таблиц 1 приведены оптимальные расходные характеристики сравниваемых материалов и температура обработки сплава АК12оч согласно рекомендациям производителей и разработчиков указанных препаратов.

Таблица 1

Расходные характеристики рафинирующе-дегазирующих материалов и температура обработки расплава АК12оч.

Сравнительные испытания указанных материалов проводились на сплаве АК12оч в печи типа ИАТ емкостью 1 т по алюминию. Перед обработкой расплава исследуемыми композициями при температуре 993 К заливались исходные образцы на плотность, содержание неметаллических включений, предел прочности на растяжение, относительное удлинение, микроанализ, термоанализ, отбирался шлак для определения содержания алюминия в нем. Таблетированные препараты и карбонатная композиция вводились в расплав при помощи погружного колокольчика, флюсы засыпались на зеркало металла с последующим интенсивным замешиванием в расплав в течение 1 мин при помощи шумовки. Расходные характеристики сравниваемых материалов и температура обработки расплава выдерживались согласно рекомендациям предприятий-производителей (табл. 1). После окончания бурления расплава или окончания замешивания материалов, расплав выдерживался в течение 15 мин под слоем образовавшегося шлака при температуре обработки металла. После окончания изотермической выдержки расплав охлаждался до 993 К, шлак с зеркала металла скачивался и заливались образцы на плотность, содержание неметаллических включений, предел прочности на разрыв, относительное удлинение, микроанализ, термоанализ. Скаченный шлак подвергался металлургическому переплаву для определения содержания алюминия в нем.

Результаты сравнительных испытаний рафинирующе-дегазирующих препаратов и разработанной карбонатной композиции приведены на рис.1-5 и в таблице 2.

Анализ зависимости плотности образцов из сплава АК12оч, обработанного различными рафинирующе-дегазирующими препаратами (рис. 1) и содержания в них окисных плен (рис. 2) свидетельствует о высокой рафинирующе-дегазирующей эффективности разработанной карбонатной композиции. Так  после проведения рафинирования, плотность образцов увеличивалась с 2590 кг/м³ для исходного сплава, не подвергавшегося рафинирующей обработке, до 2634 кг/м³, 2637 кг/м³, 2634 кг/м³, 2632 кг/м³, 2627 кг/м³, 2650 кг/м³, 2650 кг/м³, 2648 кг/м³, 2646 кг/м³, 2652 кг/ м³, 2648 кг/м³ после рафинирования по вариантам 2-12 согласно таблицы 1 соответственно.

 

Рис.2. Зависимость содержания оксидных плен в образцах из сплава АК12оч от варианта рафинирующе-дегазирующей обработки расплава (табл.1)

Зависимость количества пленообразных неметаллических включений в образцах из сплава АК12оч от варианта рафинирующей обработки (рис. 2) свидетельствует о снижении площади, занимаемой пленообразными неметаллическими включениями с 0,32 мм²/см² площади излома образца для исходного сплава, не подвергавшегося рафинированию, до 0,17 мм²/см², 0,12 мм²/см², 0,14 мм²/см², 0,15 мм²/см², 0,18 мм²/см², 0,07 мм²/см², 0,07 мм²/см², 0,08 мм²/см², 0,09 мм²/см², 0,05 мм²/см², 0,08 мм²/см² для образцов, полученных после рафинирующей обработкипо вариантам 1-12 согласно таблицы 1 соответственно.

Необходимо заметить, что результаты сравнительных испытаний на плотность и количество окисных плен хорошо согласуются с результатами сравнительных испытаний на предел прочности на растяжение и относительное удлинение для всех используемых материалов. Видно, что чем больше плотность полученных образцов и меньше содержание в них окисных плен, тем выше прочностные и пластические характеристики металла.

Так, анализ зависимости предела прочности на растяжение образцов из сплава АК12оч, обработанного различными рафинирующе-дегазирующими препаратами (рис 3) свидетельствует о том, что после проведения рафинирования, предел прочности на растяжение образцов увеличивается с 140 МПа для исходного сплава, не подвергавшегося рафинирующей обработке, до 143 МПа, 143 МПа, 143 МПа, 143 МПа, 142 МПа, 146 МПа, 146 МПа, 145 МПа, 144 МПа, 146 МПа, 145 МПа после рафинированияпо вариантам 1-12 согласно таблицы 1 соответственно.

Относительное удлинение образцов из сплава АК12оч (рис 4) после проведения рафинирования, возрастает с 2,0% для исходного сплава, не подвергавшегося рафинирующей обработке, до 2,3%, 2,3%, 2,3%, 2,3%, 2,2%, 2,6%, 2,6%, 2,5%, 2,4%, 2,6%, 2,5% после рафинирования по вариантам 1-12 согласно таблицы 1 соответственно.

Несколько меньшая рафинирующая эффективность флюсовых композиций при больших расходных характеристиках по сравнению с таблетированными препаратами и карбонатной смесью при обработке расплава в печах тигельного типа объясняется тем, что при нанесении флюса на зеркало расплава и его последующем замешивании эффективная глубина обработки расплава составляет около 300 мм. Из-за разницы плотностей флюс сложно замешать на большую глубину. Соответственно, обрабатываются лишь верхние слои металла. В связи с этим, для повышения эффективности флюсовой обработки применяют технологии и устройства, позволяющие обрабатывать расплав на всю глубину - ввод флюса под струю при переливе расплава, ввод флюса в струе газа-носителя через трубку, ввод флюса в струе газа-носителя при помощи импеллера, ввод флюса при помощи погружного колокольчика и т.п. При обработке расплава таблетированными препаратами и карбонатной композицией для ввода реагентов в металл использовался погружной колокольчик, что позволяло вносить рафинирующие материалы в донную часть расплава. В процессе обработки пузырьки рафинирующей газовой фазы и рафинирующие реагенты, всплывая, проходили через весь объем расплава в тигле, обеспечивая тем самым высокую эффективность рафинирования при относительно небольшом расходе.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о высокой рафинирующе-дегазирующей эффективности разработанной карбонатной смеси, практически не уступающей эффективности широко распространенных аналогов: классического трехкомпонентного флюса 45% NaCl + 40% KCl + 15% Na₃AlF₆, флюса покровно-рафинирующего ФМС-1, «флюса покровно-рафинирующего», флюса ProbatFlussAL 2126, хлористого цинка, препарата «Дегазер», таблетированного флюсового препарата ТПФ-1, «таблетки дегазирующей для доэвтектических и эвтектических силуминов, технического алюминия», таблетированноого препарата DegasalT 200,осушенного аргона (варианты 2-10, табл. 1).

Необходимо отметить, что во всех исследованных образцах до и после рафинирования АК12оч сравниваемыми препаратами была получена немодифицированная структура эвтектики с количеством включений эвтектического кремния 18•10³ шт. на 1 мм² площади шлифа, что дополнительно минимизирует рассредоточенную газоусадочную пористость. Переохлаждение при кристаллизации всех образцов составляло 3,0 К, что подтверждает отсутствие диспергирования эвтектического кремния.

Анализ содержания алюминия в скачиваемом шлаке после рафинирующей обработки (рис. 5) показывает относительно высокое его количество: 69% после рафинирования разработанной карбонатной композицией (вариант12, табл. 1), 80% после рафинирования «Таблеткой дегазирующей для доэвтектических и эвтектических силуминов», технического алюминия производства ОДО «Эвтектика», Республика Беларусь (вариант 9, табл. 1), 95% после продувки осушенным аргоном (вариант 11, табл. 1). При использованиифлюса 45% NaCl + 40% KCl + 15% Na₃AlF₆, флюса покровно-рафинирующего ФМС-1, «флюса покровно-рафинирующего», флюса ProbatFlussAL 2126, хлористого цинка, препарата «Дегазер», таблетированного флюсового препарата ТПФ-1, таблетированного препарата DegasalT 200(варианты 2-8, 10, табл. 1)содержание алюминия в скачиваемом после рафинирующей обработки шлаке значительно меньше: 6%, 6%, 6%, 5%, 18%, 12%, 9%, 15% соответственно. Однако мировые производители рафинирующих таблетированных присадок рекомендуют применять их в комплексе с покровно-рафинирующими флюсовыми композициями, что обеспечивает комплексное действие: таблетированные препараты осуществляют глубокое объемное рафинирование расплава, а флюсовые композиции выполняют покровно-защитную функцию, минимизируют захват алюминия шлаком и дополнительно адсорбируют примеси, выносимые таблетками из расплава в шлаковую фазу, тем самым значительно повышая эффективность рафинирующей обработки. Использование для рафинирующей обработки расплава «таблетки дегазирующией для доэвтектических и эвтектических силуминов, технического алюминия», осушенного аргона и разработанной карбонатной композиции совместно с классическим трехкомпонентным покровно-рафинирующим флюсом 40% NaCl + 40% KCl + 20% Na₃AlF₆ (вариант 13-15, табл. 1) обеспечивает невысокое содержание алюминия в скачиваемой шлаковой фазе на уровне 6,0% для всех исследуемых препаратов (рис.5). Совместное использование для рафинирующей обработки расплава разработанной карбонатной композиции и флюса покровно-рафинирующего ФМС-1 также обеспечивает невысокое содержание алюминия в скачиваемой шлаковойфазе: 6,0%, что способствует снижению безвозвратных потерь металла.

Для определения состава и сравнительного количества вредных выделений при рафинирующей обработке алюминиевых сплавов вышеуказанными способами были проведены опытные плавки с отбором проб выделяющихся газов. Из результатов исследований, приведенных в табл. 2, видно, что наиболее экологически безвредным является использование осушенного аргона. Рафинирующая обработка расплава алюминия разработанной карбонатной композицией сопровождается выделением углекислого газа, относящегося к 4 классу опасности, тогда как при рафинировании металла распространенными в промышленности препаратами: классическим трехкомпонентным флюсом 45% NaCl + 40% KCl + 15% Na₃AlF₆, флюсом покровно-рафинирующим ФМС-1, «флюсом покровно-рафинирующим», флюсом ProbatFlussAL 2126, хлористым цинком, препаратом «Дегазер», таблетированным флюсовым препаратом ТПФ-1, «таблеткой дегазирующей для доэвтектических и эвтектических силуминов, технического алюминия», таблетированным препаратом DegasalT 200(варианты 2-10, табл. 1)образуются токсичные соединения, такие как хлор элементарный, хлориды, фториды, оксиды серы, оксиды азота, относящиеся преимущественно ко второму классу опасности. Полученные данные позволяют сделать вывод об относительной экологической безопасности использования разработанной карбонатной композиции для проведения рафинирующе-дегазирующей обработки расплава на основе алюминия.

Необходимо отметить также относительную экологическую безопасность процесса комплексной обработки расплава на основе алюминия карбонатной композицией 50% CaCO₃ + 50% SrCO₃ совместно с флюсом покровно-рафинирующим ФМС-1 (вариант 16, табл. 1). Данная обработка кроме высокого уровня рафинирования позволяет дополнительно обеспечивать создание покровно-защитного слоя на зеркале расплава и минимизировать содержание алюминия в скачиваемом шлаке (рис. 5), что снижает безвозвратные потери металла.

Таблица 2. Количество и состав газов, выделяющихся в процессе рафинирующе-дегазирующей обработки 1 т расплава АК12оч

Таким образом, разработанная карбонатная композиция при расходе 0,07% от массы обрабатываемого расплава является высокоэффективной, высокотехнологичной, экологически безвредной рафинирующе-дегазирующей добавкой для обработки сплавов на основе алюминия, не уступающей, либо превосходящей используемые в настоящее время отечественные и зарубежные аналоги.. Для снижения содержания алюминия в скачиваемом шлаке допускается комплексное использование разработанной карбонатной композиции 50% CaCO₃ + 50% SrCO₃ совместно с флюсом покровно-рафинирующим ФМС-1 производства ООО «ПромФильтр», Республика Беларусь, или аналогичным материалом.

Промышленные испытания в условиях ОАО «АВТОВАЗ», ОАО «Теплоконтроль», г. Сафоново, ОАО «Тяжпрессмаш», г. Рязань подтвердили высокую рафинирующе-дегазирующую эффективность разработанной универсальной смеси КСК на основе карбонатов кальция и стронция. Созданная смесь, являясь экологически безвредной, по своей рафинирующей способности не уступает широко используемым в настоящее время аналогам.

Разработанная экологически безвредная универсальная смесь КСК на основе карбонатов кальция и стронция внедрена в действующие производства ОАО «Уралэлектро СТМ», г. Медногорск, и в ООО «Петровский механический завод», г. Петровск, ООО «Ростовский Литейный Завод», г. Ростов.

Рафинирующие карбонатные препараты, как и широкая гамма флюсов, фильтров, модификаторов, таблетированных и других материалов для литейного и металлургического производств, промышленно выпускаются ООО «ПромФильтр» (Республика Беларусь). Официальным представителем ООО «ПромФильтр» на территории Украины является компания ООО «Комплекс Плюс» (г. Харьков) т.ф. (057) 7 545 946.

Сведения об авторах:

1. Немененок Болеслав Мечеславович- д.т.н., зав.каф., профессор БНТУ (м.т.+3 75 29 341 38 45),

2. Задруцкий Сергей Петрович- к.т.н., доцент БНТУ (м.т. +3 75 29 336 17 14),

3. Слетова Наталья Владимировна- сотрудник БНТУ,

4. Довнар Геннадий Витольдович- к.т.н., доцент БНТУ,

5. Розум Владимир Александрович- к.т.н., доцент БНТУ,

6. Либерг Игорь Геннадьевич- к.т.н., профессор НТУ «ХПИ», технический директор ООО «Комплекс Плюс».

Опубликовано: ИТБ "Литье Украины", №09 (157) 2013 г.