Плавильно-литейное производство алюминиевых сплавов. Плавки алюминия технология


Технология плавки алюминиевых сплавов

Posted byМенеджерin Плавка сплавов цветных металлов

Основные технологические приемы, используемые при плавке большинства алюминиевых сплавов, примерно одинаковы и не зависят от типа плавильного агрегата. Исключением являются сплавы, легированные большим количеством магния (5… 10 %), а также жаропрочные и коррозионно-стойкие сплавы.

Процесс приготовления жидкого металла можно разделить на несколько этапов: пуск печи, подготовка и загрузка шихты, расплавление и перегрев металла, рафинирование и в некоторых случаях модифицирование.

Пуск печи после капитального ремонта футеровки требует продолжительного и равномерного нагрева во избежание растрескивания футеровки. Эта операция во многом определяет длительность эксплуатации печи. Чем сложнее конструкция футеровки и больше ее габариты, тем продолжительнее должен быть период сушки и разогрева. Сушка футеровки индукционной тигельной печи продолжается обычно в течение нескольких суток. Газопламенные печи для плавки алюминия на ВАЗе сушат и разогревают около 30 сут, а продолжительность их бесперебойной работы после этого не менее семи лет.

Непросушенные футеровка и плавильный инструмент являются, кроме того, причиной газовой пористости в отливках.Шихта для плавки алюминиевых сплавов не должна быть влажной и загрязненной маслом, эмульсией, землей. Все компоненты шихты, вводимые в жидкий металл, должны быть нагреты до 150…200°С во избежание выбросов металла. В состав шихты входят чушковый первичный алюминий и первичные литейные алюминиевые сплавы, возврат, лом и отходы. Тугоплавкие легирующие элементы, например никель, медь, марганец, титан, а также легкоокисляющиеся элементы вводят в виде лигатур с целью облегчения их растворения и уменьшения угара. В табл. 15.1 приведены составы и температуры плавления лигатур, а также температура расплава, при которой легирующий компонент вводится в расплав при выплавке лигатуры. Выплавку лигатур лучше всего проводить в индукционных тигельных печах.

Тугоплавкие лигатуры выплавляют в шамотно-графитовых тиглях. Плавку ведут под покровными флюсами. После расплавления и перегрева алюминия небольшими порциями вводят легирующую добавку. Расплав непрерывно перемешивают для более быстрого и равномерного расплавления добавки. В конце плавки проводят рафинирование.

Расчет шихты на ЭВМ при использовании однородной по физическому состоянию шихты ведут с учетом средней для всех компонентов шихты величины угара элементов (см. табл. 9.9). По результатам первых плавок принятые величины угаров корректируются.

trastcomp.ru

Особенности плавки и литья алюминиевых сплавов

В зависимости от назначения сплавов, масштаба производства и условий литейных цехов плавку алюминиевых сплавов осуществляют в ванных электропечах сопротивления (вместимостью от 150 кг до 3 т), индукционных тигельных и канальных печах (от 180 кг до 6 т), а также в отражательных пламенных печах ванного типа (до 30 т), в тигельных (до 250 кг) электросопротивления и в печах, работающих на жидком и газообразном топливе (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Схемы печей для плавки алюминиевых сплавов:а — отражательная пламенная печь ванного типа, 6 — ванная электропечь сопротивления, в — тигельная электропечь сопротивления, г — индукционная тигельная печь; 1 — ванна жидкого металла, 2 — летка для выпуска жидкого металла. 3 — загрузочные окна, 4 —  нагревательные элементы, 5 — свод печи, б — тигель, 7 — спираль, 8 — индуктор

В качестве исходных шихтовых материалов используют чушковый алюминий различных марок, отходы собственного производства, а также легирующие компоненты в виде чистых металлов или лигатур.

При плавке в открытых печах алюминиевые сплавы легко окисляются с образованием на поверхности расплава прочной оксидной пленки Al2O3, защищающей его от дальнейшего окисления. Замешивание пленки в расплав в процессе плавки вызывает его загрязнение. Алюминиевые сплавы интенсивно растворяют газы, в основном водород, в результате чего в отливках образуется пористость.

Алюминиево-магниевые сплавы, отличающиеся очень высокой окисляемостью, плавят под слоем покровных защитных флюсов, в качестве которых используют хлористые и фтористые соли: карналлит (MgCl2·KCl) и смеси карналлита с 40—50% ВаCl2 и 10—15% CaF2, вводимых в количестве 2% от массы шихты. Уменьшают склонность к окислению и вводимые в сплав добавки бериллия и титана (до 0,07%).

Процессы очистки расплавов от взвешенных неметаллических включений широко используют при плавке алюминиевых сплавов. С этой целью расплавы продувают инертными (аргон, азот) или активными (хлор) газами, обрабатывают хлористыми солями и рафинирующими флюсами, ультразвуком, вакуумируют, фильтруют.

Рис. 8.3. Методы рафинирования алюминиевых сплавов:а — продувка газами, 6 — фильтрование через слой расплавленного флюса, в — вакуумирование с последующей продувкой газами: 1 — ковш. 2 — пористая пробка, 3 — тигель, 4 — диск, 5 — флюс. 6 — запорный стержень, 7 — раздаточный ковш, 8 — вакуумно-продувочная камера, 9 — трубка для продувки газами

При рафинировании продувкой газами всплывающие их пузырьки выносят на поверхность расплава частицы неметаллических включений, растворенные газы. Газ продувают либо через трубку сверху, либо через пористую пробку 2 в ковше 1 (рис. 8.3,а). Обработку проводят при температуре 710—730°С в течение 5—20 мин. Наиболее эффективна обработка хлором, однако ввиду его токсичности широко используют инертные газы азот и аргон.

Наиболее широко применяют обработку хлористыми солями — ZnCl2, MnCl2, AlCl3,C2Cl6, рафинирующее действие которых основано на образовании газообразного хлористого алюминия по реакции МеCl3+Al = AlCl3+Ме.

Наиболее эффективна обработка гексахлорэтаном C2Cl6, при которой кроме АlCl3 образуется газообразный тетрахлорэтилен C2Cl4. В отличие от других хлоридов гексахлорэтан негигроскопичен, более дешев, обладает высокой дегазирующей способностью.

www.stroitelstvo-new.ru

Плавка и разливка алюминиевых сплавов

Плавка и разливка алюминиевых сплавов

Категория:

Литейное производство

Плавка и разливка алюминиевых сплавов

Для плавки алюминиевых сплавов используют тигельные печи, обогреваемые различными видами топлива, стационарные пламенные и электрические — сопротивления и индукционные.

1. Шихтовые материалы

В качестве исходных шихтовых материалов применяют первичные и вторичные металлы и сплавы, оборотные сплавы и лигатуры.

Первичный алюминий поставляется по ГОСТ 11069—74 в виде чушек массой 5, 15 и 1000 кг. Для производства алюминиевых сплавов обычно используют алюминий марок А5, А6 и АО, а для изготовления отливок высокоответственного назначения — алюминий особой и высокой чистоты.

Вторичные алюминиевые сплавы получают переплавкой и рафинированием лома и отходов. Они поставляются в виде чушек различных марок по ГОСТ 1583—73.

Свежие металлы. В состав алюминиевых сплавов входят цинк, магний, кремний, марганец, медь, бериллий, никель, железо, титан и другие элементы. Для алюминиевых сплавов обычно применяют цинк марок Ц1 и Ц2. Магний поставляется по ГОСТ 804—72 в чушках массой 8,0±1 кг. Ввиду большой склонности его к коррозии поверхность чушек подвергается антикоррозионной обработке. Кремний вводят в алюминиевые сплавы в виде чушкового силумина (сплав кремния с алюминием), поставляемого по ГОСТ 1521—76, а марганец —в виде лигатуры алюминий — марганец, содержащей около 10% марганца. Для приготовления лигатур используют марганец марок Mp1, Мр2 и Мр3.

Качество отливок в большой степени зависит от тщательности подготовки шихтовых материалов к плавке и способов их хранения. Они должны храниться в сухих крытых помещениях раздельно по маркам сплавов. Оборотный сплав должен очищаться от песка в очистных барабанах.

Лигатуры. При плавке алюминиевых сплавов, как правило, применяют двойные лигатуры — сплавы из двух компонентов. Введение лигатур обеспечивает получение сплава с точным содержанием элементов, что особенно важно для сплавов, содержащих магний, так как даже малые добавки его сказываются на свойствах сплавов.

2. Расчет шихты

Шихта для приготовления алюминиевых сплавов может состоять из чушкового алюминия, силумина, оборотного металла, лигатур и чистых металлов.

Рассмотрим пример расчета шихты для сплава АЛ5 при плавке в тигельной печи. Средний химический состав этого сплава: 5% кремния, 0,4% магния, 1,25% меди, остальное — алюминий. Допустимое содержание железа при заливке в металлические формы не должно превышать 1%. Расчет ведем на 100 кг сплава. Угар принимаем в следующих размерах, в %: кремния—1, магния — 3, меди — 1, алюминия — 1.

Для доведения до необходимого количества содержания кремния применяем чушковый силумин (с Si=13%), а магния и меди— алюминиево-магнневую и алюминиево-медную лигатуры.

3. Флюсы, рафинирующие и модифицирующие материалы

Для получения высококачественных сплавов осуществляют плавку под флюсом, рафинирование сплава для удаления неметаллических включений, а также модифицирование для получения мелкой структуры и повышения механических свойств.

Для рафинирования и модифицирования алюминиевых сплавов часто применяют универсальные флюсы, состоящие из смеси солей и криолита. Универсальные флюсы используются как в жидком, так и в порошкообразном состоянии.

4. Плавка в тигельных печах

Плавку алюминиевых сплавов в небольших объемах осуществляют в тигельных печах, работающих на нефти и газе..

Печь состоит из стального кожуха с футеровкой и вставленного в него сверху чугунного тигля. Последний своим широким фланцем крепится к стальному кольцу, перекрывающему шахту сверху, что обеспечивает полную изоляцию расплавленного металла от печных газов. Печь установлена на сварной или литой раме. Поворот ее осуществляется штурвалом. Для увеличения срока службы тиглей и уменьшения насыщения сплавов железом внутреннюю поверхность их рекомендуется окрашивать краской, состоящей из 60% кварцевого песка, 30% огнеупорной глины и 10% жидкого стекла.

Рис. 1. Поворотная тигельная печь.

5. Плавка в электрических печах

Плавку алюминиевых сплавов производят в электрических печах сопротивления, тигельных и отражательных печах, а также в индукционных.

Плавка в электрических отражательных печах. На предприятиях, где алюминиевые сплавы выплавляются в больших объемах, применяют электрические печи САН (печи сопротивления для алюминиевых сплавов, наклоняющиеся) и камерные стационарные.

Печь САН (рис. 2) имеет удлиненный металлический корпус, установленный на катках и укрепленный на фундаменте. Корпус изнутри выложен кирпичом. В торцах печи расположены две форкамеры, а в середине — центральная ванна. Свод печи выложен фасонными огнеупорными кирпичами, в гнездах которых уложены нагревательные спирали. Такие же спирали имеются и в форкамерах.

Шихту загружают через окна. Она плавится в форкамерах за счет тепла, отраженного от свода и стенок печи, и по наклонным плоскостям стекает в центральную ванну. Слив готового металла из печи осуществляется через лётку при повороте печи на опорных катках с помощью штурвала или электропривода.

Плавка в тигельных электрических печах сопротивления. При сравнительно небольших масштабах производства для плавки алюминиевых и магниевых сплавов применяют однотигельные печи сопротивления САТ-0,15 и САТ-0,25, а также двухтигельные печи СЖ.Б-230 и ОКБ-75.

Рис. 2. Электрическая печь типа САН.

Печи CAT выполнены в виде сварного цилиндрического кожуха, футерованного фасонным легковесношамотным кирпичом, и имеют теплоизоляцию. Нагрев чугунного тигля, установленного на литом чугунном кольце, производится нихромовыми нагревателями, которые уложены на полочках фасонных шамотных кирпичей и укреплены металлическими крючками. В нижней части печи имеется аварийное отверстие для выпуска сплава на случай прогорания тигля. Температура автоматически регулируется самопишущим потенциометром с помощью хромель-алюмелевой термопары.

Плавка в индукционных электрических печах. Различают индукционные печи со стальным сердечником и индукционные тигельные печи ИАТ. Печи со стальным сердечником широко применяются для плавки как алюминиевых, так и медных сплавов. Они имеют ряд преимуществ по сравнению с печами сопротивления: более высокую производительность, меньший удельный расход электроэнергии, возможность рафинирования металла в печи, обеспечивают высокое качество сплава с минимальным содержанием газов. В этих печах интенсивное движение металла происходит в устьях каналов, а поверхность жидкого сплава в самой печи находится в спокойном состоянии, что обеспечивает сплошность окисной пленки и предохраняет сплав от дальнейшего окисления.

Рис. 3. Тигельная электропечь.

В последнее время получили распространение бессердечниковые тигельные индукционные печи ИАТ емкостью 0,4—0,6 т и производительностью 0,235—2,0 т/ч.

6. Особенности технологии плавки и разливки алюминиевых сплавов

Для большинства алюминиевых сплавов принята одна технология плавки вне зависимости от конструкции печи.

Шихтовые материалы перед загрузкой тщательно очищают от загрязнений и подогревают до 100—150 °С для удаления с их поверхности влаги.

Плавка алюминиево-кремнистых сплавов. Как уже указывалось, лучше всего вести плавку в индукционных печах высокой или промышленной частоты и в электрических печах сопротивления. В качестве шихтовых материалов применяют чушковые силумины, первичный алюминий и оборотный металл (до 50% от массы шихты).

Плавку осуществляют в следующей последовательности. Печь или тигель нагревают до температуры 600—700 °С, загружают в них подогретые чушки силумина и предварительно очищенный в барабане оборотный сплав. После расплавления металл перегревают до 720—730 °С, рафинируют хлористым цинком (0,1% от массы шихты) и производят его модифицирование.

Рафинирование осуществляют путем погружения навески хлористого цинка на дно тигля с помощью «колокольчика», который медленно водят по дну тигля до полного прекращения выделения пузырьков газа.

Модифицирование смесью хлористых и фтористых солей калия и натрия производят путем покрытия ими очищенной от шлака поверхности сплава и выдержки в течение 12—14 мин. Затем соли рубят и замешивают в сплав в течение 2 мин, после чего модификатор снимают с поверхности сплава.

При использовании универсальных флюсов операции рафинирования и модифицирования совмещают.

Плавка алюминиевых сплавов, содержащих магний. Во избежание насыщения сплава вредными примесями — железом и кремнием — плавка ведется только в графитовых тиглях. Вспомогательный инструмент — счищалка, колокольчики и др. — также изготовляется из графита или титана.

В качестве шихтовых материалов применяют первичный алюминий высокой чистоты, магний и лигатуры алюминиево-бериллие-вую, алюминиево-титановую, алюминиево-циркониевую и оборотный сплав соответствующей марки (до 50—60% от массы всей шихты).

После нагрева тигля до температуры 600 °С. загружают чушки первичного алюминия и алюминиево-бериллиевую лигатуру. При температуре сплава 670—700 °С вводят лигатуры алюминий — титан и алюминий — цирконий и после полного растворения всех лигатур с помощью графитового колокольчика вводят магний. При этом необходимо следить, чтобы магний все время был погружен в сплав. После ввода магния сплав рафинируют. Затем с поверхности ванны снимают шлак, сплав тщательно перемешивают и опять снимают шлак, после чего производят разливку. На протяжении всей плавки не допускается перегрев сплава свыше 750 °С.

Для разливки применяют разливочные тигли и футерованные ковши емкостью до 1000 кг. Длина струи сплава должна быть минимальной. Тигли, ковши и разливочный инструмент обязательно прокаливают и покрывают специальными красками.

Читать далее:

Плавка и разливка магниевых сплавов

Статьи по теме:

pereosnastka.ru

Плавка алюминиевых сплавов

При плавке и разливке на воздухе алюминиевые сплавы легко окисляются и насыщаются водородом, причем вредное влияние растворенных газов на качество отливок заметно уже при небольших количествах их в расплаве. Практикой установлено, что предельно допустимое количество водорода в алюминиевых сплавах, позволяющее получать качественное литье, оценивается 0,1—0,20 см3/100 г металла. Поэтому основное внимание при плавке уделяют предупреждению излишнего окисления и газонасыщения сплава. Учитывая вредное влияние примесей в алюминиевых сплавах, стремятся также получить сплав с минимальными количествами этих примесей, особенно железа.

Способы плавки алюминиевых сплавов зависят от применяемого типа печей и шихтовых материалов. Тип плавильных печей выбирают в зависимости от характера производства и назначения сплава.

Плавку алюминиевых сплавов производят в тигельных печах с нефтяным, газовым и электрическим обогревом, в пламенных отражательных печах, подовых электропечах сопротивления и индукционных печах. По назначению различают печи плавильные, раздаточные и плавильно-раздаточные.

Наиболее качественный металл получается при плавке в индукционных печах. В этих печах плавка идет быстро, металл получается хорошо перемешанным и менее газонасыщенным. Отражательные печи, отапливаемые газом, применяют для плавки алюминиевых сплавов в цехах заготовительного литья, а также для переплавки отходов и стружки. В фасоннолитейных цехах распространены отражательные электропечи сопротивления.

Тигельные печи с различными способами нагрева применяют для плавки сравнительно небольших количеств металла (особенно они удобны как раздаточные печи).

Для плавки алюминиевых сплавов применяют преимущественно металлические сварные, литые, реже кованые тигли.

При плавке в металлических тиглях имеется опасность взаимодействия сплава с тиглем и загрязнение его примесями железа. Наиболее агрессивны по отношению к чугунным тиглям алюминиевые сплавы с кремнием, затем с магнием и менее с медью и цинком. Поэтому стенки тиглей перед плавкой покрывают специальными защитными красками, кроме того, подбирают составы чугуна или стали, более стойкие по отношению к алюминию. Например, серые чугуны более стойки, если в них больше графита и он находится в сильно разветвленной форме. Кремний в чугуне (как и кремний в расплаве) способствует взаимодействию металла с материалом тигля поэтому стремятся снижать содержание его в чугуне до нижнего предела, а в качестве графитизирующего элемента при выплавке используют алюминий (1,2—3,0%). Алюминий, кроме того, снижает окисляемость тигля и с наружной стороны. Содержание марганца должно быть минимальным. Высокую стойкость имеют тигли из чугуна с содержанием алюминия до 8% и с присадками хрома (0,4—1,0%), а также никеля и молибдена.

Рекомендуются следующие общие правила приготовления алюминиевых сплавов:

  1. При плавке на свежих шихтовых материалах и лигатурах в первую очередь загружают (целиком или по частям) алюминий, а затем растворяют лигатуры.
  2. Если плавка ведется на предварительном чушковом сплаве или на чушковом силумине, в первую очередь загружают и расплавляют чушковые сплавы, а затем подшихтовывают сплав необходимым количеством алюминия и лигатур.
  3. Сильно склонные к угару металлы, например цинк, магний, вводят в сплав в последнюю очередь, желательно под слой флюса.
  4. Если шихта состоит из отходов и чушковых металлов, очередность загрузки определяется количеством составных частей шихты: в первую очередь загружают в печь и расплавляют наибольшую часть шихты. Если, однако, отходы сильно загрязнены, то лучше их вначале расплавить, дегазировать и затем загружать чушковый металл.
  5. Если емкость печи и габариты шихты позволяют загружать различные ее составляющие одновременно, то вместе загружают то, что имеет близкую температуру плавления, например силумин, отходы, чушковый алюминий. Шихту подбирают с наименьшим количеством примесей для данного сплава. Укладку шихты в печь надо производить компактно, расплавление вести быстро. При загрузке в жидкую ванну твердую шихту необходимо предварительно подогревать.

Шихтовые материалы и возвраты необходимо хранить в сухих и теплых помещениях. Хранение их в сырых помещениях или же на открытом воздухе приводит к адсорбции влаги и усиленному окислению.

Шихту обычно составляют из отходов и 20—60% свежих материалов, тщательно взвешивают в соответствии с расчетными данными. Расчет шихты литейных алюминиевых сплавов проводят по данным ГОСТа (по среднему или оптимальному составу). В зависимости от особенностей сплавов и требований к свойствам отливки состав одних компонентов рассчитывают по минимальному количеству, других — по максимальному, а третьи компоненты рассчитывают по среднему количеству.

Например, при расчете шихты для приготовления слитков из алюминиевых сплавов АК4, АК5, АК6 и Д16 содержание меди в сплавах берут по верхнему пределу, что способствует снижению склонности сплавов к трещинообразованию, а содержание железа, магния и кремния принимают, наоборот, по нижнему пределу, для уменьшения ликвации.

Сплав АЛ4 имеет следующие пределы химического состава по ГОСТу: 8—10,5% Si, 0,25—0,5% Mn, 0,17—0,3% Mg, остальное Al. Обычно расчет ведут на содержание кремния 8,25—9,25%. Пониженное по сравнению со средним (9,25%) содержание кремния берут потому, что это способствует повышению прочности, уменьшению концентрированной усадки и ликвации сплава. Но чрезмерное понижение кремния вызывает уменьшение жидкотекучести и механических свойств, что особенно важно при литье тонкостенных деталей. Поэтому в таких случаях расчет ведут на содержание кремния 9,25%. Марганец вводят в сплав АЛ4 главным образом для устранения вредного влияния железа, но повышенное содержание марганца может вызвать сильную ликвацию. Поэтому если шихта сравнительно чистая по железу, то расчет ведут на среднее содержание марганца (0,37%), а если шихта сильно загрязненная, то количество марганца доводят до 0,45%, т. е. ближе к верхнему пределу. Особенно важно при составлении шихты сплава АЛ4 учитывать влияние магния на механические свойства этого сплава. При содержании магния на нижнем пределе сплав будет иметь пониженную прочность и твердость, но высокую пластичность.

Часто при выборе оптимального состава сплава приходится учитывать одновременно влияние на свойства сплава нескольких компонентов и затем выбирать наиболее удобные их сочетания. Например, сплав Д19 (3,8—4,3% Cu; 1,8—2,3% Mg) высокие жаропрочные свойства имеет в том случае, если суммарное количество меди и магния в сплаве будет равным 6,1%, что необходимо учитывать при расчете шихты. При плавке сплава АЛ19 (4,5—5,3% Cu, 0,6—1,0% Mn, 0,25—0,35% Ti, <0,3% Fe, <0,3% Si, 0,05% Mg, остальное Al) высокие прочностные и пластические свойства получаются в том случае, когда содержание меди и марганца находятся на среднем уровне марочного состава сплава (5% Cu, 0,8% Mn,0 3% Ti, остальное Al). Любые отклонения от среднего содержания этих металлов неблагоприятно сказываются на механических свойствах.

Поэтому при плавке некоторых алюминиевых сплавов (особенно многокомпонентных) приходится иногда вначале готовить из чистых металлов подготовительный сплав определенного химического состава, разливать его в чушки, анализировать состав и потом уже при условии соответствия заданному составу использовать его в качестве исходной шихты для приготовления рабочего сплава, непосредственно идущего для заливки литейных форм.

Стандартные сплавы, технология плавки которых достаточно хорошо отработана, обычно готовят однократно из шихтовых материалов и сразу же заливают металл в формы.

Расплавление шихты ведут форсировано, но не рекомендуется чрезмерно перегревать расплав. Если шихта мелкогабаритная, та для предохранения от чрезмерного окисления плавку осуществляют с применением покровных флюсов из смеси хлористых солей, которые загружают вместе с металлической шихтой в количестве 2—3% от массы металла. По достижении необходимого перегрева металл контролируют по технологическим пробам на газонасыщенность и загрязненность окисными включениями и в случае необходимости приступают к рафинированию и дегазации сплава. На всем протяжении плавки, начиная с подготовки шихтовых материалов, необходимо не допускать излишнего окисления и газонасыщения расплава. Для этого надо тщательно готовить к плавке шихту и очищать ее от посторонних примесей, а также держать чистыми печь и весь инструмент. Чем больше внимания и времени уделяется подготовке шихты и печи, тем меньше окислов и газов окажется в расплаве и тем легче отрафинировать расплав перед разливкой. Небрежная плавка, в том случае, когда используют загрязненную, влажную шихту, не просушивают футеровку печи (в расчете на последующую очистку расплава в результате рафинирования и дегазации в конце плавки), не дает хороших результатов, так как зачастую легче предотвратить попадание в расплав окислов и газов, чем затем освободиться от них.

Практика плавки алюминиевых сплавов показывает, что существует прямая связь между количеством окисных пленок в расплаве и его газонасыщенностью. Чем больше в сплаве окисных пленок, тем выше газонасыщенность. Поэтому излишнего перемешивания расплава следует избегать, особенно если плавку ведут без покровных флюсов.

www.teh-lib.ru

Плавильно-литейное производство алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы находят широкое применение во многих отраслях промышленности: транспорте ~38%; строительстве ~20%; машиностроении ~8%; электротехнике ~5% и других [2.1]. Этому способствовало удачное сочетание физических свойств алюминиевых сплавов, которые зависят от ряда факторов. В частности, добавление к алюминию легирующих элементов (медь, кремний, магний, цинк, марганец и др.) или уже присутствие их в жидкой ванне оказывает существенное влияние на характеристики сплавов.

В алюминиевых сплавах могут присутствовать почти все металлы периодической системы элементов, одни в качестве легирующих элементов, другие в качестве нежелательных примесей. Поэтому плавильно-литейное производство алюминиевых сплавов должно предусматривать такие операции как плавление твердого алюминия или алюминиевого лома, добавление легирующих элементов и перемешивание расплава с целью выравнивания химического состава и его температуры во всем объеме ванны, очистка расплава от неметаллических включений (фильтрация), очистка от ненужных примесей (рафинирование), удаление газов из расплава (дегазация), получение из расплава слитков в твердом состоянии (кристаллизация), транспортировка расплава от одного технологического оборудования к другому.

На всех этапах плавильно-литейного производства возможно использование магнито-гидродинамических (МГД) технологий, основанных на взаимодействии жидких металлов с электромагнитным полем.

Оборудование процесса плавления. Плавление твердого алюминия или алюминиевого лома осуществляется в плавильных печах. По виду используемого энергоносителя плавильные печи разделяются на газовые, мазутные и электрические. На рис. 1.5 представлен эскиз распространенной прямоугольной камерной печи, работающей на газе или мазуте. Здесь 4 ‒ факел горящего топлива. Каркас печи 1 представляет собой металлоконструкцию, футерованную изнутри огнеупорным материалом. Дверь печи 2 поднимается с помощью гидро- или электропривода, позволяет осуществлять загрузку шихты и чистку резервуара после слива жидкого металла 3. Выделяющиеся в результате горения факела 4 газы удаляются по газоотводу 5. Такие печи, как правило, используются для плавки отходов плавильно-литейного производства алюминиевых заводов, где в качестве шихты используется чистый алюминий или сплавы известных марок.

Для плавки алюминиевого лома используется двухкамерная плавильная печь (рис. 1.6). Лом загружается в правую камеру печи, поэтому не имеет непосредственного контакта с жидким металлом 3. Перед плавлением из лома удаляется влага, что обеспечивает безопасность эксплуатации оборудования.

Рис. 1.5. Эскиз камерной газовой плавильной печи

Рис. 1.5. Эскиз двухкамерной газовой плавильной печи

Для плавки лома с большим содержанием железа используются роторные печи (рис. 1.7). Печь имеет цилиндрический каркас 1, непрерывно вращающийся, что обеспечивает быстрое плавление алюминия и отделение его от железных включений. Такая технология позволяет слить жидкий металл до значительного растворения в нем железа.

Рис. 1.7. Эскиз роторной плавильной печи

Большое распространение в промышленности получили электрические индукционные тигельная (рис. 1.8) и канальная (рис. 1.9) печи.

Тигельная печь по принципу действия подобна воздушному трансформатору. Первичная обмотка ‒ индуктор 4, вторичная обмотка и одновременно нагрузка ‒ расплавленный металл 3 в тигле 5, помещенный внутри индуктора. Все элементы крепятся к каркасу печи 1 с крышкой 2.

Канальная печь представляет собой трансформатор с магнитопроводом 5. Первичной обмоткой является индуктор, а вторичной служит канальная часть 4, заполненная жидким металлом. Жидкий металл канальной части совместно с жидким металлом ванны печи 3 образуют замкнутый вокруг индуктора 5 виток. Поэтому индукционная канальная печь по принципу действия аналогична трансформатору, работающему в режиме короткого замыкания.

Рис. 1.8. Эскиз индукционной тигельной печи

Рис. 1.9. Эскиз индукционной канальной печи

Индукционные печи широко используются для выплавки черных и цветных металлов, высококачественных сплавов, требующих особой чистоты.

Оборудование приготовления сплавов. Приготовление сплавов осуществляется в миксерах. На заводах производства первичного алюминия жидкий металла в миксеры поступает в заливочных ковшах из электролизного производства. На заводах вторичной переработки алюминия жидкий металл поступает в миксеры непосредственно из плавильных печей. На рис. 1.10 и 1.11 представлены эскизы стационарного и поворотного электрических миксеров соответственно. Жидкий металл заливается в заливочный карман 5. Управление температурным режимом в миксере осуществляется трубчатыми электронагревателями 4, которые с помощью подвесок крепятся к своду миксера.

Рис. 1.10. Эскиз стационарного электрического миксера

Рис. 1.11. Эскиз поворотного электрического миксера

Легирующие элементы в миксер подают в окно 2. С целью выравнивания химического состава и температуры во всем объеме ванны миксера используются МГД-перемешиватели.

В стационарных миксерах (рис. 1.10) индуктор МГД-перемешивателя 6, как правило, устанавливается с боковой стороны миксера, а в поворотных миксерах (рис. 1.11) индуктор МГД-перемешивателя 6 устанавливается под подиной миксера. В месте установки индуктора, с целью увеличения эффективности перемешивания, предусмотрено специальное гнездо из немагнитной стали 7.

Для удобства ручной или механической чистки ванны миксера угол в подине, со стороны окна, выполняется в пределах ... ... градусов. Угол между противоположной боковой стороной и подиной миксерав стационарных миксерах равен, а в поворотных лежит в пределах от до .

Вспомогательное оборудование. Из миксера приготовленный расплав по металлотракту (желобу) подается в литейную машину. Между миксером и литейной машиной устанавливают вспомогательное или внепечное оборудование к такому оборудованию относятся фильтры и дегазаторы или рафинаторы.

Фильтры предназначены для очистки расплава от неметаллических включений. На рис. 1.12 представлен эскиз пенокерамического фильтра.

Рис. 1.12. Пенокерамический фильтр

Установки рафинирования предназначены для удаления из расплава ненужных примесей или газов. На рис. 1.13 представлен эскиз установки рафинирования.

Рис. 1.13. Установка рафинирования

Установки литья. После вспомогательного оборудования расплав по металлотракту поступает в литейную машину. В литейной машине происходит кристаллизация, то есть расплав из жидкого состояния превращается в твердые слитки определенной формы. На рис. 1.14 представлен процесс кристаллизации в машине вертикального литья.

Рис. 1.14. Схема кристаллизации в литейной машине вертикального литья

На рис. 1.15 показана схема кристаллизации в литейной машине горизонтального литья.

Рис. 1.15. Схема кристаллизации в литейной машине горизонтального литья

Существуют и другие виды литейных установок:

studfiles.net

Технология модифицирования во время плавки алюминия

Posted byМенеджерin Плавка сплавов цветных металлов

Модифицирование. Для измельчения макрозерна и различных фаз, а также для придания им благоприятной формы алюминиевые сплавы модифицируют. Доэвтектические и эвтектические силумины модифицируют с целью измельчения кристаллов эвтектического кремния. Для этого вводят 0,05… 0,1 % натрия или стронция в виде солей NaF и NaCl на поверхность металла, очищенную от шлака. В результате реакций, происходящих в металле, выделяется натрий, производящий модифицирующее воздействие:6NaF + Al = Na3AlF6 + 3Na.

С целью ускорения этого процесса металл следует перемешивать. Эффект модифицирования сохраняется 20…30 мин, в течение которых металл должен быть залит в формы. Модифицирующее действие стронция сохраняется в течение 2…3 ч.

Стронций вводят в виде лигатуры алюминий—стронций, содержащей 10 % Sr. Заэвтектические силумины модифицируют для измельчения первичных кристаллов кремния. В качестве модификатора используют фосфор в виде лигатуры Си—Р (10% Р), смеси красного фосфора с фторцирконатом калия и хлористым калием, а также смеси фосфорорганических веществ. Следует заметить, что модифицирование фосфором в виде лигатуры Си—Р требует повышенной температуры (880…920°С) и длительной выдержки (20…30 мин).

Широкое распространение получили так называемые универсальные флюсы, выполняющие функции рафинирующих флюсов и модификаторов. В составе этих флюсов кроме КС1, NaCl и Na3AlF6 содержится свыше 25 % NaF, обеспечивающего модифицирующее действие флюса.

Расход дегазирующих и модифицирующих добавок зависит от способа их применения. Так, по данным ВАЗа расход порошкообразного гексахлорэтана составляет 0,2 %, а при использовании его в виде таблеток расход не превышает 0,05 % от массы расплава. Модифицирующие средства в прессованном виде также расходуются в меньшем количестве, чем порошковые (0,1 против 1 %). Это объясняется отсутствием просыпи при вводе таблетки, а, кроме того, постепенное разложение таблетки исключает возможность выброса непрореагировавшего реагента на поверхность металла, что характерно при усвоении порошкообразного вещества.

В последние годы разработаны модификаторы для сплавов алюминия, содержащих до 26 % Si. Это смеси фосфористой меди и гидрата лития, лигатуры А1—(10… 50 %) Sr, Al—Ti—В и др.

Опыт ВАЗа и КамАЗа показывает, что воздействие флюсов на металл не должно заканчиваться после его выдачи из плавильного отделения. При транспортировке в ковшах и при выдержке в раздаточных печах металл должен защищаться флюсами. В раздаточных печах необходима регулярная замена флюса.315

trastcomp.ru

Технологические особенности плавки цветных металлов и сплавов в электропечах :: Технология металлов

 

Плавка алюминия

Алюминий и его сплавы применяются практически во всех отраслях промышленности, а также при производстве предметов домашнего обихода. В настоящее время плавка алюминия проводится преимущественно в пламенных отражательных печах, работающих на углеродистом топливе, и в электрических печах. Естественно, качественные и экономические показатели при этом получаются не одинаковые. В тигельных индукционных электропечах для плавки алюминия при отсутствии «болота» (слоя жидкого металла, оставленного в тигле от предыдущей плавки) быстрому нагреву подвергается слой садки, расположенный возле внутренних боковых стенок тигля. Таким образом, в начальный период плавки, когда отдельные куски шихты еще не покрыты жидким металлом, они свободно соприкасаются с воздухом и подвергаются окислению, но в значительно меньшей степени, чем в пламенных отражательных или в камерных электропечах сопротивления. Температура металла па поверхности шахты всегда имеет минимальное значение, в результате чего готовые отливки, получаемые из канальных электропечей, содержат меньшее количество окислов, чем отливки, полученные в печах других типов. Этим же преимуществом обладают тигельные индукционные электропечи, в которых по технологическим требованиям в тигле после каждой плавки оставляют часть жидкого металла 20—35% от емкости тигля печи. Жидкий алюминий и его сплавы обладают способностью поглощать газы и особенно водород. В пламенных печах большое количество водорода находится в топочных газах. Кроме того, в плавильные печи всех типов он может быть занесен сырой шихтой.

3Н2О + 2Аl → Аl2O3 + 3Н2

Газовый горн (плавка без флюса)  ……….2,5 Газовый горн (плавка под флюсом) ………1,05

Отражательная печь на газообразном топливе...........2,5—3

Отражательная печь на мазуте …….3—4

Электропечь сопротивления  ……..1,05

Электропечь  канальная   индукционная    ............0,13

Электромиксер.........0,12

Влияние времени выдержки жидкого алюминия в металлическом тигле на насыщение его железом показано ниже:

Время выдержки, Содержание железа,

мин                                            %

25                                             1,75

35                                             1,90

40                                             1,97

45                                              2,01

65                                              2,30

100                                            2,50

Однако если целостность пленки нарушить, то оголенные участки жидкого металла быстро окислятся, а изломанные куски пленки начнут оседать на дно ванны. При интенсивной циркуляции жидкого металла в печи куски окиси затягиваются в каналы и, оседая на его стенках, уменьшают его рабочее сечение. В практике это явление называется зарастанием канала. Полностью избавиться от зарастания каналов в индукционных канальных печах практически невозможно, так как нарушение поверхностной пленки окиси может быть вызвано причинами, не зависящими от конструкции печи (отдельных ее узлов) и от технологических режимов. Нормальная Работа канальной электропечи возможна только при условии, что в ней всегда будет оставаться некоторое количество (до 35% от полной емкости печи) жидкого металла. В тех случаях, когда по технологическим требованиям необходимо изменить химический состав расплавляемого сплава, печь должна быть полностью освобождена от ранее выплавляемого сплава и залита жидким сплавом нужного химического состава. Это в значительной степени ограничивает производственные возможности электропечи и снижает ее экономические показатели. Наиболее экономически эффективно эксплуатируются канальные электропечи при круглосуточной работе, выплавляя однородные сплавы, замена которых не требует полного освобождения электропечи от жидкого металла.

 

Плавка магния

Магний принадлежит к группе легких металлов. В чистом виде он очень активен. Металлический магний в виде порошка или тонкой ленты быстро окисляется горит)  па воздухе даже при комнатной температуре. : машиностроении магний используется в специальных сплавах. Обычно магний и его сплавы выплавляются в тигельных или отражательных печах под слоем флюса, так ак обнаженный жидкий металл мгновенно воспламеняется. Из сказанного следует, что тепловая энергия, необходимая для расплавления и особенно для перегрева жидкого металла, должна передаваться металлу с максимально возможной скоростью, и металл в тигле должен находиться в спокойном состоянии. Полностью удовлетворяют этим условиям только тигельные индукционные печи промышленной частоты. Электрическая энергия в тигельных индукционных печах превращается в тепловую, главным образом в стальном тигле. Поэтому установки с тигельными индукционными печами имеют очень высокий к. п. д., до 85%, в то время как к. п. д. тигельных электропечей сопротивления колеблется в пределах 40—70%, а у тигельных мазутных печей он не превышает 10%. Скорость нагрева садки в тигельных индукционных печах теоретически может быть очень большой, поэтому эти печи имеют большую производительность. Так, че-тырсхтонаня индукционная тигельная печь типа ИГТ-7 отечественного производства может при круглосуточной работе выдать до 60 т магниевого сплава. В настоящее время для плавки магниевых сплавов изготавливают тигельные индукционные печи промышленной частоты емкостью до 16 г.

 

Плавка цинка

Другой особенностью цинка является то, что его пары имеют значительное давление, благодаря чему они проникают в поры некоторых футеровочных материалов, где вступают в химическое взаимодействие с металлами, находящимися в футеровке, и разрушают ее. В настоящее время имеются массы для футеровок, лишенных названного выше недостатка. Примером такого состава является масса, содержащая 53% обожженной глины, 35% синей гончарной глины и 12% каолина. Пары цинка, кроме того, ядовиты, поэтому печная установка должна иметь хорошую вытяжную вентиляцию.

 

Плавка меди

Медь представляет собой тягучий мягкий металл красного цвета, с высокими электро- и теплопроводностью. В технике медь получила широкое распространение как в чистом виде, так и в виде сплавов. На медной основе получают многие сплавы с ценными физическими свойствами, из которых основными являются латунь, бронза, томпак и др. Основным потребителем как первичной, так и вторичной меди является электротехническая промышленность. Вся производимая отечественной промышленностью медь распределяется примерно так: на изготовление токопроводящих деталей 50%; на производство сплавов на медной основе —40%; все прочие производства — 10%.

 

Плавка никеля

Никель отличается высокой антикоррозионной стойкостью и пластичностью при механической обработке. В технике он применяется как в чистом виде, так и в сплавах. Практически в настоящее время применяются никелевые сплавы высокого омического сопротивления. Кроме того, никель расходуется на антикоррозионные и художественные покрытия различных деталей. Однако до настоящего времени большинство сплавов на основе никеля типа Х15Н60, Х20Н80, ЭИ437, применяемых для нагревательных элементов электропечей сопротивления, выплавляется в обычных электродуговых печах с графитовыми электродами.

 

Плавка титана

Жидкий титан хорошо взаимодействует с кислыми, основными и нейтральными огнеупорными материалами, применяемыми в настоящее время в металлургии. Поэтому титан и его сплавы в печах с обычной футеровкой практически получать невозможно. В открытых печах плавить титан нельзя, так как, находясь в жидком состоянии, он быстро окисляется и может полностью сгореть. Даже в вакууме при температуре, близкой к 2000° С, он хорошо взаимодействует с алюминием и углеродом, образуя карбиды титана, которые способствуют понижению пластичности и ухудшению обрабатываемости в холодном состоянии. В настоящее время жидкий титан для получения фасонных отливок выплавляют только в вакуумных дуговых печах гарниссажного типа с расходуемым электродом.

 

 

markmet.ru