Дегазація і рафінування
Хлорування - продування розплавів газоподібним хлором-при- змінюється для видалення домішок, що володіють більшою спорідненістю до хлору, ньому основний і головні легирующие компоненти сплаву. Хлоруванням можна видаляти домішки натрію і магнію з алюмінієвих сплавів.
Хлористий алюміній (АlCl3), що володіє високою пружністю пара (кипить при 180 ° С), знаходиться в розплаві в пароподібному стані, тому він, а також хлористий водень виділяються на поверхню. При цьому частинки хлористого алюмінію і хлористого водню захоплюють за собою бульбашки водню.
Оскільки при продуванні хлору бульбашки АlСl3 і HCI швидко виділяються в атмосферу, повного їх насичення воднем не відбувається. Тим часом таке насичення є найбільш бажаним.
Для максимально повного ефекту дегазації необхідно, щоб бульбашки рафінуючі газу піднімалися в розплаві повільно. Крім того, потрібно створити якомога більшу поверхню їхнього зіткнення з металом. Для цього гази потрібно пропускати у вигляді дрібних бульбашок з великим значенням відношення поверхні до об'єму.
Обробка хлором сприяє також видаленню з розплаву зважених там частинок оксидів. Хлористий алюміній адсорбує частинки оксидів і виносить їх з глибини ванни на поверхню, утворюючи шлак.
Рафінування розплавів від розчинених домішок може бути здійснено окисленням, хлоруванням, обробкою розплаву флюсами, вакуумної дистиляцією і газореагентними середовищами (аргоном).
Рафінування окисленням прйменімо в тих випадках, коли сплав здатний розчиняти кисень. Цим методом можна очистити розплав від домішок, мають більшу спорідненість до кисню, якщо оксиди домішок не розчиняються в розплаві. Даний метод застосовують для очищення міді від свинцю, миш'яку, вісмуту і сурми і нікелю - від кремнію, магнію і марганцю.
Іноді для окислення домішок в розплав вводять окислювачі (оксиди і сполуки, легко віддають кисень). При контакті розплаву з киснем перш за все відбувається окислення основного металу, і розплав насичується киснем. Після цього розчинені домішки, з'єднуючись з киснем, утворюють відповідні оксиди, які, будучи нерозчинними в розплаві, поступово переходять в шлак. Для найбільш повного видалення домішок необхідна висока концентрація кисню в розплаві. Після проведення окисного рафінування необхідно видалити надлишок розчиненого кисню. Це досягається раскислением.
Рафінування флюсування застосовують в тому випадку, якщо домішка розчиняється у флюсі або взаємодіє з ним утворенням летючих або легко шлаків з'єднань, що не розчиняються в основному металі. Прикладом такого способу рафінування служить очищення алюмінієвих сплавів від магнію кріоліту при виробництві вторинного алюмінію.
Вакуумну дистиляцію використовують для видалення тих домішок, які мають більший тиск пара, ніж рафініруемий метал. Цей спосіб широко застосовують при рафінуванні вторинних алюмінієвих сплавів від магнію і цинку.
Сплави кольорових металів, що використовуються для лиття під тиском, в процесі приготування, транспортування і переливу контактують з газами, що знаходяться в атмосфері ливарного цеху. Насичення розплаву газами відбувається в результаті ущільнення молекул газу на поверхні розділу металевої і газоподібного середовища, дифузії, тобто здатності газів в атомарному стані проникати в глибину рідкого сплаву і адсорбції, тобто розчинення газу, що потрапив в метал внаслідок дифузії. Для газів, молекули яких диссоциируют в рідкому металі на атоми, ці процеси пов'язані нерозривно. Однак при виділенні газів з розчину ці процеси можуть мати самостійне значення.
Всі методи рафінування та очищення кольорових сплавів від неметалевих включень можна розділити на адсорбційні і неадсорбціонние. До перших відносяться методи рафінування, побудовані за такою принциповою схемою: введення в розплав адсорбенту, спливання адсорбенту на поверхню, адсорбція і видалення газоподібних і твердих неметалевих включень з розплаву. До таких методів належать обробка рідкого металу флюсами хлористих і фтористих солей, обробка гексахлоретаном, нейтральними газами, флотація і ін.
Неадсорбціонние методи дегазації і очищення розплавів від твердих включень засновані на швидкій зміні стану рівноваги системи метал-газ. Такий вплив на розплав надають, наприклад, вакуум і ультразвук. Оскільки іони водню притягають частки А12 0е. утворюючи з ними електростатичні комплекси [Н2] Al2 03. то будь-який з цих методів є універсальним.
Видалення водню має привести до спливання або осадження на дно ванни (в залежності від щільності розплаву) оксидних включень, а видалення твердих частинок має викликати дегазацію.
Для дегазації і очищення рідких сплавів від твердих неметалевих включень при виробництві виливків методом ЛПД в промислових умовах використовують обробку універсальними флюсами, хлористим солями, гексахлоретаном, продування нейтральними газами, фільтрування та вакуумирование. Дегазацію можна проводити в роздавальних печах і в плавильних. Необхідність дегазації в роздавальних печах була встановлена рядом досліджень, а також практикою отримання виливків відповідального призначення, в тому числі із застосуванням вакууму.
Дегазація і рафінування рідкого сплаву з вистоюванням і фільтрацією через склотканина малоефективна, незручна в виробничих умовах і малопродуктивна, тому практично в умовах лиття під тиском цей метод не застосовують. Кращі результати досягаються при використанні флюсів. Склад флюсів (1, 2, 3) для рафінування розплавів наведено нижче:
Алюмінієві сплави можна обробляти порошкоподібною або рідким флюсом. Останній спосіб більш доцільний, оскільки підвищує ефективність дегазації та очищення металу від твердих неметалевих включень. Обробка рідким флюсом відбувається наступним чином. Перед заливанням в роздавальну піч поміщають близько 1% (по масі) флюсу. Потім заливають порцію рідкого сплаву. У момент заповнення тигля роздавальної печі відбувається інтенсивне перемішування металу з флюсом, що прискорює процес дегазації і очищення.
Використання для дегазації хлористих солей алюмінію, цинку або марганцю не призводить до ефективному очищенню металу. До того ж ці реагенти дуже гігроскопічні і вимагають попередньої сушки.
Досить ефективним реагентом для дегазації і рафінування рідкого сплаву в роздавальної печі є гексахлоретан С2 Сl6. Використовують його найчастіше у вигляді порошку і вводять в розплав до 0,2% (по масі). Однак, як зазначалося вище, такий спосіб введення нераціональний. По-перше, при використанні порошкоподібного реагенту важко порівняно простими способами занурювати його на дно ковша, а по-друге .Ефективність процесу дегазації невелика, так як кінетика деструкції гексахлоретан значно перевищує швидкість дифузії розчиненого водню в утворюються бульбашки хлористого алюмінію. При використанні гексахлоретан, спресованого в таблетки, вирішуються обидві проблеми: введення дегазатор і підвищення ефективності процесу очищення рідкого металу. Таблетку занурюють в тигель роздавальної печі за допомогою дзвіночка ковпачкового типу. Поступове розкладання таблетки гексахлоретан в рідкому алюмінії сприяє більш повному видаленню водню з металу і виключає можливість викиду непрореагировавшего реагенту на поверхню металу. Тому витрата спресованого в таблетки гексахлоретан по відношенню до порошкоподібного зменшується в 1,5-2 рази.
Велике поширення отримав метод дегазації рідких розплавів нейтральними газами - азотом і аргоном. Сутність цього методу очищення полягає в наступному. У ванну або ківш на деяку глибину вводиться нейтральний, не взаємодіє з воднем газ у вигляді бульбашок. Водень дифундує в бульбашки і видаляється разом з ними. Перехід водню з металу в інертну газове середовище триває до тих пір, поки його парціальний тиск РН2 і його концентрація ск в розплаві не відповідатимуть рівняння Сівертсен. Обсяг VH.Г. нейтрального газу, необхідного для зниження вмісту водню в рідкому металі з початкової концентрації С0 до СК визначають за формулою
де GM - маса оброблюваного рідкого металу; р - тиск нейтрального газу над металом, рівне при нормальних умовах атмосферного; α - коефіцієнт, що дорівнює 0,9-1.
Установки для дегазації рідкого металу нейтральними газами досить прості за конструкцією і, що особливо цінно при литті під тиском, дозволяють ефективно використовувати їх в роздавальних печах (рис.19). З балона з нейтральним газом газ подається в ти-
гель під надлишковим тиском 0,007-0,015 МПа через металеву, кварцову або графітову трубку з насадкою, забезпеченою дифузором, або через трубку з отворами діаметром 1-2 мм. Газ пропускається знизу через всю товщину розплаву, при цьому в бульбашки газу дифундує розчинений в розплаві водень. Спливаючі бульбашки зустрічають на шляху зважені неметалеві включення і виносять їх на поверхню. Чим менше діаметр бульбашок нейтрального газу, тим довше їх контакт з оброблюваним металом. Для отримання дрібнодисперсних бульбашок розроблений спосіб введення нейтрального газу в розплав через пористий керамічний диск, розташований в нижній частині тигля. Діаметр бульбашок, пропущених через диск, в 10 разів менше діаметра бульбашок, що виходять з трубки.
Одним з перспективних методів дегазації і рафінування є вакуумирование рідких сплавів. Метод особливо рентабельний для невеликих обсягів металу, що використовуються в роздавальних печах. При зниженні тиску над розплавом водень, адсорбований на твердих неметалевих включеннях, захоплює їх разом з собою на поверхню. Цей процес відбувається одночасно по всьому об'єму металу. Якщо на поверхню розплаву вводять флюс, адсорбує оксид алюмінію, то процес рафінування протікає швидше, і ефект від вакуумування більш значний.
Умова "бульбашкового" виділення водню в роздавальної печі визначається нерівністю
де РВН - зовнішній тиск над поверхнею сплаву в тиглі; рм - металлостатіческое тиск, що дорівнює pM ghM 1Цл (тут h - відстань від місця зародження бульбашки водню до поверхні сплаву в тиглі); про - поверхневий натяг сплаву; г - радіус бульбашки.
Вакуумирование із застосуванням флюсу знижує зовнішній тиск pвн і різко зменшує поверхневий натяг про плівки оксидів на поверхні розплаву. В результаті відбувається бурхливе виділення бульбашок газу, що супроводжується інтенсивним перемішуванням рідкого металу. Виділення водню інтенсивно продовжується до тих пір, поки величина РН2 перевершує суму РВН + рм + 2G / r.
Подальше газовиділення відбувається за рахунок дифузії в газове середовище над розплавом.