Теория и практика флюсовой обработки
алюминия
В СССР на алюминиевых заводах флюсы применяются с начала 40-х годов, когда в январе 1941 года ВАМИ разрабатывает «Пособие цеховых мастеров алюминиевых производств».
История флюсовой обработки алюминия
Первое упоминание о рафинировании флюсами в книге Николая Жукова «Алюминий и его металлургия» (1893 год)
2 Выходит книга Роя Андерсона «Вторичный алюминий», где в 6 главе «Флюсы применяемые при плавке скрапа» дана классификация флюсов, физические свойства флюсов и некоторые составы. (1931 год)
Толчком для проведения фундаментальных исследований в области флюсовой обработки стало окончание второй мировой войны и появившееся огромное количество алюминиевого лома, из которого надо было получить качественный металл с наименьшими потерями, а так же послевоенное восстановление и промышленная индустриализация страны.
В 70-е годы прошлого столетия так же учёные МИСиСа под руководством А. В Курдюмова продолжили исследования в области флюсовой обработки алюминия, результатами которых металлурги пользуются до сих пор. Криолитсодержащий флюс и флюс «МХЗ» были введены в серийную технологию на всех алюминиевых заводах в СССР, а флюсы № 4 и 7 на моторных заводах для обработки силуминов.
По случайному совпадению или нет, но параллельно американцы опять, же под эгидой госдепартамента США в это же время провели ряд работ по флюсованию. Наиболее значимыми здесь были исследования всевозможных реакций, проходящих в системе NaCl – KCl – AlCl3 – NaF – KF – AlF3 и работа по исследованию физических и химических свойств расплавленных солей и смесей.
В 1978 после упомянутых исследований школы Курдюмова госдепартамент США провёл аналитическую работу по обработке алюминия, где был составлен список всевозможных флюсовых препаратов запатентованных до 1978 года и просто упоминавшихся в научно-технической литературе.
8-е управление минавиапрома СССР на металлургических заводах ввело так называемую «директивную технологию», где для выпуска сплавов авиационного назначения были введены ограничения по использованию шихты и легирующих материалов, а так же обязательная операция рафинирования флюсами. Директивная технология была разработана в 1986 году ведущим отраслевым институтом ВИЛСом, работой руководил ныне здравствующий Геннадий Сергеевич Макаров.
После развала СССР, а вслед за ним и научной базы, вопросам флюсовой обработки алюминия в России уделялось мало внимания. В связи с трудностями в финансировании научно-исследовательские работы стали возможны только при поддержке немногих частных предприятий
Флюсы в металлургии алюминияПокровные флюсы
1. Предотвращение окисления (угара) алюминия
4Al (ж) + 3O2 (г) → 2Al2O3 (γ)
2Al (ж) + 3СO2 (г) → Al2O3 (γ) + 3СО
2Al (ж) + 3СO (г) → Al2O3 (γ) + 3С
Al
AlAl
Al
AlAl
Al
AlAl
AlAl
AlAl
2Al (ж) + N2 (г) → 2AlN
4Al (ж) + 6CH4 (г) → 2Al2C3 + 12H2
2Al4C3 + 12Н2O = 4Al2O3 + 3C2H8
2AlN + 3Н2O = 2NH3 + Al2O3
Флюс
AlAl
2. Снижение содержания алюминия в шлакеалюминий
ШЛАК
ШЛАК
ШЛАК Al
Налипший алюминий на шлаке
Жидкий флюс смачивает шлак и увеличивает
поверхностное натяжение между
алюминием и шлаком
Слияние капель алюминия при помощи
фтористой составляющей флюса и отделение алюминия от
шлака
Покровные флюсы
Покровные флюсы
3. Предотвращение окисления алюминия в шлаке после съёма
Без использования флюса (по данным Объединения немецких металлургических заводов при возгорании шлака потери алюминия
составляет 1% в минуту)
Al
С использованием флюса
Al
4Al (ж) + 3O2 (г) → 2Al2O3
Схема процесса окисления алюминия
%89,88%100*98,26*2
99,15*3%100*
*
*
MaNa
MkNk
%100
*44,0
MшWalп
48% Al2O3
52% Al
370 кгAl Горит
90% Al2O3
Al max 10%455 кг
где, М – прирост массы в %, Nk и Na - количество атомов кислорода и
алюминия, Mk + Ma – атомные веса кислорода и
алюминия
где, Мп –масса потерь, кг; 0,44 – коэффициент, учитывающий фактический прирост
кислорода;WAl – массовая доля содержания алюминия в шлаке, %;
Мш – масса шлака, кг
Покровные флюсы
4. Переработка шлаков и низкосортных отходов в роторных печах
При плавлении шлака во вращающейся роторной печи с неподвижной осью добавка флюса определяется из расчёта 0,7 – 1,1 % от оксидной части шихты, при этом образуется жидкотекучий расплав шлака, который выпускается после окончания процесса плавления через лётку. При плавке шлака в роторных наклонных печах (РНП) работа ведётся с меньшим добавлением флюса 0,2 – 0,4 % от массы оксидов. Это приводит к тому, что образуется не жидкотекучий шлак, а сухой рассыпчатый шлак, который в заключительной стадии процесса механически удаляется из опрокинутой печи.
Покровные флюсы
Рафинирующие флюсы1. Рафинирование от неметаллических и газовых включений
(водород, оксиды, нитриды)
Al203
H2 H2
H2 H2
H2 H2
Al2O3
H2 H2
H2
H2
H2H2
№ Реакция ∆G1000, кДж/моль
1 2Na3AlF6 + 3Ca = 3CaF2 +6NaF + Al -281,4
2 K2SO4 + 2Na = Na2SO4 + 2K -22,2
3 C2Cl6 + 6Li = 6LiCl + 2C -2043,9
NaФлюс NaF
2. Рафинирование от щелочных и щелочно-земельных металлов (натрий, кальций, магний, литий)
NaClNa2SO4
Рафинирующие флюсы
Флюсовая обработка в ковше1. Снижение шлакообразования во время перелива из электролизёра в вакуум-
ковш
Электролизёр
Выливка в присутствии флюса
Флюсовая обработка в ковше
Электролизёр
Выливка без флюса
1. Снижение шлакообразования во время перелива из электролизёра в вакуум-ковш
Флюсовая обработка в ковше
*По данным компании «Aluminium Smelters Associates» (США) и «Ноesch Metallurgie GmbH» (Германия)
График составлен по данным компании ALTEK-MDY, L.L.C. (США)
•Рафинирование алюминия сырца от натрия (катализатора окислительных процессов) снижает шлакообразование на 20-23% в ЛП, а выход годного увеличивается от 0,135 до 0,25%*
4Na + O2 = 2Na2O; 3Na2O + 2Al = Al2O3 + 6Na4Al (ж) + 3O2 (г) → 2Al2O3 (γ);
1. Снижение шлакообразования во время перелива алюминия
Флюсовая обработка в миксере
Заливка в присутствии флюса
Флюсовая обработка в миксере
1. Снижение шлакообразования во время перелива алюминия
Заливка без флюса
Флюсовая обработка в миксере
2. Снижение шлакообразования во время легирования и перемешивания расплава
Флюсовая обработка в миксере
3. снижение содержания алюминия в шлаке
Без использования флюса(А85)
С использованием флюса(А85)
Флюсовая обработка в миксере
3. снижение содержания алюминия в шлаке
Без использования флюса(А 356.2)
С использованием флюса(А 356.2)
Флюсовая обработка в миксере4. рафинирование от неметаллических и газовых включений
(водород, оксиды, карбиды, нитриды) Способ обработки: флюс из расчёта 0,8 кг/т насыпать в карман перед выливкой или
подать флюс на поверхность шлака и замешать в расплав
Al203
H2 H2
H2 H2
H2 H2
Al2O3
H2 H2
H2
H2
H2H2 NaФлюс NaFNaClNa2SO4
Переработка шлака в РНП
Флюс 0,8 кг (17%)
Шлак 3,7 кг (83%)
40% Al2O3
60% Al
Флюс + Флюс 16%
Шлак обработанный флюсом
Шлак не обработанный
флюсом