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