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 алюминия Покровные 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 2Al (ж) + N2 (г) 2AlN 4Al (ж) + 6CH4 (г) 2Al2C3 + 12H2 2Al4C3 + 12Н2O = 4Al2O3 + 3C2H8 2AlN + 3Н2O = 2NH3 + Al2O3

2.Снижение содержания алюминия в шлаке 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

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 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 флюсы 1. Рафинирование от неметаллических и газовых включений (водород, оксиды, нитриды)

РеакцияG1000, кДж/моль 12Na3AlF6 + 3Ca = 3CaF2 +6NaF + Al-281,4 2K 2 SO 4 + 2Na = Na 2 SO 4 + 2K-22,2 3C 2 Cl 6 + 6Li = 6LiCl + 2C-2043,9 2. Рафинирование от щелочных и щелочно-земельных металлов (натрий, кальций, магний, литий) Рафинирующие флюсы

Флюсовая обработка в ковше 1. Снижение шлакообразования во время перелива из электролизёра в вакуум- ковш Выливка в присутствии флюса

Флюсовая обработка в ковше 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 миксере 4. рафинирование от неметаллических и газовых включений (водород, оксиды, карбиды, нитриды) u Способ обработки: флюс из расчёта 0,8 кг/т насыпать в карман перед выливкой или подать флюс на поверхность шлака и замешать в расплав

Переработка шлака в РНП Шлак обработанный флюсом Шлак не обработанный флюсом