М 1ГА'ТТ-Г:1' Г Г Ш Г ,Г ,^ Г Г .Г . I <(S».200>----------------------------------- The peculiarities o f powder-gas formation at refining o f aluminium alloys with chlorine-containing combina­ tions are considered. С П. ЗАДРУЦКИЙ, Г A. РУМЯНЦЕВА, Б. М. НЕМЕНЕНОК А. П. БЕЖОК, БИТУ ОСОБЕННОСТИ ПЫЛЕГАЗООБРАЗОВАНИЯ ПРИ РАФИНИРОВАНИИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ХЛОРСОДЕРЖАЩИМИ СОЕДИНЕНИЯМИ УДК 62L745.56 Рафинирование силуминов является важной технологической операцией при получении каче­ ственных отливок и направлено на повышение их механических свойств, снижение пористости и за­ грязненности неметаллическими включениями. В практике цветнолитейного производства наи­ более широкое применение для этих целей полу­ чила обработка расплава хлорсодержащими сое­ динениями Z11CI2, M11CI2, AICI3, CjCX ^ и др. [1-5]. Технология рафинирования хлоридами состоит во введении их в расплав при помош.и колоколь­ чика при непрерывном помешивании до прекра­ щения выделения газообразных продуктов реак­ ции. После этого расплав выдерживают в спокой­ ном состоянии 10-30 мин и используют для за­ ливки в формы. С целью определения кинетики и объемов пы­ легазовых выбросов, образующихся в процессе рафинирования алюминия хлорсодержащими пре­ паратами, замеряли запыленность и содержание хлоридов, выделяющихся при обработке распла­ вов ZnCl2, AICI3 и C2CI6 в различных плавильных агрегатах. Замеры запыленности и анализ отходя­ щих газов проводили в объеме рабочего простран­ ства печи по методике, изложенной в [6]. Аппроксимацию экспериментальных данных по запыленности {q) и содержанию хлоридов (VJ в рабочем пространстве плавильных печей вы­ полняли с использованием метода наименьших квадратов [7]. Искомые уравнения математиче­ ских моделей представляют собой расчетные зна­ чения функций q и К,, определенных при помощи уравнения выбранной параболической зависимо­ сти по фактическим значениям времени т, про­ шедшему после ввода рафинирующего препарата в расплав. Применительно к обработке сплава 0,05% ZnCb в электрической отражательной печи САН-2,5 математическая модель запыленности имеет вид q = -0,698т^ + 12,270т - 4,873 И хорошо коррелирует с экспериментальными дан­ ными (рис. 1). Содержание хлоридов в зависимости от вре­ мени с момента ввода ZnCl2 описывается парабо­ лической зависимостью = -0,244т ^ + 9 ,312т + 22,980 И хорошо согласуется с расчетными данными (рис. 2). Рафинирование расплава хлористым алюми- нием в количестве 0,05% от массы расплава про­ водили в электрической отражательной печи САК-2. По результатам выполненных замеров рассчитывали изменение запыленности, содержа­ g cdГО Время после ввода ZnCU в расплав, мин Рис. 1. Экспериментальная и расчетная зависимость запы­ ленности в электрической отражательной печи САН-2,5 от времени после ввода ZnCb в расплав f j : T \ ^ r : v . i r x m j . ^ f r r . n / e i -------------------------------------- a (53). 2009 I и I врем я после ввода Z11CI2 в расплав, мин Рис. 2. Экспериментальная и расчетная зависимость содержания хлоридов в электрической печи САН-2,5 от времени после ввода ZnCl2 в расплав ния хлоридов в процессе плавки и проводили ап­ проксимацию полученных данных. Анализируе­ мые характеристики описываются параболиче­ скими зависимостями ^ = - 0,001 7 x 4 о, 140т- 2,020 = -0 ,0 0 6 5 x 4 0 ,49081-0 ,0634 , которые хорошо коррелируют с расчетными дан­ ными (рис. 3, 4). Рафинирование расплава гексахлорэтаном (C2CI6) в количестве 0,05% от массы расплава про­ водили в индукционной тигельной печи ИАТ-2,5. По результатам выполненных замеров в рабочем 1,2 1,0 0,8 0,6 g 0,4 00 0,2 Ф эксперимент J i/ • / • \ г /f 4- 1 10 20 30 40 50 60 Время после ввода AICI3 в расплав, мин 70 Рис. 3. Экспериментальная и расчетная зависимость за­ пыленности в электрической печи САК-2 от времени после ввода AICI3 в расплав пространстве печи над зеркалом металла рассчи­ тывали изменение запыленности и содержания хлоридов в процессе рафинирующей обработки. Аппроксимация расчетных данных показала, что анализируемые характеристики описываются па­ раболическими зависимостями q = -0,2071т^ + 5,7643х - 35,9286 = - 0 ,9 8 8 3 x 4 18,3933х-1,8656 , которые хорошо коррелируют с расчетными дан­ ными (рис. 5, 6). Анализ полученных зависимостей показыва­ ет, что продолжительность и объемы выбросов пыли существенно зависят от типа плавильного агрегата и рафинирующего реагента. Так, при вводе в расплав ZnCl2 процесс пылевыделения продолжается около 15 мин и максимальная запы­ ленность достигает 60 г/м^. Наибольшая продол­ жительность выделения пыли (около 40 минут) отмечается при обработке расплава хлористым алюминием, но уровень запыленности при этом не превышает 0,9 г/м^. В случае рафинирования расплава C2CI6 продолжительность пылевыделе­ ния составляет около 8 мин при ее максимуме 4,5 г/м^. Совсем иная зависимость наблюдается по содержанию хлоридов в анализируемых пла­ вильных агрегатах. При вводе в расплав ZnCl2 продолжительность выделения хлоридов состав­ ляет около 25 мин при максимальной концентра­ ции 120 мг/м^. Рафинирование хлористым алюми­ нием сопровождается выделением хлоридов на протяжении 70 мин при максимальной концен­ трации их в отходящих газах на уровне 9 мг/м^. 62/! (53). 2009-------------------------------------- PQо 12 & S 6 (Ds ® Л I ^ I о 2 _|_ рЯГДТЙТ ч --------- / * • .......... ^ / Nч ....... \ /■ 10 20 30 40 50 60 70 Время после ввода AICI3 в расплав, мин 80 Рис. 4. Экспериментальная и расчетная зависимость содержания хлоридов в электрической отражательной печи САК-2 от времени после ввода AICI3 в расплав 1-1 2 3 (D t=3 Рис. 5. Экспериментальная и расчетная зависимость за­ пыленности в ИАТ-2,5 от времени после ввода C2CI5 в расплав • / \ // ч / V / •-— + 5 10 15 20 Время после ввода C2CI6B расплав, мин Рис. 6. Экспериментальная и расчетная зависимость содержания хлоридов в ИАТ-2,5 от времени после ввода C2CI6 в расплав / i r 'T T in г: г . с о т г . л т г г г '^ / 6 3 Обработка расплава C2CI5 приводит к выделению хлоридов в течение 15 мин с максимальной кон­ центрацией около 8 мг/м^. Такой характер пылегазовыделения при рафи­ нировании перечисленными препаратами во мно­ гом определяется условиями их разложения при вводе в расплав. Рафинирование хлоридами основано на реак­ ции обменного разложения, которые в общем слу­ чае можно записать в следующем виде: ЗМеС1,„ + тА\ —> WAICI3 + ЗМе . Образующийся в результате реакции хлори­ стый алюминий мгновенно превращается в пар, так как он кипит при температуре около 180 °С. Хлористый алюминий нейтрален по отношению к сплаву и пузырьки AICI3 действуют подобно пу­ зырькам инертного газа [4]. Обработка расплава хлористым алюминием имеет свои особенности. В процессе рафинирова­ ния сплава другой солью одной из стадий являет­ ся разложение соли с освобождением связей хло­ ра, который в виде химически активных частиц (атомов, ионов) взаимодействует с алюминием, образуя вначале молекулы и мельчайшие пузырь­ ки. Дальнейший рост пузырьков хлористого алю­ миния происходит за счет слияния их со свобод­ ными молекулами и другими пузырьками. Про­ мывная способность растущих в сплаве пузырьков оказывается достаточно высокой. Иной процесс наблюдается при введении в жидкий сплав гото­ вого AICI3. Как только соль оказывается в распла­ ве с температурой 700-740 ‘^ С, начинается бурное парообразование хлористого алюминия. От сте­ нок колокольчика отрываются только такие пу­ зырьки AICI3, давление в которых выше суммар­ ного - атмосферного, металлостатического и дав­ ления сил поверхностного натяжения. Давяение в таких пузырьках быстро возрастает вследствие диффузии в них водорода. Крупные пузырьки в сплаве не только быстро всплывают, но и поднимаются они преимуще­ ственно в одном и том же месте - недалеко от бо- ------------------------------------------------------ а (53), 2009 ковой поверхности колокольчика. В результате этого промывается в основном та часть сплава, которая находится над колокольчиком. Диффузия водорода в пузырьки из отдаленных участков сплава замедляется и, учитывая их малые разме­ ры, всплывание пузырьков AICI3 происходит до­ статочно долго, что и подтверждают результаты измерений. При вводе в расплав гексахлорэтана (C2CI5) он интенсивно возгоняется около 185 °С, но реакция его взаимодействия с алюминием при температурах обработки 740-750 идет не до конца, а приблизительно на 30% [4], остальной же хлор остается в соединении с углеродом, образуя тетрахлорэтилен в соответствии с реакциями: ЗС2С1б->ЗС2С14+ЗС12, 2А1 + ЗС12 ->2А1С1з, 3C 2CI6 + 2А1 ^ 3C 2CI4 + 2А1С1з. Образующийся по реакции тетрахлорэтилен (C2CI4), будучи при комнатной температуре жид­ костью с температурой кипения 121 ®С, в услови­ ях жидкого сплава мгновенно превращается в пар и действует одновременно с AICI3 как нейтраль­ ный газ [2, 4]. Вместе с тем, громоздкие молекулы C2CI4 не способны диффундировать в массу спла­ ва и, собираясь в крупные пузыри, они быстро всплывают на поверхность ванны, не производя того эффекта, который получился бы в случае взаимодействия всего хлора с алюминием. Это, по-видимому, и способствует быстрому протека­ нию процессов выделения пыли и хлоридов. Поэтому при выборе хлорсодержащих соеди­ нений для рафинирования алюминиевых сплавов необходимо учитывать объемы пылегазовыделе- ний, образующихся в результате их разложения, а также глубину слоя расплава в плавильном агрегате. Для печей с малой глубиной ванны ра­ финирование лучше проводить флюсами, так как разлагающиеся хлориды быстро удаляются из расплава, вызывают его интенсивное бурление и не оказывают существенного рафинирующего эффекта. Литература 1. Производство отливок из сплавов цветных металлов / А. В. Курдюмов, М. В. Пикунов, В. М. Чурсин, Е. Л. Бибиков. М.: МИСИС, 1996. 2. Плавка и литье алюминиевых сплавов / М. Б. Альтман, А. Д. Андреев, Г. А. Балахонцев и др. М.: Металлургия, 1983. 3. Флюсовая обработка и фильтрование алюминиевых расплавов / А. В. Курдюмов, С. В. Инкин, В. С. Чулков, Н. И. Гра- фас. М.; Металлургия, 1980. 4. К о р о т к о в В. Г. Рафинирование литейных алюминиевых сплавов. М.: Машгиз, 1963. 5. Цветное литье; Справ. / Н. М. Галдин, Д. Ф. Чернега, Д. Ф. Иванчук и др. М.: Машиностроение, 1989. 6. Исследование пылегазовых выбросов, образующихся при плавке и рафинировании алюминиевых сплавов в отража­ тельных печах / С. П. Задруцкий, Б. М. Немененок, Г. А. Румянцева, А. П. Бежок // Литье и металлургия. 2009. № 1. С. 78-85. 7. М а н и т а А. Д. Теория вероятности и математическая статистика. М.: УНЦ ДО, 2001.