УДК 621.74.02: 669.71 С.П. Задруцкий, ГА. Румянцева, Б.М. Немененок (БИТУ, г. Минск) О рафинирующей способности и экологической безопасности новых флюсов и препаратов Refining Capability and Environ­ mental Safety of New Fluxes and Preparations S.P. Zadrutsky, G.A. Rumyantseva, B.M. Nemenenok Исследовали рафинирующее действие и объемы пылегазовых выбросов при об­ работке сплава АК9 стандартным флюсом (47% KCI, 30% NaCI, 23% Nay\IFg) и но­ выми составами, содержащими серу с добавками Na^COj и Nay\IFj. Установлено, что лучшим комплексом свойств обладает сплав АК9 после обработки расплава 0,05% рафинирующего препарата (30% S, 70% Na^COj). При этом, выброс пыли в процессе обработки снижается в 120 раз, по сравнению с его рафинировани­ ем стандартным флюсом в количестве 1,0%. Ключевые слова Флюсы, экология, эффективность рафинирования, плотность, запыленность. Investigated were the refining effect and volumes of dust-and-gas emissions during treatment of AK9 alloy with a standard refining flux (47% KCL, 30% NaCI, 23% NajAIFg) and with new refining compounds containing sulphur with Na^COj and NajAIFj additions. It was found that the best complex of properties is shown by AK9 alloy after treating a melt with 0.05% of a refining preparation (30% S, 70 % Na^COj). Dust emissions during treatment decreases 120fold as compared to the refining with 1.0% of a standard flux. Key words Fluxes, ecology, refining efficiency, density, dust level Применяемые технологии плавки и рафинирования А1-сплавов определяют уровень негативного воздействия на окружающую среду, который характеризуется сущес­ твенными объемами и высокой токсичностью выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Основные источни­ ки выделения взвешенных веществ - флюсы, испаряю­ щиеся в процессе плавки и рафинирующей обработки, А1-пыль, образующаяся при завалке шихты, и частицы сажи, получаемой лри неполном сгорании некоторых ор­ ганических веществ в печи. При этом, объем выбросов в атмосферу почти в 50 раз превышает выбросы в виде твердых отходов. Необходимо признать, что экологические пробле­ мы в литейном производстве решаются чрезвычайно медленно, и отдельные технические решения не ска­ зываются коренным образом на оздоровлении условий труда литейщиков, поэтому нужен комплексный подход, обеспечивающий, как использование пылегазоочистного оборудования, так и совершенствование технологических процессов. При выборе аспирационных систем и газоо­ чистки необходимо учитывать тот факт, что до настоящего времени не существует универсального способа очистки, и удаление почти каждого из вредных компонентов дымо­ вых газов представляет собой самостоятельную задачу, для решения которой требуются значительные матери­ альные и энергетические ресурсы. Поэтому постоянно ве­ дется поиск низкотоксичных рафинирующих препаратов и флюсов для обработки А1-сплавов. ЛИТЕИНОЕ ПРОИЗВОДСТВО №5/2013 Исследовали следующие рафинирующие препараты. 1. Стандартный рафинирующий флюс (47% КСІ, 30% NaCI, 23% МазАІР )^. 2. Рафинирующий флюс (13% КСІ, 55% NaCI, 17% NajAIFg, 10% Na^COj, 5% CaCOg-MgCO,), патент РБ №15801 3. Рафинирующий флюс (80% SiO ,^ 9,4% KCI 6% NaCI, 4,6% Na3 AIFg), патент РФ № 2318029, 4. Рафинирующий препарат (30% S, 70% Na^COj) па­ тент РБ № 4022. 5. Рафинирующий препарат (50% S, 50% Na3AIFg) па­ тент РБ № 13781. Для выбора оптимального способа ввода препаратов в расплав оценивали их летучесть при 750°С в течение 30...120 мин, с определением потери массы. Установле­ но, что флюс 2 имеет более высокую летучесть, по срав­ нению с традиционным флюсом. Максимальная потеря массы (10,6%) обеспечивается за первые 30 мин выдерж­ ки при 750°С, что объясняется диссоциацией карбонатов и выделением СО^ . Пик летучести рафинирующих препара­ тов обеспечивается также в первые 30 мин выдержки, что объясняется испарением из составов серы и криолита. Оценку рафинирующего действия выбранных препа­ ратов и определение их оптимальной добавки проводили на сплаве АК9. Рафинирующие составы вводили в рас­ плав в виде флюса или с помощью колокольчика. Анали­ зировали изменение механических свойств, балла порис­ тости (по шкале ВИАМ) и формозаполняемости (по пробе Энглера-Эллерброка). Для определения балла пористос­ ти использовали систему компьютерного подсчета, кото­ рая позволяла автоматически подсчитывать поры разных размерных групп, обнаруженных на одном или несколь­ ких кадрах изображения шлифа. Показатели свойств для оптимальных добавок исследуемых составов приведены в таблице {L - формозаполняемость при 720°С и напо­ ре металла 110 мм). Установлено, что лучший комплекс свойств обеспечивается при обработке расплава флюсом 2 в количестве 1,0% и препаратом 4 в количестве 0,05% от массы расплава. При этом, при использовании состава 4 наблюдается модифицирование включений эвтектичес- Состав МПа 6, % Балл пористости L, мм‘ ^ Исх. сплав 190,9 5,2 3,0 1,2 1 193,0 5,5 2,6 1,5 2 216,8 7,6 2,0 1,4 3 202,5 6,9 2,6 1,1 4 220,1 7,0 2,2 1,5 5 190,7 6,3 2,0 1,6 100 г- 60 40 20 I ' 4 l ~ l z — i ------------ - 3 i — +------------- — □----- h r - о ----- — — 2 ! I 1 к— ^ I ________ 2 4 6 8 Содержание у-А1,0. во флюсе, % 10 Выход сплава АК5М2, в зависимости от содержания во флюсах оксида алюминия: 1 - флюс с SiO ;^ 2 - флюс карбонатами; 3 ■ 4 - выход компактных слитков 30% NaCI + 47% KCI + 23% NajAIF^, кого кремния. Эффективность процесса рафинирования характери­ зуется также остаточным содержанием в отливках AI^Oj, для определения содержания которого в разрывных об­ разцах использовали бромметаноловый метод. Результа- ты анализа составов 1...5 приведены ниже. Добавка, % АІ^Оз, % Исх. сплав...... 0,043 1... .................... 1,0 0,037 2 ... .................... 1,0 0,028 3... ................... 2,0 0,040 4... .................... 0,05 0,035 5... .................... 0,05 0,038 Результаты замеров Расчетные значения при добавке 0,6 % при оптимальных добавках 1.... ............1,283/10,010 2,053/16,033 2 .... ............0,383/2,990 0,613/4,787 3.... ............0,278/2,171 0,445/3,475 4 .... ............0,212/3,302 0,017/0,133 5.... ........... 1,134/17,693 0,091/0,711 П р и м е ч а н и я . 1 . Содержание составов 1...5см. выше. 2. Оптимальная добавка: / . . .5 -1 ,0 % ; 4 , 5 - 0,05%. П р и м е ч а н и я . 1 . В числителе - средняя концентрация пыли, г/м^ знаменателе - выброс пыли в процессе обработки, г. 2. Величина добавки: 1 . . . 5 - 1,0%; 4 ,5 -0 ,0 5 % . Видим, ЧТО наиболее эффективное удаление оксида алюминия отмечается при обработке расплава флюсом №5/2013 ЛИТЕИНОЕ ПРОИЗВОДСТВО сЛ 7i і т ^ ЛЛ) 2. Рафинирование препаратами 4 и 5, вводимыми коло­ кольчиком, положительно влияет на качество расплава и обеспечивает остаточное содержание АІ203 на уровне традиционного фпюса 1. При использовании любого из методов определения содержания оксидов следует иметь в виду, что некоторые их частицы могут быть больших размеров и не попадать в объем пробы, а если же попадут в него, то существенно отклонят результаты от средневзвешенного их содержа­ ния в сплаве. Поэтому считается, что воспроизводимые результаты определения содержания оксидов относятся только к частицам очень малых размеров и статистически однородно распределенным в любом объеме металла. При определении содержания оксидов следует учиты­ вать, что не только по составу, но и по количеству, получен­ ные результаты нельзя рассматривать как абсолютно до­ стоверные для всей плавки. Результаты справедливы толь­ ко для объема отобранной пробы. Для более объективной оценки рафинирующей способности флюсов исследовали их адсорбционную способность по методике из работы^ Под а б с о р б ц и о н н о й с п о с о б н о с т ь ю (АС) флюсов следует понимать максимально возможное на­ сыщение расплавленных флюсов разными н е м е т а л ­ л и ч е с к и м и в к л ю ч е н и я м и (НМВ), когда флюсы еще не утрачивают своего положительного влияния на плавку. АС флюсов определяли по отношению к AI^Oj, ос­ новной составляющей твердых НМВ, образующихся при плавке А1-сплавов. Для изучения АС флюсов стружку сплава АК5М2 мас­ сой 20 г помещали в алундовый тигель, и на ее поверх­ ность насыпали 70 г флюса, с таким расчетом, чтобы сплав во время всего опыта был изолирован от воздуха. Тигель устанавливали в нагретую до 900°С печь и выдерживали 2 ч без перемешивания. Опыты проводили с добавками к флюсам AIjOj в количестве 1 , 3 , 5 , 7 и 10% по массе. После заданной выдержки тигель с расплавом ох­ лаждали, разбивали, отделяли переплавленный сплав от флюса и взвешивали полученные продукты. Это позво­ лило установить выход годного при плавке, в зависимос­ ти от насыщения расплава оксидами. Наибольший выход годного, при максимальном содержании во флюсе AI^Oj, указывал на лучшую АС флюса. Визуальное исследова­ ние слитков позволило судить об отделяемости распла­ ва алюминия от оксидов, в зависимости от химсостава флюсов и содержания в них твердых НМВ. Результаты исследований (рисунок) показывают, что максимальный выход сплава АК5М2 обеспечивается при использовании традиционного Флюса 1, и этот показатель практически ^ Альтман М.Б. Неметаллические включения в алюминиевых сплавах. - М.: Металлургия, 1965. - 126 с. не зависит от добавок к флюсу оксидов алюминия. При этом, основная масса металла (91,0.. .87,5%) формирует­ ся в виде компактного слитка с гладкой поверхностью, ко­ торый располагается на дне тигля. Даже при добавке 10% АІ^Оз флюс обладает еще достаточно хорошей АС. Флюс 2 обеспечивает выход годного на уровне 82,0...84,5%, но компактный слиток не образуется, и ме­ талл находится в виде крупных корольков в нижней части. При этом, до 10% AIjOj флюс не теряет своей АС, по от­ ношению к оксидам, образующимся в процессе плавки. Использование флюса 3 также не привело к формирова­ нию компактного слитка, и весь металл находился в виде мелких корольков, разделенных флюсом. Максимальный выход годного 55,5% заметно снизился, с увеличением добавки к флюсу AI^Oj, что говорит о его низкой АС. Такой флюс нецелесообразно использовать при переплаве Al- стружки. Для оценки объемов пылегазовых выбросов, обра­ зующихся при обработке расплава, были проведены ис­ следования в условиях литейного участка на 100-кг печах сопротивления при плавке сплава АК5М2. Результаты за­ меров приведены выше. Установлено, что минимальные выбросы пыли наблюдаются при использовании флюсов Д и Э, а также препарата 4. Состав 5 характеризуется более высоким пылевыделением, что хорошо согласуется с его летучестью. При пересчете на оптимальную концентрацию рафи­ нирующих препаратов, минимальные выбросы пыли в процессе обработки характерны для флюсов 3,2\л препа­ рата 4. Если флюсы Д и 5 снижают объем выделяющейся пыли, по сравнению с флюсом 1, в 4,6 и 3,3 раз, соответс­ твенно, то препарат 5 снижает этот показатель в 22,5 раза, а 4 - в 120раз. Таким образом, использование новых рафинирующих составов не только обеспечивает высокие механические и технолотические свойства силуминов, но и существенно улучшает зколотическую обстановку на плавильных и за­ ливочных участках в цехах алюминиевого литья. Сведения об авторах Немененок Болеслав Мечеславович - д-р техн, наук, профессор, зав. кафедрой «Металлургия литейных сплавов» Белорусского национального технического университета. Румянцева Галина Анатольевна - канд. техн. наук, доцент, там же. Задруцкий Сергей Петрович - канд. техн. наук, доцент, там же. \ v_ ЛИТЕИНОЕ ПРОИЗВОДСТВО №5/2013