РАФИНИРУЮЩИЙ ФЛЮС ДЛЯ УДАЛЕНИЯ МАГНИЯ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
FINING FLUX FOR REMOVING OF MAGNESIUM FROM ALUMINIUM ALLOYS

Изобретение относится к вторичной металлургии легких металлов, в частности к рафинирующим флюсам, использующимся для удаления магния из алюминиевых сплавов.
Проблема удаления магния из алюминиевых сплавов актуальна. Во вторичной металлургии алюминия образуется много сплавов, из которых необходимо удалять магний. В связи с этим представляет большой интерес создание эффективного флюса, рафинирующего алюминиевые сплавы от магния.
3
6
Известен флюс для рафинирования алюминиевых сплавов от магния, содержащий хлориды щелочных металлов и криолит (1). Согласно этому изобретению очистку алюминиевых сплавов от магния ведут флюсом следующего состава: 25% NaCl, 25% KCl, 50% NaAlF.
Недостатком этого флюса являются повышенный удельный расход криолита (на 1 кг магния - 10-12 кг криолита) и низкая его эффективность. Применяемый состав рафинирующего флюса обладает достаточно высокой температурой плавления (680°С) и низкой поверхностной активностью. Это приводит к образованию труднорастворимых настылей на стенках печи и к двойному избытку криолита от стехиометрии по реакции:
3
6
3Mg+2NaAlF=3MgF+6NaF+2Al
3
6
2
6
2
6
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является рафинирующий флюс, состоящий из криолита, кремнефтористых солей натрия и калия и хлоридов щелочных металлов (2). Данный флюс имеет следующий состав: 20÷30% NaCl; 10-30% KCl; 3-5% NaAlF; 10÷40% KSiF; 10÷40% NaSiF.
4
4
2
2
Основными недостатками этого состава флюса являются повышенный удельный расход флюса (на 1 кг магния - 8-10 кг флюса), а также вредные выбросы в атмосферу (SiF). Вследствие этого нарушаются нормы ПДК на рабочих местах до такой степени, что находиться около печи становится невозможно, т.к. SiF+HO (пар)=SiO+4HF↑.
Задача изобретения - увеличение эффективности флюсового рафинирования алюминиевых сплавов от магния.
Технический результат достигается тем, что состав флюса для рафинирования алюминиевых сплавов от магния, содержащий хлористый натрий, хлористый калий, кремнефтористый натрий и криолит, дополнительно содержит фтористый алюминий, причем криолит и фтористый алюминий содержатся во флюсе в виде смеси с криолитовым отношением 0,9÷1,7 при следующем соотношении компонентов (вес.%):
хлористый натрий - 15÷25
хлористый калий - 15÷25
кремнефтористый натрий - 10÷25
смесь криолита и фтористого алюминия - 60÷25.
В качестве криолитовой составляющей можно использовать фторидно-углеродные продукты переработки отходов алюминиевого производства.
Данный состав позволяет уменьшить удельный расход рафинирующего флюса при удалении магния из алюминиевого сплава. Это достигается за счет того, что при данном соотношении компонентов рафинирующая способность реагента увеличивается, флюс становится более легкоплавким, при этом поверхностная активность его растет.
Соотношение компонентов в данном рафинирующем флюсе объясняется следующим: при суммарном содержании хлоридов калия и натрия менее 30% (т.е. KCl - 15%; NaCl -15%) поверхностные свойства рафинирующего флюса на границе «металл-оксид» ухудшаются, т.е. замедляется контакт магния с рафинирующим флюсом. Содержание в солевой смеси суммарного количества хлоридов калия и натрия более 50% (т.е. KCl - 25%; NaCl - 25%) несущественно улучшает поверхностно-активные свойства флюса. Причем лучшее соотношение существенно улучшает поверхностно-активные свойства флюса. Причем лучшее соотношение хлоридов калия и натрия - 0,6÷1, т.к. при этих соотношениях образуются наиболее легкоплавкие флюсы.
4
4
2
2
6
2
6
При рафинировании кремнефтористым натрием образуется газ SiF, который удаляет магний по реакции: SiF+2Mg=2MgF+Si. Реакция с газовой фазой идет быстро, это увеличивает скорость рафинирования. Поэтому в рафинирующий флюс целесообразно добавлять кремнефтористый натрий. При концентрации NaSiF более 25% нарушается экологическая атмосфера в цехе (см. выше). Поэтому нецелесообразно добавлять кремнефтористый натрий во флюс более 25%. При концентрации NaSiF менее 10% эффект ускорения реакции рафинирования не заметен.
Что касается смеси криолита и фтористого алюминия, то границы ее применения обусловлены температурой плавления рафинирующего флюса. Процесс получения алюминиевых сплавов ведут при температуре 720-740°С. При этом перегрев флюса должен составлять 100-150°С. При таком перегреве, с одной стороны, достигаются необходимые поверхностно-активные свойства рафинирующего флюса, с другой стороны, обеспечивается минимальная летучесть рафинирующего флюса. Поэтому содержание смеси криолита и фтористого алюминия более 60% увеличивает температуру плавления флюса до такой степени, что его применение становится невозможным. При содержании смеси криолита и фтористого алюминия менее 25% количество реагента уменьшается, расход флюса увеличивается и применение его становится нецелесообразным.
В пределах указанных концентраций фторидов и хлоридов при 590-620°С образуется легкоплавкая эвтектика солевого расплава, которая и обеспечивает необходимые поверхностно-активные свойства рафинирующего флюса.
Увеличение криолитового отношения в смеси криолита и фтористого алюминия более 1,7 резко увеличивает температуру плавления флюса и делает его малопригодным к применению. Уменьшение криолитового отношения менее 0,9 делает его флюс летучим, увеличивается его расход и нарушается экологическая атмосфера.
Для снижения себестоимости флюса и улучшения экологической обстановки в цехе в качестве криолитовой составляющей могут быть использованы фторидно-углегодные продукты переработки отходов алюминиевого производства.
Таким образом, рафинирующий флюс для удаления магния из алюминиевого сплава при соотношении компонентом (вес.%):
хлористый натрий - 15÷25
хлористый калий - 15÷25
кремнефтористый натрий - 10÷25
смесь криолита и фтористого алюминия - 60÷25 при криолитовом отношении 0,9÷1,7 обладает минимальным удельным расходом и, соответственно, высокоэффективным.
Пример 1
Взяли навеску рафинирующего флюса в количестве 50 кг при следующем соотношении компонентов (вес.%):
хлористый натрий - 20
хлористый калий - 20
кремнефтористый натрий - 20
смесь криолита и фтористого алюминия - 40 (криолитовое отношение 1,3).
Расплавили алюминиевый сплав с содержанием магния 1,0% в количестве 1 т, таким образом, в данном количестве алюминиевого сплава содержится 10 кг магния. На поверхность расплавленного металла добавили флюс. Рафинирование вели в течение 20 минут при перемешивании расплава. Через 20 минут взяли пробу металла и проанализировали ее спектральным методом на содержание магния. Количество магния в алюминиевом сплаве уменьшилось до 0,330%, таким образом, из 1 т расплавленного алюминиевого сплава было извлечено 6,70 кг магния.
Удельный расход флюса на 1 кг магния составит:
50 кг флюса: 6,70 кг магния = 7,46 кг флюса / 1 кг магния.
Пример 2. Граничные значения
Взяли навеску рафинирующего флюса в количестве 50 кг при следующем соотношении компонентов (вес.%):
хлористый натрий - 15
хлористый калий - 15
кремнефтористый натрий - 10
смесь криолита и фтористого алюминия - 60 (криолитовое отношение 1,7).
Расплавили алюминиевый сплав с содержанием магния 1,0% в количестве 1 т, таким образом, в данном количестве алюминиевого сплава содержится 10 кг магния. На поверхность расплавленного металла добавили флюс. Рафинирование вели в течение 20 минут при перемешивании расплава. Через 20 минут взяли пробу металла и проанализировали ее спектральным методом на содержание магния. Количество магния в алюминиевом сплаве уменьшилось до 0,375%, таким образом, из 1 т расплавленного алюминиевого сплава было извлечено 6,25 кг магния.
Удельный расход флюса на 1 кг магния составит:
50 кг флюса: 6,25 кг магния = 8,00 кг флюса / 1 кг магния.
Пример 3. Граничные значения
Взяли навеску рафинирующего флюса в количестве 50 кг при следующем соотношении компонентов (вес.%):
хлористый натрий - 25
хлористый калий - 25
кремнефтористый натрий - 25
смесь криолита и фтористого алюминия - 25 (криолитовое отношение 0,9)
Расплавили алюминиевый сплав с содержанием магния 1,0% в количестве 1 т, таким образом, в данном количестве алюминиевого сплава содержится 10 кг магния. На поверхность расплавленного металла добавили флюс. Рафинирование вели в течение 20 минут при перемешивании расплава. Через 20 минут взяли пробу металла и проанализировали ее спектральным методом на содержание магния. Количество магния в алюминиевом сплаве уменьшилось до 0,355%, таким образом, из 1 т. расплавленного алюминиевого сплава было извлечено 6,45 кг магния.
Удельный расход флюса на 1 кг магния составит:
50 кг флюса: 6,45 кг магния = 7,75 кг флюса / 1 кг магния.
Пример 4. Заграничные значения
Взяли навеску рафинирующего флюса в количестве 50 кг при следующем соотношении компонентов (вес.%):
хлористый натрий - 12
хлористый калий - 12
кремнефтористый натрий - 8
смесь криолита и фтористого алюминия - 68 (криолитовое отношение 1,8)
Расплавили алюминиевый сплав с содержанием магния 1,0% в количестве 1 т, таким образом, в данном количестве алюминиевого сплава содержится 10 кг магния. На поверхность расплавленного металла добавили флюс. Рафинирование вели в течение 20 минут при перемешивании расплава. В отличие от предыдущих примеров флюс данного состава оказался вязким и плохо взаимодействовал с расплавом алюминиевого сплава из-за низкой смачиваемости металла флюсом (неудовлетворительные поверхностно-активные свойства флюса). Через 20 минут взяли пробу металла и проанализировали ее спектральным методом на содержание магния. Количество магния в алюминиевом сплаве уменьшилось до 0,587%, таким образом, из 1 т расплавленного алюминиевого сплава было извлечено 4,13 кг магния.
Удельный расход флюса на 1 кг магния составит:
50 кг флюса: 4,13 кг магния = 12,1 кг флюса / 1 кг магния.
Пример 5. Заграничные значения
Взяли навеску рафинирующего флюса в количестве 50 кг при следующем соотношении компонентов (вес.%):
хлористый натрий - 28
хлористый калий - 28
кремнефтористый натрий - 28
смесь криолита и фтористого алюминия - 16 (криолитовое отношение 0,8)
Расплавили алюминиевый сплав с содержанием магния 1,0% в количестве 1 т, таким образом, в данном количестве алюминиевого сплава содержится 10 кг магния. На поверхность расплавленного металла добавили флюс. Рафинирование вели в течение 20 минут при перемешивании расплава. Через 20 минут взяли пробу металла и проанализировали ее спектральным методом на содержание магния. Количество магния в алюминиевом сплаве уменьшилось до 0,630%, таким образом, из 1 т расплавленного алюминиевого сплава было извлечено 3,70 кг магния.
Удельный расход флюса на 1 кг магния составит:
50 кг флюса: 3,70 кг магния = 13,5 кг флюса / 1 кг магния.
Результаты примеров приведены в таблице.
№ примеров
Соотношение компонентов (вес.%)
Криолитовое отношение в смеси криолита и AlF<sub>3</sub>
Удельный расход флюса на 1 кг магния
Значения
KCl
NaCl
Na<sub>2</sub>SiF<sub>6</sub>
Смесь криолита и AlF<sub>3</sub>
K<sub>2</sub>SiF<sub>6</sub>
Na<sub>3</sub>AlF<sub>6</sub>
1
20
20
20
40
-
-
1,3
7,46
среднее
2
15
15
10
60
-
-
1,7
8,0
граничное
3
25
25
25
25
-
-
0,9
7,75
граничное
4
12
12
8
68
-
-
1,8
12,1
заграничное
5
28
28
28
16
-
-
0,8
13,5
заграничное
6
20
25
25
-
25
5
-
9,5
прототип
Из таблицы видно, что в случае применения предлагаемого состава флюса (см. примеры 1, 2, 3) удельный расход рафинирующего флюса на 1 кг магния меньше по сравнению с известным в среднем на 1,76 кг. Что касается заграничных значений концентраций компонентов, то их применение не целесообразно, т.к. удельный расход рафинирующего флюса на 1 кг магния в этих случаях (см. примеры 4 и 5) увеличивается и превышает известный, описанный в прототипе.
Источники информации
1. «Металлургия легких металлов». Николаев И.В., Москвитин В.И., Фомин Б.А. «Металлургия», М., 1997, 430 с. (стр.311).
2. «Флюсовая обработка и фильтрование алюминиевых расплавов». Курдюмов А.В., Инкин С. В., Чулков B.C., Графас Н.Н. «Металлургия», М., 1980, 196 с. (стр.131).