ЛИГАТУРА НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ДЛЯ ЛЕГИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ МЕТАЛЛОВ МАРГАНЦЕМ, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИГАТУРЫ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ALLOY COMBINATION BASED ON ALUMINIUM FOR ALLOYING OF METALS AND METAL ALLOYS WITH MANGANESE; METHOD FOR OBTAINING ALLOY COMBINATION, AND ITS USE

Область техники
Изобретение относится к цветной металлургии и касается лигатуры для легирования сплавов металлов марганцем и способа ее получения, а также ее использование для изготовления легированных сплавов.
Уровень техники
Известны легирующие добавки для легирования сплавов металлов марганцем, содержащие марганец в качестве основного легирующего элемента и алюминий в качестве основы. Повышение содержания легирующего элемента в легирующей добавке является актуальной задачей, ибо в этом случае снижается количество материала, необходимое для легирования. При использовании легирующей добавки для изготовления сплавов она должна обеспечивать высокую скорость растворения марганца и высокую степень его усвоения в легируемом сплаве, и в итоге необходимое содержание марганца в конечном продукте.
Легирующие добавки, содержащие марганец, известны в виде лигатур, представляющих собой сплав алюминия и марганца, а также в виде прессованных брикетов и таблеток.
Известен способ получения легирующей добавки в виде брикета из марганца и алюминия для легирования алюминиевых сплавов (Авт. свид. № SU 1772194 А.Н.Маленьких и др., Int. Cl. C22B 9/10, 30.10.1992). Способ включает прессование брикета из смеси дробленого марганца или его соединения (55-65%), флюса рафинирующего (5-9%) и измельченного в виде стружки алюминия или его сплавов (30-36%). Недостатками полученной таким способом легирующей добавки являются низкое содержание марганца, низкая степень усвоения марганца, достаточно большие потери марганца и алюминия, высокое содержание водорода и натрия, а также окислов и других неметаллических включений, что способствует нежелательному шлакообразованию.
Известны легирующие добавки, содержащие марганец и алюминий, в виде прессованных таблеток (далее - таблетки) Мn75, Мn80. Таблетки Мn80 получают путем прессования смеси порошков алюминия и марганца, содержащей Аl 20%, Мn 80% и в некоторых случаях флюсы (соли MgCl, NaCl и др.). Таблетки Mn80 пригодны для легирования алюминиевых сплавов марганцем, обеспечивая достаточно высокую скорость растворения марганца в алюминиевом расплаве и высокое содержание марганца в готовом сплаве. Недостатком таблеток Мn80 является низкая степень усвоения марганца в сплаве, повышенное шлакообразование при легировании сплавов, обусловленное большим содержанием в лигатуре кислорода (до 2%), в виде окислов и гидроокисей марганца и окислов алюминия, имеющихся на поверхности частичек металлов, входящих в состав таблетки. Шлакообразование приводит к сильному загрязнению и снижению качества готового продукта, к повышенным потерям алюминия, к зарастанию печей, каналов и электромагнитных насосов (далее - ЕМР насосов) и в итоге к амортизации оборудования. Все это, в целом, приводит к удорожанию получения легированного алюминиевого сплава.
Известны также лигатуры в виде сплавов марганца и алюминия, например, лигатура АlМn20, содержащая 80% алюминия и 20% марганца, и появившаяся позднее лигатура АlМn60, содержащая 40% алюминия и 60% марганца.
Ближайшим к настоящему изобретению техническим решением является известная лигатура АlМn60 (химическое обозначение EN АМ-АlМn60), содержащая 40% алюминия, 60% марганца, а также другие компоненты, и выполненная в виде чешуек, в частности, состав лигатуры (№№ EN АМ-92502 и/или EN АМ-92503) согласно стандарту CEN/TC 132 «Aluminium and aluminium alloys - Master alloys produced by melting - Specifications» Европейского Сообщества (директива №97/23/EC), ссылка EN 575:1995, дата ратификации 06.03.1995. Известную лигатуру изготавливают известным способом, согласно которому алюминий загружается в печь, расплавляется и нагревается до заданной температуры, затем, при поддержании температуры, в расплав вводится порционно марганец и другие необходимые компоненты. Полученный расплав доводится до состояния однородной консистенции, выдерживается и по достижении необходимого содержания компонентов производится разливка полученного сплава при охлаждении с образованием чешуек лигатуры. В известном способе алюминий нагревают до температуры 1300°С, а разливку расплава осуществляют после достижения содержания марганца в расплаве, равного 60%, с получением лигатуры в виде чешуек толщиной 2-5 мм. Эта лигатура используется для легирования алюминиевых сплавов. Лигатура имеет кристаллическую структуру, в которой при быстром нагревании, в процессе легирования сплавов, при температуре 540-570°С возникают направленные фазовые изменения, сопровождающиеся увеличением объема. Это создает в кристаллической решетке лигатуры внутренние напряжения, обуславливающие разрушение лигатуры на мелкие частички размером около 100-400 мкм, вызывая распад лигатуры и растворение марганца в расплаве. Недостатком известной лигатуры АlМn60 является низкое содержание марганца (не более 60%) и, соответственно, более высокий расход лигатуры на единицу готового продукта и таким образом высокая стоимость лигатуры в пересчете на 1 кг марганца. Также лигатура имеет низкую скорость растворения при легировании сплавов.
Таким образом, из уровня техники неизвестно высокоэффективной лигатуры для легирования сплавов металлов марганцем, которая имела бы высокое содержание марганца и обеспечивала бы как высокую скорость растворения марганца в расплаве, так и высокую степень усвоения марганца в сплаве, не вызывая при легировании шлакообразования, негативно влияющего на качество сплава.
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеназванных недостатков и создание новой высокоэффективной лигатуры для легирования сплавов металлов марганцем и способа ее получения, которые обеспечили бы высокое содержание марганца в лигатуре, а также высокую скорость растворения марганца в расплаве и высокую степень усвоения марганца в сплаве и не вызывали бы шлакообразования и загрязнения при ее использовании для изготовления сплавов.
Сущность изобретения
Для решения этой задачи была создана лигатура на основе алюминия для легирования сплавов металлов марганцем, содержащая алюминий, марганец и, при необходимости, другие компоненты, выполненная в виде чешуек и с возможностью фазовых изменений в кристаллической структуре при температуре легирования, где лигатура имеет согласно настоящему изобретению следующее соотношение компонентов:
- марганец - 77-93 масс.%,
- другие компоненты - каждого 0-2 масс.%, а в совокупности 0-5 масс.%,
- алюминий - остальное до 100 масс.%,
а температура легирования, необходимая для обеспечения фазовых изменений, составляет 600-850°С.
При этом предлагается лигатура, имеющая толщину чешуек в интервале 1-10 мм.
Предлагается лигатура согласно изобретению с содержанием марганца 77-83 масс.% (в дальнейшем обозначаемая как АlМn80). Также предлагается лигатура согласно изобретению с содержанием марганца 87-93 масс.% (в дальнейшем обозначаемая как АlМn90). В дальнейшем лигатура, охватывающая все возможные варианты состава лигатур в пределах патентной формулы, условно обозначается как АlМn80(90).
Также для решения поставленной задачи в способе получения лигатуры для легирования сплавов металлов марганцем, в котором алюминий загружается в печь, расплавляется и нагревается до необходимой температуры, затем при поддержании необходимой температуры в расплав вводится порционно при перемешивании марганец и, при необходимости, другие компоненты, полученный расплав доводится до однородной консистенции, выдерживается и, по достижении необходимого содержания компонентов, производится разливка полученного сплава при его охлаждении с образованием чешуек лигатуры, -
согласно настоящему изобретению алюминий нагревается до температуры 660-1600°С, а разливка осуществляется при следующем соотношении компонентов в сплаве:
- марганец - 77-93 масс.%,
- другие компоненты - каждого 0-2 масс.%, а в совокупности 0-5 масс.%,
- алюминий - остальное до 100 масс.%,
и при разливке обеспечивается скорость охлаждения в диапазоне 50-800°С/мм·сек.
Лигатура согласно изобретению, полученная вышеописанным способом, может использоваться для легирования сплавов металлов марганцем, при этом лигатура вводится в легируемый сплав при температуре в интервале 600-850°С, обеспечивающей интенсивные фазовые изменения в кристаллической структуре вводимой лигатуры.
При использовании лигатуры для изготовления сплавов металлов согласно изобретению предпочтительно вводить ее в легируемый сплав при перемешивании.
Лигатура согласно изобретению может использоваться для легирования алюминиевых сплавов марганцем.
Совокупность существенных признаков настоящего изобретения согласно патентной формуле обеспечивает возможность получения высококонцентрированной лигатуры с кристаллической структурой, в которой направленные фазовые изменения, возникающие при быстром нагревании в процессе легирования сплавов (в диапазоне температур 600-850°С) и сопровождающиеся увеличением объема, происходят гораздо интенсивнее и с большим количеством центров фазовых превращений (изменений) в сравнении с лигатурой АlМn60. Это приводит к более эффективному распаду лигатуры в процессе легирования сплавов. Возникающие при разрушении лигатуры частички размером 1-50 мкм (более мелкие, чем в случае АlМn60) с большей скоростью занимают больший объем в расплаве, что существенно повышает скорость растворения марганца в расплаве, обеспечивая практически полное усвоение марганца в сплаве. Лигатуры по изобретению АlМn80(90), в том числе АlМn80 и АlМn90, обеспечивают более быстрое растворение марганца в расплаве по сравнению с АlМn60. При этом лигатура AlMn80 имеет более высокую скорость растворения, чем АlМn90.
При одинаковых условиях введения лигатуры скорость растворения лигатуры согласно изобретению в 3-4 раза выше, чем в случае известной лигатуры АlМn60 (время растворения составляет соответственно 5-25 минут для заявленной лигатуры АlМn80(90) и 20-100 минут для известной АlМn60). Количество лигатуры, вводимой в алюминиевый сплав для достижения заданной концентрации марганца, на 33% меньше при применении лигатуры АlМn80 и на 50% меньше при применении лигатуры АlМn90 по данному изобретению, чем при применении известной лигатуры АlМn60.
Кроме того, лигатура по изобретению, в виде сплава АlМn80(90), превосходит известные таблетки Мn80 по концентрации легирующего элемента при одинаково высокой скорости растворения марганца в расплаве, а также имеет существенно более высокую степень усвоения марганца в сплаве, не вызывая шлакообразования и загрязнения расплава неметаллическими включениями.
Настоящее изобретение обеспечивает создание лигатуры с высоким содержанием марганца, с высокой скоростью растворения марганца в расплаве и высокой степенью усвоения марганца в сплаве и при этом не вызывающей шлакообразования. Таким образом, изобретение обеспечивает решение поставленной задачи.
В целом, лигатура согласно изобретению и способ ее получения, а также ее использование для изготовления легированных сплавов решают проблему получения высококачественных и экономически рентабельных сплавов, легированных марганцем, в частности алюминиевых сплавов.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется далее графиком, изображенным на Фиг.1, и нижеследующим описанием примеров выполнения изобретения.
На Фиг.1 представлен график скорости растворения лигатуры, отражающий результаты экспериментов для лигатур согласно изобретению, АlМn80 и АlМn90, в сравнении с известными легирующими добавками, АlМn60 и таблетки Мn80.
Примеры выполнения изобретения
В качестве примера выполнения лигатуры по изобретению представлены лигатуры АlМn80 и АlМn90.
Состав лигатур АlМn80 и АlМn90 соответствует Таблице 1.
Таблица 1
Обозначение лигатуры по изобретению
Химический состав (масс.%)
Si
Fe
Mn
Al
Другие компоненты
каждый
в совокупности
АlМn80
0,40
0,40
77-83
остальное до 100
не более 0,3
не более 1
АlМn90
0,40
0,40
87-93
остальное до 100
не более 0,3
не более 1
Способ получения лигатуры (согласно Таблице 1) осуществляется следующим образом.
В печь загружается алюминий в расчетном количестве исходя из заданного количества получаемого сплава. Алюминий может загружаться как в жидком виде, так и твердом. Алюминий нагревается до необходимой температуры в интервале 660-1600°С, и при поддержании этой температуры в расплав алюминия порционно вводят в расчетном количестве марганец и другие необходимые компоненты (в частности, Fe, Si). Введение марганца в алюминиевый расплав осуществляется при перемешивании. Далее расплав выдерживается при этой температуре в течение времени, необходимого для полного растворения марганца и гомогенизации расплава, т.е. до получения однородной консистенции и необходимой концентрации компонентов. После растворения марганца отбирают пробу для контроля содержания, и по достижении заданного содержания марганца полученный сплав подается на разливочную машину, где производится разливка при обеспечении скорости охлаждения сплава в диапазоне от 50°С/мм·сек до 800°С/мм·сек. В процессе разливки формируются чешуйки лигатуры толщиной от 1 мм до 10 мм.
При таком способе получается лигатура с поликристаллической структурой, которая обладает способностью к интенсивным фазовым превращениям с увеличением объема при быстром ее нагревании до температуры 600-850°С, в процессе ее использования для изготовления легированных сплавов.
Использование лигатуры согласно изобретению для изготовления легированных марганцем сплавов, в частности алюминиевых, осуществляется следующим образом. В печь загружают алюминий в расчетном количестве. Алюминий нагревается до температуры 690-750°С. Затем в расплав алюминия вводится расчетное количество лигатуры АlМn80 или АlМn90 исходя из необходимого количества марганца в готовом сплаве. Введение лигатуры осуществляется, при возможности, в зону перемешивания. Далее расплав выдерживается до получения расплава однородной консистенции и необходимого содержания компонентов по всему объему печи. Для проверки химического состава делают анализ содержания марганца путем отбора проб, обычно через 10-45 минут, в зависимости от технологии. После достижения заданной концентрации марганца осуществляют дальнейшую обработку сплава согласно заданной технологии. Процесс растворения лигатуры происходит при этом очень спокойно, без повышения температуры, без выделения газов и образования шлаков. При перемешивании процесс растворения лигатуры идет быстрее в 3-4 раза.
Высокая эффективность лигатуры, полученной согласно изобретению, подтверждается результатами промышленных испытаний. Промышленные испытания лигатур АlМn80, АlМn90 проводились на заводах Hydro Aluminium (Холместранд, NO) и RUSAL (Красноярск, RU), а также на ряде других предприятий. Испытания проводились в сравнении с известными сплавом АlМn60 и таблетками Мn80, с применением их для легирования различных сплавов. Испытания показали преимущество лигатур АlМn80, АlМn90 как перед известным легирующим сплавом АlМn60, так и перед таблетками Мn80.
Испытания проводились на различных типах оборудования:
- индукционные канальные печи,
- газовые отражательные печи с насосом ЕМР,
- газовые отражательные печи с механическим перемешиванием,
- электрические отражательные печи.
Высокие результаты были достигнуты на всех типах печей и на различных типах сплавов.
Пример использования лигатуры по изобретению для изготовления легированных алюминиевых сплавов в сравнении с известными легирующим добавками
Исследовалась скорость растворения марганца лигатуры в алюминиевом расплаве и степень усвоения марганца в сплаве (т.е. степень усвоения лигатуры). Сравнивали лигатуры по изобретению (сплавы АlМn80 и АlМn90) с известными из уровня техники легирующими добавками, сплав АlМn60 и таблетки Мn80. Испытания проводились при одинаковой температуре их введения в расплав (720-730°С) и на той же самой печи.
Описание испытания
1. Оборудование.
Использовалась печь тигельная индукционная емкостью 50 л, измерения осуществлялись термопарой К-типа.
2. Порядок проведения эксперимента.
В тигельную печь загружался первичный алюминий в количестве 50 кг, после его расплавления и достижения температуры жидкого алюминия 720-730°С в расплав вводилось расчетное количество лигатуры или таблеток. Для лигатурных сплавов АlМn80 и АlМn90 (по изобретению) и АlМn60 и таблеток Мn80 брали расчетное количество, которое составляет соответственно:
для АlМn60
- 0,833 кг
для АlМn80
- 0,625 кг
для АlМn90
- 0,556 кг
для Мn80
- 0,625 кг.
Перед вводом легирующей добавки бралась контрольная проба (из легируемого расплава). После ввода легирующей добавки пробы брались через каждую минуту. Затем, после отбора 30 проб, делали анализ на приборе ARL ADVAN'XP. На основании полученных данных о концентрации марганца в расплаве строился график, где были представлены результаты опыта для каждой из исследуемых легирующих добавок. Исследовалась скорость растворения марганца в алюминиевом расплаве и степень усвоения марганца в сплаве для каждой из исследуемых легирующих добавок. Результаты промышленных испытаний представлены на графике Фиг.1 и в Таблице 2.
На графике Фиг.1, отражающем сравнение скорости растворения различных легирующих добавок, показана зависимость концентрации марганца в легируемом расплаве от продолжительности времени растворения марганца для лигатур согласно изобретению, АlМn80, АlМn90, и известных легирующих добавок, лигатуры АlМn60 и таблеток Мn80. По оси X представлено время с момента введения легирующей добавки в расплав алюминия, в минутах; по оси Y представлено содержание марганца в расплаве, в процентах от расчетного значения содержания Мn (расчетное значение относительного содержания Мn - 1% принято за 100%-ное усвоение). Полученные кривые роста концентрации марганца в расплаве для каждой из сравниваемых лигатур обозначены на графике (Фиг.1) следующим образом: 1 - для АlМn60, 2 - для АlМn80, 3 - для АlМn90 и 4 - для Мn80.
График (Фиг.1) позволяет судить о скорости растворения марганца в расплаве и о степени усвоения марганца в легируемом сплаве для каждой из исследуемых легирующих добавок, при прочих равных условиях.
График (Фиг.1) подтверждает следующее:
- По скорости растворения лигатуры по изобретению АlМn80 и АlМn90 являются более эффективными, чем известные таблетки Мn80 и сплав АlМn60, причем в случае АlМn80 растворение идет быстрее, чем в случае АlМn90.
- Степень усвоения марганца в легируемом сплаве составляет 100% от расчетной величины для АlМn60 АlМn80, и АlМn90, примерно 90% для таблетки Мn80.
В нижеследующей Таблице 2 представлены основные характеристики и параметры сравниваемых лигатур АlМn80(90), АlМn60 и таблеток Мn80 на качественном уровне, в удобной для сравнения форме, что позволяет судить о преимуществах и недостатках каждой из них и о возможностях их применения.
Таблица 2.
Сравнение характеристик применения лигатур АlМn80, АlМn90 согласно изобретению и известных лигатуры АlМn60 и таблетки Мn80.
Сравнительные характеристики:
<u>АlМn80</u>
<u>АlМn60</u>
<u>Мn80</u>
<u>АlМn90</u>
Стоимость исходного материала
+
+/-
+
Стоимость вводимого Мn с учетом потерь и степени усвоения
++
+
+/-
Скорость растворения Мn в расплаве
++
+*
++
Чистота вводимого материала (газы, неметаллические включения)
++
++
--
Степень загрязнения сплава (эффект влияния на качества конечного продукта)
++
++
--
Влияние на окружающую среду
++
++
-
Амортизация оборудования
++
++
-
Образование шлака
++
++
--
Возможности для длительного хранения материала
+
+
-
Степень усвоения Мn в сплаве
++
++
-
Постоянство параметров по усвоению
++
++
-
Примечания:«+» - преимущество«-» - недостаток* при наличии циркуляции металла в печи скорость растворения одинакова с таблетками Мn80
Преимущества лигатуры по изобретению:
1. Созданная лигатура, сплав АlМn80(90), согласно изобретению, по концентрации легирующего элемента Мn впервые за всю историю алюминиевых лигатур превосходит таблетки Mn80.
2. Созданная лигатура, сплав АlМn80(90), по скорости растворения превосходит сплав АlМn60 и эквивалентен таблеткам Мn80.
3. Созданная лигатура, сплав АlМn80(90), по степени усвоения Мn в легируемом сплаве эквивалентен сплаву АlМn60 и превосходит таблетки Мn80.
Промышленная применимость
Высококонцентрированная лигатура АlМn80(90) по изобретению проста и удобна в использовании и хранении. В сочетании с высокими экономическими показателями лигатуры АlМn80 и АlМn90 гарантируют высокое и стабильное качество конечного продукта - алюминиевых сплавов - и могут найти широкое применение в цветной металлургии. Согласно результатам проведенных промышленных испытаний сплавы АlМn80 и АlМn90 по изобретению можно применять с высокой эффективностью для легирования как алюминиевых сплавов, так и сплавов других металлов.
Лигатуры АlМn80 и АlМn90 согласно настоящему изобретению, а также способы их получения и использования при изготовлении сплавов металлов могут быть реализованы в промышленности на основе известных, применяемых в настоящее время материалов и известного оборудования.
Варианты выполнения настоящего изобретения не ограничиваются примерами, приведенными в настоящем описании. Возможны и другие варианты его выполнения, не выходящие за пределы, определяемые формулой изобретения.