СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВОГО СПЛАВА
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF ALUNIMIUM-SILICON ALLOY

Предлагаемое техническое решение относится к технологии производства алюминиево-кремниевых сплавов.
Традиционная технология приготовления алюминиево-кремниевого сплава включает растворение в жидком алюминии кристаллического кремния с использованием различных флюсов и различных устройств для интенсификации процесса.
Основные недостатки известной технологии - значительные потери кремния в шлак и невысокое качество получаемого сплава.
Известны способ получения алюминиево-кремниевых сплавов и устройство для его реализации, в которых в расплавленный алюминий заливают расплавленный кремний и осуществляют перемешивание по всему объему турбулентными потоками инертного газа, периодически меняя давление от 0,2 до 0,6 атм (патент РФ №2025526, С22С 1/02, 1994 г., [1]).
Недостаток известного решения - значительный «угар» алюминия при заливке в него кремния, имеющего температуру до 1750°С, кроме того, для реализации технологии необходимо достаточно сложное оборудование.
Известен способ получения алюминиевого сплава, включающий подачу и растворение в жидком алюминии расчетного количества легирующих компонентов в виде сплава, в котором в алюминий подают жидкую и/или твердую лигатуру, приготовленную из алюминия и ферросилиция (патент РФ №2215803, С22С 1/03, 2003 г., [2]). Использование предлагаемого решения позволяет снизить энергетические затраты на приготовление и получать сплав с повышенными физико-механическими характеристиками.
По технической сущности, наличию сходных признаков данное решение выбрано в качестве ближайшего аналога.
Недостатки известного решения: значительные потери алюминия при приготовлении лигатуры, ограничение технологических возможностей использования лигатуры для получения высококремнистых сплавов из-за повышенного содержания железа в лигатуре, а также невозможности использования только жидкой лигатуры.
Задачами предлагаемого технического решения являются повышение технико-экономических показателей технологии производства алюминиево-кремниевых сплавов и повышение качества продукции.
Техническими результатами являются снижение потерь металлов, снижение затрат на приготовление сплава и получение однородной мелкозернистой структуры получаемого сплава.
Технические результаты достигаются тем, что в способе получения алюминиево-кремниевого сплава, включающем подачу и растворение в жидком алюминии алюминиево-кремниевой лигатуры, в качестве алюминиево-кремниевой лигатуры используют жидкую алюминиево-кремниевую лигатуру с содержанием кремния 25-45 вес.%, при этом количество кремния в лигатуре составляет не менее 60 вес.% от количества кремния в получаемом сплаве, или в жидкий алюминий дополнительно подают и растворяют твердый кремнийсодержащий компонент и в качестве алюминиево-кремниевой лигатуры используют жидкую алюминиево-кремниевую лигатуру с содержанием кремния 25-45 вес.%, при этом количество кремния в лигатуре составляет не менее 60 вес.% от количества кремния в получаемом сплаве.
Кроме того, в расплав подают алюминиево-кремниевую лигатуру, которая может быть получена смешиванием жидкого алюминия и жидкого кремния, температуру которого поддерживают 1430-1520°С.
Технические результаты также достигаются тем, что в способе получения алюминиево-кремниевого сплава, включающем подачу и растворение в жидком алюминии алюминиево-кремниевой лигатуры, в жидкий алюминий дополнительно подают и растворяют твердый кремнийсодержащий компонент в виде твердой алюминиево-кремниевой лигатуры и/или в виде кристаллического кремния, при этом в качестве алюминиево-кремниевой лигатуры используют жидкую алюминиево-кремниевую лигатуру с содержанием кремния 25-45 вес.%.
Кроме того, в расплав подают алюминиево-кремниевую лигатуру, которая может быть получена смешиванием жидкого алюминия и жидкого кремния, температуру которого поддерживают 1430-1520°С.
Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.
Основной задачей при производстве литейной продукции из алюминиево-кремниевых сплавов является получение однородной и мелкодисперсной структуры получаемой продукции. Основы качественной структуры закладываются на стадии приготовления сплава. Однородная, мелкозернистая структура может быть получена при использовании различных модификаторов, с использованием специальных устройств и способов обработки расплава, что требует дополнительных материальных и трудовых затрат. Кроме того, достижение требуемых результатов для всего объема расплава также достаточно затруднительно.
В предлагаемом решении вышеуказанные задачи решаются использованием для приготовления сплава, во-первых, жидкой алюминиево-кремниевой лигатуры, во-вторых, использованием алюминиево-кремниевой лигатуры с содержанием кремния 25-45 вес.%. Использование алюминиево-кремниевой лигатуры с содержанием кремния 25-45 вес.%. позволяет подать в расплав необходимое количество кремния в «концентрированном» виде и легкорастворимой форме, что позволит снизить энергетические затраты на приготовление сплава. Лигатуры, приготовленные из технического алюминия и технического кремния, содержат приемлемое для широкого спектра алюминиево-кремниевых сплавов количество железа и других примесных элементов. С другой стороны, введение в расплав подготовленного к эффективному растворению и модифицированию компонента, каким является лигатура Al-Si, повышает технико-экономические показатели процесса в целом.
Количество кремния в загружаемой в расплав алюминия алюминиево-кремниевой лигатуре, предпочтительно, не менее 60 вес.% от количества кремния в получаемом сплаве, гарантированно обеспечивает модифицирующий эффект и получение сплавов с улучшенными физико-механическими свойствами.
Предпочтительно использование алюминиево-кремниевой лигатуры, полученной смешиванием жидкого алюминия и жидкого кремния, при поддержании температуры кремния 1430-1520°С. Это повышает технико-экономические показатели процесса за счет снижения энергетических затрат, снижения потерь металла при приготовлении лигатуры и повышения ее качества.
Использование для приготовления сплава компонента, уже имеющего в своем составе мелкодисперсную эвтектику Al(α)-Si, и подача его в жидкий алюминий в жидком виде более эффективна, по сравнению с подачей различных модификаторов и необходимостью равномерного распределения модифицирующих компонентов по всему объему расплава.
Возможность введения в алюминиевый расплав, наряду с жидкой алюминиево-кремниевой лигатурой, твердого кремнийсодержащего компонента в виде кристаллического кремния и/или твердой алюминиево-кремниевой лигатуры расширяет технологические возможности предлагаемого решения, так как обеспечивает дошихтовку (подшихтовку) сплава по содержанию кремния в необходимых количествах.
Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с ближайшим аналогом показывает следующее.
Решение по ближайшему аналогу и предлагаемое решение характеризуются общими признаками:
- для приготовления сплава в качестве основы используют жидкий алюминий;
- в жидкий алюминий подают алюминиевую кремнийсодержащую лигатуру;
- в жидкий алюминий подают жидкую алюминиевую кремнийсодержащую лигатуру.
Предлагаемое решение также характеризуется признаками, отличными от признаков, характеризующих ближайший аналог:
- в жидкий алюминий подают жидкую алюминиево-кремниевую лигатуру (в решении-аналоге в жидкий алюминий подают жидкую и/или твердую алюминиевую железо-кремнийсодержащую лигатуру, приготовленную из алюминия и ферросилиция);
- в жидкий алюминий подают жидкую алюминиево-кремниевую лигатуру с содержанием кремния 25-45 вес.%;
- в жидкий алюминий подают алюминиево-кремниевую лигатуру, количество кремния в которой составляет не менее 60 вес.% от количества кремния в получаемом сплаве;
- в жидкий алюминий дополнительно подают твердый кремнийсодержащий компонент в виде твердой алюминиево-кремниевой лигатуры и/или в виде кристаллического кремния.
В расплав подают алюминиево-кремниевую лигатуру, которая может быть получена смешиванием жидкого алюминия и жидкого кремния, при этом температуру кремния поддерживают 1430-1520°С.
Наличие в предлагаемом решении признаков, отличных от признаков, характеризующих решение по ближайшему аналогу, позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности изобретение «новизна».
Сравнительный анализ предлагаемого решения с известными техническими решениями в данной области показывает следующее.
Известен способ получения алюминиево-кремниевых сплавов, включающий расплавление алюминия, введение кремния в расплав, корректировку расплава и разливку в изложницы, в котором кремний вводят в расплавленном виде с температурой 1600-1800°С, при этом температуру расплава алюминия поддерживают не более 850°С (патент РФ №1203917, С22С 1/02, 1996 г., [3]). В известном решении в жидкий алюминий заливают жидкий кремний, что ведет к значительным потерям алюминия за счет угара и образования шлака. Достаточно сложно произвести шихтовку сплава и равномерное распределение кремния по всему объему расплава.
В предлагаемом решении температуры смешиваемых расплавов значительно ниже. В алюминиевый расплав заливают алюминиево-кремниевую лигатуру, с содержанием кремния 25-45 вес.%, обладающую свойствами модификатора, при этом количество кремния в этой лигатуре составляет не менее 60 вес.% от количества кремния в получаемом сплаве, также в жидкий алюминий дополнительно подают твердый кремнийсодержащий компонент в виде твердой алюминиево-кремниевой лигатуры и/или в виде кристаллического кремния, при этом используют лигатуру с содержанием кремния 25-45 вес.%, обладающую свойствами модификатора, количество кремния в этой лигатуре составляет не менее 60 вес.% от количества кремния в получаемом сплаве. Использование данных жидкой и твердой лигатур, обладающих свойствами модификаторов, позволяет расширить технологические возможности предлагаемого решения, как по шихтовке сплава по кремнию в необходимых количествах, так и по использованию различных видов кремнийсодержащего сырья.
Известен способ получения низколегированного алюминиево-кремниевого сплава с содержанием кремния 2-14 мас.%, включающий растворение расчетного количества кристаллического кремния в алюминиево-кремниевой основе, в котором в качестве алюминиево-кремниевой основы используют сплав, получаемый в электролизерах для производства алюминия, с массовым отношением кремния в основе к общему содержанию кремния в получаемом сплаве не менее 0,45 (патент РФ №2015187, С22С 1/02, 1994 г., [4]).
Использование данного решения позволит без дополнительных затрат на модифицирование получать сплавы с улучшенными физико-механическими свойствами за счет использования основы, полученной в электролизере, и имеющей равномерную и мелкодисперсную структуру алюминиево-кремниевой эвтектики Al(α)-Si. В предлагаемом решении также используется компонент, обладающий модифицирующими свойствами в виде жидкой алюминиево-кремниевой лигатуры, но данный компонент подается в жидком виде в алюминиевый расплав, а не является основой сплава, как в известном решении, и в расплав подают жидкую алюминиево-кремниевую лигатуру с содержанием кремния 25-45 вес.% и количеством кремния в этой лигатуре не менее 60 вес.% от количества кремния в получаемом сплаве. А твердый кремнийсодержащий компонент в виде алюминиево-кремниевой лигатуры и/или кристаллического кремния подается или может быть подан (при необходимости) в расплав наряду с жидкой алюминиево-кремниевой лигатурой.
Известен способ получения алюминиево-кремниевых сплавов, включающий введение расплавленного кремния в расплав алюминия или его сплава, корректировку расплава и разливку в формы, в котором проводят обработку расплавом алюминия или его сплавом металлосодержащих отходов алюминиевого и/или кремниевого производства, количество которых определяют по формуле, в зависимости от веса жидкого алюминия, заливаемого жидкого кремния и количества загружаемых металлосодержащих отходов (патент РФ №2266971, С22С 1/02, 2008 г., [5]). Кроме эффективной переработки отходов алюминиевого и/или кремниевого производства использование данного решения позволит получать сплав с достаточно высокими физико-механическими свойствами. В предлагаемом решении в жидкий алюминиевый расплав подают жидкую алюминиево-кремниевую лигатуру с содержанием кремния 25-45 вес.% и количеством кремния в этой лигатуре не менее 60 вес.% от количества кремния в получаемом сплаве. А твердый кремнийсодержащий компонент в виде алюминиево-кремниевой лигатуры и/или кристаллического кремния подается или может быть подан (при необходимости) в расплав наряду с жидкой алюминиево-кремниевой лигатурой.
Не выявлено в процессе поиска и сравнительного анализа технических решений, характеризующихся аналогичной с предлагаемым решением совокупностью признаков, позволяющих получить при использовании аналогичные результаты, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
Предлагаемая технология реализуется следующим образом.
Пример 1
Обоснование пределов по содержанию кремния в лигатуре Al-Si
Готовили сплав АК5М (АЛ5), содержащий, вес.%: Si=4,5-5,5; Mg=0,40-0,65; Cu=1,0-1,5. Fe не более 0,6. Данный вид сплава имеет минимальное содержание кремния из всех литейных сплавов.
В печи сопротивления расплавляли алюминий технической чистоты с содержанием Fe=0,08%, Si=0,10%. В перегретый металл добавляли твердую лигатуру Al-Fe-Si, полученную по ближайшему аналогу из ферросилиция и алюминия, и жидкую Al-Si лигатуру по предлагаемому техническому решению. Количество алюминия и лигатуры выбирали таким образом, чтобы во всех случаях вес полученного сплава составил 20,0 кг. Полученный сплав анализировали на содержание основных и примесных элементов, отливали в кокиль стандартные образцы для проведения механических испытаний.
Результаты опытов приведены в табл.1.
Таблица 1
Способ
Расход лигатуры, кг
Содержание в лигатуре, вес.%
Содержание в сплаве, вес.%
Временное сопр. разрыву, МПа
Относит. удлинение, %
Si
Fe
Si
Fe
Прототип
10,00
10,0
3,2
5,05
1,64
Не удовлетворяет требованиям по хим. составу (Fe не более 0,6)
Предлагаемый способ
5,00
20,0
0,19
5,08
0,104
157
0,45
4,00
25,0
0,21
5,08
0,106
156
0,45
2,86
35,0
0,25
5,09
0,105
152
0,40
2,22
45,0
0,30
5,09
0,105
150
0,40
2,00
50,0
0,33
5,09
0,106
147
0,35
Для получения одного и того же количества алюминиево-кремниевого сплава (20 кг) по предлагаемому техническому решению требуется в несколько раз меньше лигатуры, по сравнению с ближайшим аналогом. При этом получить требуемый сплав АК5М (АЛ5) с использованием лигатуры, приготовленной из ферросилиция, не представляется возможным, поскольку он не удовлетворяет требованиям по содержанию железа в сплаве (не более 0,6%). И это несмотря на то, что данный вид сплава имеет минимальное содержание кремния (5%) и достаточно высокое содержание железа из всех литейных сплавов.
При содержании кремния в лигатуре по предлагаемому способу менее 25 вес.% увеличивается расход лигатуры, а следовательно, и время приготовления сплава.
При содержании кремния в лигатуре по предлагаемому способу более 45 вес.% происходит огрубление эвтектики Al(α)-Si и нерастворенных кристаллов кремния в лигатуре. В результате получаемый кремнийсодержащий сплав имеет более низкие физико-механические характеристики (предел прочности и относительное удлинение).
Пример 2
Температура жидкого кремния, используемого для приготовления лигатуры Al-Si (1430-1520°C)
Готовили лигатуру Al-Si с содержание кремния 35,0 вес.% заливкой жидкого кремния в жидкий алюминий. Вес получаемой лигатуры во всех опытах составлял 2,2 т. Температура жидкого алюминия во всех опытах была постоянная (780°С), а температура жидкого кремния варьировалась в пределах 1430-1600°С. Снижение температуры кремния до 1430-1520°С обеспечивали заливкой жидкого кремния в рафинировочный ковш и продувкой осушенным воздухом. После заливки расчетного количества кремния в алюминий производили перемешивание расплава, замеряли температуру лигатуры. Затем с поверхности лигатуры удаляли шлак, который после охлаждения взвешивали. Результаты опытов по получению лигатуры Al-35Si приведены в табл.2.
Таблица 2
Получение лигатуры Al-35Si при различной температуре жидкого кремния
Аl
Si
Лигатура Al-35Si
Вес шлака, т
Вес, т
t, °C
Вес, т
t, °C
Вес, т
t, °C
1,47
780±15
0,810
1600
2,20
1300±25
0,175
1,45
780±15
0,790
1520
2,20
1040±20
0,074
1,44
780±15
0,775
1450
2,20
1010±20
0,030
Использование жидкого кремния с температурой 1430-1520°С обеспечивает снижение потерь алюминия и кремния за счет окисления в 2,4-6 раз.
Полученную лигатуру Al-35Si в жидком виде использовали для приготовления сплава АК7ч (АЛ9), имеющего следующий состав, вес.: Si=6-8; Mg=0,25-0,45. Лигатуру охлаждали естественным образом на воздухе до температуры 900±15°С, после чего заливали в миксер с жидким алюминием. Затем производили перемешивание сплава, введение расчетного количества магния в виде чушек, снятие шлака с поверхности металла, отбор проб для анализа и разливку сплава в мелкую чушку.
Учитывая, что лигатура, полученная при различной температуре жидкого кремния, имела разную температуру (от 1010°С до 1300°С), время ее остывания до технологически необходимой температуры 900±15°С составило:
Таблица 3
Температура жидкого кремния, °С
Температура лигатуры, °С
Время остывания до 900±15°С
1600
1300±25
4 ч 30 мин
1520
1040±20
2 ч 20 мин
1450
1010±20
1 ч 45 мин
Таким образом, использование жидкого кремния с температурой 1430-1520°С для приготовления лигатуры Al-Si и последующее применение жидкой лигатуры для приготовления кремнийсодержащего сплава, обеспечивает снижение потерь металла (Аl и Si) за счет угара (окисления), а также сокращает продолжительность приготовления сплава.
Пример 3
Количество кремния, вводимого в сплав из лигатуры Al-Si (не менее 60%)
Готовили сплав АК7ч (АЛ9) с использованием жидкой и твердой лигатуры Al-30Si и кристаллического кремния. При этом варьировали количеством кремния, вводимого в сплав лигатурой и в виде кристаллического кремния. Из полученного сплава готовили образцы для механических испытаний заливкой сплава при температуре 720±10°С в холодный стальной кокиль. Усредненные результаты испытаний приведены в табл.4.
Таблица 4
% кремния в сплаве АК7ч (АЛ9), введенный в виде:
Временное сопр. разрыву, МПа
Относит. удлинение, %
Жидкой лигатуры Al-30Si
Твердой лигатуры Al-30Si
Кристаллического кремния
50
-
50
155
1,9
60
-
40
161
2,1
70
-
30
167
2,3
-
50
50
153
1,8
-
60
40
159
2,0
-
70
30
164
2,1
30
20
50
154
1,8
30
30
40
160
2,0
30
40
30
165
2,2
Из приведенных в табл.4 данных следует, что сплав АК7ч (АЛ9), при изготовлении которого 60 и более процентов кремния было введено в виде лигатуры, имеет более высокие механические характеристики, по сравнению со сплавом, в котором 40 и более процентов Si введено в виде кристаллического кремния.
Использование предлагаемого решения позволяет повысить технико-экономические показатели технологии получения кремнийсодержащих алюминиевых сплавов, повысить качество продукции.
ИНФОРМАЦИЯ
1. Патент РФ №2025526, С22С 1/02, 1994 г.
2. Патент РФ №2215803, С22С 1/03, 2003 г.
3. Патент РФ №1203917, С22С 1/02, 1996 г.
4. Патент РФ №2015187, С22С 1/02, 1994 г.
5. Патент РФ №2266971, С22С 1/02, 2008 г.