Флюсование алюминия

Что такое флюсование

Термин

Термин «флюсование» применяется для описания всех химических соединений или их смесей, которые применяются для обработки расплавленного алюминия и не только алюминия. Эти соединения обычно являются неорганическими. В большинстве случаев применяются соли металлов в виде порошка, гранул или таблеток. При их применении они обычно расплавляются и работают в жидком состоянии.

Флюсы вводят вручную или с применением специального оборудования. Они могут выполнять одну или несколько функций, включая дегазирование, очистку, легирование, окисление, раскисление  или рафинирование. Термин «флюсование» включает также обработку алюминиевого расплава инертными или реактивными газами для удаления твердых или газообразных примесей.

Термин «флюсование» в широком смысле относится к методу обработки металлического расплава, который содержит такие загрязнения и включения. Флюсование расплава обеспечивает сбор и удаление из него таких нежелательных компонентов.

Оксиды и неметаллические включения в алюминии

При плавлении алюминия, особенно при переплавке литейных отходов и другого алюминиевого лома, обычно в том или ином количестве – малом или большом – образуются оксиды алюминия и других металлов, а также неметаллические загрязнения. Эти загрязнения имеют вид жидких или твердых включений, которые могут попадать в алюминиевые изделия. Эти включения возникают в алюминиевом расплаве от загрязненных инструментов, материалов литейных форм, шлака, футеровки печи, оксидов алюминия и легирующих элементов сплавов.

Влияние температуры на процесс флюсования

Процесс флюсования зависит от температуры. Температура обработки расплава должна быть достаточно высокой для достижения хорошего физического отделения загрязнений или примесей от расплава или эффективного прохождения необходимых химических реакций. При достаточно высокой температуре повышается текучесть как алюминия, так и флюса, что обеспечивает хороший контакт между ними и лучшее химическое взаимодействие.

Химический состав флюсов

Специальные соединения или химические реагенты, которые применяют во флюсах, зависят от назначения флюса. Большинство флюсующих соединений состоят из смесей неорганических солей. Различные составляющие этих солей или других материалов во флюсе служат для того, чтобы [1]:

• Формировать низкоплавкие соединения с высокой текучестью при заданной рабочей температуре. Именно это происходит со смесью NaCl-KCl.
• Разлагаться при рабочей температуре со образованием анионов, таких как нитраты, сарбонаты и сульфаты, которые способны реагировать  с загряхняющим материалами в расплаве. В результате образуются различные оксиды или другие соединения с плотностью от плотности жидкого алюминия, что дает возможность физического удаления вредных примесей.
• Действовать как наполнители, чтобы снижать стоимость за килограмм, в также быть носителем для активных ингредиентов и, кроме того, обеспечивать полное покрытие расплава.
• Поглощать или агломерировать продукты реакции процесса флюсования.

Не все  такие компоненты являются обязательными или обязательно содержаться в каждом флюсе.

• В таблице 1 перечислены свойства различных материалов, которые обычно применяются в промышленных флюсов для алюминия [1].
• В таблице 2 предствалены функциональные свойства различных компонентов флюсов [2].

Выбор компонентов для флюса зависит от:

• рабочей температуры,
• применяется этот флюс для расплава или твердой шихты,
• необходимой химической активности флюса,
• химического состава алюминиевого расплава.

Например, натрий-содержащие флюсы не применяют с алюминиево-магниевыми сплавами, чтобы избежать загрязнения расплава натрием.

Table 1 – Characteristics of some materials used as fluxes for aluminium alloys [1]

Table 2  – Typical fluxing compounds employed [2]

Типы флюсов для алюминия

Для алюминия применяют следующие основные типі флюсов:

• cover fluxes
• cleaning fluxes
• drossing fluxes
• refining fluxes
• wall-cleaning fluxes.

Cover fluxes

Эти флюсы применяют в основном:

• как физический барьер для окисления расплава в малых печах,
• как очиститель для загружаемой алюминиевой шихты.

Cleaning fluxes

Эти флюсы обычно имеют повышенное содержание хлоридных солей, а также содержат фториды, чтобы способствовать смачиванию оксидных включений для более легкого удаления их из расплава.

Drossing fluxes

Эти флюсы способствовуют отделению слоя шлака из оксида алюминия (Al2O3), который образуется на поверхности расплава, от жидкого металла. В этом слое шлака содержится большое количество жидкого и твердого алюминия.

Еще не так давно стандартным составом такого флюса была смесь в равных долях по весу солей NaCl и KCl. Часто применяли также эквимолярный состав флюса – 56 % KCl и 44 % NaCl. Однако хотя этот флюс и является эффективным покровным флюсом, а также хорошо растворяет оксид алюминия, он мало эффективен для коалесценции алюминия. Для этого в состав флюса вводят небольшие количества фтористых солей. Наиболее популярной такой солью является криолит (Na₃AlF₆), а также фториды натрия и калия.

Шлакующие флюсы широко применяются в алюминиевой промышленности для снижения содержание металла в шлаке. Необработанный флюсами шлак может содержать от 60 до 85 % свободного металла [1, 2]. Если такому шлаку позволить гореть, то этот металл превратиться в необратимый Al2O3.

Когда шлак еще находится на поверхности расплава он может реагировать с экзотермическим шлакующим флюсом, в результате чего существенная часть металла может быть выделена из шлака, приэтом содержание металла в шлаке снизится до 30 %. Таким образом около 50 % металла возвращается прямо в расплав.

На рисунке 1 сравниваются два вида шлака: шлак без обработки флюсом с высоким содержанием металла (a) и шлак после обработки флюсом с низким содержанием металла (b).

Fig. 1 – Compraison of metal-rich (a) and powdery, low-metallic dross obtained by proper fluxing (b) [1]

Refining fluxes

Эти флюсы содержат соединения, которые распадаются при рабочей температуре и реагируют с некоторыми металлическим элементами в алюминиевом расплаве. Например, некоторые хлор-содержащие соединения могут реагировать в расплавленном алюминии, содержащем магний, кальций, литий, натрий и калий, с образованием нерастворимых хлоридов этих металлов. затем эти хлориды могут быть удалены из расплава.

Wall-cleaning fluxes

Эти флюсы содержат соединения, которые размягчают оксидные наросты, которые образуются на стенках печи. Эти флюсы часто подают на стенки печи применяют с помощью специальных напыляющих устройств (“пушек”).

Правильное применение флюсов

При применении флюсов важно выполнять следующие рекомендации [1]:

• Каждый флюс должен применяться при температуре, которая указана его производителем, чтобы обеспечивать его максимальную способность к химическим реакциям.
• Компоненты флюсов обычно являются до некоторой степени гигроскопичными и поэтому должны храниться в сухом месте. Их нельзя применять, если они оказались влажными, так как это может привести к взрывной химической реакции. Кроме того, влажный флюс будут вносить в алюминиевый расплав водород, который имеет высокую растворимость в жидком алюминии.
• Инструменты (лопаты, скребки, пикм, перфорированные черпаки), которые применяются при флюсовании, должны быть всегда чистыми и сухими. Перед применением их всегда надо подогревать до температуры выше 95 0С, чтобы избежать образования пузырей при их контакте с расплавом.
• Флюс должен применяться в полном соответствии с рекомендациями производителя.
• Покровные флюсы можно рассеивать над расплавом вручную или с помощью лопаты.
• Шлакующие флюсы обычно должны быть замешаны в слой шлака. Флюс должен быть тщательно перемешан с этит слоем шлака с помощью скребка. Это нужно делать так, чтобы не привнести слишком много нового жидкого металла в шлак.
• После применения флюса его надо острожно отделить от расплава до того, как начнется разливка или слив металла. Это нужно, чтобы предотвратить попадание флюсовых включений в литейный металл.
• После обработки металла флюсами всегда рекомендуется применять отстаивание металла. Это нужно, чтобы дать возможность осесть на дно тяжелым вклюсчениям или всплыть более легким солям флюса или оксидных включений, захваченых флюсом. Оптимальное время отстаивания может различаться от 5-10 минут для малого кокильного расплава до 1-2 часов для больших 50-тонных печей.

Источники:

1. Molten Aluminum Processing and Casting // Aluminum and Aluminium Alloys (ASM Speciality Handbook) – 1996
2. Aluminum Fluxes and Fluxing Practice // ASM Handbook Volume 15: Casting – 2008