Bei ausreichend hoher Temperatur nimmt die Fließfähigkeit von Aluminium zu

Was ist Flussmittel?

Der Begriff

Unter dem Begriff „Fluxen“ wird die gesamte Verarbeitung von Aluminiumschmelze zusammengefasst., in denen chemische Verbindungen verwendet werden – Flussmittel[1]. Diese Verbindungen sind gewöhnlich anorganisch und können mehreren Funktionen dienen., sowie, Entgasung, Reduktion von Magnesium, Dekontamination und Legierung. „Fluxen“ umfasst auch die Behandlung der Schmelze mit inerten oder reaktiven Gasen zur Entfernung von Einschlüssen oder gasförmigen Metallverunreinigungen [1].

Die chemische Zusammensetzung von Flussmitteln

Flüsse im festen Zustand, in Pulverform, Flocken oder Granulat, bestehen in der Regel aus Chlorid- und Fluorsalzen mit zusätzlichen Zusätzen, um ihnen besondere Eigenschaften zu verleihen.

Die meisten Flussmittel basieren auf einer Mischung aus KCl- und NaCl-Salzen., die ein Niedertemperatur-Eutektikum (665 ºС) bilden. Ein weiterer häufiger Bestandteil von Flussmitteln ist Natriumfluorid NaF., welches mit KCl und NaCl ein ternäres Eutektikum mit einem Schmelzpunkt bildet 607 ºS. Ein typisches Beschichtungsflussmittel enthält ca 47,5 % Vor nicht allzu langer Zeit war die Standardzusammensetzung eines solchen Flussmittels eine Mischung aus NaCl- und KCl-Salzen zu gleichen Gewichtsteilen., 47,5 % KCl и 5 % Fluorsalz. Ein niedriger Schmelzpunkt ist wichtig, so erhöht es die Fließfähigkeit des Flussmittels.

Die Rolle von Fluoriden in Flussmitteln

Als Tenside wirken Alkalimetallfluoridsalze, Verringerung der Oberflächenspannung zwischen Flussmittel und Metall, einerseits, und Flussmittel und Oxide, mit einem anderen. Chloridsalze zeigen diese Eigenschaft in geringerem Maße [1].

Alkalimetallfluoridsalze haben die Fähigkeit, Oxide aufzulösen (wenn auch in sehr geringem Maße)., was ihr Eindringen in die Oxidschichten in der Schlacke und Ablagerungen an den Wänden des Schmelzofens erleichtert. Dies führt zu einer verbesserten Benetzbarkeit., was zur Abtrennung von Oxideinschlüssen aus der Schmelze und von metallischem Aluminium aus Schlacke beiträgt.

Exotherme Flüsse

Nitrat-Ergänzungen, wie KNO₃, führt zur Wärmefreisetzung. Diese Flüsse sind exotherm. Der durch die Zersetzung von Nitraten freigesetzte Sauerstoff reagiert mit metallischem Aluminium zu Al₂Ö₃ und viel Hitze. Es erhöht lokal die Fließfähigkeit, Förderung der Trennung von Metall von Oxiden. Für Flussmittel, die zum Reinigen von Backöfen verwendet werden, Diese Reaktion erhöht das Eindringen des Flussmittels in die Ablagerungen an der Ofenwand.

Flussmittel zum Entgasen

Einige Verbindungen zersetzen sich unter Freisetzung von Gasen, z.B, Chlor oder Kohlendioxid. Wenn solche Flussmittel unter die Oberfläche der Schmelze eingebracht werden, sie bilden Blasen, die den Wasserstoffgehalt in der Schmelze reduzieren. Die bekannteste dieser Verbindungen ist Hexachlorethan (C₂Cl₆), die Chlor Cl freisetzt₂ und die gasförmige Verbindung AlCl₃.

Wie Wasserstoff und Oxide in die Aluminiumschmelze gelangen

in festem Aluminium - nur der Gehalt an gelöstem Wasserstoff

Wasserstoff und Oxide sind häufige Verunreinigungen in Aluminiumschmelzen. Ihre Quelle ist Wasser aus der Atmosphäre. Die Reaktion zwischen Aluminiumschmelze und Wasser ist in der Abbildung dargestellt. 1. Dabei können Aluminiumoxide zu einem sehr harten Korund mit Kristallstruktur kristallisieren, was in der Abbildung gezeigt wird 2. Dies kann passieren, z.B, an der Wand des Schmelzofens.

Bild 1 – Die Reaktion der Bildung von Oxiden und Wasserstoff in der Aluminiumschmelze [2, 3]

Bild 2 – Kristallstruktur von Korund [2, 3]

Wie entstehen Wasserstoffblasen?

Wenn Aluminium aushärtet, die Löslichkeit von atomarem Wasserstoff darin nimmt stark ab (Abb 3). Dadurch verbinden sich Wasserstoffatome zu Molekülen und es entstehen Blasen im gehärteten Metall.. Auf dem Bild 4 zeigt schematisch den Prozess der Bildung von Oxiden und das Auftreten von Wasserstoffbläschen.

Bild 3 – Wasserstofflöslichkeit in Aluminium [2, 3]

Bild 4 – Bildung von Oxiden und atomarem Wasserstoff in Aluminiumschmelze. Entstehung von Wasserstoffblasen in erstarrtem Aluminium [3]

Atmosphärische Feuchtigkeit reagiert mit der Aluminiumschmelze, um einen Oxidfilm und atomaren Wasserstoff zwischen den Aluminiumatomen zu bilden. Oxide verbleiben nicht nur auf der Oberfläche, Einige von ihnen gelangen auch in die Schmelze und, wenn die Temperatur sinkt, In der Nähe dieser Oxide bilden sich Wasserstoffblasen.

Während des Gießvorgangs bildet sich auf der Aluminiumoberfläche ein Oxidfilm.. Ein Teil der Oxide gelangt in die Schmelze. Diese Oxide können in Form von Filmen mit einem sehr großen Verhältnis von Länge zu Breite zu Dicke vorliegen.. Einige dieser Folien können Aluminiumtröpfchen enthalten [2, 3].

Wasserstofffreisetzung mit Blasenbildung, tritt an inneren Defekten der Schmelze und des Kristallgitters von Aluminium auf. In diesem Fall fungieren die Oxide als Kerne dieser Blasen (Abb. 5).

Bild 5 – Bildung einer Wasserstoffblase in der Nähe des Oxidfilms [2, 3]

Wie Fluoride die Schmelze von Oxiden reinigen

Oxide können aus der Aluminiumschmelze entfernt werden, indem sie mit Flussmitteln behandelt wird.. Flussmittel auf Fluoridbasis sind in der Lage, Oxide zu binden. Die Grenzflächenspannung zwischen Oxid und Metall ist viel höher, als die Grenzflächenspannung, die zwischen Oxid und Fluorid auftritt. Die Fluoride und Oxide bilden dann Mischphasen, denn Fluoride „haften“ aufgrund ihres niedrigeren Energiezustandes an Oxiden und beschichten diese, und Aluminium wird aus diesen Mischphasen abgetrennt [2, 3].

Auf dem Bild 6 zeigt schematisch den Prozess der Reinigung von Aluminiumschmelze mit Flussmitteln. Fluss, Fluoride enthalten, wird in die Schmelze eingebracht und darin gut vermischt. Das Flussmittel umhüllt die Oxide und dann bilden die Fluoride Mischphasen mit den Oxiden. Dies führt zum Zerfall von Oxiden in einzelne Stücke.. Diese Bruchstücke von Oxiden mit Mischphasen haben die Fähigkeit zu schwimmen, ihre Dichte ist also viel geringer, als die Dichte der Aluminiumschmelze. Dadurch entsteht eine Schlacke mit geringem Metallgehalt.. Hinweis, dass die Dichte reiner Oxide fast gleich der Dichte der Schmelze ist und sie daher praktisch keine Möglichkeit zum Aufschwimmen haben [3].

Bild 6 – Das Prinzip der Reinigung der Aluminiumschmelze von Oxiden
während der Flussmittelverarbeitung, fluoridhaltig [3]

Kombination von Fluxen mit Rotationsblasen

Der Prozess der Reinigung von Aluminiumschmelze mit Flussmitteln kann mit einer Rotationsgasspülung kombiniert werden. Diese Behandlung garantiert eine optimale Entgasung., Entfernung von Oxiden und Gewinnung von Schlacke mit niedrigem Aluminiumgehalt (Abb 7).

Ohne Flussmittel ist diese Rotationsbehandlung nicht so effektiv beim Entfernen von Oxiden und, Außerdem, führt zur Bildung von Schlacke mit hohem Aluminiumgehalt (Abb 8 und 9).

Bild 7 – Behandlung von Aluminiumschmelze mit Flussmittel, Fluoride enthalten,
zusammen mit Rotationsblasen (Entgasung) [3]

Bild 8 – Aluminiumschmelze ohne Fluxen und Rotationsentgasung [3]

Bild 9 – Rotationsblasen von Aluminiumschmelze ohne Flussmittelzufuhr [3]

Aluminiumgehalt in Schlacke

Schlacke, die bei der Verarbeitung ohne Verwendung von Flussmitteln auf der Schmelze entsteht, hat einen hohen Aluminiumgehalt, normalerweise ab 80 zu 95 %. Schlacke, die nach Verarbeitung der Schmelze mit Flussmitteln erhalten wird, ist weniger dicht und hat einen Aluminiumgehalt von 15 zu 35 % (Bild 11) [2, 3].

aber

B
Bild 10 – Aluminiumschlacke [2, 3]:
a - mit einem hohen Aluminiumgehalt;
b - niedriger Aluminiumgehalt

Reinigung der Wände des Schmelzofens von Oxiden

Ofen ohne Flussmittelbehandlung

Auf dem Bild 11 zeigt, wie Oxide die ausgekleideten Wände eines Schmelzofens beschädigen können, wenn die Schmelze nicht mit Flussmitteln behandelt wird. IM Ofenauskleidung Mikrorisse sind immer vorhanden. Oxide aus der Schmelze haften an der Wand des Schmelzofens, und einige von ihnen dringen in Mikrorisse ein. Je nach Zeit und Temperatur kann es zur Kristallisation von Oxiden zu Korund kommen., die in der Lage ist, Risse in der Ofenauskleidung zu erweitern (Abbildung 12). Wenn dieser Korund zu viel wird, es beginnt auch in die Schmelze zu fallen [3].

Bild 11 – Bildung von Oxidablagerungen an der Wand des Schmelzofens
(ohne Kristallisation von Oxiden zu Korund) [3]

Bild 12 – Oxidbildung an der Wand eines Schmelzofens mit Oxidkristallisation zu Korund [3]

Flussofen für die Schmelzbehandlung

Wenn die Flussmittelverarbeitung auf die Aluminiumschmelze in einem Ofen angewendet wird, dann ist die Situation mit Oxidanhaftungen auf den Schornsteinen des Ofens völlig anders.

Oxide in der Schmelze werden mit Flussmittel beschichtet, wie auf dem bild gezeigt 13. Daher besteht zwischen ihnen und der Auskleidung der Ofenwand nur eine geringe Verbindung.. Außerdem, was sehr wichtig ist, in diesem Fall findet keine Kristallisation von Oxiden zu Korund statt. Das instabile Anhaften von Oxiden an der Ofenwand wird leicht entfernt, indem die Schlacke von der Schmelzenoberfläche entfernt wird..

Bild 13 – Flussmittel in der Aluminiumschmelze verhindern das Wachstum von Oxiden an der Ofenwand und deren Kristallisation zu Korund [3]

Reinigen des Ofens mit Korundbewuchs an den Wänden

Um die Wände des Schmelzofens mit Korundwachstum zu reinigen, werden spezielle Flussmittel verwendet (Abbildung 14).

Bild 14 – Die Wirkung von Flussmitteln beim Reinigen der Ofenwand von Korund [3]

Die Reinigung der Ofenwände von Korund erfolgt wie folgt [2]. Vor der Reinigung sollte der Backofen fast leer sein und zwischendurch auf hohe Temperatur aufgeheizt werden 800 und 900 ºS. Die Brenner im Backofen erlöschen. Flussmittel zum Reinigen des Ofens wird auf Bereiche mit Korundwachstum und in deren Nähe gesprüht (Abbildung 15). Der Ofen ist für geschlossen 30-40 Protokoll. Dann wird der Ofen geöffnet und die Wände mit einem herkömmlichen Werkzeug gereinigt.. In diesem Fall sollte Korund leicht von den Ofenwänden zu trennen sein..

Bild 15 – Der Vorgang des Auftragens von Flussmittel auf die Wände des Ofens [2, 3]

Exotherme und Fluorid-Flussmittel

Es gibt eine spezielle Gruppe exothermer Flussmittel auf der Basis von Nitraten. Zwischen Aluminium und Nitraten tritt eine exotherme Reaktion mit lokaler Temperaturerhöhung auf 2000 ºS. Unter dem Einfluss dieser hohen Temperatur wird die Viskosität von Aluminium sehr niedrig., und kann daher leicht aus der Schlacke herausfließen. Der Nachteil hier ist, dass durch die zusätzliche Bildung von Oxiden in der Schmelze ein niedriger Metallgehalt in der Schlacke erreicht wird [3].

Auf dem Bild 16 es wird ein Vergleich der Auswirkungen exothermer und fluoridhaltiger Flussmittel auf die Schlacke angestellt.

Bild 16 – Unterschiede in der Wirkung von exothermen Flussmitteln und Flussmitteln mit Fluoridsalzen [3]

Beide Flussmittelarten sorgen für einen geringen Aluminiumgehalt in der Schlacke, aber exotherme Flussmittel entfernen nicht nur keine Oxide aus der Schmelze, sondern auch neue bilden und somit zur Bildung von Korund an den Ofenwänden führen können.

Reinigung der Aluminiumschmelze von Fremdmetallen

Einige Metalle können aus Aluminiumschmelzen entfernt werden. Dies sind Alkalimetalle und Erdalkalimetalle., wie Lithium, Natrium, Magnesium, Kalzium oder Strontium [2, 3].

Metalle, das lässt sich nicht entfernen, sind Eisen, Phosphor, Antimon und Titan. Wenn ihr Anteil in der Legierung zu hoch ist, dann bleibt nur, die Schmelze mit reinem Aluminium ohne diese Elemente zu verdünnen [2, 3].

Die Entfernung von Metallen kann durch Anwendung von Chlorgas erfolgen, das hochgiftig und meist verboten ist. Flussmittel sind eine Alternative zu Chlor, auf Basis oder auf Chloriden, oder auf Fluoride. Erste Gruppe, das auf Chloriden basiert, kann das gleiche Chlor freisetzen und einen starken unangenehmen Geruch verursachen. Flüsse, auf Fluoridbasis, verursachen keine starken Gerüche [3].

Quellen:

1. Die Eigenschaften und Verwendungen von Flussmitteln in der Verarbeitung von geschmolzenem Aluminium / TA. Utigard et al. – JOM, November, 1998

2. Mechanismen bei der Reinigung von Aluminiumschmelzen mit Flussmittelpräparaten – Vorstellung – SCHÄFER Metallurgie GmbH

3. Mechanismen bei der Reinigung von Aluminiumschmelzen mit Flussmittelpräparaten – Industrie- und Giessereimaschinen e.K.