Oxidation von flüssigem Aluminium

Geschmolzene Aluminiumlegierungen haben zwei inhärente Eigenschaften:

• Neigung zur Absorption von Wasserstoffgas und
• Fähigkeit, leicht zu oxidieren.

Reaktionen an der Oberfläche von Aluminiumschmelzen

Wasserstoff entsteht auf der Oberfläche von geschmolzenen Aluminiumlegierungen als Ergebnis der Reaktion von Aluminiumschmelze mit Wasserdampf., das bis zu einem gewissen Grad in der Atmosphäre eines Schmelzofens oder einer anderen Schmelzausrüstung vorhanden ist. Die Reaktion zwischen Wasserdampf und geschmolzenem Aluminium erzeugt mehr als nur Wasserstoffgas, aber auch ein Film aus amorphem Aluminiumoxid (Al₂Ö₃). Dieser Film wirkt als Schutzbarriere gegen Oxidation für das geschmolzene Metall., was darunter ist. Solche amorphen Filme nennt man „junge Filme“ [1].

Zwei Oxidationsreaktionen, die entstehen, wenn geschmolzenes Aluminium mit Luft in Kontakt kommt, gehen Sie wie folgt vor:

2Al + 3h₂O → Al₂Ö₃ + 3h₂

4Al + 3Ö₂ → 2Al₂Ö₃

und Wasserstoff – hohe Löslichkeit in flüssigem Aluminium und extrem geringe Löslichkeit in festem Aluminium, wiederum, zerfällt an der Oberfläche der Schmelze in seine atomare Form, und diffundiert dann durch den Film aus amorphem Aluminiumoxid und löst sich dann schnell in der Aluminiumschmelze auf. Aluminiumoxidfilme sind ein integraler Bestandteil des Schmelzprozesses; sie schützen das Metall unter dem Film vor weiterer Oxidation.

Oxidschichten und Schlacke

Bei realen Gießvorgängen erfährt die Oberfläche des Schmelzbades jedoch während verschiedener metallurgischer Vorgänge immer Bewegungen und Störungen., Alle Schweißnähte beim Schmelzschweißen haben Bereiche mit stark unterschiedlichen Mikrostrukturen

• Laden
• Abschöpfen
• Reinigung
• Entgasung
• Übertragen
• Schöpfen

Jeder dieser Vorgänge verursacht ein Reißen und eine erneute Oxidation dünner Aluminiumoxidfilme., was zu einer schnellen Verdickung dieser Filme führt. Die ständige Bewegung des Metalls und die Zerstörung von Aluminiumoxidfilmen führen zu deren Schleifen, Eindickung und Abfangen von nicht oxidiertem geschmolzenem Aluminium.Als Ergebnis der sog “nass” bekannt als.

Eine typische Darstellung dieses Phänomens ist gut zu beobachten, z.B, beim Befüllen von Gießpfannen, wie in Abb.. 1. Sobald das flüssige Metall aus dem Schmelzofen in die Austragspfanne abgelassen wird, dann wird nicht nur der Schmelzestrahl gestört, aber es gibt auch ein beträchtliches Spritzen und Sieden der Schmelze. All dies trägt zur Oxidation von Aluminium bei, infolgedessen dies sehr “nass” bekannt als. Typischerweise liegt der Aluminiumgehalt in Nassschlacken in der Größenordnung von 60–85 %. Die restlichen 40-15 % sind Aluminium. Die Menge an flüssigem Metall, die von der Schlacke eingefangen wird, hängt von den Verfahren zur Handhabung des geschmolzenen Metalls ab.

Feige. 1 – Metall wird aus einem Warmhalteofen in eine Transferpfanne gezapft, Aluminiumoxidfilme verursachen
zu bröckeln, verdicken, und nicht oxidiertes geschmolzenes Aluminium einkapseln, Erzeugung von nasser Krätze [1]

Neben dem Wachstum von Oxidfilmen und Schlacke auf der Oberfläche der Schmelze, durch allgemeine atmosphärische Bedingungen verursacht werden, in industriellen hütten gibt es eine reihe von faktoren, die wesentlich zur Intensität der Aluminiumoxidation beitragen können. Dazu gehören Turbulenzen, durch die Art der Brenner verursacht, Bildung von Atmosphären, die chemisch reaktiver sein können, und sogar Zugabe von Oxidationsmitteln oder Verunreinigungen zu der Schmelzzusammensetzung.

Komplexe Wechselwirkungen, die zwischen der Atmosphäre über der Schmelze auftreten, Das Einfangen von nützlicher Aluminiumlegierung durch zerkleinerte Oxidfilme und der daraus resultierende Auftrieb von Oxideinschlüssen in der Schmelze aufgrund von Wasserstoffadsorption an komplexen Einschlussoberflächen sind in Abb.. 2.

Mit der Beschickung gelangen zusätzliche Oberflächenoxide in den Ofen. Organische Verbindungen reagieren mit Aluminiumschmelze, Hinzufügen von Einschlüssen in Form von Carbiden und Nitriden. Diese suspendierten Einschlüsse und Oxide selbst haben eine höhere Dichte, als geschmolzenes Aluminium (Abb. 3).

Feige. 2 – Komplexe Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre über der Schmelze [2]

Feige. 3 – Zusatz von zusätzlichen Oberflächenoxiden, die sich auf den Metallmaterialien befinden, die in das geschmolzene Metall des Ofens gelangen [2].

Aluminium und Aluminiumoxid

Aluminium hat ein negatives Redoxpotential (-1,66 V), Aluminium und seine Oxide Aluminium hat ein negatives Redoxpotential (-1,66 V), Aluminium und seine Oxide Aluminium hat ein negatives Redoxpotential (-1,66 V), hat ein noch niedrigeres Potential (-2,38 V). deshalb, wie die meisten anderen Metalle, Aluminium kommt in der Natur nur als sehr stabiles Oxid vor. Chemisch bedeutet dies den stabilsten Zustand auf dem niedrigsten Energieniveau.. Während der Elektrolyse wird das Metall gezwungen, sich vom Sauerstoff zu trennen, indem es sein Energiepotential erhöht. Bei Kontakt mit Sauerstoff neigt Aluminium dazu, in Form von Aluminiumoxid auf ein niedrigeres Energieniveau zurückzukehren.. Aufgrund seiner hohen Affinität zu Sauerstoff erfolgt diese Reaktion augenblicklich..

Aluminiumoxidationsreaktion

Aluminiumoxidationsreaktion folgt der Reaktion

4Al + 3Ö₂ —› 2Al₂Ö₃

Eine positive Änderung der Enthalpie ΔH dieser Reaktion zeigt dies an, Was Aluminiumoxidation ist ein exothermer Prozess, das heißt, es geht mit der Freisetzung von Energie einher. Es ist logisch, da Aluminium in einen Zustand mit niedrigerem Energieniveau übergeht.

Die Dicke des Oxidfilms auf massivem Aluminium

Die Dicke des natürlichen Oxidfilms ist ziemlich dünn - von 1 zu 3 nm je nach Legierung und Oxidbildungstemperatur (bis zu 300 °C). Auf dem Bild 1 zeigt eine allmähliche Zunahme der Dicke des Oxidfilms auf reinem Aluminium während seiner Bildung bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 400-500 ° C. Dann kommt es zu einem Einbruch der Oxidationsgeschwindigkeit und zu einem starken Anstieg der Dicke des Oxidfilms 20 nm. Als Grund dafür wird der Übergang von der amorphen Struktur des Aluminiumoxids zu seiner kristallinen Struktur angesehen.. Deshalb wird beim Trocknen von zerkleinertem Aluminiumschrott und dem Brennen organischer Beschichtungen daraus nicht erhitzt 400 °, um eine Überoxidation zu vermeiden.

Abbildung 1 – Natürlicher Oxidfilm auf Aluminium [3]

Bild 2 – Die Dicke des Oxidfilms auf massivem Aluminium [4]

Im festen Zustand von Aluminium spielt Aluminiumoxid eine positive Rolle, da der Oxidfilm die Form γ-Al hat₂Ö₃ und wenige Nanometer dick. Es isoliert die Aluminiumoberfläche zuverlässig und stoppt die weitere Oxidation.. Bei konstanter Temperatur wächst die Dicke des Oxidfilms zunächst sehr schnell., aber dann verlangsamt sich die Wachstumsrate und reduziert sich auf fast Null.

sekundäre Aluminiumoxidation

Oxidation von Aluminiumspänen

Mit der Eigenschaft des Oxidfilmwachstums, was in der Abbildung gezeigt wird 1, ein interessantes Phänomen. Es entsteht bei der Lagerung von Aluminiumabfällen in Form von Spänen.. Diese Art von Aluminiumschrott fällt bei der Bearbeitung von Aluminium an und wird hauptsächlich in Form von Dreh- und Bohrspänen dem Umschmelzen zugeführt.. Dieser Span hat nach der Bearbeitung ein frisches Finish., saubere Oberfläche, die sofort zu oxidieren beginnt. Denn die Späne werden vor dem Umschmelzen in gepressten Säcken gelagert, dann, scheinbar, nur ihre äußere Schicht sollte oxidiert werden, und die inneren Schichten der Verpackung bleiben ohne Oxidation. Durch Ändern des Gewichts des Pakets wurde es jedoch gefunden, dass seine Oxidation als Ganzes lange anhält. oft sehr begrenzt und umfasst hauptsächlich nur kleine Standardprofile, dass die Verpackung Lücken und Hohlräume aufweist, durch die die Luft langsam, sondern dringt sicher in seine inneren Schichten ein. Die meisten einzelnen Chips sind sehr dünn, und Oxidschicht, wenn auch dezenter, trägt erheblich zum Gesamtgewicht des Pakets bei. Bei der Langzeitlagerung von Spänen entstehen daher Metallverluste einfach aus dem Nichts.. Daraus lässt sich nur ein Schluss ziehen: Die Späne müssen sofort nach Eintreffen umgeschmolzen werden..

Spezifische Oberfläche von Aluminiumschrott

Der Verlust von Aluminium aufgrund seiner Oxidation während des Umschmelzens einer Schrottladung in einem Ofen ist proportional zur spezifischen Fläche dieses Schrotts. Die spezifische Fläche wird durch das Verhältnis ausgedrückt

aber_ud = m/A,

wobei m die Gesamtmasse des Schrottloses ist, A ist die Gesamtoberfläche aller Schrottstücke, bilden diesen Download.

Die spezifische Oberfläche von Aluminiumabfällen ist ein kritischer Parameter. Sein Wert steigt mit abnehmender Schrottpartikelgröße. So, bei einem Würfel mit einer Seite 10 cm Oberfläche ist 600 sq. cm, und für äquivalente Masse 1000 Würfel mit einer Seite 1 cm - Zoll 10 mal mehr. Daher wird die Oxidationsrate dieser Würfel in sein 10 mal mehr, als ein großer Würfel.

Oxidfilm auf flüssigem Aluminium

Mit Ausnahme der Trocknungs- und Brennvorgänge organischer Beschichtungen findet die gesamte Oxidation von Aluminiumschrott in flüssigem Zustand statt.. Beim Schmelzen wird der schützende Oxidfilm zerstört, und die Aluminiumoxidation beginnt erneut, aber bei höheren temperaturen. Auf der ungestörten Oberfläche der Aluminiumschmelze bildet sich ein stabiler Oxidfilm, deren Dicke mit der Zeit langsam zunimmt.

Abhängigkeit der Oxidation von flüssigem Aluminium von der Temperatur

Mit einer Erhöhung der Schmelztemperatur nimmt die Geschwindigkeit der Aluminiumoxidation zu. Sie steigt eher langsam bis in den Temperaturbereich ab 760 zu 780 ° C, gefolgt von einem starken Anstieg der Oxidationsgeschwindigkeit, wie auf dem bild gezeigt 2. Das Erhitzen der Aluminiumschmelze über diese Temperaturen hinaus führt zu erhöhten Verlusten an Aluminium durch seine Oxidation..

Abbildung 3 – Abhängigkeit der Aluminiumoxidationsrate von der Temperatur [4]

Optimale Temperatur für Aluminiumschmelze

Unter Berücksichtigung des starken Anstiegs der Oxidation von Aluminium bei einer Schmelztemperatur oben 760-780 ° C, wenn keine besonderen Gründe für eine hohe Massetemperatur vorliegen (z, lange Übertragungsleitungen), flüssiges Aluminium wird nur auf die Temperatur erhitzt, was für sein Gießen optimal ist. In den meisten Fällen ist diese Temperatur 730 zu 750 ° C.

Quellen:

1. Aluminiumflussmittel und Flussmittelpraxis / R. Gallo, D. Neff //ASM-Handbuch, Volumen 15: Casting (2008)
2. Schlacke, Schmelzverlust, und Flussmittel von Leichtmetallschmelzen / D. Grotesk, D. Neff // ASM-Handbuch, Volumen 15: Casting (2008)
3. Korrosion und Korrosionsschutz – TALAT 1252
4. CH. Schmitz, Handbuch des Aluminiumrecyclings, 2006.