Aluminiumgießerei

Entfernung von Eisen aus Aluminium

Eisen und Silizium in Aluminium

Eisen

Eisen ist das häufigste Element in Aluminiumlegierungen, Dies stammt aus Bauxit und Stahlwerkzeugen, die sowohl bei der Primär- als auch bei der Sekundärproduktion verwendet werden. Eisen hat eine hohe Löslichkeit in geschmolzenem Aluminium und löst sich daher in allen geschmolzenen Produktionsstufen leicht auf. Die Löslichkeit von Eisen im festen Zustand ist sehr gering (max. 0,05%) [1] (Abb. 1).

Silizium

Silizium, wie Eisen, ist die häufigste Verunreinigung in Aluminiumlegierungen. Silizium ist auch der Hauptlegierungszusatz beim Guss von Aluminiumlegierungen [2]. Deswegen, Eisen bildet in den Aluminiumlegierungen meist zweite Phasen, wie Al3Fe, ein-AlFeSi, und b-AlFeSi. Diese Fe-reichen Phasen haben einen erheblichen schädlichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Legierung. Die Komplexität der Chemie des Aluminium-Eisen-Silizium-Systems ist in Abb. dargestellt. 2.

Feige. 1 – Das Al-Fe-Phasendiagramm in der Al-reichen Region [2]

Feige. 2 – Al-Ecke des ternären Al-Fe-Si-Systemdiagramms [3]

Warum ist Eisen so schädlich?

Die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumgusslegierungen werden im Allgemeinen durch die Anwesenheit von Eisen beeinträchtigt. Fe-reiche intermetallische Phasen weisen wesentlich komplexere Morphologien auf, mit einem fragileren und spröderen Aussehen als das, was in der zweidimensionalen Betrachtung gezeigt wird.

Unter allen Fe-reichen Phasen, β-AlFeSi gilt als das schädlichste, und die meisten Anstrengungen wurden der Vermeidung der Bildung von β-AlFeSi gewidmet. β-AlFeSi weist eine unerwünschte Plättchenmorphologie auf, wie in Abb. 3, die spröde sind und allgemein angenommen werden, dass sie als Spannungserzeuger und Punkte schwacher Kohärenz wirken [3].

Abbildung 3 – Dreidimensionale Rekonstruktion der β-Phase:
(a) ursprüngliche zweidimensionale Phasen;
(b) dreidimensionale β-Phase [3]

Wie entferne ich Eisen aus Aluminium?

Derzeit gibt es keine wirksamen praktischen Methoden zur direkten Entfernung von Eisen aus Aluminiumlegierungen durch konventionelle Raffination [1].

Hier finden Sie einen Überblick über bestehende Techniken und Theorien zur direkten Eisenentfernung aus Aluminium oder zur Reduzierung seines Gehalts im Aluminium [1-3]:

  • Modifikation Fe-reiche Phasen
  • Thermische Wechselwirkungen
  • Technologien zur Eisenentfernung.

Modifikation von plättchenförmigen Eisenphasen

Zugabe anderer Metalle

Gewöhnliche Fe-reiche Phasen haben die folgenden Formen, was dazu neigt, das Metall zu verspröden:

  • Eine plättchenförmige Fe-reiche Phase ist hauptsächlich die spröde b-Al5FeSi-Phase (Al-Si-Gusslegierungen)
  • Ein langes, nadelförmiges Cu2FeAl7 Phase (Al-Cu-Legierungen).

Die Zugabe eines geeigneten Neutralisators wie Mn, Cr, Sei, oder einige Seltenerdelemente könnten sich lösen, um die schädliche Wirkung von Fe in Aluminiumlegierungen und PRP zu kontrollieren. Eine Modifizierung/Neutralisierung der Fe-reichen Phasen kann durch Modifizierung der Plättchenmorphologie und Förderung erreicht werden

  • Eine kompakte Morphologie wie die chinesische Schrift, polyedrische oder sternförmige Form.

Mangan

Mangan ist kostengünstig und leicht verfügbar. Obwohl Mn allein auch schädlich für die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumlegierungen ist, Es wird häufig zur Neutralisierung von Fe in Al-Si-Gusslegierungen verwendet.

Bei Zugabe von ausreichend Mangan wandeln sich die plättchenförmigen Fe-reichen Phasen um

vom spröden Plättchen bis zur kompakten Morphologie wie:

  • Chinesische Schrift
  • Kügelchen
  • polyedrisch.

Thermische Wechselwirkungen

Überhitzung von geschmolzenem Aluminium

Die Größe der intermetallischen Fe-Verbindungen nahm mit der Überhitzungstemperatur ab

bis zu 500°C über dem Schmelzpunkt erhöht. Diese chinesische Schrift ein-Anstelle von Plättchen bildeten sich Phasen b Phasen, in denen die Schmelzetemperatur war >800°C, Der anschließende Temperaturwechsel der Schmelze beeinflusste die Morphologie der chinesischen Schrift geringfügig.

Jedoch, Die hohe Überhitzungstemperatur in Aluminiumlegierungen wird aufgrund der zunehmenden Gasaufnahme nicht empfohlen, Oxidationsverluste und die Bildung von Oxideinschlüssen sowie höhere Energiekosten und Ofenverschleiß.

Kühlrate

Gemäß dem Al-Fe-Si-Phasendiagramm b-Die eisenreiche Phase ist bei der Gleichgewichtsabkühlungsrate eine stabile Phase. Beim Gießen erfolgt das Gießen mit einer sehr hohen Abkühlgeschwindigkeit und/oder die Schmelze wird auf eine hohe Temperatur überhitzt, Jedoch, Die eisenreiche Phase kristallisiert in metastabilen Formen zur a-Phase. Die Abkühlgeschwindigkeit steigt mit zunehmendem kritischen Fe-Gehalt bFe nimmt zu.

Wärmebehandlung

Fe-reiche Phasen können aufgelöst werden, Beim Lösungsglühen bei der Solidustemperatur wird es fragmentiert und globularisiert. Aufgrund der geringen Diffusionsfähigkeit von Fe im festen Aluminium ist eine hohe Behandlungstemperatur erforderlich.

Limitiert ist diese Methode durch die möglichen Schäden durch Anschmelzen.

Technologien zur Eisenentfernung

Ausfällung von Phasen mit hohem Fe-Gehalt

Eisen wird durch die Bildung primärer Fe-reicher intermetallischer Verbindungen entfernt, allgemein, primär ein-Phasen, „Schlamm“ genannt. Die Kristallisation des Schlamms bei einer geeigneten Haltetemperatur und einem anfänglichen Fe- und Mn-Gehalt hat sich als wirksame Methode zur Entfernung von Fe aus Al-Si-Legierungen erwiesen.

Diese Methode ist eine bewährte Technik für Al-Si-Gusslegierungen. Der Prozess besteht aus zwei Schritten: Bildung primärer Fe-reicher intermetallischer Partikel, Anschließend erfolgt die Entfernung der Partikel:

  • Die Legierung wird geschmolzen und einige Zeit bei einer hohen Temperatur (750–800 °C) gehalten, um eine gute Homogenisierung zu erreichen.
  • Dann, Für die Bildung und das Wachstum des Schlamms wird die Schmelze auf eine Haltetemperatur im Bereich von 600–650 °C abgekühlt.

Schwerkrafttrennung

Die Schwerkraftabscheidung ist eine Methode zur Schlammentfernung. Die Schmelze wird über einen relativ langen Zeitraum auf der Schlammbildungstemperatur gehalten. Eine längere Absetzzeit und eine niedrigere Haltetemperatur begünstigen eine höhere Effizienz der Eisenentfernung. Abbildung 4 zeigt eine Mikrostruktur einer Aluminiumlegierung nach Schwerkrafttrennung über einen längeren Zeitraum. Der Großteil des Schlamms setzte sich am Boden ab und somit wurde der obere Teil der Legierung gereinigt.

Feige. 4 – Mikrostruktur einer Aluminiumlegierung
nach der Ausfällung der Fe-reichen Phase und
anschließende Schwerkrafttrennung [2]

Filtration

Primär, Fe-reiche intermetallische Partikel können auch durch poröse Filter entfernt werden, ähnlich wie bei der Entfernung nichtmetallischer Einschlüsse durch Filtration. Abbildung 5 zeigt die schematischen Schritte des Filtrationsvorgangs. Nach kurzer Zeit (10–20 Min.) Halten auf Schlammbildungstemperatur, Die Schmelze wird durch einen vorgeheizten Filter dekantiert.

Feige. 5 – Schema des Filtrationsprozesses
(T1: Schmelztemperatur, T2: Haltetemperatur) [4]

Zentrifugale Trennung

Die Zentrifugaltrenntechnik wurde angewendet, um eisenreiche Phasen ohne Zugabe anderer Elemente direkt aus den teilweise erstarrten Aluminiumlegierungsschmelzen zu entfernen, wie Mn. Der verwendete Zentrifugaltrennapparat ist in Abb. schematisch dargestellt. 6. Die eisenreichen Phasen wanderten zur Randseite der Schmelze und der mittlere Teil wurde gereinigt, wie in Abb. 7.

Feige. 6 – Schematische Darstellung einer vertikalen Zentrifugaltrennvorrichtung [2]

Feige. 7 – Mikrostruktur des transversalen Querschnitts der zentrifugal getrennten Schmelze [2]

Elektromagnetische (EM) Trennung

Abbildung 8 zeigt das Prinzip der EM-Trennung. Wenn eine gleichmäßige EM-Kraft auf ein flüssiges Metall ausgeübt wird, Das Metall wird durch die EM-Kraft (Lorentzkraft) komprimiert und im Metall entsteht ein Druckgradient. Das Nicht- Ein im flüssigen Metall suspendiertes oder weniger leitfähiges Teilchen erhält nur die Druckkraft, da es nicht der EM-Körperkraft ausgesetzt ist. Infolge, Das Teilchen wird gezwungen, sich in die entgegengesetzte Richtung der EM-Kraft zu bewegen.

Feige. 8 – Prinzip der elektromagnetischen Trennung von Einschlüssen aus der Metallschmelze [2]

Elektrolyse

Das Verfahren der Dreischichtzellenelektrolyse ist die bisher erfolgreichste Technik zur Entfernung von Eisen und Silizium aus der Aluminiumschmelze. Abbildung 9 zeigt eine Skizze einer dreischichtigen Mahlzelle. Die unreine geschmolzene Aluminiumanode, Der Barium-Natrium-Aluminiumhalogenid-Elektrolyt und das reine geschmolzene Aluminium bilden in der Zelle drei Schichten. Lediglich Aluminium in der Anode kann sich während des Elektrolyseprozesses lösen und lagert sich an der Kathode ab. Weil die reine Aluminiumschmelze am leichtesten ist, es bleibt auf der obersten der drei Schichten. Daher, das gereinigte Aluminium wird erhalten.

Dieser Prozess ist teuer. Der Energieverbrauch für diesen Prozess ist relativ hoch, 13–14 kWh für 1 kg Metall.

Feige. 9 – Skizze eines dreischichtigen Elektrolyseprozesses [2]

Elektroschlackenveredelung

Der Elektroschlacke-Raffinierungsprozess (ESR) ist ein sekundärer Raffinationsprozess, bei dem die Schlacke oder das Flussmittel sowohl als Heizquelle als auch als Raffinationsmedium verwendet wird, wie in Abb. 10. Das Verfahren ist für Eisenmetalle bereits gut etabliert, wurde jedoch nicht für die Aluminiumraffination eingesetzt.

Feige. 10 – Skizze der Elektroschlacke-Raffinierungsanlage [3]

Direkte Zentrifugaltrennung

Bei der Methode der Zentrifugaltrennung, Die Schmelze wird auf eine Temperatur abgekühlt, bei der sich feste Phasen bilden, das ist, die Schmelze ist teilweise erstarrt. Die ersten erstarrten Phasen bestehen hauptsächlich aus Silizium, Eisen, oder Titan. Dann, Die Zentrifuge wird gestartet und die Kühlung fortgesetzt. Flüssigkeit wird aus dem festen Gerüst ausgestoßen und gesammelt. Die Temperatur ist ein wichtiger Faktor, der die Effizienz der Entfernung von Verunreinigungen steuert, da die Ausfällung fester Kristalle zum Erfolg der Extraktion beiträgt (Abb. 10).

Feige. 11 – Zentrifugalapparat:
(a) Komponenten des Zentrifugenbehälters mit abnehmbarer Wand;
(b) Die Zentrifugenschüssel zusammengebaut [3]

Quellen:

  1. Physikalische Metallurgie /Aluminium und Aluminiumlegierungen – ASM-Spezialhandbuch // Ed. J.R. Davis – 1993
  2. Löslichkeit von Eisen in Aluminium // N / A. Belov, A.A. Aksenow, Das nennt man Gießen mit direkter Kühlung (Abb.. Das nennt man Gießen mit direkter Kühlung (Abb. – 2002
  3. Eisen: Entfernung von Aluminium / Enzyklopädie von Aluminium und seinen Legierungen // Ed. G.E. Totten, M. Tiryakioglu, Ö. Keßler – 2019
  4. Entfernung von Eisen aus geschmolzenem recyceltem Aluminium durch Zwischenphasenfiltration – Materialtransaktionen, Vol. 47, Nein. 7 (2006)