Особенности пылегазообразования при рафинировании алюминиевых сплавов хлорсодержащими соединениями Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

M//XïT:f: Г. [ГШÎJJÏfn^

I 4 (53). 2009-

ИТЕИНОЕЕ ПРОИЗВОДСТВО

The peculiarities of powder-gas formation at refining of aluminium alloys with chlorine-containing combinations are considered.

С. П. ЗАДРУЦКИЙ, Г. А. РУМЯНЦЕВА, Б. М. НЕМЕНЕНОК, А. П. БЕЖОК, БИТУ

УДК 621.745.56

ОСОБЕННОСТИ ПЫЛЕГА300БРА30ВАНИЯ

ПРИ РАФИНИРОВАНИИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

ХЛОРСОДЕРЖАЩИМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

Рафинирование силуминов является важной технологической операцией при получении качественных отливок и направлено на повышение их механических свойств, снижение пористости и загрязненности неметаллическими включениями.

В практике цветнолитейного производства наиболее широкое применение для этих целей получила обработка расплава хлорсодержащими соединениями 2пС12, МпС12, А1С13, С2С16 и др. [1-5]. Технология рафинирования хлоридами состоит во введении их в расплав при помощи колокольчика при непрерывном помешивании до прекращения выделения газообразных продуктов реакции. После этого расплав выдерживают в спокойном состоянии 10-30 мин и используют для заливки в формы.

С целью определения кинетики и объемов пы-легазовых выбросов, образующихся в процессе рафинирования алюминия хлорсодержащими препаратами, замеряли запыленность и содержание хлоридов, выделяющихся при обработке расплавов 2пС12, А1С13 и С2С16 в различных плавильных агрегатах. Замеры запыленности и анализ отходящих газов проводили в объеме рабочего пространства печи по методике, изложенной в [6].

Аппроксимацию экспериментальных данных по запыленности (д) и содержанию хлоридов (Ух) в рабочем пространстве плавильных печей выполняли с использованием метода наименьших квадратов [7]. Искомые уравнения математических моделей представляют собой расчетные значения функций д и Ух, определенных при помощи уравнения выбранной параболической зависимости по фактическим значениям времени т, прошедшему после ввода рафинирующего препарата в расплав. Применительно к обработке сплава 0,05% ХпС\2 в электрической отражательной печи

САН-2,5 математическая модель запыленности имеет вид

д = -0,698т2 + 12,270т - 4,873

и хорошо коррелирует с экспериментальными данными (рис. 1).

Содержание хлоридов в зависимости от времени с момента ввода 7пС12 описывается параболической зависимостью

Ух = -0,244т 2 + 9,312т + 22,980

и хорошо согласуется с расчетными данными (рис. 2).

Рафинирование расплава хлористым алюминием в количестве 0,05% от массы расплава проводили в электрической отражательной печи САК-2. По результатам выполненных замеров рассчитывали изменение запыленности, содержа-

70 60 2 50 л 40

В

§ 30

а

00 10

0 5 10 15 20

Время после ввода 2пС12 в расплав, мин

Рис. 1. Экспериментальная и расчетная зависимость запыленности в электрической отражательной печи САН-2,5 от времени после ввода 2пС12 в расплав

_ эксперимент

—+• -< / _ рас1 »- \ тет

Л

/ \

/ \ h

J- < в

лгтт^ V. [ГШМТРГГ.К

-4 (53). 2009

/61

160 а 140

3 120

и4

0

3 юо

80 '8

1 60 к

& 40

4 о

О 20

о, о

_ ф_ эксперимент рягчят

^ / »

/ ч.

/ ч

ш ч

/ • \

5 10 15 20 25 30 35

Время после ввода 2пС\2 в расплав, мин

40

Рис. 2. Экспериментальная и расчетная зависимость содержания хлоридов в электрической печи САН-2,5 от времени после

ввода ХпС\2 в расплав

ния хлоридов в процессе плавки и проводили аппроксимацию полученных данных. Анализируемые характеристики описываются параболическими зависимостями

# =-0,0017т2 + 0,140т-2,020

Ух = -0,0065т2 + 0,4908т -0,0634,

которые хорошо коррелируют с расчетными данными (рис. 3, 4).

Рафинирование расплава гексахлорэтаном (С2С16) в количестве 0,05% от массы расплава проводили в индукционной тигельной печи ИАТ-2,5. По результатам выполненных замеров в рабочем

2

л

й о я

я §

И св 00

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

_Ф_ эксперимент __ расчет

/ Ч.

1 г/ • \

л / • V

/

г • V #■ 1

10 20 30 40 50 60 Время после ввода АЮз в расплав, мин

70

Рис. 3. Экспериментальная и расчетная зависимость запыленности в электрической печи САК-2 от времени после ввода А1С13 в расплав

пространстве печи над зеркалом металла рассчитывали изменение запыленности и содержания хлоридов в процессе рафинирующей обработки. Аппроксимация расчетных данных показала, что анализируемые характеристики описываются параболическими зависимостями

д = -0,2071т2 +5,7643т-35,9286

Ух = -0,9883т2 + 18,3933т-1,8656 ,

которые хорошо коррелируют с расчетными данными (рис. 5, 6).

Анализ полученных зависимостей показывает, что продолжительность и объемы выбросов пыли существенно зависят от типа плавильного агрегата и рафинирующего реагента. Так, при вводе в расплав 2пС12 процесс пылевыделения продолжается около 15 мин и максимальная запыленность достигает 60 г/м3. Наибольшая продолжительность выделения пыли (около 40 минут) отмечается при обработке расплава хлористым алюминием, но уровень запыленности при этом не превышает 0,9 г/м3. В случае рафинирования расплава С2С16 продолжительность пылевыделения составляет около 8 мин при ее максимуме 4,5 г/м3. Совсем иная зависимость наблюдается по содержанию хлоридов в анализируемых плавильных агрегатах. При вводе в расплав гпС12 продолжительность выделения хлоридов составляет около 25 мин при максимальной концентрации 120 мг/м3. Рафинирование хлористым алюминием сопровождается выделением хлоридов на протяжении 70 мин при максимальной концентрации их в отходящих газах на уровне 9 мг/м3.

62/

ШТТгСНГ Ги^Г.ГЛТГГГГ;

в (53), 2009"

12

Я Ю

г

§ 8

Й 6 О К И

Й л

М 4 л

(и Ч о

О 2

_Ф_ эксперимент ряг.чят

---- ч

А У >

/ // N ч

/ Г \

Л +

10 20 30 40 50 60 70

Время после ввода АЮз в расплав, мин

80

Рис. 4. Экспериментальная и расчетная зависимость содержания хлоридов в электрической отражательной печи САК-2 от

времени после ввода А1С13 в расплав

2 4

ё,

2 3

Ч

ев го

Рис. 5. Экспериментальная и расчетная зависимость запыленности в ИАТ-2,5 от времени после ввода С2С16 в расплав

_ф_ эксперимент __ расчет

/А V

/ V \

/

5 10 15 20

Время после ввода С2С1бВ расплав, мин

2 4 6 8 10 12 14 16 Время после ввода СгСЛб» расплав, мин

Рис. 6. Экспериментальная и расчетная зависимость содержания хлоридов в ИАТ-2,5 от времени после ввода С2С16 в расплав

Обработка расплава С2С16 приводит к выделению хлоридов в течение 15 мин с максимальной концентрацией около 8 мг/м3.

Такой характер пылегазовыделения при рафинировании перечисленными препаратами во многом определяется условиями их разложения при вводе в расплав.

Рафинирование хлоридами основано на реакции обменного разложения, которые в общем случае можно записать в следующем виде:

ЗМеС1ш + mAl -> шА1С13 + ЗМе .

Образующийся в результате реакции хлористый алюминий мгновенно превращается в пар, так как он кипит при температуре около 180 °С. Хлористый алюминий нейтрален по отношению к сплаву и пузырьки А1С13 действуют подобно пузырькам инертного газа [4].

Обработка расплава хлористым алюминием имеет свои особенности. В процессе рафинирования сплава другой солью одной из стадий является разложение соли с освобождением связей хлора, который в виде химически активных частиц (атомов, ионов) взаимодействует с алюминием, образуя вначале молекулы и мельчайшие пузырьки. Дальнейший рост пузырьков хлористого алюминия происходит за счет слияния их со свободными молекулами и другими пузырьками. Промывная способность растущих в сплаве пузырьков оказывается достаточно высокой. Иной процесс наблюдается при введении в жидкий сплав готового А1С13. Как только соль оказывается в расплаве с температурой 700-740 °С, начинается бурное парообразование хлористого алюминия. От стенок колокольчика отрываются только такие пузырьки А1С13, давление в которых выше суммарного - атмосферного, металлостатического и давления сил поверхностного натяжения. Давление в таких пузырьках быстро возрастает вследствие диффузии в них водорода.

Крупные пузырьки в сплаве не только быстро всплывают, но и поднимаются они преимущественно в одном и том же месте - недалеко от бо-

ГШ^'Г: г: ГСЩгГ|£7ГПТ1? /со

-4 (53), 2009/ Uli

ковой поверхности колокольчика. В результате этого промывается в основном та часть сплава, которая находится над колокольчиком. Диффузия водорода в пузырьки из отдаленных участков сплава замедляется и, учитывая их малые размеры, всплывание пузырьков А1С13 происходит достаточно долго, что и подтверждают результаты измерений. При вводе в расплав гексахлорэтана (С2С16) он интенсивно возгоняется около 185 °С, но реакция его взаимодействия с алюминием при температурах обработки 740-750 °С идет не до конца, а приблизительно на 30% [4], остальной же хлор остается в соединении с углеродом, образуя тетрахлорэтилен в соответствии с реакциями:

ЗС2С1б->ЗС2С14+ЗС12, 2А1 + ЗС12 —> 2А1С13,

ЗС2С16 + 2А1 ЗС2С14 + 2А1С13.

Образующийся по реакции тетрахлорэтилен (С2С14), будучи при комнатной температуре жидкостью с температурой кипения 121 °С, в условиях жидкого сплава мгновенно превращается в пар и действует одновременно с А1С13 как нейтральный газ [2, 4]. Вместе с тем, громоздкие молекулы С2С14 не способны диффундировать в массу сплава и, собираясь в крупные пузыри, они быстро всплывают на поверхность ванны, не производя того эффекта, который получился бы в случае взаимодействия всего хлора с алюминием. Это, по-видимому, и способствует быстрому протеканию процессов выделения пыли и хлоридов.

Поэтому при выборе хлорсодержащих соединений для рафинирования алюминиевых сплавов необходимо учитывать объемы пылегазовыделе-ний, образующихся в результате их разложения, а также глубину слоя расплава в плавильном агрегате. Для печей с малой глубиной ванны рафинирование лучше проводить флюсами, так как разлагающиеся хлориды быстро удаляются из расплава, вызывают его интенсивное бурление и не оказывают существенного рафинирующего эффекта.

Литература

1. Производство отливок из сплавов цветных металлов / А. В. Курдюмов, М. В. Пикунов, В. М. Чурсин, Е. Л. Бибиков. М.: МИСИС, 1996.

2. Плавка и литье алюминиевых сплавов / М. Б. Альтман, А. Д. Андреев, Г. А. Балахонцев и др. М.: Металлургия, 1983.

3. Флюсовая обработка и фильтрование алюминиевых расплавов / А. В. Курдюмов, С. В. Инкин, В. С. Чулков, Н. И. Гра-фас. М.: Металлургия, 1980.

4. Короткое В. Г. Рафинирование литейных алюминиевых сплавов. М.: Машгиз, 1963.

5. Цветное литье: Справ. / Н. М. Галдин, Д. Ф. Чернега, Д. Ф. Иванчук и др. М.: Машиностроение, 1989.

6. Исследование пылегазовых выбросов, образующихся при плавке и рафинировании алюминиевых сплавов в отражательных печах / С. П. Задруцкий, Б. М. Немененок, Г. А. Румянцева, А. П. Бежок // Литье и металлургия. 2009. № 1. С. 78-85.

7. М а н и т а А. Д. Теория вероятности и математическая статистика. М.: УНЦ ДО, 2001.