Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ВАКУУМНОЙ ОБРАБОТКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к металлургии цветных металлов и может быть использовано для рафинирования расплавов из алюминиевых сплавов.

Известен способ рафинирования алюминия и его сплавов (см. /1/ Авторское свидетельство СССР №1621529, опубликованное 27.09.1999), включающий обработку расплава хлоргазовой смесью при пропускании через него постоянного электрического тока плотностью 0,7-3,0 А/см², при этом катод располагают в объеме расплава, а анод - на корпусе камеры рафинирования.

Таким образом, к стандартной процедуре рафинирования расплава алюминия смесью активного газа (хлора) с инертным газом (аргон, азот) добавлена обработка расплава электрическим током. Электрический ток в виде потока электронов от катода к аноду переводит диссоциированные формы водорода (протонный газ и атомарный водород) в свободную молекулярную форму, а в таком виде водород дополнительно к смеси газов флотирует загрязнения и сам выходит на поверхность. Т.е. электрический ток увеличивает процент извлечения растворенного водорода из жидкого алюминия. Недостатки способа: использование высокотоксичного хлора, невысокий межфазный обмен между смесью газов и массой алюминия, вследствие чего часть жидких загрязнений не реагирует с хлором и не переводится в твердые загрязнения, а имеющиеся твердые загрязнения не встречаются с газовыми пузырьками и не выносятся (не флотируют) на поверхность.

Известен также способ рафинирования расплава алюминия (см. /2/ Авторское свидетельство СССР №1792990, опубликованное 07.02.1993) от легколетучих примесей за счет полного удаления окисной пленки с поверхности расплава, при этом расплав нагревают до 700-750°С и выдерживают в вакууме при этой температуре в течение 3-4 ч в тигле, вращающемся со скоростью 20-30 об/мин.

Таким образом, для облегчения выхода растворенного водорода из жидкого алюминия предложено удалять твердую окисную пленку с поверхности расплава, использовать вакуумную систему вытяжки, максимально снизить вязкость расплава путем его перегрева, долго выдерживать расплав в тигле и вращать его для интенсификации межфазного обмена. Однако было бы лучше не допускать образования окисной пленки на поверхности расплава, а расплав нагревать лишь до оптимальной для следующей стадии (литья) температуры. Столь долгое выдерживание расплава под вакуумом при поддержании указанной температуры и вращении тигля является не технологичным, удорожающим процесс мероприятием. Кроме того, вращение тигля с такой скоростью недостаточно для интенсивного массообмена, т.к., скорее всего, в тигле расплав не образует воронку и при постоянной скорости вращения слои расплава не будут перемешиваться.

Наиболее близким из известных по технической сущности является способ вакуумной обработки алюминиевых сплавов (см. /3/ Патент РФ №2361938, опубликованный 06.11.2007) путем заливки нагретого расплава в раздаточную печь, создание в печи вакуума, выдержки расплава в вакууме в течение 45-90 ллинут в интервале температур выше точки ликвидуса на 15-30°С при остаточном давлении 1,33×10²-18,62×10² Па. Такой, достаточно высокий, вакуум (1-14 мм рт. ст.), безусловно, обеспечивает получение однородной мелкозернистой структуры и снижение содержания водорода в отливаемых слитках, а также уменьшение количества дефектов в изготовленных деформированных полуфабрикатах. Недостатком является то, что после заливки расплава из металлургической печи в раздаточную печь расплав необходимо охладить равномерно и последовательно снизу-вверх до температуры выше точки ликвидуса на 15-30°С, а после окончания вакуумной обработки снова нагреть до температуры литья, что малотехнологично. Кроме того, такое охлаждение требует особой точности, при этом легко ошибиться и очень трудно обеспечить равные условия во всей толще металла. Выбор такой температуры авторы объясняют тем, что металл, находясь в состоянии на границе процессов "кристаллизация-расплав", обладает минимальной поглощающей водород способностью, а с ростом температуры поглотительная способность резко возрастает. Не разрешив эту противоречивую ситуацию, авторы выбрали одну из границ процесса - нижнюю температурную - и ухудшили процесс рафинирования в целом. Ведь извлечение водорода из полужидкого металла затруднено, поэтому и требуется столь продолжительная выдержка под вакуумом.

Целью настоящего изобретения является проведение процесса рафинирования при температуре, оптимальной для литья, т.е. на жидком металле с низкой вязкостью, быстро (за время прохождения расплава от металлургической печи до литьевой машины) и с максимальной эффективностью извлечения загрязнений.

Для достижения указанной цели было создано устройство для рафинирования алюминия и его сплавов, содержащее плоский корпус, выполненный в виде лотка с трапецеидальными каналами на дне, на стенках которых размещены электроды, подключенные к положительному полюсу источника постоянного напряжения, также на дне корпуса выполнены входной и выходной каналы, оборудованные магнитогидродинамическими насосами для подачи и отвода жидкого металла, причем на входном канале перед входом в корпус после магнитогидродинамического насоса установлен магнитогидродинамический вращатель, при этом корпус оснащен герметичной подвижной крышкой, в которой напротив входного канала корпуса установлен бункер-дозатор флюса, а над каждым трапецеидальным каналом установлен, с возможностью контакта с жидким металлом, находящимся в трапецеидальном канале, электрод, подключенный к отрицательному полюсу источника постоянного напряжения, а под каналами в зоне расположения электрода расположен магнитогидродинамический вибратор, при этом на крышке установлена вакуум-система для создания пониженного давления внутри корпуса.

Предложенное решение поясняется следующими изображениями: фиг.1 - общий вид устройства для вакуумного рафинирования; на фиг.2 показан поперечный разрез устройства; на фиг.3 показана пилообразная форма импульса с крутым передним фронтом и пологим задним.

Устройство для вакуумного рафинирования (фиг.1) состоит из футерованного плоского корпуса 1, выполненного в форме лотка, имеющего продольные каналы трапецеидальной формы. Сверху лоток закрывается герметичной подвижной крышкой 2. Подача и отвод жидкого металла осуществляется снизу магнитогидродинамическими насосами 4 и 5. Насос 4 поднимает расплав из металлургической печи на обработку. Насос 5 подает металл на литьевую машину.

На входном канале перед лотком установлен магнитогидродинамический вращатель 3. В крышке 2 напротив входного отверстия в лоток установлен бункер-дозатор флюса 6. Так же в крышке 2 установлен ряд электродов (катодов) 7, подключаемых к отрицательному полюсу источника постоянного напряжения. Конец каждого из электродов 7 находится внутри соответствующего трапецеидального канала и контактирует с жидким металлом.

На внутренних стенках каналов лотка выполнены электроды 8 (аноды), подключаемые к положительному полюсу источника постоянного напряжения. В зоне обработки металла постоянным током, под лотком устанавливается электромагнитный вибратор 9. Лоток вакуумируется с помощью вакуум-системы 10, установленной в крышке 2.

Устройство работает следующим образом. Жидкий металл с помощью магнитогидродинамического насоса 4 через входной канал подается в корпус 1 аппарата, имеющего форму лотка. Перед попаданием в лоток металл раскручивается магнитогидродинамическим вращателем 3 с образованием воронки, в которую из бункера-дозатора 6 добавляется рафинирующий флюс, который переводит Na и К в твердое состояние. Далее металл попадает в зону обработки постоянным электрическим током. При этом в пространстве возле катода 7 происходит переход водорода из протонного и атомарного в молекулярное состояние с образованием пузырьков газа, которые флотируют (захватывают) твердые включения.

Для перемещения (выноса) загрязнений на поверхность металла в нем возбуждаются низкочастотные несимметричные вибрации с помощью электромагнитного вибратора 9. При этом импульс должен иметь пилообразную форму с крутым передним фронтом и пологим задним. Это позволит создать направленную вверх силу, действующую на частицы загрязнений. Этому также будет способствовать и трапецеидальная форма продольных каналов.

Загрязнения, собранные на поверхности металла в форме корки шлака, убираются оттуда механическим способом после процесса обработки.

Внутри лотка корпуса 1 с помощью вакуум-системы 10 создается разрежение, которое способствует эффективной дегазации металла с большой площади свободной поверхности. После обработки очищенный металл с помощью электромагнитного насоса 5 отводится из корпуса 1.