Алюминий-сырец и способы его рафинирования

Алюминий, полученный в электролизных ваннах, называют алюминием-сырцом. Такой алюминий ещё не пригоден для использования в промышленности, так как он по содержанию примесей не отвечает принятым стандартам качества. Примеси, содержащиеся в алюминии-сырце, можно разделить на три группы: металлические, неметаллические и примеси газов.

Металлические примеси в алюминии-сырце - это железо, кремний, ванадий, никель, титан, хром, медь, натрий, калий и др. Наиболее велико содержание в сырце кремния и железа. Наличие каждого из этих двух примесей вызывает существенное изменение свойств алюминия: повышает вязкость алюминия в жидком состоянии, увеличивает его электрическое сопротивление, твердость и предел прочности на разрыв, снижает пластичность и коррозионную стойкость.

Одно из важнейших свойств алюминия – электропроводность. Металлы по степени их влияния на электропроводность алюминия можно разделить на три группы:

I - медь, цинк, никель, бериллий не оказывают значительного влияния на электропроводность алюминия;

II - железо, кремний, магний весьма ощутимо снижают электропроводность алюминия;

III - ванадий, титан, марганец, хром резко снижают электропроводность алюминия даже при незначительном содержании; первый из них – ванадий оказывает наибольшее влияние, так как поступает в электролизёр с глинозёмом и углеродными материалами в довольно значительных количествах.

 Из неметаллических примесей в алюминии могут присутствовать оксид алюминия (глинозём), фтористые соли, углерод, карбид и нитрид алюминия. Даже тысячные доли процента этих примесей ухудшают механические и литейные свойства алюминия и снижают его коррозионную стойкость.

Из газов в алюминии присутствуют преимущественно водород (более 80%), а также диоксид углерода, сернистый газ, кислород и азот. Суммарное их содержание в алюминии-сырце составляет 0,10-0,50 см³ на 100 г алюминия. Газы, содержащиеся в алюминии, ухудшают его физико-механические свойства, вызывают образование пор, раковин, пузырьков, что отрицательно влияет на изделия проката и литья.

Очистка алюминия-сырца от взвешенных неметаллических включений и газов производится в промышленных условиях следующими методами: продувкой инертными газами, обработкой флюсами, выдержкой под разрежением, отстаиванием и фильтрацией. Рассмотрим некоторые из них.

Отстаивание - простейший способ рафинирования алюминия-сырца от твёрдых и газообразных примесей. Расплавленный алюминий отстаивается при сравнительно небольшой температуре (700-750°С). В процессе отстаивания легкие частицы примесей всплывают на поверхность металла, а тяжелые оседают на дно. Одновременно происходит удаление части растворенного в металле газа. Пузырьки газа адсорбируются преимущественно на частицах взвешенных в расплаве примесей (оксидов) и вместе с ними всплывают на поверхность. Оптимальное время отстаивания 30-45 мин; более длительное отстаивание или повышение температуры металла приводят к дополнительному его окислению.

Рафинирование инертными газами. В качестве инертных газов применяют азот, аргон или смесь газов. Газ продувают снизу через всю толщу расплава, при этом с пузырьками инертного газа удаляется растворенный в металле водород. Всплывающие пузырьки встречают на пути движения вверх взвешенные неметаллические включения и выносят их на поверхность. Наиболее доступный газ – азот, он инертен по отношению к алюминию при температуре в пределах 700ºС и весьма широко применяется в промышленности. Время азотирования 3-5 мин, расход азота порядка 700-750 л на 1 т металла. Широкое распространение находит также аргон.

Рафинирование флюсами. Этот метод основан на извлечении неметаллических примесей из расплава путем их взаимодействия с расплавленными солями. Механизм такого взаимодействия различен в зависимости от применяемого флюса. Взвешенные неметаллические включения могут растворяться расплавленными солями, могут химически взаимодействовать с ними или сорбироваться, т.е. оседать на поверхности корольков расплавленной соли. Эффективность очистки достигается лишь в том случае, если флюсы смачивают неметаллические включения лучше, чем металл. В результате смачивания размер включений увеличивается и они всплывают с большей скоростью, чем до обработки флюсом.

Кроме того, для очистки расплава от неметаллических включений используются различные типы фильтров: фильтры из стеклосетки (например, из бесщелочного алюмоборосиликатного стекла), из пенокерамики, насыпные и керамические трубчатые. Фильтры из стеклоткани, закреплённые на каркасе, устанавливают на участке перелива расплава – в распределительной воронке, в лунке слитка и т.д. Алюминиевые расплавы не проходят через стеклоткань с размерами ячейки менее 0,5×0,5 мм, что определяет минимальный размер ячейки. Поэтому с помощью фильтров из стеклоткани можно отделить только грубые включения, размер которых больше размера ячейки сетки.     

Таблица 10.1

Химический состав товарного алюминия, %

(примесей металлов, % не более)

* Fe – не менее 0,18%. **Для суммы Ti + V + Mn + Cr

Более тонкая очистка расплава достигается путём применения кусковых насыпных фильтров и проницаемых для расплавленного металла керамических фильтров. В первом из них фильтрацию проводят через слой дроблёного мелкокускового материала с узким интервалом крупности при условии, что он смачивается жидкими включениями. Установлено, что для обеспечения необходимой скорости прохождения жидкого металла через кусковой фильтр размер зерна не должен быть меньше 4-6мм.

Качество электролитического алюминия и его сплавов регламентируется целым рядом отечественных и международных стандартов. Приведём в качестве примера сведения из ГОСТ 11069-2001 на алюминий первичный и из ТУ 48-5-287-64 на алюминий электротехнический марки А7Э (таблица 10.1).

В табл. 10.1 приведены основные сорта алюминия, применяемые отечественной и зарубежной промышленностью, и ограничения их состава по металлическим примесям.