Плавление алюминия: образование шлака

Откуда берется шлак?

Производство алюминиевых слитков, столбов для прессования, чушек или готовых изделий, включает операции, которые являются причинами образования шлака. К таким операциям относятся загрузка лома и отходов алюминия, а также различные виды обработки расплава, например, его внутрицеховое перемещение, а также перемешивание, флюсование и легирование расплава.

Алюминиевый шлак представляет собой смесь металлического алюминия и оксидов алюминия. Повышенное количество шлака является проблемой, так как приводит к повышенной потере алюминия, требует его переработки и утилизации. Поэтому снижение алюминиевого шлака является одной из важных задач любого литейного цеха.

Плавление и литье алюминия

Основные технологические этапы алюминиевого литейного цеха показаны схематически на рисунке 1. Некоторые технологические операции прямо связаны с образованием шлака. Любая технологическая операция, которая вызывает турбулентность течения металла, всплески металла или захват расплавом воздуха дает вклад в образование шлака.

texnologiya-plavleniya-alyuminiya+Рисунок 1 – Технологические этапы в алюминиевом литейном цехе

Лом алюминия

При переплавке лома и отходов алюминия происходит повышенное окисление металла. Степень окисления зависит от доли лома в загрузке печи, его типа и загрязненности, а также способа ведения плавки. Известно старое правило алюминиевой промышленности: каждый один процент загрязнений, загруженных в печь, дает один процент потери металла на выходе из печи. Важно понимать, что степень загрязнения лома (водой, маслом, краской, пластиком, грязью и т. п.) замедляет процесс плавления алюминия и снижает выход годного металла.

Загрузка плавильной печи

Всегда полезно иметь возможность погружать легкий алюминиевый лом прямо в расплав. Легкий алюминиевый лом никогда не нужно подвергать прямому нагреву факелом горелки.

При загрузке «сухой» печи легкий лом загружают первым, а затем – более массивный лом. Прямого попадания пламени на шихту необходимо всегда избегать. При прямом попадании пламени на шихту происходит расплавление ее поверхности и вырывание капель алюминия в воздух, что приводит к их немедленному окислению. Это приводит также к попаданию жидкого металла на стены и двери печи.

Современные загрузочные машины загружают шихту в печь быстро и с равномерным распределением ее по дну ванны расплава. Это дает сокращение цикла плавления и снижение угара алюминия.

Перемещение жидкого алюминия

Перемещение жидкого алюминия – внутри цеха или между цехами – другая операция, которая связана с повышенным образованием шлака. Это происходит потому, что при перемещении расплава значительно возрастает турбулентность его движения с захватом воздуха внутрь расплава, что прямо связано с повышенным образованием шлака.

Снятие шлака

Практика выполнения операции снятия шлака с поверхности расплава может влиять на количество образующегося шлака. Здесь может много нюансов. Как добиваются снятия с расплава только оксидов алюминия, а не самого алюминия? Как конструкция инструментов для снятия шлака помогает отделять оксиды от металла? Как часто снимают шлак?

Необходимо определить оптимальный баланс между частотой снятия шлака и трудоемкостью операции чистки стен и пода печи от шлака. Слишком частое снятие шлака приводит к повышенной потере металла, тогда как редкое снятие шлака приведет к увеличению наростов шлака на стенках плавильной печи, которые потом будет трудно удалять при ее чистке.

Температура расплава алюминия

Температура металла является самым важным контролируемым фактором для определения уровня образования шлака в печи. Если температура металла превышает 780 ºС, скорость образования шлака резко возрастает, как это показано на рисунке 2.

obrazovanie-alyuminievogo-shlakaРисунок 2 – Зависимость скорости образования шлака
от температуры расплава алюминия

Перемешивание расплава алюминия

Правильное перемешивание расплава может давать снижение образования шлака до 25 %. Если расплав в плавильной печи перемешивается недостаточно, то в нем возникает чрезмерный градиент температуры от дна к поверхности расплава. Величина этого градиента зависит от мощности подаваемой к расплаву тепловой энергии. Повышенная температура поверхности расплава может давать значительный вклад в образование шлака.

Газовые горелки

Те же проблемы могут возникать при неправильном типе газовых горелки или ее неправильном направлении ее оси по отношению к зеркалу расплава.

Вообще, любые горелки способствуют образование шлака. Это происходит по двум причинам:

  • от прямого попадания пламени на шихту или расплав и
  • от создания горячих пятен на зеркале расплава прямо ниже факела пламени. В обоих случаях происходит повышенное окисление алюминия.

Металлический алюминий из шлака

Сокращение количества шлака при плавлении алюминия является первоочередной задачей литейщиков. Максимальное извлечение металлического алюминия из шлака, который уже снят с расплава и находится вне печи – другая важная задача. Специальные дренажные устройства для отделения алюминия от шлака являются эффективными только в комбинации с технологией охлаждения шлака.

Охлаждение алюминиевого шлака

Старый метод охлаждения шлака – его охлаждение прямо на полу цеха. Современные методы охлаждения шлака включает применение инертных газов и специальных прессов.

Реактивность алюминиевого шлака

Эффективность применения охлаждения шлака зависит от степени реактивности шлака. Например, шлаки алюминиевых сплавов с высоким содержанием магния отличаются повышенной реактивностью. Другим фактором является количество и химический состав флюсов, которые содержатся в шлаке. Без применения охлаждения повышенная реактивность шлака и его горение приводит к быстрой потере металла – он переходит в оксиды.

Флюсовать или не флюсовать?

Существуют разногласия о том, надо ли флюсовать расплав в отражательной печи. Обычные плавильные и раздаточные печи — отражательные. Флюс обычно применяют для отделения оксидов и грязи от свободного металла. Раньше широко применяли экзотермические флюсы. С их помощью «подогревали» шлак, что, как считали, давало возможность алюминию стекать из шлака в расплав. В настоящее время всеми признано, что происходит как раз обратное: такой шлак всасывает алюминий из расплава. Поэтому сейчас в промышленности применяют в основном эндотермические флюсы, хотя и экзотермические флюсы тоже имеют применение, особенно в странах Азии.

Источник: Aluminum Extrusion Technology Seminar, 2004.

Запись опубликована в рубрике Обработка расплава. Добавьте в закладки постоянную ссылку.