Водород и включения в алюминии

Вторичные алюминиевые сплавы, которые изготавливают из алюминиевого лома, обычно дешевле, чем сплавы того же химического состава из первичного металла. Причина этого заключается в степени загрязненности вторичного металла, которая обычно выше, чем у первичного. Развитие технологий очистки алюминиевого расплава от примесей и загрязнений постепенно сокращает этот разрыв, что позволяет расширять сферу применения вторичного алюминия.

 Выбор технологии очистки алюминия

Выбор технологии очистки расплава вторичного алюминия зависит от нескольких факторов:

  • типа применяемого алюминиевого лома;
  • вида применяемого оборудования, в первую очередь плавильной печи;
  • вида выпускаемой продукции;
  • требований потребителей.

Поэтому не существует универсальной технологии очистки расплавленного алюминия. Более того, обычно для достижения заданного химического состава или уровня загрязнения сплава в плавильной печи смешивают вторичный и первичный алюминий. Это означает, что многое из технологии очистки вторичного металла применяется и при очистке первичного.

Основные примеси и загрязнения в жидком алюминии

Основными примесями и загрязнениями в расплавленном алюминии являются:

  • водород;
  • примесные щелочные металлы;
  • включения.

Их содержание в первичном и вторичном алюминии значительно отличается.

Содержание водорода в алюминии

Содержание водорода в расплавленном алюминии составляет:

  • в первичном алюминии: от 0,1 до 0,3 см3 на 100 г металла;
  • во вторичном алюминии – от 0,4 до 0,6 см3 на 100 г металла.

Содержание включений в алюминии

Содержание включений в расплавленном алюминии составляет:

  • в первичном алюминии: в основном карбиды Al4C3 – около 1 мм2/кг по шкале PoDFA;
  • во вторичном алюминии – Al2O3, MgO, MgAl2O4, Al4C3, TiB2 – от 0,5 до 5,0 мм2/кг по шкале PoDFA.

Шкала содержания включений PoDFA

Размерность единицы измерения содержания включений по шкале PoDFA – мм2/кг – выглядит необычно. Она возникает из применяемого метода измерений. До 1980-х годов включения считали под микроскопом при анализе микроструктуры или макроструктуры. Затем были изобретены несколько аналитических методов, но все они являются сложными и дорогими. Метод PoDFA (аппарат для фильтрации пористым диском) заключается в вакуумной фильтрации известного объема жидкого металла через пористый фильтр для сбора включений. Затем их пересчитывают и измеряют. Общая площадь включений на килограмм металла и является мерой содержания включений в металле.

Содержание щелочных металлов в алюминии

Содержание примесей щелочных металлов в расплавленном алюминии составляет:

  • в первичном алюминии: натрий – от 30 до 150 ppm, кальций – от 2 до 5 ppm, литий – до 20 ppm;
  • во вторичном алюминии: натрий – до 10 ppm , кальций – от 5 до 40 ppm, литий – до 1 ppm.

Источники водорода в расплавленном алюминии

Растворенный водород в расплаве алюминия возникает от реакции между водяным паром и расплавленным алюминием. Магний в жидком алюминии также реагирует с водой с образованием водорода.

3H2O + 2Al = Al2O3 + 6H
H2O + Mg = MgO + 2H

Обе эти реакции термодинамически являются очень «выгодными» и их продолжение ограничивается только образованием оксидной пленки на поверхности расплава.

Водяной пар – главный источник водорода в алюминии

Факторы, которые способствуют этим реакциям и увеличивают содержание растворенного водорода в металле, включают следующие:

  • высокое давление водяного пара в атмосфере — высокая влажность;
  • турбулентность металла, которая разрушает оксидную пленку и дает возможность реакциям продолжаться;
  • влажная шихта, которая вносит водяные пары прямо в расплав.

Водяные пары, которые присутствуют в продуктах сгорания ископаемых видов топлива, также являются источниками водорода. Например, усиленное применение газового подогрева при передаче жидкого алюминия от печи к литейным агрегатам также дает свой вклад в увеличение содержания водорода в алюминии.

Магний в алюминиевом расплаве

Количество магния в алюминиевом ломе зависит от типа переплавляемых алюминиевых сплавов и может достигать 5 % и выше. Считается ли этот магний в расплаве примесью или легирующим элементом зависит от того, какой сплав является конечным продуктом. Поскольку магний является более дорогим, чем алюминий, обычно из расплава с высоким содержанием магния делают соответствующие алюминевомагниевые сплавы. Однако в некоторых случаях производят удаление магния из расплава.

Контроль содержания щелочных металлов

Для оперативного контроля содержания в расплаве примесей щелочных металлов на «продвинутых» предприятиях применяют оптическую эмиссионную спектрометрию.

Включения в алюминиевом расплаве

Включениями являются, как правило, твердые частицы, взвешенные в расплавленном алюминии. Количество и размеры этих частиц зависит от многих факторов, в частности, от исходного качества расплавленного алюминиевого лома и включений, которые в нем были.

Основными включениями в алюминии являются неметаллические включения, обычно размером до 100 мкм. Они состоят главным образом из оксидов, хотя присутствуют и другие типы химических соединений. Различают два основных класса включений – экзогенные и индигенные.

Экзогенные включения в алюминии

Экзогенные включения – это частицы, которые уже существовали как отдельная фаза до расплавления шихты. Примером экзогенных включений являются малые кусочки футеровки, которые попадают в расплав. Другим примером могут быть частицы оксидов или загрязнений, которые были на шихте из алюминиевого лома. Экзогенные включения почти полностью являются оксидами и имеют более значительные размеры, чем индигенные включения. Поэтому их присутствие в алюминии считается более вредным, чем присутствие индигенных включений. Большие размеры экзогенных включений позволяют более легко извлекать их из расплава.

Индигенные включения в алюминии

Индигенные включения образуются в ходе химических реакций «на месте» – в самом алюминиевом расплаве. Примером является реакция растворенного кислорода с жидким алюминием с образованием оксида алюминия:

2Al + 3O = Al2O3.

В сплавах, содержащих магний, образуется окись магния (магнезия) и шпинель:

Mg + O = MgO
Mg + 2Al + 4O = MgAl2O4

Если при дегазации расплава применяют азот, то могут образоваться частицы AlN, при использовании в качестве флюса MgCl2 – включения хлоридов.

Особую проблему представляют бориды TiB2, образующиеся при модификации расплава прутком Ti-B. Эти включения намного меньше, чем любые экзогенные включения и удалить их очень трудно.

Включения в первичном и вторичном алюминии

Включения во вторичном алюминии отличаются от тех, которые находятся в первичном алюминии. Алюминиевый лом изначально содержит больше загрязнений и оксидов, чем первичный металл, а образование оксидной пленки при плавлении лома делает содержание включений еще больше. В результате, удаление включений является более важным при производстве вторичного алюминия. Переплав крупного алюминиевого лома дает меньше включений, чем переплав использованных пивных банок или легкого лома. Поэтому и цена крупного лома выше.

Требования по содержанию включений в алюминии

На рисунке  ниже представлено значение различных типов включений в расплавленном алюминии. Заштрихованная область показывает на неофициальный предел для концентрации включений различных размеров в литом алюминии – в деформируемом алюминии требования должны быть жестче.

vkljucheniya-v-alyuminiiРисунок – Концентрация различных типов включений
в расплавленном алюминии в зависимости от их размеров

Кривая С показывает включения, которые образовались в ходе разливки алюминия. Это – оксидные пленки и шлаковые включения. Экзогенные включения также попадают на эту кривую. Кривая В  — для индигенных включений, которые образовались в ходе плавления и обработки металла. В общем случае оксидные включения больше, чем те, которые состоят из карбидов и боридов – именно их необходимо удалять в первую очередь.

Источник: Mark E. Schlesinger, Aluminum Recycling, 2013.