Качество алюминия и первичное рафинирование

Извлекаемый из электролизёров алюминий содержит различные примеси

Первичный алюминий по содержанию примесей должен отвечать требованиям ГОСТ 11069—2001, в котором введены десять марок алюминия технической чистоты (АТЧ) и пять марок алюминия высокой чистоты (АВЧ). Высший сорт технического алюминия А85 содержит сумму примесей 0,15 %, низший сорт А0 - 1,0 %. Поэтому основная задача литейного отделения заключается в том, чтобы, используя имеющиеся сорта алюминия-сырца, путем оптимальной их шихтовки (смешивания) получить товарную продукцию согласно требованиям потребителей.

Примеси, содержащиеся в алюминии-сырце можно разделить на три группы.

1) Металлические: железо, медь, цинк, титан, кальций, магний, натрий, галлий, ванадий, марганец, свинец, хром, олово, висмут, кадмий, сурьма, кремний, мышьяк и др. Содержание каждого в отдельности колеблется от 0,06 до 1,0 %, а иногда и выше. Железо и кремний особенно вредны, потому что именно они понижают пластические свойства и коррозионную стойкость алюминия. Остальные металлические примеси присутствуют во много раз меньше, чем железо и кремний, но все они ухудшают физико-химические свойства алюминия.

2) Неметаллические: глинозем, фтористые соли, углерод, карбид и нитрид алюминия.

3) Газообразные, в основном водород.

Источники попадания примесей:

- сырья - в алюминий переходят примеси из глинозёма, фторсолей, анодной массы;

- состояние угольной футеровки и возраст ванны,

- использование фторированного глинозёма;

- оплавление железного инструмента – лом, шумовка, скребок;

- переливы алюминия в миксеры в литейном отделении и т.д.

Наиболее велико содержание в алюминии-сырце кремния и железа, которые вызывают существенное изменение свойств алюминия: повышают вязкость алюминия в жидком состоянии, увеличивают его электрическое сопротивление, твердость и предел прочности на разрыв, снижают пластичность и коррозионную стойкость.

Одно из важнейших свойств алюминия – электропроводность. По степени влияния на электропроводность алюминия, металлы можно разделить на три группы:

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

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

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

Из неметаллических примесей в алюминии присутствуют 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.

Вылитый из электролизёров алюминий перевозится в литейное отделение в том же вакуум-ковше. Ковш взвешивают, берут пробу алюминия и отправляют в лабораторию на экспресс-анализ. Затем проводят первичную очистку.

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 взвешенные неметаллические включения и выносят их на поверхность. Наиболее доступный газ – азот, он инертен к расплавленному алюминию при ≈ 700 ºС и весьма широко применяется в промышленности. Время азотирования 3-5 мин, расход азота 700-750 л на 1 т металла. 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 хлором. В течение 15 мин. проводят хлорирование - продувают смесь хлора и азота по кварцевым или графитовым трубкам при температуре алюминия 750-770 °С. Содержание хлора в азоте 5-10 %, расход хлора 0,3-0,5 кг/т Al. Из алюминия-сырца удаляется около 60 % газов. Металлические примеси (кальций, натрий и магний), как более электроотрицательные, чем алюминий, хлорируются, а другие остаются в расплавленном алюминии. Обволакиваясь газовой оболочкой, хлориды легко всплывают на поверхность металла, образуя рыхлый порошок, который снимают дырчатой ложкой (шумовкой). Потери алюминия с хлоридами 0,2 кг/т.

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