Кокоулин С.И. - Гранулированные и порошкообразные флюсы для алюминиевых сплавов

Гранулированные и порошкообразные флюсы для алюминиевых сплавов

Автор: Кокоулин С.И.

Вступление

Для обработки алюминия и его сплавов на протяжении уже многих лет традиционно используются порошковые флюсы. Тем не менее, такие флюсы имеют некоторые недостатки, такие как повышенное пылевыделение при применении, токсичность и нестабильная эффективность обработки, обусловленная их морфологией.

Для того, чтобы исключить данные недостатки, были разработаны флюсы в гранулированной форме, исключающие пылеобразование. Данная статья описывает разницу между гранулированными и порошкообразными флюсами с точки зрения эффективности работы, экологической безопасности и экономичности применения. В производстве алюминиевого литья наиболее часто применяются флюсы для рафинирования расплава и восстановления металла из шлака, поэтому в данной статье будет проведено качественное сравнение между этими двумя группами флюсов.

Для оценки чистоты расплава после обработки флюсами использовался прибор Prefil® (Pressure filtration = фильтрация под давлением), результаты испытаний представлены по каждому из 6 тестируемых продуктов.

Теория

Традиционные порошкообразные флюсы применяются в литейном производстве уже более 70 лет. За последние несколько лет компанией ФОСЕКО проведены многочисленные исследования и работы в области оптимизации морфологии флюсов, что позволило создать полную линейку гранулированных флюсов для всех типов применения в производстве алюминиевого литья.

По сравнению с порошкообразными флюсами, гранулированные флюсы легче подавать и замешивать в расплав, так как они обладают большей плотностью и не содержат пыли, таким образом, расход флюса можно значительно сократить. Дополнительным преимуществом является то, что каждая гранула такого флюса имеет одинаковый химический состав, поэтому при транспортировке и хранении флюсов не наблюдается сегрегации составляющих солей разной плотности по объему упаковки. Каждая гранула гранулированного флюса содержит все соли и компоненты указанные в составе флюса. Более того, гранулированные флюсы менее вредны для экологии, что характеризуется меньшим количеством вредных выделений при хранении и применении.

Рафинирующие флюсы разработаны для устранения оксидов алюминия и прочих включений из расплава. Работа флюса происходит в объеме расплава, под зеркалом металла и заключается в захвате окисных включений и флотации их на поверхность расплава. Флюс должен иметь как можно большую поверхность контакта с расплавом, поэтому его погружают в расплав и интенсивно замешивают.

Покровно-рафинирующие флюсы разработаны для агломерации оксидов в шлаке и отделения от них захваченного металла с образованием сухого и сыпучего шлака. Благодаря этому можно легче убрать шлак из расплава и снизить потери сплава со шлаком. Такие флюсы перемешиваются только со шлаком на поверхности расплава, во избежание повторного засорения расплава окисными и другими включениями.

Для лучшего пояснения эффективности рафинирования алюминиевого сплава была разработана тестовая программа, позволяющая сравнивать качество обработки с применением различных по составу, морфологии и применению флюсов в следующих направлениях:

рафинирующий против покровно-рафинирующего флюса;
гранулированный против порошкообразного флюса;
стандартный флюс против флюса без Na и Ca.

Обзор тестируемых флюсов

Следующие флюсы изучались в данной работе (см. табл.1):

Таблица 1. Обзор флюсов использованных в исследовании

Продукт	Форма поставки	Назначение	Тип сплавов
COVERAL* 90	Порошок	Покровно-рафинирующий	Стандартный
COVERAL GR 2510	Гранулированный	Покровно-рафинирующий	Стандартный
COVERAL 105	Порошок	Рафинирующий	Стандартный
COVERAL GR 2410	Гранулированный	Рафинирующий	Стандартный
COVERAL 67 (без Na и Ca)	Порошок	Рафинирующий и покровно-рафинирующий	Заэвтектические Al-Si сплавы и сплавы Al-Mg
COVERAL GR 6512 (без Na и Ca)	Гранулированный	Рафинирующий и покровно-рафинирующий	Заэвтектические Al-Si сплавы и сплавы Al-Mg

Экспериментальная работа

Для определения чистоты расплава и получения количественного экспресс анализа по окисным и прочим включениям использовался прибор Prefil (рис. 1). Прибор оценивает и выдает в графическом виде весовую скорость расплава через фильтр с мелкой пористостью при постоянной температуре и давлении (расплав протекший через фильтр по времени). Любые включения в расплаве, такие как оксидные плены, быстро осаждаются на поверхности фильтра по ходу замера, что снижает скорость прохождения расплава через фильтр. Поэтому направление и общий вид кривой зависимости отфильтрованного расплава по времени может дать информацию по количеству включений присутствующих в расплаве (рис. 2).

Рис. 1. Принцип работы прибора Prefil, который оценивает вес прошедшего через фильтр расплава по времени, а также позволяет оценить тип включений по металлографическому анализу шлифа приготовленного по сечению фильтра

Оксидные плены влияют на характер первого участка кривой (20-30 секунд). Кривая снижается при увеличении количества окисных плен на фильтре. Присутствие мелких включений, таких как TiB2, мелких Al2O3 или карбидов приводят к отклонению хода графика от прямой линии. Регистрация мелких включений начинается с точки отклонения кривой от изначально прямолинейного участка.


Рис. 2. Пояснение кривых полученных с помощью прибора Prefil – сравнение «чистого» и «грязного» расплава	Рис. 3. Окно Prefil по средним мировым показателям загрязненности сплавов

Допустимая чистота расплава может определяться с учетом Верхней и Нижней предельной кривой. Если опытная кривая попадает в промежуток между этими границами, то проверяемый расплав имеет допустимую чистоту. Предельные кривые определяются предварительными измерениями различных расплавов.

Скопление включений на фильтре, которое обычно называется пояс включений, часто можно рассмотреть невооруженным глазом на металлографическом образце. Ширина этого пояса, может дать первое представление о количестве включений в расплаве.

Кривые Prefil обычно определяются путем накопления промышленных данных и сравнения их с синтетическими сплавами.

На рис. 3 представлен пример графика Prefil, указывающего на окно кривых для сплавов не подверженных обработке по измельчению макрозерна.

Проведение испытаний

Испытания проводились на сплаве AlSi9Cu3 выплавленного из собственного чушкового сплава и стружки (рис. 4).


Рис. 4. Исходные материалы для приготовления сплава

Плавка велась в электрической индукционной печи с поворотным тиглем емкостью 230 кг. Изначально в тигель укладывается и расплавляется 50 кг сплава в чушках, а после расплавления выдерживается при 750'С. Далее в тигель поверх расплава загружается стружка из которой выжигаются остатки СОЖ. Как только горение СОЖ прекращается, стружка подтопляется в расплав и интенсивно перемешивается.

После этого, сплав выдерживается прибл. 30 минут и непосредственно перед заполнением пробы Prefil снимается шлак. Аналогичным образом, добавляя большее количество стружки при приготовлении сплава, можно получить "грязный" расплав сопоставимый с тем, может иметь место на действующем производстве.

Для выплавки расплава использовались графитовые тигли. Перед вводом флюса расплав перемешивался и разогревался до 700'С (расход флюса составлял 0,1% по весу для гранулированного флюса и 0,35% для порошкообразного).

Замешивание флюса проводилось вручную, в течении 1 минуты при отключенном индукторе печи. Затем расплав перегревали до 740'С и выдерживали в течении 10 минут. После этого печь отключали и зеркало расплава очищали от шлака (рис. 5).

Рис. 5. Расплав после введения флюса

После этого расплав опять нагревали до 740'С и отбирали пробу для анализа на Prefil.

Результаты

Графики построенные прибором Prefil (рис. 6), показывают эффективность рафинирования расплава в зависимости от типа флюса. Характеристики эффективности в данном случае являются производной сравнения кривых как представлено ниже:

Рис. 6. Эффективность рафинирования расплава различными флюсами

Данная эффективная система сравнения позволяет напрямую сопоставить все флюсы, вне зависимости от разницы их расхода. По вертикальной оси (y) – эффективность рафинирования с положительными значениями выше оси Х и отрицательными ниже оси Х. Поэтому, точки выше нулевой отметки указывают на эффективность работы флюса по удалению включений, точки ниже нуля оси y – указывают на загрязнение расплава включениями самого флюса или продуктами реакции взаимодействия флюса с расплавом. Горизонтальная ось (х) является характеристикой включений по шкале Prefil, что в свою очередь является сложной зависимостью между временем проведения анализа и формой и размером включений. Диапазоны размеров включений в графике соответствуют следующим приблизительным значениям:

«мелкие оксиды» - 1-10 мкм
«включения смешанной природы» - 10-100 мкм
«крупные включения» - > 100 мкм

Эффективность рафинирования» демонстрирует суммарный эффект удаления включений из расплава. Все тестируемые флюсы показали положительный результат рафинирования и повысили чистоту расплава. «Эффективность рафинирования» варьируется от 25% до 160%. На рисунке 6 показано, что степень очистки расплава отдельными флюсами мало зависит от размера присутствующих включений.

Сравнение работы рафинирующих и покровно-рафинирующих флюсов

Флюс Coveral GR 2410 является рафинирующим гранулированным флюсом, который показал лучшие результаты по эффективности очистки расплава. В сравнении с покровно-рафинирующим гранулированным флюсом Coveral GR 2510, флюс GR 2410 показал на 20% более высокую эффективность удаления включений. Аналогичный результат показало сравнение между рафинирующим порошкообразным флюсом Coveral 105 и покровно-рафинирующим порошкообразным флюсом Coveral 90 (рис.7). В дополнение к сильному очищающему действию применение рафинирующего флюса позволило получить легкий и сухой шлак, содержание металла в шлаке сопоставимо с результатами полученными при применении покровно-рафинирующего флюса.

Рис. 7. Сравнение эффективности очистки расплава при обработке рафинирующими и покровно-рафинирующими флюсами

Сравнение работы гранулированных и порошкообразных флюсов

Обработка расплава гранулированными флюсами позволила получить значительно более высокую чистоту расплава по сравнению с порошкообразными флюсами. Гранулированные флюсы показали до 100% более высокую эффективность в сравнении с порошкообразными аналогами. Даже при значительно меньшем расходе гранулированных флюсов (0,10% против 0,35%), качество расплавов было намного выше в сравнении с обработкой порошкообразными препаратами (табл. 2).

Таблица 2. Сравнение эффективности очистки расплава при обработке гранулированными и порошкообразными флюсами

Классификация	Гранулированный		Порошкообразный		Эффективность гранулированного против порошкообразного
Классификация	Продукт	Эффект.	Продукт	Эффект.	Эффективность гранулированного против порошкообразного
Рафинирующий	COVERAL GR 2410	158%	COVERAL 105	102%	+56%
Покровно-рафинир.	COVERAL GR 2510	137%	COVERAL 90	65%	+72%
Без Na и Ca	COVERAL GR 6512	125%	COVERAL 67	25%	+100%

Сравнение работы стандартных флюсов и флюсов не содержащих Na и Ca

Все флюсы не содержащие Na и Ca, использовавшиеся в испытаниях, могут использоваться как в качестве рафинирующих, так и покровно-рафинирующих флюсов. Так как данные флюсы не содержат солей Na и Ca, то перечень исходных материалов для их изготовления ограничен. Тем не менее, степень очистки расплава при обработке данными флюсами в гранулированной форме не сильно отличается от стандартных рафинирующих флюсов (рис. 8). Если по технологии требуется использовать флюс не содержащий примесей Na и Ca, то рекомендуется применять такие флюсы в гранулированной форме, так как они обеспечивают высокое рафинирующее действие и позволяют получить более сухой шлак с минимальным содержанием металла.

Рис. 8. Сравнение эффективности очистки расплава при обработке обычными флюсами и флюсами не содержащими примесей Na и Ca

Экологические аспекты

Далее исследовались объемы пыле-газовыделений при использовании различных флюсов. Сравнение проводилось с применением двух классов флюсов и с использованием одного порошкообразного и одного гранулированного флюса в каждом классе. Испытания проводились на различных печах и в различных производственных условиях. В таблице 3 сведен средневзвешенный анализ загрязнения после применения двух рецептур покровно-рафинирующих флюсов:

флюс А – слабо экзотермический покровно-рафинирующий флюс;
флюс B – рафинирующий и покровный флюс не содержащий примесей Na.

Таблица 3. Сравнение объемов загрязнений на различных печах в различных производственных условиях

Наименование	Флюс А		Флюс В
	Порошок	Гранулированный	Порошок	Гранулированный
	Концентрация в мг/м³
Общие твердые частицы	1,5	0,46	1,35	0,52
Общие хлориды	0,73	0,72	0,83	0,82
Фториды	11	3,4	7,5	3,6
Окислы азота	-	-	-	-
Оксиды серы	8,5	1,6	4,9	2,5

В целом исследования показали, что применение гранулированных флюсов позволяет значительно сократить количество вредных выделений на производстве. Также данной работой подчеркивается, что максимальное повышение эффективности рафинирующей обработки достигается за счет перехода от порошкообразной к гранулированной форме флюса, а не замена одного типа порошкообразного флюса на другой.

Экономический аспект

Стоимость гранулированного флюса выше стоимости порошкообразного флюса, что вызвано особенностью его технологии изготовления. Тем не менее, как показали исследования, расход гранулированного флюса значительно меньше. Кроме более мощного рафинирующего действия и экологических преимуществ гранулированных флюсов, можно также отметить экономические преимущества от использования таких флюсов, что продемонстрировано в следующем примере (где ДЕ = «денежный эквивалент», не привязанный к какой-либо валюте).

	Порошкообразный флюс А	Гранулированный флюс А
Закупочная стоимость:	1 ДЕ за кг	2 ДЕ за кг
Расход:	0,35%	0,10%
Стоимость обработки на 100 кг расплава:	0,35 ДЕ	0,2 ДЕ

Применение гранулированного флюса, таким образом, позволяет существенно повысить экономическую эффективность производства несмотря на более высокую закупочную стоимость.