способ легирования алюминия

Формула изобретения

1. Способ легирования алюминия, включающий введение в расплав алюминия соли легирующего компонента, перемешивание и алюмотермическое восстановление компонента, отличающийся тем, что введение соли легирующего компонента осуществляют в виде газопорошковой смеси через сопло погруженной в расплав фурмы в струю высокоскоростного газа, автономно подающегося в расплав через соосные отверстия фурмы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве компонента соли используют по крайней мере один элемент из группы, включающей цирконий, титан, марганец, бор.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве компонента соли используют по крайней мере один элемент с точкой плавления выше, чем у алюминия.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве высокоскоростного газа используют нейтральный газ.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу высокоскоростного газа осуществляют при давлении не менее 8 атм через отверстия фурмы диаметром не более 1,5 мм.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу высокоскоростного газа осуществляют при сверхзвуковых скоростях.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии и, в частности, может быть использовано для получения сплавов алюминия.

Известен способ легирования алюминия, включающий инжектирование легирующих компонентов в виде порошка посредством транспортирующего газа в перемешиваемый расплав металла (пат. ЕР 0260930, С 22 С 21/00, выдан 23.03.1988).

Недостатком известного способа является то, что: 1) для перемешивания расплава используется специальное оборудование, установленное стационарно; 2) легирование производится в промежуточной емкости.

Известен способ производства высокопрочного свариваемого и состаренного алюминиевого сплава, включающий добавление циркония в расплав в твердом виде или AL-Zr лигатуры, барботирование инертным газом (патент США №3852122, C 22 F 1/04).

Недостатком известного способа является необходимость предварительного изготовления продуктов легирования: циркония в твердом виде, Al-Zr лигатуры, что предполагает дополнительные затраты как при их изготовлении, так и при легировании алюминия.

Наиболее близким по существенным признакам является способ легирования алюминиевых сплавов, включающий прямое введение в расплав гексафторцирконата калия, тщательное перемешивание и алюмотермическое восстановление циркония (Напалков В.И., Махов С.В. Легирование и модифицирование алюминия и магния. - М.: МИСИС, 2002, с.212).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относят то, что: 1) для более полного растворения циркония расплав необходимо нагревать до высоких температур; 2) используется дополнительное оборудование для загрузки легирующих компонентов и перемешивания расплава; 3) необходимо дополнительное рафинирование расплава для удаления возникающих окислов; 4) цирконий в расплав переходит не полностью (85-95%); 5) не эффективен для больших масс расплава.

Известно, что усвояемость циркония (как и других элементов с точкой плавления выше, чем у алюминия) при алюмотермическом восстановлении из фторидной соли не зависит от температуры, а определяется только способом введения и интенсивностью перемешивания.

Предлагаемый способ легирования обеспечивает одновременность введения легирующего элемента с высокой интенсивностью перемешивания как легирующего элемента, так и легируемого расплава.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении способа обработки по изобретению:

- повышение усвояемости легирующего компонента благодаря активно проходящим восстановительным процессам,

- отсутствие образования окислов,

- одновременное рафинирование расплава нейтральным высокоскоростным газом и газом, транспортирующим легирующий материал.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе легирования алюминия, включающем введение в расплав соли легирующего компонента, перемешивание и алюмотермическое восстановление компонента, особенность заключается в том, что введение соли легирующего компонента осуществляют в виде газопорошковой смеси через сопло погруженной в расплав фурмы в струю высокоскоростного газа, автономно подающегося в расплав через соосные отверстия фурмы. В качестве компонента соли используют по крайней мере один элемент из группы, включающей цирконий, титан, марганец, бор, и по крайней мере один элемент с точкой плавления выше, чем у алюминия.

В качестве высокоскоростного газа используется нейтральный газ. Подачу высокоскоростного газа осуществляют при давлении не менее 8 атм через отверстия фурмы с диаметром не более 1,5 мм. Также возможно осуществлять подачу газа при сверхзвуковых скоростях с использованием сопла Лаваля.

Автономная подача нейтрального газа и соли легирующего компонента в виде газопорошковой смеси позволяет повысить давление нейтрального газа в фурме за счет уменьшения диаметра отверстий для его подачи и получить на выходе из сопла высокоскоростной поток газа. Давление газопорошковой смеси находится на уровне, достаточном для поддержания потока частиц в псевдоожиженном состоянии.

Введение газопорошковой смеси в струю высокоскоростного нейтрального газа непосредственно в расплаве металла обеспечивает: 1) образование высокоскоростного потока легирующих частиц за счет увлечения газопорошковой смеси высокоскоростной струей нейтрального газа, что способствует активному перемешиванию частиц с расплавом алюминия; 2) дополнительное распыление газопорошковой смеси на мельчайшие частицы, в результате чего происходит их активное взаимодействие с компонентами сплава и восстановление легирующих элементов из солей, что способствует повышению эффективности получения алюминиевых сплавов.

При использовании предлагаемого способа для легирования алюминия солями тугоплавких элементов, такими как цирконий, титан, бор, марганец, благодаря высокой энергии струи нейтрального газа происходит алюмотермическое восстановление легирующего компонента (даже при температурах плавления алюминия), достигается большая глубина проникновения соли в расплав и высокая эффективность перемешивания расплава алюминия при минимальном повреждении поверхностной окисной пленки, способствуя высокому усвоению солей расплавом и снижению металлургических потерь.

Одновременно активизируются восстановительные процессы в системе расплав-соль, за счет чего часть окисных включений восстанавливается до металла.

Сравнение изобретения показывает, что заявляемый способ легирования алюминия отличается от прототипа тем, что введение соли легирующего компонента осуществляется в виде газопорошковой смеси через сопло погруженной в расплав фурмы в струю высокоскоростного газа, автономно подающегося в расплав через соосные отверстия фурмы. В качестве компонента соли используют по крайней мере один элемент из группы, включающей цирконий, титан, марганец, бор, и по крайней мере один элемент с точкой плавления выше, чем у алюминия. В качестве высокоскоростного газа используют нейтральный газ. Кроме того, подачу высокоскоростного газа осуществляют при давлении не менее 8 атм через отверстия фурмы с диаметром не более 1,5 мм. Возможна также подача газа при сверхзвуковых скоростях с использованием сопла Лаваля.

Способ легирования алюминия и его сплавов осуществляется следующим образом.

Перед процессом легирования в фурму при положительном давлении подают нейтральный газ при начальном давлении, вводят фурму в расплав, после чего повышают давление газа до величины, достаточной для получения на выходе из сопел высокоскоростного газового потока. Затем в фурму подают газопорошковую смесь, которая на выходе из сопла увлекается в расплав высокоскоростным газовым потоком. За счет высокой скорости нейтрального газа происходит эффективное перемешивание массы расплава и восстановление легирующего компонента соли.

Пример выполнения.

При получении сплава Ал99 (Al-0,2Zr) сравнивали два способа: первый способ (применяемый в серийной технологии получения сплавов), в котором использовали AL-Zr лигатуру, предварительно приготовляемую алюмотермическим восстановлением фторцирконата калия, а второй - предлагаемый способ.

При получении указанного сплава в обоих случаях гексафторцирконат калия брали в количестве, рассчитанном для получения требуемой концентрации циркония в сплаве. За счет высокой скорости струи нейтрального газа достигается большая глубина проникновения гексафторцирконата калия в расплав и почти полное усвоение циркония при легировании. Опытная проверка предлагаемого способа показала высокую усвояемость циркония сплавом (98,8%) при снижении количества загружаемых материалов.

Результаты опытных проверок сведены в таблицу.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет значительно повысить эффективность получения алюминиевых сплавов по сравнению с традиционными способами, снизить расход легирующих материалов за счет повышения усвояемости компонентов, снижения образования окислов. Кроме того, способ позволяет за счет одновременного рафинирования расплава снизить время его подготовки к разливке, что, в целом, снижает себестоимость процесса.

Усвоение циркония из фторцирконата калия при приготовлении сплава Al-0,2Zr
Технология	Содержание циркония в лигатуре, мас.%		Усвоение при приготовлении лигатуры, %	Содержание циркония в сплаве, мас.%		Усвоение при приготовлении сплава, %	Эффективность использования фторцирконата калия, %
	Расчетное	Фактическое*		Расчетное	Фактическое**
Серийная (через лигатуру)	0,17	0,456	85,6	0,170	0,159	93,5	80,0
По изобретению		-	-	0,170	0,168	98,8	98,8
Примечание: *среднее по 36 плавкам **среднее по 24 плавкам