способ получения вспененного алюминия

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВСПЕНЕННОГО АЛЮМИНИЯ, включающий обработку расплава металла газом, вспенивание расплава и охлаждение до затвердевания, отличающийся тем, что обработке газом подвергают поток металла в режиме диспергирования, вспенивание осуществляют подачей образованного потока сжатой дисперсной смеси расплава с газом под уровень расплава металла при давлении, превышающем сумму атмосферного и металлостатического давлений, с вытеснением части расплава, которую подвергают непрерывному охлаждению до затвердевания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению из расплава вспененного металла, например пеноалюминия.

Известен способ получения пеноалюминия, включающий увеличение вязкости расплава легированием металлическим кальцием при массовом отношении к расплаву 0,2-8% , вспенивание расплава взвешиванием порошкообразного гидрида титана при массовом отношении к расплаву 1-3% и охлаждение образующегося вспененного расплава до затвердевания.

Недостатком способа является малая, неоднородная и нерегулируемая дисперсность пузырьков газа, обусловленная природой процесса термического разложения гидрида титана с выделением газа, при перемешивании, а также высокая стоимость металлического кальция и гидрида титана.

Известен способ получения вспененного металла из жидких алюминиевых сплавов, включающий замешивание в расплав инертного или кислородсодержащего газа в дисперсном виде для увеличения вязкости расплава, вспенивание расплава добавлением при перемешивании порошкообразных гидридов титана, гафния или циркония и охлаждение вспененного расплава до затвердевания.

Известный способ выбран в качестве прототипа по технической сущности - использование газа в качестве загустителя расплава.

Недостатком способа являются малые дисперсность пузырьков газа и пористость материала, обусловленные способом ввода загущающего газа, основанном на относительном движении газа в расплаве, что приводит к неустойчивости системы.

Кроме того, загущающий газ выносит на свободную поверхность расплава часть вспенивающего газа, что увеличивает расход порообразующего вещества.

Замешивание в расплав металла газа (азота, аргона, воздуха, углекислого газа, водяного пара и т.д.) увеличивает вязкость расплава.

Однако известные приемы осуществления этого способа не обеспечивают устойчивость системы, контролируемость и требуемых значений вязкости расплава, пористости и дисперсности пор.

Для повышения качества продукции за счет обеспечения оптимальной дисперсности пузырьков газа, пористости и структуры пор, а также для снижения себестоимости продукции за счет исключения использования дорогостоящих порообразующих и повышающих вязкость расплава материалов предлагается следующая технология.

В способе получения вспененного материала, например пеноалюминия, включающем смешивание расплава металла с газом, вспенивание расплава и охлаждение до затвердевания, поток сжатой дисперсной смеси расплава с газом подают под уровень расплава при статическом давлении, превышающем сумму атмосферного и металлостатического давлений, вытесняют смесью область расплава, прилегающую к месту подачи диспергированной смеси, часть которой непрерывно охлаждают до затвердевания.

Техническая сущность предлагаемого технического решения заключается в образовании металлической пены при подаче под уровень расплава потока сжатой дисперсной смеси расплава с газом при статическом давлении, превышающем сумму атмосферного и металлостатического давлений. При этом вытесняют смесью область расплава, прилегающую к месту подачи диспергированной смеси, часть которой непрерывно охлаждают до затвердевания.

Для оптимизации процесса литья поддерживают объем области газожидкометаллической смеси под уровнем расплава постоянным, уравнивая расход поступающей смеси, скорость ее затвердевания и скорость вывода затвердевшего вспененного металла.

Таким образом осуществляется инверсия (обращение) газожидкометаллической смеси, где сплошной средой является газ, а дисперсный расплав в динамически устойчивую металлическую пену требуемого регулируемого газосодержания и дисперсности без применения добавочных порообразующих, увеличивающих вязкость или уменьшающих коэффициент поверхностного натяжения расплава веществ.

Экспериментально установлено, что при подаче под уровень расплава потока сжатой дисперсной смеси расплава с газом при статическом давлении, превышающем сумму атмосферного и металлостатического давлений, на величину, обеспечивающую вытеснение расплава, и при требуемом объемном соотношении расплава к газу под уровнем расплава образуется металлическая пена. Излишний газ барботирует на свободную поверхность расплава с выходом в атмосферу или отводится через газоотводящую трубку.

Объемное соотношение расплава к газу после сжатия смеси должно соответствовать необходимой пористости материала, причем следует учитывать максимальную возможную пористость расплава металла, например для алюминия 93%.

Статическое давление в подаваемой смеси должно превышать сумму атмосферного и металлостатического давлений на величину, достаточную для вытеснения смесью области расплава, прилегающей к месту подачи диспергированной смеси, создания подуровневой зоны пенообразования, обеспечения пузырькового режима барботажа избыточного газа. Интервал избыточного давления смеси 5-20 кПа соответствует пузырьковому режиму барботажа в интервале глубин подачи смеси 100-500 мм для расплава алюминия. Для других металлов этот интервал будет иным.

При давлении, меньшем суммы атмосферного и металлостатического давлений, затруднена подача смеси под уровень расплава с его вытеснением. При давлении более 20 кПа для расплава алюминия режим барботажа становится струйным с разрывом и перемешиванием свободной поверхности расплава, что недопустимо при литье и дестабилизирует образование пены в подуровневой области расплава.

Образованию пены в подуровневой области расплава способствует дисперсность подаваемой смеси и постоянная многоручьевая подпитка зоны подачи дисперсной смеси металлом из области сплошного расплава, которая естественно осуществляется за счет силы тяжести.

Для обеспечения и оптимизации процесса пенообразования и литья вытесняют смесью область расплава, прилегающую к месту подачи диспергированной смеси, часть которой непрерывно охлаждают до затвердевания.

Кроме того, поддерживают объем подуровневой области ввода газожидкометаллической смеси (зоны пенообразования) постоянным, уравнивая расход поступающей смеси, скорость ее затвердевания и скорость вывода затвердевшего вспененного слитка (100-300 мм/мин).

Предложенные необходимые и достаточные условия обеспечивают образование металлической пены под уровнем расплава вследствие дисперсности подаваемой смеси, получения требуемого объемного соотношения расплава и газа, сжатия смеси до статического давления, превышающего сумму атмосферного и металлостатического давлений, вытеснения расплава смесью с образованием подуровневой области пенообразования при массообмене со слоем сплошного расплава.

Полученная подуровневая зона пенообразования характеризуется высокой вязкостью, постоянным объемом, непрерывным притоком смеси, эффективным массообменом со сплошным расплавом в дисперсной фазе (по газу и расплаву), непрерывным отвердеванием части зоны пенообразования за счет внешнего охлаждения и отводом отвердевшей части, уменьшенным коэффициентом поверхностного натяжения дисперсной фазы расплава и, следовательно, динамической устойчивостью.

Эти условия обеспечиваются в полной мере применением для диспергирования расплава, сжатия смеси и подачи ее под уровень расплава лопастного механизма типа воздушного винта с периферийным приводом при скорости вращения не менее 100 об./мин; диффузором, использованием водоохлаждаемого кристаллизатора и литейной машины, например, для полунепрерывного литья слитков.

Степень диспергирования расплава может быть различной в зависимости от требуемой пористости и дисперсности пор продукта и определяется скоростью вращения и конструкцией лопастного механизма.

Одним из преимуществ предлагаемой технологии вспенивания расплавов является также осуществление автокорректировки кратности пены за счет сброса излишков газа при барботаже или через газоотводящую трубку.

Таким образом, процесс получения пенометалла по предлагаемой технологии осуществляется без применения специальных порообразующих, а также увеличивающих вязкость и уменьшающих коэффициент поверхностного натяжения расплава веществ.

Себестоимость производства пеноалюминия по предлагаемой технологии на 40% дешевле, чем по известным технологиям, при более высоком и регулируемом качестве продукции, обусловленном отсутствием вредных примесей, достижением требуемой пористости и однородности дисперсности пор. Максимальная достигнутая пористость пеноалюминия 90% при дисперсности пор 2-3 мм.

П р и м е р. В лабораторных условиях осуществляли процесс получения пеноалюминия с использованием предлагаемой технологии. Для сравнения использовали показатели продукции по известной технологии, освоенной промышленностью Японии с торговой маркой "Альпорас": пористость 90%, дисперсность пор 2-7 мм. Поток расплава алюминия при 750^оС с расходом 40 кг/ч диспергировали в разреженном азоте ( 0,011 МПа) с непрерывным сжатием смеси до давления, превышающего сумму атмосферного и металлостатического давлений на величину до 50 кПа. Атмосферное давление в день эксперимента 94 кПа. Расход азота 0,4-0,5 нм³/ч. Глубина места подачи дисперсной смеси под уровень расплава 150 мм и 300 мм. Объемное соотношение расплава к газу выбирали 1:9 и 1:10-1:12.

Для осуществления процесса использовали обогреваемый смеситель с дозаторами расплава и газа, содержащий винт с периферийным приводом; кристаллизатор в виде цилиндрической изложницы объемом 2,3 л, перемещаемой в вертикальном направлении со скоростью 200-300 мм/мин. Скорость вращения винта смесителя 300-400 об./мин. Процесс литья осуществляли в периодическом режиме до заполнения изложницы.

Винт диспергирует поток расплава в разреженном азоте с непрерывным сжатием смеси до давления, превышающего сумму атмосферного и металлостатического давления на величину до 50 кПа. Кристаллизатор заполняли расплавом металла и при непрерывном отводе затвердевшего слитка под уровень расплава на границу расплав-слиток, подавали поток сжатой дисперсной смеси расплава с газом с вытеснением расплава из зоны подачи. Наблюдали за поверхностью расплава, при появлении пузырьков уменьшали расход и давление смеси. Контролировали глубину места подачи смеси, атмосферное давление, давление подачи дисперсной смеси, пористость полученного вспененного слитка взвешиванием проб и интервал дисперсии пор увеличительным измерительным инструментом. В каждом эксперименте было получено по 2,3 л пеноалюминия.

Результаты исследований приведены в табл. 1.

Установлено, что при подаче под уровень расплава алюминия сжатой дисперсной смеси расплава с газом при статическом давлении, превышающем сумму атмосферного и гидростатического давлений на 5-20 кПа, происходит образование пеноалюминия при слабом барботаже газа на поверхность расплава независимо от глубины места подачи смеси.

При избыточном давлении подачи смеси менее 5 кПа есть затруднения с контролем и поддержанием стабильного давления; в некоторые моменты не происходит вытеснения объема расплава и образования подуровневой области пены, прекращается подача смеси. При избыточном давлении подачи смеси 5-20 кПа наблюдается устойчивое получение пенометалла, барботаж газа на свободную поверхность расплава отсутствует. При избыточном давлении подачи смеси более 20 кПа наблюдается интенсивный барботаж газа через расплав сплошного металла, пористость пенометалла резко уменьшается, увеличивается диаметр пор.

Таким образом, наиболее благоприятный режим образования однородного высокопористого пеноалюминия, пористость 90%, интервал дисперсий пор 2-3 мм, заключается в подаче сжатой газожидкометаллической смеси при объемном соотношении расплава к газу 1-9 и при давлении смеси, превышающем сумму атмосферного и металлостатического давлений на 5-20 кПа. Глубина места подачи не имеет решающего значения и определяется параметрами кристаллизации слитка, обычно 100-300 мм.

Установлено, что при избытке газа в смеси его можно эффективно отводить в атмосферу посредством газоотводящей трубки, опущенной в область подачи смеси, что позволяет предотвратить интенсивный барботаж газа и расширить область использования состава смеси до 1: 10, что облегчает управление процессом.

По предлагаемой технологии можно получить пеноалюминий с высокой пористостью, управляемым интервалом дисперсии пор 2-3, 2-7, 5-7 мм с различной степенью однородности в зависимости от назначения материала.

Предлагаемая технология позволяет получить пеноалюминий с широким спектром конструкционных, функциональных (звукопоглощение, виброизоляция, теплоизоляция, поглощение электромагнитных волн) и декоративных свойств в конструкциях для различных отраслей промышленности.

При высоких потребительских свойствах получаемого вспененного алюминия (однородность пор при высокой пористости) на 40% снижается себестоимость его производства по сравнению с известной промышленной технологией "Альпорас" за счет исключения использования дорогостоящих и дефицитных добавок.