Особенности плавки и литья алюминия в промышленности

В зависимости от назначения сплавов, масштаба производства и условий литейных цехов плавку алюминиевых сплавов осуществляют в ванных электропечах сопротивления (вместимостью от 150 кг до 3 т), индукционных тигельных и канальных печах (от 180 кг до 6 т), а также в отражательных пламенных печах ванного типа (до 30 т), в тигельных (до 250 кг) электросопротивления и в печах, работающих на жидком и газообразном топливе (рис. 1).

 

схемы печей для плавки алюминиевых сплавов
Рис. 1. Схемы печей для плавки алюминиевых сплавов:
а — отражательная пламенная печь ванного типа, 6 — ванная электропечь сопротивления, в — тигельная электропечь сопротивления, г — индукционная тигельная печь; 1 — ванна жидкого металла, 2 — летка для выпуска жидкого металла. 3 — загрузочные окна, 4 —  нагревательные элементы, 5 — свод печи, б — тигель, 7 — спираль, 8 — индуктор

В качестве исходных шихтовых материалов используют чушковый алюминий различных марок, отходы собственного производства, а также легирующие компоненты в виде чистых металлов или лигатур.

При плавке в открытых печах алюминиевые сплавы легко окисляются с образованием на поверхности расплава прочной оксидной пленки Al2O3, защищающей его от дальнейшего окисления. Замешивание пленки в расплав в процессе плавки вызывает его загрязнение. Алюминиевые сплавы интенсивно растворяют газы, в основном водород, в результате чего в отливках образуется пористость.

Алюминиево-магниевые сплавы, отличающиеся очень высокой окисляемостью, плавят под слоем покровных защитных флюсов, в качестве которых используют хлористые и фтористые соли: карналлит (MgCl2·KCl) и смеси карналлита с 40—50% ВаCl2 и 10—15% CaF2, вводимых в количестве 2% от массы шихты. Уменьшают склонность к окислению и вводимые в сплав добавки бериллия и титана (до 0,07%).

Процессы очистки расплавов от взвешенных неметаллических включений широко используют при плавке алюминиевых сплавов. С этой целью расплавы продувают инертными (аргон, азот) или активными (хлор) газами, обрабатывают хлористыми солями и рафинирующими флюсами, ультразвуком, вакуумируют, фильтруют.

методы рафинирования алюминиевых сплавов
Рис. 2. Методы рафинирования алюминиевых сплавов:
а — продувка газами, 6 — фильтрование через слой расплавленного флюса, в — вакуумирование с последующей продувкой газами: 1 — ковш. 2 — пористая пробка, 3 — тигель, 4 — диск, 5 — флюс. 6 — запорный стержень, 7 — раздаточный ковш, 8 — вакуумно-продувочная камера, 9 — трубка для продувки газами

При рафинировании продувкой газами всплывающие их пузырьки выносят на поверхность расплава частицы неметаллических включений, растворенные газы. Газ продувают либо через трубку сверху, либо через пористую пробку 2 в ковше 1 (рис. 2, а). Обработку проводят при температуре 710—730°С в течение 5—20 мин. Наиболее эффективна обработка хлором, однако ввиду его токсичности широко используют инертные газы азот и аргон.

Наиболее широко применяют обработку хлористыми солями — ZnCl2, MnCl2, AlCl3,C2Cl6, рафинирующее действие которых основано на образовании газообразного хлористого алюминия по реакции МеCl3+Al = AlCl3+Ме.

Наиболее эффективна обработка гексахлорэтаном C2Cl6, при которой кроме АlCl3 образуется газообразный тетрахлорэтилен C2Cl4. В отличие от других хлоридов гексахлорэтан негигроскопичен, более дешев, обладает высокой дегазирующей способностью.

При рафинировании флюсами частицы взвешенных неметаллических включений удаляются из металла, переходя в шлак, вследствие хорошей смачиваемости их расплавленным флюсом или растворения в нем этих включений. Для рафинирования большинства алюминиевых сплавов используют флюс, состоящий из 47% КCl, 30% NaCl и 23% Na3AlF6. Флюс в количестве 0,5—1% от массы металла засыпают на поверхность расплава, нагретого до 700—750 °С, затем замешивают в него в течение 3—5 мин, после чего удаляют шлак и выстаивают в течение 10—15 мин для более полного всплывания и отделения замешанного флюса.

Для уменьшения загрязненности металла твердыми неметаллическими включениями применяют также фильтрование через сетчатые и кусковые фильтры из раздробленных флюсов, устанавливаемые в песчаных и металлических формах между стояком и коллектором, между литейной чашей и стояком, что позволяет в 1,5—3 раза снизить загрязненность сплавов неметаллическими включениями.

Наиболее эффективным является фильтрование алюминиевых сплавов через слой расплавленного рафинирующего флюса (рис. 2, б). В этом случае сплав поступает на диск 2, имеющий отверстие диаметром 5— 10 мм, и в виде струек проходит через расплавленный флюс 3, плотность которого меньше плотности сплава. Накопившийся в электрообогреваемом тигле 1 металл выпускается в раздаточный ковш 5 при подъеме запорного стержня (стопора) 4.

Эффективным способом очистки от растворенных газов является вакуумирование. С понижением давления растворенные газы выделяются из расплава и удаляются в виде пузырьков. Обработку металла проводят в вакуумно-продувочной камере 1, в которую помещают ковш 2, вакуумируют металл и дополнительно продувают его газом (рис. 2, в).

Алюминиевые сплавы на основе системы Al—Si (силумины) перед заливкой подвергают модифицированию. При этом происходит измельчение частиц кремния, что приводит к повышению механических свойств сплавов, особенно относительного удлинения и ударной вязкости. Модифицирование осуществляют введением в расплав стронция в виде лигатуры, 0,1% металлического натрия или смеси его хлористых и фтористых солей. Эти соли одновременно выполняют роль защитных и рафинирующих флюсов.

Модифицирующий флюс в количестве 1,5—2% засыпают на поверхность расплава и выдерживают в течение 12 мин, после чего замешивают в металл и после выдержки в течение 1,5—2 мин удаляют вместе со шлаком.

Широко применяют в литейных цехах универсальные флюсы, обработка которыми позволяет совместить рафинирование и модифицирование сплава. Все они содержат хлористые и фтористые соли. Например, универсальный флюс № 3 содержит 50% NaCl, 10% КCl, 30% NaF и 10% Na3AlF6.

Чтобы предотвратить загрязнение сплава оксидами в процессе заливки, необходимо обеспечить плавное, без завихрений заполнение формы металлом, что достигается использованием расширяющихся литниковых систем, которые способствуют и отделению неметаллических частиц. Широко применяют сифонные литниковые системы и вертикально-щелевые (см. гл. 2), позволяющие получить наиболее благоприятное распределение температуры по высоте отливки и направленное затвердевание снизу вверх.

Алюминиевые сплавы склонны к образованию усадочных раковин и усадочной пористости, устранение которых достигается простановкой прибылей, холодильников, а для ответственных деталей использованием кристаллизации под давлением в автоклаве. Применение давления при кристаллизации позволяет получить наиболее плотные отливки из алюминиевых сплавов.

В связи с невысокой температурой плавления и хорошей жидкотекучестью алюминиевых сплавов для приготовления формовочных и стержневых смесей применяют мелкозернистые пески со значительным содержанием глины (классов П, Т, а также ЗК, 4К). В состав формовочных смесей входит 75—90% оборотной смеси и 10— 25% свежих песков.

В формовочные смеси для алюминиево-магниевых сплавов, чтобы предупредить их окисление в процессе заливки и кристаллизации, вводят защитные присадки (RM, борная кислота в количестве 4—5%).

Для крупносерийного и массового производства применяют безводные песчано-бентонитовые смеси с минеральными маслами, позволяющие изготовлять литейные формы повышенной прочности прессованием под высоким давлением.

Заказать литье алюминия на АО "Марийский машиностроительный завод"