Čiščenje talin z vpihovalnim rotorjem za uvajanje čistilnih plinov v talino
Purification of Melts by Impeler for Introduction of Cleaning Gases into the Melt
J. Kostajnšek, Tal um, Kidričevo
Tudi pri aluminiju se povečujejo zahteve po kakovosti materiala, kar zahteva učinkovito čiščenje taline. Izpiralni postopki, kjer z grafitnim rotorjem vpihujemo v talino ustrezno plinsko mešanico, imajo določene prednosti. Postopek je možno uporabiti v lončni peči ali talilnem loncu tik pred litjem. Z njim odstranjujemo atomski vodik, nekovinske vključke kot npr. oksidne kožice ter neželjene elemente kot natrij, litij, kalcij. Izbira čistilne plinske mešanice (inertni plini z dodatki aktivnih plinov) zavisi od vrste nečistoče, ki jo odstanjujemo.
Članek opisuje postopke čiščenja, izdelavo vpihovalnega rotorja ter lastne poskuse in rezultate čiščenja.
Demands for higher quality of aluminium materials can be achieved by efficient purification of melts. Elutriation methods consisting of blowing suitable gas mixtures into melt by graphite impeller have some advantages. Procedure can be applied in crucible furnace or melting crucible just before casting. It enables to eliminate atomic hydrogen, nonmetallic inclusions like oxide films, and undesired elements like sodium, lithium, calcium. Selection of purifying gas mixture (inert gases with additions of active gases) depends on the type of impurity to be eliminated. Paper presents review of purification methods, construction of impeller, and own purification tests with results.
1 Onesnaženost in posledice onesnaženosti talin
Razvoj izpiralnih sistemov, v katerih mešanice ineitnih in kemično aktivnih plinskih medijev delujejo v talini aluminija pri odstranjevanju nečistoč fizikalno in kemično, kaže precejšnje prednosti napram dosedanjemu načinu čiščenja talin. Vnašanje trdnih kemikalij v talino, npr. soli, ki večji del izločajo plinski klor, je zamenjalo vpihovanje plina s pomočjo posebne naprave—vpihovalnega rotorja, ki je prikazan na sliki 1.
Če teče proces elektrolize aluminija v elektrolitskih celicah normalno, lahko pričakujemo v aluminiju, razen oli-goelemcntov, sledeče onesnaževalce:
•	Vodik (0,20-0,50 cm3/100 g Al,
•	Natrij (70-100 ppm),
•	Litij (1-2 ppm, kolikor niso dodane spojine litija v elektrolitski proces),
•	Kalcij (5-10 ppm).
•	Nekovinske vključke:
-	oksidne (Al20;f, SiO-j, ('aO, Ti(>-),
-	karbidne (Al.((
-	nitridne (A1N) in
-	kompleksne narave.
Kolikor se načrpana kovina ne očisti že v transportnih loncih med elektrolizo in livarno, se količina vodika in predvsem oksidnih vključkov lahko močno poveča. Vzrok je nepazljivo, turbulentno prelivanje (oksidi) in visoke temperature elektrolitskega aluminija (vodik).
Natrij povzroča že v manjših količinah razpoke pri nadaljnji predelavi aluminija. Npr. pri toplem valjanju /litin z več kot 2% Mg. Vzrok je prost natrij, ki se nabira v drobnih porah lite strukture. Ker povzroča povečan delež natrija v talini tudi večje navzetje vodika, g:i je potrebno očistiti pod 5 ppm.
Vodik povzroča poroznost odlitkov in s tem znižuje mehanske lastnosti kovine. Po znanem mehanizmu, v kombinaciji z vključki in drugimi prekinitvami strukture kovine, povzroča po toplotni obdelavi mehurčavost. V aluminiju je atomsko topen; topnost s temperaturo narašča, pri čemer ostane pri nižjih temperaturah v strjeni kovini prenasičeno prisoten.
Vključke prištevamo tako kot pore in lunkerje k tvorcem mejnih površin v strukturi kovine. Tako nastale prekinitve znižujejo mehanske lastnosti. Trdi vključki povečajo obrabo orodij in luknjičavost folij.
2 Postopki čiščenja talin
Vsak postopek čiščenja mora biti izbran in usmerjen glede na vrsto in količino nečistoč, ki jih talina vsebuje. Starejši načini, z vnašanjem kemičnih solnih reagentov v talino, ki večinoma sproščajo (so problematični z vidika dejansko potrebnih količin vnešenega čistila. Lahko povzroče nove solne vključke, ki zmanjšujejo efekte čiščenja. Ker količina nečistoč po posameznih fazah opravil v livarni lahko močno variira, so v zadnjem času pristopi usmerjeni predvsem v obdelavo taline pred vstopom v livarno in v tok taline tik pred livni stroj.
Novejši postopki čiščenja talin so osnovani na uvajanju nosilnih inertnih plinov v talino (Ar, \2), ki se jim dodajajo kemično aktivni plini (('!•_>. CCUFo, SF«, itd.) v
manjših količinah, blizu stehiometrične potrebe reakcij z nečistočami (5-89J). Uvajanje se vrši s pomočjo grafitnega rotorja, s posebno oblikovano rotorsko glavo z. majhnimi izpusti /a plin.
Pri rotaciji rotorske glave v talini izhajajo iz izpusta drobni mehurčki (do 5 mm). Tako ustvarjena velika površina plinskega medija je bistvena za mehanizem dotacije, s pomočjo katere se iznašajo vodik in nekovinski
0 2 4 6 8 10 12 14 min16 Čas
Slika 3. Primer spreminjanja količine vključkov pri izdelavi zlitine AlMgSiO, 5 v 25 t talilni peči iz elektrolitske kovine in zlitinskih sestavin.
vključki iz taline. Vodik prehaja v mehurčke z difuzijo, učinkovitost llotacije pa je odvisna od števila vključkov in mehurčkov, adhezije in zadrževanja vključkov v žlindri, ko se dvignejo na površino.
Dodatek aktivnega plina (npr. Cl2, CClvF2) z reakcijo prevede prisotne alkalije in zentljske alkalije v soli, ki izplavajo v žlindro. Praksa je pokazala, da poboljša tudi oprijemljivost vključkov na počasi se dvigujoče mehurčke. Uporaba mešanic argona s klorom ali Freonom 12 kaže prednosti pred uporabo dušika. Ne tvorijo se nitridi, žlindra je suha in v manjših količinah.
1000-100
10--.
1--
Vključki /dm (0>3Onm )
Obdelava z
Heksakloretan -tabletami
Obdelava s soljo
Cas taljenja (h)
Slika 4. Vpliv različnih čistilnih plinov in plinskih mešanic na stopnjo razvodičenja.
Figure 4. Influence of various purification gases and gas mixtures on the degree of dehydration.
3 Izdelava vpihovalnega rotorja
V okviru razvojno-raziskovalne naloge je bila v razvojni službi TGA Kidričevo pripravljena projektna naloga s tehnološkimi osnovami za konstruiranje vpihovalnega rotorja. Konstrukcijo in izdelavo vpihovalnega rotorja je prevzela ITRO d.o.o., Železarna Store.
Vpihovalni rotor sestavljata dva grafitna rotorja, montirana s pogonskim delom na pločevinasti pokrov, zaščiten s termobetonom. Pogon je izveden z elektromotorji in frekvenčnim regulatorjem vrtljajev. Plin je priključen preko
Slika 1. Skica vpihovalnega rotorja na transportnem loncu v fazi uvajanja čistilnega plina.
Figure 1. Scheme of impeller on the transportation ladle during the introduetion of purification gas.
0,001
0,0001
200 300 400 500 600 700 800 900 Temperatura
Slika 2. Učinek obdelave taline AlMgSiO, 5 v 25 t talilni peči s tabletami heksakloretana na količino nekovinskih vključkov.
Figure 2. Effect of AlMgSiO, 5 melt treatment in a 25 t melting fumace by hexachloro-ethane tablets depending on the amount of non-metallic inclusions.
Figure 3. Variation of the amount of nonmetallic inclusions in single stages of preparing AlMgSiO, 5 alloy in a 25 t melting fumace, using electrolytic aluminium and alloying additions.
koče) 0,43
10,-|—
cm3/100g
1,0---------- —
gnetne
(te
reducimega tlačnega ventila, merilnika pretoka in vrtljivega spoja na vreteno rotorja. Celotna konstrukcija stoji na treh vertikalno pomičnih nogah, ki dovoljujejo potopitev rotorjev v talino.
Vpihovalni rotor se postavi v delovni položaj na lončni peči ali transportnem loncu s pomočjo žerjava. Čistilni plin prehaja v talino med rotacijo rotorja preko kanala v vretenu in izpustov v rotorjevi glavi.
4	Poizkusi čiščenja talin in rezultati
V TGA smo opravili več poizkusov čiščenja taline aluminija z. opisanim prototipom vpihovalnega rotorja. Čistili smo taline Al 99,5 v 6 t indukcijski peči Elin z uvajanjem čistega plina Nt pred legiranjem, po prelitju elektrolitskega aluminija v peč. Temperatura taline je znašala blizu 820°C, normativ porabe dušika pa 0.5 ran /t Al. Pretok dušika smo določili pri pritisku 1.5 bara z 50 l/min. za vsak rotor. Namen poizkusov prepihovanja s čistim dušikom je bil znižanje 11 v na sprejemljivo mero in odstranitev nekovinskih vključkov, prenesenih iz elektrolize. Število obratov rotorjev smo prilagodili tako, da je bila površina taline mirna, kar smo dosegli deloma tudi z nasprotno smerjo vrtenja obeh rotorjev. Pred poizkusi smo odstranili s površine taline žlindro. Med čiščenjem tvorbe večjih količin nove žlindre ni bilo opaziti.
Pred in po vsakem preizkusu čiščenja taline je bilo izvedenih več meritev količine vodika s pomočjo naprave Schmelztester, po metodi prvega mehurčka. Vse meritve so potrdile okvir zmanjšanja vsebnosti vodika v talini od začetnih 0.35-0.50 cm5/100 g Al na končnih 0.10-0.15 cm3/100 g Al.
Pri nekovinskih vključkih in natriju tako velikega zmanjšanja po čiščenju, kot pri vodiku, nismo dosegli. Vzrok je relativno čist elektrolitski aluminij, ki je vseboval le 0.20-0.40 vključkov/cnr, reda velikosti 10-50 //m. Ostalih manjših vključkov v kovini nismo uspeli odpraviti. Enako je bilo z natrijem, ker čistilnemu plinu \2 nismo dodali aktivne komponente.
Razen na indukcijski peči smo izvedli tudi poizkuse čiščenja taline v transportnih loncih z mešanicami nosilnega in aktivnega plina. Uporabili smo pripravljeno mešanico Alu-clean firme AGA, ki vsebuje aktivni žveplov heksaflu-orid (SF,;) in mešanico firme Istragas, ki vsebuje aktivni Freon 12 (('(F2). Ker poizkusi še niso končani, žal danes ne moremo predložiti rezultatov.
5	Zaključki
Dosedanji poizkusi čiščenja taline s pomočjo vpihovalnega rotorja so pokazali, da je z opisanim načinom mogoče uspešno odpraviti vodik, ob uporabi aktivne mešanice plinov pa tudi ostale nečistoče. Onesnaženje okolja je zaradi majhnega dodatka aktivnega plina neprimerno manjše, kot pri uporabi soli (heksakloretan, itd.), ki jih dodajamo v kopeli v velikem prebitku.
Z novim načinom se je potrdila stara vizija čiščenja aluminijevih talin, po kateri je potrebno do določene stopnje očistiti vso elektrolitsko kovino pred vstopom v livarno in nadalje, pred litjem, v pretoku (in line), usmerjeno, v skladu z zahtevami kvalitete posameznih polizdelkov, oz. končnih izdelkov.
6	Literatura
1 G.K. Sigvvorth, A Scientilic Basis for Degassing Aluminium, Reading Foundry Products, Exton, Pa, AFS
Transaction. American Foundryman's Society, Inc. Golf & Wolf Rols, Des Plaines. Illinois 60016. USA. 1987. 73-78
2	A.R. Anderson, Rotary Impeller Degassing: Practical Observations, AFS. Transaction. Am. Foundrymen's So-ciety, Inc. Golf & Wolf Rols, Des Plaines, Illinois 60016. USA, 1987, 533-536
3	F.R. Mollard, A Non-polluting Degassing Technique for Aluminium Alloy Melts. Consolidated Aluminium Corporation. St. Luis. Missouri. AFS Transaction, 78-116. 501-504
4	J. Bildstein, I. Ventre. Alpur Technology-Present and Fu-ture, Light Metals 1990, 755-763
b F. Achard, Ch. Leroy, Pre-treatment in Potlines Crucibles: The Mixal Process, Light Metals 1990. 765-768
6	U. Hielscher: Qualitatsorientierte Schmelzepruefung in der Aluminiumgiesserei, Giesserei, Heft 23/1987. S. 695/700, Sonderdruck.
7	L.C.B. Martins, G.K. Sigvvorth, Inclusion Removal by Flotation and Stirring. Reading Foundry Products. Ex-ton PA 19341, Am. Foundryman's Society. Inc. Golf & Wolf Rols, Des Plaines, Illinois 60016-2277, 1989. 16.1.-26.28.
R D. Saha, Recent Trends in Aluminium Degassing, Light Metal Age, 12/1989. 17-20.
9 R.R. Corns. Sulfur Hexatluoride Successfully Degasses and Fluxes Aluminium, Light Metal Aee. 12/1990, 28-30
10	H. Devaux, D. Heibel. Filtrationstechniken fiir Aluminium-Gusslegierungen, Giesserei 78. 5/1991. 141-145
11	D. Altenpohl, Aluminium und Alumimumlegierungen, Springer Verlag, 1965. Berlin.