» » Разгонка алюминиевых сплавов
30.05.2015

В металлургии алюминия вакуум нашел промышленное применение в рафинировании вторичных алюминиевых сплавов. Большой интерес вакуумные процессы представляют также для получения чистого алюминия и силумина из электротермических сплавов.
Трудность рафинирования алюминиевых сплавов заключается в том, что присутствующие в них элементы-примеси обладают меньшим сродством к кислороду, сере, хлору и другим элементам, чем алюминий, что не позволяет использовать методы рафинирования, обычно применяемые для очистки других металлов. Наибольшую сложность представляет удаление железа, магния и цинка, причем последний можно отделить только отгонкой.
При рафинировании алюминия и его сплавов чаще всего применяют методы, связанные с выделением интерметаллических фаз; наибольшее распространение получили так называемые магниевый, цинковый и марганцевый способы.
При магниевом способе, предложенном инженером В. Н. Веригиным, в сплавы добавляют 25—30% магния, в результате чего образуются и выделяются интерметаллические соединения Аl3Fе и Мg2Si. Поскольку магний расходуется на связывание кремния, этот метод применяется лишь для рафинирования железистых сплавов с незначительным содержанием кремния. После отстаивания легкоплавкий алюминиевомагниевый сплав отделяют на вакуум-фильтре от кристаллов соединений и направляют на вакуумную дистилляцию для отгонки магния; одновременно отгоняется также и цинк в случае присутствия его в исходном черновом сплаве. Метод применялся в Германии в годы второй мировой войны для рафинирования вторичных металлов.
В цинковом способе к сплаву добавляют полутора-двукратное по весу количество цинка; при этом железо выпадает в виде интерметаллического соединения Аl3Fе, а кремний — в элементарном состоянии. Отфильтрованный алюминиевоцинковый сплав направляют на дистилляцию, которую вначале целесообразно проводить при обычном давлении, а Затем в вакуумных печах. Недостатком метода является большое количество оборотного цинка. Этими способами можно снизить содержание железа до 0,03—0,10%.
Для удаления железа из алюминиевых сплавов со значительным содержанием кремния применяют марганцевый способ, основанный на образовании тугоплавкого соединения МnАl6, извлекающего железо в виде твердого раствора. Этим путем можно удалить железо до 0,4—0,5%, оставив кремний в сплаве. Марганцевый способ рафинирования нашел наибольшее применение; в этом случае нет нужды во введении в сплав магния и цинка, а вакуумную дистилляцию проводят для удаления лишь тех количеств магния и главным образом цинка, которые обычно содержатся в исходных черновых сплавах. Этим же путем удаляют магний и цинк при относительно невысоком содержании железа в сплавах.
Из изложенного видно, что отгонка цинка и магния под вакуумом является существенным элементом в технологии переработки вторичных алюминиевых сплавов.
Областью металлургии алюминия, где вакуум может найти широкое применение, является производство алюминия из сплавов, полученных электротермическим путем — метод, которому в последнее время уделяется большое внимание. Извлечение (экстрагирование) алюминия при этом способе наиболее целесообразно производить цинком или магнием, отгоняемыми затем в вакуумных печах. Способ позволяет получать алюминий чистотой 99,6% и выше.
Рассмотренные процессы отгонки основаны на значительном различии упругостей паров цинка и магния, с одной стороны, и алюминия, с другой. При температуре 800° упругость паров цинка над сплавом алюминия с 4% цинка составляет около 22 мм рт. ст., а с 0,5% цинка — около 2 мм рт. ст., что в условиях вакуума порядка 0,1—0,3 мм рт. ст. обеспечивает достаточно большую скорость -дистилляции цинка из сплава. Для магния условия дистилляции менее благоприятны, так как при температуре 800° упругость паров этого элемента над типовым промышленным алюминиевым сплавом с 2% магния составляет около 0,3 мм рт. ст., а над алюминиевым сплавом с 0,5% магния — 0,08 мм рт. ст.
Разгонка алюминиевых сплавов

Разгонку алюминиевых сплавов проводят в индукционной низко частотной печи, представляющей собой цилиндрическую шахту с подовым камнем, в котором на замкнутом магнитопроводе расположены индукционные катушки (рис. 11). Печь выложена огнеупорным кирпичом, а подовый камень набивают из специальной огнеупорной кислой массы. Кожух подового камня имеет разделительный герметический шов, исключающий возникновение вихревых токов в металле. Сверху шахта закрыта крышкой, опирающейся через уплотнительное алюминиевое кольцо на фланец печи. Заливку чернового сплава в печь и выпуск отрафинированного металла производят через имеющийся вверху печи специальный патрубок. К шахте с обеих сторон примыкают конденсаторы, заключенные в съемные кожухи, внутри которых расположены нагревательные элементы (нихромовые) для расплавления твердого конденсата. Конденсаторы имеют теплоизоляцию из шлаковаты. Печь питается током обычной частоты. Главный печной трансформатор (800 ква) имеет 11 ступеней напряжения — от 140 до 540 в. Печь работает при вакууме 0,2—0,3 мм рт. ст. Емкость печи — до 3 т сплава. Температура процесса 900—950°. Продолжительность процесса определяется составом и количеством сплава; так, например, отгонка магния из алюминиевомагниевого фильтрата длится 7 час. при остаточком давлении 0,1 мм рт. ст.
Возгоняемые металлы (магний, цинк) конденсируются в твердом состоянии. По накоплении в конденсаторе около 800 кг осадка (от 3 до 7 плавок), его расплавляют и выпускают через сливной патрубок.
В процессе дистилляции при указанном выше вакууме неизбежна частичная конденсация паров в виде пылевидного конденсата. Особую •опасность представляет образование пирофорной магниевой пыли. Во избежание взрывов этой пыли при соприкосновении с кислородом воздуха все операции, связанные с открыванием печи, производят после заполнения ее водородом. Очевидно, что в процессе эксплуатации печь также должна находиться в атмосфере водорода или под вакуумом.
Если на дистилляцию направляют сплавы, содержащие до 5% цинка и не более 0,5% магния, то конденсат в этом случае, как показала практика работы Подольского завода вторичных цветных металлов, может быть извлечен из печи в твердом виде или после расплавления его на воздухе без опасения возгорания осадка. Это объясняется тем, что получаемая при отгонке таких сплавов пыль содержит 75—80% цинка и по свойствам близка к цинковой пыли, которая, в отличие от магниевой, не пирофорна, что позволяет значительно упростить обслуживание и увеличить производительность печи.
В течение последних лет много внимания уделяется исследованию процесса рафинирования алюминия через субсоединения, главным образом субфторид и субхлорид.
Субсоединения образуются в глубоком вакууме в интервале температур 800—1000° при контакте алюминия или его сплава с фторидом или хлоридом алюминия, в более же холодных частях реактора происходит разложение неустойчивых субсоединений на чистый металлический алюминий и исходные фторид или хлорид:
АlF3(тв) + 2Аl (тв) → 3АlF (газ),
3АlF (газ) → 2Аl (ж) + АlF3 (тв).

Процесс представляет интерес для извлечения чистого алюминия из первичных или вторичных алюминиевых сплавов и получения сверхчистого алюминия (до 99,999%). Однако в настоящее время способ еще не нашел промышленного применения из-за трудностей аппаратурного оформления.