VIII KONFERENCJA ODLEWNICZA

TECHNICAL 2005

65

MECHANIZACJA PROCESU RAFINACJI

CIEKŁYCH STOPÓW

MECHANIZACJA PROCESU RAFINACJI CIEKŁYCH STOPÓW

Zbigniew BONDEREK

1

Stanisław RZADKOSZ

2

Wydział Odlewnictwa

Akademia Górniczo-Hutnicza

im. Stanisława Staszica

Zdzisław SMORAWI SKI

3

Aluminium Recykling Organizacja Odzysku S.A

1. Wst p.

Głównym czynnikiem kształtuj cym jako odlewów jest stan przygotowania

ciekłego metalu wlewanego do wn ki formy. Z powodu złej jako ci ciekłego stopu

wyst puj głównie dwa rodzaje wad odlewów, a mianowicie porowato gazowa

i wtr cenia niemetaliczne. Porowato gazowa powstaje na skutek wydzielania si

w czasie krzepni cia rozpuszczonego w ciekłym metalu gazu, głównie wodoru. Gaz ten

tworzy w odlewie p cherze o ró nej wielko ci powoduj ce makro i mikroporowato .

Wtr cenia niemetaliczne stałe pochodz z zanieczyszczonego wsadu metalowego, b d te

mog by produktem chemicznych procesów (głównie reakcji utleniania stopów)

zachodz cych w trakcie topienia. Celem wyeliminowania tych dwóch rodzajów

zanieczyszcze ze stopionego metalu stosuje si zabiegi rafinacji.

Przegl d literatury technicznej, dotycz cej rafinacji ciekłych stopów wskazuje,

e post p w tym zakresie zmierza w kierunku: - podwy szania efektywno ci

i ekonomiczno ci procesu, - zmechanizowania procesu, - stosowania ekologicznych

materiałów. Mi dzy innymi rozpowszechnia si metody rafinacji gazami oboj tnymi

ciekłych stopów, które w du ym stopniu spełniaj wymienione wy ej tendencje.

2. Metoda rafinacji gazami oboj tnymi.

Opracowano wiele metod odgazowania k pieli metalowej; przykładowe zestawione

w tabeli 1. Metody te w wi kszo ci prowadz do wytworzenia w ciekłym stopie strumienia

p cherzy gazu oboj tnego lub aktywnego. Poniewa ci nienie cz stkowe wodoru

w p cherzach przepływaj cych przez k piel jest bliskie zeru, wodór rozpuszczony

w ciekłym metalu dyfunduje do tych p cherzy, a nast pnie jest usuwany z nimi,

wypływaj c na powierzchni do atmosfery.

Szybko i skuteczno odgazowania jest wi ksza, gdy stosuje si gaz aktywny (np.

chlor), ni gaz oboj tny, jak np. argon lub azot. Jednak operacje z chlorem stwarzaj

znaczne problemy dla obsługi i rodowiska. Kompromisem jest stosowanie mieszaniny

gazów, np. N2 + Cl2, która pozwala na skuteczne odgazowanie przy niewielkiej emisji

gazów szkodliwych.

W metodach tych mog by stosowane proste lance do wprowadzania gazu z butli

w gł b ciekłego stopu w sposób ci gły lub impulsowy. Mog te by stosowane tabletki

zwi zków chemicznych, które po zanurzeniu w metalu rozkładaj si , tworz c gaz

rafinuj cy.

1

prof. dr hab. in .,

@uci.agh.edu.pl

2

dr hab in . prof. AGH.

@uci.agh.edu.pl

3

in . . 62-510 Konin , ul.Hutnicza 1

VIII KONFERENCJA ODLEWNICZA

TECHNICAL 2005

66

Nowa Sól 12-13.05.2005 r.

Odlewnictwo XXI wieku

technologie, maszyny i urz dzenia odlewnicze

Tabela 1. Przegl d metod odgazowania stopów Al [2].

Metoda

Gaz

rafinuj cy

Efektywno

rafinacji

Koszty

inwestycji

Emisja gazów

szkodliwych

Czasochłonno

operacji

Zaanga owanie

operatora

Tabletki -aktywny

-oboj tny

du a

umiarkowana

nie ma

nie ma

du a

nie ma

umiarkowana

umiarkowana

du e

du e

Przedmuch

lanc

-aktywny

mieszany

-oboj tny

du a

umiarkowana

mała

niskie

niskie

niskie

du a

umiarkowana

nie ma

umiarkowana

du a

du a

umiarkowana

umiarkowana

umiarkowana

Przedmuch

wirnikiem

mieszany

-oboj tny

du a

du a

umiarkowane

umiarkowane

umiarkowana

nie ma

mała

mała

małe

małe

Stosowanie zwykłej lancy do wprowadzania gazu oboj tnego do k pieli metalowej

jest nieefektywne ze wzgl du na mał wydajno i niezbyt wysok jako metalu. Wynika

to z faktu, e gaz przepływa przez metal w postaci du ych p cherzy. Efektem tego jest

mała powierzchnia reakcji mi dzy ciekłym metalem i p cherzykami, nierównomierne

rozproszenie p cherzy w k pieli metalowej. To zmusza do długiego czasu rafinacji,

du ego zu ycia gazu rafinuj cego, nie zapewniaj c najwy szej ekstrakcji wodoru.

Znamienno ci nowoczesnej metody rafinacji gazowej jest silne rozdrobnienie

p cherzyków gazu rafinuj cego za pomoc wirnika, obracaj cego si w k pieli

i rozprowadzaj cego gaz oboj tny. Rozdrobnienie p cherzy gazowych powoduje

zwi kszenie powierzchni ich reakcji z ciekłym metalem, a rozprowadzenie ich w całej

obj to ci k pieli - skrócenie drogi dyfuzji wodoru. Małe p cherzyki przepływaj powoli

przez ciekły metal, dzi ki czemu czas kontaktu gazu rafinuj cego z k piel wydłu a si .

Czynniki te powoduj wzrost efektywno ci odgazowania przy zastosowaniu gazów

oboj tnych (azotu, argonu), a w efekcie równie usuni cie zagro enia zanieczyszczenia

rodowiska. Równocze nie zachodz intensywnie zjawiska usuwania dyspersyjnych

wtr ce niemetalicznych [1÷4].

3. Badania procesów rafinacji.

Podj te badania obejmuj analiz procesów ekstrakcji zanieczyszcze z k pieli

metalowej i ich wpływu na wła ciwo ci metali i stopów. W ramach bada

przeanalizowano charakterystyk zanieczyszcze gazowych i niemetalicznych w metalach

i stopach oraz metod rafinacji z punktu widzenia warunków technologicznych

i ekologicznych, tj rafinacji gazowej, u lowej, niskoci nieniowej i implozyjnej,

w zestawieniu z efektywno ci rafinacji gazowo- u lowej (barbota owej) przy u yciu

urz dze typu SNIFF, TGL, a tak e krajowego urz dzenia RGZ. Badania efektów rafinacji

w urz dzeniu RGZ obj ły analiz procesu usuwania gazów oraz wtr ce tlenkowych przy

u yciu azotu lub argonu wprowadzanego za pomoc urz dzenia z wiruj c dysz . Wyniki

bada laboratoryjnych z powodzeniem zostały zweryfikowane w warunkach

przemysłowych. Urz dzenie RGZ 1 jest przewo nym rafinatorem, pozwalaj cym na

automatyczne dozowanie argonu jako gazu rafinuj cego przez wiruj cy rotor oraz na

dozowanie u la wraz z gazem no nym (argonem) w odr bnej linii. Takie rozwi zanie

zmniejsza koszty instalacji rafinatora w odlewni i umo liwia wielokierunkowe

zastosowanie do uszlachetniania ciekłych stopów. Omawiana technologia, oprócz du ej

efektywno ci ekstrakcyjnej wykazuje szczególne zalety z punktu widzenia minimalizacji

szkodliwych gazów i wtr ce niemetalicznych, a tak e jest przydatna do obni enia

zawarto ci zanieczyszcze metalicznych jak np. wap .

VIII KONFERENCJA ODLEWNICZA

TECHNICAL 2005

67

MECHANIZACJA PROCESU RAFINACJI

CIEKŁYCH STOPÓW

4. Ogólna charakterystyka zanieczyszcze w aluminium i stopach aluminium.

Głównymi zanieczyszczeniami aluminium i stopów aluminium s : tlenki, azotki,

w gliki, borki, wodór gazowy. Pojawiaj si one w toku elektrolizy, w wyniku reakcji

ciekłego metalu z atmosfer i materiałami ceramicznymi wanien i pieców w trakcie

procesów wytwarzania aluminium oraz podczas przetapiania stopów.. Obecno wtr ce

w aluminium i stopach aluminium wynika z faktu intensywnego ich oddziaływania

z atmosfer pieca, zawieraj c du e ilo ci tlenu, dwutlenku i tlenku w gla, pary wodnej,

w glowodorów, obok innych gazów takich jak: azot, siarkowodory, argon i inne gazy

oboj tne. Wyj tkowo du a aktywno chemiczna aluminium i jego stopów prowadzi do

intensywnych reakcji z w/w gazami. Mo liwe s tak e reakcje aluminium z materiałami

ogniotrwałymi. W wyniku pojawiaj si tlenki glinu lub innych metali wchodz cych

w skład stopów aluminium oraz azotki, w gliki, wodorki, a tak e wodór.

2Al + 3 MeO << Al2O3 + 3Me

Mg + MeO << MgO+ Me

W ograniczonym zakresie mo e równie przebiega reakcja tworzenia w glików

typu Al4C3. Dyfrakcja rentgenowska odfiltrowanych zanieczyszcze wykazała obecno :

-

tlenków typu

α-Al2O3 i γ - Al2O3, a tak e amorficznych postaci tlenków -

pojawiaj cych si jako błonki lub drobne aglomeraty,

-

w glików (typu Al4C3) wyst puj cych w aluminium w ilo ci 10-30ppm

w postaci pojedynczych skupisk lub kompleksów z tlenkami lub borkami,

-

azotków o ró nej wielko ci wyst puj cych najcz ciej w poł czeniu z tlenkami,

-

inne zanieczyszczenia metaliczne, jak np: wap , sód, fosfor, niekiedy magnez

i inne.

Badania stopów aluminium wykazały, e w k pieli metalowej mog wyst powa

kolonie - agregaty cz stek w ró nym stopniu rozproszonych w osnowie ciekłego metalu.

Trwało konglomeratów cz stek jest zró nicowana, a ich wielko jest uzale niona od

składu stopów i temperatury przegrzania k pieli metalowej. Obecno zawiesiny tlenkowej

w k pieli metalowej w du ym stopniu mo e decydowa o intensywno ci procesu

rozpuszczania gazów w ciekłym metalu oraz o porowato ci odlewów, wlewków

aluminium i stopów aluminium. Zwi zki pomi dzy wtr ceniami tlenkowymi

i zaabsorbowanym wodorem wyja nia w pewnym stopniu hipoteza o wyst powaniu

kompleksów (Al2O3.)m. i (H)n, zwanych kompleksami tlenkowo-wodorowymi, które

mog si tworzy z drobnodyspersyjnej zawiesiny tlenkowej. Spo ród ró nych form

wyst powania tlenków, tj. du ych zwartych wtr ce , rozwini tych błonek tlenkowych,

zawiesiny drobnodyspersyjnej - posta tlenkowej zawiesiny mo e odgrywa najwi ksz

rol w tworzeniu w/w kompleksów. [6].

5. Rafinacja gazowa.

Jak ju wspomniano, procesy rafinacji gazowej zale silnie od aktywno ci gazu

rafinuj cego i powierzchni kontaktu ciekłego metalu z medium rafinuj cym. Współczesne

technologie wielu firm (UNION CARBIDE, PECHINEY) przewiduj wprowadzanie

medium rafinuj cego za pomoc wiruj cego dysku w ró nych rozwi zaniach (SNIF,

ALPUR, HI, HBS) [8, 9] . M.in. znane jest urz dzenie odgazowuj ce EGL wg patentu

P 3912560 f-my Gundlach GmbH - przeno ne, nakładane na tygiel, z wymiennymi

rotorami o rozmiarach 150÷220 mm- wiruj cymi z szybko ciami rz du 600 obr/min.

W innych odmianach zró nicowane konstrukcje i długo ci rotorów umo liwiaj

wszechstronne zastosowanie urz dze w ró nych warunkach. W kraju proponuje si

VIII KONFERENCJA ODLEWNICZA

TECHNICAL 2005

68

Nowa Sól 12-13.05.2005 r.

Odlewnictwo XXI wieku

technologie, maszyny i urz dzenia odlewnicze

konstrukcje do rafinacji metod wiruj cego dysku w ró nych wersjach RGZ i RGZ 1

(rys.1).

Urz dzenie RGZ 1 składa si z wiruj cego rotora nap dzanego silnikiem

elektrycznym przez system przekładni i zespół sterowania. Urz dzenie posiada system

automatycznej regulacji i sterowania parametrami dozowania gazu i u la. Dozownik

urz dzenia został skonstruowany tak,

e celka dozownika jest ka dorazowo

przedmuchiwana gazem no nym. Gaz no ny (argon lub azot), pobierany z butli, jest

dozowany cyklicznie o regulowanym cyklu podawania dawek u la. W toku bada

stosowano cykl 0 - 0,2 tj. do 20% wypełnienia cyklu dozowaniem u la. u el podawany

dozownikiem jest pneumatycznie transportowany kanałem umieszczonym w płetwie

grafitowej. Dokonano np. 200 cykli dozowania u la ekstrakcyjnego do ciekłego metalu.

W jednym cyklu przez 2 s podawano dozownikiem 10 g u la ekstrakcyjnego gazem

no nym o wydajno ci 0,8 m3/ h, a pozostałe 8 s urz dzenie automatycznie podawało gaz

rafinuj cy w ilo ciach 0,67 ÷ 0, 7 m3/h.

Rys.1. Widok przewo nego urz dzenia RGZ1 do rafinacji

gazowo- u lowej ciekłych metali i stopów

Dla dokonania porównawczej oceny skuteczno ci zastosowanych metod pobrano

próbki do bada rzeczywistej zawarto ci wodoru, zawarto ci tlenków i innych stałych

wtr ce . Jak wynika z przytoczonych danych efektywno usuwania wodoru metod

RGZ1 jest o ok. 33% wi ksza ni z metod pró niow . Wi ksza jest równie wi ksz

intensywno ekstrakcyjna tlenków Al

2

O

3

. Inne badania jako ci ciekłego metalu,

w zale no ci od zastosowanej, metody polegały na badaniach lejno ci stopów AK11,

AK132, 226 i 231 -przed i po rafinacji. Przy zu yciu gazu rafinuj cego 0,7 m3/h uzyskano

wyra ne zró nicowanie wła ciwo ci odlewniczych stopów, co sugeruje na du e

zró nicowanie zawarto ci tlenków w k pielach metalowych.

W ostatnim okresie podj to cykl bada efektywno ci procesu rafinacji barbota owej

ciekłych stopów aluminium przy u yciu laboratoryjnego urz dzenia RMD 1. Zasadniczo

konstrukcja urz dzenia RMD 1 z punktu widzenia elementów zasilania i sterowania jest

podobna jak w przypadku RGZ. Dla uzyskania jednak pełnej informacji o kinetyce

i efektywno ci procesu rafinacji urz dzenie skonstruowano tak, by zasi g wysi gnika

umo liwiał przestawienie rotora wiruj cego w dwa poło enia tj. w gł b pojemnika

prze roczystego wypełnionego ciecz modelow oraz w gł b tygla z ciekłym

metalem.(rys.2).

Pozwoliło to prze ledzi bardzo szczegółowo proces rafinacji u ywaj c ró nych

konstrukcji rotorów i ró nych parametrów procesu rafinacji. Konstrukcje rotorów

przykładowo przedstawiono na rysunku 3.

VIII KONFERENCJA ODLEWNICZA

TECHNICAL 2005

69

MECHANIZACJA PROCESU RAFINACJI

CIEKŁYCH STOPÓW

Rys.2. Widok urz dzenia RMD 1 do rafinacji ciekłych metali i stopów.

Rys.3. Przykładowe konstrukcje rotorów do rafinacji metod wiruj cego dysku.

6. Podsumowanie.

W toku prowadzonych prac i bada nad efektywno ci procesu rafinacji gazowej

stwierdzono, e:

-

proces rafinacji aluminium i stopów aluminium metod wiruj cego dysku za

pomoc urz dze RGZ i RMD wykazuje bardzo du intensywno

odgazowania k pieli metalowej oraz skuteczn ekstrakcj wtr ce tlenkowych

i innych wtr ce niemetalicznych.

-

rafinacja gazowa i gazowo- u lowa za pomoc badanych urz dze stwarza

korzystne warunki procesu z punktu widzenia ekologicznego, wywieraj c

zdecydowanie korzystny wpływ na wła ciwo ci ciekłych metali i stopów,

-

urz dzenia typu RGZ i RMD jako przeno ne mog by zastosowane dla

dowolnych tygli i dowolnych pieców podgrzewczych; s wyposa one w pełn

automatyk sterowania parametrami procesu rafinacji i cyklicznego dozowania

VIII KONFERENCJA ODLEWNICZA

TECHNICAL 2005

70

Nowa Sól 12-13.05.2005 r.

Odlewnictwo XXI wieku

technologie, maszyny i urz dzenia odlewnicze

u li, umo liwiaj c uzyskanie optymalnych wła ciwo ci wytrzymało ciowe

i technologiczne stopów,

-

decyduj cy wpływ na intensywno rafinacji wywiera konstrukcja rotora.

W wyniku prób i bada opracowano now konstrukcj rotora zapewniaj cego

mikrodyspersyjny rozkład p cherzyków gazu rafinuj cego,

-

dokonana optymalizacja parametrów rafinacji gazowo- u lowej umo liwia

wszechstronne zastosowanie urz dze typu RGZ i RMD w odlewniach

i hutach.

Opracowano w ramach pracy AGH nr 10.10.170.133

7. Literatura.

1.

Lech Z., S k Sas G.: Nowoczesne metody rafinacji stopów aluminium z

zastosowaniem zmechanizowanych urz dze , Instytut Odlewnictwa , Kraków 1995

2.

Pattle D.W.: Advances in degassing aluminium alloys, The Foundryman , v.81, 5, 1988

3.

Bonderek Z., Rzadkosz S.; Smorawi ski Z.: System RGZ - urz dzenie do ekstrakcji

zanieczyszcze z ciekłych metali i stopów, Mat. I Konfer." Tendencje rozwojowe

w Mechanizacji Procesów Odlewniczych",- Wydział Odlewnictwa AGH, Komisja

Metalurgiczno Odlewnicza PAN, Oddział Kraków STOP , Kraków, 1994

4.

Bonderek i in.: Technologiczne i ekologiczne zagadnienia ekstrakcji zanieczyszcze

z ciekłych stopów aluminium, Mi dzynarodowa Konferencja Nowoczesne Technologie

Odlewnicze -Ochrona rodowiska , Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków 1995

5.

Holecek S.: - Aluminium ,1973

6.

Makarow G.S.: Rafinirovanije aluminievych spłavow gazami;.Metallurgia 1983,s.57

7.

Postołek H., Adamski C.: Wpływ napi mi dzyfazowych na rafinuj ce oddziaływanie

u li -Archiwum Hutnictwa, T 38, z 4 , Kraków 1981

8.

Griffin J.V.: In Line Refining with SNIF- Technical Paper Union Carbide Corporation,

Tarrytown Technical Center,New York,USA, Aluminum Conference '85,

Szekesfehervar, Hungary

9.

Szekely A.G.: The Removal of Solid Particles from Molten Aluminum in the Spinning

Nozzle Inert Flotation Proces- 1976, nr 7B,s.259-270