65-70

VIII KONFERENCJA ODLEWNICZA

TECHNICAL 2005

MECHANIZACJA PROCESU RAFINACJI

CIEKŁYCH STOPÓW

MECHANIZACJA PROCESU RAFINACJI CIEKŁYCH STOPÓW

Zbigniew BONDEREK

Stanisław RZADKOSZ

Wydział Odlewnictwa

Akademia Górniczo-Hutnicza

im. Stanisława Staszica

Zdzisław SMORAWI SKI

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.

prof. dr hab. in .,

@uci.agh.edu.pl

dr hab in . prof. AGH.

@uci.agh.edu.pl

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

VIII KONFERENCJA ODLEWNICZA

TECHNICAL 2005

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

du a

nie ma

umiarkowana

du e

Przedmuch

lanc

-aktywny

mieszany

-oboj tny

du a

umiarkowana

mała

niskie

du a

umiarkowana

nie ma

umiarkowana

du a

umiarkowana

Przedmuch

wirnikiem

mieszany

-oboj tny

du a

umiarkowane

umiarkowana

nie ma

mała

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

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

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

. 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

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

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.

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

zastosowaniem zmechanizowanych urz dze , Instytut Odlewnictwa , Kraków 1995

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

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

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

Holecek S.: - Aluminium ,1973

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

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

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

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

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

Szekesfehervar, Hungary

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

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