Рафинирование алюминия хлорированием, переплавка в электропечи и литье слитков

29.01.2017

Для очистки алюминия-сырца от неметаллических примесей к газовых включений через расплавленный алюминий в ковше пропускают газообразный хлор, подаваемый из специальных баллонов. При этом хлор, взаимодействуя с частью алюминия, образует хлористый алюминий, который выделяется из металла в виде паров (кипит хлористый алюминий при температуре 180° С). Пары хлористого алюминия адсорбируются взвешенными в металле частицами глинозема, фтористых солей, карбида и угля, которые затем выносят пузырьки хлористого алюминия на поверхность расплавленного металла. Одновременно происходит взаимодействие хлора с находящимися в алюминии натрием, кальцием и магнием с образованием их хлористых соединений. Эти хлориды оседают на дно отстойника или всплывают на поверхность расплавленного металла. Всплывшие примеси в виде рыхлого серого порошка тщательно снимают с поверхности алюминия дырчатой ложкой — шумовкой. Водород из алюминия удаляется с отходящими газами.
Хлор на алюминиевый завод поставляется в специальных баллонах, в которых он находится под давлением и в сжиженном состоянии.
Хранятся баллоны в хлорной камере — изолированном помещении, в котором их устанавливают вертикально в специальных стеллажах. Хлорный баллон имеет высоту 900—1300 мм. Внутри баллона находится трубка, которая в верхней части баллона соединена непосредственно с запорным клапаном игольчатого типа. К игольчатому клапану с помощью гайки крепят резиновый шланг, который через специальное окно в стене подают к установке для хлорирования жидкого алюминия в ковше.
В хлорной камере всегда должны быть специальные бассейны с известковым молоком (раствором погашенной извести в воде). Они нужны на тот случай, если из какого-либо баллона (при его порче) начнет вытекать хлор и не удается быстро устранить утечку газа. Такой баллон опускают в бассейн, где он находится до полного удаления из него хлора. Последний, выходя из баллона, поглощается известковым молоком по реакции
2Са(OH)2 + 2Сl2 = Ca(OCl)2 +CaCl2 + 2Н2О,

благодаря этому устраняется опасность отравления близко находящихся людей хлором.
На рис. 97 показана схема установки для хлорирования алюминия, она состоит из специального механизма конструкции Н.В. Сарнавского и камеры (колпака), в которой устанавливают перед началом хлорирования ковш (емкостью 1600 кг) с жидким алюминием.
Рафинирование алюминия хлорированием, переплавка в электропечи и литье слитков

В этой установке трубка для хлорирования 1 вместе с резиновым шлангом 15 укреплена на специальном столике 8 с рычажным механизмом, который служит для перемещения трубки 1 внутри ковша с алюминием по окружности. Столик S с механизмом для вращения трубки можно поднимать и опускать до нужных пределов с помощью лебедки 9 и троса, что дает возможность регулировать глубину погружения трубки в металл Конец трубки снабжен наконечником-барботёром 6, разбивающим струю хлора на большое число пузырьков, что позволяет увеличить эффект хлорирования. Для хлорирования алюминия применяют графитированные угольные или кварцевые трубки (металлическая трубка в этом случае не пригодна, так как она сама будет растворяться и загрязнять алюминий).
Угольную или кварцевую трубку, с целью увеличения срока ее службы, обматывают снаружи шнуровым асбестом, на который сверху наносят слой огнеупорной глины с асбеститом.
Камера, в которой производится хлорирование, сверху укрыта колпаком, соединенным трубой с вентилятором Последнее необходимо для удаления как непрореагировавшего хлора (если он подается в избыточном количестве, а трубка неглубоко опущена в расплавленный алюминий), так и образовавшихся хлористого алюминия и хлористого водорода. Последний получается в результате взаимодействия хлористого алюминия с влагой по реакции
AlCl3 + ЗН2О = Al(OH)3 + 3НСl.

Парообразные и газообразные продукты реакции удаляются вентилятором через трубу в атмосферу выше крыши цеха.
Ковш с расплавленным металлом в камеру для хлорирования подают на вагонетке по узкоколейному пути, после того как температура металла снизилась до 750—770°, но не ниже 720° С. Измерение температуры производят термопарой. В период погружения трубки в металл постепенно открывают вентиль на хлорном баллоне и включают привод механизма для вращения трубки Трубку опускают в ковш с таким расчетом, чтобы нижний конец ее не доходил до дна ковша на 100—150 мм. При этом следят за тем, чтобы хлор равномерно выделятся на поверхности металла.
Операция хлорирования длится (в зависимости от последующего назначения металла) в течение 10—15 мин После этого металлу дают отстояться в течение еще 5—10 мин. для отделения (всплывания) шлака. Шлак с поверхности алюминия снимают шумовкой, а затем ковш с металлом тельфером или мостовым краном подают либо к разливочному конвейеру, либо к электропечи. Расход хлора при хлорировании составляет около 0,5 кг на 1 г алюминия.
Шлак, снимаемый с поверхности алюминия после его хлорирования, содержит 60—65% металлического алюминия. Количество снимаемого шлака составляет 2—4 кг/г металла.
Переплавка алюминия в электрической печи имеет целью:
1) очистить алюминий от неметаллических примесей и газовых включений путем отстаивания металла в печи с неоднократным снятием шлака;
2) получить путем смешения (шихтовки) различных по качеству партий алюминия металл нужной марки;
3) осуществить наиболее рационально отливку различных по форме и размерам слитков.
Неметаллические примеси при рафинировании алюминия или всплывают на поверхность металла, или оседают на дно ковша (или подину печи). Чем дольше выдерживается металл в расплавленном состоянии, тем полнее отделяются от него взвешенные частицы примесей, но тем сильнее алюминий окисляется и тем больше он насыщается газами. Поэтому для каждого количества загруженного металла устанавливают вполне определенное время его отстоя.
Чем выше температура нагрева расплавленного алюминия, тем он менее вязок и тем легче всплывают частицы примесей на поверхность или оседают на дно, тем полнее металл освобождается от них. Однако повышение температуры металла, с другой стороны, способствует окислению металла и растворению в нем газов. Поэтому при рафинировании алюминия в печи его нагревают лишь до 690—730° С. При данной температуре отстаивание алюминия позволяет освободиться лишь от части взвешенных частичек (окислов). Поэтому переплавка твердого металла в электропечах производится довольно редко.
На заводах, производящих первичный алюминий, как правило, после хлорирования металл, предназначенный для разливки в чушки или для изготовления сплава, в жидком виде направляют для смешения (шихтовки) и некоторой дополнительной рафинировки в отражательную печь сопротивления. В случае отливки слитков (вайербарсов) металл перед заливкой в печь подвергается дополнительному отстаиванию в электропечи — миксере. Иногда, при отсутствии нужного количества печей, отстаивание ведут в обычном литейном ковше, укрытом сверху крышкой.
Рафинирование алюминия хлорированием, переплавка в электропечи и литье слитков

Отражательная электрическая печь сопротивления (рис. 98) состоит из металлического кожуха 1. имеющего форму полуцилиндра. Снаружи к кожуху крепят все металлические детали необходимые для обслуживания печи (лётку, ролики, рамы для дверец, цапфы для поворота и установки печи на опорах и т. п.). Кожух обычно покоится на четырех колоннах 2, расположенных по обеим продольным сторонам печи. Изнутри он футерован теплоизоляционным и шамотным кирпичом 3. Рабочее пространство печи состоит из свода печи и трех отделений: двух форкамер и расположенной между ними сборной камеры — ванны. Нижняя часть футеровки печи, прилегающая к кожуху выполнена из теплоизоляционного кирпича; верхняя же часть футеровки, с которой соприкасается расплавленный алюминий, выполнена из шамотного кирпича. Свод печи выкладывают из специального (фасонного) кирпича, в пазах которого крепят нагревательное элементы.
Нагревательные элементы изготовляют обычно из нихрома (в виде ленты или проволоки).
Температура спиралей — в среднем около 1000° C. Нагрев их до более высокой температуры может привести к выходу их из строя. Нагрев спиралей до 1000° C обеспечивает нагрев находящегося в печи металла до 800—850° С, хотя обычно литье алюминия и его сплавов производится при значительно более низкой температуре (690—730° С).
Против каждой секции спиралей для измерения и регулировки температуры подведены термопары, соединенные с терморегулятором, позволяющим автоматически регулировать температуру каждой секции и в целом печи с точностью до ±10° С. Tepмопары установлены таким образом, что позволяют измерять температуру непосредственно у самого нагревательного элемента. Поскольку каждая секция в электрическом отношении работает самостоятельно, то смена спиралей может осуществляться без остановки печи.
Для загрузки и снятия шлака с поверхности (зеркала) металла в торцевых стенках печи устроены завалочные отверстия (окна), закрываемые дверцами. Подъем и опускание каждой дверцы производится при помощи рычага, снабженного противовесом. Изнутри дверцы футерованы огнеупорным кирпичом. Печь снабжена лёткой, через которую ведут разливку, и поворотным механизмом для постепенного наклона печи и обеспечения равномерной струи металла вплоть до полного удаления его из печи.
Печь перед загрузкой шихтового металла тщательно очищают от шлака. Заливку металла в печь производят через специальную съемную лётку (состоящую из стальной коробки и отводной чугунной трубы, вделанной в дно коробки), установленную в загрузочном окне печи. Внутреннюю поверхность коробки футеруют листовым асбестом и смазывают смесью глины с асбеститом.
Такой способ заполнения печи металлом обеспечивает меньшее окисление алюминия и загрязнение его окислами. В послед нее время заполнение печи металлом производят при помощи сифона, что в значительной степени снижает загрязнение алюминия окисными плёнами.
Загрузку чушкового металла в печь производят таким образом, чтобы в металлосборнике (ванне) и на откосах (в камерах) чушки не соприкасались с боковой футеровкой печи, а в форкамерах и в ванне печи оставляют свободное пространство для удаления шлака из печи. По окончании загрузки металла печь включают на полную мощность. Для уменьшения окисления алюминия во время плавки чушек и отстаивания металла, а также во время литья слитков дверцы печи держат закрытыми. После нагрева в форкамере чушки постепенно погружают в ванну печи. Перед каждой новой загрузкой с поверхности расплавленного алюминия снимают шлак.
Печь работает циклами продолжительностью: при работе на твердом алюминии — 3 суток, а на жидком — в течение 7—10 суток, после этого печь останавливают для очистки от шлака. Затем цикл повторяется снова. Чтобы в слитки не попадали окисные пленки и шлак, литник и лёточное отверстие время от времени очищают от окисных пленок и шлака. Во время выпотнения всех операций при обслуживании печи следят за тем, чтобы не было повреждения футеровки печи загружаемыми чушками и инструментами, а также попадания брызг расплавленного металла на нагревательные элементы (спирали). Очистку печи от шлаков, во избежание поражения током, производят после выключения тока.
Литье алюминиевых чушек можно осуществлять следующими тремя способами: 1) из ковша на станке; 2) из ковша на конвейерной машине и 3) из электропечи-миксера на конвейерной машине. При первом способе литье алюминиевых чушек производится в неподвижные изложницы, а при двух последних — в изложницы, перемещающиеся во время литья. При всех способах применяют чугунные изложницы.
Разливку алюминия на станке, на котором установлены неподвижные чугунные изложницы, производят из ковша, подвешенного на кране. Ковш по мере заполнения алюминием изложниц перемещается от изложницы к изложнице. После заполнения каждой изложницы металлом с расплавленной поверхности алюминия снимают окисную пленку. После остывания чушки алюминия обычно извлекают из изложниц вручную. Этот способ литья очень трудоемок и неэкономичен; в настоящее время его применяют только в исключительных случаях.
Разливочная машина — конвейер состоит из стальной сварной рамы длиной около 9—10 м, в середине которой движется состоящая из отдельных звеньев бесконечная цепь. На этой цепи в цапфах закреплены чугунные формы-изложницы. Цепь с изложницами приводится в движение через редуктор электродвигателем со скоростью 1—1,5 м/мин. Изложницы, передвигаясь над стальной рамой, подходят под струю металла, вытекающего из лётки печи, наполняются им и, доходя до конца рамы с уже охлажденным металлом, опрокидываются. При ударе изложницы о специальный упор-буфер алюминиевая чушка выпадает из изложницы на специальный столик. Затем изложницы совершают обратный путь под рамой. Перед выходом на другом конце рамы изложницы поворачиваются, занимая первоначальное положение, и, подходя к струе металла, снова заполняются им. Для ускорения застывания металла изложницы охлаждаются воздухом, который подается специально для этой цели установленным вентилятором. Иногда охлаждение изложниц производят водой.
Полученные чушки отбраковывают по внешнему виду в соответствии с требованиями ГОСТ 3549—55 и укладывают в стеллажи. На каждой годной чушке ставят клеймо OTK и указывают номер печи и плавки. Чушки должны быть плотными и однородными, на поверхности их не должно быть «неслитин» и шлаковых включений. «Неслитины» образуются при слишком низкой температуре разливаемого металла или в случае заливки металла в холодные изложницы.
При заливке металла в изложницу на его поверхность всплывают неметаллические примеси, которые удаляют специальной лопаткой, пока металл не успел застыть. Эти съемы (шлак), образующиеся при разливке металла, содержат до 95 % металлического алюминия, а количество снимаемого шлака (в зависимости от температуры и чистоты разливаемого алюминия) составляет 7—8 кг на тонну алюминия.
При разливке алюминия из ковша последний краном (или тельфером) подается к разливочной машине. Во время разливки ковш висит на одном месте, перемещаются же изложницы разливочной машины.
Ho в последние годы и этот способ вытесняется более совершенным способом — литьем в изложницы конвейерной машины, установленной у лётки электрической печи.
Основные преимущества такого способа следующие:
1. Литье осуществляется при более низкой температуре металла (700—720°С), благодаря чему облегчаются условия работы изложниц и непрерывная разливка алюминия может идти в течение длительного времени (7—10 суток).
2. Уменьшается высота падения струи металла из лотка в изложницу, один и тот же рабочий осуществляет разливку металла и съем шлака.
3. За счет снижения температуры литья и уменьшения высоты падения струи потери металла снижаются в 2—3 раза.
4. Исключаются простои разливщиков из-за несвоевременной подачи ковшей.
5. Укрупняется партия металла, что позволяет повысить однородность состава алюминия.
6. Облегчаются условия шихтовки металла и переплавки различных отходов.
Литье вайербарсов. Вайербарсы являются одним из наиболее ответственных видов готовой продукции. Они предназначаются для прокатки и волочения алюминиевых изделий. K вайербарсам, по сравнению с другими алюминиевыми слитками, предъявляются повышенные требования в отношении содержания неметаллических примесей и газовых включений, а также по структуре слитка. Они отливаются только из алюминия марки А0П или A1П.
Литье вайербарсов производят двумя способами: 1) в чугунные изложницы с помощью «башмака» и 2) полунепрерывным методом.
Первый способ литья вайербарсов в чугунные изложницы имеет ряд недостатков, к числу которых относятся: 1) крупнозернистое строение слитка, снижающее его механические и пластические свойства; 2) наличие значительной пористости, в особенности в верхней усадочной части слитка; 3) необходимость иметь большой парк изложниц; 4) тяжелые условия труда обслуживающего персонала при литье; 5) большие потери металла и ряд других недостатков.
Поэтому литье вайербарсов в чугунные изложницы за последние годы заменено более совершенным методом полунепрерывного литья. К его преимуществам относятся: приближение к непрерывности процесса, устранение дорогостоящих изложниц, значительное облегчение условий и повышение производительности труда, улучшение структуры слитка и увеличение выхода годной продукции вследствие отсутствия верхней усадочной зоны. Cтруктура таких слитков приведена на рис. 99.
Рафинирование алюминия хлорированием, переплавка в электропечи и литье слитков

Теория и практика полунепрерывного литья юстаточно подробно разработаны советскими исследователями — В.И. Добаткиным, С.И. Вороновым, М.Б. Гохштейном, П.К. Ковшиковым и др.
Установка для литья вайербарсов полунепрерывным методом довольно проста. Она состоит из двух колодцев, в которых находятся так называемые гидравлические столы 13 (рис. 100). Подъем столов осуществляется с помощью гидравлического подъемника, в который подается масло под давлением 6—7 ат. Опускание столов при литье происходит под действием их собственного веса. Вытесняемое из цилиндров масло поступает снова в приемный бак. На столах устанавливают поддоны, которые закрывают нижнюю часть кристаллизаторов. Ход столов равен 2800 мм. В каждом колодце укрепляются на откидных рамах четыре, иногда шесть кристаллизаторов. Литье производится на каждом из колодцев попеременно. В то время как на одном колодце производится литье, на другом выполняются необходимые подготовительные операции: выемка отлитых вайербарсов, подъем стола, смазка кристаллизаторов, установка поддонов и литейной чаши. Кристаллизаторы (рис. 101) сделаны из силумина или дюралюминия и имеют в нижней части отверстия, из которых вода под давлением 3—4 ат, направляется на поверхность вайербарсов, выходящих из кристаллизаторов. Стекающая по вайербарсам вода поступает в колодец и после достижения сливной грубы уходит в канализацию.
Рафинирование алюминия хлорированием, переплавка в электропечи и литье слитков
Рафинирование алюминия хлорированием, переплавка в электропечи и литье слитков

Разлив металла производится из электропечи-миксера.
Из лётки миксера металл поступает в литейную чашу по футерованному асбестом стальному желобу. Литейная чаша изготовлена из листовой стали и футерована асбестовым листом, смазанным смесью глины с асбеститом. Чаша имеет четыре или шесть желобков, через которые металл поступает в кристаллизаторы Перед литьем литейная чаша просушивается в специальной печи яри температуре 150—200° С. Во время литья уровень металла в литейной чаше поддерживается постоянным — на 20—25 мм ниже верхнего ее края.
Количество металла, вытекающего из чаши в желобки, регулируется «пиками» с пробками из асбестового шнура на концах.
Во время литья для обеспечения хорошей поверхности и структуры вайербарсов температуру металла в миксере поддерживают в пределах 690—710° С, а в литейной чаше на 12—15°С ниже, чем в миксере. Скорость опускания отливаемого вайербарса устанавливается в пределах 180—210 мм/мин. При такой скорости продолжительность отливки вайербарсов длиной 2700 мм составляет 13—15 мин. Для лучшего скольжения и получения гладкой поверхности слитка стенки кристаллизатора смазываются солидолом или нигролом с помощью специальной щетки.
Для извлечения из колодца отлитых вайербарсов снимают литейную чашу, а рама с кристаллизаторами отводится в сторону, слитки поднимаются на 1 м выше уровня колодца В этом положении их захватывают тельфером и подают на резку дисковой пилой. Отрезанные вайербарсы имеют длину 1100—1400 мм.
Готовые слитки проверяют по внешнему виду и внутренней структуре. На каждом готовом слитке ставят номер плавки и клеймо ОТК, краской маркируют его сорт, после чего слитки отправляют на склад готовой продукции.