Процесс удаления магния из алюминиевого расплава при флюсовом рафинировании

Тип работы:
Дипломная
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Содержание

магний алюминий флюсовый рафинирование

Введение

1. Аналитический обзор литературы

1.1 Влияние магния на алюминий и его сплавы

1.2 Способы рафинирования алюминиевых сплавов от магния

1.2.1 Рафинирование алюминиевых сплавов газообразным хлором

1.2.2 Флюсовое рафинирование алюминиевых сплавов от магния

1.3 Состав флюсов и способы их получения

1.4 Физико-химические свойства флюсов

1.4.1 Температура плавления флюсов

1.4.2 Плотность флюсов

1.4.3 Вязкость флюсов

1.4.4 Летучесть флюсов

1.4.5 Гигроскопичность флюсов

1.4.6 Взаимодействие флюсов с окислами

1.4.7 Поверхностные свойства флюсов

1.5 Вывод

2. Теоретическая часть

2.1 Механизм удаления магния из алюминиевого расплава при флюсовом рафинировании

2.2 Изучение термодинамических данных флюсов и их составляющих

2.3. Изучение физико-химических свойств флюсов и их составляющих

2.3.1 Плавкость

2.2.2 Поверхностное натяжение и смачивание в расплавленных солях

2.4 Вывод

3. Экспериментальная часть

3.1 Методика проведения экспериментов

3.2 Описание установки

3.3 Проведение экспериментов

3.4 Обсуждение результатов

3.5 Технологическая часть

3.5.1 Методика проведения экспериментов

3.5.2 Проведение экспериментов

3.5.3 Вывод

3.5. Оптимальный технологический режим

3.6 Проектная часть

3.6.1 Конструкция и установка печи для плавки флюса

3.6.2 Технология плавки покровно-рафинирующего флюса

3.6.3 Материальный баланс плавки флюса

3.6.4 Тепловой баланс работы печи

3.6.4.1 Потери тепла теплопроводностью через ограждения печи

3.6.4.1.1 Теплоотдача теплопроводностью через боковую стенку печи

3.6.4.1.2 Теплоотдача теплопроводностью через подину печи

3.6.4.1.3 Теплоотдача теплопроводностью через крышку печи

3.6.4.1.4 Общие потери тепла теплопроводностью через ограждения печи

3.6.4.2 Потери тепла излучением при открытой крышке печи

3.6.4.3 Потери тепла на нагрев и расплавление флюса

3.6.4.4 Расчет электропечи сопротивления

3.6.5 Режим работы печи для плавки флюса

3.7 Технология применения покровно-рафинирующего флюса в индукционных и отражательных печах

3.7.1 Применение флюса в отражательных печах

3.7.2 Применение флюса в индукционных печах

3.8 Безопасность жизнедеятельности и охрана окружающей среды

3.8.1 Анализ опасных и вредных факторов

3.8.2 Краткая физико-химическая характеристика, токсичность веществ, используемых в работе

3.8.3 Характеристика пожаровзрывоопасности

3.8.4 Санитарно-технические требования к помещению

3.8.4.1 Требования к планировке помещения

3.8.4.2 Требования к микроклимату помещения

3.8.4.3 Требования к освещению лаборатории

3.8.5 Разработка мер защиты от опасных и вредных факторов

3.8.5.1 Расчет вытяжного шкафа

3.8.6 Охрана окружающей среды

3.8.7 Вывод

4. Экономика и организация производства

4.1 Технико-экономическое обоснование дипломной работы

4.2 Сетевой график выполнения НИР

4.3 Смета затрат на исследование

4.4 Расчет затрат на заработную плату

4.5 Расчет затрат на материальные ресурсы

4.6 Расчет затрат на электроэнергию

4.7 Расчет затрат на амортизацию оборудования

4.8 Расчет общих затрат на выполнение исследования

4.9 Ориентировочный расчет технико-экономических показателей процесса получения флюса для рафинирования алюминиевых сплавов от примеси магния

4.9.1 Расчет себестоимости предлагаемой установки

4.9.2 Калькуляция себестоимости получения покровно-рафинирующего флюса

4.9.3 Оценка экономической эффективности

4.9.4 Вывод

Выводы

Список использованных источников

Приложения

Введение

В настоящее время производство алюминиевых сплавов из вторичного сырья в России находится на высоком уровне. Увеличению масштабов производства вторичных алюминиевых сплавов способствуют более низкие энергозатраты на переработку сырья, высокая производительность и относительно низкая стоимость оборудования для производства по сравнению с производством первичного алюминия.

Из вторичного алюминиевого сырья производят сплавы трех типов: литейные, деформируемые и раскислители. По химическому составу литейные и деформируемые идентичны сплавам, произведенным первичного алюминия. Литейные сплавы — это, как правило, силумины, т. е. сплавы алюминия с кремнием и добавками меди, магния, марганца и др. Деформируемые сплавы — это сплавы на основе системы Al-Cu-Mg, иначе дуралюмины. Сплавы-раскислители обычно готовят из низкосортного вторичного алюминиевого сырья или из первичного алюминия, с большим содержанием железа /1/. В России переработка вторичного алюминиевого сырья направлена в основном на производство литейных сплавов.

Для получения алюминиевого сплава высокого качества исходное металлическое сырье перед формированием шихты должно пройти определенную подготовку. Перед плавкой сырье в виде лома сортируют по видам и группам. Крупногабаритный промышленный и бытовой лом разрезают на куски, удобные по размерам для загрузки в печь. Сортировку мелкого лома производят в ручную, руководствуясь в основном внешними признаками. Поступающие на завод отходы в виде стружки предварительно сушат, чтобы удалить влагу и масла, а отходы в виде высечки, проволоки, листа, фольги пакетируют. Литейные сплавы отделяют от деформируемых, производят более подробную сортировку, например, на сплавы высококремнистые и малокремнистые, с высоким содержанием магния или цинка, и т. п.

Однако, как бы тщательно ни велись операции сортировки и шихтоподготовки, значительная часть лома и отходов, загрязненная неметаллическими примесями, все же поступает на плавку. Примеси переходят в состав получаемых сплавов как в виде чистых компонентов, так и в виде оксидов (твердых включений), тем самым, снижая их механические свойства, и растворенных газов, образующих при затвердевании сплавов пористость. Поэтому перед разливом на чушки или на полуфабрикаты производят операции расшихтовки, корректировки и рафинирования жидких сплавов.

Подольский завод цветных металлов (ПЗЦМ) является крупнейшим в России заводом по переработки вторичного алюминиевого сырья. Основная часть производимых сплавов поставляется за границу как напрямую потребителю, так и через Лондонскую биржу металлов (LME), поэтому к качеству продукции предъявляются жесткие требования. При производстве алюминиевых сплавов содержание различных компонентов в сплаве задается составом загружаемого сырья.

Наиболее часто встречающаяся проблема — это повышенное содержание магния и кальция в алюминиевых сплавах. Решение проблемы эффективного удаления магния из алюминиевых сплавов дает возможность значительно расширить сырьевую базу при получении марочных сплавов. Так, например, из самолетного лома сейчас производят только сплавы типа АВ (раскислители). При эффективном же извлечении магния из таких ломов возможно изготовление более дорогих марок алюминиевых сплавов.

В настоящее время для рафинирования алюминиевых сплавов от магния на производстве используется криолит и «Экораф-3».

При использовании криолита содержание магния в алюминиевом сплаве снижается до 0,05%, но при этом его практический расход в 1,5−2,0 раза выше теоретического, возрастает себестоимость рафинирования и соответственно увеличивается цена сплава, что делает не целесообразным такой способ рафинирования.

Использование флюса «Экораф-3», основной составляющей которого является соединение Na2SiF6, тоже имеет ряд недостатков. В процессе рафинирования при разложении кремнефтористого натрия в атмосферу выделяется фторид кремния SiF4, в количестве, превышающем экологические нормы. Стоимость и расход этого рафинирующего флюса достаточно высокие.

В связи с этим, целью моей дипломной работы является разработка нового состава флюса для рафинирования алюминиевых сплавов от магния, обладающего также покровными свойствами, экологически безопасного в применении и имеющего стоимость, не превышающую стоимость «Экораф-3» и криолита.

1. Аналитический обзор литературы

1.1 Влияние магния на алюминий и его сплавы

Магний образует с алюминием б — твердый раствор (рисунок 1), концентрация которого при повышении температуры увеличивается с 1,4 до 17,4% в результате растворения фазы Mg2Al3. количество фазы Mg2Al3 увеличивается по мере увеличения содержания магния. При этом предел прочности сплавов уменьшается с 11 кгс/мм2 до 30 кгс/мм2 при соответствующем снижении относительного удлинения с 28 до 16% и увеличении склонности к коррозии под напряжением.

Рисунок 1 — Диаграмма состояния системы Al-Mg

Алюминиевые сплавы с повышенным содержанием магния (9−11%) обладают склонностью к окислению во время плавки, разливки и кристаллизации, что приводит к появлению окисленных пленок переменного состава в его структуре и снижению механических свойств. При малом содержании магния в сплаве (менее 0,01%) пленка имеет структуру Al2O3. При содержании магния от 0,01 до 1,00% пленка состоит из шпинели (MgO·Al2O3) переменного состава и кристалликов MgO. Если магния более 1,5%, то пленка состоит из оксида магния /2/.

С увеличением содержания магния ухудшаются литейные свойства алюминиевого сплава, появляется повышенная чувствительность к примесям железа и кремния, которые образуют в этих сплавах нерастворимые фазы, снижающие пластичность сплавов. Также магний увеличивает проницаемость алюминиевого расплава для водорода.

В связи с этим, рафинирование вторичных алюминиевых сплавов является весьма актуальной задачей.

1.2 Способы рафинирования алюминиевых сплавов от магния

Содержание магния можно уменьшить простой выдержкой расплава при высокой температуре и перемешивании, используя высокое сродство к кислороду и более высокую, чем у других компонентов сплава, упругость пара при температурах выдержки. Однако следует иметь в виду, что при высокотемпературных выдержках будет увеличиваться окисленность и газонасыщенность сплавов.

Продувкой можно снизить содержание примесей магния, т. е. этот металл образует в этих условиях устойчивые нерастворимые в алюминии нитриды.

1.2.1 Рафинирование алюминиевых сплавов газообразным хлором

Магний можно удалить продувкой расплава хлором. Магний удаляется по реакции:

Mg + Cl2 = MgCl2, (1)

2Al +3Cl2 = 2AlCl3, (2)

2AlCl3 +3Mg = 3MgCl2 + 2Al. (3)

Образующиеся хлориды магния растворяются в слое флюса. Реакция взаимодействия магния с хлором экзотермическая, что приводит к перегреву металла. Поэтому продувку рекомендуется производить при возможно более низкой температуре или в расплав вводить не чистый хлор, а азот с примесью хлора (7−10%).

Применение выше изложенного способа связано с выделением в атмосферу хлора. Поэтому предлагается очистку сплавов от магния производить вдуванием в расплав при помощи азота порошкообразного хлорида алюминия, используя реакцию:

2AlCl3 + 3Mg = 3MgCl2 + 2Al, (4)

где хлор не выделяется в атмосферу, а не прореагировавший хлорид алюминия поглощается покровным слоем флюса /1/.

1.2.2 Флюсовое рафинирование алюминиевых сплавов от магния

Из флюсового рафинирования алюминиевых сплавов наибольшее распространение в производстве нашел метод, основанный на применении фтористых солей, в частности NaF и AlF3.

Система NaF-AlF3 впервые была изучена Федотьевым и Ильинским. На диаграмме было обнаружено два химических соединения: одно конгруэнтное — криолит NaAlF6, второе инконгруэнтное — хиолит 5NaF3•AlF3.

Существование NaAlF4 в парах впервые было доказано исследованиями упругости пара и рентгеноструктурным анализом конденсатов.

Были проведены исследования расплавов с большим содержанием AlF3, которые показали существование конгруэнтного химического соединения эквимолярного состава NaAlF4 (метафторалюминат натрия). Было установлено, что при температуре 480 0С происходит распад:

5NaAlF4 = 5NaF•3AlF3 + 2A1F3 (5)

Этим и объясняется то обстоятельство, что при медленном охлаждении расплавов, содержащих около 50 мольных долей % AlF3, не удавалось обнаружить кристаллы NaAlF4. При закаливании (быстрое охлаждении) таких смесей можно получить до 75% NaAlF4 /3/. Диаграмма состояния представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 — Диаграмма состояния системы NaF-AlF3

Таким образом, при плавлении криолит распадается на фторид натрия и метафторалюминат натрия по реакции:

Na3AlF6 = 2NaF + NaAlF4, (6)

а метафторалюминат натрия — на криолит и фторид алюминия:

3NaAlF4 = Na3AlF6 + 2A1F3 (7)

Попытки количественной оценки степени термического распада криолита предпринимались неоднократно /4, 5/. В работе /5/ для вычисления проводился графический анализ изотермы эквивалентных объемов системы NaF-NaAlF3 (рисунок 3).

Изотерма эквивалентных объемов имеет отчетливый минимум над составом криолита. Если предположить, что система NaF-NaA1F4 идеальна, тогда изотерма эквивалентных объемов будет прямой, соединяющей эквивалентные объемы NaF и NaA1F4, а точка С дает объем гипотетического криолита, полностью распавшегося на NaF и NaA1F4. Если сделать противоположное предположение, что криолит совершенно не распадается, и считать, что в частных системах NaF-Na3AlF6 и Na3AlF6-NaA1F4 эквивалентные объемы подчиняются правилу аддитивности, то прямолинейной экстраполяцией правой и левой частей фактической кривой на ординату криолита можно получить в точке В объем гипотетического криолита полностью недиссоциированного. Фактический эквивалентный объем криолита отвечает точке А, и степень диссоциации криолита может быть получена из соотношения:

(8)

А — фактический объем криолита,

В — объем гипотетического и недиссоциированного криолита,

С — объем гипотетического полностью диссоциированного криолита.

Рисунок 3 Эквивалентные объемы в системы NaF-NaAlF4 при 1000 0С

При 1000 0С значение, а равно 25%. Криоскопические исследования Гротгейма /6/ дают близкую величину, а равное 30%, при той же схеме диссоциации криолита.

Аналогичные расчеты были проведены и для диссоциации метафторалюмината натрия по формуле (7). Графический анализ изотермы эквивалентных объемов системы Na3AlF6-A1F3 показал, что степень диссоциации (а) равна 15%.

Для проверки степени диссоциации вышеуказанных реакций криолита и метафторалюмината натрия были рассчитаны термодинамические данные через третье приближение с помощью уравнения:

Y = 'i • Y'i — i • Yi, (9)

где Y'I — мольное значение термодинамической функции вещества,

относящегося к продуктам реакции, моль;

Yi — соответствующее значение для вещества, относящегося к реагентам, моль.

В настоящее время на производстве используется метод, основанный на реакции магния с криолитом:

2Na3AlF6 + 3Mg = 3MgF2 + Al + 6NaF (10)

Теоретический расход криолита составляет 6 кг на 1 кг удаляемого магния. На практике он в 1,5−2,0 раза выше. Содержание магния снижается до 0,05%. Реакция идет при температуре 850−900 0С. С целью снижения температуры процесса на зеркало рафинируемого расплава вводят криолит в смеси с 40% NaCl и 20% KCl, остальное криолит. Эта смесь при температуре рафинирования (примерно 800 0С) находится в жидком состоянии /1/.

Высокая цена криолита делает не целесообразным такой способ рафинирования, т.к. достигаемое улучшение сортности и соответственно увеличение цены сплава не покрывает затраты себестоимости рафинирования.

Между тем, флюсовое рафинирование является наиболее простым и эффективным способом удаления магния из алюминиевых расплавов по сравнению с другими методами. Решающее влияние на эффективность процесса оказывают физико-химические свойства флюса. К ним относятся состав флюса, время контакта флюса с металлом, удельная поверхность их взаимодействия, интенсивность перемешивания металла и флюса, удельный расход флюса.

1.3 Состав флюсов и способы их получения

Для рафинирования алюминиевых сплавов разработано более ста различных композиций флюсов. Наибольшее распространение получили флюсы на основе хлоридов натрия и калия для рафинирования сплавов с малым содержанием магния и на основе карналлита для рафинирования сплавов с высоким содержанием магния. Составы наиболее распространенных флюсов приведены в таблице 1 /7/.

Таблица 1 — Составы некоторых рафинирующих флюсов

Содержание компонентов, массовые доли, %

NaCl

KCl

MgCl2

Другие компоненты

55

45

-

-

39

50

-

6,6 Na3AlF6, 4,4 CaF2

40−55

25−50

-

4−12 Na3AlF6, 4−10 NaF

25−42

35−55

-

5−25 Na3AlF6

45

50

5 AlF3

45

45

5 NaF, 5 AlF3

40−55

45−55

5−10 K3AlF6

-

33−57

43−67

-

-

33−57

43−67

10−15 CaF2

-

33−67

43−67

10−15 MgF2

-

25−35

28−36

5−15 CaF2, 5−15 AlF3, 4−8 BaCl2

-

35−55

35−45

5−20 K3AlF6

-

10−50

-

5−10 AlF3, 10−50 LiCl, 10−50LiF

-

30−60

-

15−25 AlF3, 5−15 K2SiF6

52−27

30−35

-

10−15 Na2SiF6

42

12

-

39 NaF, 7 SrF2

Чаще всего применяют флюсы на основе хлоридов натрия и калия, эквимолярная смесь которых имеет невысокую температуру плавления (650−665 0С). Для изготовления флюсов этой группы применяют сильвинит и отработанный электролит магниевого производства. Как покровной флюс смесь хлоридов натрия и калия (1: 1) чаще всего используют без добавки фторидов. Другой хорошо известный покровной флюс содержит криолит и фтористый кальций с 39% NaCl, 50% KCl, 6,6% Na3AlF6, 4,4% CaF2.

Известны покровные флюсы с содержанием до 5% фторидов натрия, фторидов кальция, калиевого криолита и фтористого алюминия. Для рафинирования большинства алюминиевых сплавов чаще всего используют флюсы с криолитом, содержание которого варьируется в широких пределах: 22−45% NaCl, 35−55% KCl, 5−25 Na3AlF6. хорошие результаты дает замена натриевого криолита на калиевый — K3AlF6.

В последнее время в ряде стран запатентованы флюсы с добавками кремнефтористого натрия и калия, рекомендуемые для алюминиевых сплавов. По-видимому, эти флюсы найдут широкое применение, т.к. кремнефтористые соли дешевле других фторидов. Однако их рафинирующие свойства исследованы еще не достаточно.

Из всех названных систем хорошо изучены рафинирующие свойства флюсов с фторидом натрия, кальция и криолитом. Составы с другими добавками приводятся преимущественно в зарубежных патентах, которые не содержат сопоставимых сведений об их рафинирующих свойствах и химическом воздействии со сплавами.

Флюсы на основе хлоридов магния и калия (карналлита) применяют при плавке алюминиево-магниевых сплавов, а в последнее время и при плавке деформируемых сплавов других систем. Основой флюса служит природный обезвоженный карналлит — сырье для производства магния.

В большинстве случаев карналлитовый флюс (33−57% KCl, 43−67% MgCl2) применяют без фтористых добавок. Для повышения рафинирующих свойств во флюс вводят до 15% фторидов кальция и магния. В последнее время эти флюсы улучшают введением фтористого алюминия.

Фториды натрия, калия и лития применять во флюсах не целесообразно, т.к. между этими фторидами и хлоридом магния притекает обменная реакция с образованием тугоплавкого фторида магния:

2MeF + MgCl2 = MgF2 + 2 MeCl (11)

Основные недостатки карналлитовых флюсов — высокая летучесть, гигроскопичность и склонность к гидролизу хлорида магния:

MgCl2 + H2O = MgO + 2HCl (12)

При этом выделяют пары соляной кислоты, загрязняющие атмосферу цеха. Введение во флюс фторидов подавляет эти нежелательные процессы. В этом отношении хорошим сочетанием рафинирующих и технологических свойств обладает флюс состава: 33−55% KCl, 35−45% MgCl2, 5−20% K3AlF6.

Известно очень много флюсов, содержащих галогениды лития. Основу этих флюсов составляют хлориды калия, натрия, лития, взятые в соотношениях, образующие легкоплавкие эвтектики. В качестве фтористых добавок в их состав вводят 5−40% KF, 5−40% NaF, 2−20% Na3AlF6, 5−10% CaF2, до 20% AlF3 и 5−50% LiF. Фтористый литий вводят в сочетании с фтористым алюминием: 10−50% KCl, 10−50% LiCl, 10−50% LiF, 5−10% AlF3, при этом рекомендуется соотношение LiF: AlF3 близкое к Li3AlF6.

Флюсы с литием, особенно с фторидом лития, насыщают алюминиевый расплав литием и поэтому пригодны в основном для рафинирования сплавов с литием. Другой недостаток флюсов с галогенидом лития — их высокая гигроскопичность, еще большая, чем карналлитовых. По этим причинам флюсы с галогенидами лития практически не применяют для рафинирования алюминиевых сплавов, не содержащих лития.

В литературе /7/ встречаются данные о свойствах флюсов с высоким содержанием фторидов и полностью фторидных флюсов.

Результаты применения смеси фторидов щелочных металлов и фтористого алюминия при электрошлаковом переплаве алюминия показывают, что наиболее эффективны комбинации, близкие по составу соответствующему криолиту или смеси нескольких криолитов, но с избытком фтористого алюминия, например 60−65% KF, 35−40% AlF3, что препятствует восстановлению щелочных металлов из их фторидов. Ввиду тугоплавкости эти составы не пригодны для обычных методов флюсового рафинирования. Однако как добавка в хлоридные флюсы калиевый электролит, видимо, очень перспективен, потому что, во-первых, это аналог натриевого криолита, во-вторых, калий, восстановление которого возможно из калиевого электролита, практически не усваивается алюминием и не оказывает отрицательного влияния на свойства алюминиевых сплавов.

1.4 Физико-химические свойства флюсов

Термодинамические и физико-химические свойства флюсов и их компонентов определяют многие процессы флюсового рафинирования. В таблице 2 приведены теплота образования (Н298), температура плавления (tпл.), плотность в твердом и жидком состояниях (т,ж) и поверхностное натяжение (фл) компонентов флюса /8/.

Таблица 2 — Термодинамические и физико-химические свойства хлоридов и фторидов

Соединение

Н298, кДж/моль

tпл, С

tкип, С

т при

20 С, кг/мі

ж при

tпл, кг/мі

фл при tпл, мН/м

1

2

3

4

5

6

7

NaCl

410

801

1413

2160

1505

114

NaF

570

980

1700

2790

1940

201

Na3AlF6

3295

1010

-

2950

2100

148

Na2SiF6

2850

-

-

2680

-

-

KCl

435

790

1500

1990

1539

95

KF

562

880

1500

2480

1878

143

K3AlF6

-

997

-

-

1900

-

K2SiF6

-

Дисс.

-

3080

-

-

AlF3

1490

1040

-

3070

-

-

AlCl3

700

178 субл.

-

2440

1310

-

CaCl2

-

772

1600

2512

-

-

CaF2

1212

1360

-

3180

2520

250

MgCl2

640

708

1412

2316

1686

135

MgF2

1113

1396

2239

3100

2340

236

BaCl2

863

962

1560

-

-

-

BaF2

1200

1320

2137

4830

4170

262

C2Cl6

-

187 субл.

-

2091

-

-

FeCl3

402

282

315

2804

-

-

LiCl

406

613

1353

2068

-

-

LiF

611

870

1676

2601

-

-

MnCl2

470

650

1190

-

-

-

MnF2

795

86

930

3980

-

-

K2TiF6

-

899

-

2100

-

-

KCl-MgCl2

1092

482

-

-

1610

-

Свойства хлористых и фтористых солей, их взаимодействие во флюсах определяют свойства флюсовых композиций: температуру плавления, плотность, вязкость, летучесть, гигроскопичность, растворимость окислов во флюсе, поверхностное натяжение, смачивание фаз, межфазное натяжение на границе с металлом.

1.4.1 Температура плавления флюсов

Диаграммы состояния солевых систем относятся к эвтектическому типу. В таблице 3 даны температуры плавления (tл — температура ликвидуса, tс — температура солидуса) некоторых флюсов на основе смеси с NaCl-KCl (1: 1) и на основе карналлита (MgCl2KCl) /7/. Влияние калиевого криолита аналогично натриевому, а фтористый магний повышает температуру ликвидуса еще сильнее, чем фтористый кальций. Фторцирконат калия увеличивает тугоплавкость карналлита. Это вызвано образованием во флюсе фтористого магния по реакции (13), который плохо растворяется в карналлите:

K2ZrF6 + MgCl2 = MgF2 + KCl + ZrCl4 (13)

Таблица 3 — Зависимость температуры плавления флюсов на основе NaCl-KCl и карналлита от содержания добавок

Наименование

добавок

Содержание добавок,

массовые доли, %

Температуры плавления флюсов на основе NaCl-KCl, 0С

Температуры плавления флюсов на основе карналлита, 0С

Ликвидус

Солидус

Ликвидус

Солидус

650

650

500

500

1

2

3

4

5

6

K3AlF6

5

10

20

-

700

750

640

650

660

-

660

750

-

420

530

K2TiF6

10

20

40

-

-

-

670

640

610

-

-

-

-

-

-

K2SiF6

5

15

30

690

640

650

650

610

630

-

-

-

-

-

-

K2ZrF6

5

20

40

-

640

650

660

630

620

730

830

-

410

440

-

KBF4

5

20

40

675

675

625

660

650

600

650

620

-

680

425

-

KF

5

15

30

-

-

730

650

670

680

650

750

-

400

600

-

CaF2

10

800

660

800

500

MgF2

10

900

780

850

500

1.4.2 Плотность флюсов

Плотность хлоридных и хлоридно-фторидных флюсов, если в системе не образуется соединений, подчиняется закону аддитивности. Поэтому увеличением концентрации фторидов в расплаве NaCl-KCl (1: 1) или карналлите плотность флюса повышается пропорционально ей (таблица 4) /7/.

Таблица 4 — Зависимость плотности флюсов на основе NaCl-KCl и карналлита, от содержания добавок

Наименование

добавки

Содержание добавки,

массовые доли, %

Плотность флюсов на основе NaCl-KCl, кг/м3

Плотность флюсов на основе карналлита, кг/м3

при 700 0С

при 800 0С

при 700 0С

при 800 0С

KF

5

15

1530

1620

1535

1560

1573

1600

1530

1550

MgF2

5

10

1595

1645

1540

1590

1590

1620

1540

1570

K3AlF6

5

15

1595

1640

1545

1595

1590

1650

1540

1600

CaF2

5

10

1600

1665

1550

1610

1600

1600

1550

1600

KBF4

5

15

1590

1620

1540

1560

-

-

-

-

K2ZrF6

5

15

1600

1600

1540

1600

1600

1630

1550

1570

Плотность карналлита при 650 0С равна 1617,5 кг/м3, а температурный коэффициент плотности равен 0,65 кг/(м30С). С увеличением содержания фторида кальция в карналлите на 1% плотность флюса увеличивается на 6 кг/м3.

Плотность флюса NaCl-KCl (1: 1) при 700 0С равна 1575 кг/м3. При введении 1% фторида натрия и 1% криолита плотность увеличивается на 4 и 4,5 кг/м3, соответственно.

1.4.3 Вязкость флюсов

Вязкость фторидных, хлоридных систем невелика — 1−2 мН? с/мІ. Она слабо зависит от температуры и возрастает только с выделением твердой фазы. В расплаве MgCl2-KCl с увеличением температуры от 600 до 700 0С вязкость падает с 2 до 1 мН? с/м2. При введении до 10% фторида кальция при 700 0С вязкость возрастает до 2,3 мН? с/м2.

Вязкость фтористых систем также составляет 1−2 мН? с/м2. Взвешенная во флюсе окись алюминия (10−45%) увеличивает вязкость флюса до 20−30 мН? с/мІ, температура при этом играет существенную роль. Увеличение температуры на 100 0С приводит к уменьшению вязкости на 10 мН? с/мІ /7/.

1.4.4 Летучесть флюсов

Летучесть солей определяется упругостью их пара. Упругость пара хлоридов на 1−2 порядка выше, чем упругость пара фторидов (таблица 5).

Таблица 5 — Летучесть солей, Па

T, 0С

NaC1

KC1

NаF

AIF3

NaAlF4

800,0

214,0

214,0

1,3

13,3

93,0

900,0

535,0

840,0

13,3

120,0

800,0

1000,0

-

-

80,0

800,0

10 000,0

Упругость пара изменяется аддитивно в зависимости от состава. Лишь в области образования соединений она может быть выше или ниже. Так, летучесть карналлита меньше чем летучесть хлорида магния, а летучесть сплава NaF-AlF3 вблизи эквимольных составов аномально высока /7/.

Все флюсы на основе хлоридов натрия и калия имеют склонность к испарению в 10 раз меньшую, чем флюса на основе фторидов.

На летучесть флюса влияет содержание AIF3. Введение 10% AIF3 во флюсе на основе NaCI-KC1 увеличивает его летучесть в 5 раз.

1.4.5 Гигроскопичность флюсов

Это свойство флюса в значительной мере характеризует его пригодность для рафинирования алюминиевых сплавов. Некоторые компоненты флюса могут содержать кристаллизационную влагу. Из МnC12 и KCl влага легко удаляется при 200−300 0С. Из карналлита удаление влаги происходит при 400 0С. При наличии влаги в расплавленном карналлите идет интенсивный гидролиз хлористого магния с образованием хлористого водорода и окиси магния.

Во флюсах на основе хлористых солей натрия и калия уровень гигроскопичности приблизительно в 10 раз ниже по сравнению с карналлитовыми флюсами. В этой группе флюсов все фтористые добавки значительно понижают гигроскопичность основы флюса.

1.4.6 Взаимодействие флюсов с окислами

Растворимость окислов в хлоридных системах ничтожно мала. Растворимость окислов железа, бериллия, кремния и алюминия при 900 0С в системе NaCl-КСl (1: 1) составляет соответственно, %: 0,0036; 0,0001; 0,0018; 0,1. Растворимость -А12О3 в этой системе составляет 0,005−0,008%.

Введение фтористого кальция практически не влияет на растворимость окиси алюминия. Добавка 20% криолита повышает растворимость -А12О3 при 1000 0С до 0,5%.

Растворимость окиси магния в хлоридах натрия и калия при 800−1000 0С не превышает 1,2·10-4%, а в карналлите при 800 0С (1,3−4,4)·10-3%. Теплота растворения положительна и составляет 50−100 кДж/моль /7/.

1.4.7 Поверхностные свойства флюсов

Поверхностное натяжение представляет собой избыток свободной энергии в поверхностном слое жидкости на границе раздела двух фаз, отнесенных к единице поверхности. Поверхностное натяжение можно характеризовать как работу, затрачиваемое на создание 1 см2 новой поверхности (при условии, что образование поверхности происходит изотермически и обратимо).

В явлениях смачиваемости принимают участие три фазы: две жидкие и одна газообразная.

Если обозначить ф-Ме, г-Ме, г-ф — поверхностное натяжение на границах раздела соответственно флюс — алюминиевый сплав, газ — алюминиевый сплав, газ — флюс, то по условию уравнения (14) наступает полное смачивание, т. е. флюс растекается по металлу тонким слоем.

г-Ме — ф-Ме = г-ф. (14)

При г-Ме минус ф-Ме больше г-ф имеет место неполное смачивание, т. е. капля флюса, лежащая на горизонтальной поверхности, образует тупой угол. При ф-Ме больше г-Ме флюс не смачивается.

Приняв во внимание уравнение (14), было получено:

, (15)

где — краевой угол смачивания, град.

Таким образом, краевой угол смачивания характеризует степень смачивания флюсом металла и дает лишь косвенное представление о поверхностном натяжении на границе указанных фаз. Чем меньше краевой угол смачивания, тем лучше флюс смачивает металл (рисунок 4, а, б).

а — хорошее смачивание, б — плохое смачивание

Рисунок 4 — Краевой угол смачивания на границе металл — флюс — газ

При полном смачивании металла cos равен 1, работа равна удвоенному межфазному натяжению на границе флюс — газ, поскольку происходит разрыв капли флюса с образованием двух поверхностей раздела /3/.

Для снижения содержания некоторых примесей в алюминиевых сплавах, их обрабатывают флюсами, которые выполняют две основные функции — покровные и рафинирующие.

Поверхностное натяжение хлоридов в 1,5−2,0 раза меньше, чем фторидов. В смесях хлоридов с фторидами поверхностное натяжение изменяется аддитивно. Фториды увеличивают поверхностное натяжение флюсов, однако оно не превышает 200 мН/м.

Поверхностное натяжение эквимольной смеси NaCl-KCl равно 114 мН/м при 700 0С и 106 мН/м при 800 0С. Температурный коэффициент поверхностного натяжения равен 0,08 мН/(м0С).

Зависимости поверхностного натяжения флюсов системы NaCl-KCl-NaF и краевого угла смачивания Al2O3 от его состава и температуры представлены в таблицах 6 и 7 /7/.

Таблица 6 — Зависимость поверхностного натяжения флюсов системы NaCl-KCl-NaF и краевого угла смачивания Al2O3 от его состава и температуры

Состав флюса, массовые доли, %

Температура флюса, 0С

Плотность флюса, кг/м3

Поверхностное натяжение флюса, мН/м

Краевой угол смачивания, град.

NaF

NaCl-KCl

0

100

740

800

864

1570

1536

1590

112

108

105

26,9

23,1

21,4

3

97

740

800

864

1582

1548

1512

127

124

112

29,5

25,8

24,2

5

95

740

800

864

1590

1556

1520

133

156

115

31,4

27,3

26,6

10

90

740

800

864

1611

1577

1541

146

135

124

33,2

28,5

27,7

Таблица 7 — Зависимость поверхностного натяжения флюсов системы NaCl-KCl-NaF и краевого угла смачивания Al2O3 от его состава и температуры

Состав флюса, массовые доли, %

Температура флюса, 0С

Плотность флюса, кг/м3

Поверхностное натяжение флюса, мН/м

Краевой угол смачивания, град.

NaF

NaCl-KCl

3

97

740

800

864

1582

1547

1511

130

123

117

32

28

25

5

95

740

800

864

1590

1555

1519

142

134

213

33

30

28

10

90

740

800

864

1610

1575

1538

156

150

140

36

33

30

20

80

740

800

864

1653

1616

1577

171

164

151

39

35

33

Поверхностное натяжение MgCl2KCl равно 120 при 700 0С и 110 мН/м при 800 0С. Температурный коэффициент равен 0,1 мН/(м0С).

Окислы и расплавленный алюминий хорошо смачиваются хлоридно-фторидными флюсами. Время растекания капли флюса по -А12О3 из-за низкой вязкости флюса составляет 10−20 секунд.

Независимо от типа сплава и основы флюса наиболее поверхностно-активными добавками являются фториды натрия и калия. Из всех фторидов наиболее заметно повышает межфазное натяжение фтористый алюминий. Остальные добавки по-разному проявляют поверхностно-активные свойства. Это зависит от свойств элемента, восстанавливаемого алюминием из фторида, и от степени его восстановления. Например, содержащийся в натриевом и калиевом криолите фтористый алюминий препятствует восстановлению из них натрия и калия. Поэтому межфазное натяжение в системах с NaF значительно ниже (на 100 мН/м), чем в системах с криолитом, и с увеличением температуры системы межфазное натяжение уменьшается.

Также флюсы, увеличивая краевой угол смачивания окислов алюминиевым расплавом, уменьшают их адгезию. Добавки фторидов во флюсы усиливают это явление.

В наибольшей мере уменьшает адгезию алюминиевого расплава к Al2O3 и MgO фториды натрия и калия, а также соответствующие им криолиты. Сильное влияние на работу адгезии оказывает фтористый алюминий (примерно 10%). Фториды кальция и магния во флюсах на основе NaCl-KCl (1: 1) и карналлита слабо влияют на адгезию расплава к окислам. Фториды переходных металлов уменьшают смачиваемость окислов металлов в среде флюса на основе хлорида натрия и калия, но не оказывают влияния при введении в карналлитовый флюс, так как они реагируют с хлористым магнием, образуя MgF2. Увеличение температуры и длительности выдержки приводит к уменьшению адгезии расплава к окислу в среде флюса и, следовательно, к увеличению эффективности рафинирования металла от неметаллических примесей.

1.5 Вывод

В аналитическом обзоре литературы рассмотрено влияние магния на механические свойства алюминиевых сплавов. Повышенное содержание магния (более 9%) приводит к окислению алюминиевого сплава во время плавки и разливки. Существуют алюминиевые сплавы, в которых магний присутствует в виде примеси, от которой необходимо избавляться для улучшения качества продукции и ее свойств.

Рассмотрены различные способы рафинирования алюминиевых сплавов от магния. Выявлено, что флюсовое рафинирование является наиболее простым и эффективным способом удаления магния из алюминиевых расплавов.

Описаны существующие составы рафинирующих флюсов и их физико-химические свойства: температура плавления, плотность, вязкость, летучесть, гигроскопичность, растворимость окислов во флюсе, поверхностные свойства, межфазное натяжение на границе с металлом.

2. Теоретическая часть

2.1 Механизм удаления магния из алюминиевого расплава при флюсовом рафинировании

При флюсовом рафинировании криолитом алюминиевого расплава протекает реакция (10). При этом можно выделить несколько этапов переноса магния из сплава во флюс, которые в зависимости от скорости их протекания определяют эффективность рафинирования. Первый этап — это процесс доставки магния в приграничную зону контакта металла и флюса. Второй этап характеризуется условиями вывода магния из сплава на поверхность раздела «металл-флюс». Третий этап состоит во взаимодействии магния с флюсом, т. е. в агрегации примесей магния солевым расплавом. Только на этом этапе проявляются рафинирующие свойства флюса, т. е. влияние состава флюса на термодинамику и кинетику очистки расплава от магния.

В целом определяющим этапом процесса очистки может быть каждый из них, но в основном лимитирующим звеном является отвод окислов с межфазной границы во флюс.

Аналогичный механизм удаления магния из алюминиевых сплавов происходит и с их взаимодействием с фторидом алюминия и метафторалюминатом натрия по реакциям:

2A1F3 + 3Mg = 2Al + 3MgF2, (16)

2NaAlF4 + 3Mg = 2NaF + 2Al + 3MgF2 (17)

Особую роль играет химическое взаимодействие между металлом и компонентами флюса. Механизм действия фторидов состоит в том, что ионы фтора или фторидные комплексы связывают активные центры на поверхности пленки, на которых адсорбируется кислород и гидроксильные группы, и тем самым блокируют доступ окислителей на ее поверхность. Это приводит к выравниванию потенциала кислорода по сечению пленки и переходу ее в стабильное состояние -А12О3. Кроме того, при 700−720 0С фториды, катализаторами структурных превращений окиси алюминия, ускоряют превращение -А12О3 в б-А12О3, которая инертна как адсорбент окислителей, плохо смачивается алюминием и легко переходит во флюс. В некоторых случаях этот механизм проникновения фторидов через окисную пленку к металлу может иметь решающее значение, особенно в том случае, когда продукты реакции не переходят во флюс. При малом содержании магния в сплаве (менее 0,01%) пленка имеет структуру Al2O3. при содержании магния от 0,01 до 1,0% пленка состоит из шпинели (MgO·Al2O3) переменного состава и кристалликов MgO. Если магния более 1,5%, то пленка состоит из оксида магния /2/.

2.2 Изучение термодинамических данных флюсов и их составляющих

Константы равновесия основных реакций взаимодействия во флюсе представлены в таблице 8.

Таблица 8 — Константы равновесия основных реакций взаимодействия во флюсе

Реакция

Температура,

К

G, кДж/моль

1

2

3

4

Na3AlF6 = 2 NaF + NaAlF4

973

85,760

2,41 • 10-5

1023

86,659

3,65 • 10-5

1073

87,449

5,38 • 10-5

5NaF•3AlF3 = Na3AlF6 + NaAlF4

973

371,215

1,05 • 10-20

1023

371,066

-

1073

370,992

-

3NaAlF4 = Na3AlF6 + 2A1F3

973

-57,218

1,06 • 10

1023

-56,396

0,91 • 10

1073

-55,368

0,79 • 10

(2 / 3) A1F3 + Mg = (2 / 3) Al + + MgF2

973

-116,635

1,91 • 106

1023

-116,606

9,33 • 105

1073

-116,581

4,89 • 105

(2 / 3) Na3AlF6 + Mg =

= 2NaF + (2 / 3) Al + MgF2

973

-49,948

4,90 • 102

1023

-48,745

3,11 • 102

1073

-47,538

1,23 • 102

(2 / 3) NaAlF4 + Mg =

= (2 / 3) NaF + 2/3Al + MgF2

973

-107,122

5,75 • 105

1023

-106,517

2,82 • 105

1073

-105,870

1,48 • 105

(1 / 2) Na2SiF6 + Mg =

= NaF + (1 / 2) Si + MgF2

973

-263,839

1,58 • 1014

1023

-262,737

2,88 • 1013

1073

-261,635

5,95 • 1012

Из таблицы 8 видно, что наиболее вероятной реакцией при рафинировании алюминиевых сплавов от магния является реакция образования фторида магния при использовании флюса, содержащего кремнефтористый натрий. При использовании флюса, содержащего компоненты системы NaF-AlF3, наиболее вероятной реакцией с переводом магния в солевую фазу будет взаимодействие с фтористым алюминием. Следующая по вероятности реакция удаления магния из сплавов — это образование MgF2 при использовании метафторалюмината натрия. Это говорит о том, что AlF3 является активным рафинирующим компонентом системы, и увеличение его содержания во флюсе способствует росту извлечения магния из алюминиевых сплавов.

Теоретический сравнительный расчет расхода рафинирующего флюса на извлечение магния показывает следующее: молекулярный вес (2 / 3) Na3AlF6 равен 140 г/моль, молекулярный вес (2 / 3) NaAlF4 — 84 г/моль, (2 / 3) AlF3 — 56 г/моль, (1 / 2) Na2SiF6 — 94 г/моль. На одно и тоже количество магния тратится в 1,7 раз больше криолита и в 1,12 раз больше кремнефтористого натрия, чем метафторалюмината натрия, а теоретический расход фтористого алюминия в 2,5 раза меньше криолита и в 1,7 раз меньше кремнефтористого натрия.

2.3 Изучение физико-химических свойств флюсов и их составляющих

2.3.1 Плавкость

Для изучения плавкости в качестве фторидной составляющей были исследованы электролит электролизеров останавливающихся на капитальный ремонт, и отработанный электролит магниевого производства (ОЭМП), основными компонентами которого являются хлориды калия и натрия. При сплавлении этих солей образуется флюс из хлоридов и фторидов щелочных и щелочноземельных металлов, который обладает покровно-рафинирующими свойствами и может быть использован для очистки алюминиевых сплавов от магния.

Основное требование к флюсу для рафинирования алюминиевых сплавов от примеси магния в индукционных и отражательных печах — это температура его использования, в пределах 700−720 0С /9/.

С целью выбора оптимального по температуре плавления состава флюса методом дифференциального термического анализа (ДТА) были определены кривые плавкости следующих систем: криолит — ОЭМП и электролит алюминиевых электролизеров — ОЭМП /10/. Так как состав проб ОЭМП, взятых от различных партий электролита, колеблется в достаточно широких пределах, для исследования были использованы пробы только из одной партии, а также две синтетические смеси, составленные из хлоридных и оксидных компонентов с учетом возможных граничных значений состава ОЭМП.

На рисунке 5 представлены данные ДТА, характеризующие линию ликвидуса псевдобинарных систем: криолит — ОЭМП и электролит алюминиевых электролизеров — ОЭМП.

Из рисунка видно, кривая плавкости системы электролитов алюминиевых ванн — ОЭМП (рисунок 5, кривая 3) имеет примерно такой же характер, что и кривые криолит — ОЭМП (рисунок 5, кривые 1, 2, 4), но находится в основном в области более низких температур плавления. Температура плавления смесей хлоридов в зависимости от состава колеблется от 600 до 720 0С.

Рисунок 5 — Плавкость систем криолит — ОЭМП

С ростом концентрации фторидов происходит постепенное понижение температуры плавления с образованием низкотемпературных эвтектик с температурой плавления 580−670 0С при 20% фторидов. Увеличение концентрации фторидов резко увеличивает температуру системы, а при 50−70% фторидов слегка понижает до 730−800 0С. С дальнейшим увеличением концентрации фторидов, более 70%, температура плавления смеси повышается практически линейно.

Требование к температуре использования флюса, менее 700−720 0С, может быть достигнуто при содержании фторидов от 0 до 40−50%. Наиболее низкоплавкий состав — это состав, содержащий 80% хлоридов и 20% фторидов.

Низкое содержание хлорида магния в ОЭМП и температура плавления 670−690 0С определяют достаточно низкую гигроскопичность и летучесть и, соответственно, уменьшение загазованности атмосферы парами HCl и загрязнения алюминиевых сплавов магнием.

2.3.2 Поверхностное натяжение и смачивание в расплавленных солях

Поверхность сплава покрыта тонкой пленкой оксида алюминия, которая не позволяет протекать вышеуказанной реакции (10). Поэтому первая задача флюса покрыть всю поверхность металла и растворить в себе Аl2О3. Рафинирование алюминиевого сплава от глинозема определяется способностью флюса смачивать неметаллические включения. Краевой угол смачивания был исследован методом «лежащей капли» в атмосфере аргона на полированной пластинке -Аl2О3. Результаты представлены на рисунке 6 /10/.

Наилучшей смачиваемостью обладает состав, содержащий 20% фторидов, т. е. состав с наиболее низкой температурой плавления. При технологических температурах 700−720 0С решаются одновременно две задачи — улучшается смачиваемость неметаллических включений и магний взаимодействует с фторидной составляющей флюса.

1 — 100% ОЭМП, 4 — 50% электролита — 50% ОЭМП,

2 — 20% электролита — 80% ОЭМП, 5 — 70% электролита — 30% ОЭМП,

3 — 30% электролита — 70% ОЭМП, 6 — 90% электролита — 10% ОЭМП.

Рисунок 6 — Зависимость краевого угла смачивания Al2O3 флюсом от температуры

2.4 Вывод

При флюсовом рафинировании алюминиевого расплава фтористыми солями протекает несколько этапов извлечения магния из сплава во флюс, которые и определяют эффективность рафинирования. Сначала магний подходит в приграничную зону контакта металла с флюсом, затем происходит вывод магния из сплава на поверхность раздела фаз «металл-флюс» и только после этого идет взаимодействие магния с флюсом с его переходом в солевую фазу.

При использовании рафинирующего флюса, состоящего из NaF и AlF3, активным рафинирующим компонентом системы является AlF3, и увеличение его содержания способствует росту извлечения магния из алюминиевых сплавов.

Процесс рафинирования ведется при температуре 700−750 0С, поэтому температура плавления покровно-рафинирующего флюса не должна превышать данного предела. Проанализировав различные составы солей, состоящие из компонентов покровного и рафинирующего флюса, пришли к выводу, что наиболее низкоплавкий состав — это состав, содержащий 80% хлоридов и 20% фторидов, температура плавления которого не превышает 700 0С. Флюс этого же состава обладает наилучшей смачиваемостью. При этом решаются одновременно две задачи — улучшается смачиваемость неметаллических включений и магний взаимодействует с фторидной составляющей флюса.

3. Экспериментальная часть

3.1 Методика проведения экспериментов

Криолит был приготовлен из NaF марки «ч» и AlF3 марки «хч». Для этого в расплавленный фторид натрия при температуре 1020 0С добавляли фторид алюминия. Метафторалюминат натрия был получен из криолита. Для этого расплавили криолит и добавили в него фторид алюминия из расчета К.О. равное 1,67. По мере растворения AlF3 в Na3AlF6 снижали температуру расплава вплоть до появления первых кристалликов метафторалюмината натрия. Температура начала кристаллизации определялась визуально-термическим способом, и корректировалось криолитовое отношение при помощи диаграммы плавкости NaF-AlF3 (см. рисунок 2). Температура плавления метафторалюмината натрия составляет 731 0С.

Для придания флюсу необходимых покровных свойств в него были добавлены хлориды щелочных и щелочно-земельных металлов. В лабораторных условиях была приготовлена эвтектика системы NaCl-KCl, с содержанием хлорида натрия 45 массовых долей %, из хлорида натрия марки «чда» и хлорида калия марки «хч». Температура плавления этой смеси — 645 0С. Для снижения стоимости флюса в качестве его покровной составляющей была использована смесь отработанного калиевого электролита и сильвинита в пропорции (2/3) к (1/3). Это отношение соответствует эвтектическому равновесию смеси этих солей. Температура плавления отдельных хлоридов, примерно, одинакова.

Температура в печи регулировалась с помощью высокоточного регулятора ВРТ-3 и контролировалась при помощи платино-платинородиевой термопары, опущенной в расплав, и потенциометра ПП-63. Материал загружался в платиновый (для изучения физико-химических свойств расплава: плавкости и плотности) или шамотный (для изучения рафинирующих свойств флюса) тигель.

Плавкость приготовленного расплава солей была исследована дифференциально-термическим методом, путем определения температур начала кристаллизации изучаемых систем.

Опыт был проведен следующим образом: исследуемый расплав перегревался на 150−170 0С выше температуры плавления, после чего печь отключалась и охлаждалась со скоростью 5−7 0С в минуту. Изменение температуры расплава контролировалось при помощи прямой и дифференциальной Pt-Pt-Rh термопар и записывалось на бумагу стандартного образца. В работе использовались потенциометры ПП-63 и КСП4−175.

Плотность хлоридно-фторидного расплава определяется методом гидростатического взвешивания, сущность которого заключается в определении разности весов какого — либо тела (поплавка) на воздухе и в расследуемом расплаве /11/.

Опыт был проведен следующим образом: подготовленный для исследований расплав перегревался на 150−170 0С выше температуры плавления, после чего печь отключалась и расплав охлаждался со скоростью 5−7 град/мин. В качестве поплавка был использован платиновый шарик, подвешенный на тонкой платиновой проволочке к одному из плеч коромысла аналитических весов. Взвешивание платинового шарика производилось через каждые 5 градусов.

Изменение объема шарика при нагревании рассчитывается по формуле:

Vt = 1,446 + 0,265? 10-4? (t — 20), (18)

где Vt — изменение объема шарика при нагревании, см3;

1,446 — объем шарика при 20 0С, см3,

0,265?10-4 — коэффициент объемного расширения платины.

3.2 Описание установки

Опыты проводились в лабораторной электрической печи с карбидокремниевыми нагревателями представленной на рисунке 7.

1 — стальной корпус печи;

2 — слой асбестокартона;

3 — футеровка из шамотного кирпича;

4 — тигель;

5 — исследуемый расплав;

6 — карбидокремниевые электронагреватели;

7 — Pt-Pt-Rh термопара;

8 — шамотный свод.

Рисунок 7 — Лабораторная установка

3.3 Проведение экспериментов

Средние результаты проведенных опытов по исследованию плотности приведены в таблице 9. Исследования показали, что увеличение содержания метафторалюмината натрия от 0 до 20 массовых долей % в эвтектической смеси KCl-NaCl увеличивает плотность флюса от 1,589 г/см3 до 1,633 г/см3 (700 0С). Дальнейший рост NaA1F4 от 20 до 30 массовых долей % влияния на плотность практически не оказывает. Рост температуры на 20 0С уменьшает плотность на 0,5%.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой