Дегазация алюминия

21 марта Дегазация алюминия

Дегазация алюминия

Установка для дегазации алюминия AdTech Online устанавливается между печью и литьевой машиной для удаления водорода и других примесей из расплавленного алюминия и его сплавов, которые негативно влияют на их качество и механические свойства.

При контроле дегазации алюминия в процессе литья металла необходимо выполнить два условия
1. Предотвратить и свести к минимуму попадание водорода в расплав.
2. Удаление водорода перед литьем. Дегазация алюминия будет направлена на измерение и удаление водорода, который, как правило, попадает в расплав через ротационный дегазатор.
Когда пузырьки продувочного газа попадают в расплав, они, всплывая на поверхность, поглощают водород.
В лучшем случае эти насыщенные водородом пузырьки покидают расплав и снижают содержание водорода.
В данном случае с термодинамической точки зрения КПД процесса составляет 100%, однако по мере уменьшения содержания газа в расплаве равновесное давление водорода в пузырьке также снижается, в связи с чем количество продувочного газа, необходимого для удаления остаточного водорода, должно увеличиваться.

Характеристики дегазации алюминия:
1. Онлайн-дегазатор для алюминиевой воды в основном предназначен для обработки расплавленного алюминия, содержащего определенное количество водорода и других примесей (щелочных металлов, шлаковых включений), которые удаляются после прохождения через дегазационное оборудование.
2. Принцип очистки заключается в газовой флотации.

Этот машина для дегазации алюминия обладает такими характеристиками, как энергосбережение и снижение температуры окружающей среды, нагрев и быстрое регулирование температуры в режиме реального времени, длительный срок службы, простота обслуживания, широкий диапазон регулируемой мощности, а также практичность и надежность.
Печь для выдержки алюминиевого сплава бездефектной конструкции выполнена в виде бездефектной конструкции. Ванна для расплава изготовлена из импортного высококачественного материала, предназначенного для разливки и заделки швов. Она изготовлена из антипригарного алюминия, на котором не скапливается шлак. Печь нагревается непосредственно с помощью электроэнергии, что обеспечивает чистоту и экологичность. Такой способ нагрева быстрее, чем нагрев с косвенной передачей тепла, и позволяет экономить электроэнергию. Крышка печи открывается и закрывается с помощью пневматического привода.
Очистка от шлака, контроль температуры, точность измерения температуры, защита термопары для расплавленного алюминия с использованием нитрида кремния, отсутствие железа, длительный срок службы, безопасность и надежность, защита от перегрева, перегрузки и превышения температуры, что обеспечивает полную защиту оборудования и безопасность эксплуатации.

Принцип действия устройства заключается в том, что ротор, вращающийся в рабочей камере, разбивает инертный газ (аргон или азот), вдуваемый в расплав алюминия, на большое количество диспергированных пузырьков и распределяет их в расплаве алюминия; пузырьки удерживаются в расплаве за счет разницы парциальных давлений газов и поверхностной адсорбции.
Принцип заключается в поглощении водорода в расплаве, адсорбции окисленного шлака и его удалении с поверхности расплава по мере подъема пузырьков, что позволяет очистить расплав; поскольку пузырьки мелкодисперсны, они равномерно смешиваются с вращающимся расплавом, а затем вращаются по спирали с медленной скоростью.
При поступлении он не образует непрерывного воздушного потока при контакте с расплавом, что значительно повышает эффективность очистки. В качестве средства для дегазации алюминия можно использовать как аргон, так и азот. Чистота инертного газа должна составлять не менее 99,95%.

Что происходит внутри расплавленного алюминия перед дегазацией?

Алюминий в жидком состоянии ведет себя как губка для водорода. При температуре 660 °C расплавленный алюминий может удерживать примерно 0,69 мл водорода на 100 граммов металла, тогда как твердый алюминий при комнатной температуре удерживает лишь около 0,03–0,05 мл/100 г. Такое значительное снижение растворимости — разница почти в 20 раз — означает, что водороду, растворившемуся во время плавления, практически некуда деваться, кроме как выходить через поверхность или оставаться внутри отливки в виде пузырьков.

Откуда вообще берется водород? Основной причиной является влага. Влажный воздух в цехе вступает в реакцию с поверхностью алюминия, водяной пар распадается на водород и кислород, и водород сразу растворяется в расплаве. К этому приводят влажный или маслянистый лом, сырые огнеупорные футеровки печей и ковшей, а также конденсат на загрузочных инструментах. Мы наблюдали, как литейные предприятия в прибрежных, влажных регионах борются с поступлением водорода, которое никогда не возникает на более сухих внутренних заводах, работающих с идентичными сплавами, — это показывает, насколько важна влажность окружающей среды.

Оксидные пленки ещё больше усложняют ситуацию. При контакте с воздухом на поверхности алюминия практически мгновенно образуется тонкая оксидная пленка, которая при разливании или перемешивании может попадать в расплав, образуя пузырьки, в которых скапливается водород. Именно поэтому дегазирование и удаление включений часто рассматриваются как единый процесс, а не как отдельные операции.

Почему водород вызывает столько проблем при литье алюминия?

Когда расплавленный алюминий остывает и затвердевает, растворенный водород теряет место для нахождения. Он выделяется из раствора и образует крошечные газовые пузырьки, которые мы называем микропористостью, а в тяжелых случаях — более крупные пустоты. Эти дефекты ослабляют отливку изнутри.

Деталь, которая выглядит идеально сразу после извлечения из формы, может не пройти рентгеновский контроль или испытание под давлением через несколько часов, когда обнаруживается пористость. По нашему опыту работы в сфере литья под давлением и гравитационного литья, брак, связанный с водородом, является одной из самых дорогостоящих проблем качества, поскольку этот дефект остается незаметным до поздних этапов процесса, иногда уже после того, как были понесены затраты на механическую обработку.

Машина для дегазации алюминия AdTech Inline

Каковы проверенные методы удаления водорода из расплавленного алюминия?

Не существует единственно верного способа дегазации алюминия. Выбор подходящего метода зависит от размера партии, типа сплава, бюджета и того, насколько строгими должны быть допуски на пористость.

Ротационная дегазация по вполне обоснованным причинам стала стандартной технологией в отрасли. Вращающийся ротор разбивает поступающий газ на тысячи мелких пузырьков, а не на несколько крупных, а меньший размер пузырьков означает большую площадь поверхности, в которую водород может диффундировать при подъеме через расплав. Дегазация с помощью ланцы, напротив, приводит к образованию более крупных пузырьков, которые быстро поднимаются и не дают водороду достаточно времени для контакта, необходимого для его эффективного удаления.

Ротационные системы дегазации: как они на самом деле работают?

Ротационная установка для дегазации состоит из трёх основных рабочих узлов: двигателя, вращающегося вала и роторной головки из графита или CFC (углеродного композита), погружённой в расплав. Инертный газ проходит по полому валу и выходит через небольшие отверстия в роторе. При вращении ротор сдвигает газ, образуя мелкое облако пузырьков, которое распределяется по тиглю или плавильной ванне.

Скорость вращения ротора имеет большее значение, чем думает большинство операторов. При слишком низкой скорости рассеивание пузырьков происходит плохо, в результате чего образуются «мёртвые зоны», где водород практически не перемещается. При слишком высокой скорости под действием вихревых потоков оксид с поверхности начинает затягиваться в расплав, что приводит к появлению новых проблем с включениями в то время, как вы пытаетесь решить проблему с газом. Как правило, мы рекомендуем начинать с частоты около 400 об/мин для небольших тиглей (менее 500 кг) и увеличивать её до 500–550 об/мин для печей большего объёма, а затем проводить точную настройку с учётом наблюдаемого поведения вихрей.

Срок службы ротора — важный фактор, влияющий на затраты. Графитовые роторы дешевле при первоначальной покупке, но быстрее изнашиваются в условиях непрерывной эксплуатации, и на предприятиях с высокой производительностью их часто приходится заменять каждые 4–8 недель. Роторы из CFC изначально стоят дороже, но служат в три–пять раз дольше, что, как правило, делает их более выгодным выбором с точки зрения совокупной стоимости для литейных цехов, работающих в несколько смен.

Типичные параметры ротационной дегазации

Эти показатели варьируются в зависимости от семейства сплавов, начального содержания водорода и геометрии печи, поэтому следует рассматривать их как ориентировочные значения, а не как жесткие правила. Мы всегда рекомендуем клиентам проводить испытание при пониженном давлении перед окончательной фиксацией продолжительности цикла, а не просто копировать цифры из технического паспорта.

Какой газ лучше использовать: азот, аргон или смесь с хлором?

Выбор газа влияет как на эффективность дегазации, так и на эксплуатационные расходы, причем различия в этих показателях оказываются более значительными, чем ожидают многие покупатели.

Азот является основным газом для стандартных алюминиевых литейных сплавов, поскольку он недорог и справляется со своей задачей в большинстве условий. Аргон становится более предпочтительным выбором, когда содержание магния превышает примерно 3-4%, так как азот при определенных условиях может образовывать нитрид магния, что приводит к появлению иного рода проблем с включениями. Смеси, содержащие хлор, действительно одновременно улучшают дегазацию и удаление включений, однако требования к утилизации дымовых выделений и соображения безопасности персонала привели к тому, что большинство современных предприятий, с которыми мы сотрудничаем, полностью отказались от их использования или применяют их только в строго контролируемых условиях вытяжных шкафов.

Как проводить испытания и проверку результатов дегазирования в производственных условиях?

Невозможно управлять тем, что не измеряется, а содержание водорода невидимо невооруженным глазом. В отрасли преобладают два подхода к тестированию.

Испытание при пониженном давлении (RPT): Небольшой образец расплавленного металла затвердевает внутри вакуумной камеры при низком давлении, как правило, около 80–100 миллибар (абсолютное давление). Поскольку давление понижено, растворенный водород расширяется и при охлаждении образует видимую пористость в образце. Затем операторы сравнивают плотность образца с полностью плотным эталоном или визуально оценивают поверхность излома по эталонным фотографиям. Этот тест является недорогим, быстрым (10–15 минут, включая охлаждение) и не требует дорогостоящего оборудования, поэтому он по-прежнему остается наиболее широко используемым методом на производственных площадках.

Индекс плотности: Рассчитано на основе выборки RPT по формуле:

Индекс плотности (%) = [(плотность затвердевшего образца при нормальном давлении минус плотность при пониженном давлении), деленная на плотность при нормальном давлении], умноженная на 100

Показатель плотности ниже 3%, как правило, свидетельствует о хорошем дегазировании, тогда как значение выше 5–7% указывает на проблему, требующую немедленного устранения до продолжения заливки.

Электронные водородные датчики (например, погружные датчики, используемые в системах мониторинга в режиме реального времени) выдают прямые показания в мл/100 г менее чем за минуту и не требуют затвердевания пробы. Они стоят значительно дороже, чем оборудование RPT, но окупаются при работе с большими объемами, когда 15-минутное ожидание между проверками замедляет принятие производственных решений. По результатам наших бесед с отделами закупок, метод с использованием датчиков, как правило, становится предпочтительным, когда суточный объём расплава превышает несколько тонн — просто потому, что экономия трудозатрат и более быстрая обратная связь компенсируют более высокую стоимость приборов в течение года или двух.

На что следует обратить внимание покупателям при выборе оборудования для дегазации?

Именно здесь технические требования сталкиваются с бюджетными реалиями, и именно об этом разделе к нам чаще всего обращаются менеджеры по закупкам, которые не всегда являются специалистами в области металлургии.

Стоимость оборудования значительно варьируется в зависимости от уровня автоматизации и производительности. Цена ручных ротационных установок начального уровня для небольших литейных цехов может составлять от нескольких тысяч долларов, в то время как стоимость полностью автоматизированных программируемых систем с функцией регистрации данных для крупных предприятий может достигать пятизначных цифр и выше при добавлении нескольких станций обработки. Как правило, мы рекомендуем покупателям рассчитывать совокупную стоимость владения, включая замену ротора и вала в течение двух лет, а не сравнивать только цены по ценнику, поскольку более дешёвая установка с быстро изнашивающимися компонентами со временем может обойтись дороже.

Условия гарантии и доступность запасных частей заслуживают не меньшего внимания. Если установка для дегазации простаивает две недели в ожидании запасного роторного вала из-за границы, это может обойтись литейному предприятию гораздо дороже в виде упущенной выручки, чем первоначальная стоимость самого оборудования.

Распространенные ошибки, которые мы наблюдаем при дегазации алюминия

За долгие годы, изучая бесчисленные примеры организации литейных цехов, мы заметили, что некоторые ошибки повторяются снова и снова, независимо от размера компании или региона.

Обработка холодного ротора. Погружение ротора, имеющего комнатную температуру, непосредственно в расплавленный металл вызывает термический шок, который приводит к преждевременному растрескиванию графитовых роторов, а также может вызвать локальное охлаждение расплава, что приводит к неравномерной обработке. Предварительный нагрев ротора перед погружением в большинстве случаев решает эту проблему.

Слишком длительный или слишком быстрый цикл в попытке “сверхдегазировать”.” Слишком высокая скорость вращения ротора приводит к образованию вихря, который затягивает поверхностный оксид в ванну, а чрезмерная продолжительность обработки может фактически привести к повторному попаданию водорода, если в цехе влажная атмосфера и обработка длится дольше, чем необходимо. Существует оптимальный вариант, и он, как правило, короче, чем предполагают операторы.

Пропуск этапа тестирования. Некоторые небольшие предприятия проводят дегазацию по фиксированному таймеру, никогда не запуская RPT или не проверяя водородный датчик, а это означает, что у них нет реальных доказательств того, что процесс работает. Мы бывали на предприятиях, где были уверены, что дегазация проходит нормально, но при проведении фактических испытаний обнаруживали показатели индекса плотности выше 8%.

Использование загрязнённых или влажных газовых трубопроводов. Подача азота или аргона, загрязнённого влагой, сводит на нет весь смысл процесса, поскольку вы вводите именно то, что пытаетесь удалить.

Неучёт влажности огнеупорных материалов печи и ковша после замены футеровки или ремонта. Новая огнеупорная футеровка требует соблюдения надлежащего графика прокалки; пропуск этого этапа приводит к появлению нового источника влаги непосредственно в месте соприкосновения с расплавом.

Какое место занимает дегазация в общем процессе обработки расплава?

Дегазация редко происходит изолированно. Хорошо организованная последовательность операций по обработке расплава обычно выполняется в следующем порядке: флюсование для удаления неметаллических включений и очистки поверхности расплава, дегазация для удаления растворенного водорода, мелкокристаллизация (часто с использованием титано-боровых мастер-сплавов) для контроля структуры при затвердевании и окончательная фильтрация через керамические поролоновые фильтры непосредственно перед разливом для улавливания оставшихся частиц оксидов.

Пропуск этапов или их выполнение не в том порядке подрывает всю цепочку процессов. Например, дегазация перед нанесением флюса приводит к тому, что вы вновь вводите включения в расплав, который только что пытались очистить. Мы рекомендуем рассматривать этот процесс как единое целое с задокументированной последовательностью действий, а не как простой перечень, в котором под давлением времени некоторые этапы могут быть пропущены.

Часто задаваемые вопросы

1. Сколько времени на самом деле занимает дегазация алюминия?
Большинство циклов ротационной дегазации длятся от 8 до 20 минут в зависимости от объема расплава и начального содержания водорода. В тиглях объемом менее 300 кг процесс часто завершается менее чем за 10 минут, тогда как для печей большого объема на тщательную обработку может потребоваться 20 минут или более.

2. Можно ли передегазировать алюминий?
Да. Слишком быстрая или слишком длительная работа ротора может привести к попаданию оксидной пленки в расплав в результате образования вихрей, а длительное воздействие влажного воздуха цеха во время чрезмерно длительного цикла может привести к частичному повторному поступлению водорода. Существует практический предел, после которого дополнительное время перестает приносить пользу и начинает наносить вред.

3. Какой уровень содержания водорода считается допустимым для большинства алюминиевых отливок?
Для промышленных отливок обычно устанавливается показатель ниже 0,2 мл/100 г, тогда как для деталей авиакосмической отрасли и автомобильных компонентов повышенной надежности этот показатель, как правило, должен составлять от 0,1 до 0,15 мл/100 г. Требования технических условий варьируются в зависимости от сплава и области применения, поэтому всегда следует проверять применимый стандарт для конкретной детали.

4. Что лучше подходит для дегазации: азот или аргон?
Азот хорошо подходит для большинства стандартных литейных сплавов и обходится дешевле. Аргон предпочтительнее для сплавов с более высоким содержанием магния, а также для задач, требующих максимально возможной чистоты, поскольку он является полностью инертным и не вступает во взаимодействие с реактивными элементами сплава.

5. В чём заключается разница между ротационной дегазацией и дегазацией с помощью ланцы?
При роторной дегазации используется вращающийся ротор, который образует мелкие, равномерно распределенные пузырьки по всей массе расплава, что позволяет снизить содержание водорода на 60–80%. При ланцевой дегазации газ впрыскивается через неподвижную трубку, в результате чего образуются более крупные пузырьки, которые поднимаются быстрее и удаляют меньшее количество водорода — как правило, 30–50%.

6. Как определить, требуется ли дегазация моего расплава алюминия?
Проведите испытание при пониженном давлении или воспользуйтесь водородным датчиком. Если на рентгеновских снимках обнаруживается пористость, при испытании под давлением выявляются утечки или наблюдается необъяснимое снижение механических свойств, одним из первых факторов, которые следует проверить, является содержание водорода.

7. Используются ли сегодня дегазирующие таблетки (гексахлорэтан)?
Некоторые небольшие или устаревшие предприятия по-прежнему используют их, однако во многих регионах их применение ограничено из-за образования токсичных паров. В современных литейных цехах флюсование таблеток в значительной степени заменено ротационной дегазацией с использованием инертного газа.

8. Как часто следует заменять ротор?
Срок службы графитовых роторов в режиме непрерывной работы обычно составляет от 4 до 8 недель, после чего износ начинает сказываться на качестве диспергирования пузырьков. Срок службы роторов из CFC может быть в три–пять раз больше, хотя точный показатель зависит от температуры расплава, состава сплава и режима работы.

9. Удаляет ли дегазация не только водород, но и включения?
Ротационная дегазация позволяет удалить часть включений, поскольку пузырьки поднимаются вверх и выносят частицы на поверхность, однако она не заменяет надлежащего флюсования и фильтрации. Рассматривайте дегазацию и удаление включений как взаимодополняющие этапы, а не как взаимозаменяемые.

10. Какой размер дегазационной установки мне нужен для моей печи?
Подберите размер ротора, мощность двигателя и расход газа с учетом типичного объема расплава. Установка, рассчитанная на партии по 500 кг, будет работать неэффективно на печи объемом 2 тонны, а выбор оборудования слишком большого размера для небольших партий приводит к перерасходу газа и повышает риск образования оксидов из-за избыточной турбулентности. Консультация с поставщиком с учётом фактических габаритов вашей печи позволит определить более надёжные размеры, чем использование общих таблиц.

Связанные публикации:

Дегазация алюминия азотом Дегазация алюминия Установка для дегазации алюминия азотом Дегазация при литье алюминия Дегазация алюминия Определение дегазации расплавленного алюминия Оборудование для дегазации алюминия водородом Дегазация при литье алюминия Методы дегазации алюминия Процесс дегазации алюминия при литье Ротационная машина для дегазации алюминия Оборудование для дегазации алюминия Металл, металлургия, литье, литейное производство, дегазация алюминия, обработка Процесс дегазации