EP0283518A1 - Verfahren zur herstellung von aluminosilikonlegierungen mit 2-22 gewichtsprozent silizium - Google Patents
Verfahren zur herstellung von aluminosilikonlegierungen mit 2-22 gewichtsprozent silizium Download PDFInfo
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- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
- C22C1/026—Alloys based on aluminium
Definitions
- the invention relates to the field of non-ferrous metallurgy and the production of alloys and relates in particular to methods for producing an aluminum-silicon alloy with a silicon content of 2 to 22 mass%.
- a method for producing an aluminum-silicon alloy with a silicon content of 2 to 22 mass% which consists in that crystalline silicon is placed on the hearth surface of a flame furnace, the deposited crystalline silicon having the shape of a cone which is molten Pour aluminum into the tub of the aforementioned flame furnace at a temperature of 780 to 820 ° C and periodically mix the resulting aluminum-silicon melt by hand;
- a disadvantage of the known methods is that the process for producing the aluminum-silicon alloy runs at higher temperatures (780 to 820 ° C.) should lead, which leads to an increase in the hydrogen and aluminum oxide content of the finished alloy. This in turn reduces the quality of the alloy to be produced and increases irretrievable losses in feed material.
- the temperature of the process control (temperature in the furnace trough) is reduced to 670 to 750 ° C., because this ensures better conditions for heat and mass transfer in the melt volume, which allows the hydrogen and aluminum oxide content of the melt reduce and thus improve the alloy quality and significantly reduce the irretrievable losses of feed material.
- energy consumption is significantly reduced when the process is carried out under the lower temperature conditions.
- the molten aluminum is poured into the trough of the flame furnace at a temperature of 780 to 820 ° C.
- the casting temperature mentioned is due to the special features of the operation of a flame furnace and the conditions of the process in the manufacture of the alloy in the furnace.
- the melt jet is directed onto the base of the cone of the applied crystalline silicon at a speed of 0.5 to 0.8 m / s in the axial direction of the jet.
- the supply of the melt stream in the axial direction of the same at a speed of less than 0.5 m / s is unsuitable because the movement of the melt in the tub changes into the area of a calm laminar flow, as a result of which the effectiveness of the mixing is reduced (ie the effectiveness of the heat and material exchange in the melting volume of the furnace pan is reduced).
- the supply of the melt jet in the axial direction of the same at a speed above 0.8 m / s is not economically justifiable because no further increase in the indicators of the effectiveness of the process control can be achieved.
- the temperature of the melt in the furnace trough is lowered to 670 to 750 ° C. at the same time as the mixing of the melt begins, and the mixing of the melt is carried out at the temperature mentioned. It is not recommended to run the process at temperatures below 670 ° C because this increases the viscosity of the melt, which leads to a reduction in the mixing efficiency and consequently to an increase in the dissolution time of the silicon.
- the process control at temperatures above 250 o C causes an undesirable increase in the melt solubility of the hydrogen and an increase in the loss of aluminum due to its oxidation.
- the method according to the invention for producing an aluminum-silicon alloy with a silicon content of 2 to 22 mass% is carried out as follows.
- the required amount of crystalline silicon is placed on the hearth surface of a flame furnace through a loading opening in the furnace ceiling, the added crystalline silicon having the shape of a cone.
- the required amount of molten aluminum is then poured into the furnace pan at a temperature of 780 to 820 ° C.
- the resulting aluminum-silicon melt is then mixed through a shaped jet of the same melt.
- the melt stream can for example with the help of centrifugal pumps from the company "Carborundum” (USA), gas dynamic pumps, electromagnetic mixers (ADAndreev, VVGogin, GSMakarov “high-performance melting of aluminum alloys", published in 1980, publisher “Metallurgiya”, Moscow, pages 89 to 95) shaped melt jet is directed onto the base of the cone of the applied crystalline silicon, the speed of the melt jet in the axial direction thereof being in a range from 0.5 to 0.8 m / s
- the furnace pan is reduced to 670 to 750 ° C., and the melt is mixed at this temperature.
- the temperature can be reduced to the stated values by switching off the heat source or by inevitably removing the heat for its further use for other technological purposes Processes.
- the maturity of the melt is determined by a quick analysis to determine the content of the main components and additives in the alloy, after which the finished alloy is poured into molds.
- 2950 kg of crystalline silicon are placed on the stove surface of a flame furnace with a furnace content of 25000 kg of molten metal through a loading opening in the furnace roof, which takes on a strange shape on the stove surface.
- 22050 g of molten aluminum are poured into the furnace pan at a temperature of 820 ° C.
- the calculated silicon content of the laying is 11.7% by mass.
- the resulting aluminum-silicon melt is mixed by a shaped jet of the same melt.
- the beam is shaped using an electromagnetic mixer and the beam is directed onto the base of the cone of the applied crystalline silicon at a speed of 0.8 m / s in the axial direction thereof. Simultaneously with the beginning of the di
- the melting temperature in the furnace trough is reduced to 700 ° C. by switching off the heat source, and the mixing of the melt is carried out at this temperature.
- the ripeness of the alloy is determined by a rapid analysis to determine the content of the main components and additives in the alloy, after which the finished alloy with a silicon content of 11.4% by mass is poured into a casting mold.
- the effectiveness of the method according to the invention was assessed on the basis of the results of an analysis of the alloy for determining the hydrogen and aluminum oxide content and of the slag composition. For comparison, the effectiveness of the known methods was assessed using the same indicators.
- the hydrogen and alumina content of the alloy was determined using the methodology described in the book by M.B. Altmann, A.A. Lebedev, M.V. Chukhrov, "Melting and casting of light metal alloys", published in 1969, publisher “Metallurgiya”, Moscow, pages 663 to 674.
- the analysis of the slag compositions was carried out according to known analysis methods.
- Table 2 below gives indicators of the effectiveness of the method according to the invention and of the known methods, which were determined using the above-mentioned methodologies.
- a comparative analysis of the information given in Table 2 shows that the use of the method according to the invention makes it possible to reduce the hydrogen content of the finished alloy on average by 22%, the aluminum oxide content in the form of disperse inclusions - on average by 50%, and the aluminum oxide content Form of larger inclusions and cast skins - to reduce on average by 70%.
- the total slag content of aluminum and silicon is reduced by an average of 25%.
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Nichteisenmetallurgie und der Herstellung von Legierungen und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Aiuminium-Silizium-legierung mit einem Siliziumgehalt von 2 bis 22 Masse-%.
Das Verfahren besteht darin, daß man kristallines Silizium auf die Herdfläche eines Flammofens aufgibt, wobei das aufgegebene kristalline Silizium die Form eines Kegels hat, das schmelzflüssige Aluminium in die Wanne des Ofens bei einer Temperatur von 780 bis 820 °C eingießt und die dabei entstehende Aluminium-Silizium-Schmelze mittels eines geformten Strahis derselben Schmelze durchmischt; der Schmelzestrahl wird auf die Grundfläche des Kegels des aufgegebenen Siliziums bei einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 0,8 m/s in der Achsrichtung des Strahls geleitet; gleichzeitig mit dem Beginn der Durchmischung wird die Temperatur der Schmelze in der Ofenwanne auf 670 bis 750 °C vermindert und die Durchmischung der Schmelze bei der genannten Temperatur durchgeführt. Die Legierung kann in der Automobilindustrie, im Kraftwagen- und Traktorenbau sowie in der Produktion von Massenbedarfserzeugnissen eingesetzt werden.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Nichteisenmetallurgie und der Herstellung von Legierungen und betrifft insbesondere Verfahren zur Herstellung einer Aluminium-Silizium-Legierung mit einem Siliziumgehalt von 2 bis 22 Masse%.
- Bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminium-Silizium-Legierung mit einem Siliziumgehalt von 2 bis 22 Masse%, welches darin besteht, daß man kristallines Silizium auf die Herdfläche eines Flammofens aufgibt, wobei das aufgegebene kristalline Silizium die Form eines Kegels hat, das schmelzflüssige Aluminium in die Wanne des genannten Flammofens bei einer Temperatur von 780 bis 820°C eingießt und die dabei entstehende Aluminium-Silizium--Schmelze periodisch von Hand durchmischt; (siehe I.A.Troitsky, W.A.Zheleznov "Aluminiummetallurgie", herausgegeben 1977, Verlag "Metallurgiya", Moskau, S.367; G.B.Stroganov, W.A.Ro- tenberg, G.B.Gershmann "Aluminium-Silizium-Legierungen", herausgegeben 1977, Verlag "Metallurgiya", Moskau, S. 208 bis 211, insbesondere S.210).
- Außerdem ist ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminium-Silizium-Legierung mit einem Siliziumgehalt von 2 bis 22 Masse% bekannt, das ahnlich wie oben beschrieben durchgeführt wird, wobei aber die Durchmischung der entstehenden Aluminium-Silizium-Schmelze durch einen geformten Strahl derselben Schmelze verwirklicht wird, der über den geometrischen Mittelpunkt der Ofenwanne in den Oberteil des Kegels des aufgegebenen kristallinen Siliziums geleitet wird (SU-Urheberschein Nr. 629429, IPK2 F 27 B 17/00. Patentblatt "Entdeckungen, Erfindungen, Gebrauchsmuster, Warenzeichen", H.39, bekanntgemacht am 25.10.78).
- Ein Nachteil der bekannten Verfahren besteht darin, daß der Prozeß zur Herstellung der Aluminium-Silizium-Legierung bei höheren Temperaturen (780 bis 820°C) durchgeführt werden soll, was zu einer Erhöhung des Wasserstoff-und Aluminiumoxidgehaltes der Fertiglegierung führt. Dadurch werden wiederum die Qualität der herzustellenden Legierung vermindert und unwiederbringliche Verluste an Aufgabegut vergrößert.
- Die Verwendung der genannten Arbeitsgänge zum Durchmischen der Aluminium-Silizium-Schmelze bei der DurchfÜhrung der bekannten Verfahren führt zu einem Aufschwimmen des stückigen kristallinen Siliziums an die Oberfläche der Schmelze, und als Folge wird es oxydiert und geht mit der Schlacke verloren.
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren zur Herstellung einer Aluminium-Silizium-Legierung mit einem Siliziumgehalt von 2 bis 22 Masse% die Verhältnisse der Durchmischung der Schmelze und die Temperaturverhältnisse in der Ofenwanne derart zu ändern, das es dadurch möglich wird, eine Legierung mit einem niedrigeren Wasserstoff- und Aluminiumoxidgehalt zu erhalten und damit die Legierungsqualität zu verbessern, die unwiederbringlichen Verluste an Aufgabegut bedeutend zu vermindern sowie ein Aufschwimmen des stückigen kristallinen Siliziums an die Oberfläche der Schmelze und folglich dessen Oxydierung und Verschlackung zu verhindern.
- Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminium-Silizium-Legierung mit einem Siliziumgehalt von 2 bis 22 Masse% vorgeschlagen wird, das die Aufgabe des kristallinen Siliziums auf die Herdfläche eines Flammofens vorsieht, wobei das aufgegebene kristalline Silizium die Form eines Kegels hat, das Eingießen des schmelzflüssigen Aluminiums in die Wanne des genannten Flammofens bei einer Temperatur von 780 bis 820°C und die Durchmischung der entstehenden Aluminium-Silizium--Schmelze mittels eines geformten Strahls derselben Schmelze einschließt, bei dem erfindungsgemäß der Schmelzestrahl auf die Grundfläche des Kegels des aufgegebenen kristallinen Siliziums geleitet wird, wobei die Geschwindigkeit des Schmelzestrahls in der Ächsrichtung desselben in einem Bereich von 0,5 bis 0,8 m/s gehalten wird, gleichzeitig mit dem Beginn der Durchmischung die Temperatur der Schmelze in der Ofenwanne auf 670 bis 750° vermindert und die Durchmischung der Schmelze bei der genannten Temperatur durchgeführt wird.
- Durch das Leiten des Schmelzstrahls auf die Grundfläche des Kegels aus dem aufgegebenen kristallinen Silizium mit der genannten Geschwindigkeit (von 0,5 bis 0,8 m/s in der Achsrichtung des Schmelzestrahls) werden Bedingungen für eine allmähliche Auflösung des Siliziums, angefangen von der Kegelgrundfläche geschaffen. Das trägt dazu bei, daß der Kegel allmählich sinkt und folglich ein Aufschwimmen des stückigen kristallinen Siliziums an die Oberfläche der Schmelze, dessen Oxidierung und Verschlackung verhindert werden.
- Durch Schaffung der genannten Durchmischungsverhältnisse wird die Temperatur der Prozeßführung (Temperatur in der Ofenwanne) auf 670 bis 750°C vermindert, weil dabei verbesserte Bedingungen für den Wärme- und Stoffaustausch im Schmelzevolumen gesichert werden, was es gestattet, den Wasserstoff- und Aluminiumoxidgehalt der Schmelze herabzusetzen und damit die Legierungsqualität zu verbessern sowie die unwiederbringlichen Verluste an Aufgabegut bedeutend zu reduzieren. Außerdem wird bei der Prozeßführung unter den niedrigeren Temperaturverhältnissen der Energieaufwand bedeutend gesenkt.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das schmelzflüssige Aluminium in die Wanne des Flammofens bei einer Temperatur von 780 bis 820°C eingegossen. Die genannte Eingießtemperatur ist durch die Besonderheiten des Betriebes eines Flammofens und die Bedingungen der ProzeBführung bei der Herstellung der Legierung im Ofen bedingt.
- Wie bereits oben erwähnt, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Schmelzestrahl auf die Grundfläche des Kegels des aufgegebenen kristallinen Siliziums mit einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 0,8 m/s in der Achsrichtung des Strahls geleitet. Die Zuführung des Schmelzestrahls in der Achsrichtung desselben mit einer Geschwindigkeit unter 0,5 m/s ist unzweckmäßig, weil dabei die Bewegung der Schmelze in der Wanne in den Bereich einer ruhigen Laminarströmung übergeht, wodurch die Wirksamkeit der Durchmischung vermindert wird (d.h. die Wirksamkeit des Warme-und Stoffaustausches im Schmelzvolumen der Ofenwanne wird vermindert). Die Zuführung des Schmelzestrahls in der Achsrichtung desselben mit einer Geschwindigkeit über 0,8 m/s ist ökonomisch nicht vertretbar, weil dabei keine weitere Erhöhung der Kennziffern der Wirksamkeit der Prozeßführung erzielt werden kann.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird gleichzeitig mit dem Beginn der Durchmischung der Schmelze die Temperatur der Schmelze in der Ofenwanne auf 670 bis 750°C abgesenkt und die Durchmischung der Schmelze bei der genannten Temperatur durchgeführt. Es ist nicht empfehlenswert, den Prozeß bei Temperaturen von unter 670°C zu führen, weil dabei die Zähflüssigkeit der Schmelze zunimmt, was zu einer Senkung der Durchmischungswirksamkeit und folglich zu einer Verlängerung der Auflösungszeit des Siliziums führt. Die ProzeßfÜhrung bei Temperaturen über 250oC ruft eine unerwünschte Erhöhung der Schmelzlöslichkeit des Wasserstoffes und eine Vergrößerung der Verluste an Aluminium durch dessen Oxydierung hervor.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Aluminium-Silizium-Legierung mit einem Siliziumgehalt von 2 bis 22 Masse% wird wie folgt durchgeführt.
- Auf die Herdfläche eines Flammofens wird durch eine Beschickungsöffnung in der Ofendecke die erforderliche Menge an kristallinem Silizium aufgegeben, wobei das aufgegebene kristalline Silizium die Form eines Kegels hat. Dann wird in die Ofenwanne die erforderliche Menge an schmelzflüssigem Aluminium bei einer Temperatur von 780 bis 820°C eingegossen. Anschließend wird die entstehende Aluminium-Silizium-Schmelze durch einen geformten Strahl derselben Schmelze durchgemischt. Der Schmelzestrahl kann beispielsweise mit Hilfe von Zentrifugalpumpen der Firma "Carborundum" (USA), gasdynamischen Pumpen, Elektromagnetmischern (A.D.Andreev, V.V.Gogin, G.S.Makarov "Hochleistungserschmelzung von Aluminiumlegierungen", herausgegeben im Jahre 1980, Verlag "Metallurgiya", Moskau, Seiten 89 bis 95 geformt werden. Der geformte Schmelzestrahl wird auf die Grundfläche des Kegels des aufgegebenen kristallinen Siliziums geleitet, wobei die Geschwindigkeit des Schmelzestrahls in der Achsrichtung desselben in einem Bereich von 0,5 bis 0,8 m/s liegt. Gleichzeitig mit dem Beginn der Durchmischung wird die Temperatur in der Ofenwanne auf 670 bis 750°C vermindert, und die Durchmischung der Schmelze wird bei dieser Temperatur durchgeführt. Die Senkung der Temperatur auf die genannten Werte kann man erzielen, indem man die wärmequelle abschaltet oder eine zwangsläufige AbfÜhrung der Warme zu deren weiteren Wiederverwendung für andere technologische Prozesse vornimmt.
- Die Reife der Schmelze wird durch eine Schnellanalyse zur Bestimmung des Gehaltes der Legierung an Hauptkomponenten und Beimengungen ermittelt, wonach die fertige Legierung in Kokillen vergossen wird.
- Zu einem besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nachstehend folgende konkrete Durchführungsbeispiele der Erfindung angeführt.
- Auf die Herdfläche eines Flammofens mit einem Ofeninhalt von 25000 kg schmelzflüssiges Metall werden durch eine Beschickungsöffnung in der Ofendecke 2950 kg kristallines Silizium aufgegeben, das auf der Herdfläche eine komische Form annimmt. Dann werden in die Ofenwanne 22050 g schmelzflüssiges Aluminium bei einer Temperatur von 820°C eingegossen. Der berechnete Siliziumgehalt der Legiegung beträgt 11,7 Masse%. Dann wird die entstandene Aluminium--Silizium-Schmelze durch einen geformten Strahl derselben Schmelze durchgemischt. Man formt den Strahl mit Hilfe eines Elektromagnetmischers und leitet den Strahl auf die Grundfläche des Kegels des aufgegebenen kristallinen Siliziums mit einer Geschwindigkeit von0,8 m/s in der Achsrichtung desselben. Gleichzeitig mit dem Beginn der Durchmischung wird die Schmelztemperatur in der Ofenwanne auf 700°C durch das Abschalten der Wärmequelle vermindert, und die Durchmischung der Schmelze wird bei dieser Temperatur durchgeführt.
- Die Reife der Legierung wird durch eine Schnellanalyse zur Bestimmung des Gehaltes der Legierung an Hauptkomponenten und Beimengungen ermittelt, wonach die fertige Legierung mit einem Siliziumgehalt von 11,4 Masse% in eine Gießkokille vergossen wird.
- Die folgenden Durchführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens in dem oben erwähnten Flammofen werden in der Tabelle 1 zusammengefaßt.
- Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde nach den Ergebnissen einer Analyse der Legierung zur Bestimmung des Wasserstoff- und Aluminiumoxidgehaltes sowie der Schlackezusammensetzung bewertet. Zum Vergleich wurde nach denselben Kennziffern die Wirksamkeit der bekannten Verfahren bewertet.
- Der Wasserstoff- und Aluminiumoxidgehalt der Legierung wurde nach der Methodik bestimmt, die im Buch von M.B. Altmann, A.A. Lebedev, M.V. Chukhrov, "Schmelzen und Gießen von Leichtmetallegierungen", herausgegeben 1969, Verlag "Metallurgiya", Moskau, Seiten 663 bis 674 beschrieben ist. Die Analyse der Schlackezusammensetzungen wurde nach bekannten Analysenmethoden durchgeführt.
- Nachstehend sind in der Tabelle 2 Kennziffern der Wirksamkeit des erfindungsgemäßen und der bekannten Verfahren angeführt, die nach den obengenannten Methodiken ermittelt worden sind.
- Eine Vergleichsanalyse der in der Tabelle 2 angeführten Angaben zeigt, daß die Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens es gestattet, den Wasserstoffgehalt der fertigen Legierung im Durchschnitt um 22%, den Aluminiumoxidgehalt in Form von dispersen Einschlüssen - im Durchschnitt um 50%, den Gehalt an Aluminiumoxid in Form von größeren Einschlüssen und Gußhäuten - im Durchschnitt um 70% zu vermindern. Außerdem wird der Gesamtgehalt der Schlacken an Aluminium und Silizium im Durchschnitt um 25% reduziert.
- Die vorliegende Erfindung kann auf dem Gebiet der Metallurgie von Nichteisenmetallen und Legierungen zur Herstellung einer Aluminium-Silizium-Legierung mit einem Siliziumgehalt von 2 bis 22 Masse% angewendet werden. Diese Legierung kann zur Erzeugung von Formguß für die Belange der Automobilindustrie, des Kraftwagen- und Traktorenbaus sowie in der Produktion von Massenbedarfserzeugnissen eingesetzt werden.
Claims (1)
- Verfahren zur Herstellung einer Aluminium-Silizium-Legierung mit einem Siliziumgehalt von 2 bis 22 Masse%, das die Aufgabe des kristallinen Siliziums auf die Herdfläche eines Flammofens vorsieht, wobei das aufgegebene kristalline Silizium die Form eines Kegels hat, das Eingießen des schmelzflüssigen Aluminiums in die Wanne des genannten Flammofens bei einer Temperatur von 780 bis 820°C und die Durchmischung der entstehenden Aluminium-Silizium-Schmelze mittels eines geformten Strahls derselben Schmelze einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzestrahl auf die Grundfläche des Kegels des aufgegebenen kristallinen Silizium geleitet wird, wobei die Geschwindigkeit des Schmelzestrahls in der Achsrichtung desselben in einem Bereich von 0,5 bis 0,8 m/s gehalten wird, gleichzeitig mit dem Beginn der Durchmischung die Temperatur der Schmelze in der Ofenwanne auf 670 bis 750°C vermindert und die Durchmischung der Schmelze bei der genannten Temperatur durchgeführt wird.
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