RU2727478C1

RU2727478C1 - Method of cleaning aluminum and its alloys from intermetallides and other non-metallic inclusions

Info

Publication number: RU2727478C1
Application number: RU2020102839A
Authority: RU
Inventors: Олег Владимирович Анисимов
Original assignee: Олег Владимирович Анисимов
Priority date: 2020-01-24
Filing date: 2020-01-24
Publication date: 2020-07-21

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy and represents a method of cleaning aluminum and its alloys from intermetallides and other non-metallic inclusions. Melt of aluminum or its alloy is overheated to temperature of 750–800 °C, is poured into prespinned casting mold of crystalliser and heat is extracted from external wall of casting mold for movement of intermetallides and nonmetallic inclusions by pressure of flat crystallization front towards axis of rotation of casting mold. After cast cooling the size of central part occupied by displaced intermetallides and non-metallic inclusions is determined, and this central part is removed.

EFFECT: method provides higher degree of purification of aluminum and its alloys.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится области металлургии, а точнее к металлурги алюминия и его сплавов, но может найти применение и в других областях металлургии.The invention relates to the field of metallurgy, and more precisely to metallurgists of aluminum and its alloys, but can be used in other fields of metallurgy.

Очистка алюминия и алюминиевых материалов от различных неметаллических примесей является актуальной задачей современной металлургии. Потребность в чистых и особо чистых алюминиевых материалах непрерывно растет. Существующие технологические подходы к проблеме не позволяют в полной мере получать желаемые результаты. Кратко, они сводятся к разного рода лифтингам связанных включений на поверхность расплава с последующим их сбором. Сюда же относятся и процессы барботажа различными газами расплавов алюминиевых материалов, позволяющие связать не желательные металлические примеси, превращая их в интерметаллиды. Таким образом, конечной задачей получения алюминиевых материалов заданной чистоты является удаление интерметаллидов.Purification of aluminum and aluminum materials from various non-metallic impurities is an urgent task of modern metallurgy. The demand for pure and highly pure aluminum materials is constantly growing. The existing technological approaches to the problem do not allow to fully obtain the desired results. Briefly, they are reduced to various kinds of lifts of bound inclusions to the surface of the melt with their subsequent collection. This also includes the processes of bubbling various gases of melts of aluminum materials, which make it possible to bind unwanted metallic impurities, converting them into intermetallic compounds. Thus, the ultimate goal of obtaining aluminum materials of a given purity is the removal of intermetallic compounds.

В последнее время металлургическая наука отметила недооцененную ранее роль модулятора основных служебных свойств металлических материалов, в частности алюминиевых, которым являются малые (сотые доли масс. %) примеси наноразмерных частиц или комков интерметаллидов различной природы. Именно этим объясняется разброс показателей свойств отливок полученных казалось бы при одних и тех же условиях их получения. Особенно заметна негативная роль интерметаллидных включений в процессах рециклинга алюминия, где именно проблема удаления интерметаллидов и других не металлических включений является главным препятствием получения вторичного алюминия заданного качества.Recently, metallurgical science has noted the previously underestimated role of a modulator of the main service properties of metallic materials, in particular aluminum, which are small (hundredths of a mass%) impurities of nanosized particles or lumps of intermetallic compounds of various nature. This explains the scatter in the properties of the castings obtained, it would seem, under the same conditions for their production. The negative role of intermetallic inclusions is especially noticeable in the processes of recycling aluminum, where it is the problem of removing intermetallic compounds and other non-metallic inclusions that is the main obstacle to obtaining secondary aluminum of a given quality.

Существующие способы очистки расплавов керамическими фильтрами, химической обработкой, с последующей очисткой зеркала расплава от всплывших связанных включений не достаточно эффективны. Способ очистки зонной плавки достаточно эффективен в конечном результате, но не приемлем по длительности процесса (до нескольких десятков часов), сложности аппаратного обеспечения и дороговизне технологического процесса, что делает его применение целесообразным при получении чистого и особо чистого алюминия в сравнительно небольших объемах.The existing methods of cleaning melts with ceramic filters, chemical treatment, followed by cleaning the mirror of the melt from floating bound inclusions are not efficient enough. The method of purifying zone melting is quite effective in the end result, but it is not acceptable in terms of the duration of the process (up to several tens of hours), the complexity of the hardware and the high cost of the technological process, which makes its use expedient for obtaining pure and highly pure aluminum in relatively small volumes.

Известен патент RU 2312156, С22В 1/00, C30B 13/00, С22В 9/02, опубл. 10.12.2007 (принятый за прототип), в котором описан способ производства особо чистых металлов и монокристаллов из них (в том числе, алюминия и алюминиевых сплавов), заключающийся в том, что для получения монокристаллической структуры и сопутствующего рафинирования кристаллизацию расплава проводят в силовом поле центрифуг с коэффициентом гравитации, обеспечивающим создание адекватного переохлаждения в расплаве и равного разнице между оптимальным значением величины переохлаждения, соответствующего максимуму линейной скорости роста кристалла, и интервалом метастабильности роста, при этом указанная разница определяется выражением:Known patent RU 2312156, C22B 1/00, C30B 13/00, C22B 9/02, publ. December 10, 2007 (taken as a prototype), which describes a method for the production of highly pure metals and single crystals from them (including aluminum and aluminum alloys), which consists in the fact that to obtain a single crystal structure and accompanying refining, crystallization of the melt is carried out in a force field centrifuges with a gravity coefficient ensuring the creation of adequate supercooling in the melt and equal to the difference between the optimal value of the supercooling value corresponding to the maximum linear crystal growth rate and the interval of growth metastability, while this difference is determined by the expression:

гдеWhere

θ - поправка коэффициента гравитации;θ - gravity coefficient correction;

А, В, L, М - коэффициенты, из которых числовое значение В определяется, исходя из термодинамических характеристик кристаллизатора, определяющих скорость протекания теплопроцессов, а числовые значения A, L, М определяются физико-химическими характеристиками металлов;A, B, L, M - coefficients, from which the numerical value of B is determined based on the thermodynamic characteristics of the mold, which determine the rate of heat processes, and the numerical values of A, L, M are determined by the physicochemical characteristics of metals;

К_g - коэффициент гравитации;K _g is the coefficient of gravity;

Т - температура кристаллизации;T is the crystallization temperature;

ΔT_o - переохлаждения расплава, полученные опытным путем.ΔT _o - supercooling of the melt, obtained empirically.

При этом при рафинировании расплава последний объемно охлаждают со скоростью 0,02-0,08°С/с.In this case, when refining the melt, the latter is cooled volumetrically at a rate of 0.02-0.08 ° C / s.

В этом способе процесс вытеснения плоским фронтом кристаллизации (ФК) включений не востребованный самим процессом кристаллизации в центральную часть кристаллизатора является побочным, не оптимизированным процессом. Предлагаемый диапазон гравитационных коэффициентов Kg совершенно не подходит для организации процесса вытеснения ФК не металлических примесей, так как противодействующая сила разделительной диффузии с ростом Kg становится непреодолимой. Более того, в нем игнорируются необходимые термодинамические условия направленной кристаллизации, а провозглашаемые условия проведения процедуры в условиях равномерного объемного охлаждения представляются недостижимыми в силу влияния скрытой теплоты на процесс. Так же не учтен необходимый перегрев расплава перед заливкой в кристаллизатор на величину, обеспечивающую нахождение расплава в жидкой фазе до полного заполнения изложницы кристаллизатора и создания в кристаллизаторе нужного Kg. Гравитационный коэффициент - это безразмерная величина, показывающая во сколько раз величина ускорения центробежных сил во вращающейся изложницы кристаллизатора больше ускорения гравитационных сил на поверхности земли: Kg=ω²R/g.In this method, the process of displacement by the flat crystallization front (FC) of inclusions not required by the crystallization process itself into the central part of the crystallizer is a side, not optimized process. The proposed range of gravitational coefficients Kg is completely unsuitable for organizing the process of displacing PCs of non-metallic impurities, since the opposing force of separation diffusion with increasing Kg becomes insurmountable. Moreover, it ignores the necessary thermodynamic conditions for directional crystallization, and the proclaimed conditions for carrying out the procedure under conditions of uniform volumetric cooling seem unattainable due to the effect of latent heat on the process. Also, the necessary overheating of the melt before pouring into the mold is not taken into account by an amount that ensures the presence of the melt in the liquid phase until the mold is completely filled and the required Kg is created in the mold. The gravitational coefficient is a dimensionless quantity that shows how many times the acceleration of centrifugal forces in a rotating mold of the mold is greater than the acceleration of gravitational forces on the earth's surface: Kg = ω ² R / g.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении степени очистки алюминия и его сплавов за счет применения процесса вытеснения фронтом кристаллизации интерметаллидов и неметаллических включений.The present invention is aimed at achieving the technical result, which consists in increasing the degree of purification of aluminum and its alloys by using the process of displacement by the crystallization front of intermetallic compounds and non-metallic inclusions.

Указанный технический результат достигается тем, что способ очистки алюминия и его сплавов от интерметаллидов и иных неметаллических включений характеризуется тем, что расплав алюминия или его сплава после расплавления перегревают до температуры 750-800°С и заливают в изложницу кристаллизатора, предварительно раскрученную до достижения у внешней стенки вращающейся изложницы кристаллизатора значения гравитационного коэффициента равного 170-200, и при вращении изложницы кристаллизатора обеспечивают отбор тепла от внешней стенки изложницы по направлению к ее оси вращения со средней скоростью охлаждения 0,02-0,1 грС/с для перемещения интерметаллидов и иных неметаллических включений давлением плоского фронта кристаллизации в направлении к оси вращения изложницы кристаллизатора при остывания расплава в этом же направлении, а при достижении температуры отливки меньше температуры солидус отливку охлаждают и определяют размер центральной части отливки, занятой вытесненными интерметалл идам и и неметаллическими включениями, и эту центральную часть отливки удаляют.The specified technical result is achieved by the fact that the method for purifying aluminum and its alloys from intermetallic compounds and other nonmetallic inclusions is characterized by the fact that the melt of aluminum or its alloy after melting is overheated to a temperature of 750-800 ° C and poured into the mold of the crystallizer, previously untwisted until reaching the outer the walls of the rotating mold of the mold, the value of the gravitational coefficient equal to 170-200, and when the mold of the mold rotates, heat is removed from the outer wall of the mold towards its axis of rotation with an average cooling rate of 0.02-0.1 gC / s for moving intermetallic compounds and other non-metallic inclusions by the pressure of the flat crystallization front in the direction to the axis of rotation of the mold of the crystallizer during cooling of the melt in the same direction, and when the temperature of the casting is less than the temperature of the solidus, the casting is cooled and the size of the central part of the casting occupied by the displaced intermetallic ides and and non-metallic inclusions, and this central part of the casting is removed.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения указанного технического результата.These features are essential and are interconnected with the formation of a stable set of essential features sufficient to obtain the specified technical result.

Новый способ иллюстрируется поясняющим иллюстративным материалом, на котором:The new method is illustrated by explanatory illustrative material, on which:

фиг. 1 - схема продвижения фронта кристаллизации своей двухфазной зоной;fig. 1 is a diagram of the advancement of the crystallization front by its two-phase zone;

фиг. 2 - схема действия сил на зерно примеси;fig. 2 - diagram of the action of forces on the grain of the impurity;

фиг. 3 - конструктивная схема изложницы кристаллизатора.fig. 3 is a structural diagram of the mold of the crystallizer.

Предлагается новый способ очистки алюминия и его сплавов за счет применения процесса вытеснения фронтом кристаллизации интерметаллидов и неметаллических включений, при котором размер включений не играет существенной роли. Предлагаемый способ лишен названных недостатков прототипа и позволяет очистить расплав алюминия уже в процессе кристаллизации этого расплава.A new method of purification of aluminum and its alloys is proposed by using the process of displacement by the crystallization front of intermetallic compounds and non-metallic inclusions, in which the size of the inclusions does not play a significant role. The proposed method is devoid of the above-mentioned disadvantages of the prototype and allows you to purify the aluminum melt already in the process of crystallization of this melt.

Согласно настоящего изобретения способ очистки алюминия и его сплавов от интерметаллидов и иных неметаллических включений строится на следующей последовательности взаимосвязанных действий:According to the present invention, a method for purifying aluminum and its alloys from intermetallic compounds and other non-metallic inclusions is based on the following sequence of interrelated actions:

- расплав алюминия или его сплава после расплавления перегревается до температуры 750-800°С заливают в изложницу кристаллизатора, которую предварительно раскрутили до достижения у внешней стенки вращающейся изложницы кристаллизатора значения гравитационного коэффициента равного 170-200;- after melting, the melt of aluminum or its alloy is overheated to a temperature of 750-800 ° C and is poured into the mold of the mold, which was previously unrolled until the gravity coefficient of 170-200 is reached at the outer wall of the rotating mold of the mold;

- при вращении изложницы кристаллизатора обеспечивают отбор тепла от внешней стенки изложницы по направлению к ее оси вращения со средней скоростью охлаждения 0,02-0,1 грС/с;- during the rotation of the mold of the crystallizer, heat is removed from the outer wall of the mold towards its axis of rotation with an average cooling rate of 0.02-0.1 gC / s;

- это делается для перемещения интерметаллидов и иных неметаллических включений давлением плоского фронта кристаллизации в направлении к оси вращения изложницы кристаллизатора при остывания расплава в этом же направлении;- this is done to move intermetallic compounds and other nonmetallic inclusions by the pressure of the flat crystallization front in the direction to the axis of rotation of the mold of the crystallizer when the melt cools in the same direction;

- при достижении температуры отливки меньше температуры солидус отливку охлаждают и определяют размер центральной части отливки, занятой вытесненными интерметаллидами и неметаллическими включениями, и эту центральную часть отливки удаляют.- when the casting temperature reaches less than the solidus temperature, the casting is cooled and the size of the central part of the casting occupied by the displaced intermetallic compounds and non-metallic inclusions is determined, and this central part of the casting is removed.

Существующая в современной металлургии практика очистки металлов и сплавом базируется на использовании фильтров, через которые проливается очищаемый расплав. Степень очищения определяется размером ячейки фильтра. Современные промышленные фильтры обычно задерживают включения размерностью 5 микрон и более, то есть, чем больше размер нерастворенных включений, тем легче их отфильтровать. А область размеров включений от 5 микрон и менее, включая нано размерные частицы и комки наночастиц, для современных промышленных фильтров для очистки просто не доступны. Частично к решению задачи приближается способ очистки зонной плавкой со всеми своими названными недостаткамиThe practice of metal and alloy purification existing in modern metallurgy is based on the use of filters through which the purified melt is poured. The degree of purification is determined by the filter mesh size. Modern industrial filters usually retain inclusions with a dimension of 5 microns or more, that is, the larger the size of the undissolved inclusions, the easier it is to filter them. And the range of sizes of inclusions from 5 microns and less, including nano-sized particles and lumps of nanoparticles, are simply not available for modern industrial filters for cleaning. Partially the solution of the problem is approached by the method of purification by zone melting with all its named disadvantages.

Предлагаемый способ решает эту задачу. Важным представляется, что именно малоразмерные включения "фильтруются" в первую очередь. Дело в том, что, чем меньше размер включения, тем легче плоскому фронту кристаллизации Front (ФК) продвигать его своей двухфазной зоной и тем меньше противодействие силы разделительной диффузии (фиг 1).The proposed method solves this problem. It seems important that it is the small-sized inclusions that are "filtered" in the first place. The fact is that the smaller the size of the inclusion, the easier it is for the plane crystallization front Front (FC) to advance it with its two-phase zone and the less the resistance of the force of separation diffusion (Fig. 1).

В сплавах, затвердевающих в интервале температур, эта поверхность соответствует началу кристаллизации, которая заканчивается на некотором расстоянии от нее, а именно на изотермической поверхности, соответствующей температуре неравновесного солидуса. Область, заключенная между границами начала и конца затвердевания, состоит из двух фаз, причем количество твердой фазы в ней изменяется в соответствии с распределением температуры и темпом кристаллизации. Ширина двухфазной зоны равна частному от деления величины температурного интервала кристаллизации сплава на среднюю величину температурного градиента в этой зоне. В свою очередь температурный градиент тем круче, чем выше интенсивность охлаждения, меньше толщина затвердевшего слоя слитка и ниже теплопроводность сплава.In alloys that solidify in the temperature range, this surface corresponds to the onset of crystallization, which ends at a certain distance from it, namely, on an isothermal surface corresponding to the temperature of a nonequilibrium solidus. The region enclosed between the boundaries of the beginning and end of solidification consists of two phases, and the amount of the solid phase in it changes in accordance with the temperature distribution and the rate of crystallization. The width of the two-phase zone is equal to the quotient of dividing the value of the temperature range of crystallization of the alloy by the average value of the temperature gradient in this zone. In turn, the temperature gradient is steeper, the higher the cooling intensity, the smaller the thickness of the solidified layer of the ingot, and the lower the thermal conductivity of the alloy.

Предлагаемый способ очистки алюминия и его сплавов от интерметаллидов и иных неметаллических включений основан на процессе вытеснения неметаллических включений, в том числе и интерметаллитов, плоским фронтом ФК, движущимся к центральной части вращающейся с заданной скоростью ω изложницы в градиентном поле центробежных сил F от внешней стенки изложницы к центру в русле, определенном вектором термодинамического предпочтения изложницы. Термодинамический вектор задается конструкцией изложницы (фиг. 2). При этом давлению фронта кристаллизации противодействует центробежная сила F, действующая на массу m вытесняемой частицы. В результате наложения на частицу двух противодействующих сил возникают ограничения по массе вытесняемых включений.The proposed method for cleaning aluminum and its alloys from intermetallic compounds and other nonmetallic inclusions is based on the process of displacing nonmetallic inclusions, including intermetallites, by a flat front of the FC moving to the central part of a mold rotating at a given speed ω in a gradient field of centrifugal forces F from the outer wall of the mold to the center in the channel determined by the vector of the thermodynamic preference of the mold. The thermodynamic vector is set by the design of the mold (Fig. 2). In this case, the pressure of the crystallization front is counteracted by the centrifugal force F, which acts on the mass m of the displaced particle. As a result of the imposition of two opposing forces on the particle, restrictions on the mass of the displaced inclusions arise.

Особенностью заявленного способа является то, что коэффициент гравитации Кg одинаков в любых точках расплава, равноудаленных от оси вращения изложницы кристаллизатора, что обеспечивает получение абсолютно плоских ФК. Воздействие повышенной гравитации приводит к резкому уменьшению двухфазной зоны, что обеспечивает гораздо более эффективную очистку (рафинирование) расплава. Перечисленные обстоятельства, аналитически рассчитанные и экспериментально подтвержденные, позволяют утверждать, что данный способ в отличие от любых существующих способов очистки алюминия и его сплавов от интерметаллидов и иных неметаллических включений эффективнее в разы.A feature of the claimed method is that the gravity coefficient Kg is the same at any points of the melt, equidistant from the axis of rotation of the mold of the mold, which ensures that absolutely flat FCs are obtained. Exposure to increased gravity leads to a sharp decrease in the two-phase zone, which provides much more efficient cleaning (refining) of the melt. The listed circumstances, analytically calculated and experimentally confirmed, make it possible to assert that this method, in contrast to any existing methods of purifying aluminum and its alloys from intermetallic compounds and other non-metallic inclusions, is several times more effective.

Фронтом кристаллизации (или фронтом роста) называют изотермическую поверхность, являющуюся границей фазового перехода расплав - кристалл и перемещающуюся по сплаву, находящемуся в литейной форме, по мере его кристаллизации. При этом при наличии плоского ФК происходит перемещение примесей этим фронтом, а если фронт кристаллизации искривлен, то и в поперечном сечении слитка должно выявляться спиральное распределение примесей. Число витков этой спирали зависит от кривизны фронта кристаллизации. Об эффекте перемещения примесей движением ФК при наличии перегрева расплава указано в диссертации канд. физ.-мат. наук Асеева Данила Леонидовича "Нелинейная динамика двухфазной зоны в процессах затвердевания расплавов", Екатеринбург, 2006, РГБ ОД, 61:07-1/285, 131 стр. Однако, данный процесс в нормальных условиях атмосферного давления имеет неустойчивый характер, приводящий при перемещении примесей к их одновременному распределению по длине отливки.The crystallization front (or growth front) is the isothermal surface, which is the boundary of the melt-crystal phase transition and moves along the alloy in the casting mold as it crystallizes. In this case, in the presence of a flat PC, impurities move by this front, and if the crystallization front is curved, then a spiral distribution of impurities should also be revealed in the cross section of the ingot. The number of turns of this spiral depends on the curvature of the crystallization front. The effect of displacement of impurities by the motion of a PC in the presence of overheating of the melt is indicated in the dissertation of Cand. physical-mat. sciences Aseeva Danila Leonidovich "Nonlinear dynamics of the two-phase zone in the processes of solidification of melts", Yekaterinburg, 2006, RSL OD, 61: 07-1 / 285, 131 pages. However, this process under normal conditions of atmospheric pressure is unstable, leading to the movement of impurities to their simultaneous distribution along the length of the casting.

Для исключения "прорыва" примесей в прокристаллизовавшуюся зону в рамках реализации заявленного способа расплав алюминия или его сплава/вов после расплавления перегревают до температуры 750-800°С и заливают в подготовленную изложницу кристаллизатора (фиг. 3). Подготовка изложницы кристаллизатора заключается тем, что перед заливкой перегретого расплава ротор 1 кристаллизатора вместе с футерованной изложницей раскручивается до достижения у внешней стенки вращающейся изложницы значения гравитационного коэффициента равного 170-200. Раскрутка изложницы кристаллизатора до значения гравитационного коэффициента равного 170-200 позволяет существенно сузить ширину двухфазного слоя, при которой влияние примеси на процесс затвердевания (появление зерна) не влияет на изменение температуры фазового перехода (ликвидуса) смеси. Для расплава, как это имеет место в современных процессах кристаллизации, температура ликвидуса является функцией концентрации примеси, а процесс кристаллизации сопровождается при направленном затвердевании расплава диффузией примесей (в настоящее время диффузией примеси в твердой фазе традиционно пренебрегают). Уменьшение толщины двухфазного слоя приводит к торможению процесса диффузии примесей и одновременному перемещению этих примесей перед ФК в сторону направленного охлаждения расплава.To eliminate the "breakthrough" of impurities into the crystallized zone within the implementation of the claimed method, the molten aluminum or its alloy / water after melting is overheated to a temperature of 750-800 ° C and poured into the prepared mold of the crystallizer (Fig. 3). The preparation of the mold of the crystallizer consists in that, before pouring the superheated melt, the rotor 1 of the mold together with the lined mold is spun until the gravity coefficient of 170-200 is reached at the outer wall of the rotating mold. The unrolling of the mold of the crystallizer to the value of the gravitational coefficient equal to 170-200 allows to significantly narrow the width of the two-phase layer, at which the effect of the impurity on the solidification process (the appearance of grain) does not affect the change in the temperature of the phase transition (liquidus) of the mixture. For a melt, as is the case in modern crystallization processes, the liquidus temperature is a function of the impurity concentration, and the crystallization process is accompanied by the directional solidification of the melt by the diffusion of impurities (at present, the diffusion of impurities in the solid phase is traditionally neglected). A decrease in the thickness of the two-phase layer leads to inhibition of the process of diffusion of impurities and the simultaneous movement of these impurities in front of the PC in the direction of directed cooling of the melt.

Особенностью исполнения футерованной изложницы кристаллизатора является то, что она имеет, тем иди иным образом организованное, термодинамическое предпочтение к остыванию расплава от внешней стенки 2 к внутренней центральной части изложницы (к ее оси вращения 3) (фиг. 3). Для формирования заданного режима остывания в заданном направлении изложница оснащается фигурной термодинамической вставкой 4, оказывающей влияние на степень охлаждения участков изложницы. Эта фигурная вставка регулирует теплоотдачу от расплава и прокристаллизовавшейся его части через боковые стенки. На фиг. 3 показана изложница кристаллизатора, представляющая собой дискообразную (роторного типа) чашу на оси вращения, внутри которой расположена кольцеобразная полая вставка из графита (разборная графитная вставка) с наклонными стенками, толщина которых растет в направлении от оси вращения к наружной (внешней стенке). Такое исполнение изложницы позволяет получить термодинамические характеристики кристаллизатора, позволяющие сформировать преимущественный отбор тепла от внешней стенки изложницы по направлению к центру со средней скоростью охлаждения 0,02-0,1грС/c.A feature of the execution of the lined mold of the crystallizer is that it has, in one way or another, organized thermodynamic preference for cooling the melt from the outer wall 2 to the inner central part of the mold (to its axis of rotation 3) (Fig. 3). To form a given cooling mode in a given direction, the mold is equipped with a shaped thermodynamic insert 4, which affects the degree of cooling of the mold sections. This shaped insert regulates the heat transfer from the melt and its crystallized part through the side walls. FIG. 3 shows a mold of a crystallizer, which is a disk-shaped (rotary-type) bowl on the axis of rotation, inside which there is an annular hollow insert made of graphite (collapsible graphite insert) with inclined walls, the thickness of which increases in the direction from the axis of rotation to the outer (outer wall). Such a design of the mold makes it possible to obtain the thermodynamic characteristics of the crystallizer, which make it possible to form a preferential selection of heat from the outer wall of the mold towards the center with an average cooling rate of 0.02-0.1grC / s.

После завершения процессов кристаллизации (температура отливки меньше температуры солидус) отливку охлаждают и, взятием проб, определяют размер центральной части отливки, занятой вытесненными неметаллическими включениями. Затем загрязненную часть отливки тем или иным способом удаляют. В итоге получают кольцеобразной формы отливку с очищенным металлом или сплавом.After the completion of the crystallization processes (the casting temperature is less than the solidus temperature), the casting is cooled and, taking samples, the size of the central part of the casting, occupied by the displaced non-metallic inclusions, is determined. Then the contaminated part of the casting is removed in one way or another. As a result, a ring-shaped casting with a refined metal or alloy is obtained.

Полученные значения гравитационных коэффициентов, температур перегрева и скорости охлаждения были теоретически рассчитаны и в дальнейшем скорректированы в режиме опытных плавок и представляют собой в большей степени эмпирически полученные значения, при которых возможно реализация заявленного способа и при которых возможно получить высокие степени очистки алюминия и его сплавов.The obtained values of the gravitational coefficients, overheating temperatures and cooling rates were theoretically calculated and further corrected in the mode of experimental melts and represent to a greater extent empirically obtained values at which the implementation of the claimed method is possible and at which it is possible to obtain high degrees of purification of aluminum and its alloys.

Для экспериментальной проверки работоспособности изобретенного способа очистки алюминия и его сплавов от интерметаллидов и иных неметаллических включений использовалась лабораторная металлургическая центрифуга с рабочим диаметром изложницы ротора кристаллизатора равном 300 мм и возможностями регулирования оборотов ротора центрифуги в диапазоне 1200-2500 об/мин. Для создания в изложнице технологически необходимого предпочтительного направления охлаждения расплава была изготовлена разборная графитовая вставка (фиг. 3). Вставка подкалиберно вставлялась в изложницу ротора лабораторной центрифуги. Для опытных плавок был выбран алюминий марки А99. Расплав получали в графитовом ковше лабораторной печи сопротивления. Центрифуга вместе с печкой сопротивления монтировалась в согабаритном металлическом ящике, внутренний объем которого наполнялся сверху подсушенным аргоном. После получения слабо перегретого расплава с температурой 750°С, он переливался специальным манипулятором ковша печи в предварительно прогретую до 200°С изложницу с термодинамической вставкой, предварительно раскрученной до оборотов 1800 об/мин. По завершении процесса, полученный отливок извлекался и разрезался на тамплеты. Полученные лабораторные результаты показали очень высокую эффективность процесса.To experimentally test the operability of the invented method for purifying aluminum and its alloys from intermetallic compounds and other non-metallic inclusions, a laboratory metallurgical centrifuge was used with a working diameter of the mold of the crystallizer rotor equal to 300 mm and the ability to regulate the revolutions of the centrifuge rotor in the range of 1200-2500 rpm. To create the technologically necessary preferred direction for cooling the melt in the mold, a collapsible graphite insert was made (Fig. 3). The insert was sub-caliber inserted into the rotor mold of a laboratory centrifuge. For the experimental heats, A99 grade aluminum was chosen. The melt was obtained in a graphite ladle of a laboratory resistance furnace. The centrifuge together with the resistance oven was mounted in an oversized metal box, the inner volume of which was filled from above with dried argon. After receiving a slightly superheated melt with a temperature of 750 ° C, it was poured with a special manipulator of the furnace ladle into a mold preheated to 200 ° C with a thermodynamic insert, previously untwisted to 1800 rpm. Upon completion of the process, the resulting casting was removed and cut into templates. The obtained laboratory results showed a very high efficiency of the process.

Минимальная эффективность очистки алюминия наблюдалась при использовании исходного сырья чистотой 99,99%, на выходе получался алюминий чистотой 99,9992%. Максимальная эффективность наблюдалась при получении алюминия чистотой 99,99992% из сырья 99,997% за один цикл рафинирования.The minimum efficiency of aluminum purification was observed when using raw materials with a purity of 99.99%, the output was aluminum with a purity of 99.9992%. The maximum efficiency was observed when obtaining aluminum with a purity of 99.99992% from 99.997% raw materials in one refining cycle.

Настоящее изобретение кроме этого, целесообразно применять для эффективного рафинирования любых металлов и их расплавов.In addition, the present invention is expediently applied for efficient refining of any metals and their melts.

Настоящее изобретение промышленно применимо, так как, основываясь на известных термодинамических и металлургических процессах, позволяет использовать процесс вытеснения плоским ФК в качестве процесса очистки от интерметаллидов и иных неметаллических включений алюминия или его сплава.The present invention is industrially applicable, since, based on known thermodynamic and metallurgical processes, it allows the use of the process of displacement by flat PCs as a process for purification from intermetallic compounds and other non-metallic inclusions of aluminum or its alloy.

Claims

A method for purifying aluminum and its alloys from intermetallic compounds and nonmetallic inclusions, characterized by the fact that the melt of aluminum or its alloy after melting is overheated to a temperature of 750-800 ° C and poured into the mold of the mold, previously untwisted until the value of the gravitational coefficient is reached at the outer wall of the rotating mold of the mold equal to 170-200, when the mold of the crystallizer rotates, heat is removed from the outer wall of the mold towards its axis of rotation with an average cooling rate of 0.02-0.1 ° C / s, ensuring the movement of intermetallic compounds and nonmetallic inclusions by the pressure of the flat crystallization front in direction to the axis of rotation of the mold of the mold during cooling of the melt in the same direction, and after reaching the temperature obtained by the casting is less than the temperature of the solidus of aluminum or its alloy, the casting is cooled, the size of the central part of the casting occupied by the displaced intermetallic compounds and non-metallic components is determined and this central part of the casting is removed.