هناك خمس طرق لإزالة خبث الألومنيوم، ويشمل المبدأ الأساسي لهذه الطرق الخمس: التخبث الكيميائي، وفرق الكثافة، والتخبث بالطفو، والذوبان بالمذيب، والترشيح الميكانيكي. وتعتمد وحدة إزالة الغازات ووحدات الترشيح التابعة لشركة AdTech بشكل أساسي على مبادئ التخبث بالطفو والترشيح الميكانيكي.
طرق إزالة خبث الألومنيوم
التكسير الكيميائي
يعتمد التكسير المركب على استخدام أكاسيد قلوية ومواد صهر حمضية، أو مركبات معقدة أو مجمعات تتكون من أكاسيد حمضية ومواد صهر قلوية. وذلك لوجود قوة ارتباط قوية بين الأكسيد الموجود في سائل الألومنيوم أو مادة الصهر. وفي ظل ظروف حرارية معينة، يمكن أن تتفاعل هذه العناصر لتشكل خبثًا ثنائي الملح ذي كثافة أقل ونقطة انصهار أقل. كما يسهل فصلها عن المعادن، مما يتيح إزالتها من سطح الألومنيوم.
تحدث عملية تكوين الخبث المركب بشكل رئيسي على سطح المعدن المنصهر، كما تحدث هذه التفاعل أيضًا عند نقطة التلامس بين الخبث والبطانة. تطفو الشوائب غير المعدنية العالقة في المعدن المنصهر، تحت تأثير قانون التوزيع وفرق الكثافة، باستمرار من داخل المعدن المنصهر إلى سطح الخبث للمشاركة في تفاعل تكوين الخبث.
الفرق في الكثافة
هذه الطريقة مناسبة للسبائك التي يوجد فيها فرق كبير في الكثافة بين المعدن المنصهر والشوائب غير المعدنية، وكذلك في حالة وجود جزيئات شوائب كبيرة الحجم. وتسمح طريقة فرق الكثافة عمومًا بإبقاء المعدن المنصهر تحت درجة حرارة التكرير وتحت تأثير المادة المذابة لفترة من الوقت، مما يتيح للشوائب أن تطفو أو تغوص، ومن ثم إزالتها. وتتناسب سرعة طفو أو غرق شوائب الخبث مع فرق الكثافة بينهما، وتتناسب عكسياً مع لزوجة المعدن المنصهر، وتتناسب مع مربع نصف قطر جزيئات الخبث.
عندما تكون درجة حرارة الألومنيوم المنصهر منخفضة ويكون عدد الشوائب كبيرًا، تكون لزوجة الألومنيوم المنصهر عالية، ويستغرق الخبث وقتًا طويلاً حتى يطفو أو يغرق. وعندما تكون درجة حرارة السبيكة ثابتة، ونظرًا لأن لزوجة المادة المنصهرة وفرق الكثافة بينها وبين الخبث لن يتغيرا كثيرًا، فإن حجم الخبث وشكله سيكون لهما تأثير كبير على الوقت الذي يستغرقه في الطفو أو الغرق.
لذلك، فإن الفرق في الكثافة ينتج بشكل أساسي عن زيادة حجم شوائب الخبث لتسهيل فصلها عن المادة المنصهرة. أثناء صهر الألومنيوم، عندما ينخفض نصف قطر A1203 من 0.1 مم إلى 0.001 مم، يزداد وقت الترسيب المطلوب من 5 ثوانٍ إلى 13.8 ساعة، أي أنه من غير المواتي أن تطفو الخبث أو تغوص. عادةً ما يُترك سبائك الألومنيوم لترتاح لمدة تتراوح بين 20 و30 دقيقة، لكن تأثير إزالة الخبث لا يزال محدودًا للغاية. هذه الطريقة تستغرق وقتًا طويلاً وتستهلك طاقة كثيفة، كما يصعب إزالة شوائب الخبث المتناثرة بدقة. بشكل عام، عند درجة حرارة تسخين زائد معينة، وبعد تقليب مادة التذويب وتحويلها إلى خبث، يُترك المزيج ليرتاح لفترة من الوقت للحصول على تأثير معين في إزالة الخبث.
مبدأ التعويم
يعتمد مبدأ التعويم على تفاعل فيزيائي وكيميائي معين بين الغاز المساعد أو الغاز الخامل وأكسيد الألومنيوم، أي الامتصاص والذوبان الجزئي، مما يؤدي إلى إزالة الأكسيد عن طريق الرغوة. درجة انصهار سبائك الألومنيوم منخفضة، لكن درجة انصهار أكسيدها مرتفعة جدًّا. وفي هذه الحالة، يصعب استخدام الطريقة الكيميائية. لذلك، فإن طريقة التعويم هي الأنسب.
عندما يتم تكرير سبائك الألومنيوم باستخدام غاز النيتروجين، تطفو العديد من الخبث المؤكسد على السطح أثناء عملية إزالة الهيدروجين. وتعتبر حالة إزالة الخبث بهذه الطريقة، التي تعتمد على التعويم بالغاز، مماثلة بشكل أساسي لحالة إزالة الخبث بالتعويم باستخدام مادة التذويب.
عندما تمر الفقاعات عبر سائل الألومنيوم، تصطدم جزيئات الأكسيد المتناثرة بالفقاعات، فتلتصق بها، وتطفو إلى سطح السائل مع صعود الفقاعات. وكلما زاد عدد الفقاعات وكبر حجمها، كان تأثير إزالة الخبث أفضل. وعادةً ما يكون الغاز الخامل المستخدم هو النيتروجين والأرجون. كما تُستخدم سبائك الألومنيوم بشكل شائع كعامل تعويم يعتمد بشكل أساسي على أملاح الكلوريد.
ذوبان التدفق
بعد ذوبان الشوائب غير المعدنية في مادة الصهر السائلة، يمكن أن تنفصل عن المعدن المنصهر مع طفو مادة الصهر وغرقها. تعتمد قدرة مواد الصهر على إذابة الخبث المحبوس على تركيبها الجزيئي والخصائص الكيميائية الناتجة عن ذلك. وعندما يكون التركيب الجزيئي والخصائص الكيميائية متشابهين، يمكن أن تكون هذه المواد قابلة للامتزاج عند درجة حرارة معينة. إضافة 10% من الكريوليت إلى خليط مكون من كميات متساوية من كلوريد الصوديوم وكلوريد البوتاسيوم يمكن أن تؤدي إلى إذابة 0.15% من Al₂O₃. ومع زيادة كمية الكريوليت، تزداد أيضًا قابلية ذوبان الألومينا في المادة المساعدة.
الترشيح الميكانيكي
إن طرق إزالة خبث الألومنيوم المذكورة أعلاه لا تجدي نفعاً مع الشوائب غير المعدنية التي لا يختلف كثافة ذوبانها كثيراً عن كثافة المعدن، والتي تتميز بحجم جسيمات صغير وتشتت شديد للغاية. ولذلك، عندما يمر المعدن المنصهر عبر مرشح رغوي خزفي تُحدث عملية الترشيح الميكانيكي المتوسط تأثيرًا ميكانيكيًا في حجب الشوائب غير المعدنية. بالإضافة إلى ذلك، فإن وسيط الترشيح له أيضًا تأثير امتصاصي على الشوائب. وبشكل عام، كلما كانت الفجوة أصغر وزيادة سماكة وسيط الترشيح، انخفض معدل تدفق سائل الألومنيوم، وتحسّن تأثير الترشيح الميكانيكي.
