Метод фильтрации расплава алюминия основан на том принципе, что примеси в виде фазы с высоким содержанием железа в расплаве алюминиевого сплава сегрегируются при более низкой температуре и более длительном времени выдержки, а для удаления агрегированных частиц этой фазы используется механическая фильтрация. Метод фильтрации для удаления железа, как правило, осуществляется во время разливки расплава. Он позволяет удалять не только крупные включения, богатые железом, но и другие крупноразмерные включения из расплавов алюминия и алюминиевых сплавов. В методе фильтрации расплавленного алюминия обычно используются керамический пенопластовый фильтр.
Процесс производства вторичного алюминиевого сплава можно разделить на три этапа: предварительную обработку, плавку (включая рафинирование) и литье в слитки. Процесс плавки заключается в загрузке алюминиевого лома в плавильную печь и нагреве до перехода в жидкое состояние. После шлакоудаления, измерения температуры и проверки состава, а также других процессов лом переносится в рафинирующую печь, где добавляются такие элементы, как кремний и медь, и проводится процесс дегазации, удаления шлака и рафинирования. К вредным металлическим элементам во вторичном алюминиевом расплаве относятся, в основном, Fe, Mg, Zn, Pb и т. д., и для удаления различных вредных металлических элементов требуются разные методы.
Железо является распространённым примесью при производстве вторичного алюминия, что крайне негативно сказывается на качестве и эксплуатационных характеристиках алюминия и алюминиевых сплавов. Поэтому, помимо предварительной обработки алюминиевого лома с целью удаления железа, необходимо максимально удалить железосодержащие включения в процессе плавки, чтобы предотвратить их частичное растворение в расплаве алюминия и алюминиевых сплавов. Как правило, для удаления железосодержащих включений используются следующие методы.
Метод удаления марганца и железа
Марганец способен эффективно образовывать в расплаве алюминиевого сплава соединение с высокой температурой плавления, обогащенное железом, которое осаждается на дне печи, что позволяет достичь цели удаления железа. Количество марганца, необходимое для удаления 1 кг железа, составляет 6,7–8,3 кг; он способен преобразовать оставшуюся грубую чешуйчатую, твёрдую и хрупкую фазу Al₉Fe₂Si₂ в чешуйчатую фазу AlSiMnFe, тем самым ослабляя вредное воздействие железа. Однако метод добавления марганца для удаления железа приводит к увеличению содержания марганца в алюминиевом сплаве. Не следует использовать алюминиевые сплавы с ограниченным содержанием марганца, к тому же стоимость метода добавления марганца для удаления железа выше.
Метод добавления бериллия
Бериллий вступает в реакцию с фазой Al9Fe2Si2 в расплаве алюминиевого сплава, тем самым снижая вредное воздействие железа. Добавление 0,05%—0,1% бериллия в расплавы алюминия и алюминиевых сплавов может способствовать превращению крупнозернистой и чешуйчатой фазы Al9Fe2Si2 в точечную фазу Al5BeFeSi, что явно устраняет хрупкость алюминиевого сплава. Однако цена на бериллий относительно высока, а пары бериллия токсичны, вредны для организма человека и загрязняют рабочую среду. Поэтому метод добавления бериллия в сплав следует применять с осторожностью.
Метод удаления железа с помощью осаждения
Метод удаления железа путем осаждения основан на комплексном действии многоэлементного мастер-сплава, приготовленного из четырёх веществ — Mn, Cr, Ni и Zr, — который вступает во взаимодействие с крупнодисперсным железосодержащим соединением в расплаве алюминиевого сплава, образуя новое многоэлементное железосодержащее соединение. Многоэлементный соединение с высоким содержанием железа постепенно растет по мере понижения температуры. Когда оно вырастет настолько, что преодолеет сопротивление осаждению, оно осаждается, тем самым удаляя железо. При содержании Mn, Cr, Ni и Zr, равном 2,0%, 0,8%, 1,2% и 0,6% соответственно, содержание железа в расплавах алюминия и алюминиевых сплавов, обработанных методом седиментационного удаления железа, может быть снижено с 1% до 0,2%. Марганец играет важную роль в удалении железа при использовании метода осаждения. Хотя хром не так эффективен в удалении железа, как марганец, он обладает лучшей стойкостью к окислению и выгоранию. Основная цель добавления никеля — снижение хрупкости, вызванной остатками марганца и хрома. Помимо роли в удалении железа, добавление циркония также способствует утончению кристаллитов.
Метод фильтрации расплавленного алюминия
При фильтрации железа обычно применяется следующий метод: керамический фильтр с пенонаполнителем. Керамический пенопластовый фильтр обладает такими преимуществами, как высокая прочность, стойкость к эрозии, высокая адсорбционная способность и эффективное удаление мельчайших включений из расплава алюминия. Устанавливается в фильтрующий блок для фильтрации примесей из расплава алюминиевых сплавов, что позволяет обеспечить производство высокотехнологичной продукции с высокой добавленной стоимостью — прецизионных отливок из алюминиевых сплавов для авиационной и транспортной отраслей и других сфер.
Метод прямой выделения железа при плавке
Метод прямого извлечения железа путем плавки широко применяется в вторичной алюминиевой промышленности благодаря своей низкой стоимости и простоте эксплуатации. Краткое описание этого метода приводится ниже:
(1) Строго контролировать температуру плавления, использовать разницу между температурами плавления алюминия и железа для плавки алюминия, при этом железо и другие примеси из металлов с высокой температурой плавления оседают на дне печи, что позволяет удалить железо. Наклонная вращающаяся печь позволяет эффективно перерабатывать различные виды алюминиевых отходов.
(2) В процессе плавки перед каждой перемешиванием следует удалять железные включения, а железо, попавшее в алюминиевый шлак, следует извлекать во время слива шлака.
(3) С учетом реальных условий эксплуатации выбранного плавильного оборудования и технологии, в принципе, шлак и железо, осевшие на дне печи, следует удалять после каждой партии переплавленных алюминиевых отходов.
(4) Когда предприятие по переработке вторичного алюминия использует в производстве комбинацию плавильной и выдерживающей печей, после завершения плавки в каждой печи расплавленный алюминий отправляется для удаления железа в горячем состоянии.
(5) Использование метода быстрого плавления и низкотемпературного разливки алюминия. В процессе плавки вторичный алюминиевый лом быстро плавится под защитой флюса, и весь процесс плавки занимает около 2–3 часов. Когда вторичный алюминиевый лом расплавляется, температура расплава составляет около 650 °C. При этой температуре растворимость железа в расплавах алюминия и алюминиевых сплавов крайне мала. В этот момент железо, содержащееся в вторичном алюминиевом ломе, остается в шлаке и удаляется вместе с ним.
