Обзор способов легирования алюминиевых сплавов цирконием (часть 2)
При получении алюминий — циркониевой лигатуры из тетрахлорида циркония сначала в тигле расплавляют исходную смесь хлоридов, содержащую 35 — 40% четырёххлористого циркония и 50-65% хлоридов натрия и калия (оптимальным является эквимолярное соотношение хлоридов натрия и калия). Далее в полученный расплав, нагретый до 700-750ºС, кусками или в расплавленном виде вводят в алюминий в количестве, примерно в четыре раза превышающем необходимое для восстановления циркония. После тщательного перемешивания содержимому тигля дают отстояться, расплав солей сливают с образовавшейся циркониевой шлак – лигатурой, которую затем отжимают и заливают расплавленным, сильно перегретым алюминием. Извлечение циркония в сплав составляет примерно 90% от его содержания в исходной основной смеси.
Способ производства алюминий — циркониевой лигатуры с использованием цирконового концентрата в качестве цирконийсодержащего материала характеризуется более высокой температурой процесса – 1000 — 1100ºС. Цирконовый концентрат вводят в алюминий порциями (при тщательном перемешивании) под слоем криолита. Расход криолита составляет 6-8% от веса шихты, а концентрата-20-24% от веса алюминия.
Известны также способы получения цирконийсодержащих лигатур, основанные на магниетермическом восстановлении соединений циркония. Авторами разработан способ получения шлак – лигатуры сплавлением 40 – 60% фторцирконата калия, 20 – 30% карналлита и 20 – 30% магния. По данным работы рекомендуется процесс восстановления магнием вести с использованием флюса, содержащего 66% K2ZrF6, 26% LiCl, 8% флюоритового концентрата. Однако цирконийсодержащие магниевые лигатуры могут применяться только для производства магниевых сплавов и тех алюминиевых сплавов, в состав которых одним из компонентов входит магний. Кроме того, как и в алюмотермических, в магниетермических способах используется дорогостоящий фторцирконат калия, образуются отходы производства, содержащие ценные компоненты, а также создаются неблагоприятные санитарно – гигиенические условия труда.
Одним из условий получения лигатуры алюминий-цирконий является высокая температура процесса – 1000 — 1300ºС. Это вызывает определённые трудности в эксплуатации печного оборудования. Так, поворотные тигельные печи обладают небольшим сроком службы и невысокой производительностью. Пламенные печи, обладая большой ёмкостью, дают повышенный угар до 5% . Индукционные тигельные печи имеют большую производительность, но требуют высококвалифицированного обслуживания и набивки футеровки.
Высокие температуры процесса получения лигатур приводят также к сильному газовыделению, что значительно ухудшает условия труда в плавильных цехах. Кроме того, для таких режимов работы характерен, как уже отмечалось, высокий угар алюминия (до 5%) и легирующих компонентов (до 25%). Указанные способы получения лигатур из металлических компонентов или с использованием солей приводят к образованию большого количества отходов производства, содержащих нередко вместе с алюминием значительные количества легирующих компонентов. Все описанные способы требуют сравнительно высоких удельных материальных и энергетических затрат. Необходимо также отметить, что большинство из указанных способов состоят из нескольких операций (таких, как подготовка сырья, снятие шлака, рафинирование), которые требуют дополнительных трудозатрат и специального оборудования.
Большинство недостатков, характерных для получения лигатуры алюминий-цирконий печным способом, может быть устранено, если процесс получения алюминия и процесс введения в него легирующих элементов совместить в одной технологической операции – электролизе.