Вариант 1
1.Напишите уравнения реакций алюминия: а) с хлором; б) с разбавленной серной кислотой; в) с углём; г) с раствором хлорида меди (II). Уравнение реакции 4 запишите в молекулярной и ионной формах.
2.Сравните физические свойства натрия, магния и алюминия.
3. Барий получают алюминотермическим восстановлением оксида бария. Рассчитайте массу бария, который образуется при взаимодействии 600 г оксидного концентрата (массовая доля BaO в нем 92% г.)
Вариант 2
1.Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения:
Уравнение реакции 3 запишите в молекулярной и ионной формах.
2.Почему алюминиевая посуда не разрушается в кипящей воде и практически не подвергается атмосферной коррозии?
Алюминий с водой не реагирует, даже при нагревании, поскольку на его поверхности образуется защитная оксидная пленка, которая предохраняет его от коррозии.
3. Смесь массой 6 г, состоящую из меди и алюминия, обработали избытком соляной кислоты. При этом получили 2,8 л водорода (н.у.). вычислите массовую долю каждого металла в смеси.
Вариант 3
1.Напишите уравнения реакций алюминия: а) с серой; б) с раствором гидроксида натрия; в) с оксидом хрома (III); г) с раствором нитрата ртути (II). Уравнение реакции 4 запишите в молекулярной и ионной формах.
2.Сравните строение атомов натрия, магния и алюминия. Отметьте черты сходства и различия.
3.Вычислите массу соли, которая образовалась при взаимодействии 2,7 г алюминия с бромом массой 40 г.
Вариант 4
1.Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения:
Уравнение реакции 4 запишите в молекулярной и ионной формах.
2.Как согласовать представление о высокой химической активности алюминия с наблюдаемым на повседневном опыте поведением алюминиевых изделий?
Алюминий очень активный металл, поэтому быстро покрывается защитной оксидной пленкой, которая предохраняет его и изделия из него от коррозии.
3.Вычислите массу технического алюминия (массовая доля алюминия 98,4%), который потребуется для алюминотермического получения ванадия массой 15,3 кг из оксида ванадия (V).
Изобретение относится к способу и устройству для получения гидроксидов или оксидов алюминия, а именно к способам получения оксидов или гидроксидов алюминия из металлического алюминия окислением. Способ относится также к получению водорода. Способ получения гидроксидов или оксидов алюминия и водорода из алюминия и воды заключается в том, что из мелкодисперсного алюминия размером частиц не более 20 мкм готовят суспензию порошкообразного алюминия в воде при соотношении Al:Н 2 О=1:4-16 вес.ч., которую непрерывно подают в реактор высокого давления, где суспензию порошкообразного алюминия распыляют при диаметре капель не более 100 мкм в воду при температуре 220-900 o С и давлении 20-40 МПа, при соотношении суспензии к воде 1:50-100 вес.ч., после выхода из реактора высокого давления парогаз подают в конденсатор и из него выводят водород, а гидроксид алюминия или оксид алюминия - в отстойник для суспензии. Способ осуществляют в установке, включающей смеситель, реактор высокого давления, снабженный форсункой, обеспечивающей распыление суспензии порошкообразного алюминия в воде при диаметре капель не более 100 мкм, отстойник для суспензии, конденсатор. Изобретение позволяет получить гидроксид алюминия с содержанием основного вещества не менее 99,5% и водород, имеющий чистоту 99%. 8 з.п.ф-ы, 1 ил, 1 табл.
Изобретение относится к способам получения гидроксидов или оксидов алюминия, а именно - к способам получения оксидов или гидроксидов алюминия из металлического алюминия окислением. Оксиды и гидроксиды алюминия используются в различных областях промышленности в качестве адсорбентов, катализаторов, и т.п. Гидроксиды и оксиды алюминия высокой чистоты используются в электронной и оптической промышленности в виде тонкого порошка - в качестве абразивных порошков, в частности, для жестких дисков или магнитных головок. Изобретение относится, в частности, к способам получения гидроксидов алюминия бемитной и байеритной формы.
Способ относится также к получению водорода, а именно - к способам получения водорода химическим способом при взаимодействии металлов и воды. Водород может использоваться в различных химических процессах как восстановитель, а также в определенных условиях как топливо.
Гидроксиды алюминия существуют в различных кристаллических видах - гидраргиллита (гиббсита), байерита, диаспора, бемита и т.д, оксиды - в виде ,,,-формы. Основное различие этих форм состоит в расположении ионов алюминия Аl 3+ и ионов кислорода О 2- относительно друг друга. В данном описании под термином "гидроксид алюминия" понимаются также и гидратированные оксиды алюминия Аl 2 О 3 . Основным способом промышленного получения гидроксидов алюминия является процесс Байера, а последующая их сушка и прокалка приводит к получению оксидов алюминия [Химическая энциклопедия, изд. "Советская энциклопедия", М., 1988 г., т.1, с.213-214]. Однако обычные способы получения гидроксидов алюминия не обеспечивают достижения высокой чистоты продукта.
Известен [ЕР 1262457 А2, кл. C 01 F 7/02, Sumitomo Chemical Co, опуб. 04.12.2002 г.] способ получения гидроксидов алюминия в виде тонкого порошка, который заключается в перемешивании соединения алюминия - прекурсора -алюминия и по крайней мере одного из соединений, применяющихся в виде затравочного материала для кристаллов гидроксида алюминия, с последующей прокалкой в атмосфере, содержащей хлористый водород. Однако этот способ не обеспечивает получения материала требуемой чистоты и заданной структуры. Кроме того, способ получения гидроксидов в виде гелей неудобен тем, что его выделение сопряжено с трудностями при фильтрации и кроме того, для получения мелкодисперсных порошков необходимы стадии размола или экструдирования.
Представляется, что более удобно получать гидроксиды алюминия взаимодействием металлического алюминия с водой, однако из-за образования на поверхности алюминия оксидной пленки его активность быстро падает. Для предотвращения этого явления используют различные добавки.
Так, известны способы получения водорода, заключающиеся во взаимодействии металлов, в том числе алюминия с водой [патент США 3348919, кл. 423-657, Colgate-Palmolive Со, опуб. 24.10.1967, патент США 3985866, кл. 423-657, Oda and al, опуб. 12.10.1976 г.]. Однако в этих способах, кроме алюминия, используются другие металлы - щелочные, щелочно-земельные металлы, или сплавы [ЕР 248960 А1, кл. С 01 В 3/086 Osaka Fuji Kogyo, Ltd. oп. 16.12.1987].
В других способах [патенты США 2958582 кл. 423-627, опуб. 1.10.1958 и пат. США 2958583, кл. 423-627, опуб. 1.10.1958] получения гидроксидов алюминия и водорода необходимо использовать дополнительные вещества, способствующие проведению взаимодействия реагентов, например каталитические количества органических аминов. Введение этих веществ не дает возможности получать чистый гидроксид алюминия. Процесс взаимодействия алюминия или его соединений и водорода проводят на установке, включающей реактор с мешалкой, куда вводятся исходные реагенты. Установка включает теплообменник, сепаратор и фильтр для разделения получаемой суспензии гидроксидов алюминия с водой.
Известен [патент США 2758011, кл. 423-627, Universal Oil Products Co, опуб. 7.08.1956 г. ] способ получения оксида алюминия в форме бемита (-АlOOН), который заключается во взаимодействии, проводимом в автоклаве, куда загружают воду и алюминий в виде мелкодисперсных частиц. Затем смесь нагревают до температуры 482-705 o F (250-374 o C), после чего начинают перемешивание при этой же температуре под давлением, достаточным для поддержания воды в жидкой фазе. Процесс ведут в течение времени, достаточного для взаимодействия всего алюминия, в приведенных примерах это время составляет около 4 часов. После того, как весь алюминий прореагировал, перемешивание прекращают, автоклав с реакционной смесью охлаждают и отделяют полученный гидроксид алюминия. Установка для проведения способа включает реактор с мешалкой, отверстия для ввода воды и порошкообразного алюминия, отстойник, конденсатор для приема парогаза. Проведение такого способа в промышленном масштабе не технологично из-за его периодического режима; способ не позволяет варьировать форму получаемого продукта - гидроксида алюминия.
Известен [патент РФ 2165388, кл. С 01 В 3/10, ЗАО "Фирма РИКОМ", оп. 04.07.2000 г.] способ получения водорода, который состоит в том, что металлсодержащие вещества взаимодействуют с водой. Металлосодержащие вещества перед подачей в реактор покрывают водорастворимой полимерной пленкой. Взаимодействие проводят в водной среде, параметры которой соответствуют параметрам ее сверхкритического состояния, что дает возможность проведения процесса послойного горения металлосодержащих веществ с выделением водорода.
В качестве металлосодержащих веществ может использоваться порошкообразный алюминий, а в качестве водорастворимой полимерной пленки - раствор полиэтиленоксида в диоксане или метиловом спирте. Давление сверхкритического состояния водной среды составляет более 22,12 МПа, а температура - более 647,3 К (374 o С). Способ позволяет получать водородную смесь состава: 96,1 об.% водорода, 3,9 об.% оксида углерода; и осуществлять регенерацию исходного сырья. Однако форма получаемого в результате проведения способа гидроксида алюминия не является бемитной.
Известен [патент США 5435986, кл. C 01 F 7/02, Industrial Technology Res. Institute, on. 25.07.1995 г.] усовершенствованный процесс получения высокочистого гидроксида алюминия в форме гидраргиллита, который включает стадии: (а) введение твердого, не порошкообразного алюминия, лучше в виде слитков, в горячую воду около 70 o С, с получением реакционной смеси; (b) перемешивание этой смеси около 20 минут; (с) введение твердого вещества, образующего щелочь - желательно гидроксида натрия, в смесь, и нагревание ее до температуры кипения; (d) снижение температуры до 75-80 o С и перемешивание в течение 60 минут; (е) снижение температуры до комнатной; и (f) фильтрацию смеси, в результате получают гидроксид алюминия высокой чистоты. В этом способе используется дополнительное вещество - гидроксид натрия, что способствует образованию примесей.
Задачей, стоящей перед разработчиками данного изобретения, было создание непрерывного способа, позволяющего одновременно получать водород и гидроксиды (оксиды) алюминия, с возможностью варьирования формы (структуры) указанных соединений, при этом оба продукта - водород и гидроксиды (оксиды) алюминия должны обладать высокой чистотой. Была поставлена также задача создания установки, позволяющей осуществить указанный способ.
Задача решается способом получения гидроксидов или оксидов алюминия и водорода из алюминия и воды, заключающимся в том, что из мелкодисперсного алюминия размером частиц не более 20 мкм готовят суспензию порошкообразного алюминия в воде при соотношении Al:Н 2 O=1:4-16 вес.ч., которую непрерывно подают в реактор высокого давления, где суспензию порошкообразного алюминия распыляют при диаметре капель не более 100 мкм в воду при температуре 220-900 o С и давлении 20-40 МПа при соотношении суспензии к воде 1:50-100 вес.ч., после выхода из реактора высокого давления парогаз подают в конденсатор, и из него выводят водород, а гидроксид алюминия или оксид алюминия - в отстойник для суспензии.
При этом гидроксид алюминия бемитной формы получают при температуре 250-350 o С, давлении 32-35 МПа при соотношении Аl:Н 2 O=1:8-12 вес.ч.; гидроксид алюминия байеритной формы получают при температуре 220-250 o С, давлении 30-33 МПа при соотношении Аl:Н 2 O=1:12-14 вес.ч.; -оксид алюминия получают при температуре 750-900 o С, давлении 30-35 МПа при соотношении Аl:H 2 О=1:4-5 вес.ч.; - оксид алюминия получают при температуре 600-900 o С, давлении 30-35 МПа при соотношении Аl:Н 2 O=1:5-6 вес.ч.; - оксид алюминия получают при температуре 450-750 o С, давлении 34-35 МПа при соотношении Аl:Н 2 O=1:5-8 вес.ч.; Способ, проводимый как описано выше, при этом получают смесь гидроксидов алюминия бемитной и байеритной формы при температуре 230-280 o С, давлении 30-33 МПа, при соотношении Аl:Н 2 O=1:12 вес.ч..
При получении водорода высокой чистоты используют дистиллированную воду.
Способ осуществляют в установке, включающей смеситель, реактор высокого давления, снабженный форсункой, обеспечивающей распыление суспензии порошкообразного алюминия в воде при диаметре капель не более 100 мкм, отстойник для суспензии, конденсатор.
Форма полученных продуктов и их характеристики подтверждены методами РФА, кондуктометрическим, газосорбционным методами и сканирующей электронной микроскопией (SEM).
Для осуществления описанного выше способа создана установка, включающая смеситель, реактор, отстойник для суспензии, конденсатор, При этом реактор представляет собой аппарат, работающий под высоким давлением, снабженный форсункой, обеспечивающей распыление суспензии порошкообразного алюминия в воде до диаметра капель не более 100 мкм.
Для реализации способа сначала готовят суспензию порошкообразного алюминия (размер частиц до 20 мкм, предпочтительно до 5 мкм) в воде при соотношении Al:Н 2 O=1:4-16 вес.ч.. Эту дисперсию подают в реактор, где распыляют в воде, находящейся под давлением 20-40 МПа при температуре 220-900 o С. Необходимо обеспечить тонкое распыление суспензии - размер капель должен быть не более 100 мкм, при этом соотношение суспензии к воде 1:50-100 вес.ч., при непрерывном отводе водорода и гидроксида алюминия. При указанных температуре и давлении, но без распыления суспензии, или с распылением каплями большего размера невозможно решение поставленной задачи.
Предварительная подготовка суспензии перемешиванием в указанном интервале соотношения порошкообразного алюминия (предпочтительный размер частиц до 20 мкм) и воды (1:4-16) обеспечивает постоянство заданного состава суспензии в течение времени, достаточного для подачи исходной суспензии в реактор.
Для того, чтобы прошло взаимодействие порошкообразного металлического алюминия с водой, при указанных температуре и давлении необходимо обеспечить тонкое распыление суспензии (Al:H 2 O) - размер капель должен быть до 100 мкм, при этом соотношение суспензии к воде 1:50-100 вес.ч., с непрерывным отводом водорода и суспензии гидроксида алюминия.
Подача мелкодисперсной суспензии в определенном соотношении к горячей воде (1:50-100), находящейся в реакторе под давлением, способствует быстрому, практически мгновенному началу взаимодействия алюминия и воды: 2Al+4Н 2 O-2AlOOH+3Н 2 (газ)+Q (ккал) Образующиеся продукты непрерывно выводят из реактора. Водород в составе парогаза (около 25 мас. % водорода и около 75 мас.% воды) и гидроксиды (оксиды) алюминия в виде водной суспензии (25-35 мас.% гидроксидов (оксидов), отводятся из реактора на стадию разделения. Для проведения способа использовались порошки алюминия двух видов, с максимальным размером частиц до 50 мкм. Первый имел состав: фракция менее 5 мкм - 25%; фракция 5-10 мкм - 65%, 10-20 мкм - 10%. Второй порошок имел следующий дисперсный состав: фракция менее 5 мкм - 20%; фракция 5-10 мкм - 36%, 10-20 мкм - 35%; 20-30 мкм - 6%, 30-50 мкм - 3%. Опыты показали, что результаты не зависели от фракционного состава исходных порошков алюминия, если размер частиц не превышал указанного максимального значения. При необходимости получения продуктов высокой чистоты используется очищенная вода, например дистиллированная, однако способ позволяет использовать и обычную воду.
Способ осуществляется на установке, включающей смеситель для приготовления исходной суспензии, реактор, снабженный форсункой, в которой имеется, по крайней мере, одно отверстие диаметром до 100 мкм, трубу для отвода парогаза и трубу для отвода готовой суспензии, циклон, конденсатор, фильтр-осушитель и накопитель. Способ проводят следующим образом.
В смесителе готовят суспензию в воде, подавая при перемешивании порошкообразный алюминий размером частиц до 20 мкм и воду в соотношении 1:4-16 вес. ч. при температуре окружающей среды. Эту суспензию под давлением от 20 МПа подают в верхнюю часть реактора через распылитель, например форсунку. В реактор, внутри которого вначале создается температура от 100 до 330 o С, подается вода таким образом, чтобы обеспечить его заполнение не менее чем на 1/3. Распыляемая суспензия, содержащая частицы алюминия, при минимальном диаметре капель до 100 мкм, подается в зависимости от объема реактора (в опытах - 5 литров), при этом соблюдается соотношение исходной суспензии и воды в реакторе в интервале 1:50-100. Давление в реакторе в пределах 20-40 МПа и температура в пределах 220-900 o С поддерживаются за счет непрерывного отвода парогаза и суспензии гидроксида алюминия. Количество выводимых продуктов - парогаза и суспензии бемита определяются количеством подаваемых исходных реагентов - воды и суспензии алюминия, и регулируются автоматически. После выхода из реактора парогаз поступает в теплообменник, где охлаждается, из него выводится водород и направляется в накопительную емкость, а основная часть воды конденсируется в сепараторе, и затем может подаваться на рецикл. Твердый влажный продукт поступает в циклон, откуда подается на окончательную сушку. Полученный гидроксид алюминия обладает высокой чистотой - содержание основного вещества не менее 99,9%. Второй продукт - водород, также характеризуется высокой чистотой, и может быть использован в процессах восстановления, или направлен для использования в замкнутом цикле для восстановления гидроксида водорода. Его чистота - не менее 99%. Тепловая энергия также утилизируется.
Выход из расчета на подаваемый порошкообразный алюминий составляет не менее 99,8%.
В таблице приведены конкретные параметры проведения способа.
Таким образом, отличительными признаками предлагаемого изобретения являются: - совместное получение гидроксидов или оксидов алюминия заданной структуры, и водорода, при проведении способа в непрерывном режиме, с предварительной подготовкой суспензии порошкообразного алюминия в воде при соотношении Аl:Н 2 О, равном 1:4-16; - подача суспензии на стадию взаимодействия с водой при температуре 220-900 o С и давлении 20-40 МПа, при соотношении суспензии к воде 1:50-100 вес.ч.;
- распыление подаваемой в реактор суспензии с тонкостью распыла, обеспечивающей введение капель диаметром до 100 мкм;
Возможно использование как очищенной, например дистиллированной, так и обычной воды.
Самая крутая фишка для фантастики и в принципе ожидаемая нами всеми в будущем - это заливаешь в бак автомобиля воду и поехал. Сейчас водород уже достаточно давно рассматривается и кое-где используется в качестве экологически чистого вида топлива. Но более широкому использованию водородного топлива мешает целый ряд неразрешенных на сегодняшний день проблем, главными из которых являются хранение и транспортировка.
И вот тут его непосредственное вырабатывание в автомобиле прямо из воды было бы крутейшим вариантом.
Похоже мы все ближе и ближе к этому...
Группа исследователей из американской Армейской научно-исследовательской лаборатории, проводя эксперименты на Абердинском испытательном полигоне близ Мериленда, сделала случайное открытие. Пролив воду на брусок особого алюминиевого сплава, состав которого держится пока в секрете, исследователи заметили мгновенно начавшийся процесс бурного выделения водорода.
Из школьного курса химии, если кто его еще помнит, водород является побочным продуктом реакции между водой и алюминием. Однако, данная реакция обычно протекает лишь при достаточно высокой температуре или в присутствии специальных катализаторов. Да и тогда она идет достаточно "неторопливо", на заполнение бака водородного автомобиля потребуется около 50 часов, а энергетическая эффективность такого метода получения водорода не превышает 50 процентов.
Все вышесказанное не имеет отношения к реакции, в которой принимает участие новый сплав алюминия. "Эффективность этой реакции вплотную приближается к 100 процентам, а сама реакция "разгоняется" до максимальной производительности менее, чем за три минуты" - рассказывает Скотт Грендаль (Scott Grendahl), руководитель научной группы.
Использование системы, вырабатывающей водород по мере необходимости, решает массу имеющихся проблем. Воду и алюминиевый сплав легко транспортировать из одного места в другое, оба этих вещества сами по себе инертны и стабильны. Во-вторых, для начала реакции не требуется никакого катализатора, ни первоначального толчка, реакция начинает идти сразу же, как вода входит в контакт со сплавом.
Все вышесказанное еще не означает, что исследователи обнаружили панацею в области водородного топлива. В этом деле существует еще целый ряд вопросов, подлежащих выяснению или уточнению. Первым вопросом является то, будет ли работать такая схема получения водорода вне лаборатории, ведь существует множество примеров, когда экспериментальные технологии отлично работают в лабораторных условиях, но терпят полную неудачу при полевых испытаниях. Вторым вопросом является вопрос сложности и стоимости производства алюминиевого сплава, стоимость утилизации продуктов реакции, которые станут факторами, определяющим экономическую целесообразность нового способа получения водорода.
И в заключение следует отметить, что на выяснение упомянутых выше вопросов, скорее всего, уйдет не так уж и много времени. И только после этого можно будет сделать выводы о дальнейшей жизнеспособности нового метода получения водородного топлива.
П.С . Делориан на первой картинке для привлечения внимания:-)
источники
«Водород генерируется только при необходимости, так что вы можете произвести его ровно столько, сколько нужно», - пояснил Вудалл на университетском симпозиуме, где описывались детали открытия. Данная технология может, например, применяться совместно с небольшими двигателями внутреннего сгорания в различных применениях – портативных аварийных генераторах, газонокосилках и пилах. Теоретически, она может быть использована и на легковых автомобилях и грузовиках.
Водород выделяется самопроизвольно, когда вода добавляется к шарикам, выполненным из сплава алюминия и галлия. «При этом алюминий в твердом сплаве реагирует с водой, отрывая от ее молекул кислород», - комментирует Вудалл. Соответственно, оставшийся водород выделяется в окружающее пространство.
Наличие галлия является критичным для прохождения реакции, так как он препятствует формированию пленки оксида на поверхности алюминия при его окислении. Такая пленка обычно предотвращает дальнейшее окисления алюминия, выступая в качестве барьера. Если же ее формирование окажется нарушенным, реакция будет идти до тех пор, пока не израсходуется весь алюминий.
Вудалл открыл данный процесс с жидким сплавом алюминия-галлия в 1967 году, когда он работал в полупроводниковой промышленности. «Я очищал тигель, содержавший сплав галлия и алюминия, - рассказывает он, - Когда я добавил туда воду, произошел сильный хлопок. После этого я удалился в лабораторию и в течение нескольких часов изучал, что же именно произошло».
«Необходимым компонентом является галлий, так как он плавится при низкой температуре и растворяет алюминий, что делает возможным реакцию последнего с водой. – поясняет Вудалл. – Это было неожиданным открытием, так как хорошо известно, что твердый алюминий не взаимодействует с водой».
Конечными продуктами реакции являются галлий и оксид алюминия. Сжигание же водорода приводит к образованию воды. «Таким образом, никаких токсичных выбросов не получается, - говорит Вудалл, - Важно отметить и то, что галлий не участвует в реакции, так что его можно утилизировать и использовать вновь. Это важно, так как сейчас этот металл намного дороже алюминия. Впрочем, если данный процесс начнет широко использоваться, то добывающая промышленность сможет выпускать более дешевый низкосортный галлий. Для сравнения, весь используемый сейчас галлий имеет высокую степень очистки и используется, главным образом, в полупроводниковой промышленности».
Вудалл говорит, что, так как водород может использоваться вместо бензина в двигателях внутреннего сгорания, возможно применение методики на автомобильном транспорте. Однако для того, чтобы технология смогла конкурировать с бензиновой, необходимо снизить стоимость восстановления оксида алюминия. «Сейчас стоимость одного фунта алюминия превышает $1, и поэтому вы не сможете получить количество водорода, эквивалентное бензину по цене $3 за галлон», - поясняет Вудалл.
Впрочем, стоимость алюминия может быть снижения, если он будет получаться из оксида с помощью электролиза, а электроэнергия для него будет идти с или . В этом случае алюминий может производиться прямо на месте, и отпадает необходимость в передаче электроэнергии, что снижает общие затраты. Кроме того, такие системы могут располагаться в удаленных районах, что особенно важно при постройке атомных электростанций. Данный подход, по мнению Вудалла, позволит уменьшить использование бензина, снизить загрязнение и зависимость от импорта нефти.
«Мы называем это водородной энергетикой на основе алюминия, - говорит Вудалл, - Причем не будет никаких сложностей, чтобы переделать двигатели внутреннего сгорания на работу от водорода. Все, что нужно – заменить их топливный инжектор на водородный».
Также система может применяться и для питания топливных ячеек. В этом случае она уже может конкурировать с бензиновыми двигателями – даже при сегодняшней высокой стоимости алюминия. «КПД систем на топливных элементах составляет 75%, тогда как двигателя внутреннего сгорания – 25%, - говорит Вудалл, - Таким образом, как только технология будет широко доступной, наша методика извлечения водорода станет экономически оправданной».
Ученые подчеркивают ценность алюминия для генерации энергии. «Большинство людей не догадывается, насколько много энергии заключено в нем, - поясняет Вудалл, - Каждый фунт (450 граммов) металла может дать 2 кВт*часа при сжигании выделившегося водорода, и еще столько же энергии в виде тепла. Таким образом, средний автомобиль с баком, заполненным шариками из сплава алюминия (около 150 кг) сможет проехать порядка 600 км, и это будет стоить $60 (при этом предполагается, что оксид алюминия затем будет утилизирован). Для сравнения, если я залью в бак бензин, то буду получать с каждого фунта 6 кВт*часов, что в 2.5 раза больше энергии от фунта алюминия. Другими словами, мне нужно будет в 2.5 раза больше алюминия, чтобы получить такое же количество энергии. Однако важно то, что я полностью исключаю бензин, и применяю вместо него дешевое вещество, доступное в США».
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"
Институт цветных металлов и материаловедения
РЕФЕРАТ
Образование газообразных включений в алюминиевых сплавах
Красноярск - 2014
Введение
2.2 Взаимодействие с азотом
2.3 Взаимодействие со сложными газами
2.4 Взаимодействие с водородом
Реакция алюминия с водородом
3.1 Дегазационная установка PAL FI 60R
3.2 Двухступенчатая установка внепечного рафинирования SNIF P-140UHB
Заключение
Введение
Алюминий и его сплавы взаимодействуют с газами окружающей атмосферы в основном во время их плавления и разливки. Алюминий и легирующие элементы в сплавах взаимодействуют с водородом, кислородом, азотом, углеродом, парами воды, SО2, СО2, СО и различными углеводородами, в результате чего алюминий и его сплавы загрязняются газами и продуктами реакций. Несмотря на возможность взаимодействия алюминия со многими газами, находящимися в атмосфере плавильной печи, миксера и в окружающей среде при разливке, только водород, нитриды, карбиды и оксиды металлов переходят в расплав в количествах, достаточных для заметного влияния на структуру и свойства изделия.
Взаимодействие жидких металлов с материалами, которые используют для футеровки плавильных печей и разливочных ковшей, а также для изготовления тиглей и кристаллизаторов, многообразно и сложно. Материал плавильной емкости должен прежде всего выдерживать механические нагрузки при соответствующих температурах. Это механическое взаимодействие усугубляется сложными физико-химическими явлениями между расплавом и соприкасающимся с ним твердым материалом. При этом возможны процессы восстановления-окисления, взаимного растворения, не исключено также пропитывание футеровки расплавом. алюминиевый сплав дегазация газообразный 1. Образование газообразных включений. Физико - химические процессы при плавлении алюминия
Если чистый жидкий металл достаточно долго соприкасается с газовой средой и развиваются процессы, направленные к достижению равновесия в системе, то возможны следующие три типа изменения в составе и состоянии расплава: Газовая среда инертна по отношению к жидкому металлу, поэтому ни растворения газа в расплаве, ни образования каких - либо соединений не происходит. Отсутствие растворения газа оценивается с практической точки зрения. Сюда относятся случаи с достаточно малой растворимостью, не имеющей значения для процесса плавки металлов. Отсутствие взаимодействия можно наблюдать между любым металлом и любым инертным газом нулевой группы периодической системы Д.И. Менделеева, а также в некоторых системах металл-водород (металл - олово, свинец и др.), металл-азот (металл - медь, серебро, цинк и др.). При взаимодействии жидкого металла с газом отмечается значительная растворимость газа в расплаве. Здесь также имеется в виду практически значимая растворимость, которая ощутимо влияет на качество сплава и определяет технологию плавки. В системах, где происходит подобное взаимодействие, в конечном итоге будут существовать насыщенный газом жидкий раствор и газовая фаза. Возможно также, что по достижении в расплаве предельного содержания газа начнется образование химического соединения между газом и металлом. Для процесса плавки определяющим обстоятельством является именно образование раствора газа в жидком металле. Данный тип взаимодействия наблюдается во многих системах металл-водород. Взаимодействие жидкого металла с газом выражается в образовании устойчивых химических соединений металл - газ. Растворимость газа в жидком металле в этих случаях настолько мала, что наблюдается во многих системах металл-кислород (А1-О2, Mg-O2 и др.).
Тип взаимодействия жидкого металла с газом определяется природой металла и газа, температурой и давлением газа над расплавом. Для двойной системы металл-газ характер взаимодействия и образующиеся фазы можно довольно легко установить по существующим диаграммам состояния. Процесс взаимодействия жидкого металла с газами состоит из нескольких ступеней. Поступление молекул газа к поверхности жидкого металла обеспечивается путем молекулярной диффузии и конвективного массопереноса в нем. При давлении, составляющем 104 Па и более, массоперенос в газах осуществляется в основном конвекцией.
Следующая ступень заключается в переходе молекул газа на поверхность расплава. Этот процесс называется адсорбцией. При высоких температурах основная роль принадлежит активированной адсорбции или хемосорбции, которая выражается не только в осаждении молекул газа на поверхности расплава, но и в частичной их диссоциации на атомы. Об этом свидетельствует большая величина теплоты хемосорбции, близкая к теплоте диссоциации двухатомных газов. Атомы газа, адсорбированные на поверхности расплава, готовы как для образования молекул химического соединения металл-газ, так и для диффузии вглубь расплава. Если взаимодействие состоит в возникновении нерастворимого в. расплаве соединения, то на поверхности расплава начинает нарастать слой этого соединения. Скорость взаимодействия определяется, кроме прочих обстоятельств, сплошностью этою слоя, которую можно оценить, сравнивая объемы образующегося соединения и расходуемого металла с учетом стехиометрии соединения и плотностей металла и соединения. Если объем возникающего соединения значительно меньше объема расходуемого металла, слой соединения неизбежно должен иметь надрывы и трещины, куда свободно проникает газ. В этих случаях взаимодействие проходит с неизменной скоростью. Если же указанные объемы близки друг к другу, то газ должен диффундировать через слой соединения. Поскольку толщина слоя непрерывно увеличивается, скорость взаимодействия будет уменьшаться. Так происходит, например, взаимодействие жидкою алюминия с кислородом, приводящее к образованию пленки оксида алюминия на поверхности расплава. При экзотермическом процессе образования соединения металл-газ может происходить местное повышение температуры, приводящее к возгоранию расплава. Это наблюдается, например, при перегреве жидкого магния и его сплавов на воздухе выше 700 оС, а также при перегреве цинка выше 600 оС.
Если расплав способен растворять газ, то адсорбированные атомы газа диффундируют вглубь расплава. В металлических расплавах газы могут растворяться лишь в атомарном состоянии. Процесс растворения газа в приповерхностном слое целиком определяется диффузией. В глубине расплава распространение атомов газов осуществляется главным образом конвективным массопереносом. Нередко вследствие ограниченности массопереноса в жидкой фазе на поверхности расплава возникает слой соединения, хотя во всей массе расплава предельная концентрация газа в растворе еще не достигнута. Равновесная растворимость [Г
] двухатомного газа в металле в общем случае описывается зависимостью
(1)
рг2 - давление газа над расплавом; Aо - постоянный множитель; ΔН - теплота растворения газа, отнесенная к 1 молю растворенного газа; R - газовая постоянная; Т - температура, К.
Логарифмирование формулы (1) дает следующее выражение:
(2)
При постоянной температуре зависимость (1) переходит в закон квадратного корня (закон Сивертса): , из которого с очевидностью следует, что растворы газов в металлах одноатомны (k
- постоянный множитель). Во многих системах металл - газ растворение газа проходит с поглощением тепла. Следовательно, величина ΔН > 0, и поэтому увеличение температуры вызывает рост растворимости газа. Имеется также большое число металлов, в которых растворение газа сопровождается выделением тепла (ΔН <0). В таких металлах повышение температуры сопровождается снижением растворимости газа в расплаве. Изменение растворимости газов в металлах в зависимости от температуры и давления соответствует равновесным значениям лишь при достаточно медленных изменениях внешних условий. Если же эти изменения происходят быстро, растворимость начинает отставать от значений, определяемых приведенными формулами, из-за того, что некоторые из ступеней общего процесса растворения не обеспечивают передачу нужного количества газа. Обычно таким узким местом является диффузия. В итоге получаются завышенные или заниженные значения содержания растворенного в металле газа. Особенно осложняются явления при уменьшении температуры и давлении газа над расплавом, если при этом должна снижаться растворимость газа. В большинстве случаев газ, выделяющийся из раствора, не успевает проходить через свободную поверхность расплава. Усиливающееся перенасыщение расплава приводит к возникновению внутри него пузырьков газа. Гомогенное зарождение газовых пузырьков в расплаве, по-видимому, невозможно. Они могут возникнуть лишь на готовых зародышах, представляющих собой поры и трещины в нерастворимых в расплаве частицах примесей. Подобные несплошности заполнены инертным для данного металла газами. Именно в эти готовые полости устремляются атомы выделяющихся из раствора газов, и здесь начинает расти газовый пузырек. Особенность существования газового пузырька в расплаве состоит в том, что давление в нем определяется рп = рвн + ρgh + 2σ/г, где рп - внешнее давление над расплавом; ρgh - металлостатичсское давление, зависящее от плотности расплава ρ, ускорения силы тяжести g, расстояния от зеркала металла (глубины) h; 2σ/г - капиллярное давление, зависящее от межфазной энергии на границе расплав - газ и радиуса пузырька г. При понижении температуры со скоростью более нескольких градусов в секунду наблюдается неполное выделение газа из раствора в металле. Газ может почти полностью остаться в растворе в случае еще больших скоростей охлаждения. Иначе говоря, происходит закалка раствора газа сначала в жидком металле, а затем и в твердом. Этим явлением широко пользуются при отборе проб расплава для определения содержания газов. Газы, оставшиеся в пересыщенном растворе в твердом металле, нельзя считать безвредными. Они могут влиять на прочностные свойства, снижать показатели пластичности металла, изменять коррозионные свойства. Происходящий постепенный распад раствора приводит к выделению свободного газа, который скапливается на границах зерен, в микротрещинах, около неметаллических включений, образуя поры. Подогрев ускоряет распад раствора и усиливает опасность разрушения металла. Такие виды брака, как расслоения в деформируемых цветных сплавах, объясняются именно выделением газов из раствора. 2. Взаимодействие алюминиевых сплавов с газами
2.1 Взаимодействие с кислородом
При взаимодействии алюминия с кислородом образуются три соединения: субоксиды алюминия Аl2О, АlО и оксид алюминия Аl2О3. Субоксиды алюминии можно получить лишь искусственно при высоких температурах в высокое вакууме. Обычно встречающееся соединение Аl2О3, представляет очень прочное химическое соединение с ничтожно малой упругостью диссоциации паров даже при весьма высоких температурах. Оксид алюминия имеет несколько полиморфных модификаций, образование которых и переход одной в другую зависят от температуры, времени выдержки и состава окружающей среды. Существующие представления о полиморфных модификациях свободного оксида алюминия противоречивы и сводятся к двум направлениям: дискретному и эволюционному.
Сторонники дискретного направления признают существование большого числа самостоятельных дискретных полиморфных модификаций оксида алюминия. Модификация α - Аl203 представляет наиболее устойчивую форму оксида алюминия. В природе а-А1303 встречается в виде корунда - минерала, обладающего высокой твердостью. Корунд кристаллизуется в гексагональных ромбоэдрах. Расстояние между атомами алюминия составляет 0,136 нм. Оксид алюминия α - Аl2О3 является высокотемпературной модификацией, в которую в конечном итоге с повышением температуры переходят все остальные выше названные модификации. При температуре 2050°С α - Аl203 плавится, а при температуре 3000°С кипит. Рассмотрим структуру и свойства оксида алюминия, образующегося на поверхности алюминия и его сплавов. Известно, что свежевскрытая поверхность алюминия даже при комнатной температуре довольно быстро покрывается оксидной пленкой, толщина которой в первые часы окисления достигает 1,7-2,1 нм. При дальнейшей выдержке алюминия на воздухе происходит медленный рост оксидной пленки в течение 70-80 дней, и ее толщина при 25°С и относительной влажности воздуха 45-55 % достигает 3 нм. Затем рост пленки практически прекращается. Естественная оксидная пленка на поверхности алюминия состоит в основном из аморфной смеси с небольшой примесью кристаллической γ - Аl2О3. При нагреве алюминия до 450-500°С оксидная пленка на поверхности алюминия приобретает мелкокристаллическое строение, а при нагреве при температуре 500°С на рентгенограммах появляются линии, отвечающие кристаллической структуре шпинельного типа. С повышением температуры толщина оксидной пленки на поверхности алюминии растет и при температурах, близких к точке плавления, достигает 100 нм. Естественная оксидная пленка на алюминии прозрачна, невидима, компактна и обладает хорошими адгезионными свойствами.
.2 Взаимодействие с азотом
Азот от кислорода отличается меньшей химической активностью, а от водорода - значительно большими размерами атомов. При обычных температурах азот почти не растворяется в металлах, так как степень диссоциации его молекул на атомы очень мала. В реальных условиях плавки азот не образует ни растворов и ни нитридов с медью, серебром, золотом, оловом, цинком, кадмием, свинцом, сурьмой и висмутом. В алюминии азот тоже не растворяется, но при температуре около 900 оС образует с ним устойчивое химическое соединение - нитрид алюминия (AlN), который может находиться в расплаве в виде твердых включений. При температурах менее 750 оС азот для алюминия считается нейтральным газом и часто применяется как дегазатор расплавов.
Магний при температуре плавления образует с азотом нитрид магния (Mg3N2), который при комнатной температуре разлагается водой с образованием аммиака. В связи с этим присутствие в металле нитрида магния снижает коррозионную стойкость магния и его сплавов.
При плавлении в атмосфере азота меди, серебра, золота, цинка, кадмия, магния, алюминия, олова, свинца, висмута, сурьмы и их сплавов качество литых изделий не ухудшается. Щелочные и щелочноземельные металлы активно поглощают азот, образуя сначала насыщенный раствор, а затем термически стойкие нитриды. Следовательно, при их плавлении азот в атмосфере не допустим. Тугоплавкие металлы четвертой, пятой и шестой групп периодической таблицы Д.И. Менделеева (титан, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден и вольфрам) и их сплавы в большом количестве растворяют азот и образуют нитриды. Насыщение этих металлов азотом вызывает резкое повышение хрупкости. Таким образом, азот для этих тугоплавких металлов является вредным газом и недопустим в атмосфере печи. Чистый азот широко применяют при дегазации алюминиевых сплавов, его вводят в виде мелких пузырьков по всему объему расплава. На практике расплавы сплавов с содержанием более 1,5 % Mg азотом не обрабатывают из-за образования нитрида магния, который резко снижает технологические свойства сплавов.
.3 Взаимодействие со сложными газами
Во всех случаях взаимодействия сложных газов с жидкими металлами происходит разрушение молекул газа, сопровождаемое образованием новых соединений, появлением свободных элементов, входящих в состав сложного газа, возникновением растворов одного или обоих этих элементов в жидком металле. В связи с тем, что в состав сложных газов входят углерод и сера, необходимо учитывать взаимодействие жидких металлов с этими элементами. Их обычно называют газообразующими. Взаимодействие жидких металлов с парами воды. Как показывают термодинамические расчеты, почти все металлы при тех температурах, когда они находятся в жидком состоянии при плавке, взаимодействуют с парами воды. Освобождающийся водород будет уходить в атмосферу. Жидкие алюминий будут также покрываться слоем нерастворимого в металле оксида, но выделяющийся водород будет растворяться в расплаве. Таким образом, плавка этих металлов в атмосфере, содержащей водяные пары, будет вызывать не только загрязнение расплава неметаллическими включениями оксидного характера, но и приводить к насыщению его растворенным водородом. Для этих двух металлов вследствие их большого сродства к кислороду реакция с водяными парами практически нацело сдвинута в сторону образования оксида металла и водорода. Поэтому при плавке в атмосфере, содержащей водяные пары, они будут загрязняться и кислородом и водородом.
.4 Взаимодействие с водородом
Водород является единственным газом, который заметно растворяется в алюминии и его сплавах. Его растворимость изменяется пропорционально величине температуры и корню квадратному из давления. Как показано на рисунке, растворимость водорода в жидком алюминии значительно выше, чем в твердом: 0,65 и 0,034 мл/100 г, соответственно. Эти величины незначительно изменяются в зависимости от химического состава сплавов. При охлаждении и затвердевании расплавленного алюминия с содержанием водорода значительно выше, чем его растворимость в твердом состоянии, он (водород) может выделиться в молекулярной форме, что приведет к образованию первичных или вторичных пор.
<#"center">Водородная пористость алюминия
Образование пузырей водорода в алюминии сильно зависит от скорости охлаждения и затвердевания, а также от наличия центров зарождения для выделения водорода, таких как захваченные внутрь расплава оксиды. Поэтому для образования пористости требуется значительное превышение содержания растворенного водорода по сравнению с растворимостью водорода в твердом алюминии. При отсутствии центров зарождения для выделения водорода требуется относительно высокая его концентрация - около 0,30 мл/100 г. Во многих промышленных сплавах пористость не обнаруживают и при таком довольно высоком содержании водорода, как 0,15 мл/100 г.
Водород в алюминиевых отливках
Расположение водорода в затвердевшем алюминии зависит от уровня его содержания в жидком алюминии и условий, при которых происходило затвердевание. Поскольку наличие водородной пористости является результатом механизмов зарождения и роста, которые контролируются диффузией, то снижение концентрации водорода и увеличение скорости затвердевания действуют подавляюще на зарождение и рост пор. По этой причине отливки, выполненные в методом литья в разъемный кокиль, более подвержены дефектам, связанным с водородом, чем отливки, которые изготавливали, например методам литья под давлением.
Источники водорода в алюминии
Водород попадает в алюминий из многих источников, включая атмосферу печи, шихтовые материалы, флюсы, плавильные инструменты и реакции между расплавленным алюминием и литейной формой. Атмосфера печи. Если плавильная печь работает на природном газе или, скажем, на мазуте, то возможно неполное сгорание топлива с образованием свободного водорода. Шихтовые материалы. Слитки, лом и литейный возврат могут содержать оксиды, продукты коррозии, песок и другие литейные абрисы, а также смазки, которые применяются при механической обработке. Все эти загрязнители являются потенциальными источниками водорода, который образуется при восстановлении органических веществ или химическом разложении паров воды. Флюсы. Большинство флюсов - это соли и как все соли являются гигроскопичными, то есть готовыми "с удовольствием" впитывать воду. Поэтому влажный флюс неизбежно вносит в расплав водород, который образуется при химическом разложении воды. Плавильные инструменты. Плавильные инструменты, такие как пики, скребки и лопаты тоже могут быть источником водорода, если не поддерживать их чистыми. Оксиды и остатки флюсов на таких инструментах являются особенно "хитрыми" источниками загрязнения, так как они впитывают влагу прямо из окружающего воздуха. Печные огнеупоры, желоба и распределительные каналы, известковые и цементные растворы, ковши для отбора проб - все они являются потенциальными источниками водорода, особенно если они недостаточно высушены. Взаимодействие между жидким алюминием и литейной формой. Если в процессе заполнения литейной формы жидкий металл течет чрезмерно турбулентно, то он может захватывать воздух в ее внутренний объем. Если воздух не сможет или не успеет выйти оттуда до начала затвердевания, то произойдет попадание водорода в металл. Причиной захвата воздуха могут также неправильно выполненные питатели литейной формы. Еще одним источником водорода являются чрезмерно влажные песчаные литейные формы.
Реакция алюминия с водородом
Считается, что алюминий, как и большинство металлов не реагирует напрямую с водородом. Обычно металлы образуют соединения, путем потери электронов, которые принимаются другими элементами. Водород тоже образует соединения, теряя электроны (или делясь электронами). Поэтому обычно атомы водорода не принимают электроны, которые отдают металлы для образования соединений. Только некоторые очень реактивные металлы, такие как натрий, калий, кальций и магний могут "принуждать" атомы водорода принять их электроны с образованием твердых ионных соединений, которые называют гидридами этих металлов. Для прямого синтеза гидрида алюминия из водорода и алюминия требуется сумасшедшее давление около 2000000000 атмосфер и температура выше 800 К. Между тем такое соединение как гидрид алюминия существует. Гидрид алюминия - это нестабильное соединение, которое легко разлагается при температуре выше 100°С. Его получают не прямым путем, а в результате реакций других соединений.
1.Определение газовой пористости на примере алюминиевых литейных сплавов
·При определении пористости в алюминиевых литейных сплавах усадочная рыхлость или центральная пористость исключается.
·Для определения газовой пористости темплеты, вырезанные из чушек, отливки или образцы, вырезанные из отливок, обрабатывают до шероховатости Ra не более 1,6 мкм.
·Для определения газовой пористости макрошлиф травят, не выявляя макроструктуры, затем промывают проточной водой и просушивают фильтровальной бумагой.
·Для определения газовой пористости необходимо пользоваться шкалой, приведенной на рисунке. Степень пористости макрошлифов в баллах устанавливают сравнением их с эталонами шкалы.
·Газовая пористость темплетов чушек определяется на трех квадратах площадью 1 см2 каждый. Количество пор и размер пор определяют как среднее арифметическое трех измерений.
·При наличии отклонений по среднему количеству, размеру или процентному содержанию пор в сторону увеличения показатели пористости относят к более высокому баллу пористости.
·На малогабаритных отливках газовую пористость допускается определять на меньшем количестве квадратов.
·Балл пористости, определенный по трем квадратам на двух макрошлифах темплетов чушек, распространяют на всю плавку.
·Контроль пористости проводят визуально, невооруженным глазом. Для определения диаметра пор можно пользоваться оптическими приборами с увеличением до 10 раз.
·Шлиф состоит из пяти эталонов:
oбалл 1 - мелкая пористость;
oбалл 2 - пониженная пористость;
oбалл 3 - средняя пористость;
oбалл 4 - повышенная пористость;
oбалл 5 - высокая пористость.
·Пользоваться эталонами степени пористости можно независимо от марки сплава.
Рисунок 2 - Шкала пористости алюминиевых сплавов
Рисунок 3 - Схема расположения квадратов на макрошлифе
3. Дегазация алюминиевых сплавов
На металлургических заводах применяют пять схем обработки струи расплавленного металла газами: в желобе (или обогреваемой емкости) с введением газа через пористые диафрагмы, вмонтированные в дно; в обогреваемой емкости в сочетании с фильтрацией через насыпной или пенокерамический фильтр; в емкости с введением газа при помощи ротора, вращающегося со скоростью 400-600 об/мин; в желобе при литье слитков; флюсом в сочетании с газом. В каждом из этих процессов расплавленный металл рафинируют при переливе. Это, с одной стороны, повышает производительность плавильно-литейного агрегата, так как исключает из производственного цикла время, необходимое для рафинирования расплава в печи или миксере, а с другой - обеспечивает лучшую проработку расплава рафинирующим реагентом. Эти способы обработки расплава получили широкое распространение в практике приготовления как литейных, так и деформируемых алюминиевых сплавов. Содержание водорода в расплаве после продувки определяется рядом факторов, и в первую очередь зависит от обьема продуваемого газа. С увеличением объема степень дегазации, как правило. возрастает. Исключением является случай, когда наряду с очисткой расплава развивается процесс вторичного его загрязнения продуктами взаимодействия с кислородом и влагой атмосферы при интенсивном бурлении жидкого металла. На НКаЗе применяется следующие схемы обработки струи расплавленного металла газами: флюсом в сочетании с газом (Дегазационная установка PAL FI 60R); в емкости с введением газа при помощи ротора, вращающегося со скоростью 400-600 об/мин (Двухступенчатая установка внепечного рафинирования SNIF P-140UHB).
.1 Дегазационная установка PAL FI 60R
Дегазационная установка PAL FI 60R предназначена для очистки расплава от водорода в миксере. Обработка расплава производиться продувкой расплава в миксере аргоном, с возможностью инжекции флюса. Технические характеристики установки представлены в таблице 9.
Таблица 1 - Технические характеристики установки PAL FI 60R ПараметрыВеличинаЭлектрическое напряжение, В220Расход флюса, кг/минот 1 до 46Расход газа, л/минот 180 до 250Объем бункера под флюс, л/кг38/45Масса установки, кг400 УСТАНОВКА "PAL FI60R" - автоматическая система роторной инжекции флюса, обеспечивает постоянную инжекцию флюса под уровень металла для эффективного связывания оксидов. Обработка флюсом в сочетании с возможностью удаления водорода дегазацией инертного газа позволяет улучшить качество алюминиевых сплавов с одновременным уменьшением издержек производства.
Рисунок 4 - Дегазационная установка PAL FI 60R
Система PAL FI 60R увеличивает эффект инжекции флюса путём введения постоянного потока флюса под линию поверхности расплава. Введение флюса помогает повысить качество алюминиевых сплавов, в тоже время, понижая эксплуатационные затраты. Инжекторы флюса могут использоваться либо в крупных алюминиевых раздаточных печах, в соединении с длинной трубкой для вдувания флюса, либо в небольшой тигельной печи, в соединении с графитовой трубкой. Установка PAL FI60R также может быть использована в соединении с одной из популярных дегазационных установок "Пиротека" с вращающимся соплом. Особенности и преимущества:
Резервуар емкостью 10-галлонов (38 л) вмещает до ~45 кг флюса. Усовершенствованная конструкция уплотнения помогает содержать материал флюса сухим. Новая и улучшенная конструкция роторной подачи флюса позволяют инжекцию как порошковых, так и гранулированных флюсов. Инжектор флюса установлен на прочную четырёхколёсную раму, что способствует лёгкой транспортировке между разными печами завода. Повышает качество расплава металла путём удаления включений и водорода. Снижает количество формирующегося шлака Уменьшает появление оксидных отложений на стенках печи. Применение:
Печи периодического действия Раздаточные ковши Раздаточные печи Плавильные печи
.2 Двухступенчатая установка внепечного рафинирования SNIF P-140UHB
Двухступенчатая установка внепечного рафинирования SNIF P-140UHB предназначена для очистки расплавленного металла от растворенного водорода и щелочноземельных элементов.
Таблица 2 - Технические характеристики двухступенчатой установки внепечного рафинирования SNIF P-140UHB Наименование показателяЗначениеВместимость камеры, т1,76Номинальная мощность, кВт45Электрическое напряжение, В380Число нагревателей, шт6Максимальная температура блока,°С800Максимальная температура жидкого металла,°С760Производительность установки, т/ч63,5Количество роторов, шт2Расход газа на каждый ротор (аргон), м3/час3,6-4,2Частота вращения роторов: режим холостого хода, об/мин; рабочий режим, об/мин150 455-480
Система SNIF® SHEER P-60U с двумя роторами обеспечивает номинальную непрерывную производительность рафинирования 63 500 кг в час. Система состоит из печи рафинирования, двух вращающихся роторов SNIF, автоматических средств управления процессом PLC и регулирования нагрева печи. Для оптимальной эффективности печь разделена на две отдельные камеры рафинирования, каждая из которых оборудована вращающимся ротором, смонтированным на крышке печи. Каждая камера сконструирована таким образом, чтобы обеспечить полное насыщение расплава пузырьками рабочего газа и достичь максимальной степени рафинирования с помощью обеих вращающихся сопел. Встроенная система перегородок регулирует поток металла, обеспечивая эффективное рафинирование расплавленного алюминия при прохождении его через печь рафинирования. Наиболее важной особенностью конструкции является возможность проведения быстрой и простой замены предварительно обожженной огнеупорной футеровки картриджа печи. Когда необходима замена огнеупора печи, старый картридж просто вынимается и заменяется на новый. Замену огнеупора можно провести за один или два дня, возможно без удаления стального корпуса с литейной линии. Систему можно возвратить в эксплуатацию после 30-ти часового предварительного нагрева.
Рисунок 5 - Двухступенчатая установка внепечного рафинирования SNIF P-140UHB
Футеровка картриджа состоит из многослойного плотного огнеупора и изоляции. Все огнеупоры являются несмачиваемыми и термоотвержденными. Картридж заключен в фольгу чтобы предотвратить абсорбцию влаги во время хранения и минимизировать контакт с изоляцией во время установки. Запатентованные воздушные шлюзы (замки) желобов на входе и выходе обеспечивают свободное движение расплавленного алюминия через камеру и предотвращают инфильтрацию воздуха, приводящую к чрезмерному образованию шлака. Глубокие порты вход/выход печей разработаны для применений, требующих высокого уровня металла для инициирования последующих фильтрующих систем. Печь можно устанавливать по линии движения металла, в U-образной конфигурации с изменением направления движения металла на обратное и в L-образной конфигурации с изменением направления движения металла на 90°. Печи имеют автономный гидравлический механизм подъема крышки, который поднимает верхнюю часть печи, чтобы обеспечить доступ ко всей поверхности ванны для чистки и обслуживания. В закрытом положении крышка печи обеспечивает прекрасное уплотнение по периметру, что препятствует инфильтрации воздуха и образованию шлака. P-60U выпускается с двумя различными нагревательными системами. Установка оборудована съемными нагревательными элементами, установленными в графитовом блоке. Преимущества: улучшение удаления водорода; удаление микрооксидов; высокий выход металла; длительный срок службы роторов; высокая производительность; Недостаток: ограниченный срок службы ротора (не более 4 месяцев); затраты на газ; большая потребность в металле для промывки при смене сплава Заключение
При взаимодействии сплава с газами (Н, О2, N) возможно образование следующих дефектов: газовая пористость, газовые раковины, неметаллические включения.
Взаимодействие с газом может протекать по эндотермической и по экзотермической реакции. Взаимодействие водорода со сплавом протекает по экзотермической и эндотермической реакциям. В данном случае водород взаимодействует по эндотермической реакции. Это приводит к образованию в сплаве раствора водорода, а в дальнейшем при кристаллизации возможно образование газовой пористости или газовых раковин. С кислородом, все металлы взаимодействуют по экзотермической реакции, при этом образуется окислы. Окислы образуют в отливках дефекты в виде окисных плёнок и окисных частиц. Образующиеся в отливке перечисленные дефекты резко снижают эксплуатационные свойства детали (механические свойства, герметичность). Данные дефекты литья можно избежать путём: плавки металла в вакууме, плавки под слоем защитного флюса или плавкой в нейтральной среде. Источником насыщения водородом в сплавах является влага, которая может находиться: в воздухе на поверхности плохо просушенного плавильного инструмента или плавильной печи на поверхности шихты Для предупреждения насыщением водородом сплава применяют следующие меры. Так как основное количество водорода в процессе плавки сплав получает из влаги содержащейся на поверхности шихты, плавильного инструмента и атмосферы печи. Необходимо просушить шихтовой материал также необходимо просушить плавильный инструмент, печь и тигель. Для того, что бы в процессе плавки расплав не взаимодействовал с атмосферой печи, плавку следует производить под покровом защитного флюса. Обработка расплава продувкой газом при помощи быстровращающегося ротора является самой перспективой в части диспергирования рафинирующей фазы и улучшения возможности удаления водорода и неметаллических включений из расплава алюминия. Стремятся получать по возможности множество мелких пузырьков и их гомогенное распределение в расплаве при одновременно высокой конвекции во всей ванне, что достигается при использовании различных конструкций роторов. По сравнению с продувкой расплава газом через трубки и пористые диафрагмы использование роторов имеет следующие преимущества: деление газа на очень мелкие пузырьки; равномерное распределение газа в расплаве; перемешивание всего расплава. Список использованных источников
1. Курдюмов, А.В. Производство отливок из сплавов цветных металлов / А.В. Курдюмов [и др.]. - М.: МИСиС, 1996. Леви, Л.И. Основы теории металлургических процессов и технология плавки литейных сплавов / Л.И. Леви. - М.: Машиностроение, 1970. Непомнящий, В.Н. Основы производства сплавов цветных металлов / В.Н. Непомнящий. - Красноярск: ГАЦМиЗ, 2002. Цветное литье: Справочник/ Н. М Галдин. - М.: Машиностроение, 1989. Алюминиевые сплавы. Плавка и литье алюминиевых сплавов: Справочник/ В.И. Добаткин. - М.: Металлургия, 1983. Напалков, В.И. Непрерывное литье алюминиевых сплавов/ В.И. Напалков и др. - М.: Интермет, 2005. Хосен, Ри. Свойства алюминиевых сплавов в жидком и твердом состояниях / Ри Хосен. - Владивосток: Да, 2002. Плавка и литье алюминиевых сплавов: Справочник / М.Б. Альтман [и др.]. - М.: Металлургия, 1983.
