Изобретението се отнася до химическата промишленост, по-специално до инсталация за производство на алуминиев хидроксид и водород. Инсталацията включва устройство за смесване на фино разделен алуминий и воден прах, реактор за химическо взаимодействие на вода с алуминий, придружен от отделянето на водородна съдържаща газова смес и образуването на продукти от алуминиево окисление, както и устройство за отстраняване на съдържаща водород газова смес и алуминиеви окислителни продукти. Реакторът за химическо взаимодействие на вода с алуминий е оборудван със смесително устройство и устройство за облъчване с ултразвуково суспензия, разположено вътре в реактора. Изобретението подобрява производителността на процеса. 1 болен.

Цифри към патента на Руската федерация 2350563

Изобретението се отнася до химическата промишленост, по-специално до устройство за производство на водород и алуминиев хидроксид в слаб разтвор на алкал от алуминиев метал чрез окисляване в ултразвуково поле.

Алуминиевите хидроксиди се използват в различни индустрии като адсорбенти, катализатори и др. Алуминиевите хидроксиди с висока чистота се използват в електронната и оптичната промишленост под формата на фин прах - като абразивни прахове, по-специално за твърди дискове или магнитни глави, както и за получаване на суровини за твърди керамика, синтетични рубини и сапфири за оптичната и електронната промишленост, за увеличаване на якостните характеристики на бетона при критична конструкция.

Изобретението се отнася по-специално до метод за получаване на алуминиеви хидроксиди с форма на бехмит. Методът позволява да се получи водород, който може да се използва за химическо производство, металургия, автономно снабдяване с енергия на базата на водород.

Основният метод за промишленото производство на алуминиеви хидроксиди е Байеровият процес, а последващото им изсушаване и калциниране води до получаването на алуминиеви оксиди (Химическа енциклопедия, изд. "Съветска енциклопедия", М., 1988, т.1, с.213-214).

Конвенционалните методи за получаване на алуминиеви хидроксиди не осигуряват висока чистота на продукта.

Известен метод за получаване на алуминиеви хидроксиди под формата на фин прах, който се състои в смесване на алуминиево съединение, прекурсор на алуминий и поне едно от съединенията, използвани като семенен материал за кристали на алуминиев хидроксид, последвано от калциниране в атмосфера, съдържаща хлороводород (EP No. 1262457, C01F 7/02, публикуван 04.12.2002 г.).

Този метод обаче не осигурява материал с необходимата чистота и желана структура. В допълнение, методът за получаване на хидроксиди под формата на гелове е неудобен с това, че изолацията му е трудна за филтриране и в допълнение, етапите на смилане или екструдиране са необходими за получаване на фини прахове.

Изглежда, че е по-удобно да се получават алуминиеви хидроксиди чрез взаимодействието на алуминиев метал с вода, но поради образуването на оксиден филм върху алуминиевата повърхност, неговата активност бързо намалява. За да се предотврати това явление, се използват различни добавки.

И така, съществуват известни методи за получаване на водород, състоящи се във взаимодействието на метали, включително алуминий с вода (US No. 3348919, 423-657, публикация 24.2.1967, US No. 3985866, 423-657, публикация 12.10.1976). В тези методи обаче, освен алуминия, се използват и други метали - алкални, алкалоземни метали или сплави (ЕР № 248960, С01В 3/086, публикация 16.12.1987 г.).

При други методи (US № 2958582, 423-627, публикация 01.10.1958, US No. 2958583, 423-627, публикация 01.10.1958) за получаване на алуминиеви хидроксиди и водород е необходимо да се използват допълнителни вещества, улесняващи взаимодействието на реагентите, например каталитични количества органични амини. Въвеждането на тези вещества прави невъзможно получаването на чист алуминиев хидроксид. Процесът на взаимодействие на алуминия или неговите съединения и водород се осъществява в съоръжение, което включва реактор с бъркалка, където се въвеждат изходните реагенти. Инсталацията включва топлообменник, сепаратор и филтър за разделяне на получената суспензия на алуминиеви хидроксиди с вода.

Известен (US No. 2758011, 423-627, публикация 07.08.1956) метод за производство на алуминиев оксид под формата на бехмит (-AlOOH), който се състои във взаимодействието, осъществявано в автоклав, който зарежда вода и алуминий под формата на фини частици. След това сместа се загрява до температура от 250-374 ° С 482-705 ° F, след което се започва разбъркване при същата температура под налягане, достатъчно за поддържане на водата в течната фаза. Процесът се провежда за време, достатъчно за взаимодействието на целия алуминий, в дадените примери това време е около 4 часа. След като целият алуминий реагира, разбъркването се спира, автоклавът с реакционната смес се охлажда и полученият алуминиев хидроксид се отделя. Инсталацията за провеждане на метода включва реактор с бъркалка, отвори за въвеждане на вода и прах от алуминий, отвор, кондензатор за приемане на пара и газ. Извършването на такъв метод в индустриален мащаб не е технологично усъвършенствано поради периодичния му режим; методът не ви позволява да променяте формата на получения продукт е алуминиев хидроксид.

Известен метод за получаване на водород, който се състои във факта, че съдържащите метали вещества взаимодействат с водата. Металосъдържащите вещества са покрити с водоразтворим полимерен филм, преди да бъдат подадени в реактора. Взаимодействието се осъществява във водна среда, чиито параметри съответстват на параметрите на нейното свръхкритично състояние, което дава възможност да се извърши процесът на пластово изгаряне на металосъдържащи вещества с отделянето на водород (RU № 2165388, СВВ 3/10, публикация 04.07.2000).

Прахообразният алуминий може да се използва като металосъдържащи вещества, а разтвор на полиетиленов оксид в диоксан или метилов алкохол може да се използва като водоразтворим полимерен филм. Налягането на свръхкритичното състояние на водната среда е повече от 22.12 MPa, а температурата е повече от 647.3 K (374 ° C). Методът позволява да се получи водородна смес от състава: 96.1 обемни% водород, 3.9 обемни% въглероден моноксид; и извършват регенерацията на суровината. Формата на получения алуминиев хидроксид обаче не е бехмит.

Известен е подобрен процес за получаване на алуминиев хидроксид с висока чистота под формата на хидраргилит, който включва етапите на: (а) въвеждане на твърд, не прахообразен алуминий, за предпочитане под формата на слитъци, в гореща вода при около 70 ° С за получаване на реакционна смес; (б) бъркане на тази смес за около 20 минути; (в) въвеждане на алкално твърдо вещество, за предпочитане натриев хидроксид, в сместа и загряване до точка на кипене; (d) понижаване на температурата до 75-80 ° C и разбъркване в продължение на 60 минути; д) понижаване на температурата до стайна температура; и (е) филтриране на сместа, което води до алуминиев хидроксид с висока чистота. Този метод използва допълнително вещество - натриев хидроксид, което допринася за образуването на примеси (US No. 5435986, C01F 7/02, publ. 25.07.1995).

Известен метод за получаване на хидроксиди или оксиди на алуминий и водород от алуминий и дестилирана вода, характеризиращ се с това, че от фино диспергиран алуминий с размер на частиците не повече от 20 μm се приготвя суспензия от прахообразен алуминий във вода в съотношение Al: H 2 O \u003d 1: 4-16 тегло.h ., който непрекъснато се подава в реактор за високо налягане, където суспензия от прахообразен алуминий се разпръсква с диаметър на капки не повече от 100 μm във вода при температура 220-900 ° С и налягане 20-40 МРа, съотношение суспензия към вода 1: 50-100 тегло. часа след излизането от върха При налягане газът се подава в кондензатора и водородът се отстранява от него, а алуминиевият хидроксид или алуминиевият оксид се прехвърля в шахтата на суспензията. В този случай се получава алуминиев хидроксид от бехмит при температура 250-350 ° С, налягане 32-35 МРа със съотношение Al: H 2 O \u003d 1: 8-12 тегловни части. (RU № 2223221, C01F 7/42, СВВ 3/10, публикация 02/10/2004).

От същия източник е известна инсталация за прилагане на метода, включваща смесител, реактор, резервоар за утаяване на суспензия, кондензатор. В този случай реакторът е апарат, работещ под високо наляганеоборудван с накрайник за разпръскване на суспензия от прахообразен алуминий във вода до диаметър на капчиците не повече от 100 микрона. За да приложите метода, първо пригответе суспензия от прахообразен алуминий (размер на частиците до 20 микрона, за предпочитане до 5 микрона) във вода в съотношение Al: H2O \u003d 1: 4-16 тегло.h. Тази дисперсия се подава в реактора, където се напръсква във вода под налягане 20-40 МРа при температура 220-900 ° С. Необходимо е да се осигури фино разпръскване на суспензията - размерът на капките трябва да бъде не повече от 100 микрона, докато съотношението суспензия към вода е 1: 50-100 тегловни части, с непрекъснато отстраняване на водород и алуминиев хидроксид.

Това добре известно решение е взето като прототип.

От анализа на местни и чуждестранни публикации следва, че известните в момента методи не осигуряват пълнотата на окислението на алуминия с вода и са неефективни. В допълнение, тези методи използват предимно скъпи ултра фини алуминиеви прахове и активирани алуминиеви сплави. Използването на последния за производство на водород е безперспективно, тъй като това са енергоемки и неефективни методи.

Настоящото изобретение е насочено към решаване на техническия проблем за създаване на инсталация за непрекъснат процес, който позволява едновременно получаване на хидроксиди на водород и алуминий с висока чистота на крайния продукт с възможно най-ниска консумация на енергия.

Техническият резултат, постигнат в този случай, е повишаване на експлоатационната ефективност и производителност чрез осигуряване на производството на чисти водородни и алуминиеви окислителни продукти, като същевременно се поддържа безопасен температурен режим на технологичната смес и се елиминира образуването на експлозивна смес от водород с кислород.

Посоченият технически резултат се постига от факта, че в инсталацията за производство на алуминиев хидроксид и водород, включваща устройство за смесване на фино разделен алуминий и воден прах, реактор за химическо взаимодействие на вода с алуминий, придружен от отделяне на газова смес, съдържаща водород и образуване на продукти от алуминиево окисление, както и устройство за отстраняване на водород съдържащ газова смес и алуминиеви окислителни продукти, реакторът за химическо взаимодействие на водата с алуминия е оборудван със смесително устройство m и устройство за ултразвуково облъчване на суспензията, разположена вътре в реактора.

Тези характеристики са значителни и са свързани помежду си с формирането на стабилен набор от основни характеристики, достатъчни за получаване на зададения технически резултат.

Настоящото изобретение е илюстрирано с конкретен пример, който обаче не е единственият възможен, но ясно показва възможността за постигане на горния набор от характеристики на необходимия технически резултат.

На чертежа - блок-схема на производството на алуминиев хидроксид и производство на водород.

В рамките на настоящото изобретение на чертежа е показана технологична схема на производството на алуминиев хидроксид в реактор чрез ултразвуково активиране на алуминиев метален прах в слаб алкален разтвор в непрекъснат режим за непрекъснат метод за производство на водороден и нанодисперсен алуминиев хидроксид в реактор чрез ултразвуково активиране на алуминиев метален прах в слаб алкален разтвор.

Инсталация за производство на алуминиев хидроксид и водород включва устройство за смесване на фино разделен алуминий и воден прах в предварително определено съотношение, от което тази смес се подава в реактор за химическо взаимодействие на вода с алуминий, придружена от отделяне на водород и образуване на продукти на алуминиево окисление. Изработен е реакторът за химическо взаимодействие на вода с алуминий ниско налягане   с функция за смесване на въртенето на суспензията вътре в реактора и е оборудвано с ултразвуково устройство за облъчване на суспензията вътре в реактора, докато се разбърква въртенето. Устройствата за отстраняване на водород-съдържащата газова смес и алуминиевите окислителни продукти образуват транспортните потоци на готовите продукти, получени в реактора.

Устройство за производство на алуминиев и водороден хидроксид включва платформа скала 1, реактор за разтворител 2, реактор 3, кондензатор 4, сушилна колона 5, избистрител 6, филтър 7 (или центрофуга), електрическа пещ 8 (сушилня) и топка мелница 9, топлообменник 10. Реакторът 3 е оборудван със сензор за налягане, сензор за температура на разтвора в реактора, метален сензор в разтвора в реактора и смесително устройство.

Разтвор на електролита с дадена концентрация се приготвя в реактор 2 на разтворител чрез разтваряне на количеството твърда алкал, измерено чрез платформа на кантар 1 в дейонизирана вода. Приготвеният разтвор се подава в реактора, в същото време водно-алуминиева суспензия се подава в реактора чрез дозираща помпа, чиято смес се подлага на ултразвуково облъчване, за да се разруши оксидния филм от повърхността на алуминиевите частици и да започне окисляването му в реактор 3 с разбъркване, а температурата на електролита вътре в този реактор е 65-70 ° S. Продуктът, получен в резултат на химични реакции, нанодисперсен алуминиев хидроксид, се промива от електролита на филтър 7. Първият филтрат се връща в реактора 2 на разтворителя, за да се подготви нова част от електролитния разтвор. За да се намали натоварването на филтъра, лесно коагулираните утайки се отделят от супернатантата в избистрителя-прояснителя 6. Супернатантът се използва за приготвяне на електролитен разтвор в реактор 2. Вместо филтър 7, понякога е препоръчително да се използва центрофуга. Необходимото изсушаване и калциниране на продукта се извършва в електрическа пещ 8. Ако в резултат на топлинна обработка продуктът загуби своята течливост, той се смила в топкова мелница 9. Устройства 7, 8 и 9 могат да бъдат заменени със спрей сушилня.

Освободеният водород преминава през кондензатор 4, за да отстрани водната пара, изсушаващата колона 5 и се изпраща в колектора. Парният кондензат се връща в реактора. 3. За загряване на водата, добавена в реактора, е осигурен топлообменник 10 във веригата.

Когато организирате непрекъснатото производство на алуминиев хидроксид, трябва да се подава вода в кожуха на реактора на разтворителя, за да се нагрее електролита до необходимата температура. За това се използва топлината, използвана в кожуха на реактора 3.

Разработената хардуерна и технологична схема за производство на алуминиев хидроксид може лесно да се монтира на базата на съществуващи електрохимични инсталации. Технологията за получаване на водородни и алуминиеви хидроксиди е, че от фино диспергиран алуминий с размер на частиците не повече от 20 микрона се приготвя суспензия от прахообразен алуминий във вода, която непрекъснато се подава в реактора чрез устройство за ултразвуково облъчване. От горната част на реактора получената смес пара-водород се подава в кондензатор, в който се кондензира пара и водородът се подава към надлеза или консуматора чрез системата за сушене. Алуминиевият хидроксид се отстранява от дъното на реактора до избистрящо устройство. Технологията за получаване на водород и ултра фин алуминиев хидроксид се основава на химическа реакция, представена съгласно схемата.

Предпочитани индикатори.

1. Простота, надеждност и компактност на изпълнението в сравнение с аналозите.

2. Ниска консумация на енергия на 1 m 3 N и 2 kg ALOOH: ултразвук - 500 W · h, помпа - 500 W · h.

Новостта на метода се състои във факта, че при непрекъснато контролирано подаване на водна суспензия на алуминиев прах се осъществява нейното ултразвуково активиране, при което се осъществява химическото взаимодействие на водата с алуминия, придружено от отделянето на водород и образуването на продукти на алуминиево окисление (хидроксиди). По принцип използването на комбинация от влияещи фактори в разработения метод осигурява производството на чист водород, алуминиеви окислителни продукти, поддържане на безопасна температура на технологичната смес и елиминиране на образуването на експлозивна смес от водород с кислород.

Активирането на алуминия се осъществява по технологията на предварителна обработка на алуминиеви прахове, произведени от индустрията с ултразвук.

От резултатите от теоретичните изчисления и експерименталните проучвания следва, че при изгаряне на 1 kg алуминий във водна среда, заедно с топлинна енергия (17,1 MJ), се отделя голямо количество водород с висока чистота (1,165 nm 3) и се образуват повече от 2 kg нанокристални алуминиеви хидроксиди, на пазара цената на която е 50-400 долара за кг.

Това ви позволява да използвате този процес за производство на водород в автономни, високопроизводителни и енергийно ефективни газогенериращи устройства, включително малки по размер и автономни газозаваряващи устройства.

Когато генерираният водород се изгаря в термични и задвижващи системи, енергийният добив (30,57 MJ / kg) надвишава разходите за регенериране на първоначалното гориво от алуминиев оксид (26,3 MJ / kg). Енергията се осигурява по време на цялостната регенерация на изходните компоненти (алуминий и вода) без отделяне на токсични компоненти в атмосферата.

Специфичната цена на 1 MJ енергия при изгарянето на алуминия с последващата му регенерация чрез електролиза на алуминиев оксид е значително по-ниска в сравнение с изгарянето на бензини и хидроелектричеството.

Енергийният баланс на циклите на горене и регенерация осигурява печалба от около 16% от енергията поради изгарянето на освободения водород във вода от атмосферен кислород. По този начин, с пълната регенерация на изходните реагенти (алуминий и вода) е възможно автономно да се осигури топлинна енергия с цена 1 MJ - 0,0015 долара, което е икономически по-изгодно от изгарянето на въглеводородно гориво (0,007 долара).

Алуминиевите енергийни технологии могат да се използват в различни енергийни устройства, както и за производството на водород и високо чист високодисперсен алуминиев оксид, чиято пазарна стойност за 1 кг е от $ 150 до $ 400 с цената на изходния алуминий 1,5-2 $ за 1 кг.

По този начин, настоящото изобретение позволява съвместното производство на алуминиеви хидроксиди с дадена структура и водород при провеждане на метода в непрекъснат режим с предварително получаване на суспензия от прахообразен алуминий във вода. Полученият метод се характеризира с неотпадъци, технологичност и висока производителност, както и екологична безопасност.

РЕЗЮМЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Инсталация за производство на алуминиев хидроксид и водород, включваща устройство за смесване на фино разделен алуминий и воден прах, реактор за химическо взаимодействие на вода с алуминий, придружена от отделяне на газова смес, съдържаща водород и образуване на продукти от алуминиево окисление, както и устройство за отстраняване на съдържаща водород газова смес и продукти на окисляване на алуминий. фактът, че реакторът за химическо взаимодействие на вода с алуминий е оборудван със смесително устройство и ултразвуково устройство излъчване на суспензията, разположена вътре в реактора.

аЛУМИНИЕВИ

Алуминият е елемент със сериен номер 13, относителна атомна маса - 26.98154. Намира се в III период, III група, основната подгрупа. Електронна конфигурация: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 3d 0. Стабилното състояние на окисляване на алуминия е „+3“. Катионът, образуван в този случай, има обвивка от благороден газ, което допринася за неговата стабилност, но съотношението на заряд към радиус, тоест концентрацията на заряда, е достатъчно високо, което увеличава енергията на катиона. Тази особеност води до факта, че наред с йонните съединения, алуминият образува редица ковалентни съединения и неговият катион претърпява значителна хидролиза в разтвор.

Алуминият може да проявява валентност I само при температури над 1500 ° С. Известни са Al 2 O и AlCl.

за физически свойства   алуминият е типичен метал с висока топло- и електрическа проводимост, отстъпващ само на среброто и медта. Йонизационният потенциал на алуминия не е много висок, така че може да се очаква голяма химическа активност от него, но той е значително намален поради факта, че металът се пасивира във въздуха поради образуването на силен оксиден филм на повърхността му. Ако металът се активира: а) механично отстранете филма, б) обединете (реагира с живак), в) използвайте прах, тогава такъв метал става толкова реактивен, че дори взаимодейства с влага и кислород, рухва се в съответствие с процеса:

4 (Al, Hg) + 30 2 + 6H20 \u003d 4Al (OH) 3 + (Hg)

Взаимодействие с прости вещества.

1. Прахообразният алуминий реагира при силно нагряване   с кислород.Тези условия са необходими поради пасивацията, а самата реакция на образуването на алуминиев оксид е силно екзотермична - 1676 kJ / mol топлина се отделя.

2. С хлор и бромреагира при стандартни условия, дори е в състояние да се запали в околната среда. Само не отговаря с флуор   защото алуминиевият флуорид, подобно на оксида, образува защитен солен филм върху металната повърхност. С йодреагира при нагряване и в присъствието на вода като катализатор.

3. Със сивореагира по време на сливането, като се получава алуминиев сулфиден състав Al 2 S3.

4. С фосфорът също реагира при нагряване до образуване на фосфид: AlP.

5. Директно с водородалуминият не взаимодейства.

6. С азотвзаимодейства при 800 о С, като дава алуминиев нитрид (AlN). Трябва да се каже, че алуминият изгаря във въздуха при такива температури, следователно, продуктите от горенето (като се вземе предвид състава на въздуха) са както оксид, така и нитрид.

7. С въглерод алуминият взаимодейства при още по-висока температура: 2000 ° С. Алуминиевият карбид от състав Al 4 C 3 принадлежи към метанидите, той не съдържа C - C връзки и метан се отделя по време на хидролиза: Al 4 C 3 + 12H 2 O \u003d 4Al (OH ) 3 + 3CH 4

Взаимодействие със сложни вещества

1. С водаактивиран (лишен от защитен филм) алуминий активно взаимодейства с отделянето на водород: 2Al (акт.) + 6H20 \u003d 2Al (OH) 3 + 3H 2 Алуминиевият хидроксид се получава под формата на бял насипен прах, отсъствието на филм не пречи на реакцията до завършване.

2. Реакция с киселини:а) Алуминият активно взаимодейства с неокисляващи киселини в съответствие с уравнението: 2Al + 6H 3 O + + 6H 2 O \u003d 2 3+ + 3H 2,

б) С окислителните киселини взаимодействието става със следните характеристики. Концентрирана азотна и сярна киселина, както и много разреден алуминиев пасиват алуминий (бързото повърхностно окисляване води до образуването на оксиден филм) на студа. При нагряване филмът се разрушава и реакцията преминава, но от концентрирани киселини при нагряване се изолират само продукти от тяхното минимално намаляване: 2Al + 6H 2 SO 4 (конц) \u003d Al 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 6H 2 O Al + 6HNO 3 ( конц) \u003d Al (NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O С умерено разредена азотна киселина, в зависимост от реакционните условия, могат да се получат NO, N2O, N2, NH4 +.

3, Взаимодействие с основи.Алуминият е амфотеричен елемент (по химически свойства), защото има достатъчно голяма електроотрицателност за металите - 1,61. Следователно, той е доста лесно разтворим в алкални разтвори с образуването на хидроксокомплекси и водород. Съставът на хидроксокомплекса зависи от съотношението на реагентите: 2Al + 2NaOH + 6H 2 O \u003d 2Na + 3H 2 2Al + 6NaOH + 6H 2 O \u003d 2Na 3 + 3H 2 Съотношението на алуминий и водород се определя от електронния баланс на окислително-възстановителната реакция между тях и съотношението на реагентите не зависими.

4. Ниският йонизационен потенциал и високият афинитет към кислорода (висока стабилност на оксида) водят до факта, че алуминият активно взаимодейства с оксиди на много металивъзстановяването им. Реакциите протичат по време на първоначалното нагряване с по-нататъшно отделяне на топлина, така че температурата се повишава до 1200 ° - 3000 ° С. Смес от 75% алуминиев прах и 25% (тегловно) Fe 3 O 4 се нарича "термит". Преди това реакцията на горене на тази смес се използва за заваряване на релси. Редукцията на метали от оксиди с използване на алуминий се нарича алуминотермия и се използва в промишлеността като метод за производство на метали като манган, хром, ванадий, волфрам и феросплави.

5. Със солеви разтвориалуминият взаимодейства по два различни начина. 1. Ако в резултат на хидролиза солевият разтвор има кисела или алкална среда, се отделя водород (с киселинни разтвори, реакцията протича само при значително нагряване, тъй като защитният оксиден филм се разтваря по-добре в алкали, отколкото в киселини). 2Al + 6KHSO 4 + (H20) \u003d Al 2 (SO 4) 3 + 3K 2 SO 4 + 3H 2 2Al + 2K 2 CO 3 + 8H 2 O \u003d 2K + 2KHCO 3 + 3H 2. 2. Алуминият може да измести металите от състава на солта, които са вдясно от линията на напрежение от него, т.е. всъщност ще се окисли от катионите на тези метали. Поради оксидния филм, тази реакция не се проявява винаги. Например, хлоридните аниони са в състояние да разрушат филма и реакцията 2Al + 3FeCl 2 \u003d 2AlCl 3 + 3Fe преминава и подобна реакция със сулфати при стайна температура няма да работи. С активен алуминий ще работи всяко взаимодействие, което не противоречи на общото правило.

Алуминиеви съединения.

1. Оксид (Al 2 O 3). Известни под формата на няколко модификации, повечето от които са много издръжливи и химически инертни. Модификацията на α-Al 2O 3 протича естествено под формата на корунд минерал. В кристалната решетка на това съединение алуминиевите катиони понякога частично се заменят с катиони на други метали, което придава на минерала цвят. Добавка на Cr (III) придава червен цвят, такъв корунд вече е рубинен скъпоценен камък. Примесване на Ti (III) и Fe (III) дава син сапфир. Аморфната модификация е химически активна. Алуминиевият оксид е типичен амфотерен оксид, който взаимодейства както с киселини, така и с киселинни окиси и с алкали и основни оксиди, като алкалите са предпочитани. Продуктите на реакцията в разтвор и в твърда фаза по време на сливане се различават: Na2O + Al 2 O 3 \u003d 2NaAlO 2 (сливане) - натриев метаалуминат, 6NaOH + Al 2 O 3 \u003d 2Na 3 AlO 3 + 3H 2 O (сливане) - ортоалуминат натрий, Al 2 O 3 + 3CrO 3 \u003d Al 2 (CrO 4) 3 (сливане) - алуминиев хромат. В допълнение към оксиди и твърди основи, алуминият по време на легирането реагира със соли, образувани от летливи киселинни оксиди, измествайки ги от състава на солта: K 2 CO 3 + Al 2 O 3 \u003d 2KAlO 2 + CO 2 Реакции в разтвор: Al 2 O 3 + 6HCl \u003d 2 3+ + 6Cl 1- + 3H 2O Al 2 O 3 +2 NaOH + 3H 2 O \u003d 2 Na - натриев тетрахидроксоалуминат. Тетрахидроксоалуминатният анион всъщност е 1- тетрахидроксодиакванион, тъй като координатен номер 6 за алуминия е за предпочитане. С излишък от алкали се образува хексахидроксоалуминат: Al 2 O 3 + 6NaOH + 3H 2 O \u003d 2Na3. В допълнение към киселини и основи, могат да се очакват реакции с кисели соли: 6KHSO 4 + Al 2 O 3 \u003d 3K 2 SO 4 + Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 O.

3. Алуминиеви хидроксиди, Известни са два алуминиеви хидроксида - метахидроксид -AlO (OH) и ортохидроксид -Al (OH) 3. И двамата не се разтварят във вода, но са и амфотерни, поради което се разтварят в разтвори на киселини и основи, както и в соли, които имат кисела или алкална среда в резултат на хидролиза. При сливането хидроксидите реагират подобно на оксида. Тъй като всички неразтворими основи, алуминиевите хидроксиди се разлагат при нагряване: 2Al (OH) 3 \u003d Al 2 O 3 + 3H 2 O. При разтваряне в алкални разтвори, алуминиевите хидроксиди не се разтварят във воден амоняк, така че могат да се утаят с амоняк от разтворима сол: Al (NO 3) 3 + 3NH 3 + 2H20 \u003d AlO (OH) ↓ + 3NH 4 NO 3, тази реакция произвежда точно метахидроксид. Трудно е да се утаи хидроксид с алкал, както получената утайка лесно се разтваря и общата реакция има формата: AlCl3 +4 NaOH \u003d Na + 3NaCl

4. Алуминиеви соли. Почти всички алуминиеви соли са силно разтворими във вода. Неразтворим AlPO 4 фосфат и AlF3 флуорид. защото алуминиевият катион има висока концентрация на заряд, неговият аквакомплекс придобива свойствата на катионната киселина: 3+ + Н 2 О \u003d Н 3 О + + 2+, т.е. алуминиевите соли са подложени на силна катионна хидролиза. В случай на соли на слаби киселини, поради взаимното усилване на хидролизата чрез катион и анион, хидролизата става необратима. Разтворът се разлага напълно от вода или не може да бъде получен чрез реакция на обмен на карбонат, сулфит, сулфид и алуминиев силикат: Al 2 S 3 + 6H 2 O \u003d 2Al (OH) 3 ↓ + 3H 2 S 2Al (NO 3) 3 + 3K 2 CO 3 + 3H20 \u003d 2Al (OH) 3 ↓ + 3CO 2 + 6KNO 3. При някои соли хидролизата става необратима при нагряване. Влажният алуминиев ацетат се разлага при нагряване съгласно уравнението: 2Al (OOCCH 3) 3 + 3H 2 O \u003d Al 2 O 3 + 6CH 3 COOH В случай на алуминиеви халиди разграждането на солта се улеснява от намаляване на разтворимостта на газообразни халогенидни халогениди при нагряване: AlCl 3 + 3H 2 O \u003d Al (OH) 3 ↓ + 3HCl. От алуминиевите халиди само флуорът е йонно съединение, останалите халиди са ковалентни съединения, точките им на топене са значително по-ниски от тези на флуорида, алуминиевият хлорид може да сублимира. При много високи температури, единични алуминиеви халидни молекули с плоска триъгълна структура са разположени по двойки поради sp 2 хибридизация на атомните орбитали на централния атом. Основното състояние на тези съединения в изпаренията и в някои органични разтворители са димерите, например, Al2Cl6. Алуминиевите халиди са силни киселини на Люис, както имат свободна атомна орбитала. Следователно, разтварянето във вода става с отделянето на голямо количество топлина. Интересен клас алуминиеви съединения (както и други тривалентни метали) са стипца - 12-водни двойни сулфати M I M III (SO 4) 2, които при разтваряне, като всички двойни соли, дават смес от съответните катиони и аниони.

5. Сложни съединения.Помислете за алуминиевите хидроксокомплекси. Това са соли, в които сложната частица е анион. Всички соли са разтворими. Унищожава се при взаимодействие с киселини. В този случай силните киселини разтварят получения ортохидроксид, а слабите или съответните киселинни оксиди (H 2 S, CO 2, SO 2) го утаяват: K + 4HCl \u003d KCl + AlCl 3 + 4H 2 OK + CO 2 \u003d Al (OH) 3 ↓ + KHCO 3

Когато се калцинират, хидроксоалуминатите се превръщат в орто - или метаалуминати, губейки вода.

желязо

Елемент със сериен номер 26, с относителна атомна маса 55,847. Принадлежи към 3-фамилията от елементи, има електронна конфигурация: 3d 6 4s 2 и в периодичната система е в IV период, VIII група, странична подгрупа. В съединенията желязото има предимно окислителни състояния от +2 и +3. Йонът Fe 3+ има полунапълнена d-електронна обвивка, 3d 5, което му придава допълнителна стабилност. Окислителните състояния +4, +6, +8 са много по-трудни за постигане.

По физическите си свойства желязото е сребристо-бяло, лъскаво, сравнително меко, ковче, лесно се магнетизира и демагнетизира метал. Точка на топене 1539 о С. Има няколко алотропни модификации, различаващи се по типа на кристалната решетка.

  Свойства на просто вещество.

1. При изгаряне на въздух образува смесен оксид на Fe 3 O 4, а при взаимодействие с чист кислород - Fe 2 O 3. Праховото желязо е пирофорно - самозапалва се във въздуха.

2. Флуорът, хлорът и бромът лесно реагират с желязото, окислявайки го до Fe 3+. FeJ2 се образува с йод, тъй като тривалентният железен катион окислява йодидния анион и следователно съединението FeJ3 не съществува.

3. По подобна причина съединението Fe2S3 не съществува и взаимодействието на желязо и сяра в точката на топене на сярата води до съединението FeS. С излишък на сяра се получава пирито-желязо (II) дисулфид - FeS 2. Образуват се и нестехиометрични съединения.

4. Желязото реагира с други неметали с силно нагряване, образувайки твърди разтвори или металоподобни съединения. Може да се даде реакция при 500 ° С: 3Fe + C \u003d Fe 3 С. Това съединение от желязо и въглерод се нарича цементит.

5. С много метали желязото образува сплави.

6. На въздух със стайна температура желязото е покрито с оксиден филм, следователно не взаимодейства с вода. Взаимодействието със прегрята пара дава следните продукти: 3Fe + 4H 2 O (пара) \u003d Fe 3 O 4 + 4H 2. В присъствието на кислород желязото дори взаимодейства с влажността на въздуха: 4Fe + 300 2 + 6H20 \u003d 4Fe (OH) 3. Горното уравнение отразява процеса на ръжда, който е изложен на до 10% от метални изделия годишно.

7. Тъй като желязото е в серия стрес до водород, той лесно реагира с неокисляващи киселини, но само окислява до Fe 2+.

8. Концентрираната азотна и сярна киселина пасивира желязото, но при нагряване реакцията настъпва. Разредената азотна киселина също реагира при стайна температура. С всички окислителни киселини желязото дава соли на желязо (III) (според някои съобщения, образуването на железен (II) нитрат е възможно с разредена азотна киселина) и намалява HNO 3 (разлага се) до NO, N 2 O, N 2, NH 4 + в зависимост от условията, а HNO 3 (съгл.) - до NO 2 поради нагряването, което е необходимо за протичане на реакцията.

9. Желязото е в състояние да реагира с концентрирани (50%) основи при нагряване: Fe + 2KOH + 2H 2 O \u003d K 2 + H 2

10. Реагирайки с разтвори на соли на по-малко активни метали, желязото екструдира тези метали от солта, превръщайки се в двувалентен катион: CuCl 2 + Fe \u003d FeCl 2 + Cu.

Свойства на железните съединения.

Fe 2+   Съотношението на заряда към радиуса на този катион е близко до това на Mg 2+, следователно химичното поведение на оксид, хидроксид и черни соли е подобно на поведението на съответните магнезиеви съединения. Във воден разтвор ферият катион образува 2+ бледозелен аква комплекс. Този катион лесно се окислява дори директно в разтвор от атмосферен кислород. Разтворът на FeCl 2 съдържа сложни частици 0. Концентрацията на заряда на такъв катион е ниска, следователно хидролизата на солите е умерена.

1. FeO - основният оксид, черен, не се разтваря във вода. Лесно разтворим в киселини. При нагряване над 500 0 С непропорционално: 4FeO \u003d Fe + Fe 3 O 4. Тя може да бъде получена чрез внимателно калциниране на съответния хидроксид, карбонат и оксалат, докато термичното разлагане на други соли на Fe 2+ води до образуването на железен оксид: FeC 2 O 4 \u003d FeO + CO + CO 2, но 2 FeSO 4 \u003d Fe 2 O 3 + SO 2 + SO 3 4Fe (NO 3) 2 \u003d 2Fe 2 O 3 + 8NO 2 + 0 2 Железният оксид (II) може да действа като окислител, например при нагряване реакцията се получава: 3FeO + 2NH 3 \u003d 3Fe + N 2 + 3H20

2. Fe (OH) 2 - железен (II) хидроксид - неразтворима основа. Реагира с киселини. Киселинно-алкално взаимодействие и окисление до железно желязо се случват едновременно с окислителни киселини: 2Fe (OH) 2 + 4H 2 SO 4 (конц) \u003d Fe 2 (SO 4) 3 + SO 2 + 4H 2 O. Може да се получи чрез обмен реакции на разтворими соли. Това е бяло съединение, което първо става зелено на въздух поради взаимодействие с влагата на въздуха, а след това става кафяво поради окисляване с атмосферен кислород: 4Fe (OH) 2 + 2H 2 O + O 2 \u003d 4Fe (OH) 3.

3. Соли. Както вече споменахме, повечето Fe (II) соли бавно се окисляват на въздух или в разтвор. Най-устойчива на окисляване е Моровата сол - двоен сулфат на желязо (II) и амоний: (NH 4) 2 Fe (SO 4) 2. 6H 2 O. Катионът Fe 2+ лесно се окислява до Fe 3+, поради което повечето окисляващи агенти, по-специално окисляващи киселини агенти, окисляват железни соли. При изпичане на сулфид и железен дисулфид се получават железен (III) оксид и серен (IV) оксид: 4FeS 2 + 11O 2 \u003d 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 Сулфидът на желязо (II) също се разтваря в силни киселини: FeS + 2HCl \u003d FeCl 2 + 2H2S Железен (II) карбонат е неразтворим, докато водородният карбонат се разтваря във вода.

Fe 3+По отношение на заряд към радиус този катион съответства на алуминиев катион ,   следователно, свойствата на железните (III) катионни съединения са подобни на съответните алуминиеви съединения.

Fe 2 O 3 - хематит, амфотерен оксид, в който преобладават основните свойства. Амфотеричността се проявява във възможността за сливане с твърди основи и карбонати алкални метали: Fe 2 O 3 + 2NaOH \u003d H 2 O + 2NaFeO 2 - жълт или червен, Fe 2 O 3 + Na 2 CO 3 \u003d 2NaFeO 2 + CO 2. Фератите (II) се разлагат с вода с отделянето на Fe 2O3. nH 2 O.

Fe 3 O 4- магнетит, черно вещество, което може да се разглежда или като смесен оксид - FeO. Fe2O3, или като желязо (II) оксометаферат (III): Fe (FeO2) 2. При взаимодействие с киселини се получава смес от соли: Fe 3O 4 + 8HCl \u003d FeCl 2 + 2FeCl 3 + 4H 2 O.

Fe (OH) 3 или FeO (OH) е червеникаво-кафява желатинова утайка, амфотерн хидроксид. В допълнение към взаимодействията с киселини, той реагира с горещо концентриран алкален разтвор и се слепва с твърди алкали и карбонати: Fe (OH) 3 + 3KOH \u003d K3.

Сол.Повечето соли на желязото са разтворими. Подобно на алуминиевите соли, те претърпяват силна хидролиза чрез катион, който в присъствието на аниони на слаби и нестабилни или неразтворими киселини могат да станат необратими: 2FeCl 3 + 3Na 2 CO 3 + 3H 2 O \u003d 2Fe (OH) 3 + 3CO 2 + 6NaCl. При кипене на разтвор на железен (III) хлорид може да се направи и необратима хидролиза, тъй като разтворимостта на хлороводород като всеки газ при нагряване намалява и той напуска реакционната сфера: FeCl 3 + 3H 2 O \u003d Fe (OH) 3 + 3HCl (при нагряване).

Окислителната способност на този катион е много висока, особено по отношение на конверсията във Fe 2+: Fe 3+ + ē \u003d Fe 2+ φ o \u003d 0.77v. В резултат на което:

а) разтвори на железни соли окисляват всички метали до мед: 2Fe (NO 3) 3 + Cu \u003d 2Fe (NO 3) 2 + Cu (NO 3) 2,

б) обменните реакции със соли, съдържащи лесно окисляеми аниони, преминават едновременно с окисляването им: 2FeCl 3 + 2KJ \u003d FeCl 2 + J 2 + 2KCl 2FeCl 3 + 3Na 2 S \u003d 2FeS + S + 6NaCl

Подобно на други тривалентни катиони, желязото (III) е способно да образува алум - двойни сулфати с катиони на алкални метали или амоний, например: NH 4 Fe (SO 4) 2. 12H 2 O.

Сложни съединения.   И двата железни катиона са предразположени към образуването на анионни комплекси, особено на желязо (III). FeCl3 + KCl \u003d K, FeCl3 + Cl2 \u003d Cl + -. Последната реакция отразява ефекта на железен (III) хлорид като електрофилен катализатор на хлориране. Интерес представляват цианидни комплекси: 6KCN + FeSO 4 \u003d K 4 - калиев хексацианоферрат (II), жълта кръвна сол. 2K 4 + Cl 2 \u003d 2K 3 + 2KCl - калиев хексацианоферрат (III), червена кръвна сол. Комплексът от железно желязо дава синя утайка или разтвор с железна сол, в зависимост от съотношението на реагентите. Същата реакция възниква между червената кръвна сол и всяка желязна сол. В първия случай утайката се нарича пруско синьо, във втория - синьо турбуле. По-късно се оказа, че най-малкото разтворите имат същия състав: К - калиев желязо (II, III) хексацианоферрат. Описаните реакции са качествени за присъствието в разтвора на съответните железни катиони. Качествена реакция на присъствието на железен катион е появата на кръвночервен цвят при взаимодействие с калиев тиоцианат (тиоцианат): 2FeCl 3 + 6KCNS \u003d 6KCl + Fe.

Fe +6, Окислителното състояние +6 за желязото е нестабилно. Възможно е да се получи само анионът FeO 4 2-, който съществува само при рН\u003e 7-9, но е силен окислител.

Fe 2 O 3 + 4KOH + 3KNO 3 \u003d 2K 2 FeO 4 + 3KNO 2 + 2H 2 O

Fe (дървени стърготини) + H 2 O + KOH + KNO 3 \u003d K 2 FeO 4 + KNO 2 + H 2

2Fe (OH) 3 + 3Cl2 + 10KOH \u003d 2K 2 FeO 4 + 6KCl + 6H 2 O

Fe 2 O 3 + KClO 3 + 4KOH \u003d 2K 2 FeO 4 + KCl + 2H 2 O

4K 2 FeO 4 + 6H20 \u003d 4FeO (OH) ↓ + 8KOH + 3O 2

4BaFeO 4 (загряване) \u003d 4BaO + 2Fe 2 O 3 + 3O 2

2K 2 FeO 4 + 2CrCl 3 + 2HCl \u003d FeCl 3 + K 2 Cr 2 O 7 + 2KCl + H 2 O

Производство на желязо в промишлеността:

A) процес на домейн: Fe 2 O 3 + C \u003d 2FeO + CO

FeO + C \u003d Fe + CO

FeO + CO \u003d Fe + CO 2

Б) алуминотермия: Fe 2 O 3 + Al \u003d Al 2 O 3 + Fe

CHROME - елемент със сериен номер 24, с относителна атомна маса 51,996. Принадлежи към 3-фамилията от елементи, има електронна конфигурация от 3d 5 4s 1 и в периодичната система е в IV период, VI група, странична подгрупа. Възможни окислителни състояния: +1, +2, +3, +4, +5, +6. От тях най-стабилните са +2, +3, +6, а +3 има минимална енергия.

По физическите си свойства хромът е сиво-бял, лъскав, твърд метал с точка на топене 1890 ° С. Силата на кристалната му решетка се дължи на наличието на пет несдвоени d-електрони, способни на частично ковалентно свързване.

Химични свойства   просто вещество.

При ниски температури хромът е инертен поради наличието на оксиден филм, не взаимодейства с вода и въздух.

1. Той взаимодейства с кислорода при температури над 600 о С. В този случай се образува хромов оксид (III) - Cr 2O 3.

2. Взаимодействието с халогени става по различни начини: Cr + 2F 2 \u003d CrF 4 (при стайна температура), 2Cr + 3Cl 2 (Br 2) \u003d 2CrCl 3 (Br 3), Cr + J 2 \u003d CrJ 2 (със значително нагряване ). Трябва да се каже, че хром (III) йодид може да съществува и се получава чрез обменна реакция под формата на кристален CrJ3 хидрат. 9H 2 O, но термичната му стабилност е малка и при нагряване се разлага на CrJ 2 и J 2.

3. При температури над 120 ° С, хромът взаимодейства с разтопена сяра, давайки хром (II) сулфид - CrS (черен).

4. При температури над 1000 ° С, хромът реагира с азот и въглерод, давайки нестехиометрични, химически инертни съединения. Сред тях може да се отбележи карбидът с приблизителен CrC състав, който по твърдост се доближава до диаманта.

5. Хромът не реагира с водород.

6. Реакцията с водна пара протича по следния начин: 2Cr + 3H 2 O \u003d Cr 2 O 3 + 3H 2

7. Реакцията с неокисляващи киселини е сравнително лесна с образуването на 2+ аква комплекс от небесносин цвят, който е стабилен само при липса на въздух или във водородна атмосфера. В присъствието на кислород реакцията протича по различен начин: 4Cr + 12HCl + 300 2 \u003d 4CrCl 3 + 6H 2 O. Разредените киселини, наситени с кислород, дори пасиват хром поради образуването на силен оксиден филм на повърхността.

8. Киселинно-окислители: азотна киселина с всякаква концентрация, концентрирана сярна перхлорна киселина пасивира хром, така че след повърхностна обработка с тези киселини той вече не реагира с други киселини. Пасивирането се отстранява при нагряване. В този случай се получават хромови (III) соли и серен или азотен диоксид (от перхлорна киселина - хлорид). Пасивирането, дължащо се на образуването на солен филм, възниква по време на взаимодействието на хром с фосфорна киселина.

9. Хромът не реагира директно с алкала, но реагира с алкални стопи с добавяне на окислители: 2Cr + 2Na 2 CO 3 (g) + 3O 2 \u003d 2Na 2 CrO 4 + 2CO 2

10. Хромът е в състояние да реагира със солеви разтвори, измествайки по-малко активни метали (стоящи вдясно от него в редицата на напрежението) от състава на солта. В този случай самият хром се превръща в катион Cr2+.

Федерална държавна автономия

образователна институция

висше професионално образование

"СИБЕРСКИ ФЕДЕРАЛЕН УНИВЕРСИТЕТ"

Институт по цветни метали и материали

РЕЗЮМЕ

Образуването на газообразни включвания в алуминиеви сплави

Красноярск - 2014г

въведение

2.2 Взаимодействие с азот

2.3 Взаимодействие със сложни газове

2.4 Взаимодействие с водород

Реакцията на алуминия с водород

3.1 Дегазационна инсталация PAL FI 60R

3.2 Двустепенна инсталация на вторична пещ за рафиниране SNIF P-140UHB

заключение

въведение

Алуминият и неговите сплави взаимодействат с газовете от заобикалящата атмосфера главно по време на тяхното топене и леене. Алуминиевите и легиращите елементи в сплави взаимодействат с водород, кислород, азот, въглерод, водна пара, SO 2, С 2, СО и различни въглеводороди, в резултат на което алуминият и неговите сплави се замърсяват от газове и реакционни продукти. Въпреки възможността за взаимодействие на алуминия с много газове в атмосферата на пещ, миксер и в околната среда по време на леенето, само водород, нитриди, карбиди и метални оксиди преминават в стопилката в количества, достатъчни да повлияят значително структурата и свойствата на продукта.

Взаимодействието на течните метали с материали, които се използват за облицоване на топилни пещи и леене на черпаци, както и за производството на тигели и форми е многообразно и сложно. Материалът на топителния резервоар трябва да издържа предимно механично напрежение при подходящи температури. Това механично взаимодействие се влошава от сложни физико-химични явления между стопилката и твърдия материал в контакт с нея. В същото време са възможни редукционно-окислителни, взаимни процеси на разтваряне, възможно е и импрегниране на облицовката със стопилка.

дегазиране на алуминиеви сплави

1. Образуването на газообразни включвания. Физикохимични процеси при топене на алуминий

Ако чистият течен метал влезе в контакт с газообразната среда за достатъчно дълго време и се развиват процеси, насочени към постигане на равновесие в системата, тогава са възможни следните три типа промени в състава и състоянието на стопилката:

Газовата среда е инертна по отношение на течния метал, поради което не се получава нито разтваряне на газа в стопилката, нито образуване на каквито и да е съединения. Отсъствието на разтваряне на газ се оценява от практическа гледна точка. Това включва случаи с достатъчно ниска разтворимост, което не е важно за процеса на топене на метали. Липсата на взаимодействие може да се наблюдава между всеки метал и всеки инертен газ от нулевата група на периодичната система Менделеев, както и в някои системи метал-водород (метал - калай, олово и др.), Метал-азот (метал - мед, сребро, цинк и др.).

При взаимодействието на течен метал с газ се отбелязва значителна разтворимост на газа в стопилката. Освен това се отнася до практически значима разтворимост, която значително влияе върху качеството на сплавта и определя технологията на топене. В системи, където се осъществява това взаимодействие, в крайна сметка ще има течен разтвор, наситен с газ, и газова фаза. Възможно е също така, когато достигне максималното съдържание на газ в стопилката, да започне образуването на химично съединение между газ и метал. За процеса на топене определящото обстоятелство е именно образуването на газов разтвор в течен метал. Този тип взаимодействие се наблюдава в много системи метал-водород.

Взаимодействието на течен метал с газ се изразява в образуването на стабилни химични съединения метал - газ. Разтворимостта на газ в течен метал в тези случаи е толкова малка, че се наблюдава в много метало-кислородни системи (A1-O 2, Mg-О 2   и други).

Видът на взаимодействие на течен метал с газ се определя от естеството на метала и газа, температурата и налягането на газа над стопилката. За бинарната система метал-газ естеството на взаимодействието и формираните фази могат да бъдат сравнително лесно определени от съществуващите диаграми на състоянието.

Процесът на взаимодействие на течен метал с газове се състои от няколко етапа. Влизането на газови молекули на повърхността на течен метал се осигурява чрез молекулна дифузия и конвективен пренос на маса в него. При налягане 10 4   Ра и повече, преносът на маса в газове се извършва главно чрез конвекция.

Следващата стъпка е преходът на газовите молекули към повърхността на стопилката. Този процес се нарича адсорбция. При високи температури основната роля се играе от активирана адсорбция или хемисорбция, която се изразява не само в отлагането на газови молекули на повърхността на стопилката, но и в частичната им дисоциация в атоми. Това се доказва от голямата стойност на топлината на хемосорбция, близка до топлината на дисоциация на диатомичните газове.

Газовите атоми, адсорбирани върху повърхността на стопилката, са готови както за образуване на молекули на химичното съединение метал-газ, така и за дифузия дълбоко в стопилката. Ако взаимодействието е възникване на неразтворимо в. стопяване на съединение, слой от това съединение започва да расте на повърхността на стопилката. Скоростта на взаимодействие се определя, наред с други обстоятелства, от непрекъснатостта на този слой, която може да се оцени, като се сравнят обемите на полученото съединение и консумирания метал, като се вземе предвид стехиометрията на съединението и плътностите на метала и съединението.

Ако обемът на полученото съединение е много по-малък от обема на отработения метал, слоят на съединението неизбежно трябва да има разкъсвания и пукнатини, където газът прониква свободно. В тези случаи взаимодействието се осъществява с постоянна скорост. Ако посочените обеми са близки един до друг, тогава газът трябва да дифундира през свързващия слой. Тъй като дебелината на слоя непрекъснато се увеличава, скоростта на взаимодействие ще намалее. Това се случва например взаимодействието на течен алуминий с кислород, което води до образуването на филм от алуминиев оксид на повърхността на стопилката.

По време на екзотермичния процес на образуването на метално-газовото съединение може да се случи локално повишаване на температурата, което да доведе до запалване на стопилката. Това се наблюдава например при прегряване на течен магнезий и неговите сплави във въздух над 700 за С, както и при прегряване на цинк над 600 за S.

Ако стопилката е способна да разтваря газ, адсорбираните газови атоми дифундират дълбоко в стопилката. В метални стопи газове могат да се разтварят само в атомно състояние.

Процесът на разтваряне на газ в повърхностния слой се определя изцяло чрез дифузия. В дълбините на стопилката разпространението на газовите атоми се осъществява главно чрез конвективен пренос на маса.

Често поради ограничения пренос на маса в течната фаза на повърхността на стопилката се появява сложен слой, въпреки че максималната концентрация на газ в разтвора все още не е достигната в цялата стопена маса.

Равновесна разтворимост [ D] диатомичният газ в метал обикновено се описва от зависимостта

(1)

pR 2   - налягане на газ над стопилката; А за   - постоянен фактор; Δ N е топлината на разтваряне на газ, отнасяща се до 1 мол разтворен газ; R е константата на газ; T е температурата, K.

Логаритъмът с формула (1) дава следния израз:

(2)

При постоянна температура зависимостта (1) се превръща в квадратния корен закон (закон на Сивертс): от който следва очевидно, че газовите разтвори в металите са монотомични ( к   е постоянен фактор).

В много метално-газови системи газът се разтваря чрез поглъщане на топлина. Следователно стойността ΔН\u003e 0, и следователно, повишаване на температурата причинява увеличаване на разтворимостта на газа. Има и голям брой метали, в които разтварянето на газове се придружава от топлина (ΔН<0). В таких металлах повышение температуры сопровождается снижением растворимости газа в расплаве.

Промяната в разтворимостта на газове в метали в зависимост от температурата и налягането съответства на стойностите на равновесие само при достатъчно бавни промени във външни условия. Ако тези промени настъпят бързо, разтворимостта започва да изостава от стойностите, определени от горните формули, поради факта, че някои от етапите на общия процес на разтваряне не осигуряват прехвърлянето на необходимото количество газ. Обикновено такова тясно тяло е дифузия. В резултат се получават надценени или подценявани стойности на съдържанието на разтворен в метала газ.

Явленията са особено сложни, когато температурата и налягането на газа над стопилката намаляват, ако трябва да се намали разтворимостта на газа. В повечето случаи газът, отделен от разтвора, няма време да премине през свободната повърхност на стопилката. Нарастващата пренасищане на стопилката води до появата на газови мехурчета вътре в нея. Хомогенното ядряване на газовите мехурчета в стопилката е очевидно невъзможно. Те могат да се появят само върху готови ядра, които представляват пори и пукнатини в примеси неразтворими частици в стопилката. Такива прекъсвания се пълнят с инертни газове за даден метал. Именно в тези готови кухини атомите на отделените от разтвора газове се втурват и тук газовият балон започва да расте.

Особеността на съществуването на газов мехур в стопилката е, че налягането в него се определя от pn \u003d pbv + ρgh + 2σ / g, където pp е външното налягане над стопилката; ρgh - металостатично налягане, в зависимост от плътността на стопилката ρ, ускорение на гравитацията g, разстояние от металното огледало (дълбочина) h; 2σ / g - капилярно налягане, в зависимост от междуфазната енергия на интерфейса на стопяване - газ и радиус на мехурчето g.

Когато температурата намалява със скорост повече от няколко градуса в секунда, се наблюдава непълно отделяне на газ от разтвора в метала. Газът може почти напълно да остане в разтвор в случай на още по-големи скорости на охлаждане. С други думи, газовият разтвор се гаси първо в течния метал, а след това в твърдия. Това явление се използва широко при вземане на проби от стопилка за определяне на съдържанието на газ.

Газовете, останали в пренаситен разтвор в твърд метал, не могат да се считат за безобидни. Те могат да повлияят на якостните свойства, да намалят пластичността на метала, да променят корозионните свойства. Постепенното разлагане на разтвора води до отделяне на свободен газ, който се натрупва по границите на зърното, в микропукнатини, близо до неметални включвания, образувайки пори. Загряването ускорява разграждането на разтвора и увеличава риска от разрушаване на метала. Такива дефекти като разслояване в деформируеми цветни сплави се обясняват именно с отделянето на газове от разтвора.

2. Взаимодействието на алуминиевите сплави с газовете

2.1 Взаимодействие с кислород

Взаимодействието на алуминия с кислорода произвежда три съединения: алуминиеви субоксиди Al 2O, AlO и Alumina Al 2ох 3, Алуминиевите субоксиди могат да бъдат получени изкуствено само при високи температури във висок вакуум. Обща Al съединение 2ох 3, е много силно химично съединение с пренебрежима еластичност на дисоциацията на парите дори при много високи температури. Алуминият има няколко полиморфни модификации, образуването на които и преходът от една в друга зависи от температурата, времето на експозиция и състава на околната среда. Съществуващите идеи за полиморфни модификации на свободния алуминий са противоречиви и се свеждат до две посоки: дискретна и еволюционна.

Привържениците на дискретната посока признават съществуването на голям брой независими дискретни полиморфни модификации на алуминиевия оксид. модификация α   - Ал 203   представлява най-стабилната форма на алуминиев оксид. В природата се намира a-A1303 под формата на корунд - минерал с висока твърдост. Корундът кристализира в шестоъгълни ромбоедри. Разстоянието между алуминиевите атоми е 0,136 nm. алуминий α   - Ал 2ох 3   е високотемпературна модификация, която в крайна сметка с повишаване на температурата преминават всички останали гореспоменати модификации. При температура 2050 ° С α   - Ал 203   топи се и при температура 3000 ° С кипи. Помислете структурата и свойствата на алуминиевия оксид, образуван на повърхността на алуминия и неговите сплави. Известно е, че прясно отворена алуминиева повърхност дори при стайна температура бързо се покрива от оксиден филм, дебелината на който в първите часове на окисляване достига 1,7-2,1 nm. При допълнително излагане на алуминий на въздух се наблюдава бавен растеж на оксидния филм за 70-80 дни, а дебелината му при 25 ° C и относителната влажност 45-55% достига 3 nm. Тогава растежът на филма практически спира. Естественият оксиден филм на повърхността на алуминия се състои главно от аморфна смес с малко примеси от кристални γ   - Ал 2ох 3, Когато алуминият се нагрява до 450-500 ° С, оксидният филм върху алуминиевата повърхност придобива фина кристална структура, а когато се нагрява при температура 500 ° С, линии, съответстващи на кристалната структура от шпинелния тип, се появяват на рентгенови дифракционни модели. С повишаване на температурата дебелината на оксидния филм върху повърхността на алуминия нараства и при температури, близки до точката на топене, достига 100 nm. Естественият оксиден филм върху алуминий е прозрачен, невидим, компактен и има добри адхезивни свойства.

.2 Взаимодействие с азот

Азотът се различава от кислорода по-ниска химическа активност, а от водорода - по значително по-големи атомни размери. При обикновени температури азотът почти не се разтваря в металите, тъй като степента на дисоциация на молекулите му в атоми е много малка.

При реални условия на топене азотът не образува нито разтвори, нито нитриди с мед, сребро, злато, калай, цинк, кадмий, олово, антимон и бисмут. Азотът също не се разтваря в алуминий, но при температура около 900 за С образува с него стабилно химично съединение - алуминиев нитрид (AlN), което може да бъде в стопилката под формата на твърди включвания. При температури под 750 за Тъй като азотът за алуминий се счита за неутрален газ и често се използва като дегазатор на стопилки.

Магнезият образува нитрид на магнезий (Mg 3N 2), който се разлага при стайна температура с вода до образуване на амоняк. В тази връзка, присъствието на магнезиев нитрид в метала намалява корозионната устойчивост на магнезия и неговите сплави.

При топене в атмосфера на азот, мед, сребро, злато, цинк, кадмий, магнезий, алуминий, калай, олово, бисмут, антимон и техните сплави, качеството на отлитите продукти не се влошава.

Алкалните и алкалоземните метали активно абсорбират азот, образувайки първо наситен разтвор, а след това и термично стабилни нитриди. Следователно, когато те се стопят, азотът в атмосферата не е допустим.

Огнеупорни метали от четвърта, пета и шеста група на периодичната таблица Менделеев (титан, цирконий, хафний, ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден и волфрам) и техните сплави разтварят азот в големи количества и образуват нитриди. Насищането на тези метали с азот причинява рязко увеличаване на чупливостта. По този начин азотът за тези огнеупорни метали е вреден газ и е неприемлив в атмосферата на пещта.

Чистият азот се използва широко при дегазиране на алуминиеви сплави, той се въвежда под формата на малки мехурчета в целия обем на стопилката. На практика стопилите сплави със съдържание над 1,5% Mg не се обработват с азот поради образуването на магнезиев нитрид, което рязко намалява технологичните свойства на сплавите.

.3 Взаимодействие със сложни газове

Във всички случаи на взаимодействие на сложни газове с течни метали се случва разрушаването на газовите молекули, придружено от образуването на нови съединения, появата на свободни елементи, съставляващи сложния газ, появата на разтвори на един или и на двата от тези елементи в течен метал.

Поради факта, че съставът на сложни газове включва въглерод и сяра, е необходимо да се вземе предвид взаимодействието на течните метали с тези елементи. Те обикновено се наричат \u200b\u200bгазообразуващи.

Взаимодействието на течните метали с водната пара. Както се вижда от термодинамичните изчисления, почти всички метали при тези температури, когато са в течно състояние по време на топене, взаимодействат с водна пара. Освободеният водород ще излезе в атмосферата. Течният алуминий също ще бъде покрит със слой от метален неразтворим оксид, но освободеният водород ще се разтвори в стопилката. По този начин, топенето на тези метали в атмосфера, съдържаща водна пара, ще предизвика не само замърсяване на стопилката с неметални включвания от оксиден характер, но и ще доведе до нейното насищане с разтворен водород. За тези два метала, поради техния висок афинитет към кислорода, реакцията с водна пара почти напълно се измества към образуването на метален оксид и водород.

Следователно, когато се стопят в атмосфера, съдържаща водна пара, те ще бъдат замърсени както от кислород, така и от водород.

.4 Взаимодействие с водород

Водородът е единственият газ, който се разтваря забележимо в алуминия и неговите сплави. Разтворимостта му варира пропорционално на температурата и квадратния корен на налягане. Както е показано на фигурата, разтворимостта на водород в течен алуминий е значително по-висока, отколкото в твърдия алуминий: съответно 0,65 и 0,034 ml / 100 g. Тези стойности леко варират в зависимост от химичния състав на сплавите. Когато охлаждането и втвърдяването на разтопен алуминий със съдържание на водород е значително по-високо от неговата разтворимост в твърдо състояние, той (водородът) може да се освободи в молекулярна форма, което ще доведе до образуването на първични или вторични пори.

<#"center">Водородна порьозност на алуминия

Образуването на водородни мехурчета в алуминия силно зависи от скоростта на охлаждане и втвърдяване, както и от наличието на нуклеационни центрове за отделяне на водород, като оксиди, хванати в стопилката. Следователно, образуването на порьозност изисква значително излишък от съдържанието на разтворен водород в сравнение с разтворимостта на водорода в твърд алуминий. При липса на нуклеационни центрове еволюцията на водород изисква сравнително висока концентрация на водород - около 0,30 ml / 100 g. В много индустриални сплави порьозността не се открива дори при доста високо съдържание на водород от 0,15 ml / 100 g.

Водород в алуминиевите отливки

Местоположението на водорода в втвърдения алуминий зависи от неговото ниво в течен алуминий и от условията, при които е станало втвърдяването. Тъй като наличието на водородна порьозност е резултат от механизмите на нуклеиране и растеж, които се контролират чрез дифузия, намаляването на концентрацията на водород и увеличаването на скоростта на втвърдяване имат огромен ефект върху зарождането и растежа на порите. По тази причина отливките, направени по метода на разглобяемото леене в студено състояние, са по-предразположени към дефекти, свързани с водород, отколкото отливки, направени например чрез методи за леене под налягане.

Източници на водород в алуминий

Водородът влиза в алуминия от много източници, включително атмосфера на пещта, материали за зареждане, флюси, плавилни инструменти и реакции между разтопен алуминий и плесен.

Атмосферата на пещта. Ако топилнята работи на природен газ или, да речем, на мазут, тогава е възможно непълно изгаряне на горивото с образуването на свободен водород.

Зареждане на материали. Блокове, скрап и връщане на леярна може да съдържат оксиди, продукти от корозия, пясък и други очертания на леярна, както и смазочни материали, които се използват при механична обработка. Всички тези замърсители са потенциални източници на водород, който се образува по време на възстановяването на органични вещества или химическото разлагане на водни пари.

Флуиращи агенти. Повечето флюси са соли и като всички соли са хигроскопични, тоест готови да „абсорбират“ водата с удоволствие. Следователно мокрият поток неизбежно въвежда водород в стопилката, която се образува при химическото разлагане на водата.

Топилни инструменти. Топилните инструменти като върхове, стъргалки и лопати също могат да бъдат източник на водород, ако не се поддържат чисти. Оксидите и остатъците от флюс върху такива инструменти са особено трудни източници на замърсяване, тъй като те абсорбират влагата директно от околния въздух. Огнеупорите на пещта, улуците и каналите за разпределение, варовиките и циментовите разтвори, черпаците за вземане на проби са всички потенциални източници на водород, особено ако не са достатъчно изсушени.

Взаимодействието между течен алуминий и мухъл. Ако по време на пълненето на формата течният метал тече прекомерно бурно, тогава той може да хване въздух във вътрешния си обем. Ако въздухът не може или няма време да излезе, преди да започне втвърдяването, тогава водородът ще навлезе в метала. Неправилно направените захранващи филъри също могат да причинят улавяне на въздух. Друг източник на водород са прекалено влажните пясъчни форми.

Реакцията на алуминия с водород

Смята се, че алуминият, както повечето метали, не реагира директно с водорода. Обикновено металите образуват съединения чрез загубата на електрони, които се приемат от други елементи. Водородът също образува съединения, губейки електрони (или споделящи електрони). Следователно обикновено водородните атоми не приемат електрони, които даряват метали за образуване на съединения. Само някои много реактивни метали като натрий, калий, калций и магнезий могат да „принудят” водородните атоми да приемат своите електрони, за да образуват твърди йонни съединения, наречени хидриди на тези метали.

Директният синтез на алуминиев хидрид от водород и алуминий изисква лудо налягане от около 2 000 000 000 атмосфери и температура над 800 К. Междувременно съществува такова съединение като алуминиев хидрид. Алуминиевият хидрид е нестабилно съединение, което лесно се разлага при температури над 100 ° C. Не се получава директно, а в резултат на реакции на други съединения.

1.Определяне на порьозността на газа по примера на алуминиевите отливки

· При определяне на порьозността в алуминиевите леяни сплави, трошливостта на свиване или централната порьозност се изключва.

· За да се определи порьозността на газта, шаблоните, отрязани от блокове, отливки или проби, отрязани от отливки, се обработват до грапавост Ra не повече от 1,6 μm.

· За да се определи порьозността на газа, макросекцията се изрязва, без да се разкрива макроструктурата, след това се промива с течаща вода и се изсушава с филтърна хартия.

· За да определите порьозността на газа, е необходимо да използвате скалата, показана на фигурата. Степента на порьозност на макросечения в точки се установява чрез сравняването им със стандартите на скалата.

· Газовата порьозност на шаблоните за блокове се определя на три квадрата с площ от 1 cm 2   всеки. Броят на порите и големината на порите се определят като средноаритметичната стойност на три измервания.

· Ако има отклонения в средното количество, размер или процент на порите към страната на увеличението, индексите на порьозността се насочват към по-висок коефициент на порьозност.

· При малки отливки порьозността на газа може да се определи на по-малък брой квадратчета.

· Оценката на порьозност, определена от три квадрата на два макросечения на шаблони за блокове, се разпределя върху цялата топлина.

· Контролът на порьозността се извършва визуално с просто око. За да определите диаметъра на порите, можете да използвате оптични устройства с увеличение до 10 пъти.

· Разделът се състои от пет стандарта:

о точка 1 - фина порьозност;

о точка 2 - намалена порьозност;

о точка 3 - средна порьозност;

о точка 4 - повишена порьозност;

о точка 5 - висока порьозност.

· Могат да се използват стандарти за степента на порьозност, независимо от степента на сплав.

Фигура 2 - Скала на порьозността на алуминиевите сплави

Фигура 3 - Оформление на квадратчета в макросекция

3. Дегазация на алуминиеви сплави

В металургичните предприятия се използват пет схеми за обработка на струя от разтопен метал с газове:

в улука (или нагрятия резервоар) с въвеждането на газ през порести диафрагми, монтирани в дъното;

в загрят контейнер в комбинация с филтрация през насипен или пянокерамичен филтър;

в контейнер с въвеждането на газ, използвайки ротор, въртящ се със скорост 400-600 об / мин;

в улука при леене на блокове;

флюс в комбинация с газ.

При всеки от тези процеси разтопеният метал се пречиства чрез преливане. Това, от една страна, увеличава производителността на топилната и леярна единица, тъй като елиминира времето, необходимо за рафиниране на стопилката в пещта или смесителя от производствения цикъл, а от друга страна, осигурява най-добрата обработка на стопилката с рафиниращ реагент.

Тези методи за обработка на стопилка придобиха широко разпространение в практиката на приготвяне на леяни и ковани алуминиеви сплави. Съдържанието на водород в стопилката след продухване се определя от редица фактори и зависи преди всичко от обема на пречистения газ. С увеличаване на обема, степента на дегазиране обикновено е. се увеличава. Изключение е случаят, когато наред с почистването на стопилката се развива процес на нейното вторично замърсяване в резултат на взаимодействие с кислород и атмосферна влага по време на интензивно пробиване на течен метал.

В NKaZ се използват следните схеми за обработка на струя от разтопен метал чрез газове:

флюс в комбинация с газ (инсталация за дегазиране PAL FI 60R);

в резервоар с въвеждане на газ с помощта на ротор, въртящ се със скорост 400-600 об / мин (Двустепенна инсталация на вторична пещ за рафиниране SNIF P-140UHB).

.1 Дегазационна инсталация PAL FI 60R

Дегазационният блок PAL FI 60R е проектиран за почистване на стопилката от водород в смесител. Обработката на стопилката се извършва чрез издухване на стопилката в миксер с аргон, с възможност за инжектиране на флюс. Техническите характеристики на инсталацията са представени в таблица 9.

Таблица 1 - Технически характеристики на инсталацията PAL FI 60R

Параметри Стойност Електрическо напрежение, B220 Разход на поток, kg / min 1 до 46 Разход на газ, l / min 180 до 250 Обем на бункера на флюса, l / kg 38/45 Тегло на инсталацията, kg 400

ИНСТАЛАЦИЯ "PAL FI60R" - автоматична система с ротационна инжекция на флюс, осигурява непрекъснато инжектиране на флюс под нивото на метала за ефективно свързване на оксиди. Обработката на флюс в комбинация със способността за отстраняване на водород чрез дегазиране на инертен газ може да подобри качеството на алуминиевите сплави, като същевременно намали производствените разходи.

Фигура 4 - Дегазационна инсталация PAL FI 60R

Системата PAL FI 60R увеличава ефекта на инжектирането на флюс, като въвежда постоянен поток на потока под повърхността на линията на стопяване. Въвеждането на флюс помага за подобряване на качеството на алуминиевите сплави, като в същото време намалява експлоатационните разходи. Поточните инжектори могат да се използват или в големи алуминиеви пещи за пренос, заедно с дълга

тръба за инжектиране на флюс или в малка тигелна пещ във връзка с графитна тръба. Модулът PAL FI60R може да се използва заедно с един от популярните дегазационни устройства Pirotka с въртяща се дюза.

Характеристики и предимства:

10-литров резервоар (38 L) побира до ~ 45 кг флюс.

Усъвършенстваният дизайн на уплътнения помага да се запази сухият материал.

Новият и подобрен дизайн на въртящия се поток позволява инжектиране както на прах, така и на гранули.

Флюсовият инжектор е монтиран върху солидна четириколесна рамка, което улеснява лесното транспортиране между различни пещи на инсталацията.

Подобрява качеството на разтопения метал чрез отстраняване на включвания и водород.

Намалява количеството на шлака

Намалява появата на оксидни отлагания по стените на пещта.

Приложение:

Партидни пещи

Диспенсери за кофи

Разпределителни фурни

Топителни пещи

.2 SNIF P-140UHB Двустепенна инсталация за вторично рафиниране

Двустепенната система за рафиниране на вторична пещ SNIF P-140UHB е предназначена за почистване на разтворени метални и алкалоземни елементи от разтопен метал.

Таблица 2 - Спецификации на двуетапната инсталация на вторична пещ за рафиниране на SNIF P-140UHB

Стойност на индикатораValue Капацитет на камерата, t 1,76 Номинална мощност, kW45 Електрическо напрежение, V380 Брой нагреватели, бр. 6 Максимална температура на агрегата, ° С800 Максимална температура на течния метал, ° С760 Производителност на единицата, t / h63.5 Брой на роторите, бр2 Разход на газ за ротор (аргон), m 3/ час 3,6-4,2 Скорост на ротора: празен ход, обороти в минута; режим на работа, rpm150 455-480

Системата SNIF® SHEER P-60U с два ротора осигурява номинален капацитет за непрекъснато рафиниране от 63 500 кг на час. Системата се състои от рафинираща пещ, два въртящи се ротора SNIF, автоматични PLC процеси за управление и управление на отоплението на пещта. За оптимална ефективност пещта е разделена на две отделни рафиниращи камери, всяка от които е снабдена с въртящ се ротор, монтиран върху капака на пещта. Всяка камера е проектирана по такъв начин, че да осигури пълно насищане на стопилката с мехурчета от работещия газ и да се постигне максимална степен на рафиниране, като се използват и двете въртящи се дюзи. Интегрираната преградна система регулира потока на метала, осигурявайки ефективно рафиниране на разтопен алуминий, докато той преминава през пещта за рафиниране. Най-важната конструктивна характеристика е възможността за бърза и лесна подмяна на предварително изпечената огнеупорна облицовка на патрона на пещта. Когато е необходима огнеупорна подмяна на пещта, старата касета просто се изважда и се заменя с нова. Огнеупорни материали могат да бъдат заменени за един или два дни, по възможност, без да се премахва стоманената обвивка от линията за леене. Системата може да бъде върната в експлоатация след 30 часа предварително загряване.

Фигура 5 - Двустепенна инсталация на вторична пещ за рафиниране на SNIF P-140UHB

Облицовката на патрона се състои от многослоен плътен огнеупорен и изолация. Всички огнеупорни материали са непомокрими и термореактивни. Касетата е капсулирана във фолио, за да се предотврати поглъщането на влага по време на съхранение и да се сведе до минимум контакта с изолацията по време на монтажа. Патентованите въздушни шлюзове (ключалки) на входовете и изходите осигуряват свободно движение на разтопен алуминий през камерата и предотвратяват проникването на въздух, което води до прекомерно образуване на шлака. Дълбоките входни / изходящи отвори на пещите са проектирани за приложения, изискващи високо ниво на метал за иницииране на последващи филтриращи системи. Пещта може да бъде монтирана по линията на движение на метала, в U-образна конфигурация с промяна в посоката на движение на метала към противоположната и в L-образна конфигурация с промяна в посоката на движение на метала с 90 °. Пещите имат самостоятелен хидравличен механизъм за повдигане на капака, който повдига горната част на фурната, за да осигури достъп до цялата повърхност на ваната за почистване и поддръжка. В затворено положение капакът на пещта осигурява отлично уплътняване на периметъра, което предотвратява проникването на въздух и образуването на шлаки. P-60U се предлага с две различни системи за отопление. Устройството е оборудвано с подвижни отоплителни елементи, монтирани в графитен блок. предимства:

подобрено отстраняване на водорода;

отстраняване на микрооксид;

висок добив на метал;

дълъг експлоатационен живот на ротора;

висока производителност;

Недостатък:

ограничен експлоатационен живот на ротора (не повече от 4 месеца);

разходи за газ;

висока нужда от метал за промиване при смяна на сплав

заключение

При взаимодействието на сплавта с газове (H, O 2, N) възможни са следните дефекти: газова порьозност, газови обвивки, неметални включвания.

Взаимодействието с газа може да протече чрез ендотермични и екзотермични реакции. Взаимодействието на водорода със сплавта протича чрез екзотермични и ендотермични реакции. В този случай водородът взаимодейства чрез ендотермична реакция. Това води до образуването на водороден разтвор в сплавта и впоследствие по време на кристализацията е възможно образуването на порьозност на газа или на газови обвивки.

С кислорода всички метали взаимодействат чрез екзотермична реакция и се образуват оксиди. Оксидите образуват дефекти в отливките под формата на оксидни филми и оксидни частици.

Изброените дефекти, образувани при леенето, рязко намаляват експлоатационните свойства на детайла (механични свойства, херметичност).

Тези дефекти при леенето могат да бъдат избегнати чрез: топене на метал във вакуум, топене под защитен флюсов слой или топене в неутрална среда.

Източникът на насищане с водород в сплавите е влагата, която може да бъде:

във въздуха

на повърхността на лошо изсушена топилна или топилна

на повърхността на сместа

За да се предотврати водородното насищане на сплавта, се използват следните мерки. Тъй като основното количество водород по време на процеса на топене, сплавът получава от влагата, съдържаща се в заряда, топящия се инструмент и атмосферата на пещта. Необходимо е да изсушите зареждащия материал, също така е необходимо да изсушите топилния инструмент, пещта и тигела. За да не стопилката да взаимодейства с атмосферата на пещта по време на процеса на топене, топенето трябва да се извършва под капака на защитен поток.

Обработката на стопилката чрез продухване с газ с помощта на бързо въртящ се ротор е най-обещаващата по отношение на диспергиране на фазата на рафиниране и подобряване на способността за отстраняване на водородни и неметални включвания от алуминиевата стопилка. Те се стремят да получат колкото се може повече малки мехурчета и хомогенното им разпределение в стопилката с едновременно висока конвекция в цялата баня, което се постига с помощта на различни конструкции на ротора.

В сравнение с издухването на стопилката с газ през тръби и порести диафрагми, използването на ротори има следните предимства:

газово деление на много малки мехурчета;

равномерно разпределение на газа в стопилката;

смесване на цялата стопилка.

Списък на използваните източници

1. Кърдюмов, А.В. Производство на отливки от сплави от цветни метали / A.V. Курдюмов [и др.]. - М .: MISiS, 1996.

Леви, Л.И. Основи на теорията за металургичните процеси и технологията на топене на сплави / Л.И. Леви. - М.: Машиностроене, 1970.

Nepomnyashchy, V.N. Основи на производството на сплави от цветни метали / V.N. Не помня. - Красноярск: GACMiZ, 2002.

Цветен кастинг: Наръчник / Н. М Галдин. - М.: Машиностроене, 1989.

Алуминиеви сплави. Топене и леене на алуминиеви сплави: Справочник / V.I. Dobatkin. - М .: Металургия, 1983.

Напалков, В.И. Непрекъснато леене на алуминиеви сплави / V.I. Напалков и др. - М .: Интермет, 2005.

Хосен, Ри. Свойствата на алуминиевите сплави в течни и твърди състояния / Ri Hosen. - Владивосток: Да, 2002г.

Топене и леене на алуминиеви сплави: Справочник / M.B. Altman [и др.] - М .: Металургия, 1983.

Водородът, за разлика от други газове, има способността да се разтваря в алуминий и при определени условия да образува пори в заварения метал. При реални условия на заваряване, парциалното налягане на молекулярния водород в газовата фаза на дъгата е незначително. Следователно, основният източник на разтваряне на водород в заварения басейн е реакцията на пряко взаимодействие на влагата с метал

в резултат на тази реакция концентрацията на атомен водород в повърхността на атмосферния слой в контакт с метала достига големи стойности и може да съответства на огромните стойности на налягане на молекулен водород в равновесие с метала. В тази връзка при прякото взаимодействие на влага и водна пара с метал концентрацията на водород, разтворен в него, може да достигне големи стойности. Водородът, разтворен в течен метал, поради намаляване на разтворимостта, обикновено се отделя от него при охлаждане. Мехурчета, отделени от водород, без да имат време да излязат от банята, остават в заваръчния метал, образувайки пори. За да може балонът да възникне и да съществува в течен метал, е необходимо налягането на съдържащия се в него водород да бъде по-голямо или равно на външното налягане, упражнено върху балона. Ако пренебрегнем влиянието на металостатичното налягане поради плитката дълбочина на заварения басейн и разгледаме процеса на заваряване при нормално външно налягане от 100 kPa, тогава за наличието на мехур в разтопения метал на заварения басейн трябва да бъдат изпълнени следните условия:

къде е налягането на молекулния водород в мехура; е повърхностното напрежение на интерфейса газ - метал, r е радиусът на балона. В индустриалната алуминиева сплав 1420 винаги присъстват оксидни частици, които образуват неразтворими суспензии, които не могат да се омокрят. Следователно, когато е възможно, образуването на мехурчета от водород еволюира при условия на заваряване на алуминий при нормално външно налягане ()

Фиг. № 4 Промяна в разтворимостта на водород в алуминий в зависимост от температурата.

В процеса на кристализация на метал е възможно преразпределение на водород между кристализиран метал и течност. Подобно преразпределение трябва да допринесе за постепенно увеличаване на концентрацията на водород в некристализираната част на банята и появата на мехурчета в момент, когато тя стане по-голяма. Следователно началната концентрация на водород, разтворен в метала, при който се появяват мехурчета, може да варира значително в зависимост от условията на кристализация и масата на кристализиращия метал. Натрупаният в момента опит показва, че при условия на заваряване на алуминий, поради високите скорости на движение на фронта дендрит, преразпределението на водорода между твърд и течен метал по време на кристализацията може да бъде пренебрегнато и може да се предположи, че концентрацията на водород в банята по време на неговата кристализация не се променя. Стойността намалява при охлаждане и достига минималната си стойност в течен метал при температура 660 ° C (0,69 cm ^ 3/100 g метал). Зародяването на мехурчетата при заваряване на алуминий се случва по време на охлаждането на метала в най-студените части на банята, в които стойността е по-голяма. Поради високия темп на растеж на дендритите, плуването на мехурчета от банята е трудно, а влиянието на условията на кристализация, които варират само леко при променящи се условия на заваряване, влияе върху степента на порьозност на заваръчните шевове по време на заваряване на алуминий сравнително слабо взаимодействие на алуминия и неговите сплави с водород

Водородът е единственият газ, който се разтваря забележимо в алуминия и неговите сплави. Разтворимостта му варира пропорционално на температурата и квадратния корен на налягане. Както е показано на фигурата, разтворимостта на водород в течен алуминий е значително по-висока, отколкото в твърдия алуминий: съответно 0,65 и 0,034 ml / 100 g. Тези стойности леко варират в зависимост от химичния състав на сплавите. По време на охлаждането и втвърдяването на разтопен алуминий със съдържание на водород е значително по-високо от неговата разтворимост в твърдо състояние, той (водородът) може да се освободи в молекулярна форма, което ще доведе до образуването на първични или вторични пори.

Водородна порьозност на алуминия

Образуването на водородни мехурчета в алуминия силно зависи от скоростта на охлаждане и втвърдяване, както и от наличието на нуклеационни центрове за отделяне на водород, като оксиди, хванати в стопилката. Следователно, образуването на порьозност изисква значително излишък от съдържанието на разтворен водород в сравнение с разтворимостта на водорода в твърд алуминий. При липса на центрове за нуклеиране еволюцията на водород изисква сравнително висока концентрация на водород - около 0,30 ml / 100 g. В много индустриални сплави порьозността не се открива дори при такова доста високо съдържание на водород като 0,15 ml / 100 g.

Водород в алуминиевите отливки

Местоположението на водорода в втвърдения алуминий зависи от неговото ниво в течен алуминий и от условията, при които е станало втвърдяването. Тъй като наличието на водородна порьозност е резултат от механизмите на нуклеиране и растеж, които се контролират чрез дифузия, намаляването на концентрацията на водород и увеличаването на скоростта на втвърдяване имат огромен ефект върху зарождането и растежа на порите. По тази причина направените отливки са по-податливи на дефекти, свързани с водород, отколкото направените например отливки.

Източници на водород в алуминий

Водородът влиза в алуминия от много източници, включително атмосфера на пещта, материали за зареждане, флюси, плавилни инструменти и реакции между разтопен алуминий и плесен.

Атмосфера на пещта, Ако топилнята работи на природен газ или, да речем, на мазут, тогава е възможно непълно изгаряне на горивото с образуването на свободен водород.

Зареждане на материали, Блокове, скрап и връщане на леярна може да съдържат оксиди, продукти от корозия, пясък и други очертания на леярна, както и смазочни материали, които се използват при механична обработка. Всички тези замърсители са потенциални източници на водород, който се образува по време на възстановяването на органични вещества или химическото разлагане на водни пари.

Флуиращи агенти.   Повечето флюсове са соли и как всички соли са хигроскопични, тоест готови да „абсорбират“ водата с удоволствие. Следователно мокрият поток неизбежно въвежда водород в стопилката, която се образува при химическото разлагане на водата.

Топилни инструменти.   Топилните инструменти като върхове, стъргалки и лопати също могат да бъдат източник на водород, ако не се поддържат чисти. Оксидите и остатъците от флюс върху такива инструменти са особено трудни източници на замърсяване, тъй като те абсорбират влагата директно от околния въздух. Огнеупорите на пещта, улуците и каналите за разпределение, варовиките и циментовите разтвори, черпаците за вземане на проби са потенциални източници на водород, особено ако не са достатъчно изсушени.

Взаимодействието между течен алуминий и мухъл. Ако по време на пълненето на формата течният метал тече прекомерно бурно, тогава той може да хване въздух във вътрешния си обем. Ако въздухът не може или няма време да излезе, преди да започне втвърдяването, тогава водородът ще навлезе в метала. Неправилно направените захранващи филъри също могат да причинят улавяне на въздух. Друг източник на водород са прекалено влажните пясъчни форми.

Реакцията на алуминия с водород

Смята се, че алуминият, както повечето метали, не реагира директно с водорода. Обикновено металите образуват съединения чрез загубата на електрони, които се приемат от други елементи. Водородът също образува съединения, губейки електрони (или споделящи електрони). Следователно обикновено водородните атоми не приемат електрони, които даряват метали за образуване на съединения. Само някои много реактивни метали като натрий, калий, калций и магнезий могат да „принудят“ водородните атоми да приемат своите електрони, за да образуват твърди йонни съединения, наречени хидриди на тези метали.

Директният синтез на алуминиев хидрид от водород и алуминий изисква лудо налягане от около 2 000 000 000 атмосфери и температура над 800 К. Междувременно съществува такова съединение като алуминиев хидрид. Алуминиевият хидрид е нестабилно съединение, което лесно се разлага при температури над 100 ° C. Не се получава директно, а в резултат на реакции на други съединения.