Алюминий имеет более низкую температуру плавления, чем сталь и чугун, что делает его пригодным для таких процессов, как литье в песчаные формы, гравитационное литьё под давлением, а также литье под низким давлением. Основной процесс плавки включает в себя подготовку шихты, нагрев алюминия, регулирование температуры расплава, удаление шлака, обработку расплава (при необходимости) и разливку в подготовленную форму.
Хотя в целом процесс несложен, влажный шихтовый материал, чрезмерно высокая температура расплава, интенсивное перемешивание или нестабильная разливка могут повысить риск образования пористости, оксидных включений и неполного заполнения.
В данной статье рассказывается о температуре плавления алюминия, необходимом оборудовании, основных этапах работы, практических советах по плавке, а также о мерах безопасности, которых должны придерживаться операторы.
При какой температуре плавится алюминий?
Чистый алюминий плавится при температуре примерно 660 °C. Однако в реальных условиях литейного производства алюминиевые сплавы используются чаще, чем чистый алюминий. Эти сплавы могут содержать кремний, магний, медь или другие элементы, поэтому они плавятся не при одной конкретной температуре, а проходят через диапазон температур плавления.
Прежде чем алюминиевый сплав полностью перейдет в жидкое состояние, он, как правило, переходит в полутвердое состояние. Даже если загрузка размягчилась или разрушилась, внутри все еще может оставаться некоторое количество твердого металла. Поэтому состояние расплава следует подтверждать путем измерения температуры, а не только по внешнему виду.
На практике температура расплава обычно поддерживается на уровне выше температуры ликвидуса выбранного сплава с учетом потерь тепла при удалении шлака, перекачке и разливке.
Совет по регулированию температуры
Если температура слишком низкая, расплавленный алюминий может не обладать достаточной текучестью для заполнения тонких стенок, ребер или участков, удаленных от литникового канала. Если температура слишком высокая, это может привести к усилению окисления, поглощению водорода, увеличению энергопотребления и потерям легирующих элементов.
Для контроля температуры расплава следует использовать термопару. Правильная температура плавления и разливки зависит от марки сплава, геометрии отливки и технологии литья.
Какое оборудование необходимо для плавки алюминия?
К основному оборудованию, необходимому для плавки алюминия, относятся печь, тигель, приборы для измерения температуры, инструменты для удаления шлака, перегрузочное оборудование и подготовленная форма.
| Оборудование или инструмент | Основная цель | Эксплуатационные требования |
|---|---|---|
| Печь | Нагревает и плавит алюминиевую шихту | Выбирайте с учетом объема расплава, способа нагрева и требований к регулированию температуры |
| Тигель | Сохраняет заряд и расплавленный алюминий | Перед использованием проверьте изделие на наличие трещин, эрозии и местного истончения |
| Термопара | Измеряет температуру расплавленного алюминия | Следите за тем, чтобы положение измерения и глубина погружения оставались в разумных пределах постоянными |
| Инструменты для удаления окалины | Удалить оксиды и загрязнения с поверхности расплава | Хранить в сухом месте и при необходимости разогревать |
| Подъемные приспособления или ковши | Перелить и разлить расплавленный алюминий | Проверьте на наличие износа, деформации и убедитесь в безопасности при обращении |
| Плесень | Принимает расплавленный алюминий и формирует отливку | Хранить в сухом месте и предварительно нагревать, если это требуется по технологии |
Печь и тигель
К распространенному оборудованию для плавки алюминия относятся тигельные печи, печи с резистивным нагревом, газовые печи и индукционные печи. Эти системы различаются по скорости плавки, системе регулирования температуры, энергопотреблению и подходящему объему производства.
При плавке небольших партий обычно используется тигель для размещения шихты и расплавленного алюминия. К распространенным материалам для изготовления тиглей относятся графит, глино-графитовый сплав и карбид кремния. Выбор подходящего типа должен соответствовать конструкции печи и способу нагрева.
Перед каждым использованием тигель следует проверять на наличие трещин, значительной эрозии, местного истончения или повреждений дна. Поврежденный тигель не должен оставаться в эксплуатации.
Тонкостенные стальные канистры не подходят в качестве надёжных тиглей для плавки алюминия. Длительное воздействие высоких температур может привести к их окислению, деформации или разрушению. Кроме того, из стальных ёмкостей в расплав может попасть железо.
Инструменты для измерения температуры и работы с материалами
Для измерения температуры расплавленного алюминия используется термопара. Чтобы упростить сравнение данных по партиям, полученным в печи, место проведения измерений и глубина погружения датчика должны оставаться в разумных пределах постоянными.
Инструменты для удаления шлака используются для очистки поверхности расплава от оксидов и примесей. Для перемещения и разлива расплавленного металла используются приспособления для подъема тиглей или ковши.
Все инструменты, которые могут соприкасаться с расплавленным алюминием, должны быть сухими. Холодные инструменты также может потребоваться предварительно нагреть, чтобы снизить локальные потери тепла и риск разбрызгивания, вызванного влагой.
Форма должна быть подготовлена до того, как алюминий достигнет температуры разливки. Песчаные формы необходимо проверить на соответствие состояния полости, литниковых каналов и вентиляционных каналов. Постоянные формы, как правило, предварительно нагреваются в соответствии с технологией литья.
Как расплавить алюминий для литья
Шаг 1: Подготовка и загрузка алюминиевой шихты
Для начала необходимо уточнить марку алюминиевого сплава. Различные сплавы содержат разное количество кремния, магния, меди, железа и других элементов. Не следует смешивать материалы только потому, что они выглядят похожими.
В загрузку промышленных печей обычно входят новые алюминиевые слитки и контролируемый вторичный материал того же маркирования сплава. Вторичный материал может поступать из литниковых каналов, литников или бракованных отливок, однако его происхождение и доля в загрузке должны контролироваться.
Смешивание различных марок сплавов может привести к выходу конечного состава за пределы требуемого диапазона и повлиять на механические свойства или реакцию на термообработку.
Перед загрузкой удалите с материала масло, пластик, краску, песок и стальные вставки. Крупные куски можно разрезать на части, подходящие по размеру к печи или тиглю, чтобы они нагревались более равномерно.
Весь загружаемый материал должен быть сухим. Алюминий, хранившийся под открытым небом, недавно промытые детали, герметичные полые изделия или материал, в котором может оставаться жидкость, не следует помещать непосредственно в печь.
Алюминиевые банки можно переплавлять, однако их тонкие стенки приводят к значительным потерям в результате окисления, а их покрытия выделяют дым и остатки. Поэтому они, как правило, не подходят в качестве контролируемого сырья для промышленного литья.
Загружайте шихту осторожно. Не допускается ронять тяжелые куски на тигель или футеровку печи. Тигель также не следует заполнять доверху, так как необходимо оставить место для оседания шихты, добавления дополнительного материала и удаления шлака.
Шаг 2: Нагрев загрузки и регулирование температуры плавления
Печь следует нагревать в соответствии с инструкцией по эксплуатации. В некоторых технологиях плавки сначала формируется небольшая ванна расплава, а затем оставшаяся шихта добавляется партиями.
Твёрдый алюминий обычно плавится быстрее после контакта с лавной ванной. Однако добавление слишком большого количества холодного материала за один раз может привести к значительному падению температуры и увеличить общее время плавления.
По возможности держите крышку печи закрытой. Частое открывание приводит к потерям тепла и увеличивает контакт расплавленного алюминия с воздухом.
По мере плавления загрузки следите за температурой с помощью термопары. Как только будет достигнута требуемая технологическая температура, следует избегать излишнего нагрева.
Чрезмерный нагрев усиливает окисление и поглощение водорода, а также может привести к потере легирующих элементов, таких как магний. Недостаточная температура может привести к тому, что часть шихты останется нерасплавленной, или снизить текучесть при разливании.
Следует также избегать интенсивного перемешивания. На поверхности расплавленного алюминия быстро образуется оксидная пленка, и при чрезмерном перемешивании эта пленка может попасть в расплав.
Шаг 3: Удаление шлака и обработка расплава
На поверхности расплавленного алюминия обычно образуется серый или тёмный шлак. Он может содержать оксиды, примеси и некоторое количество уловленного металла.
Инструменты для удаления шлака должны быть сухими и надлежащим образом предварительно нагретыми. Материал с поверхности следует удалять плавными движениями, а не многократно перемешивать его в расплаве.
Если пленки оксидов попадают в жидкий металл, они могут остаться в отливке в виде включений, зон повышенной ломкости или путей утечки.
В некоторых процессах плавки используется специальный флюс для удаления окалины, который способствует отделению оксидов от металлического алюминия. Тип и дозировка флюса должны соответствовать составу сплава и условиям процесса, однако флюс не может заменить тщательную подготовку шихты или аккуратное обращение с материалами.
Под добавлением соли обычно подразумеваются специальные алюминиевые флюсы на солевой основе, а не обычная поваренная соль. Бура также не является стандартным универсальным флюсом для плавки алюминия. При обычном литье небольшими партиями более надежными способами, как правило, являются использование чистого шихтового материала, стабильный контроль температуры и тщательное удаление шлака, чем добавление непроверенных материалов.
Для отливок, к которым предъявляются более высокие требования к внутреннему качеству, может также потребоваться дегазация расплава алюминия. В промышленном производстве для снижения содержания водорода в расплаве обычно применяется ротационная дегазация с использованием азота или аргона.
Если состав сплава имеет решающее значение, образец можно также проверить с помощью спектрометра, чтобы убедиться, что содержание основных легирующих элементов находится в пределах требуемого диапазона.
Шаг 4: Подготовка формы и заливка алюминия
Форма должна быть готова и высохнуть до того, как алюминий достигнет состояния, пригодного для разливки.
Песчаную форму необходимо проверить на целостность полости, наличие литниковых каналов и вентиляционных отверстий. В гравитационное литьё под давлением, постоянная форма должна поддерживаться в соответствующем температурном диапазоне, чтобы металл не затвердевал слишком быстро после попадания в полость.
Заливка должна осуществляться плавно и непрерывно. Слишком быстрая заливка может привести к усилению разбрызгивания, попаданию воздуха в металл и образованию турбулентности. Слишком медленная заливка может вызвать потерю температуры и привести к тому, что металл начнёт затвердевать до полного заполнения полости.
Расстояние свободного падения расплавленного алюминия следует свести к минимуму, насколько это возможно. Большой перепад высоты приводит к увеличению поступления воздуха и образованию оксидной пленки. Даже расплав, который уже был очищен от пены или дегазирован, может вновь загрязниться в результате неаккуратной перекачки и разливки.
После заливки необходимо дождаться достаточного затвердевания отливки перед вытряхиванием или извлечением из формы. Затем можно удалить литниковую систему, после чего, в зависимости от необходимости, провести очистку, термообработку или механическую обработку.
Советы по более эффективной плавке алюминия
Помимо соблюдения основных этапов плавления, существует ряд технологических приемов, которые помогают поддерживать более стабильные условия плавления.
- Используйте чистый и сухой зарядный материал: Масло, покрытия, влага и другие загрязнения приводят к увеличению количества дыма и шлака, а также повышают риски для безопасности.
- Не допускайте длительного перегрева: После достижения требуемой температуры процесса следует избегать ненужного повышения температуры или длительного выдерживания, чтобы снизить степень окисления, поглощение водорода и потерю легирующих элементов.
- Сведите к минимуму перемешивание и контакт с воздухом: Следует избегать интенсивного перемешивания и, по возможности, держать крышку печи закрытой, чтобы уменьшить образование оксидной пленки и её унос.
- Предварительный нагрев инструментов и форм: Инструменты для удаления шлака, ковши и другое оборудование, контактирующее с расплавом, должны быть сухими и надлежащим образом предварительно нагретыми. Постоянные формы также следует предварительно нагревать в соответствии с технологическим процессом.
- Наливайте плавно и непрерывно: Равномерная заливка с ограниченным расстоянием свободного падения способствует уменьшению разбрызгивания, захвата воздуха и образования новой оксидной пленки.
Меры безопасности при плавке алюминия
Перед началом работы операторы должны убедиться, что их средства защиты, условия труда и рабочие инструменты соответствуют требованиям, предъявляемым к работам с расплавленным металлом. При плавке алюминия имеют место высокие температуры и работа с жидким металлом. Ненадлежащая защита или несоблюдение техники безопасности могут привести к ожогам, разбрызгиванию металла или возникновению пожара. Необходимо соблюдать следующие меры предосторожности:
- Используйте соответствующие средства защиты: Используйте термостойкие перчатки, защитную маску, защитные очки, рабочую одежду с длинными рукавами или огнестойкий фартук, а также защитную обувь, предназначенную для работы с расплавленным металлом. Не допускайте, чтобы кожа оставалась открытой в зоне возможного попадания брызг.
- Обеспечьте хорошую вентиляцию: Плавить алюминий следует в хорошо проветриваемом помещении, чтобы обеспечить удаление дыма и паров, образующихся при сгорании масла, лакокрасочных покрытий или других загрязнений.
- Не допускайте попадания влаги на расплавленный алюминий: Загрузочный материал, тигли, инструменты для удаления шлака, ковши и формы должны оставаться сухими. Влага может быстро превратиться в пар и вызвать сильные разбрызгивания металла.
- Используйте подходящие высокотемпературные инструменты: Используйте тигли, подъемные приспособления, стальные клещи, инструменты для снятия пены и ковши, предназначенные для работы в условиях высоких температур. Перед использованием проверьте их на наличие трещин, износа, деформаций или нарушений техники безопасности при обращении.
- Подготовьтесь к тушению пожаров, связанных с металлом: Держите под рукой вблизи рабочей зоны подходящее оборудование для тушения пожаров, связанных с металлами, и убедитесь, что операторы знакомы с порядком действий в чрезвычайных ситуациях на объекте. Не следует направлять струю воды непосредственно на разлитый или горящий расплавленный алюминий.
- Следите за тем, чтобы рабочая зона оставалась свободной: Маршрут, по которому осуществляется транспортировка и разлив расплавленного алюминия, должен быть ровным, чистым и свободным от препятствий. Лица, не имеющие отношения к производственному процессу, должны находиться за пределами рабочей зоны, чтобы снизить риск столкновения или вмешательства в рабочий процесс.
Заключение
Процесс плавки алюминия для литья включает в себя подготовку шихты, проверку оборудования, нагрев, регулирование температуры, удаление шлака, обработку расплава и разливку в подготовленную форму.
При обычном литье небольшими партиями главными приоритетами являются обеспечение сухости материалов и инструментов, поддержание стабильной температуры расплава, а также предотвращение чрезмерного перемешивания или нестабильной разливки. Промышленное производство также требует более строгого контроля за маркой сплава, долей вторичного сырья, содержанием водорода и оксидными включениями с целью сокращения количества внутренних дефектов и обеспечения стабильности между производственными партиями.
