DE102014102967B4

DE102014102967B4 - Verfahren zum Verringern von alten Oxiden in Aluminiumgüssen

Info

Publication number: DE102014102967B4
Application number: DE102014102967.4A
Authority: DE
Inventors: Qigui Wang; Dale A. Gerard
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2019-10-31
Anticipated expiration: 2034-03-07
Also published as: DE102014102967A1; CN104046788A; CN104046788B

Abstract

Verfahren zum Verringern von mitgeschleppten Aluminiumoxiden in Aluminiumgüssen, wobei das Verfahren umfasst:
Vorheizen einer Ofenbeladung,
Beschichten der freien Oberflächen der Ofenbeladung mit einer Schicht Flussmittel und
Schmelzen der Ofenbeladung in einem Ofen, um ein Schmelzbad mit einer Schmelzoberfläche zu bilden,
wobei die Ofenbeladung aus Aluminiumlegierungen besteht, und
wobei das Flussmittel 29,8-31,8 Gewichts-% NaCl, 38,2-40,2 Gewichts-% KCl, 4,0-6,0 Gewichts-% CaCl₂, 4,0-6,0 Gewichts-% LiCl, 4,0-6,0% Gewichts-% MgCl₂, 4,0-6,0 Gewichts-% Na₂SO₄, 6,5-8,5 Gewichts-% K₂SO₄ und 2,0-3,0 Gewichts-% MgSO₄ enthält.

Description

QUERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der vorläufigen U.S.-Anmeldung Nr. 61/789,016 mit einem Anmeldetag vom 15. März 2013.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Verringern von Oxiden in flüssigem Metall und insbesondere Methodiken und Techniken, um alte Aluminiumoxide in Aluminiumgüssen zu verringern.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Oxidfilme bilden sich auf Aluminiumlegierungen, wenn sie einer Atmosphäre, die Sauerstoff enthält, ausgesetzt werden. Besonders leicht oxidiert Aluminium in der Gegenwart von Luft (Gig. (1)) oder Feuchtigkeit (Glgn. (2) und (3)), wobei es schnell einen dünnen, stark schützenden Oxidfilm auf einer beliebigen ausgesetzten Aluminiummetalloberfläche, einschließlich sowohl flüssiger als auch fester Oberflächen, bildet. Aluminium weist besonders bei erhöhter Temperatur ein sehr hohes inhärentes Potential für die Oxidation (Al₂O₃) auf, wenn seine Oberflächen einer sauerstoffhaltigen Umgebung ausgesetzt werden. 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃ (1) 3H₂O + 2Al → Al₂O₃ + 3H₂ (2) H₂ → 2[H]_Schmelze (3)
Da Aluminiumoxid thermodynamisch sehr stabil ist, liegt es typischerweise in allen Aluminiumlegierungen vor. Daher enthält jede Ofenbeladung unvermeidbare Mengen an Aluminiumoxid als einen typischen Überzug. Während des Formfüllens des Gießprozesses werden zusätzliche Aluminiumoxide gebildet, wenn die freie Oberfläche der Schmelzfront mit Luft in Berührung kommt und insbesondere, wenn die Geschwindigkeit der flüssigen Schmelze einen turbulenten Fluss erzeugt. Oft wird eine Unterscheidung zwischen Oxiden, die vorher in dem Schmelzofen existieren, die als „alte Oxide“ bezeichnet werden, und denjenigen, die während des Formfüllens erzeugt werden, die „junge Oxide“ genannt werden, vorgenommen. Campbell, J., Güsse [Castings], Elsevier Butterworth-Heinemann, 2003; Q.G. Wang, C.J. Davidson, J.R. Griffiths und P.N. Crepeau, „Oxidfilme, Poren und die Ermüdungslebensdauer von gegossenen Aluminiumlegierungen" [„Oxide Films, Pores and The Fatigue Lives of Cast Aluminum Alloys"], Metall. Mater. Trans. Vol. 37B (2006), Seiten 887-895.
Die „alten“ Oxide, die vor und während des Schmelzens gebildet werden, können in der Schmelze suspendiert sein und in den Guss überführt werden. Die Oxide verursachen eine Vielfalt von nachgelagerten Problemen, sofern keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden. Zum Beispiel wird angenommen, dass mitgeschleppte Oxide die Schmelzviskosität und die scheinbare Oberflächenspannung erhöhen, wodurch die Fließfähigkeit verringert und die Beschickung der Güsse negativ beeinflusst wird.
US 3 649 247 A offenbart ein Verfahren zur Rückgewinnung von Aluminium aus feinverteiltem Aluminiummetall, umfassend das Inkontaktbringen des feinverteilten Aluminiummetalls und einer wirksamen Menge an Flussmittel vor dem Schmelzen des Aluminiummetalls und gleichzeitiges Einbringen des Aluminiummetalls und des Flussmittels, beide in Teilchenform, in ein geschmolzenes Aluminiumbad, um das Schmelzen des Aluminiums zu bewirken.
US 4 365 993 A offenbart ein Verfahren zum Entfernen einer organischen Beschichtung von Aluminiumlegierungsschrotten durch Abbrennen der Beschichtung, wobei ein Flussmittel (40-60% KCl und 60-40% NaCl) auf der Oberfläche des Schrottes aufgebracht und danach bei einer Temperatur von nicht mehr als 710°C geschmolzen wird.
Es ist ebenfalls wohlbekannt, dass die Gegenwart von Oxiden in Aluminiumlegierungen schädlich für die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Ermüdungseigenschaften, von Aluminiumgüssen ist. Oxidfilme sind als der zweithäufigste Ursprung für das Einsetzen von Ermüdungsrissen in Aluminiumgüssen angegeben worden. Zusätzlich zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führt die Oxidation zum Verbrauch von wertvollem Aluminium.
Beim Schmelzen und Wiederaufschmelzen von Aluminiumlegierungen kann eine signifikante Menge an Aluminiumkrätze auf der Oberfläche des geschmolzenen Aluminiummetalls in dem Ofen erzeugt werden. Während des Schmelzprozesses wird ein Durchschnitt von 4-5% des dem Ofen zugeführten Materials an die Oxidation verloren. Wenn die Aluminiumkrätze von der Oberfläche der flüssigen Schmelze abgeschöpft wird, ist bis zu 90% des entfernten Materials freies Aluminiummetall. Die Krätze enthält somit in einem Aluminiumschmelzvorgang eine signifikante Menge an Aluminiummetall.
Die von der Oberfläche der flüssigen Schmelze in dem Ofen abgeschöpfte Krätze wird normalerweise auf einer Oberfläche eines Gießereibodens langsam abgekühlt. Freies Aluminiummetall in der Krätze wird des Weiteren durch eine Thermitreaktion, d.h. eine exotherme Oxidation von Aluminiummetall mit einer großen frischen Schmelzoberfläche, verloren. Typischerweise werden für jede Minute des Abkühlens etwa 2% des Aluminiummetalls in der Krätze verloren. Demnach wird eine Krätze mit anfänglich etwa 80% Aluminiummetall auf etwa 40% bis 60% Aluminiummetall nach dem Abkühlen wegen Verlusten aufgrund der Thermitreaktion abnehmen.
Um die Oxide in den endgültigen gegossenen Aluminiumprodukten zu minimieren und schließlich zu eliminieren, ist es erwünscht, die alten Oxide in dem flüssigen Metall, das einer Form zum Gießen zugeführt wird, zu verringern.
Obgleich es ein starkes praktisches Bedürfnis gibt, alte Oxide aus der flüssigen Metallschmelze zu entfernen, ist noch keine verlässliche Methode oder Technik berichtet worden.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verringern von mitgeschleppten Aluminiumoxiden in Aluminiumgüssen offenbart. Das Verfahren umfasst ein Vorheizen einer Ofenbeladung, wobei die Ofenbeladung aus Aluminiumlegierungen besteht, um Feuchtigkeit und Verunreinigungen zu entfernen. Das Verfahren umfasst des Weiteren ein Beschichten der freien Oberflächen der Ofenbeladung mit einer Schicht Flussmittel, bevor die Ofenbeladung geschmolzen wird, wobei das Flussmittel 29,8-31,8 Gewichts-% NaCl, 38,2-40,2 Gewichts-% KCl, 4,0-6,0 Gewichts-% CaCl₂, 4,0-6,0 Gewichts-% LiCl, 4,0-6,0% Gewichts-% MgCl₂, 4,0-6,0 Gewichts-% Na₂SO₄, 6,5-8,5 Gewichts-% K₂SO₄ und 2,0-3,0 Gewichts-% MgSO₄ enthält. Anschließend wird die Ofenbeladung in einem Ofen geschmolzen, um ein Schmelzbad mit einer Schmelzoberfläche zu bilden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verringern von mitgeschleppten Aluminiumoxiden in Aluminiumgüssen offenbart. Das Verfahren umfasst ein Vorheizen einer Ofenbeladung auf zumindest ungefähr 150 °C, um Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen zu entfernen, wobei die Ofenbeladung aus Aluminiumlegierungen besteht. Die Ofenbeladung wird ebenfalls mit einer Schicht Flussmittel auf allen freien Oberflächen zu einer Dicke von zumindest ungefähr 1 mm in der Dicke beschichtet. Das Flussmittel enthält NaCI und KCl in einem äquimolaren Verhältnis. Das Flussmittel enthält 29,8-31,8 Gewichts-% NaCl, 38,2-40,2 Gewichts-% KCI, 4,0-6,0 Gewichts-% CaCl₂, 4,0-6,0 Gewichts-% LiCI, 4,0-6,0% Gewichts-% MgCl₂, 4,0-6,0 Gewichts-% Na₂SO₄, 6,5-8,5 Gewichts-% K₂SO₄ und 2,0-3,0 Gewichts-% MgSO₄. Anschließend wird die Ofenbeladung in einem Ofen geschmolzen, um ein Schmelzbad mit einer Schmelzoberfläche zu bilden. Ein Einspeisen von zusätzlichem Flussmittel in das Schmelzbad über das, was aus der Flussmittelbeschichtungsschicht eingeführt worden ist, hinaus wird gemäß dem Verfahren nicht vorgenommen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verringern von mitgeschleppten Aluminiumoxiden in Aluminiumgüssen offenbart. Das Verfahren umfasst ein Vorheizen einer Ofenbeladung auf zwischen ungefähr 150 °C und ungefähr 500 °C, wobei die Ofenbeladung aus Aluminiumlegierungen besteht. Das Vorheizen wird in einem Drehrohrofen erreicht, wobei ein Sauerstoffgehalt zwischen 1 % und 2% Sauerstoff auf das Volumen bezogen aufrechterhalten wird. Das Verfahren umfasst des Weiteren, die freien Oberflächen der Ofenbeladung mit einer Schicht Flussmittel zu einer Dicke von ungefähr 1 mm bis ungefähr 2 mm zu beschichten. Das Flussmittel enthält ungefähr 30,8 Gewichts-% NaCl, ungefähr 39,2 Gewichts-% KCl, ungefähr 5,0 Gewichts-% CaCl₂, ungefähr 5,0 Gewichts-% LiCI, ungefähr 5,0 Gewichts-% MgCl₂, ungefähr 5,0 Gewichts-% Na₂SO₄, ungefähr 7,5 Gewichts-% K₂SO₄ und ungefähr 2,5 Gewichts-% MgSO₄. Anschließend wird die Ofenbeladung in einem Ofen geschmolzen, um ein Schmelzbad mit einer Schmelzoberfläche zu bilden. Ein Einspeisen von zusätzlichem Flussmittel in das Schmelzbad über das, was aus der Flussmittelbeschichtungsschicht eingeführt worden ist, hinaus wird gemäß dem Verfahren nicht vorgenommen.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Aluminiumoxide in dem flüssigen Aluminium, das zum Gießen verwendet wird, zu verringern, und somit die Möglichkeit, dass Aluminiumoxide in die Güsse mitgeschleppt werden, zu verringern. Andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden im Lichte der Beschreibung der hier verkörperten Erfindung ersichtlich.
Figurenliste
Die folgende detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann am besten verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird, wobei eine gleiche Struktur mit gleichen Bezugszeichen angedeutet ist und in welchen:

die 1A eine schematische Darstellung des Aluminiumoxidabtrennungsprozesses vor dem Schmelzen des Aluminiums ist,
die 1B eine schematische Darstellung des Aluminiumoxidabtrennungsprozesses während des Schmelzens des Aluminiums ist,
die 1C eine schematische Darstellung des Aluminiumoxidabtrennungsprozesses nach dem Schmelzen des Aluminiums ist und
die 2 eine schematische Darstellung der Grenzflächenspannungskräfte, die auf das Aluminiumflüssigkeitströpfchen und das Aluminiumoxidsubstrat wirken, ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme zunächst auf die 1 wird eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Verringern von mitgeschleppten Aluminiumoxiden in Aluminiumgüssen dargestellt. Da es thermodynamisch sehr stabil ist, liegt Aluminiumoxid 110 typischerweise in allen Aluminiumlegierungen vor. Eine beliebige Ofenbeladung 100, wie Barren und Gussabfälle, wird daher unvermeidbare Mengen an Aluminiumoxid 110 als einen typischen Überzug enthalten, wodurch sie eine exogene Aufnahmequelle darstellt. Um das Oberflächenaluminiumoxid 110 von der Ofenbeladung 100 zu entfernen und sie insbesondere einfach zu der Schmelzoberfläche treiben zu lassen, wird die Oberfläche der festen Ofenbeladung mit einer Flussmittelschicht 120 einfach durch Tauchen der Ofenbeladung in ein Bad von geschmolzenem Flussmittel beschichtet.
Ein Verfahren zum Verringern von mittgeschleppten Aluminiumoxiden in Aluminiumgüssen umfasst ein Vorheizen einer Ofenbeladung 100, Beschichten der Ofenbeladung mit einer Flussmittelschicht 120 und Schmelzen der Ofenbeladung in einem Ofen, um ein Schmelzbad mit einer Schmelzoberfläche zu bilden. Alte Aluminiumoxide 110 sind diejenigen, die vor und während des Schmelzens gebildet werden. Viele alte Aluminiumoxide 110 im flüssigen Metall stammen aus der schmutzigen Ofenbeladung 100, wie rückgeführtem Anguss, Speiser und Gussabfällen. Um die Aluminiumoxide 110 aus der Ofenbeladung 100, die in das endgültige gegossene Produkt eintreten, zu verringern, werden die freien Oberflächen der Ofenbeladung mit einer Flussmittelschicht 120 beschichtet. Die aufgetragene Flussmittelschicht 120 kann nicht nur dabei helfen, das Aluminiumoxid 110 von den Oberflächen der Ofenbeladung 100, nachdem sie in das flüssige Aluminium gegeben worden ist, abzuziehen, sondern auch den abgezogenen Oxiden beim Treiben zu der Oberfläche des Schmelzbades helfen. Die verbleibenden wirksamen Flussmittel, die zu der Schmelzoberfläche getrieben sind, dienen als Abdeckflussmittel, um die die flüssige Schmelze ferner von andauernder Oxidation während des Schmelzens zu schützen.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Ofenbeladung 100, bevor die Ofenbeladung 100 in das Flussmittelbad getaucht wird, vorgeheizt. Das Heizen trocknet die Feuchtigkeit aus und entfernt andere flüchtige Bestandteile aus der Beladung. Das Entfernen der Feuchtigkeit und flüchtiger Bestandteile schwächt das Risiko einer Explosion in dem Ofen ab und hemmt die Schlackenbildung aus der Absorption von Wasserstoff, der gebildet wird, wenn heißes Aluminium mit Feuchtigkeit in Kontakt kommt.
Wenn die Ofenbeladung 100 Aluminiumabfälle aus Behältern, Verkleidungen und anderen beschichteten Produkten umfasst, beinhaltet die Vorbereitung der Ofenbeladung bevorzugt das Entfernen von Farbe, Lacken, Bearbeitungsölen und anderen Verunreinigungen. Gemäß einer Ausführungsform wird dieses Entfernen thermisch erreicht. Insbesondere können das Vorheizen und das Entfernen der Verunreinigungen gemäß einer Ausführungsform durch Heizen mit Erdgas erreicht werden. Bevorzugt werden die heißen Abgase des Schmelzofens verwendet, um die Ofenbeladung 100 vorzubehandeln und vorzuheizen. Gemäß einer Ausführungsform wird es jedoch vergegenwärtigt, dass alternative Heizquellen, einschließlich neuem Brennstoff, verwendet werden, um die Ofenbeladung 100 vorzubehandeln und vorzuheizen.
Das Entfernen der Feuchtigkeit, flüchtigen Bestandteile, Farbe, Lacke, Bearbeitungsöle und anderer Verunreinigungen von Ofenbeladungen 100 wird durch Aufheizen der Ofenbeladungen erreicht. Gemäß einer Ausführungsform wird die Ofenbeladung 100 auf zumindest ungefähr 150 °C vorgeheizt. Insbesondere wird gemäß einer Ausführungsform die Ofenbeladung 100 auf zwischen ungefähr 150 °C und ungefähr 500 °C vorgeheizt.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Ofenbeladung 100 in einem Drehrohrofen in einer kontrollierten Atmosphäre mit geringem Sauerstoff entschichtet. Die heißen Gase treten in das Zentralrohr des Ofens ein, fließen parallel zu der Ofenbeladung 100 und verdampfen die organischen Stoffe in der Ofenbeladung in dem Ofen. Der Sauerstoff in dem Ofen wird unterhalb der Entflammbarkeitsgrenzen der organischen Bestandteile gehalten, wodurch eine Verbrennung in dem Ofen vermieden wird. Gemäß einer Ausführungsform wird der Sauerstoffgehalt in dem Drehrohrofen bevorzugt unterhalb von 6% Sauerstoff auf das Volumen bezogen aufrechterhalten. Gemäß einer Ausführungsform wird der Sauerstoffgehalt zwischen 1% und 2% Sauerstoff auf das Volumen bezogen aufrechterhalten.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Verringern von mitgeschleppten Aluminiumoxiden in Aluminiumgüssen wird die Ofenbeladung 100 mit der Flussmittelschicht 120 durch Tauchen der Ofenbeladung in ein Bad von geschmolzenem Flussmittel beschichtet. Der Tauchvorgang bildet eine Flussmittelschicht 120, die alle Oberflächen der Ofenbeladung 100 bedeckt.
Gemäß einer Ausführungsform befindet sich die Flussmittelschicht 120 zumindest ungefähr 1 mm dick auf den Oberflächen der Ofenbeladung 100. Die Dicke der Flussmittelschicht 120 auf der Ofenbeladung 100 hängt von der Temperatur der Ofenbeladung, wenn sie in das Flussmittelbad getaucht wird, und der Zeit, für die die Ofenbeladung in das flüssige Flussmittel eingetaucht wird, ab. Gemäß einer anderen Ausführungsform befindet sich die Flussmittelschicht 120 ungefähr 1 mm bis ungefähr 2 mm dick auf den Oberflächen der Ofenbeladung 100.
Energie kann während des Beschickungsprozesses der Ofenbeladung 100 in den Ofen zum Schmelzen verloren werden. Wenn Chargenöfen kalt beschickt werden, wird der Schmelzvorgang ineffizient, weil die gesamte Ofenmasse zusammen mit dem Metall aufgeheizt werden muss. Gemäß einer Ausführungsform wird es jedoch vergegenwärtigt, einen Chargenofen zu verwenden, um die Ofenbeladung 100 zu schmelzen. Umgekehrt bietet ein kontinuierlich betriebener Ofen im Gegensatz zu einem Chargenofen Effizienz, da er keine zusätzliche Energie, um den Ofen in jedem Schmelzzyklus aufzuheizen, erfordert. Das Beschicken eines heißen Ofens erfordert jedoch das Öffnen der Ofentür oder des Deckels, was es ermöglicht, dass enorme Mengen an Wärme durch den Konvektionsfluss von heißen Gasen und durch Strahlung entweichen. Gemäß einer Ausführungsform werden Techniken und Systeme vergegenwärtigt, um den Wärmeverlust während des Beschickens mit der Ofenbeladung 100 zu minimeren. Zum Beispiel wird gemäß einer Ausführungsform ein Sidewell-Ofen verwendet, um die Ofenbeladung 100 aufzuheizen und zu schmelzen. In einem Sidewell-Ofen wird der Wärmeverlust minimiert, da geschmolzenes Metall durch den Beladungsschacht und zurück in den Herd zum Wiederaufheizen während der Beladungsdauer des Ofenzyklus zirkuliert. Gemäß einer Ausführungsform wird die Ofenbeladung 100 zum Schmelzen in das geschmolzene Bad untergetaucht, was den Metallverlust an die Oxidation verringerte.
Gemäß einer Ausführungsform wird, nachdem die Ofenbeladung 100 mit einer Flussmittelschicht 120 geschmolzen worden ist, es dem überschüssigen Flussmittel ermöglicht, zu der Schmelzoberfläche zu treiben und ein Abdeckflussmittel für das Schmelzbad zu bilden. Das Aussetzen gegenüber Luft führt dazu, dass Aluminium Aluminiumoxid bildet, und somit würde ohne ein Abdeckflussmittel die heiße Oberfläche des Schmelzbades mit Luft reagieren und Aluminiumoxid bilden.
Gemäß einer Ausführungsform wird zusätzliches Flussmittel über das, was aus der Flussmittelbeschichtungsschicht 120 eingeführt worden ist, hinaus nicht in das Schmelzbad eingeführt. Traditionell werden Flussmittel in das Schmelzbad in regelmäßigen Abständen eingespeist, um das flüssige Metall von Oxiden zu reinigen. Das flüssige Metall wird als Ergebnis des als die Flussmittelschicht 120 eingeführten Flussmittels von Oxiden gereinigt. Überschüssiges verwendbares Flussmittel aus der Flussmittelschicht 120 wird zu der Schmelzoberfläche getrieben, wobei es die Oxide in dem Prozess einsammelt. Zusätzlich dient das überschüssige verwendbare Flussmittel zusammen mit den entfernten Oxidfilmen aus der Ofenbeladung als Abdeckflussmittel, um das Schmelzbad ferner vor andauernder Oxidation zu schützen.
Die Flussmittelschicht 120 hilft beim Entfernen von Oxiden von der Ofenbeladung 100 und dem flüssigen Metall. Oberflächen- und Grenzflächenphänomene zwischen den Aluminiumoxiden 110, freiem Aluminiummetall und Salzverbindungen (Flussmittel) spielen eine wichtige Rolle beim Entfernen von Oxiden von dem Aluminium während des Schmelzens. Die wichtige Rolle von Oberflächen und Grenzflächenphänomenen zwischen Aluminiumoxid 110, freiem Aluminium und Salzverbindungen rührt daher, dass die Grenzflächeneigenschaften die Geschwindigkeiten von beliebigen Reaktionen, die quer durch die beteiligten Phasen auftreten, stark beeinflussen. Um Aluminiumoxide 110 in dem flüssigen Metall zu eliminieren, müssen die Oxidfilme, die dem Aluminium anhaften, zuerst aufgebrochen und zumindest teilweise entfernt werden, so dass das Flussmittel die Grenzfläche zwischen den Aluminiumoxidfilmen und dem Aluminium berühren kann.
Der Mechanismus der Oxidfilmentfernung kann mit den Grenzflächenspannungskräften zwischen dem geschmolzenen Aluminium und dem Aluminiumoxidfilm 110 erklärt werden. Damit das Entfernen des Aluminiumoxidfilms 110 eintritt, sollte die Summe der Grenzflächenspannungen zwischen geschmolzenem Aluminium/geschmolzenem Salz und Aluminiumoxidfilm/geschmolzenem Salz kleiner als die Grenzflächenspannung zwischen dem geschmolzenen Aluminium und den Oxidfilmen sein. Diese Beziehung ist in Gleichung (4) dargestellt. $γ_{A l / S a l z} + γ_{O x i d / S a l z} < γ_{A l / O x i d}$
Thermodynamisch ist dieses Kriterium nie erfüllt. Basierend auf den Grenzflächenturbulenzphänomenen wird es jedoch angenommen, dass in dem anfänglichen Stadium der Aluminiumoxidabtrennung das Salz zuerst durch kleine Risse 130 in dem Aluminiumoxidfilm 110 zu der frischen Aluminiumoberfläche vordringt. Diese kleinen Risse 130 entwickeln sich während des Aufheizens der Ofenbeladung 100, weil sich das darunterliegende Aluminium mehr ausdehnt als die Aluminiumoxidfilme 110. Das geschmolzene flüssige Aluminium neigt dazu, eine Kugelform anzunehmen und die Salze in der Flussmittelschicht 120 beginnen, mit dem frischen Aluminium chemisch durch die kleinen Risse 130 in dem Aluminiumoxidfilm 110 zu reagieren.
Wenn das geschmolzene Salz in der Flussmittelschicht 120 mit frischem Aluminium reagiert, können oberflächenaktive Elemente, wie Natrium und Kalium, auf der Aluminiumoberfläche absorbiert werden, was zu der Abnahme der Grenzflächenspannung zwischen dem Aluminium und dem Salz führt. Da die Adsorption von Salzionen, wie Natrium und Kalium, wegen der nicht-gleichmäßigen Verteilung von kleinen Spalten (Rissen) 130 nicht gleichmäßig entlang der gesamten Oberfläche der Aluminiumtröpfchen ist, existiert entlang der Oberfläche ein Konzentrationsgradient. Dieser Konzentrationsgradient führt dazu, dass die Aluminiumflüssigkeit dazu neigt, wegen der Grenzflächenbewegung herumzuwirbeln. Diese Bewegung erzeugt eine Abziehkraft, die die Aluminiumoxidschicht 110 von dem flüssigen Aluminium trennt. Zum Beispiel beträgt in einem äquimolaren NaCI-KCI-Salzsystem die Grenzflächenspannung zwischen Aluminium und Salz 710 mN/m, wenn aber NaF zu diesem System hinzugegeben wird, nimmt der Wert auf 450 mN/m ab. Das flüssige Aluminium wird sich zu dem Bereich drehen, wo die Grenzflächenspannung zwischen Aluminium und Salz höher ist (710 mN/m in diesem Fall), was zu einer niedrigeren Gesamtenergie des gesamten Systems führt.
Unter Bezugnahme auf die 2 liegt ein Aluminiumflüssigkeitströpfchen auf einem flachen Oxidfilm in geschmolzenem Salz vor. Drei Grenzflächenspannungskräfte wirken auf das benetzte Aluminiumtröpfchen. Es gibt eine Grenzflächenkraft zwischen dem Aluminiumtröpfchen und dem Aluminiumoxidfilm 210 (γ_Al/Oxid). Es gibt eine andere Grenzflächenkraft zwischen dem Aluminium und dem Salz 220 (γ_Al/Salz). Schließlich gibt es eine dritte Grenzflächenkraft zwischen dem Aluminiumoxid und dem Salz 230 (γ_Salz/Oxid). Diese drei Grenzflächenspannungen weisen, wenn ein Gleichgewichtszustand erreicht ist, eine Beziehung auf, die durch Gleichung (5) angegeben ist. $γ_{A l / O x i d} = γ_{O x i d / S a l z} - γ_{A l /Salz} \times cos θ$
Der Kontaktwinkel (θ), ein Maß für die Benetzbarkeit, ist der Winkel zwischen der Tangente an der Dreiphasenkontaktlinie und der Grenzfläche des festen Oxids. Angenommen, dass ein dünner Oxidfilm der Fläche (S) von dem Aluminiumtröpfchen abgezogen wurde, wobei das Tröpfchen mit der Fläche (S) in Kontakt mit dem Salz zurückgelassen wurde, ist die Änderung der freien Energie des Systems (ΔG) durch Gleichung (6) gegeben. $Δ G = S (γ_{O x i d / S a l z} + γ_{A l / S a l z} < γ_{A l / O x i d})$
Die Kombination von Gleichung (5) und Gleichung (6) kann als Gleichung (7) umformuliert werden. $Δ G = S γ_{A l / S a l z} (1 + cos θ)$
Um den Oxidfilm von dem Aluminiumtröpfchen zu trennen oder, mit anderen Worten, um das Aluminiumtröpchen von dem Oxidfilm zu entnetzen, sollte die freie Energie des Systems verringert werden. Dies kann entweder durch Erniedrigen der Grenzflächenspannungen von Aluminium/Salz oder Oxid/Salz oder Erhöhen der Grenzflächenspannung von Aluminium/Oxid vorgenommen werden. Wenn die Grenzflächenspannung zwischen Oxid und Aluminium erhöht wird, wird die Änderung der freien Energie negativ und die Entfernung des Oxidfilms ist spontaner.
Wie mit Gleichung (7) bestimmt werden kann, ist die Entfernung des Oxidfilms jedoch nicht spontan, da es unmöglich ist, dass die Grenzflächenspannung zwischen Aluminium und Salz negativ ist. Daher wird der γ_Al/Salz-Wert so niedrig wie möglich verringert und der Kontaktwinkel 0 so groß wie möglich vergrößert.
Gemäß einer Ausführungsform enthält die Flussmittelschicht 120 NaCI und KCl in einem äquimolaren Verhältnis. Zum Beispiel enthält das Flussmittel gemäß einer Ausführungsform ungefähr 30,8 Gewichts-% NaCl und ungefähr 39,2% Gewichts-% NaCl, wobei der Rest andere Bestandteile enthält.
Gemäß einer Ausführungsform enthält das Flussmittel NaCl und KCl in einem äquimolaren Verhältnis sowie Chloride von Li, Ca und Mg. Nicht-beschränkende Beispiele umfassen NaCl und KCl in einem äquimolaren Verhältnis und LiCI und CaCl₂; NaCl und KCl in einem äquimolaren Verhältnis und MgCl₂ und CaCl₂; und NaCl und KCl in einem äquimolaren Verhältnis und LiCl, CaCl₂, und MgCl₂ und CaCl₂.
Gemäß einer Ausführungsform enthält das Flussmittel NaCI und KCl in einem äquimolaren Verhältnis sowie Sulfate von Na und K. Nicht-beschränkende Beispiele umfassen NaCI und KCl in einem äquimolaren Verhältnis und K₂SO₄; NaCI und KCl in einem äquimolaren Verhältnis und Na₂SO₄; und NaCI und KCl in einem äquimolaren Verhältnis und K₂SO₄ und Na₂SO₄.
Gemäß einer Ausführungsform enthält das Flussmittel NaCl und KCl in einem äquimolaren Verhältnis sowie CaCl₂, LiCl, MgCl₂, MgSO₄, Na₂SO₄ und K₂SO₄. Nicht beschränkende Beispiele umfassen NaCI und KCl in einem äquimolaren Verhältnis und Na₂SO₄, LiCl und CaCl₂; NaCl und KCl in einem äquimolaren Verhältnis und MgCl₂ und K₂SO₄; und NaCI und KCl in einem äquimolaren Verhältnis und LiCl, CaCl₂, und MgSO₄, K₂SO₄, Na₂SO₄, MgCl₂ und CaCl₂.
Das Flussmittel enthält bevorzugt NaCl und KCl in einem äquimolaren Verhältnis sowie zumindest 24,5 Gewichts-% CaCl₂, LiCl, MgCl₂, MgSO₄, Na₂SO₄ und K₂SO₄.
Gemäß einer Ausführungsform enthält das Flussmittel bevorzugt NaCI und KCl in einem äquimolaren Verhältnis sowie 4,0-6,0 Gewichts-% CaCl₂, 4,0-6,0 Gewichts-% LiCl, 4,0-6,0 Gewichts-% MgCl₂, 4,0-6,0 Gewichts-% Na₂SO₄, 6,5-8,5 Gewichts-% K₂SO₄ und 2,0-3,0 Gewichts-% MgSO₄.
Das Flussmittel gemäß der vorliegenden Erfindung enthält 29,8-31,8 Gewichts-% NaCl, 38,2-40,2 Gewichts-% KCI, 4,0-6,0 Gewichts-% CaCl₂, 4,0-6,0 Gewichts-% LiCl, 4,0-6,0 Gewichts-% MgCl₂, 4,0-6,0 Gewichts-% Na₂SO₄, 6,5-8,5 Gewichts-% K₂SO₄ und 2,0-3,0 Gewichts-% MgSO₄. Das Flussmittel enthält ganz besonders bevorzugt ungefähr 30,8 Gewichts-% NaCI, ungefähr 39,2 Gewichts-% KCI, ungefähr 5,0 Gewichts-% CaCl₂, ungefähr 5,0 Gewichts-% LiCI, ungefähr 5,0 Gewichts-% MgCl₂, ungefähr 5,0 Gewichts-% Na₂SO₄, ungefähr 7,5 Gewichts-% K₂SO₄ und ungefähr 2,5 Gewichts-% MgSO₄.
Es wird angemerkt, dass Begriffe wie „bevorzugt“, „gewöhnlich“ und „typisch“ hier nicht verwendet werden, um den Umfang der beanspruchten Erfindung zu beschränken oder anzudeuten, dass gewisse Merkmale für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung entscheidend, wesentlich oder sogar wichtig sind. Vielmehr sind diese Begriffe lediglich dazu gedacht, alternative oder zusätzliche Merkmale aufzuzeigen, die gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht verwendet werden können.
Für die Zwecke des Beschreibens und des Definierens der vorliegenden Erfindung wird es angemerkt, dass der Begriff „ungefähr“ hier verwendet wird, um den inhärenten Grad an Unsicherheit darzustellen, der einem beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeschrieben werden kann. Gemäß dem vorliegenden Zusammenhang wird der Begriff „ungefähr“ hier ebenfalls verwendet, um den Grad darzustellen, um welchen eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des zur Debatte stehenden Gegenstands zu führen. Als solches wird er verwendet, um den inhärenten Grad an Unsicherheit darzustellen, der einem beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung bezüglich einer Anordnung von Elementen oder Merkmalen, die, während in der Theorie erwartet würde, dass sie exakte Übereinstimmung oder Verhalten zeigen, in der Praxis etwas geringfügig weniger als exakt verkörpern können, zugeschrieben werden kann.
Nachdem die Erfindung im Detail und unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen davon beschrieben worden ist, wird es ersichtlich, dass Modifikationen und Variationen möglich sind, ohne von dem Umfang der in den angefügten Ansprüchen definierten Erfindung abzuweichen. Insbesondere wird, obgleich einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hier als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet werden, es in Betracht gezogen, dass die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.

Claims

Verfahren zum Verringern von mitgeschleppten Aluminiumoxiden in Aluminiumgüssen, wobei das Verfahren umfasst: Vorheizen einer Ofenbeladung, Beschichten der freien Oberflächen der Ofenbeladung mit einer Schicht Flussmittel und Schmelzen der Ofenbeladung in einem Ofen, um ein Schmelzbad mit einer Schmelzoberfläche zu bilden, wobei die Ofenbeladung aus Aluminiumlegierungen besteht, und wobei das Flussmittel 29,8-31,8 Gewichts-% NaCl, 38,2-40,2 Gewichts-% KCl, 4,0-6,0 Gewichts-% CaCl₂, 4,0-6,0 Gewichts-% LiCl, 4,0-6,0% Gewichts-% MgCl₂, 4,0-6,0 Gewichts-% Na₂SO₄, 6,5-8,5 Gewichts-% K₂SO₄ und 2,0-3,0 Gewichts-% MgSO₄ enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Flussmittelbeschichtung eine Dicke von zumindest ungefähr 1 mm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ofenbeladung auf zumindest ungefähr 150 °C vorgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren des Weiteren umfasst, dem Flussmittel zu ermöglichen, auf die Schmelzoberfläche zu flotieren und ein Abdeckflussmittel zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren nicht umfasst, Flussmittel in das Schmelzbad einzuspeisen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Flussmittel NaCI und KCl in einem äquimolaren Verhältnis enthält.
Verfahren zum Verringern von mitgeschleppten Aluminiumoxiden in Aluminiumgüssen, wobei das Verfahren ein Vorheizen einer Ofenbeladung, Beschichten der freien Oberflächen der Ofenbeladung mit einer Schicht Flussmittel und Schmelzen der Ofenbeladung in einem Ofen, um ein Schmelzbad mit einer Schmelzoberfläche zu bilden umfasst, wobei die Ofenbeladung aus Aluminiumlegierungen besteht, die Ofenbeladung auf zumindest ungefähr 150 °C vorgeheizt wird, die Flussmittelbeschichtung eine Dicke von zumindest ungefähr 1 mm aufweist, das Flussmittel NaCl und KCl in einem äquimolaren Verhältnis enthält, wobei das Verfahren nicht umfasst, Flussmittel in das Schmelzbad einzuspeisen, und wobei das Flussmittel 29,8-31,8 Gewichts-% NaCl, 38,2-40,2 Gewichts-% KCl, 4,0-6,0 Gewichts-% CaCl₂, 4,0-6,0 Gewichts-% LiCl, 4,0-6,0% Gewichts-% MgCl₂, 4,0-6,0 Gewichts-% Na₂SO₄, 6,5-8,5 Gewichts-% K₂SO₄ und 2,0-3,0 Gewichts-% MgSO₄ enthält.
Verfahren zum Verringern von mitgeschleppten Aluminiumoxiden in Aluminiumgüssen, wobei das Verfahren ein Vorheizen einer Ofenbeladung, Beschichten der freien Oberflächen der Ofenbeladung mit einer Schicht Flussmittel und Schmelzen der Ofenbeladung in einem Ofen umfasst, um ein Schmelzbad mit einer Schmelzoberfläche zu bilden, wobei die Ofenbeladung aus Aluminiumlegierungen besteht, wobei die Ofenbeladung auf zwischen ungefähr 150 °C und ungefähr 500 °C in einem Drehrohrofen vorgeheizt wird, wobei ein Sauerstoffgehalt zwischen 1 % und 2% Sauerstoff auf das Volumen bezogen aufrechterhalten wird, die Flussmittelbschichtung eine Dicke zwischen ungefähr 1 mm bis ungefähr 2 mm aufweist, das Flussmittel ungefähr 30,8 Gewichts-% NaCI, ungefähr 39,2 Gewichts-% KCl, ungefähr 5,0 Gewichts-% CaCl₂, ungefähr 5,0 Gewichts-% LiCI, ungefähr 5,0 Gewichts-% MgCl₂, ungefähr 5,0 Gewichts-% Na₂SO₄, ungefähr 7,5 Gewichts-% K₂SO₄ und ungefähr 2,5 Gewichts-% MgSO₄ enthält, und wobei das Verfahren nicht umfasst, Flussmittel in das Schmelzbad einzuspeisen.