NO178583B - Fremgangsmåte ved fremstilling av en aluminium-kornforfiner - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte av den art som er angitt i krav l's ingress ved fremstilling av en aluminium-kornforfiner.

Typisk består kornforfinende tilsatser for aluminium av den typen som omfattes av foreliggende oppfinnelse i hovedsak av 2-12 vekt% titan, enten alene eller sammen med 0,1-2 vekt% bor og resten er aluminium av kommersiell renhet med normale urenheter. Slike Al-Ti-B kornforfinende legeringer blir vanligvis fremstilt porsjonsvis i en elektrisk induksjonsovn. De legerende bestanddelene blir typisk tilført i form av dobbelt-fluoridsalter av titan og bor med kalium.

I den typiske charge-prosessen blir en blanding av fluorid-saltene i de nødvendige andeler tilført en omrørt aluminium-smelte i en induksjonsovn ved en temperatur i området 700-800 <*>C. Ved hjelp av en elektromagnetisk rørevirkning blir saltblandingen trukket under smeltens overflate hvor det skjer en reduksjon til Ti og B ved hjelp av Al. Denne legeringsreaksjon resulterer i et produkt som omfatter smeltet kalium-aluminium fluorid. Periodevis under legeringsprosessen og ved slutten av prosessen blir den elek-triske strømmen slått av for at de smeltede reaksjons-produktene skal kunne flyte opp til overflaten, hvor de danner et separat slagglag. Dette slagget fjernes ved dekantering til en passende mottaker, f.eks. en slaggpanne. ;Den erholdte charge av smeltet legering kan overføres til en separat støpeovn. Dette er typisk en elektrisk induksjonsovn hvor elektromagnetisk røring hjelper til med å holde uløselige TiB2 partikler suspendert i det smeltede metallet. Legeringen kan deretter enten støpes til barrer for videre bearbeiding til stenger ved valsing eller ekstru-der ing eller direkte i en stangstøpemaskin, som f.eks. en Properzi støpemaskin. ;Den kjente fremgangsmåten over har en rekke betydelige ulemper. For det første vil produktets kvalitet, spesielt mikrostruktur og kornforfinende egenskaper variere fra charge til charge. For det andre vil legeringsprosessen danne fluoridholdig røyk, som er miljøskadelig, i form av intens røykdannelse i korte perioder, og dette nødvendiggjør kostbare kontrollsystemer som er store nok til å håndtere de periodevis store røykdannelsene. For det tredje er systemet meget kapitalkrevende. ;Det er kjent å bruke kontinuerlige legeringsprosesser som anvender en flytende strøm av smeltet metall. F.eks. beskriver US patent 4.298.377 en fremgangsmåte og et apparat for tilsetning av faste stoffer til smeltet metall ved kontinuerlig tilførsel av både de faste stoffene og metallet til et hvirveldannende kammer, fra hvilket blandingen fjernes ved kjernen av hvirvelen som en frittfallende strøm med hul midte. ;US patent 3.272.617 beskriver en fremgangsmåte og et apparat for kontinuerlig tømming av en strøm av smeltet metall som danner en hvirvel inn i hvilken partikulært legeringsmiddel innføres, og hvor hvirvelens intensitet kontrolleres ved å senke additivene i det smeltede metallet med en ønsket hastighet. ;Andre fremgangsmåter og apparater for kontinuerlig behand-ling av smeltet metall med et behandlingsmiddel som kontinuerlig tilføres til en behandlingsbeholder gjennom en innløpspassasje dannet i beholderens side, er beskrevet i US patent 4.484.731. Det smeltede metallet blir kontinuerlig helt inn i beholderens leppe og fjernet fra den nedre delen av beholderen etter tilsetting av behandligsmiddelet. ;Teknikkene som er beskrevet ovenfor, medfører fullstendig blanding av reaktantene i et rørt legeme av smeltet metall. Dette medfører betydelige problemer ved at den endelige kornforfinende legeringen kan forurenses av innfangede globuler av smeltede reaksjonsprodukt-salter. Hensikten med foreliggende oppfinnelse er derfor å frembringe en forbedret fremgangsmåte for å blande smeltet aluminium med kornforfinende forbindelser samtidig som man unngår de nevnte problemene med innfangede globuler. ;Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for fremstilling av aluminium-kornforfinende tilsatser inneholdende titan og/eller bor, hvor smeltet aluminium blir kontinuerlig strømmet som et bunnsjikt langs en hovedsakelig horisontal og svakt hellende kanal. Titan eller borforbindelser som kan reduseres av aluminium eller en blanding av slike forbindelser tilsettes på overflaten av aluminiumssjiktet slik at det dannes et separat sjikt av disse på toppen av aluminiumssjiktet. Reaksjonen mellom aluminiumet og titan- og/eller borforbindelsene skjer langs grenseflaten mellom sjiktene, <p>g denne reaksjonen kan om ønskelig påhjelpes ved å frembringe en relativ bevegelse mellom sjiktet av smeltet metall og sjiktet av titan- og/eller borforbindelsene. Et overflatesjikt av brukt reaksjonsprodukt fjernes fra overflaten og strømmen av aluminium legert med titan og bor samles opp. Fremgangsmåten er således særpreget ved det som er angitt i krav l's karakteriserende del, ytterligere trekk fremgår av kravene 2-9. ;Oppfinnelsens konsept medfører opprettholdelse av de to separate sjiktene, hvor den egentlige kontakten mellom smeltet aluminium og titan- og/eller borforbindelsene skjer kun langs grenseflaten. Det er overraskende at reaksjonen mellom de to sjiktene vil skje med en akseptabel hastighet uten noen form for relativ bevegelse mellom sjiktene. Det kan f.eks. være en bevegelse av begge sjiktene uten at det er en relativ bevegelse mellom dem. Det er også mulig å frembringe noe relativ bevegelse mellom sjiktene. Denne relative bevegelsen mellom sjiktene kan oppnås enten ved å bevege de to sjiktene samtidig med forskjellige hastigheter eller ved å bevege de to sjiktene motstrøms i forhold til hverandre. Dette kan passende gjøres ved f.eks. å frembringe en meget svak helning på f.eks. 3-4° av kanalen, hvor aluminiumssjiktet beveges oppover ved hjelp av en linjaer induksjonsmotor mens titan- og/eller borforbindelsene strømmer nedover mot strømmen av aluminium. ;Titan- og borforbindelsene brukes i form av forløper-forbindelser som inneholder titan og bor som kan reduseres av smeltet aluminium og som fortrinnsvis er i form av salter, f.eks. blandede dobbelt fluoridsalter med et alkalimetall. Kaliumtitanatfluorid og kaliumborfluorid er spesielt foretrukket, og disse kan tilsettes enten i partikulær form eller i smeltet form. De tilsettes vanligvis som en blanding med et titan:bor forhold på 2:1 til 20:1. Den fremstilte kornforfiner inneholder fortrinnsvis 5-6 vekt-% titan og 0,08-1,2 vekt% bor. Et overflatesjikt av brukt reaksjonsprodukt i form av brukte salter eller slagg blir fjernet nedstrøms fra tilsetningspunktet for titan-og/eller borsalter i strømretningen til titan- og/eller borsaltsj iktet. ;Aluminiumet i bunnsjiktet har typisk en temperatur i området 680 - 850<C>C, fortrinnsvis 740-760°C og reaksjonen er vanligvis fullstendig etter en kontakttid mellom sjiktene på 20-600 sekunder, fortrinnsvis 50-70 sekunder. ;I henhold til en annen foretrukket utførelse av oppfinnelsen blir aluminium legert med titan og bor etter fjerning av smeltede reaksjonsprodukt-salter, utsatt for blanding i en separat beholder ved en temperatur i området 750-850°C, fortrinnsvis 815-835°C. Blandingen utføres fortrinnsvis ved elektromagnetisk eller mekanisk rørevirkning i minst fem minutter. ;I henhold til en annen foretrukket utførelse av oppfinnelsen blir sjiktet av smeltet aluminium i kanalen utsatt for forsiktig under-overflate-røring for å påvirke grenseflate-reaksjonen og forhindre settling av borider. En slik røring må kontrolleres nøye, slik at overflaten av aluminiumsjiktet brytes, og den kan passende gjøres ved hjelp av en elektromagnetisk rører under kanalen. ;Aluminium-kornforfinerlegeringen erholdt i henhold til foreliggende fremgangsmåte er i seg selv også ny. Det er en Al-Ti-B komforfiner omfattende en forbedret struktur og typisk bestående av 0,05-2 vekt% bor, 2-12 vekt% titan og resten aluminium pluss vanlige urenheter. Bor og titan er tilstede primært som TiAl3- og TiB2-krystaller, og i kornforfineren i henhold til oppfinnelsen er krystallene generelt mindre og jevnere i størrelse sammenlignet med eksisterende kommersielle kornforfinere. TiAl3-partiklene har et midlere partikkelareal på mindre enn 13 >im<2> og nesten alle TiAl3 partiklene har et areal på mindre enn 5000 pm<2>. I hovedsak alle TiB2 partiklene har størrelser i området 0-1 nm<2>. ;Enkelte foretrukne utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse er illustrert i de medfølgende figurene. Figur 1 er en skjematisk illustrasjon av en reaksjonskanal anvendt i henhold til oppfinnelsen. Figur 2 viser et plant snitt av utformingen i fig. 1» Figur 3 er en skisse som viser en alternativ form av et reaksj onssystem. Figur 4 viser et snitt av en hellende reaksjonskanal. ;Figur 5 viser en kanal med plater. ;Figur 6 viser et snitt langs linjen A-A i fig. 5. ;Figur 7 viser et snitt langs linjen B-B i fig. 5. ;Figur 8 er et mikrofotografi av en komforfiner fremstilt i henhold til oppfinnelsen. Figur 9 er et mikrofotografi av en kommersielt tilgjengelig kornforfinende legering. ;Systemet i fig. 1 og 2 er meget enkelt og består hovedsakelig av en kanal med en bunnvegg 10, endevegger 11 og 12 og sidevegger 13. Et par plater 14 og 15 strekker seg på tvers av kanalen mellom sideveggene 13 relativt nær ende-veggene, respektive 11 og 12. Det er en åpning mellom bunnen av hver plate 14, 15 og bunnveggen 10 i kanalen for å tillate en strøm av flytende metall under platene. ;I kanalens sidevegg 13 er det plassert et utløp 16 for å fjerne brukt salt eller slaggprodukter. Smeltet aluminium innføres i kanalen ved endeveggen 11 via innløpet 21, mens titan- eller borsalter tilsettes gjennom innløpet 22 umiddelbart nedstrøms av platen 14. Smeltet aluminium-legeringsprodukt fjernes ved utløpet for metalloverstrøm 23 i endeveggen 12. En lineær induksjonsmotor 18 strekker seg i kanalens lengde under bunnveggen 10. ;Under drift strømmer smeltet aluminium gjennom innløpet 21 og passerer under platen 14, hvor det kommer i kontakt med titan- og/eller borsaltet 22. Aluminiumet og saltene forblir som to separate sjikt, nemlig aluminiumssjiktet 19 og saltsjiktet 20. Strømmene justeres slik at aluminiums-sj iktet på den ene siden og titan- og/eller borsalt-sjiktet på den andre siden beveger seg med samme hastighet, eller om ønskelig med forskjellig relative hastigheter langs kanalens lengde, hvorved det eventuelt kan være en relativ bevegelse mellom sjiktene langs grenseflaten. På denne måten vil reaksjonen skje i kanalens lengde mellom platen 14 og slagg-utløpet 16. Den dannede aluminiumlegeringen passerer under platen 15 og blir fjernet ved overstrømsutløpet 23. ;Den lineære induksjonsmotoren 18 frembringer en forsiktig røring eller blanding av aluminiumssjiktet 19, hvorved grenseflate-reaksjonen påskyndes og boridene hindres fra å ;settle seg i bunnen av kanalen. ;Figur 3 viser en alternativ utførelsesform som generelt er lik den i fig. 1. Aluminiumlegerings-produktet fjernes via overstrømsutløpet 23, helles i en separat reaksjonsbeholder 26 hvor den utsettes for blanding i minst 5 minutter ved en temperatur i området 70-850 °C. Blandingen gjøres ved hjelp av en elektromagnetisk rører 27, og det endelige produkt fjernes gjennom utløpet 28 for støping. Figur 4 viser et arrangement tilsvarende det i fig. 1, men med en hellende kanaldel 30 med en vinkel på 3-4° fra horisontalplanet. Innløpet for smeltet aluminium 21 er plassert i den nedre enden av kanalen og bringes til å strømme oppover den svake helningen ved hjelp av induksjonsmotoren 18. Innløpet 22 for titan- og/eller borsalter er plassert i den øverste enden av den hellende kanalen, slik at saltene kan strømme nedover som et sjikt på toppen av det oppoverstrømmende sjiktet av aluminium. På denne måten erholdes en motstrøm mellom de to sjiktene. ;For å kunne forlenge kanalen uten å måtte bruke stor gulv-plass, kan det settes opp en sinus-kanal som vist i figurene 5-7. Denne strømningsveien er dannet ved å plassere en rekke plater 32 inne i en firkantet beholder 31. Det smeltede metallet strømmer inn gjennom innløpet 21 inn i en ende av strømningsveien og legeringsproduktet strømmer ut gjennom overstrømutløpet 23. Titan- og/eller borsaltene tilsettes gjennom innløpet 22 nedstrøms nær metallutløpet og tvinges til å strømme i motstrøms retning gjennom sinus-kanalen og tømmes ut ved utløpet 16 ved siden av innløpet for smeltet metall. ;Utstyret over kan fremstilles av ethvert vanlig ildfast materiale som brukes ved prosessering av smeltet aluminium i nærvær av smeltede salter, f.eks. grafitt eller silisium-karbid. ;En foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen vil nå bli illustrert ved det følgende ikke-begrensende eksempel. ;EKSEMPEL ;En aluminium-kornforfinende for-legering inneholdende titan og bor ble fremstilt ved å bruke apparatet i fig. 1. Smeltet aluminium ble ført gjennom kanalen i en mengde på 189 kg/t, og et blandet dobbeltsalt bestående av en blanding av kaliumtitanfluorid og kaliumborfluorid ble tilsatt på overflaten av aluminiumssjiktet i andeler og mengder for å erholde en aluminium kornforfinende legering inneholdende 5 vekt% titan og 1 vekt% bor. ;Overflatearealet for interaksjon mellom saltene og smeltet ;aluminium var 0,2 m<2>, og masseoverføringen på overflaten var 16,0 kg Al/m<2>/min. Aluminiumet i bunnsjiktet hadde en temperatur på 735<*>C. Etter fjerning av smeltede reaksjonsprodukt-salter ble aluminium legert med titan og bor blandet i en

separat beholder ved en temperatur på 770-775"C i 16 minutter.

Den erholdte kornforfineren ble underkastet for bildeanalyse ved å bruke et optisk mikroskop med en forstørrelse på 50 ganger, og resultatene ble sammenlignet med dem fra billed-analyse av en kommersielt tilgjengelig aluminium kornforfiner-legering inneholdende 5 vekt% titan og 1 vekt% bor.

Figur 8 viser et typisk mikrofotografi av en kornforfinende legering fremstilt i henhold til oppfinnelsen, og figur 9 viser et typisk mikrofotografi av en kommersielt tilgjengelig kornforfinende legering. I disse mikrofotografiene er de grove partiklene TiAl3 og de fine partiklene er TiB2«

For billedanalysen ble det studert tredve rammer og disse omfattet ca. 2000 partikler. Det ble funnet at i den kommersielt tilgjengelige kornforfineren hadde TiAl3-partiklene en midlere partikkelstørrelse på 24,0 pm<2>, mens de største TiAl3 hadde et areal på 36000 um<2> og TiB2 partiklene hadde en størrelser i området 0 til 2 pm<2>. I kornforfineren i henhold til oppfinnelsen hadde TiAl3 en midlere partikkel-størrelse på 11,9 pm<2>, mens de største TiAl3-partiklene hadde et areal på 3600 um<2> og TiE-2-partiklene var av en størrelser i området 0 til 1 pm<2>.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av en aluminium-kornforfiner inneholdende titan og/eller bor, ved å omsette smeltet aluminium med en titan- eller borforbindelse som lar seg redusere av aluminium, eller en blanding av slike forbindelser, fjerne et overflatelag av forbrukt reaksjonsprodukt og oppsamle aluminiumet som er legert med titan eller bor, karakterisert veda) å føre en strøm av smeltet aluminium som et bunnsjikt langs en i hovedsak horisontal kanal (19), (b) kontinuerlig tilføre til overflaten av alu-miniumssj iktet titan- og/eller borforbindelsen, hvor titan-og/eller borforbindelsene danner et separat sjikt på toppen av aluminiumsjiktet, og hvor kontakt mellom smeltet aluminium og titan- og/eller borforbindelsene kun finner sted langs grenseflaten, (c) omsette aluminiumet med titan og/eller bor langs grenseflaten mellom sjiktene med under-overflateomrøring av det smeltede aluminium, eksempelvis ved hjelp av en elektromagnetisk omrører, (d) kontinuerlig fjerne (16) et overflatesjikt av forbrukt reaksjonsprodukt, og (e) oppsamle (23) en strøm av aluminium legert med titan og/eller bor.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at sjiktene strømmer motstrøms til hverandre.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at sjiktene strømmer i samme retning.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at titan- og borforbindelsene er i form av salter av disse metallene, f.eks. blandede dobbelt-fluoridsalter med alkalimetaller, f.eks. kalium-titanfluorid og kalium-borfluorid.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 4, karakterisert ved at saltene tilsettes i partikulær eller smeltet form.

6. Fremgangsmåte i henhold til krav 4, karakterisert ved at brukt reaksjonsprodukt fjernes (16) nedstrøms fra tilsetningspunktet (21) for titan- og/eller borsaltene i strømningsretningen for sjiktet av titan- og/eller borsaltene.

7. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at titan- og borforbindelsene tilsettes i et titan:bor forhold på 2:1 til 20:1.

8. Fremgangsmåte i henhold til krav 4, karakterisert ved at aluminiumssjiktet har en temperatur på 680-850 °C og kontakttiden mellom sjiktene er 20-600 sekunder.

9. Fremgangsmåte i henhold til krav 8, karakterisert ved at strømmen av aluminium legert med titan og bor utsettes for blanding i en separat beholder ved en temperatur på 750-850 'C.