Сегодня использование флюсов и таблетированных лигатур на алюминиевых, металлургических и литейных заводах является необходимой и общепризнанной частью технологического процесса плавки и литья, без которой уже трудно представить производство алюминиевых деформируемых и литейных сплавов. От качества шихтовых материалов и флюсовой обработки расплава зависят не только технологические параметры производства, такие как, например, продолжительность плавки, выход годного и содержание алюминия в шлаке, но и качество готовой продукции по микроструктуре и химическому составу.

Рассмотрим наиболее распространенные виды дефектов и брака, которые выявляются при производстве флюсов и таблетированных лигатур, а так же особенности контроля качества готовой продукции в производственном процессе ООО «ОК СТРОЙБИС».

Основные виды дефектов таблетированной лигатуры

Дефекты таблетированной лигатуры могут возникать на этапе производства, при транспортировке и складировании. К производственным дефектам относят: нарушение плотности таблетки, разрушение таблетки, сегрегация, задиры, нарушение геометрии. К дефектам, получаемым при транспортировке и хранении, относят окисление и разрушение таблетки, разрушение упаковки.

Производственные дефекты

Для получения легирующих таблеток стабильного качества, которые будут удовлетворять заданным требованиям, необходимо одновременное выполнение нескольких условий:

• правильный выбор режимов прессования: усилие и скорость прессования, продолжительность выдержки под давлением;
• качественный пресс-инструмент и своевременная замена изношенного инструмента;
• правильный выбор смазочных материалов;
• правильно разработанная и подготовленная шихта (рецептура, фракционный состав, влажность, гомогенность);
• конструктивная и технологическая минимизация нежелательных эффектов процесса прессования (природа прессования), связанных с возможностью захвата избыточного воздуха в камеру прессования и наличие упругих деформации готовой таблетки.

Невыполнение хотя бы одного из указанных условий, может привести к браку продукции (рис. 1).

1. Разрушение таблетки

Брак продукции из-за разрушения таблетки происходит как при недостаточном, так и при избыточном давлении (фото. 1). При недостаточном давлении связи между частицами компонентов в таблетке являются не прочными, а при избыточном давлении образуются упругие деформаций в поперечном и продольном направлении брикета после его извлечения из пресс-формы. Причем этот эффект упругого последействия, который может приводить к разрушению таблетки, зависит не только от избыточного усилия прессования, но и от типа прессуемого материала и в производстве разных лигатур проявляется по-разному.

Порошки с гладкой поверхностью, например железа, дают малопрочные брикеты и соответственно значительные упругие расширения, достигающие 1 % в поперечном и 3 % в продольном направлении. Для титановых таблеток эти величины составляют 0,15 – 0,3 % и 0,5 % соответственно. Имеются случаи разрушения таблетки и образования трещин в связи с захватом воздуха прессуемым порошком. Особенно следует обратить внимание, что данный вид дефекта может вызывать излишнее газонасыщение расплава в процессе легирования и приготовления сплава.

2. Сегрегация компонентов

Сегрегация или нарушение гомогенности компонентов в таблетке происходит по следующим причинам:

• ошибка в выборе типа смесителя,
• нарушение последовательности загрузки компонентов,
• отклонение от необходимых значений скорости перемешивания в смесителе;
• отклонение от необходимого времени перемешивания в смесителе;
• не верный подбор рецептуры.

Нарушение гомогенности шихты бывает явное и скрытое. Явное нарушение гомогенности может происходить вследствие разной плотности и фракционного состава флюсов и металлических порошков (фото 2). Скрытое нарушение гомогенности шихты происходит по причине изменения фракционного состава флюса, так как он измельчается во время перемешивания внутри смесителя. В качестве абразива выступает металлический порошок, особенно сильными абразивными свойствами отличается титан. Как следствие на выходе из смесителя получаются материалы с разным фракционным составом - флюс в виде пудры крупностью до 0,2 мм и металлический порошок титана от 0 до 3,2 мм (фото 3).

Обеспечение гарантированной гомогенности на этапе смешивание флюса и металлического порошка представляет собой не простую задачу, имеющую свои отличительные особенности для разных лигатур. Соблюдение технологии смешивания должно особенно тщательно контролироваться, так как на этом этапе производства закладываются основы качественного изготовления таблетированных лигатур.

Контроль гомогенности шихты в производстве ООО «ОК СТРОЙБИС» проводится в аналитической лаборатории рентгенофлуоресцентным методом анализа на рентгеновском энергодисперсионном спектрометре ARL QUANT'X (фото 4). Преимущество рентгенофлуоресцентного метода анализа заключается в скорости выполнения анализа относительно большой сухой пробы массой 15 – 20 г, что особенно важно для смешанных продуктов, так как здесь чем больше проба, тем меньше погрешность пробоотбора. Например, анализ выполненный в Томском политехническом университете на эмиссионном спектрометре с индуктивно-связанной плазмой iCAP 6300 Duo показал относительную погрешность анализа от 19,53 до 42,60 %, тогда как рентгенофлуоресцентным анализом достигается погрешность в 1,98 % (отн). Причиной такой колоссальной погрешности являются особенности приготовления аналитической пробы для ИСП, а именно растворение в системе разложения проб HotBlock всего 2 г образца.

Необходимо отметить, что сегрегация составляющих особенно сильно влияет на степень усвоения легирующих компонентов из-за нарушения механизма распада таблетки при её попадании в расплав. После того, как таблетка погрузилась в ванну и начала прогреваться – легкоплавкий флюс должен перейти из твердого состояния в жидкое и таким образом разрушить связи для освобождения порошка. Но, если флюс будет сконцентрирован в одном месте, то таблетка не распадется и будет представлять собой прессованный монолит, что исходя из производственного опыта для таких элементов, как титан, означает усвоение легирующего компонента на уровне 40 - 50 % от заданных значений, а при неблагоприятных условиях и 30 и даже 20 %.

3. Нарушение плотности таблетки

Причинами возникновения брака по плотности могут быть следующие факторы (рис. 2):

• отклонение от заданной скорости прессования;
• несоблюдение заданной выдержки под давлением;
• нарушение фракционного состава шихты;
• неверно выбранный состав шихтовых материалов (рецептура);
• недостаточное или избыточное усилие прессования относительно заданного значения.

Для решения проблем по плотности таблетки необходим постоянный контроль указанных параметров.

4. Задиры, нарушение геометрии

Задиры (фото 5) возникают при дефекте пресс-формы, неправильном подборе смазки или недостаточном его количестве. Так же при износе пресс-формы (рис. 3) или её дефектах происходит нарушение геометрии таблеток.

Дефекты транспортировки и складирования

Дефекты, которые образуются при транспортировке и складировании таблетированных лигатур, как правило, являются следствием производственных дефектов.

1. Окисление и разрушение таблетки

Разрушение таблетки при транспортировке и складировании происходит из-за недостаточной плотности брикета, вследствие чего, флюс, который обладает высокой гигроскопичностью, и набирает в себя воду из атмосферного воздуха, в этом случае происходит ещё и окисление легирующих компонентов (фото 6).

2. Разрушение упаковки

Разрушение упаковки происходит по следующим причинам:

• некачественный картон и другие упаковочные материалы;
• некачественная упаковка (человеческий фактор);
• не соблюдение схемы погрузки;
• вибрации при транспортировке;
• нарушение геометрии таблеток.

Увеличение радиуса одной таблетки на 1 мм при укладке в коробку ряда из 5 шт дает увеличение габарита на 10 мм (рис. 3), что при транспортировке обязательно приведет к разрыву картона.

Для устранения дефектов таблетированной лигатуры специалистами ООО «ОК СТРОЙБИС» были проведены следующие мероприятия:

• оптимизирована и изменена конструкция загрузочного и прессового узла, что позволило уменьшить содержание воздуха в таблетке;
• разработана новая технологическая схема смешивания компонентов (порядок загрузки, образование «постели», время смешивания);
• конструктивно переработаны и усовершенствованы высокоскоростные смесители;
• подобран подходящий смазочный материал;
• подобран адсорбент для защиты готовых таблеток от влаги воздуха при хранении и транспортировке;
• разработана схема погрузки в железнодорожный и автомобильный транспорт;
• проводится постоянный мониторинг состояния пресс-формы и геометрии таблеток;
• проводится постоянный контроль плотности и других характеристик лигатуры;
• проводится постоянный химический контроль качества шихты и сырьевых материалов.

Так же в целях безопасности работы устранена возможность возгорания мелкодисперсной пыли за счёт внедрения системы локальных газоотводов, соединенных с центральной вытяжной вентиляцией, проведены работы по дополнительной защитной изоляции электродвигателей, пусковой и осветительной аппаратуры.

Виды дефектов флюсовых препаратов

1. Повышенное содержание воды

Борьба с избыточной влажностью является одной из главных задач при производстве флюсовых препаратов, так как в отличие от фтористых солей, практически все хлористые соли, карбонаты и нитраты, которые используются в рецептурах флюсов, за исключением гексахлорэтана, являются гигроскопичными и хорошо растворяются в воде (рис. 4). При этом надо понимать, что обезвоженные соли, которые ранее содержали кристаллизационную воду (рис. 5) пытаются войти в своё равновесное состояние, забирают воду из воздуха и сами же в этой воде растворяются (фото 7).

Для контроля влажности шихты в физической лаборатории ООО «ОК СТРОЙБИС» используется автоматический влагомер ЭВЛАС-2М (фото 8), а в случае необходимости, например для определения наличия кристаллизационной воды во флюсе, применяется метод высушивания пробы в сушильном шкафу по ГОСТ 20851.4-75 «Удобрения минеральные. Методы определения воды».

2. Слеживаемость флюсов

Причиной слеживаемости флюсов (фото 9) является гигроскопичность солей, особенно часто эффект слеживаемости можно наблюдать у флюсовых препаратов, которые содержат обезвоженные кристаллогидраты, например карналлит. Смешивание и упаковка таких флюсов должны проходить как можно скорее, не более чем за 40 минут.

3. Сегрегация

Как и в лигатуре компоненты флюсов так же могу сегрегировать, особенно остро эта проблема стоит в части отделения фторидов от хлоридов, так как их плотности значительно отличаются (рис. 6). Так же расслоению флюсов способствует различный фракционный состав. Криолит, фтористый алюминий, плавиковый шпат и другие фтористые соли имеют основную долю фракций менее 500 мкм, а, анпример, калий хлористый по ГОСТ 4568-95 должен иметь фракцию от 1 до 4 мм в количестве не менее 95 % по массе.

Для контроля фракционного состав в лаборатории ООО «ОК СТРОЙБИС» используется лабораторное вибросито с набором сит от 0,045 до 10 мм (фото 10).

Следствием сегрегация компонентов флюса является изменение его рецептуры, а значит, изменяется температура плавления флюса и его технологические свойства (время расплавления, способность рафинировать, реагировать со шлаком и т.д.).

Для установления зависимости времени расплавления флюса от размеров кристаллов была исследована хорошо известная смесь хлоридов калия и натрия в соотношении 1:1, при этом размер их кристаллов изменялся от 0,5 до 10 мм. Кристаллы больше 4 мм получались искусственно в лабораторном прессе. Для определения температуры плавления флюсов был разработан стенд на основе принципов пирометра Курнакова (рис. 7).Сигнал от термопары с помощью термокомпенсационных проводов подавался на измерительный модуль ADAM-4018. Затем оцифрованный сигнал через модуль преобразователя интерфейса поступал в персональный компьютер, где с помощью специальной программы строилась зависимость температуры от времени.

Достоверность полученных результатов определялась по диаграмме состояния смеси хлоридов калия и натрия, как известно, температура плавления такой смеси равна 655°С [1]. Температура плавления флюса определялась по температуре «ступеньки» на кривой нагрева или охлаждения (рис. 8). Примененная методика позволяла проводить визуальный контроль процесса только при охлаждении. Визуальные наблюдения процесса охлаждения показал, что начало кристаллизации флюса соответствует началу излома кривой охлаждения – началу появления ступеньки. Поэтому в дальнейшем температура кристаллизации определялась по кривой охлаждения как температура начала ступеньки. Истинную температуру расплава термопара показывает в промежутке между началом ступеньки и ее окончанием. Наиболее однозначно обозначенной точкой на ступеньке является точка перегиба. Ее и следует рассматривать в качестве температуры плавления. Эта точка наиболее приближена к реальной температуре плавления. Результаты эксперимента представлены на рис. 9

Традиционный путь для решения проблем сегрегации составляющих флюсов – это получение гранулированных флюсовых препаратов, такие флюсы давно используются и не только в металлургии алюминия. Основным недостатком гранулированных флюсов является их высокая стоимость, так как грануляция является сложным многостадийным технологическим процессом с использованием дорогостоящих связующих и большого количества электроэнергии для сушки полуфабриката в печи, который имеет влажность на выходе из гранулятора от 12 до 14 %.

Специалистами ООО «ОК СТРОЙБИС» предложен менее затратный, но так же эффективный способ получения флюсов не подверженных сегрегации. Такой флюс (фото 11) получается методом прессования и имеет форму микро-таблетки диаметром 12 мм и высотой 8 мм, масса одной таблетки от 1,5 до 2,0 г в зависимости от рецептуры. Отличительной особенностью таблетированного флюса является его высокая объемная плотность, которая практически совпадает с истинной (рис. 10), таким образом, таблетированный флюс занимает меньше места и при подаче в печь лопатой легко долетает в дальние углы миксера без пылеуноса, что способствует снижению расхода и улучшению экологии. Впервые таблетированный флюс был представлен на международной выставке-конференции алюминиевой промышленности Дубай-2015 и в настоящее время проходит испытания на зарубежных заводах.