RU2847067C1

RU2847067C1 - Method of producing zinc-aluminium alloy containing silicon

Info

Publication number: RU2847067C1
Application number: RU2024118352A
Authority: RU
Inventors: Максим Сергеевич Варганов; Сергей Анатольевич Загребин; Дмитрий Анатольевич Ивакин; Владимир Михайлович Терентьев
Original assignee: Акционерное общество "Челябинский цинковый завод"
Filing date: 2024-06-28
Publication date: 2025-09-24

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, in particular to the technology of producing zinc and aluminium alloys, mainly to a zinc-aluminium-silicon system, for example alloys containing 42-91 % zinc, 8-55 % aluminium and 1.0-3.0 % silicon. Method of obtaining alloy containing zinc 42-50 %, aluminium 47-55 % and silicon 1.0-3.0 %, includes provision of molten electrolytic zinc, introduction of Al-Si alloy combination into molten electrolytic zinc. Into electrolytic zinc melt with temperature of 550 °C Al-Si alloy of eutectic composition is introduced, then to obtained melt to required concentration is added aluminium in form of ingots preheated to temperature of 550 °C, obtained melt is mixed and finished alloy is poured. Enabling higher efficiency of production of zinc-aluminium-silicon-containing alloys due to reduction of temperature and time of alloy production.

EFFECT: reduction of waste and losses of basic metals, especially zinc in conditions of industrial production.

1 cl, 1 ex

Description

Изобретение относится к металлургии цветных металлов и сплавов на их основе, в частности к технологии получения сплавов цинка и алюминия, преимущественно к системе цинк-алюминий-кремний, например, сплавов, содержащих 42-91% цинка, 8-55% алюминия и 1,0-3,0% кремния.The invention relates to the metallurgy of non-ferrous metals and alloys based on them, in particular to the technology of producing zinc and aluminum alloys, primarily to the zinc-aluminum-silicon system, for example, alloys containing 42-91% zinc, 8-55% aluminum and 1.0-3.0% silicon.

Известен способ приготовления сплава, содержащего 5-7% Zn и 3,5-5,5% Si, 0,4-0,7% Mn, 1,5-3,0% Cu и 0,1-0,3% Mg, заключающийся в том, что вначале на подину плавильной печи загружают чушки первичного алюминия, затем последовательно крупногабаритные отходы, вторичный алюминий и мелкогабаритные отходы лигатуры Al-Mn и Al-Cu, после их расплавления вводят лигатуру Al-Si, а после расплавления последней при температуре 680-720°С в расплав вводят цинк и магний.A method is known for preparing an alloy containing 5-7% Zn and 3.5-5.5% Si, 0.4-0.7% Mn, 1.5-3.0% Cu and 0.1-0.3% Mg, which consists of first loading primary aluminum ingots onto the bottom of a smelting furnace, then successively large-sized waste, secondary aluminum and small-sized waste of the Al-Mn and Al-Cu ligature, after their melting, the Al-Si ligature is introduced, and after the melting of the latter at a temperature of 680-720°C, zinc and magnesium are introduced into the melt.

Недостаток этого способа заключаются в том, что он связан со значительными потерями алюминия и особенно цинка на окисление, увеличением время растворения легирующих металлов, что сопровождается увеличением времени приготовления заданного состава сплава.The disadvantage of this method is that it is associated with significant losses of aluminum and especially zinc due to oxidation, an increase in the dissolution time of alloying metals, which is accompanied by an increase in the time for preparing a given alloy composition.

Известен также способ получения сплава, содержащего 10% Zn, 7% Si и 25% Mg, заключающийся в том, что на подину печи вначале загружаются чушки алюминия и отходы сплава, после их расплавления - силумин или лигатуру Al-Si, после расплавления которого при температуре 680-720°С в сплав вводят цинк и магний, а по достижении температуры 720-730°С сплав рафинируют универсальным флюсом, перемешивают и разливают в формы в течение 30 мин.A method for producing an alloy containing 10% Zn, 7% Si and 25% Mg is also known. It consists of first loading aluminum ingots and alloy waste onto the furnace bottom, and after melting them, silumin or Al-Si ligature is added, after melting which, at a temperature of 680-720°C, zinc and magnesium are introduced into the alloy, and upon reaching a temperature of 720-730°C, the alloy is refined with a universal flux, mixed and poured into molds for 30 minutes.

Основные недостатки этого способа, как и описанного выше, состоят в значительных потерях металлов на угар, а в случае приготовления сплавов с содержанием цинка выше 10% (тем более для сплавов, содержащих 40-45% Zn) эти затраты и особенно потери цинка заметно возрастают.The main disadvantages of this method, as well as the one described above, are the significant loss of metals due to waste, and in the case of preparing alloys with a zinc content above 10% (especially for alloys containing 40-45% Zn), these costs and especially the loss of zinc increase significantly.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ приготовления сплавов на основе алюминия системы алюминий - цинк - кремний, в печи, включающий растворение кремния и цинка в расплаве электролитического алюминия, перемешивание и разливку сплава, отличающийся тем, что, с целью снижения потерь легирующих металлов на окисление за счет сокращения времени растворения добавок, на подину печи вначале загружают кремний, нагревают его до 350 - 400°С, после чего на его поверхность загружают цинк, нагревают до той же температуры и заливают расплав алюминия [1].The closest in technical essence to the proposed method is the method of preparing aluminum-based alloys of the aluminum-zinc-silicon system in a furnace, which includes dissolving silicon and zinc in a melt of electrolytic aluminum, mixing and pouring the alloy, characterized in that, in order to reduce the loss of alloying metals due to oxidation by reducing the time of dissolution of additives, silicon is first loaded onto the furnace bottom, heated to 350 - 400 °C, after which zinc is loaded onto its surface, heated to the same temperature and molten aluminum is poured in [1].

Недостатками способа следует считать потери цинка от 6,3 до 13,0 кг/т на угар при загрузке печи и приготовлении сплава в следующей последовательности: загрузка на подину печи кремния, нагрев его до температуры 350-400°С; загрузка чушкового цинка на поверхность кремния и нагрев его до той же температуры; и заливка расплава электролитического алюминия. Угар и соответственно потери цинка в расплаве происходят по причине повышения газопроницаемости поверхностной оксидной плены цинка, поскольку прочность ее снижается, так как в ее составе появляются шпинели типа Al₂O₃* nZnO.The disadvantages of this method include zinc losses of 6.3 to 13.0 kg/t due to waste during furnace loading and alloy preparation in the following sequence: loading silicon onto the furnace bottom and heating it to 350-400°C; loading zinc pigs onto the silicon surface and heating it to the same temperature; and pouring molten electrolytic aluminum. Waste and, consequently, zinc losses in the melt occur due to increased gas permeability of the zinc surface oxide film, as its strength decreases due to the presence of spinels such as Al ₂ O ₃ * nZnO.

Снижение потерь цинка за счет угара при многотонажном производстве, сокращение время изготовления сплава заданного состава, в отличие от прототипа достигается тем, что в предлагаемом способе получение сплавов, преимущественно системы цинк-алюминий-кремний, в расплавленный электролитический цинк при температуре 550°С (максимальная температура расплава электролитического цинка в индукционных печах) вводят лигатуру Al-Si эвтектического состава с температурой плавления в эвтектической точке 577°С [2] с получением расплава [3,4]. Вслед за тем в полученный расплав до необходимой концентрации вводят алюминий в виде слитков, предварительно разогретых до температуры 550°С. Приготовление сплава с минимальными потерями металлов на окисление, осуществляется за счет сокращения времени растворения и получения заданных составов сплавов при следующем порядке действий:A reduction in zinc losses due to waste during large-tonnage production and a reduction in the time required to produce an alloy of a given composition, in contrast to the prototype, is achieved by the fact that in the proposed method for producing alloys, primarily of the zinc-aluminum-silicon system, an Al-Si ligature of eutectic composition with a melting point at the eutectic point of 577°C [2] is introduced into molten electrolytic zinc at a temperature of 550°C (the maximum temperature of the electrolytic zinc melt in induction furnaces) to obtain a melt [3, 4]. Subsequently, aluminum in the form of ingots, preheated to a temperature of 550°C, is introduced into the resulting melt to the required concentration. The preparation of an alloy with minimal metal losses due to oxidation is achieved by reducing the dissolution time and obtaining the specified alloy compositions using the following sequence of actions:

1. в печь-миксер заливается жидкий электролитический цинк, полученный в ходе первичной переплавки цинковых катодов с электролиза цинка, при температуре 550°С;1. Liquid electrolytic zinc, obtained during the primary remelting of zinc cathodes from zinc electrolysis, is poured into the mixing furnace at a temperature of 550°C;

2. кремний вводится в виде твердого Al-Si сплава эвтектического состава (11,7 мас. % Si) с температурой плавления 577°С.2. Silicon is introduced in the form of a solid Al-Si alloy of eutectic composition (11.7 wt.% Si) with a melting point of 577°C.

3. алюминий до необходимой концентрации вводится в жидкий цинк в виде слитков, предварительно разогретых до температуры 550°С, производится его растворение, перемешивание и разливка готового сплава.3. Aluminum is introduced into liquid zinc to the required concentration in the form of ingots, preheated to a temperature of 550°C, it is dissolved, mixed, and the finished alloy is poured.

Пример, подтверждающий эффективность предлагаемого способа.An example confirming the effectiveness of the proposed method.

Плавку цинк-алюминий-кремниевого сплава, содержащего 55 % алюминия, 43,5 % цинка и 1,5 % кремния осуществляли в печи с внешним обогревом тигля способами по прототипу и предложенным с разными условиями. Вместимость тигля (по алюминию) - 6 кг. Целевая масса сплава - 5,0 кг.A zinc-aluminum-silicon alloy containing 55% aluminum, 43.5% zinc, and 1.5% silicon was melted in a furnace with external crucible heating using the prototype and proposed methods under different conditions. The crucible capacity (for aluminum) was 6 kg. The target alloy mass was 5.0 kg.

При плавке по прототипу в тигель загружен кремний в количестве 75 г (на 5 кг сплава), нагрет до 400°С, затем загружен цинк (2,175 кг) в виде слитков по 0,175 и 0,5 кг, прогрет до 400°С. Затем в тигель залили расплавленный алюминий (2,75 кг) с температурой 700°С. В процессе приготовления сплава произошло расплавление цинка, но для растворения кремния температура в печи была повышена до 600°С. Время приготовления сплава составило ~1,0 ч, при этом угар цинка составил 1,51% (33 г), алюминия - 1,0% (27,5 г), не растворилось кремния 15% (11,3 г). Соответственно был получен сплав, не соответствующий заданному составу (фактически содержание цинка 43,46%, кремния - 1,29%), для его «доводки» использовали дополнительно 13,3 г кремния, 33,5 г цинка и 27,8 г алюминия, проведя плавку в течение 0,5 ч при 600°С.During the melting according to the prototype, 75 g of silicon (per 5 kg of alloy) was loaded into the crucible and heated to 400°C, then zinc (2.175 kg) was loaded in the form of 0.175 and 0.5 kg ingots and heated to 400°C. Then molten aluminum (2.75 kg) at a temperature of 700°C was poured into the crucible. During the alloy preparation, zinc melted, but to dissolve silicon, the furnace temperature was increased to 600°C. The alloy preparation time was ~1.0 h, while zinc loss was 1.51% (33 g), aluminum - 1.0% (27.5 g), 15% of silicon (11.3 g) did not dissolve. Accordingly, an alloy was obtained that did not correspond to the specified composition (the actual zinc content was 43.46%, silicon - 1.29%); to “refine” it, an additional 13.3 g of silicon, 33.5 g of zinc and 27.8 g of aluminum were used, melting it for 0.5 hours at 600°C.

В результате потери цинка на окисление составили 1,54% (6,7 кг/т сплава), алюминия 1,01% (5,6 кг/т), кремния 17,7% (2,7 кг/т). Время приготовления сплава - около 2 ч.As a result, zinc losses due to oxidation amounted to 1.54% (6.7 kg/t of alloy), aluminum 1.01% (5.6 kg/t), and silicon 17.7% (2.7 kg/t). Alloy preparation time was approximately 2 hours.

Для плавки по предложенному способу в тигель загрузили 2,19 кг расплавленного цинка с температурой 550°С, полученного от переплавки катодного металла. В расплав загрузили 0,647 кг алюминий-кремниевого сплава эвтектического состава в виде слитков по 0,3, 0,2 кг и их стружки (для получения необходимого веса). После растворения эвтектического Al-Si сплава (0,3 ч при 550°С), в расплав был загружен алюминий (2,20 кг в виде слитков по 0,1-0,3 кг), предварительно разогретый до 550°С. Растворение алюминия проведено в течение 0,5 ч.For melting using the proposed method, 2.19 kg of molten zinc obtained from remelting the cathode metal at a temperature of 550°C was loaded into the crucible. 0.647 kg of eutectic aluminum-silicon alloy was added to the melt in the form of 0.3 and 0.2 kg ingots and their turnings (to obtain the required weight). After dissolution of the eutectic Al-Si alloy (0.3 h at 550°C), aluminum (2.20 kg in the form of 0.1-0.3 kg ingots), preheated to 550°C, was added to the melt. The aluminum dissolution was carried out for 0.5 h.

Получен сплав, соответствующий заданному составу, при этом потери на окисление цинка составили 0,69% (3,0 кг/т сплава), алюминия (включая алюминий в составе эвтектического сплава) - 0,77% (4,26 кг/т), кремния - 0,9% (0,14 кг/т). Время приготовления сплава - 1,2 часа, включая плавку цинка.An alloy corresponding to the specified composition was obtained, with oxidation losses of 0.69% (3.0 kg/t of alloy) for zinc, 0.77% (4.26 kg/t) for aluminum (including aluminum in the eutectic alloy), and 0.9% (0.14 kg/t) for silicon. Alloy preparation time was 1.2 hours, including zinc smelting.

Снижение температуры плавки до 520°С увеличило время приготовления до 2,1 часа, при незначительном снижении угара (для цинка 0,58%, алюминия 0,65%, кремния - 0,75%).Reducing the melting temperature to 520°C increased the preparation time to 2.1 hours, with a slight decrease in burn-off (for zinc 0.58%, aluminum 0.65%, silicon - 0.75%).

При плавке в режиме повышенной температуры (580°С) время приготовления сократилось до 1,0 ч, угар металлов увеличился (цинк - 0,8%, алюминий - 0,85%, кремний - 1,0%).When melting at elevated temperatures (580°C), the preparation time was reduced to 1.0 h, and the metal loss increased (zinc - 0.8%, aluminum - 0.85%, silicon - 1.0%).

Источники информацииSources of information

1. Волков В.В., Шустеров B.C., Марков В.К., Кадричев В.П., Жернаков В.С, Волков С.В., Пинаев А.Ф., Минцис М.Я., Остапец В.П., Фролов А.Д. Способ приготовления сплавов на основе алюминия. Патент SU 1741448 С22С 1/02.1. Volkov V.V., Shusterov V.S., Markov V.K., Kadrichev V.P., Zhernakov V.S., Volkov S.V., Pinaev A.F., Mintsis M.Ya., Ostapets V.P., Frolov A.D. Method for preparing aluminum-based alloys. Patent SU 1741448 C22C 1/02.

2. Raghavan, V. Al-Si-Zn (Aluminum-Silicon-Zinc). J Phs Eqil and Diff28, 197 (2007). https://doi.org/l0.1007/s11669-007-9030-02. Raghavan, V. Al-Si-Zn (Aluminum-Silicon-Zinc). J Phs Eqil and Diff28, 197 (2007). https://doi.org/l0.1007/s11669-007-9030-0

3. Залкин B.M. Природа эвтектических сплавов и эффект контактного плавления. М.: Металлургия, 1987.-с. 101-103.3. Zalkin V.M. The nature of eutectic alloys and the effect of contact melting. Moscow: Metallurgy, 1987.-pp. 101-103.

4. Гаврилин И.В. Плавление и кристаллизация металлов и сплавов. - г. Владимир: Владимирский государственный университет, 2000. - с. 154.4. Gavrilin I.V. Melting and crystallization of metals and alloys. - Vladimir: Vladimir State University, 2000. - p. 154.

Claims

A method for producing an alloy containing 42-50% zinc, 47-55% aluminum, and 1.0-3.0% silicon, including providing a melt of electrolytic zinc, introducing an Al-Si ligature into the melt of electrolytic zinc, characterized in that an Al-Si ligature of eutectic composition is introduced into the melt of electrolytic zinc at a temperature of 550°C, then aluminum is introduced into the resulting melt to the required concentration in the form of ingots preheated to a temperature of 550°C, the resulting melt is stirred, and the finished alloy is poured.