4.8.1.2. Оборудование для рафинирования магния

Извлеченный из ванн магний обычно содержит более 0,1 % примесей, отрицательно влияющих на его механические свойства и коррозионную стойкость.

В последние годы для рафинирования стали применять печи непрерывного действия: камерные (рис. 192, а) и колокольные (рис. 192, б). Принцип действия печей – отстаивание расплава при заданной температуре. Обогрев – электрический (печи сопротивления). Печи обоих типов имеют стальной кожух, футерованный шамотным кирпичом. Для прочности кожух печи заключен в каркас из швеллеров. С помощью перегородок или колокола объема печи разделен на три зоны - заливки, рафинирования и литейную, из которой рафинированный металл откачивается электромагнитным насосом и поступает на разливку.

Магний-сырец через загрузочную трубу заливают в зону заливки I камерной печи (рис. 192, а), в которой отстаивается основное количество электролита и шлама, вносимого с магнием. Отстоявшийся металл при этом вытесняется в зону рафинирования II, где окончательно отстаивается.

Рис. 192. Печи непрерывного действия для рафинирования магния: I – зона заливки; II – зона рафинирования; III – литейная зона; 1 – загрузочный патрубок; 2 – нагревательные элементы; 3 – разгрузочный патрубок; 4 – футеровка; 5 – колокол; 6 – кожух; 7 – разделительные перегородки

Осевший в камерах электролит и шлам периодически удаляют с помощью вакуум-ковшей через специальные трубы в своде печи. Для защиты металла от окисления применяют инертный газ (аргон) с избыточным давлением 30 – 50 Па.

Печь колокольного типа (рис. 192, б) заполнена электролитом с добавкой ВаСl₂ в качестве утяжелителя. В загрузочную зону колокола порциями по 900 – 1000 кг заливают магний-сырец. Здесь происходит его отстаивание (колокол снизу закрыт); отстоявшийся электролит и шлам периодически откачивают с помощью вакуум-ковша. Металл переливается через наклонную перегородку, попадает в другую часть колокола, не имеющую днища, и из литейной зоны электромагнитным насосом подается на разливку.

Уровень электролита в печи поддерживают примерно на 50 мм выше колокола. Температура процесса 700 – 720 ⁰С.

Электромагнитный насос работает по принципу использования бегущего магнитного поля, которое индуктирует в жидком металле электрический ток. В результате взаимодействия магнитного поля и индукционных токов создается усилие, заставляющее жидкий металл передвигаться вдоль оси канала насоса. Для заполнения металлом канала насоса используется вакуум. Перед началом работы весь тракт разогревают электронагревателями до 700 ⁰С, энергия к ним подводится от специального трансформатора.

Электромагнитный насос предназначен для транспортирования магния от рафинированных печей к литейному конвейеру, что обеспечивает изоляцию металла от окислительной среды.

Насос закрытого типа состоит из двух вставленных друг в друга трехфазных статоров, в зазор между которыми вставлен щелевидный канал для металла. Для защиты обмоток статора от нагрева между каналом и статором предусмотрена тепловая изоляция. Обмотки охлаждаются воздухом, подаваемым вентилятором. Вся конструкция закрыта кожухом.

Насос открытого типа состоит из канала активной зоны, к которой подводится электрический ток, и электромагнита. Взаимодействие тока, протекающего через активную зону, и электромагнитного поля создает движущую силу. Напор, создаваемый этим насосом, ниже, чем у насоса закрытого типа, поэтому сливную трубу в нем делают с наклоном в сторону транспортирования металла.

Охлаждение обмоток насосов закрытого и открытого типов соответственно принудительное и естественное.

Электролизер для электролитического рафинирования магния представлен на рис. 193. Прямоугольный стальной кожух электролизера футеровки внутри высокоглиноземистым огнеупорным кирпичом. Подина представляет собой графитированный блок, соединенный с положительным полюсом источника постоянного тока, а от катодного магния (сверху) ток отводится по стальному пластинчатому катоду, погруженному в жидкий металл.

Рис. 193. Электролизер для рафинирования магния: 1 – кожух; 2 – футеровка; 3 – загрузочный карман; 4 – катод; 5 – кронштейн; 6 – рафинированный металл; 7 – электролит; 8 – анодный сплав; 9 - анод

На подине находится анодный сплав, в который через карман по мере расходования (растворения) добавляют магний в твердом или жидком состоянии. Накаливающийся сверху чистый катодный магний время от времени отсасывают (но не полностью) вакуумным ковшом.

Без нарушения работы ванны и ухудшения качества катодного магния может быть допущено обогащение анодного сплава до 70 % Zn или до 5 % Си. Примеси, накапливающиеся в анодном сплаве, образуют с магнием интерметаллиды, которые в твердом виде выпадают на подину. Из электролизера их удаляют через карман.

Электролизер для электрического рафинирования магния работает при анодной плотности тока 0,6 – 0,8 А/см² и катодной 0,6 – 1,0 А/см². Междуполюсное расстояние составляет 7,5 – 12 см, напряжение 4 – 4,5 В. Выход по току катодного магния 90 – 95 %; удельный расход электроэнергии постоянного тока 9,5 – 10,0 кВтч/кг.

Электролитически рафинированный магний почти не уступает по своей чистоте магнию, рафинированному возгонкой, однако стоимость его в 1,6 ниже. Кроме того, электролитическое рафинирование магния – непрерывный процесс.

Рафинирование магния возгонкой осуществляют при 600 ⁰С. Для увеличения скорости испарения над сплавом создают разрежение около 0,1 МПа. Пары магния улавливают в конденсаторе при 500 ⁰С. В результате такого рафинирования содержание примесей железа, кремния, меди, марганца и алюминия в магнии уменьшается в десятки раз. Хуже удается очистка от калия, натрия и цинка. Вследствие их высокой летучести они испаряются вместе с магнием.

Для очистки магния от железа, кремния, марганца, алюминия, кислорода и азота широко применяют присадку титановой губки. Метод основан на способности твердого пористого титана поглощать газы (О₂, N₂), также взаимодействовать с металлами (исключая магний, медь и никель). С примесями металлов в расплавленном магнии при 700 – 720 ⁰С титан образует твердые растворы, или интерметаллические соединения. С магнием твердый титан в этих условиях не взаимодействует, а растворимость его в магнии составляет всего 0,02 %.

Рафинирование осуществляют в тигельной электропечи с мешалкой при 710 – 720 ⁰С. Сначала в тигле расплавляют калиевонатриевый флюс, постепенно добавляя к нему отсев губчатого титана. После того, как титановая губка хорошо пропитается флюсом (5 – 7 мин), заливают магний, перемешивают содержимое тигля в течение 15 мин, а затем отстаивают (15 – 30 мин).

После рафинирования магния титановой губкой в нем содержится (не более), %: 0,002 Fe и Si; 0,004 О, 0,002 N. Недостаток способа – в отсутствии очистки от меди и никеля.

Для получения магния особой чистоты применяют многократную возгонку в вакууме или зонную плавку.