Utilizzo del cloruro di manganese per raffinare i grani delle leghe di alluminio

La presenza di grani grossolani o irregolari è un problema comune nella produzione di billette e getti di alluminio. Può verificarsi quando la massa fusa presenta un numero insufficiente di siti di nucleazione efficaci, quando le condizioni di raffreddamento variano lungo il getto o quando l'affinatore di grano non funziona come previsto.

Cloruro di manganese (MnCl2) A volte viene utilizzato durante il trattamento della fusione di alluminio. Il suo valore principale risiede nella raffinazione della fusione e nell'aggiunta di manganese. Le variazioni nella purezza della fusione, nei gas disciolti, nelle inclusioni e nella composizione chimica della lega possono quindi influenzare la struttura finale di solidificazione.

Perché i grani delle leghe di alluminio diventano grossolani?

La dimensione dei grani viene controllata durante la solidificazione. La struttura finale dipende sia dalla formazione di nuovi grani sia dalla crescita di quelli preesistenti.

Nella produzione, la presenza di grani grossolani è quindi raramente causata da un solo fattore.

1. Nucleazione efficace insufficiente

Per ottenere grani equiassiali fini è necessaria una quantità sufficiente di nuclei efficaci che si formino in tutto il fuso.

Per questo motivo, i raffinatori di grano di alluminio commerciali contengono normalmente particelle progettate per promuovere la nucleazione eterogenea. Le leghe madri Al-Ti-B e Al-Ti-C ne sono esempi comuni.

Se la nucleazione è insufficiente, iniziano a crescere meno grani. Ogni grano può quindi occupare un volume maggiore prima di incontrare i grani vicini.

Il risultato è una struttura più grossolana.

Ciò può accadere quando:

• Viene aggiunto troppo poco raffinatore di grano;
• il raffinatore di grano è scarsamente disperso;
• Le particelle si depositano durante lunghi periodi di permanenza;
• la composizione chimica della lega riduce l'efficienza del raffinatore di grano selezionato;
• La temperatura di fusione e il tempo di mantenimento non sono ben controllati.

Una maggiore quantità di affinatore di grano non è sempre la soluzione. Le prestazioni dell'affinamento del grano dipendono dalla composizione della lega, dal tipo di affinatore, dal livello di aggiunta, dal tempo di mantenimento e dalle condizioni di raffreddamento.

2. Purezza della fusione, idrogeno e inclusioni

La qualità della fusione e l'affinamento del grano sono correlati, ma non costituiscono lo stesso processo.

Gli ossidi e altre inclusioni non metalliche possono rimanere intrappolati nella massa fusa durante le fasi di caricamento, trasferimento, agitazione e mantenimento. Anche l'idrogeno disciolto può causare porosità durante la solidificazione.

Questi difetti compromettono la qualità del lingotto anche quando la granulometria è accettabile.

Questa distinzione è importante nella valutazione del cloruro di manganese.

Un trattamento che riduce l'idrogeno o favorisce la separazione delle inclusioni può migliorare la qualità e la consistenza della fusione, ma ciò non significa automaticamente che il materiale agisca come un affinatore di grano convenzionale.

In pratica, la raffinazione del fuso e la raffinazione del grano dovrebbero essere trattate come due fasi di controllo connesse ma separate.

3. Condizioni di raffreddamento instabili

Anche una massa fusa trattata correttamente può sviluppare strutture granulari diverse se il raffreddamento non è uniforme.

La superficie di una billetta disperde calore più rapidamente rispetto al centro. Le billette di grandi dimensioni presentano quindi un rischio maggiore di differenze di temperatura tra il bordo e il nucleo.

La velocità di colata, la temperatura dello stampo, le condizioni dell'acqua di raffreddamento, la temperatura del fuso e il diametro del lingotto possono tutti influenzare le condizioni di solidificazione.

Un raffreddamento più rapido generalmente limita la crescita dei chicchi. Un raffreddamento più lento dà ai chicchi già presenti più tempo per crescere.

Questo è uno dei motivi per cui un problema di granulometria che si manifesta solo al centro di una billetta non dovrebbe essere immediatamente attribuito alla composizione chimica della lega fusa.

Anche l'impianto di raffreddamento dovrebbe essere controllato.

Quali sono le soluzioni tradizionali per ottenere una grana grossa nelle leghe di alluminio?

Non esiste un unico trattamento per ogni problema di grana grossa. La soluzione corretta dipende dal fatto che la causa principale sia la nucleazione, la qualità della fusione, la composizione della lega o il raffreddamento.

1. Aumentare o stabilizzare il raffreddamento

Quando la granulometria varia notevolmente tra la superficie e il centro di un lingotto, è necessario innanzitutto verificare le condizioni di raffreddamento.

Le possibili modifiche includono:

• flusso dell'acqua di raffreddamento;
• distribuzione dell'acqua;
• velocità di lancio;
• condizioni di muffa;
• surriscaldamento della fusione;
• temperatura di colata.

Lo scopo non è semplicemente quello di rendere il raffreddamento il più rapido possibile.

Gradienti di temperatura molto elevati possono introdurre altri problemi di fusione. L'obiettivo è una solidificazione stabile e controllata lungo tutta la sezione.

Per i lingotti di grandi dimensioni, la sola regolazione della temperatura potrebbe non essere sufficiente a produrre la struttura granulare desiderata. In genere, si utilizza un affinatore di grano adeguato insieme al controllo del processo.

2. Utilizzare affinatori di grano Al-Ti-B o Al-Ti-C

Per le leghe di alluminio come la 6063, Al-Ti-B e Al-Ti-C sono sistemi di affinazione del grano consolidati.

Le leghe madri Al-Ti-B contengono fasi come TiB₂ e Al₃Ti. Il loro effetto deriva dall'interazione tra le particelle nucleanti e gli elementi disciolti durante la solidificazione.

Lo scopo è aumentare il numero di grani che si formano e ridurre la crescita di strutture colonnari grossolane.

La lega Al-Ti-C è un'altra opzione utilizzata nella lavorazione dell'alluminio.

La scelta corretta dipende dalla lega.

Il silicio, lo zirconio e altri elementi possono modificare le prestazioni di alcuni sistemi di raffinazione del grano. Anche il livello di aggiunta e il tempo di mantenimento sono importanti, poiché le particelle possono agglomerarsi, depositarsi o perdere efficacia durante un mantenimento prolungato della massa fusa.

Per questo motivo, quando un produttore 6063 ha un vero problema di nucleazione dei grani, Normalmente, prima del cloruro di manganese, dovrebbero essere valutati i materiali Al-Ti-B o Al-Ti-C.

3. Migliorare la raffinazione del fuso e il processo di fusione

La granulometria non dovrebbe essere valutata separatamente dalla qualità della fusione.

L'idrogeno, le pellicole di ossido e le inclusioni in sospensione possono contribuire alla porosità e ad altri difetti di fusione. Flussi salini, trattamento con gas inerte, filtrazione e manipolazione controllata del fuso sono metodi comunemente utilizzati per migliorare la purezza del fuso.

È in questo ambito che il cloruro di manganese assume maggiore importanza.

Il MnCl2 è stato utilizzato come componente di agenti di raffinazione dell'alluminio e additivi di manganese. Nell'alluminio fuso, può partecipare a reazioni che generano composti volatili. cloruro di alluminio specie mentre il manganese entra nel metallo.

Lo sviluppo di gas che ne consegue può favorire il trattamento del fuso, mentre il manganese residuo modifica la composizione chimica della lega.

Questo è diverso dall'aggiungere particelle contenenti TiB₂ specificamente per fornire siti di nucleazione.

Perché si utilizza il cloruro di manganese nella fusione delle leghe di alluminio?

cloruro di manganese Ha diverse possibili funzioni nella lavorazione dell'alluminio, ma è necessario distinguerle chiaramente.

1. Il MnCl₂ può essere utilizzato come componente per la raffinazione della fusione.

I sali a base di cloruro vantano una lunga storia nel trattamento dell'alluminio fuso.

Vengono utilizzati nei sistemi di flusso per scopi quali la copertura del fuso, la separazione del metallo dalle scorie, la rimozione delle inclusioni e la raffinazione. I flussi industriali spesso combinano diversi cloruri e fluoruri anziché basarsi su un singolo sale.

Il cloruro di manganese è uno dei cloruri utilizzati nelle formulazioni per la raffinazione dell'alluminio.

Quando il MnCl₂ entra in contatto con l'alluminio fuso, l'alluminio può ridurre il composto di manganese. Il manganese entra nella massa fusa, mentre si possono formare specie volatili di cloruro di alluminio.

Il gas generato durante la fusione può contribuire a trasportare il gas disciolto e il materiale in sospensione verso la superficie.

Questo è il motivo principale per cui è più corretto descrivere il cloruro di manganese come un materiale per il trattamento della fusione e l'aggiunta di manganese, piuttosto che come un affinatore standard del grano di alluminio.

2. Il MnCl₂ può introdurre manganese nella fusione dell'alluminio

Un'altra importante differenza tra MnCl₂ e i comuni componenti del flusso a base di NaCl/KCl è che il manganese non è necessariamente presente solo nella scoria.

Una certa quantità di manganese può penetrare nella massa fusa di alluminio.

Questo può essere utile quando è necessaria l'aggiunta di manganese, ma significa anche che MnCl₂ non può essere trattato come un sale di raffinazione chimicamente neutro.

Il contenuto finale di Mn deve essere verificato rispetto alle specifiche della lega di destinazione.

Questo aspetto è particolarmente importante per leghe come la 6061 e la 6063, dove i limiti di composizione sono controllati.

L'aggiunta di una maggiore quantità di MnCl₂ nel tentativo di ottenere un'azione di affinamento più intensa potrebbe alterare la composizione della lega al di fuori dell'intervallo richiesto.

Per le prove di produzione, il recupero del manganese dovrebbe quindi essere misurato anziché ipotizzato.

3. Il manganese può modificare le fasi intermetalliche ricche di ferro

Il manganese svolge anche un ruolo metallurgico in molte leghe di alluminio.

Un effetto importante è la sua interazione con le fasi intermetalliche contenenti ferro. A seconda della composizione chimica della lega e delle condizioni di solidificazione, il manganese può modificare la composizione e la morfologia delle fasi ricche di ferro.

Ciò può migliorare la microstruttura nelle leghe in cui gli intermetallici ricchi di ferro rappresentano un problema.

Tuttavia, questo effetto non deve essere confuso con l'affinamento primario dei grani di α-Al.

Modificare una fase secondaria dannosa e creare più nuclei di grani di alluminio sono due meccanismi differenti.

4. Il MnCl₂ può supportare indirettamente i risultati del controllo del grano

Questo spiega perché alcune osservazioni sulla produzione possono sembrare indicare che il cloruro di manganese "affina i grani".“

Supponiamo che una pianta aggiunga MnCl₂ e poi osservi:

• fusione più pulita;
• porosità inferiore;
• meno inclusioni;
• fasi ricche di Fe modificate;
• struttura del billetta più stabile;
• migliore elaborazione a valle.

Il trattamento potrebbe certamente essere utile.

Ma il risultato non dimostra che MnCl₂ sia diventato un affinatore di grano nucleante attivo paragonabile ad Al-Ti-B.

Il miglioramento può derivare da diversi cambiamenti che si verificano contemporaneamente.

Per questo motivo, gli impianti che effettuano test sul cloruro di manganese dovrebbero misurare separatamente la granulometria, l'idrogeno, il livello di inclusione e il contenuto di Mn.

Ciò rende molto più facile determinare cosa stia effettivamente modificando il trattamento.

Cloruro di manganese contro Al-Ti-B: risolvono problemi diversi

Questa distinzione è utile nella risoluzione dei problemi di produzione.

Se il problema principale è rappresentato da grani di α-Al di grandi dimensioni, è necessario innanzitutto esaminare le prestazioni del raffinatore di grano e le condizioni di solidificazione.

Se il problema è dovuto a idrogeno, inclusioni, scorie o scarsa pulizia del fuso, è necessario esaminare il sistema di raffinazione.

Se entrambi i problemi si presentano contemporaneamente, potrebbe essere necessario ricorrere a entrambi i trattamenti.

Non ci si deve aspettare che il cloruro di manganese sostituisca tutti questi elementi.

Utilizzo del cloruro di manganese nel trattamento della fusione dell'alluminio

Il grado di MnCl₂ richiesto e il metodo di trattamento dipendono dalla lega e dallo scopo del processo.

Un fattore merita particolare attenzione: l'acqua.

I sali di cloruro possono contenere umidità e alcune tipologie sono igroscopiche. L'introduzione di umidità nell'alluminio fuso è indesiderabile perché può aumentare l'assorbimento di idrogeno anziché ridurlo.

Per questo motivo, la forma e il livello di umidità del cloruro di manganese sono importanti.

Il cloruro di manganese anidro è più adatto alle applicazioni metallurgiche ad alta temperatura rispetto al materiale idrato quando il processo richiede il contatto diretto con il metallo fuso.

Anche la conservazione è importante. Il prodotto deve rimanere sigillato e protetto dall'umidità prima dell'uso.

Altri parametri da tenere sotto controllo durante una prova in campo includono:

• Purezza del MnCl₂;
• contenuto di umidità;
• importo aggiuntivo;
• temperatura di fusione;
• tempo di contatto;
• metodo di agitazione;
• rimozione delle scorie;
• concentrazione finale di Mn;
• livello di idrogeno;
• Dimensione dei grani prima e dopo il trattamento.

La quantità ottimale da aggiungere non può essere definita solo in base alla concentrazione di MnCl₂.

Un dosaggio adatto a una determinata composizione del fuso potrebbe non esserlo per un'altra.

È consigliabile utilizzare il cloruro di manganese per risolvere un problema di grana grossa?

Non iniziare chiedendo:

“Quanto cloruro di manganese devo aggiungere?”

Iniziate identificando il difetto.

Se la granulometria è elevata ma i livelli di idrogeno e inclusioni sono normali, controllare innanzitutto il raffinatore del grano, le condizioni di raffreddamento e il tempo di mantenimento.

Se il lingotto presenta porosità o inclusioni eccessive, è opportuno valutare la possibilità di un processo di raffinazione del fuso.

Se anche le fasi ricche di Fe o il contenuto di Mn necessitano di aggiustamenti, l'aggiunta di manganese diventa un altro elemento da considerare nel calcolo.

Il MnCl₂ diventa particolarmente rilevante quando sia la raffinazione del fuso che l'introduzione di manganese risultano utili al processo.

Per un'esigenza di puro affinamento della grana, l'approccio più diretto consiste solitamente nell'utilizzo di Al-Ti-B, Al-Ti-C o di un altro sistema di affinamento della grana specifico per la lega.

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