عملية تنقية الألومنيوم

ويعتمد إنتاج الألومنيوم عالي النقاء على نهج ثلاثي المستويات: التفريغ الدوَّار لتجريد الهيدروجين، والحقن بالتدفق لفصل المعادن القلوية والأكاسيد، والترشيح بالرغوة الخزفية لالتقاط الشوائب الصلبة فيزيائيًا.

ويتطلب تحقيق الصب الخالي من العيوب التقيد الصارم بهذه الخطوات في غرفة الصب. وبدون تنقية فعالة، يعاني المصهور المنصهر من المسامية والخصائص الميكانيكية الضعيفة. ويتضمن معيار الصناعة وضع وحدة تفريغ الغازات المضمنة بين فرن الإمساك وطاولة الصب. تقوم هذه الوحدة بإدخال غازات خاملة مثل النيتروجين أو الأرجون الذي يرتبط بالهيدروجين. وفي الوقت نفسه، تحجز مرشحات الرغوة الخزفية (CFF) التي تستخدم آليات الترشيح في الطبقات العميقة الجسيمات غير المعدنية ذات الحجم الميكروني. يضمن تطبيق هذا النظام المتكامل الامتثال لمعايير الجودة ASTM ويقلل بشكل كبير من معدلات الخردة في المعالجة النهائية.

الحاجة الماسة إلى التنقية في علم المعادن الحديث

نادرًا ما يكون الألومنيوم الخام الخارج من المصهر أو فرن إعادة التدوير نظيفًا بما يكفي للتطبيقات المتطورة مثل صناعة الطيران أو السيارات أو تصنيع الرقائق المعدنية. يحتوي الذوبان على أعداء يضر بالسلامة الهيكلية.

يواجه المشغلون ثلاثة ملوثات أساسية:

1. غاز الهيدروجين الغاز الوحيد القابل للذوبان في الألومنيوم السائل. يسبب المسامية (الثقوب) أثناء التصلب.

2. أفلام الأكسيد (الخبث): يتفاعل الألومنيوم على الفور مع الأكسجين، مما يؤدي إلى تكوين أغشية تضعف استمرارية المعدن.

3. المعادن القلوية: عناصر مثل الصوديوم (Na)، والليثيوم (Li)، والكالسيوم (Ca) التي تقلل من الليونة.

تركز ADtech على الحلول الهندسية التي تعالج هذه الملوثات المحددة. إذا تخطيت التنقية، فإنك تخاطر بفشل المنتج. يمكن أن تتسبب شوائب أكسيد واحدة في حدوث تمزق في رقائق معدنية رقيقة أو تشقق في عجلة من السبائك.

آلية امتصاص الهيدروجين

الرطوبة هي المصدر الرئيسي للهيدروجين. وهي تأتي من الهواء الرطب، أو الأدوات الرطبة، أو الحراريات المجففة بشكل غير كامل. عندما يكون بخار الماء (H2O) يلامس الألومنيوم المنصهر (آل)، يحدث تفاعل:

ينتشر الهيدروجين الذري في الذوبان. عندما يبرد المعدن، تنخفض قابلية ذوبان الهيدروجين انخفاضًا كبيرًا، مما يجبر الغاز على الخروج من المحلول ويكوِّن فقاعات. يجب إزالة هذا الغاز قبل أن يتجمد المعدن.

تقنيات التنقية الأولية

إن تكرير الألومنيوم المصهور ليس خطوة واحدة. إنها سلسلة من العمليات. سوف ندرس التقنيات الأساسية المستخدمة عالميًا ومن قبل شركة ADtech لضمان نظافة المصهور.

1. أنظمة إزالة الغازات الدوارة

والطريقة الأكثر فعالية لإزالة الهيدروجين هي التفريغ الدوّار للهيدروجين. تنطوي هذه العملية على دوّار دوّار وعمود مغمور في الذوبان. يقوم النظام بحقن غاز خامل (الأرجون أو النيتروجين) من خلال العمود.

يقوم الدوّار الدوّار بقص فقاعات الغاز الكبيرة إلى ملايين الفقاعات الدقيقة. وهذا يزيد من مساحة السطح بشكل كبير.

كيف يعمل:

• الانتشار: تنجذب ذرات الهيدروجين في الذوبان إلى الضغط الجزئي المنخفض داخل فقاعات الغاز الخامل.

• التعويم: ترتفع الفقاعات إلى السطح حاملة الهيدروجين إلى الخارج.

• إزالة الإدراج: وتلتصق الفقاعات أيضًا بجزيئات الأكسيد، مما يؤدي إلى تعويمها إلى طبقة الخبث لقشطها.

تستخدم وحدات تفريغ الغاز ADtech تصميمات محسنة للدوّار لمنع حدوث الدوامة. يمكن للدوامة أن تمتص الخبث السطحي مرة أخرى إلى المصهور، مما يلغي الغرض.

2. حقن التدفق (التدفق)

يتضمن التدفق إضافة أملاح كيميائية إلى الذوبان. وبينما كانت الإضافة اليدوية شائعة في الماضي، تستخدم الخطوط الحديثة ماكينات حقن آلية. تقوم هذه الماكينات بحقن خليط دقيق من التدفق الحبيبي والغاز الخامل في عمق الحمام المنصهر.

وظائف التدفق:

• عامل الترطيب: إنه يغير التوتر السطحي، مما يسمح للألومنيوم المحتجز في الخبث بالتدفق مرة أخرى إلى الحمام.

• التنظيف الكيميائي: تتفاعل بعض التدفقات مع الكالسيوم أو الصوديوم لإزالتها.

• تنظيف الجدران: تساعد التدفقات الطاردة للحرارة في الحفاظ على جدران الفرن خالية من تراكم الكوراندوم.

3. الترشيح بالرغوة الخزفية (CFF)

الترشيح هو الحارس الأخير. يتم وضع صندوق الترشيح قبل طاولة الصب مباشرة، ويضم صندوق الترشيح مرشح رغوة السيراميك. تتخصص شركة ADtech في تصنيع مصفاة الرغوة الخزفية CFF، باستخدام مواد عالية الفوسفات أو كربيد السيليكون.

يعمل الفلتر من خلال آليتين:

• ترشيح الكعكة: يتم انسداد الجسيمات الكبيرة على سطح الفلتر.

• ترشيح القاع العميق: يتم احتجاز الجسيمات الأصغر حجمًا داخل المسار المتعرج للهيكل الداخلي للمرشح بسبب الجاذبية والاحتكاك والتقارب الكيميائي.

اختيار معلمات الترشيح الصحيحة

اختيار المرشح المناسب هو عملية هندسية وليست تخمينية. المقياس المستخدم هو PPI (المسام لكل بوصة). ارتفاع PPI يعني ترشيحًا أدق ولكنه يتطلب ضغط رأس معدني أعلى لبدء التدفق.

مصفوفة اختيار المرشح

يقدم الجدول التالي البيانات المتعلقة باختيار المرشح بناءً على التطبيق.

نوع التطبيق	مؤشر أسعار المنتجين الموصى به	مادة التصفية	الهدف الرئيسي
قضبان البثق القياسية	30 - 40 PPI 30 - 40 PPI	الألومينا / سي سي	إزالة الأكاسيد الكبيرة، ومنع خطوط القالب.
صب السيارات (العجلات)	40 - 50 PPI	كربيد السيليكون	تخلص من الشوائب التي تسبب التشققات.
سبائك الفضاء الجوي	50 - 60 PPI	ألومينا عالية الألومينا	أقصى درجات النقاء لمقاومة التعب.
مخزون جسم العلب	50 PPI	الألومينا	منع التمزق أثناء التدحرج.
لف الرقائق المعدنية (مقياس رقيق)	60+ PPI	ألومينا عالية الألومينا	لا تحتاج إلى ثقوب معدومة.

ملحوظة: يوصي مهندسو ADtech بالتسخين المسبق لصندوق الفلتر لتجنب الصدمة الحرارية التي يمكن أن تتشقق السيراميك.

التفاعل بين إزالة الغازات والترشيح

غالبًا ما يسأل المشغلون عما إذا كان بإمكانهم تنفيذ خطوة واحدة فقط من هذه الخطوات. الإجابة هي لا. فهي تعمل بالترادف.

إذا قمت بالتصفية دون تفريغ الغاز، سيظل المعدن يحتوي على مسامية هيدروجين. إذا قمت بتفريغ الغاز دون ترشيح، ستمر الشوائب من خلاله. وفي الواقع، غالبًا ما تقوم وحدة التفريغ بتكتل الشوائب الصغيرة في كتل أكبر. ثم يلتقط المرشح النهائي هذه التكتلات بسهولة.

استراتيجية التنسيب:

التصميم القياسي لخط الصب هو:

1. الفرن.

2. الغسيل.

3. وحدة إزالة الغازات ADtech.

4. صندوق تصفية ADtech (CFF).

5. طاولة الصب.

هذا الترتيب أمر حيوي. يؤدي التفريغ إلى حدوث اضطراب. أنت تريد أن يحدث هذا الاضطراب قبل المرشح بحيث يكون التدفق صفحيًا (سلسًا) عند دخوله القالب.

تحسين العملية: معدلات التدفق وسرعات الدوار

يكمن النجاح في التفاصيل. تشغيل وحدة إزالة الغازات بالسرعة القصوى ليس دائمًا أفضل. فالسرعة المفرطة تخلق اضطرابات سطحية، مما يعرض المعدن الطازج للأكسجين الجوي.

المعلمات التشغيلية الموصى بها

المعلمة	النطاق القياسي	أثر الانحراف
سرعة الدوار (RPM)	350 - 550 دورة في الدقيقة	الارتفاع الشديد يؤدي إلى حدوث خبث؛ والانخفاض الشديد يقلل من تشتت الفقاعات.
معدل تدفق الغاز (لتر/دقيقة)	15 - 25 لتر/دقيقة	الارتفاع الشديد يؤدي إلى “الغليان”؛ والانخفاض الشديد يفشل في إزالة H2.
درجة حرارة المعدن	700 درجة مئوية - 750 درجة مئوية	تسد درجة الحرارة المنخفضة المرشحات؛ بينما تزيد درجة الحرارة المرتفعة من امتصاص H2.
التسخين المسبق للمرشح	15 - 20 دقيقة	يؤدي نقص التسخين المسبق إلى تجمد المعدن الذي يسد الفلتر.

يجب على المشغلين معايرة هذه الإعدادات بناءً على نوع السبيكة. تتصرف السبائك من السلسلة 5000 (مغنيسيوم عالي المغنيسيوم) بشكل مختلف عن السلسلة 6000 (مغنيسيوم-سيليكون).

دراسة حالة: تحسين العائد في ميشيغان، الولايات المتحدة الأمريكية

الموقع: منشأة صب قوالب السيارات، ميشيغان

الوقت فبراير 2023

تحدي العميل:

واجه مورد من المستوى الأول لصواني بطاريات السيارات الكهربائية معدل رفض بلغ 8.5%. تم تحديد العيوب على أنها شوائب أكسيد ومسامية هيدروجين. فشلت الأجزاء في اختبارات إحكام الضغط. لم تستخدم المنشأة سوى مرشحات شبكية بسيطة وتدفق يدوي.

حل ADtech:

قمنا بنشر ترقية شاملة للتنقية.

1. التركيب: استبدال قسم الغسيل لاستيعاب وحدة إزالة الغازات عبر الإنترنت ADtech (تصميم مدمج ثنائي الدوار).

2. الترشيح: تم تركيب صندوق فلتر ثنائي المراحل باستخدام 40 PPI متبوعًا بمرشحات رغوة السيراميك 50 PPI.

3. تغيير العملية: التحويل من التدفق اليدوي إلى الحقن الآلي داخل غرفة إزالة الغازات.

النتائج:

بعد فترة تجريبية مدتها 30 يومًا، أظهرت البيانات تحسنًا ملحوظًا.

• الحد من الخردة: انخفض معدل الرفض من 8.5% إلى 1.2%.

• مؤشر الكثافة: تحسنت من 8% إلى أقل من 1.5% (مما يشير إلى انخفاض الهيدروجين).

• العائد على الاستثمار: أدى الانخفاض في تكاليف إعادة الصهر إلى دفع تكاليف ترقية المعدات في غضون أربعة أشهر.

كيماويات التدفق المتقدم

لا يعد التدفق مجرد ملح. إنه أداة كيميائية متطورة.

1. تغطية التدفق:

يُستخدم في الفرن. يطفو فوق الذوبان لإنشاء حاجز ضد الهواء. وهذا يمنع الأكسدة.

2. دوسنغ فلوس:

يضاف قبل القشط. يُحدث تفاعلًا طاردًا للحرارة (الحرارة) يفصل الألومنيوم الثمين عن قشرة الأكسيد (الخبث). وهذا يضمن لك التخلص من النفايات فقط، وليس المعدن الجيد.

3. تدفق التنظيف:

يُحقن في الذوبان. يساعد على رفع الشوائب إلى الأعلى. توفر ADtech تدفقات حبيبية خالية من الصوديوم للسبائك التي يكون فيها الصوديوم ملوثًا (مثل السبائك عالية المغنيسيوم).

حقن التدفق مقابل الإضافة اليدوية

الإضافة اليدوية غير متناسقة. فقد يقوم أحد المشغلين بإضافة كمية كبيرة جدًا، بينما يقوم آخر بإضافة كمية قليلة جدًا. يضمن الحقن توزيعًا متجانسًا. ويساعد الغاز الناقل (النيتروجين) على تفريق التدفق في جميع أنحاء عمق الحمام بأكمله.

صيانة معدات التنقية وطول عمرها الافتراضي

يتدهور أداء المعدات دون عناية. الدوار في وحدة إزالة الغازات هو مادة مستهلكة. وعادة ما يكون مصنوعًا من الجرافيت أو نيتريد السيليكون.

فحوصات الصيانة الشائعة:

• تآكل الدوار: يتأكسد الجرافيت بمرور الوقت. يفقد الرأس الدوّار المتآكل هندسته ويفشل في قص الفقاعات بفعالية. افحص الأبعاد أسبوعياً.

• عناصر التسخين: في صندوق الفلتر، تحافظ السخانات الكهربائية على درجة الحرارة. إذا تعطل أحدها، فقد يتجمد المعدن.

• سلامة الختم: يجب أن تكون الحشيات حول لوحة المرشح محكمة الإغلاق. إذا فشل الختم، يتجاوز المعدن المرشح، مما يجعل العملية عديمة الفائدة.

جدول متوسط العمر المتوقع

المكوّن	المواد	العمر الافتراضي المقدر
دوار تفريغ الغازات	نيتريد السيليكون	6 - 12 شهرًا
دوار تفريغ الغازات	الجرافيت	3 - 6 أسابيع
أنبوب حماية السخان	SiC	6 - 12 شهرًا
مرشح رغوة السيراميك	الألومينا	استخدام واحد (يمكن التخلص منها مرة واحدة)
المغاسل/البطانات	الحراريات	1 - 2 سنة

ملحوظة: نيتريد السيليكون أغلى ثمناً مقدماً ولكنها توفر عمر افتراضي أطول مقارنةً بالجرافيت.

دور مصافي الحبوب

في حين أن التنقية تزيل الأشياء السيئة، فإن تنقية الحبوب تضيف أشياء جيدة. وغالبًا ما تتم إضافتها مباشرةً بعد وحدة إزالة الغاز، وتحدد مصافي الحبوب (عادةً قضبان التيتانيوم-البورون) البنية المجهرية للألومنيوم.

يسمح هيكل الحبيبات الدقيق المتساوي الحبيبات بتدفق الصب بشكل أفضل ومقاومة التشقق. يمكن لأنظمة تغذية ADtech أتمتة إضافة سلك AlTiB لضمان اتساق حجم الحبيبات في جميع أنحاء الصب.

الاعتبارات البيئية في التنقية

يجب أن تكون تنقية الألومنيوم الحديثة خضراء. تعتبر الطرق القديمة التي تستخدم غاز الكلور لإزالة الغازات خطرة وغير قانونية في العديد من الولايات القضائية.

نهج ADtech للاستدامة:

• خالي من الكلور: نستخدم النيتروجين أو الأرجون، وهما آمنان ومتوفران بكثرة.

• تقليل الخبث المخفض: يقلل التدفق الفعال من كمية الألومنيوم المرسلة إلى مكب النفايات كخبث.

• كفاءة الطاقة: تستخدم صناديق التصفية لدينا عزلًا عالي الكفاءة، مما يقلل من الطاقة اللازمة للحفاظ على المعدن ساخنًا.

الحد من الخردة هو أكبر مساهمة بيئية. فكل طن من الخردة التي يجب إعادة صهرها يستهلك كميات هائلة من الغاز الطبيعي والكهرباء. إن القيام بذلك بشكل صحيح من المرة الأولى هو الاستراتيجية الخضراء المثلى.

الفروق الفنية

لفهم حقيقة عملية تنقية الألومنيوم, ، يجب على المرء أن ينظر إلى العيوب المحددة.

الشوائب: وهي جسيمات غير معدنية. يمكن أن تكون أكاسيد (أغشية) أو كربيدات أو بوريدات. تتلف الشوائب الصلبة أدوات التصنيع الآلي في وقت لاحق من العملية.

إزالة القلويات: تُعد إزالة الكالسيوم أمرًا حيويًا لإنتاج رقائق الألمنيوم. حتى الكميات الضئيلة تتسبب في كسر الرقائق المعدنية أثناء الدرفلة.

الجودة المعدنية: يشير هذا إلى النظافة الشاملة. تسمح أدوات مثل PoDFA (جهاز الترشيح بالقرص المسامي) أو قياسات Prefil للمهندسين بقياس النظافة. وتساعد معدات ADtech المنشآت على تحقيق منحنيات Prefil الفائقة.

عند البحث عن حلول الكازينوهات, ، يجب على المديرين إعطاء الأولوية للأنظمة المعيارية. يمكن تركيب وحدة إزالة الغازات المعيارية في الخطوط القائمة دون الحاجة إلى أعمال مدنية كبيرة.

استكشاف مشاكل التنقية الشائعة وإصلاحها

حتى مع وجود أفضل المعدات، تحدث بعض المشاكل. فيما يلي مصفوفة استكشاف الأعطال وإصلاحها لمشغلي الكازينو.

المشكلة: ارتفاع مستويات الهيدروجين بعد تفريغ الغازات

• السبب: يوم رطوبة عالية؟

• السبب: سرعة الدوار منخفضة جداً؟

• السبب: تسرب الغاز الناقل؟

• إصلاح: قم بزيادة تدفق الغاز قليلاً، وافحص أنابيب الغاز بحثًا عن وجود تسربات، وتأكد من عدم تآكل الدوار.

المشكلة: انسداد الفلتر (التجميد)

• السبب: درجة حرارة المعدن منخفضة للغاية.

• السبب: عدم كفاية التسخين المسبق لصندوق الفلتر.

• إصلاح: تحقق من درجة حرارة الفرن. تأكد من أن سخانات صندوق الترشيح نشطة قبل 30 دقيقة من الصب.

المشكلة: الشوائب الموجودة في المنتج النهائي

• السبب: تجاوز الفلتر (مانع تسرب سيء).

• السبب: غسيل متسخ بعد الفلتر.

• إصلاح: افحص حشية التمدد على CFF. تنظيف المغاسل بدقة.

الأسئلة الشائعة (FAQs)

فيما يلي أهم الأسئلة التي يطرحها مديرو قاعات المعادن وخبراء المعادن فيما يتعلق بعملية التنقية.

1. ما هي الطريقة الأكثر فعالية لإزالة الهيدروجين من الألومنيوم؟

يعتبر التفريغ الدوَّار للغاز باستخدام غاز خامل مثل الأرجون أو النيتروجين هو المعيار الصناعي. فهو ينقل الهيدروجين فعليًا من الذوبان عن طريق تعويم الفقاعات.

2. لماذا يتم حقن التدفق بدلاً من إلقائه في الأعلى؟

يضمن الحقن اتصال التدفق بالحجم الكامل للمعدن، وليس السطح فقط. وهذا يحسن كفاءة التفاعل ويقلل من كمية التدفق اللازمة.

3. كم مرة يجب أن أغيّر فلتر رغوة السيراميك بشكل متكرر؟

كبسولات CFFs هي عناصر تستخدم مرة واحدة. يجب عليك تغييرها بعد كل عملية صب أو كلما أصبح انخفاض الضغط مرتفعًا جدًا، مما يشير إلى وجود انسداد.

4. هل يمكنني استخدام النيتروجين بدلاً من الأرجون لإزالة الغازات؟

نعم، النيتروجين أرخص سعرًا ويستخدم على نطاق واسع. ومع ذلك، بالنسبة لبعض السبائك عالية التقنية أو عند استخدام الليثيوم، يلزم استخدام الأرجون لأن النيتروجين يمكن أن يتفاعل لتكوين النيتريدات.

5. ما الفرق بين PPI وحجم الشبكة؟

يشير PPI إلى المسام لكل بوصة في مرشح الرغوة. تشير الشبكة إلى الشاشات السلكية. 30 PPI هي الخشونة القياسية؛ و60 PPI هي الخشونة الدقيقة. يلتقط PPI الأعلى PPI جسيمات أصغر.

6. كيف تضمن ADtech أن صندوق الترشيح لا يبرد المعدن؟

صناديق مرشحات ADtech مبطنة بمواد حرارية متطورة وغالبًا ما تكون مجهزة بسخانات غطاء للحفاظ على التوازن الحراري.

7. ما الذي يخلق الخبث في الفرن؟

يتكون الخبث عندما يتفاعل الألومنيوم مع الأكسجين في الهواء. يعمل الاضطراب ودرجات الحرارة المرتفعة على تسريع هذا التفاعل.

8. هل لا يزال غاز الكلور يستخدم للتنقية؟

وهي نادرة بسبب السمية واللوائح البيئية. وتستخدم بعض المنشآت مزيجاً من النيتروجين 90%/الكلور 10%، ولكن يفضل استخدام الغازات الخاملة البحتة من أجل السلامة.

9. ماذا يحدث إذا كانت سرعة الدوار عالية جداً؟

إنها تخلق دوامة تمتص خبث السطح والهواء إلى داخل المصهور، مما يجعل الجودة أسوأ في الواقع. كما أنها تتلف الدوّار بشكل أسرع.

10. هل يمكن للتنقية إزالة الحديد من الألومنيوم؟

لا. يذوب الحديد كيميائيًا في الألومنيوم. لا يمكن للترشيح وإزالة الغازات إزالة العناصر الذائبة مثل الحديد أو المنجنيز؛ فهي تزيل المواد الصلبة والغازات فقط.

أفكار نهائية حول جودة الذوبان

إن عملية تنقية الألومنيوم يحدد قيمة منتجك النهائي. وسواء كنت تقوم بصب القضبان أو الألواح أو السبائك، فإن وجود الهيدروجين والشوائب غير قابل للتفاوض - يجب أن تختفي.

توفر ADtech الأجهزة والخبرة لتأمين هذه الجودة. من خلال الجمع بين إزالة الغازات الدوارة الفعالة والحقن الدقيق بالتدفق والترشيح الخزفي العميق، نساعد المسابك على تحقيق المعايير العالمية. تكلفة التنقية هي جزء بسيط من تكلفة الشحنة المرفوضة.

يضمن الاستثمار في تقنيات ADtech نظافة المعادن لديك، ورضا عملائك، وبقاء صناديق الخردة فارغة.