تؤدي إضافة الملح والصودا إلى الألومنيوم المصهور إلى تحسين جودة الصب عن طريق إزالة الأكاسيد والغازات الذائبة، وتعزيز نظافة المعدن، وتقليل المسامية، وحماية سطح المصهور. عندما يتم استخدام مخاليط الملح ومركبات الكربونات المناسبة في درجات حرارة وجرعات مضبوطة، فإنها تساعد على إزالة الهيدروجين وحبس الشوائب غير المعدنية وإنشاء غطاء واقي على الحمام. تعمل هذه التأثيرات على تقليل الفاقد من الخردة وزيادة إنتاجية الصب وتحسين الخواص الميكانيكية للأجزاء النهائية.
نظرة عامة سريعة على الخاتمة
ينتج عن استخدام تدفقات الملح القائم على الكلوريد (عادةً مزيج كلوريد الصوديوم وكلوريد الصوديوم) مع عوامل الكربونات (عادةً كربونات الصوديوم، وغالبًا ما تسمى صودا الغسيل) تأثيرات مفيدة متعددة: تفاعلات التدفق تجرد أغشية الأكسيد، وطبقات التدفق تحبس الشوائب، وتحلل الكربونات أو كيمياء التدفق تعزز تكوين الفقاعات التي تساعد على إزالة الهيدروجين المذاب. يقلل الاختيار السليم للتركيب ودرجة الحرارة والمناولة من الانبعاثات الضارة ومخلفات الملح مع إنتاج مصبوبات أكثر سلاسة وكثافة.
اقرأ أيضًا: كيف يتم تكرير الألومنيوم المصهور؟
ما الذي يعنيه الناس ب “الملح” و“الصودا” في صب الألومنيوم
الملح (التدفق):: خليط صلب من الأملاح غير العضوية يستخدم لتغطية وحماية وصقل الألومنيوم المصهور. وتتضمن القواعد النموذجية كلوريد الصوديوم (NaCl) وكلوريد البوتاسيوم (KCl)، وكثيراً ما يتم دمجها مع الفلورايد أو إضافات أخرى لتحسين الترطيب أو خفض درجة الانصهار أو المساعدة في إزالة الشوائب. وغالبًا ما تسمى هذه الخلائط بتدفق الملح أو كعكة الملح.
الصودا (صودا الغسيل):: عادةً ما تكون كربونات الصوديوم (Na₂CO₃CO₃). في استخدام المسابك، قد يتم رش “الصودا” أو تضمينها في مزيج التدفق لتشجيع الفقاعات أو لتحييد ملوثات معينة. وغالبًا ما توصي مصادر المسابك المنزلية والمصادر صغيرة النطاق ببلورات الصودا لإزالة الغازات؛ ويمكن أن تتضمن التركيبات الصناعية مصادر كربونات من بين مكونات أخرى.
كيف تعمل تدفقات الملح على تحسين الألومنيوم المصهور
غطاء التدفق، ومعالجة الأكسيد، وحماية السطح
تشكل طبقة من الملح المنصهر الموضوعة فوق المعدن حاجزًا ماديًا يمنع إعادة الأكسدة السريعة لسطح الألومنيوم. يبلل الملح أغشية الأكسيد، مما يعزز تفككها ودمجها في كعكة الملح التي يمكن قشطها. كما تقلل أغطية الملح أيضًا من فقدان المعدن عن طريق الحد من التلامس المباشر للهواء أثناء الحجز والنقل.
التفاعلات الكيميائية التي تساعد على إزالة الشوائب
تتفاعل مكونات الكلوريد والفلورايد في العديد من التدفقات مع أكاسيد السطح ومع شوائب السبيكة لتكوين مركبات قابلة للذوبان أو قابلة للإزالة. قد تعزز تفاعلات الكلورة تكوين أنواع كلوريد الألومنيوم في مرحلة التدفق، مما يساعد على تجريد أغشية الأكسيد الرقيقة من سطح المعدن وتكتلها في شكل حثالة. تُظهر التحليلات الديناميكية الحرارية أن خلطات الملح المصممة خصيصًا يمكن أن تشجع انتقال الشوائب من المعدن إلى الملح.
المساهمة في إزالة الغازات (إزالة الهيدروجين)
توفر مكونات التدفق مواقع لتنوي الفقاعات وقد تنتج نواتج تفاعل غازية تساعد على تفريغ الهيدروجين. عندما تتحلل مواد الكربونات أو التدفقات التفاعلية أو تتفاعل، تقلل الغازات المتولدة من الضغط الجزئي للهيدروجين داخل الفقاعة المتكونة، مما يشجع انتشار الهيدروجين المذاب من المعدن إلى داخل الفقاعة. وترتفع هذه الفقاعة بعد ذلك وتهرب حاملة الهيدروجين بعيداً. هذا المزيج من الترطيب والتفاعل الكيميائي وتكوين الفقاعات هو السبب الرئيسي في أن التدفق يحسن التحكم في المسامية.
تعديل التوتر البيني والسيولة المعدنية
تغير تدفقات الملح التوتر البيني بين الألومنيوم المصهور وأكاسيد السطح. ويساعد انخفاض التوتر البيني على التحام أغشية الأكسيد المحتبسة وانفصالها، مما يحسّن تدفق المعدن ويسمح بفصل الخبث مع تقليل احتباس المعادن. وتوثق الأبحاث على تدفقات NaCl-KCl هذا التأثير وتربطه بتحسين إزالة الشوائب أثناء إعادة الصهر.
كيف تساعد كربونات الصوديوم (صودا الغسيل) على الذوبان
حركة تشكيل الغازات والتحريك الميكانيكي
يمكن لكربونات الصوديوم أن تتحلل أو تتفاعل تحت ظروف المعدن المنصهر لتوليد ثاني أكسيد الكربون₂ والأنواع الغازية الأخرى في المناطق الدقيقة، مما يخلق فقاعات صغيرة تساعد الهيدروجين على الخروج من الذوبان. تعمل هذه الغازات مثل المثيرات الدقيقة، مما يحسن من تكوين الفقاعات والخروج من الألومنيوم. الاستخدام العملي للصودا شائع في المتاجر الصغيرة لدعم تفريغ الغازات.
تحييد بعض الملوثات
قد تعمل الكربونات على معادلة الأنواع الحمضية في التدفقات أو تتفاعل مع الهاليدات المتبقية، مما يؤدي إلى تغيير الكيمياء المحلية في الواجهة البينية. في التدفقات المركبة، يعد وجود الكربونات أحد الأدوات التي يستخدمها المهندسون لضبط درجة الانصهار وقابلية التبلل وسلوك الرغوة.
الجدول 1: المكونات والأدوار النموذجية في أنظمة الملح + الصودا
| المكوّن | الدور النموذجي في معالجة الذوبان | التركيز النموذجي (الخلائط الصناعية) |
|---|---|---|
| كلوريد الصوديوم (NaCl) | مصفوفة ملح أولية، توفر التغطية والترطيب | 30-60% بالكتلة في العديد من الخلطات. |
| كلوريد الكالسيوم (كلوريد البوتاسيوم) | يقلل من درجة انصهار مزيج الملح ويحسن التدفق | 20-50% من أساس الملح. |
| Na₂CO₃ (كربونات الصوديوم) | مصدر غاز للفقاعات المجهرية، يساعد على تفريغ الغازات | متغيرة، وغالباً ما تكون نسبة مئوية مضافة صغيرة؛ تستخدم بشكل منفصل من قبل بعض المشغلين. |
| Na₃AlF₆، Na₂SiF₆ (إضافات الفلوريد) | المساعدة في إزالة الأكسيد عن طريق العمل الكيميائي، وتعزيز تفاعلية التدفق | إضافات طفيفة، تعتمد على المنتج. |
| مواد رابطة مسجلة الملكية خالية من الفلورايد | تقليل الغبار والأبخرة أثناء الاستخدام | موجودة في تركيبات منخفضة الانبعاثات. |
الوصفات العملية ومعايير التشغيل
فيما يلي النطاقات الشائعة التي نصادفها في الممارسة الصناعية. هذه هي نقاط البداية. يجب على كل مسبك التحقق من صحة الخلطات والإجراءات في التجارب التي تشمل الاختبارات المعدنية ورصد الانبعاثات.
الجدول 2: مثال على معلمات عملية التدفق واستخدام الصودا
| خطوة التشغيل | القيمة النموذجية أو الإجراء النموذجي |
|---|---|
| التسخين المسبق للتدفق | سخن التدفق المسبق لإزالة الرطوبة؛ استهدف 100-200 درجة مئوية حسب تعليمات المنتج. |
| درجة حرارة الذوبان للتغطية | 680-760 درجة مئوية للعديد من سبائك الألومنيوم؛ تحقق من مواصفات السبيكة. |
| جرعة التدفق | 0.5-2.51 تيرابايت إلى 2.51 تيرابايت من الكتلة المعدنية للعديد من أقراص أو مساحيق التدفق، ويعتمد ذلك على المشغل. |
| جرعة الصودا (في حالة استخدامها) | كميات صغيرة، غالبًا ما يتم رشها؛ نقطة البداية التجريبية 0.1-0.51 تيرابايت 3 تيرابايت من الكتلة المعدنية للهوايات/المقاييس الصغيرة، تختلف الصيغ الصناعية. |
| وقت السكون بعد إضافة التدفق | 3-10 دقائق في العديد من الأعمال الروتينية في المتاجر؛ قد تكون هناك حاجة إلى فترات احتجاز أطول في حالات التلوث الشديد. |
الجدول 3: مقارنة خيارات التنقية بالذوبان
| الطريقة | القوام الأساسي | القيود | مزيج نموذجي مع الملح + الصودا |
|---|---|---|---|
| تدفق الملح | غير مكلف، ويغطي الذوبان، ويساعد على إزالة الأكسيد وإزالة الغازات | يولد كعكة الملح والغبار وانبعاثات الهاليدات المحتملة | كثيراً ما تستخدم مع الصودا في المتاجر الصغيرة أو عندما تكون أنظمة الغاز محدودة. |
| تفريغ الغاز الخامل الدوَّار (الأرجون، النيتروجين) | إزالة الهيدروجين بفعالية عالية، وبقايا كيميائية منخفضة | تكلفة المعدات، تتطلب إمداد الغاز ونظام دوار | غالباً ما تكون مفضلة للمسبوكات عالية الجودة؛ يمكن استخدامها بعد التدفق. |
| تفريغ الغازات من الأقراص/التدفق الصلب (أقراص مسبقة التشكيل) | جرعات مضبوطة، غبار أقل، متناسق | تكلفة المنتج، وانضباط المشغل المطلوب | تفضل العديد من العمليات الأقراص للتعامل الأنظف. |
الاعتبارات البيئية والصحية وإدارة النفايات
الانبعاثات والمنتجات الثانوية
قد ينتج عن عمليات التدفق جسيمات محمولة في الهواء وكلوريد الهيدروجين ومركبات كلوريد الألومنيوم المتطايرة أثناء كيمياء الكلورة القوية. تؤكد الدراسات والأطروحات المتعلقة بتدفق الملح الصلب على الحاجة إلى التحكم في الانبعاثات وبدائل العملية للحد من كلوريد الهيدروجين وكلوريد الألومنيوم والغبار. يقلل الاستخلاص السليم للأدخنة وتعبئة كعكة الملح واختيار تركيبات التدفق منخفضة الدخان من المخاطر.
مناولة كعكة الملح وإعادة تدويرها
تحتوي كعكة الملح التي تتراكم بعد الصهر على بقايا المعادن والأملاح المختلطة. وغالبًا ما تقوم الممارسة الصناعية بالتقاط وتبريد وإعادة معالجة كعكة الملح؛ وتقلل إعادة التدوير من استهلاك المواد الخام وتكاليف التخلص منها. وتوضح الدراسات الاقتصادية أن إعادة تدوير الملح أمر منطقي بالنسبة للعمليات الكبيرة، على الرغم من أن التلوث يؤثر على الاقتصاديات.
قواعد السلامة
- تجنب إضافة الأملاح الرطبة أو الرطبة إلى المعدن الساخن؛ فقد يحدث بخار أو تناثر أو انفجارات.
- استخدم تدفقات مسخنة مسبقًا أو طرق معالجة منخفضة الرطوبة.
- توفير حماية للجهاز التنفسي والاستخراج الموضعي وتدريب المشغلين على التعامل مع المنتجات المحتوية على الهاليدات.
مكان منتجات ADtech في سير العمل
تقوم شركة ADtech بتصنيع وحدات إزالة الغازات والمرشحات ذات الطبقات العميقة وألواح الترشيح الخزفية التي تكمل ممارسة الملح + الصودا في أرضية الورشة. حالات الاستخدام:
- وحدات إزالة الغازات (ADtech): استبدال أو استكمال إزالة الهيدروجين القائم على التدفق. يقلل التفريغ الدوَّار بالغاز الخامل أو التفريغ المدمج في الخط من المخلفات الكيميائية ويقلل من إنتاج الكعكة الملحية من أجل العمل بكميات أكبر أو بجودة أعلى.
- أنظمة الترشيح العميق القاع (ADtech): إزالة الشوائب غير المعدنية وجزيئات الخبث في نهاية عملية التدفق، مما ينتج عنه معدن أنظف وتشطيب سطحي أكثر اتساقًا.
- ألواح الترشيح الخزفية (ADtech): توفير الترشيح النهائي للجسيمات قبل الصب؛ وسائط السيراميك تتحمل درجة الحرارة وتعطي ترشيحًا ميكانيكيًا قويًا.
ويمكن للجمع بين معدات تفريغ الغازات ADtech مع استخدام التدفق الانتقائي أن يحسّن الإنتاجية ويقلل من البصمة البيئية. إذا كانت العملية تهدف إلى التحكم المحكم في المسامية والخصائص المعدنية التي يمكن التنبؤ بها، فإن تفريغ الغاز الخامل والترشيح العميق هما المساران الموصى بهما. (يتوافق بيان الشركة هذا مع عروض منتجات ADtech).
كيفية وضع الملح والصودا بأمان في إجراء خطوة بخطوة عملياً
- تقييم مستوى التلوث: تحديد ما إذا كانت الشوائب ناشئة عن خبث السطح أو نوعية الخردة أو الرطوبة المحتبسة.
- سخن التدفق المسبق: جفف مزيج الملح لإزالة الرطوبة قبل إدخاله. وهذا يمنع التفاعلات البخارية العنيفة.
- خالي من الخبث الثقيل: إزالة الخبث الخشن والقشرة الملوثة قبل التدفق.
- ضع التدفق برفق: قم برش أو وضع التدفق المسخن مسبقًا على سطح الحمام؛ اتركه ليذوب ويشكل طبقة تبلل الأكسيد. تعتمد الجرعة على كتلة المعدن وتعليمات المنتج.
- أضف الصودا اختياريًا: في حالة استخدام كربونات الصوديوم لدعم تفريغ الغازات، ضع كميات صغيرة بزيادات مضبوطة؛ راقب زيادة الأبخرة أو الرغوة.
- السماح بوقت رد الفعل: امنح فترة مكوث كافية لانتقال الأكسيد إلى الغطاء الملحي ولتكوين فقاعات لطرد الهيدروجين. عادة عدة دقائق؛ تحقق من ذلك بأخذ العينات.
- كعكة الملح منزوع الدسم: قم بإزالة طبقة كعكة الملح مع الخبث العالق. تُجمع لإعادة تدويرها.
- إزالة الغاز الميكانيكي الاختياري والترشيح الميكانيكي: يتبعها تفريغ الغازات الخاملة والترشيح في الأعماق للحصول على أفضل سلامة داخلية وجودة سطحية.
المشاكل الشائعة وعلاجها
- الدخان أو الرائحة الزائدة: تحقق من محتوى الرطوبة وكيمياء التدفق. التحول إلى تركيبات أو أقراص منخفضة الدخان. تحسين الاستخلاص المحلي.
- ضعف إزالة الهيدروجين: ضع في اعتبارك الجمع بين التدفق الملحي مع التفريغ الدوار أو استخدام وحدة تفريغ الغاز ADtech. تحقق من الجرعات ووقت المكوث.
- انتقال المعادن إلى كعكة الملح: تقليل تأخير القشط، واستخدام جرعة التدفق واللزوجة الصحيحة؛ وتحسين التحكم في درجة الحرارة.
التقنيات التكميلية والبديلة
- تدفقات الأقراص: بدائل مسبقة الصنع ومنخفضة الغبار للملح السائب وأسهل في التعامل معه في المتاجر الآلية.
- التفريغ بالغاز الخامل الدوار للغازات الخاملة: فعالة لإزالة الهيدروجين، خاصةً بالنسبة للمكونات عالية القوة أو المكونات عالية الضغط.
- التحكم في جو الفرن وممارسات التخريد الجاف: يقلل من تلوث المواد الأولية ويقلل من الطلب على التدفق.
الأسئلة الشائعة
1) لماذا تستخدم المسابك مزيج كلوريد الصوديوم + كلوريد الكالسيوم بدلاً من ملح واحد فقط؟
يؤدي مزج كلوريد الصوديوم مع كلوريد الكالسيوم إلى خفض درجة الانصهار وتحسين أداء الترطيب مع توفير لزوجة عملية لامتصاص الأكسيد. تعطي الخلطات سلوك تغطية عملي دون تطاير مفرط.
2) هل يمكن للصودا وحدها إزالة الهيدروجين من الألومنيوم المصهور؟
يمكن لكربونات الصوديوم أن تعزز تكوين الفقاعات التي تساعد على تسرب الهيدروجين، ولكن الصودا وحدها لا تكفي عادةً لإزالة الغازات بالكامل في المسبوكات عالية الجودة. فهي تعمل بشكل أفضل مع طرق أخرى.
3) هل التدفق الملحي آمن للمشغلين؟
عند التعامل بشكل صحيح مع التسخين المسبق والاستخراج ومعدات الحماية الشخصية، يمكن إجراء عملية تدفق الملح بأمان. وتشمل المخاطر الرئيسية الأدخنة والغبار والتفاعلات مع الرطوبة؛ وتخفف الضوابط من هذه المخاطر.
4) كيف يتم التخلص من كعكة الملح أو إعادة استخدامها؟
تستعيد العديد من المصانع كعكة الملح من خلال الغسيل أو المعالجة أو المعالجة الحرارية لاستعادة الأملاح والمعادن المتبقية. تقلل إعادة التدوير من التكاليف وأحجام النفايات.
5) هل سيؤدي تدفق الملح إلى تغيير كيمياء السبيكة؟
قد يؤدي التدفق إلى إزالة الملوثات النزرة وتغيير كيمياء السطح من خلال تفاعلات الكلوريد أو الفلورايد؛ ومع ذلك، فإن التدفقات المصممة بشكل صحيح لا تغير بشكل كبير من تركيبة السبيكة السائبة عند استخدامها بشكل صحيح. تحقق من ذلك باستخدام قياس الطيف.
6) هل تزيد الصودا من المسامية في حالة الإفراط في استخدامها؟
يمكن أن تؤدي الجرعات المفرطة من الكربونات إلى إنتاج رغوة أو فقاعات غير مستقرة تحبس الغازات بدلاً من إزالتها. وتمنع الجرعات والتجارب المضبوطة مثل هذه المشاكل.
7) أيهما أفضل للأجزاء عالية التكامل: التدفق أم التفريغ الدوار؟
يوفر تفريغ الغاز الخامل الدوَّار عادةً تحكمًا فائقًا في الهيدروجين للمكونات الحرجة. ويظل التدفق ذا قيمة لإزالة الأكسيد ومعالجة الخردة. وغالباً ما يحقق النهج المشترك أفضل النتائج.
8) هل يمكنني التخلص من التدفقات باستخدام معدات حديثة؟
يقلل التفريغ المتقدم والترشيح المتقدم من الاعتماد على التدفق، ومع ذلك لا تزال بعض تيارات الخردة أو ظروف الذوبان السريع تستفيد من أغطية الملح. استثمارات المعدات تقايض النفقات الرأسمالية مقابل انخفاض المواد المستهلكة والنفايات.
9) هل التدفقات المحتوية على الفلورايد ضرورية؟
تعمل إضافات الفلورايد على تحسين تفكك الأكسيد وتفاعليته ولكنها تزيد من مخاوف الانبعاثات؛ وتستخدم العديد من العمليات تركيبات مخفضة الفلورايد أو خالية من الفلورايد لأسباب بيئية.
10) كيف يجب أن تبدأ المسابك الصغيرة في استخدام الملح + الصودا بأمان؟
ابدأ بأقراص التدفق المحضرة تجاريًا، وقم بإجراء تجارب صغيرة مضبوطة، وقم بتركيب استخلاص محلي جيد، وفكر في إقامة شراكة مع مورد تدفق للتدريب. اجمع بين استخدام التدفق وإزالة الغازات الخاملة الدورية عندما يكون ذلك ممكنًا.
التوصيات النهائية
- التحقق من صحة تركيبة التدفق والجرعات على الذوبان التمثيلي.
- سخن التدفق المسبق لتقليل خطر الرطوبة.
- اجمع بين التدفق مع التفريغ الميكانيكي للتفريغ الميكانيكي والترشيح للمسبوكات التي تتطلب الكثير من المتطلبات.
- تنفيذ خطط إعادة تدوير كعكة الملح حيثما كان ذلك مجدياً من الناحية الاقتصادية.
- ضع في اعتبارك تركيبات التدفق منخفضة الانبعاثات أو صيغ الأقراص لتحسين سلامة المشغل والامتثال التنظيمي.
وضع المنتج القصير
تقدم شركة ADtech حلولاً متكاملة لإعداد الذوبان: وحدات تفريغ الغازات التي تقلل من محتوى الهيدروجين مع إنتاج الحد الأدنى من المخلفات الكيميائية، وأنظمة الترشيح في الطبقة العميقة التي تزيل الشوائب بعد التدفق، وألواح الترشيح الخزفية عالية الأداء للصقل النهائي للألومنيوم المصهور. إن إقران معدات ADtech مع تدفق الملح المتحكم فيه وجرعات كربونات الصوديوم المستهدفة يوفر جودة صب موثوقة مع معدلات خردة أقل.
المراجع
- ميلاني، ف. وآخرون “تدفقات الملح الصلب لمعالجة الألومنيوم المصهور”، "تدفقات الملح الصلب لمعالجة الألومنيوم المصهور" المعادن, 2023.
- Hiraki, T. et al. “التحليل الديناميكي الحراري لقدرة التكرير لتدفق الملح لإعادة تدوير الألومنيوم” MDPI / المواد, 2014.
- لوفستروم، ج. “تدفق الملح الصلب للألومنيوم المصهور”، رسالة ماجستير، جامعة ولاية أوهايو، 2013.
- Roy, R.R., Utigard, T.A., “التوتر البيني بين الألومنيوم والتدفقات القائمة على كلوريد الصوديوم وكلوريد الصوديوم وكلوريد الكالسيوم” مجلة أبحاث المواد, 1998.
- صفحات ملخص الصناعة وملاحظات المنتج حول أنواع التدفق وممارساته.