УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО РАФИНИРОВАНИЯ МЕТАЛЛА Российский патент 1997 года по МПК C22B9/02 C22B21/06 

Изобретение относится к литейному и металлургическому производствам, в частности к рафинированию цветных металлов и сплавов.

Известно устройство для непрерывного рафинирования расплавленных металлов, включающее камеру с огнеупорной перегородкой, нисходящими и восходящими отделениями, причем нисходящее отделение содержит огнеупорную перегородку, газовую камеру и два сменных фильтрующих элемента с перфорированными днищами, приспособление для подачи газа [1]
Однако фильтрующие пластины не обеспечивают высокой производительности вследствие ограниченного контакта газа с расплавом в фильтре, так как газ проходит лишь по отдельным отверстиям. Неравномерная фильтрация расплавленного металла по сечению фильтров приводит к образованию застойных зон в жидком металле и, следовательно, к ухудшению качества металла.

Известен способ и устройство для рафинирования металлического расплава с помощью активного и инертного газа, которые дозируют в сосуд с протекающим расплавом. При этом пузырьки газа, вводимые в расплав через форсунку, замешиваются в металл с помощью лопастей перемешивающего устройства [2]
Недостатком известного устройства является наличие механического контакта лопастей мешалки с жидким металлом, что приводит к окислению рафинируемого расплава. Кроме того, при рафинировании алюминия происходит быстрое разрушение элементов перемешивающего устройства, так как жидкий алюминий является химически активным металлом.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для рафинирования металла, содержащее рафинировочную камеру, верхнюю и нижнюю перфорированные перегородки, трубы для подачи и слива металла, электромагнитный вращатель, патрубок для удаления примесей [3]
Однако известное устройство имеет достаточно сложную конструкцию. Зона, прилегающая к днищу, зарастает задерживающимися нерастворимыми примесями, что приводит к повышению сопротивления проходу жидкого металла через осевую трубу для удаления примесей, кроме того, технологически сложно изготовить и эксплуатировать электромагнитный вращатель устройства, выполненный в виде статора асинхронного двигателя, так как из-за его больших размеров нелегко осуществлять монтажные и демонтажные работы вращателя на рафинировочную камеру. В известном устройстве также недостаточно эффективно осуществляется процесс дегазации жидкого металла.

В основу изобретения положена задача создать такое устройство для непрерывного рафинирования металла, которое обеспечивает повышение эффективности процесса дегазации жидкого металла за счет интенсивного удаления водорода из расплавленного металла.

Поставленная задача решена таким образом, что в устройстве для непрерывного рафинирования металла, содержащем рафинировочную емкость, входную и сливную трубы, газоввод, электромагнитный вращатель, рафинировочная емкость дополнительно оснащена разделительной перегородкой, снабженной узлами ввода рафинирующего газа в расплавленный металл, причем форсунки этих узлов направлены навстречу друг другу и расположены в нижней части разделительной перегородки, а электромагнитный вращатель выполнен в виде трех катушек седлообразной формы, охватывающих цилиндрическую поверхность рафинировочной емкости.

На фиг. 1 изображена схема устройства, на фиг.2 его поперечное сечение А-А.

Электромагнитное устройство непрерывного рафинирования металла состоит из входной трубы 1, крышки 2, узлов ввода 3 рафинирующего газа в жидкий металл, разделительной перегородки 4, сливной трубы 5, рафинировочной емкости 6, состоящей из камеры для очищенного металла 7 и камеры реактора 8, электромагнитного вращателя 9, выполненного из трех катушек седлообразной формы.

Газовводные узлы размещены внутри разделительной перегородки, и их форсунки, расположенные в нижней части перегородки, направлены навстречу друг другу и в сторону камеры реактора. Подобное выполнение форсунок газовводных узлов позволяет дробить исходящие из форсунок струи рафинирующего газа на мелкие пузырьки, которые распространяются по объему реакционной камеры вращающимся потоком жидкого металла, дифундируют на себя водород и интенсифицируют процесс дегазации расплава. Выполнение электромагнитного вращателя в виде трех катушек седлообразной формы позволяет упростить конструкцию устройства и легко производить монтаж и демонтаж катушек на рафинировочной емкости, что является важным фактором при эксплуатации устройства.

Устройство работает следующим образом. Расплавленный металл из раздаточной печи поступает через входную трубу 1, установленную в крышке 2 в камеру реактора 8 рафинировочной емкости 6 и далее, через зазор между разделительной перегородкой и нижней стенкой рафинировочной емкости в камеру 7 для очищенного металла и через сливную трубу 5 к заливочному устройству. При включении в сеть промышленной частоты электромагнитного вращателя 9, выполненного в виде трех катушек седлообразной формы, создается круговое вращающееся магнитное поле, которое вызывает возникновение в жидком металле вихревых токов. Вращающееся магнитное поле, взаимодействуя с наведенными токами в расплавленном металле, создает момент, вращающий жидкий металл вокруг оси рафинировочной емкости.

Известно, что при возникновении вращательного движения жидкости в цилиндрической емкости тангенциальная компонента скорости V_y имеет преобладающий характер по сравнению с радиальной V_r и осевой V_z компонентами скорости, то есть V_y > V_r и V_y > V_z [4] В результате азимутального движения расплава появляются центробежные силы, способствующие коагуляции твердых неметаллических включений, всегда присутствующих в расплаве. В поле электромагнитных и центробежных сил жидкий металл отжимается к стенкам рафинировочной емкости, а твердые неметаллические включения с адсорбированным на их поверхности водородом, сталкиваясь в процессе дрейфа, сцепливаются и коагулируют в шаровидные образования, которые собираются вдоль оси рафинировочной емкости. При кратковременном отключении седлообразных катушек от сети шлаковые образования, имеющие плотность меньше плотности расплава, флотируются на поверхность расплава и удаляются [5, 6]
Одновременно с наложением на расплав вращающегося магнитного поля в жидкий металл через форсунки газовводных узлов, расположенных в нижней части разделительной перегородки в реакторе, поступает рафинирующий газ. Причем форсунки газовводных узлов, а следовательно, и струи рафинирующего газа направлены навстречу, что способствует интенсивному дроблению струи газа на мелкие пузырьки. Пузырьки рафинирующего газа увлекаются вращающимся потоком расплава, равномерно распределяются по объему металла, дифундируют на себя водород и способствуют дегазации расплава. Затем рафинированный расплав поступает в камеру для очищенного металла и через сливную трубу в кристаллизатор для получения слитков или в машину для литья. В результате вышеуказанных технологических операций на предлагаемом устройстве достигается высокая степень рафинирования, например, алюминиевых сплавов.

Пример. Испытания предлагаемого устройства проводились при непрерывной разливке алюминия марки А7. Из миксера расплавленный металл поступает через входную трубу в камеру реактора рафинировочной емкости. При включении электромагнитного вращателя (трех седлообразных катушек) под напряжение создается вращающееся магнитное поле, приводящее расплав во вращательное движение с угловой скоростью 52 рад•с^-1. Причем в поле действия центробежных и электромагнитных сил происходит процесс отделений примесных частиц от металла и их дрейф по спиралеобразным траекториям к оси емкости и затем к зеркалу расплава, откуда они впоследствии удаляются. Одновременно в металл, находящийся в реакторе, через противоположно расположенные форсунки газовводных узлов, размещенные в нижней части разделительной перегородки, поступает инертный газ аргон под давлением 400 кПа. Так как струи выходящего газа направлены навстречу, то происходит образование мелких пузырьков, которые замешиваются в металл. Такая обработка расплава способствует увеличению межфазной поверхности пузырьков с металлом, времени их контакта и позволяет интенсифицировать процесс дегазации расплава. Рафинированный расплав поступает в камеру очищенного металла и через сливную трубу в машину для литья.

Эффективность рафинирования алюминия оценивалась по результатам механических испытаний отливок в литом состоянии по ГОСТ 1497-73, а газосодержание по ГОСТ 21132.1-81. Приведенные в таблице экспериментальные данные сплава А7 после рафинирования на предлагаемом устройстве показывают повышение механических свойств и снижение содержания водорода в исследуемых образцах по сравнению с известными устройствами. Так, механическая прочность на разрыв σ_B увеличивается в 1,1.1,3 раза, а относительное удлинение δ в 1,2.1,4 по сравнению с применяемыми в промышленности.

Как следует из табличных данных, применение предлагаемого устройства для рафинирования металла позволяет достичь степени дегазации расплава 62% что значительно выше, чем в прототипе и аналогах, где они соответственно составляют 44% и 37%
Использование предлагаемого устройства позволит повысить эффективность рафинирования за счет интенсивной дегазации и удаления твердых неметаллических включений. Кроме того, уменьшается расход инертного газа, необходимого для обработки расплава, в 1,5 раза, а также повышается качество получаемых изделий.

Источники информации
1. А. с. N 1150278, СССР, МКИ⁵ С 22 В 9/00. Опубл. 15.04.88, Бюл. N 14. Устройство для рафинирования алюминия и его сплавов.

2. Заявка N 0436465 ЕПВ, МКИ⁵ С 22 В 21/06. Изобретения стран мира, N 7, 1992, вып. 48. Рафинирование металлического расплава.

3. А.с. N 1039975, СССР, МКИ⁵ С 22 В 9/02. Опубл. 07.09.1983, Бюл. N 33. Устройство для рафинирования металла.

4. Кучаев А. А. Жуков Л.Ф. Измерение углов скорости движения жидкого алюминия в цилиндрическом канале электромагнитной установки // Магнитная гидродинамика.-1991.-N 2.-C.135-138.

5. Колесниченко А.Ф. Гориславец Ю.М. Об удалении неметаллических включений из жидкого алюминия // Цв.металлы.-1988.-N 2.-C.66-69.

6. Кучаев А.А. Исследование влияния электромагнитного перемешивания на процесс рафинирования алюминиевых сплавов // Цв.металлы.-1991.-N 4.-C.50-52.

Использование: электротехника и металлургия, в частности рафинирование цветных металлов и сплавов. Сущность: устройство содержит рафинировочную емкость, входную и сливную трубы, газввод, электромагнитный вращатель, рафинировочная емкость дополнительно оснащена разделительной перегородкой, снабженной узлами ввода рафинирующего газа в расплавленный металл, причем форсунки этих узлов направлены навстречу друг другу и расположены в нижней части разделительной перегородки, а электромагнитный вращатель выполнен в виде трех катушек седлообразной формы. Процесс очистки расплавленного металла в устройстве от газов и неметаллических включений осуществляется в поле электромагнитных и инерциональных сил. 1 табл. 2 ил.

Устройство для непрерывного рафинирования металла, содержащее рафинировочную емкость, входную и сливную трубы и электромагнитный вращатель, отличающееся тем, что оно снабжено разделительной перегородкой, установленной в рафинировочной емкости и выполненной с узлами для ввода рафинирующего газа в расплавленный металл, причем в нижней части разделительной перегородки узлы ввода имеют форсунки, направленные к центру рафинировочной емкости, а электромагнитный вращатель выполнен в виде трех катушек седлообразной формы, охватывающих цилиндрическую поверхность рафинировочной емкости.