УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАФИНИРОВАНИЯ РАСПЛАВА МЕТАЛЛОВ ИЛИ СПЛАВОВ
REFINING DEVICE FOR MOLTEN METALS OR ALLOYS

Изобретение относится к металлургии, а именно к рафинированию расплавов металлов и их сплавов, и может быть использовано для рафинирования расплава алюминия или его сплавов.
Известно устройство для дисперсионной подачи газа в массу расплавленного металла, содержащее проходящий через статор вал, верхним концом соединенный с механизмом вращения, а нижним концом жестко соединенный с лопастным ротором, и имеющее аксиально расположенный кольцевой канал с отверстиями для подачи и впрыскивания газа в массу расплавленного металла, образованный внутренней поверхностью статора и наружной поверхностью вала. Нижняя часть статора выполнена лопастной с образованием между лопастями вертикальных каналов. Выше статора вал заключен в кожух, диаметр которого меньше наружного диаметра статора. Внутри вала вдоль него выполнен дополнительный аксиально расположенный канал с отверстием для соединения дополнительного канала с каналом, образованным внутренней поверхностью кожуха и статора, и наружной поверхностью вала (патент SU №1068040, С22В 9/00, опубл. 15.01.1984, бюл.№2).
Данное устройство позволяет эффективно рафинировать алюминиевые расплавы. Однако оно имеет сложную конструкцию, т.е. включает электропривод и ротор, который при высокоскоростном вращении диспергирует в расплаве поступающие потоки инертного и активного газов. При этом ротор относительно часто выходит из строя ввиду его интенсивного износа. Кроме этого, при изготовлении указанного устройства необходимо использовать высокосложные технологические операции и дорогостоящие комплектующие, что неизбежно приводит к увеличению себестоимости продукции.
Ближайшим аналогом заявленного устройства является устройство для рафинирования расплава металлов или сплавов, содержащее автономно расположенные трубчатые тракты и сопла для подачи активного и инертного газов и гибкий релаксатор термонапряжений. Часть тракта для подачи инертного газа, погружаемая в расплав, выполнена в виде змеевика. Сопла для инертного газа расположены равномерно вокруг оси сопла для активного газа по окружности, радиус которой составляет 12-30 мм, и наклонены к этой оси под углом 4-15°, при этом количество сопел составляет 2-6. Выпускные отверстия сопел для инертного газа имеют диаметр 0,3-1,5 мм, а отверстие сопла для активного газа имеет диаметр 2-8 мм (патент RU №2228379 С1, С22В 9/05, опубл. 10.05.2004, бюл. 13).
Данное устройство имеет простую конструкцию, относительно низкую себестоимость и позволяет эффективно рафинировать алюминиевые расплавы. Однако степень надежности конструкции, а следовательно, износостойкость рассматриваемого устройства ослаблена неустойчивой работой тракта активного газа и гибкого релаксатора термонапряжений. В случае более высокой температуры расплава трубчатый тракт для подачи активного газа на контакте с гибким релаксатором выходит из строя из-за частичного оплавления последнего, что сопровождается прорывом активного газа в окружающую среду.
Задача, решаемая изобретением, - повышение износостойкости устройства для рафинирования расплава металлов и сплавов при сохранении высокой эффективности процесса рафинирования, простой конструкции и низкой себестоимости.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для рафинирования расплава металлов или сплавов, содержащем автономно расположенные тракты и сопла для подачи активного и инертного газов и релаксатор термонапряжений, где сопла для инертного газа в количестве 2-6 расположены равномерно вокруг оси сопла для активного газа по окружности, радиус которой составляет 12-30 мм, наклонены к этой оси под углом 4-15° и имеют диаметр выпускных отверстий 0,3-1,5 мм, а отверстие сопла для активного газа имеет диаметр 2-8 мм, тракт активного газа размещен концентрически внутри тракта инертного газа, на который снаружи нанесен теплоизоляционный слой толщиной 5-15 мм. Кроме того, релаксатор термонапряжений выполнен металлическим и размещен подвижно на наружной поверхности тракта инертного газа.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное решение отличается тем, что:
- тракт активного газа размещен концентрически внутри тракта инертного газа, на который снаружи нанесен теплоизоляционный слой толщиной 5-15 мм;
- релаксатор термонапряжений выполнен металлическим и размещен подвижно на наружной поверхности тракта инертного газа.
Суть предложенного устройства заключается в следующем. Заявленное устройство обладает простой конструкцией и изготовляется из широко распространенных недорогих материалов, т.е. имеет низкую себестоимость. Использование предлагаемого устройства позволяет получать минимальный размер пузырьков, а следовательно, максимальную длину зоны диспергирования за счет оптимально подобранных размеров выпускных отверстий сопел и их ориентации. Трубчатый тракт активного газа обладает двойной степенью защиты от перегрева вследствие его концентрического размещения внутри трубчатого тракта инертного газа, а также наличия теплоизоляционного слоя, нанесенного снаружи на тракт инертного газа. Первую степень защиты обеспечивает движение инертного газа, вторую степень - теплоизоляция. Данная защита от перегрева резко снижает реакционную способность активного газа, что повышает износостойкость внутреннего трубчатого тракта. Замена гибкого релаксатора термонапряжений на металлический и выведение его из составной части тракта активного газа на наружную поверхность тракта инертного газа позволяет исключить прямое воздействие активного газа на релаксатор, что также повышает его износостойкость. Несмотря на наличие теплоизоляционного слоя на наружной поверхности тракта инертного газа последний нагревается до необходимой кондиции от мощного теплового излучения расплава. Дисперсные пузырьки инертного газа (аргон, азот), образующиеся при истечении высокоскоростных струй из сопел под давлением 0,5-2,0 МПа, интенсивно распыляют более крупные пузыри активного газа (хлора), формирующиеся из струи, исходящей из сопла под давлением 0,3-0,4 МПа. Таким образом, образуется газовая смесь аргона с хлором, обеспечивающая эффективное промешивание и очищение расплава при повышении износостойкости рафинирующего устройства.
При толщине теплоизоляционного слоя менее 5 мм не обеспечивается надежная защита от перегрева тракта активного газа со стороны теплового излучения расплава.
При толщине теплоизоляционного слоя более 15 мм увеличивается расход теплоизоляции, что повышает себестоимость заявляемого устройства.
На чертеже схематично показано заявляемое устройство.
Заявляемое устройство состоит из трубчатого корпуса 1, внутри которого автономно расположены трубчатые тракты подачи активного и инертного газов, причем тракт активного газа 2 размещен концентрически внутри тракта инертного газа 3. На наружную поверхность тракта инертного газа нанесен теплоизоляционный слой 4 толщиной 5-15 мм. В головной части тракта инертного газа находятся сопла 5 в количестве от 2 до 6. Они расположены равномерно по окружности относительно сопла активного газа 6 и наклонены к ней под углом 4-15°. Сопла 5 и 6 закреплены в огнеупорном бетоне 7. В верхней части устройства на наружной поверхности тракта инертного газа подвижно размещен металлический релаксатор термонапряжений 8.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В тракт 3 подается инертный газ, а в тракт 2 - активный газ под давлением, достаточным для предотвращения затекания расплавленного металла в сопла 6 и 5. Устройство вводится в расплав металла на определенную глубину емкости. После погружения головной части устройства в расплав давление инертного газа устанавливается в пределах 0,5-2,0 МПа, а давление активного газа - 0,3-0,4 МПа. По окончании процесса рафинирования давление инертного и активного газов снижается до 0,2 МПа, устройство извлекается из расплава, после чего подача газов прекращается. Вместо активного газа можно подавать рафинирующие флюсы в виде порошкообразных веществ или гранул в струе инертного газа.
Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию "новизна".
Сравнение заявляемого решения с аналогами позволило выявить в нем признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что свидетельствует о соответствии критерию "изобретательский уровень".
Реализация заявляемого решения в процессе рафинирования расплава алюминия или его сплавов экономически целесообразна из-за простоты разработанной конструкции, дешевизны применяемых материалов, надежности и мобильности устройства.