Устройство для рафинирования жидких металлов и сплавов

Полезная модель относится к металлургии, а именно к устройствам для рафинирования жидких металлов и сплавов, преимущественно алюминиевых.
Известно, что в плавильно-литейном производстве металлические сплавы производят в плавильных печах или миксерах путем смешивания первичного металла с легирующими элементами.
Склонность алюминия и его сплавов к соединению с кислородом приводит к образованию очень прочной оксидной пленки на его поверхности. Количество оксида увеличивается с ростом температуры, а также при увеличении содержания водяных паров в атмосфере. При легировании, перемешивании и удалении шлака оксиды могут переходить в расплав и обнаруживаться в отливках.
В жидком состоянии алюминий также обладает повышенной способностью к растворению водорода, который образуется при взаимодействии жидкого алюминия с водяными парами. Источниками образования водяных паров могут быть влажность шихтовых материалов, футеровки печи, а также влажность воздуха. Наличие в расплаве водорода приводит к образованию пор в отливках, что снижает их прочность [1].
Одним из наиболее эффективных путей решения проблемы получения требуемого конечного содержания примесей в отливках является рафинирование сплавов. Поэтому жидкий металл (расплав) от печи-миксера по транспортному желобу поступает в установки внепечного рафинирования для дегазации и фильтрации и далее направляется в литейную машину для кристаллизации.
Рафинирование расплава следует проводить по возможности непосредственно перед литейной машиной, так как эффективность слишком ранней обработки по ходу процесса снижается последующими процессами при транспортировке.
Одним из вариантов рафинирования может быть дегазация. Возможны два процесса дегазации расплава: выстаивание расплава в среде нейтрального газа или продувка (барботаж) его нейтральным газом. Барботаж является более выгодным процессом по сравнению с выстаиванием: при одном и том же удельном расходе газа он обеспечивает более высокую степень удаления водорода либо при равной степени удаления - экономию рафинирующего газа [2].
Эффективным методом рафинирования алюминия и его сплавов от взвешенных в расплаве неметаллических включений является и фильтрование. Сущность фильтрования состоит в пропускании расплавленного металла через фильтры, изготовленные из нейтральных или активных по отношению к нему материалов [3].
При фильтровании через сетчатые материалы происходит механическое отделение включений на сетчатом фильтре. К сожалению, эти фильтры задерживают только крупные включения, а мелкие проходят.
Эксплуатация установок рафинирования на металлургических предприятиях выявила их достоинства и недостатки. Основным достоинством этих установок является существенное повышение качества приготовляемых сплавов, недостатком - низкая надежность и большие затраты на обслуживание.
Известно, что при движении по транспортному желобу, особенно на большие расстояния, температура расплава значительно снижается, поэтому иногда приходится расплав подогревать в транспортном желобе. Известны косвенный нагрев - когда нагревательный элемент, путем теплопередачи нагревает сам транспортный желоб, по которому течет расплав жидкого металла [4], и прямой нагрев - когда электрический ток пропускают непосредственно по расплаву, тем самым нагревая его [5]. Недостатком этих устройств является то, что они не предусматривают рафинирование расплава.
Наиболее близкой к заявляемому устройству является индукционная установка для рафинирования алюминиевых расплавов [6], установленная в транспортном желобе между миксером и литейной машиной (кристаллизатор), которая содержит два вертикально расположенных цилиндрических канала, соединенных сверху и снизу горизонтальными каналами, перегородку, установленную в верхнем горизонтальном канале, пенокерамический фильтр и систему ввода рафинирующего газа (далее устройство для рафинирования жидких металлов и сплавов).
К недостаткам известного устройства следует отнести следующее:
- низкая надежность пенокерамического фильтра, поскольку все неметаллические включения проходят через него и быстро забивают его;
- в процессе эксплуатации вертикальные каналы зарастают окислами, и требуется их очистка или замена, что приводит к вынужденному простою и, как следствие, к снижению производительности.
В основу нового технического решения положена задача повышения эффективности рафинирования, а также увеличения производительности устройства для рафинирования.
Поставленная задача решается тем, что в сопряженном с транспортным желобом устройстве для рафинирования жидких металлов и сплавов, включающем вертикально расположенные приемный и раздаточный цилиндрические каналы, соединенные сверху и снизу соответствующими горизонтальными каналами, перегородку, установленную в верхнем горизонтальном канале, пенокерамический фильтр, размещенный над раздаточным цилиндрическим каналом, и установленную в приемном канале трубу с соплами для ввода рафинирующего газа, согласно новому техническому решению, в приемном и раздаточном цилиндрических каналах размещены съемные втулки, внутренняя поверхность которых выполнена ребристой, перегородка, установленная в верхнем горизонтальном канале, выполнена из неэлектропроводного материала, а со стороны входа в приемный канал и со стороны выхода из раздаточного канала оно имеет электропроводные тела, вмонтированные в футеровку транспортного желоба с возможностью их контакта с одной стороны с расплавом металла, а с другой стороны - с токоподводящей шиной, подключенной к вторичной обмотке трансформатора.
На фиг. 1 представлено заявляемое устройство для рафинирования жидких металлов и сплавов с кондукционным возбуждением электрического тока в канальной части.
1
2
Устройство для рафинирования жидких металлов и сплавов содержит два вертикально расположенных цилиндрических канала - приемный 1 и раздаточный 2. Сверху и снизу эти каналы соединены горизонтальными каналами 3 и 4 соответственно. В верхнем горизонтальном канале 3 установлена перегородка 5, разделяющая его на два отсека. На выходе из раздаточного отсека над вертикальным каналом 2 установлен фильтр 6 (например, из пен керамики). Внутри вертикальных каналов 1 и 2 между горизонтальными каналами 3 и 4 размещены съемные втулки 7 и 7 соответственно, при этом внутренняя поверхность этих втулок выполнена ребристой. Также в приемном вертикальном канале 1 расположена система ввода рафинирующего газа в виде трубы 8 с соплами 9 в ее нижней части.
Для возбуждения электрического тока в канальной части установленная в горизонтальном канале 3 перегородка 5 выполнена из неэлектропроводного материала. При этом транспортный желоб со стороны входа в приемный канал 1 и со стороны выхода из раздаточного канала 2 имеет секции, в футеровку которых вмонтированы электропроводные тела 10 с возможностью их контакта с одной стороны с расплавом металла, а с другой стороны - с токоподводящей шиной 11, подключенной к вторичной обмотке трансформатора 12.
Работу заявляемого устройства для рафинирования можно пояснить следующим образом.
При наличии электрического тока в единице расплава выделяется в единицу времени энергия:
2
где  - векторы плотности тока (А/м) и напряженности электрического поля (В/м);
3
- векторы скорости (ж/с)расплава и действующей на него удельной электромагнитной силы (Н/м);
2
- модуль плотности тока, А/м;
-1
-1
σ - удельная электропроводность расплава, Ом*м;
Первое слагаемое в правой части (1) определяет тепловую энергию, а второе слагаемое определяет механическую работу, совершаемую в расплаве при протекании электрического тока.
Удельная электромагнитная сила в расплаве определяется как:
где  - вектор магнитной индукции, Тл.
Если в цилиндрическом проводнике с радиусом R протекает постоянный ток I, то
r
где  - единичный вектор, направленный по радиусу проводника, а величина f определяется в [7]
как
0
-7
где μ=4π⋅10 Гн/м.
На находящуюся в расплаве частицу действует Архимедова сила:
2
где  - ускорение свободного падения, м/с,
3
γ - плотность расплава, кг/м,
1
1
3
3
γи V - плотность, кг/м, и объем частицы, м, соответственно.
Кроме силы (4) на частицу действует дополнительная сила, вызванная протеканием по расплаву электрического тока, которая в [5] определяется как
где k - эмпирический коэффициент, равный 0,75.
Здесь знак "минус" указывает на то, что удельная электромагнитная сила  направлена к центру проводника, а сила, выталкивающая частицу на поверхность, направлена противоположно.
Таким образом, пропускание по расплаву электрического тока способствует выталкиванию из него неметаллических включений и газовых пузырьков.
1
Последовательность работы устройства для рафинирования следующая. После заполнения канальной части жидким металлом первичная обмотка трансформатора 12 подключается к сети переменного напряжения. В электрической цепи, включающей последовательно соединенные вторичную обмотку трансформатора 12, токоподводящую шину 11, секции транспортного желоба с электропроводным телом 10 и металлический расплав в канальной части устройства рафинирования, возникает электрический ток I, который замыкается по вертикальным каналам 1, 2 и нижнему горизонтальному каналу 4.
3
Внутренние сечения съемных втулок 7, установленных в вертикальные каналы 1 и 2, меньше сечений горизонтальных каналов 3, 4. В соответствии с (3) электромагнитная сила, сжимающая металл, обратно пропорциональна радиусу проводника третьей степени (1/R), а, следовательно, и сила, выталкивающая неметаллические включения на поверхность проводника, согласно (5) будет на этих участках больше, чем на других участках канальной части. При этом происходит подогрев металлического расплава до требуемой температуры. По мере движения расплава по вертикальным каналам неметаллические включения будут оседать на ребристых поверхностях съемных втулок 7. Введенный в канал 1 через трубу 8 и сопла 9 инертный, либо активный газ диспергируется на мелкие частицы и, двигаясь в потоке расплава и сталкиваясь с неметаллическими включениями, выносит (флотирует) их на поверхность, тем самым повышая эффективность рафинирования.
Схема движения расплава показана на фигуре стрелками, большая часть неметаллических включений оседает на ребристых поверхностях съемных втулок 7, остальная часть остается в фильтре 6. После завершения литья фильтрующий элемент 6 и съемные втулки 7 извлекаются, и перед следующим литьем они подвергаются очистке или заменяются.
Таким образом, заявляемое устройство для рафинирования имеет следующие преимущества перед известными:
- Повышается эффективность рафинирования за счет пропускания по расплаву электрического тока для подогрева расплава и одновременного удаления из него неметаллических включений путем их осаждения на внутренних поверхностях съемных втулок и в фильтре.
- Возможность использования съемных втулок и при необходимости их быстрой замены позволяет сократить время простоя, а, следовательно, повысить и производительность устройства рафинирования, и надежность транспортного желоба.
Это нашло подтверждение в ООО «НПЦ магнитной гидродинамики» при проведении экспериментов с рафинированием и подогревом алюминиевого расплава в опытно-промышленной установке получения непрерывной заготовки из алюминиевого сплава. Пропускание электрического тока по расплаву в транспортном желобе позволило получить литую заготовку, удовлетворяющую необходимым требованиям качества.
Источники информации
1. Газы и окислы в алюминиевых деформируемых сплавах: Добаткин В.Н [и др.] - Москва: Металлургия, 1976. - 263 с.
2. Макаров Г.С. Рафинирование алюминиевых сплавов газами / Макаров Г.С. - Москва: Металлургия, 1977. - 240 с.
3. Курдюмов А.В. Флюсовая обработка и фильтрование алюминиевых расплавов / Курдюмов А.В. - Москва: Металлургия, 1980. - 196 с.
4. Заявка на изобретение 2006122205/02, 07.12.2004 г.
5. Патент на полезную модель №192356. Транспортный желоб литейного комплекса разливки жидкого металла. 03.12.2018 г.
6. Диссертация к.т.н. Маракушин Н.П.: Индукционная установка для рафинирования алюминиевых расплавов 05.09.03. - Красноярск, 2002. - 175 с.
7. Шапиро В.Е. Действие электромагнитных сил при интенсивном индукционном нагреве жидкого металла в каналах. Препринт ИФСО-6Ф, Институт физики им. Л.В. Киренского СО АН СССР, Красноярск, 1972, 26 с.