УСТАНОВКА ОЧИСТКИ И СПОСОБ ОЧИСТКИ
CLEANING PLANT AND METHOD OF CLEANING

Область техники
Настоящее изобретение относится к установке очистки и способу очистки. Конкретнее, настоящее изобретение относится к установке очистки и способу очистки, которые обеспечивают сепарацию и удаление примесей из электропроводящей жидкости, например из расплавленного металлического алюминия.
Уровень техники
В качестве способа очистки алюминия или алюминиевого сплава известна традиционно предлагаемая технология добавления элемента, который образует комплексное соединение (здесь в дальнейшем будет упомянут как элемент, образующий комплексное соединение) с элементом, служащим примесью, в расплавленном металлическом алюминии или алюминиевом сплаве, содержащем элемент, служащий примесью, чтобы осадить в расплавленном металлическом алюминии элемент, служащий примесью, в виде комплексного соединения, центрифугирование расплавленного металлического алюминия для центробежной сепарации комплексного соединения за счет разницы плотностей и накопление подлежащего удалению комплексного соединения на поверхности стенок встряхиваемого сосуда (патентный документ 1). Данный способ применяют при рециклинге, например, алюминиевого сырья, и согласно данному способу, когда элемент, служащий примесью, в расплавленном металлическом алюминии заранее конкретно определен, и выбран соответствующий элемент, образующий комплексное соединение, например, элемент, служащий примесью, представляет собой Fe или Si, то добавляют Mn, Zr или Са, и температуру поддерживают от 640 до 700°С, чтобы обеспечить осаждение комплексного соединения.
С другой стороны, в качестве способа очистки, использующего электромагнитную обработку, был предложен способ создания электромагнитной силы в центральном (внутреннем) направлении в цилиндрическом сосуде, содержащем расплавленный металл, с помощью регулярно изменяющегося магнитного поля, чтобы сконцентрировать включения, обладающие низкими электрическими проводимостями, возле стенки сосуда (непатентная литература 1). Далее, также опубликована информация о том, что был теоретически проанализирован способ приложения сильного магнитного поля к расплавленному металлу для осуществления магнитной сепарации включений, и его эффективность была подтверждена экспериментально (непатентная литература 2).
Патентный документ 1: выложенная заявка №229055-1999 на патент Японии.
Непатентная литература 1: Fumitaka Yamao, Kensuke Sassa et al., "Separation of Inclusions in Liquid Metal Using Fixed Alternating Magnetic Field", Tetsu-to-Hagane, vol.83, №1, 1997.
Непатентная литература 2: Norihisa Waki, Kensuke Sassa et al., "Magnetic Separation of Inclusions in Molten Metal Using a High Magnetic Field", Tetsu-to-Hagane, vol.86, №6, 2000.
Описание изобретения
Задача, решаемая изобретением
Однако согласно способу очистки алюминия или алюминиевого сплава, раскрытому в патентном документе 1, поскольку элемент, являющийся примесью, в расплавленном металлическом алюминии реагирует с элементом, образующим комплексное соединение, для осаждения и удаления данного элемента в виде комплексного соединения, при этом элемент, являющийся удаляемой примесью, ограничен элементом, который реагирует с элементом, образующим комплексное соединение. Более того, элемент, служащий целевой примесью, подлежащей удалению, и элемент, образующий комплексное соединение, должны быть подобраны и добавлены в расплавленный металлический алюминий и, следовательно, данный способ очистки не может быть использован, если элемент, служащий примесью, не может быть заранее конкретно указан. Более того, в некоторых случаях удаляемая примесь может быть ограничена.
Кроме того, в технологии, раскрытой в источнике 1, хотя эффективность электромагнитной сепарации исследована, не исследовано удаление включений со стенки сосуда после сепарации, хотя удаление исключительно включений с поверхности стенки перед извлечением расплавленного металла из сосуда представляется затруднительным. Далее, в технологии, раскрытой в источнике 2, эффективность магнитной сепарации мала, и после сепарации включения не могут быть удалены.
Более того, данные технологии относятся либо к сепарации металлических включений, либо к сепарации неметаллических включений, и они не могут одновременно осуществлять сепарацию металлических включений или неметаллических включений в том случае, когда присутствуют два данных типа включений.
Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить установку очистки и способ очистки, для которых не должен регламентироваться элемент, являющийся примесью. Более того, другая цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить установку очистки и способ очистки, которые могут без труда удалять загрязнения после проведения сепарации. Кроме того, еще одна цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить установку очистки и способ очистки, которые могут удалять элемент, служащий примесью, независимо от его типа. Далее, еще одна цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить установку очистки и способ очистки, которые могут удалять примеси, которые осаждены в виде соединений различных типов независимо от металлической природы, неметаллической природы или условно неметаллической природы.
Методы решения задачи
Для решения поставленной задачи установка очистки по настоящему изобретению содержит: сосуд, в котором удерживается электропроводящая жидкость, имеющая примеси; генератор электромагнитной силы, который создает в электропроводящей жидкости направленную вниз или вверх электромагнитную силу, которая вызывает циркуляцию электропроводящей жидкости; и отводящее устройство для отвода примесей, собранных в области низкого давления, возникшей вследствие созданной электромагнитной силой разницы в давлении в электропроводящей жидкости. Более того, согласно способу очистки по настоящему изобретению, направленная вниз или вверх электромагнитная сила приложена к электропроводящей жидкости, циркулирующей в сосуде; разность давлений создается в электропроводящей жидкости электромагнитной силой и подлежащие удалению неметаллическая примесь и условно неметаллическая примесь в электропроводящей жидкости собираются в области низкого давления, образовавшемся вследствие разницы в давлении.
Следовательно, когда генерируют электромагнитную силу, направленную вверх или вниз, в электропроводящей жидкости при помощи генератора электромагнитной силы, данная электромагнитная сила служит движущей силой для осуществления циркуляции электропроводящей жидкости. Более того, разница в давлении создается этой электромагнитной силой вблизи уровня жидкости или в нижней области электропроводящей жидкости. Неметаллическая примесь и примесь, которая является металлической примесью, но обладает достаточно малой электрической проводимостью (которая здесь в дальнейшем будет упомянута как условно неметаллическая примесь), в электропроводящей жидкости, то есть неметаллическая примесь и условно неметаллическая примесь, которые не перемещаемы непосредственно электромагнитной силой, собираются в области низкого давления, то есть в положении вблизи уровня жидкости или в нижней области электропроводящей жидкости, что обусловлено разницей в давлении в электропроводящей жидкости. Кроме того, если неметаллическую примесь и условно неметаллическую примесь, собранные в области низкого давления, отводят из сосуда с помощью отводящего устройства, электропроводящая жидкость может быть очищена. То есть электромагнитную сепарацию осуществляют, используя электромагнитную силу в качестве движущей силы, вызывающей циркуляцию электропроводящей жидкости, и тем самым очистку электропроводящей жидкости.
Далее, в установке очистки и способе очистки по настоящему изобретению направление электромагнитной силы, генерированной генератором электромагнитной силы, не ограничено конкретным направлением, и может быть применено либо вертикально нисходящее направление, либо вертикально восходящее направление, однако нисходящее направление является предпочтительным. В данном случае часть уровня электропроводящей жидкости представляет собой участок низкого давления, имеющий наименьшее давление, и неметаллическая примесь и условно неметаллическая примесь вытесняются и собираются в этой области уровня жидкости из-за разницы в давлении электропроводящей жидкости. Электропроводящая жидкость, перемещаемая в нижнем направлении электромагнитной силой, в нижней части сосуда побуждается к перемещению в обратном направлении, то есть она течет в верхнем направлении, и затем вблизи уровня жидкости снова начинает перемещаться в обратном направлении, то есть она течет в нижнем направлении. Здесь, из примесей, содержащихся в электропроводящей жидкости, примесь металла, электропроводимость которой в некоторой степени больше (которая в дальнейшем будет упомянута как металлическая примесь), то есть металлическая примесь, которая непосредственно приводится в движение электромагнитной силой, циркулирует вместе с электропроводящей жидкостью и, следовательно, использование разницы в давлении электропроводящей жидкости для концентрирования данной примеси в области низкого давления представляется затруднительным.
Таким образом, в установке очистки по настоящему изобретению предпочтительно, чтобы ферромагнитная структура, через которую может проходить электропроводящая жидкость, была расположена в циркулирующем в сосуде потоке электропроводящей жидкости, генератор магнитной силы, который создает магнитное поле в ферромагнитной структуре, был помещен на внешней стороне сосуда и металлическая примесь, циркулирующая вместе с электропроводящей жидкостью под действием электромагнитной силы, сцеплялась с ферромагнитной структурой при помощи магнитного поля. Более того, в способе очистки по настоящему изобретению предпочтительно, чтобы ферромагнитная структура была расположена в том положении в электропроводящей жидкости, где имеет место поток электропроводящей жидкости, чтобы магнитный поток постоянного тока проникал через ферромагнитную структуру для создания градиента в магнитном поле вокруг ферромагнитной структуры и металлическая примесь, циркулирующая вместе с электропроводящей жидкостью, была побуждена к сцеплению и могла быть удалена магнитной силой, пропорциональной градиенту в магнитном поле.
В данном случае, когда металлическая примесь, циркулирующая вместе с электропроводящей жидкостью под действием электромагнитной силы, побуждена к сцеплению с ферромагнитной структурой и к сепарации от электропроводящей жидкости, электропроводящая жидкость может быть очищена. То есть электропроводящая жидкость может быть очищена проведением магнитной сепарации. Поскольку магнитную сепарацию осуществляют в ходе циркуляции всей электропроводящей жидкости, металлическая примесь в электропроводящей жидкости постепенно удаляется, таким образом, имеет место очистка электропроводящей жидкости. Таким образом, магнитная сепарация может быть осуществлена одновременно с электромагнитной сепарацией в целях очистки электропроводящей жидкости.
Далее, хотя расположение ферромагнитной структуры, непосредственно контактирующей с потоком электропроводящей жидкости, в циркулирующем потоке электропроводящей жидкости является предпочтительным, более предпочтительным является расположение ферромагнитной структуры вблизи положения, где направление течения циркулирующего потока электропроводящей жидкости изменяется с восходящего направления на нисходящее направление. В данном случае поток электропроводящей жидкости становится спокойным, сцепление металлической примеси с ферромагнитной структурой облегчается, и металлическая примесь уже не может быть легко смыта потоком электропроводящей жидкости.
Более того, в установке очистки по настоящему изобретению предпочтительно, чтобы генератор электромагнитной силы представлял собой трехфазную катушку переменного тока и чтобы она была расположена вокруг сосуда для создания нисходящего или восходящего бегущего магнитного поля в электропроводящей жидкости.
Кроме того, в установке очистки по настоящему изобретению предпочтительно, чтобы охладитель, который охлаждает сосуд, располагался вне сосуда вблизи уровня жидкости электропроводящей жидкости, и нагреватель, например катушка индукционного нагрева, располагался в нижней части сосуда, чтобы обеспечить возможность регулирования температуры.
Эффект изобретения
Согласно установке и способу очистки по настоящему изобретению направленная вверх или вниз электромагнитная сила прилагается к подлежащей циркуляции электропроводящей жидкости в сосуде, разница в давлении (которая также называется электромагнитной Архимедовой силой) создается электромагнитной силой в электропроводящей жидкости и подлежащие удалению неметаллическая примесь и условно неметаллическая примесь в электропроводящей жидкости концентрируют в области низкого давления, сформировавшемся на уровне жидкости или в нижней части электропроводящей жидкости вследствие разницы в давлении, тем самым позволяя без труда удалить примеси и очистить электропроводящую жидкость.
Далее, согласно установке очистки настоящего изобретения, поскольку механически перемещаемые части не используются, конструкция может быть упрощена и размер установки может быть уменьшен. Более того, маловероятно, что установка не будет функционировать должным образом и, следовательно, может быть повышена надежность. Кроме того, можно увеличить срок службы и долговечность установки. Помимо этого, примесь, которая не перемещается электромагнитной силой, может быть сепарирована и удалена независимо от типа элемента, являющегося примесью, при этом элемент, который образует комплексное соединение с элементом, являющимся примесью, не добавляют и не осаждают интерметаллическое соединение, подлежащее центробежной сепарации, и, следовательно, настоящее изобретение может быть применено к примеси, для которой тип элемента-примеси конкретно не определен. Далее, если использована электропроводящая жидкость, становится возможной очистка не только металла, например расплавленного металлического алюминия, но также других электропроводящих жидкостей. Следовательно, общая универсальность установки очистки может быть улучшена и также может быть расширена ее применимость.
Более того, согласно изобретению, при генерации направленной вниз электромагнитной силы, неметаллическая примесь и условно неметаллическая примесь, которые не перемещаются электромагнитной силой, могут быть собраны в участке уровня жидкости, и данные примеси могут быть легко отведены. Следовательно, конструкция отводящего устройства может быть упрощена.
Кроме того, согласно настоящему изобретению, когда ферромагнитная структура, через которую может проходить электропроводящая жидкость, расположена в циркулирующем потоке электропроводящей жидкости, металлическая примесь, циркулирующая вместе с электропроводящей жидкостью под действием электромагнитной силы, может быть побуждена к сцеплению с ферромагнитной структурой, что, тем самым, одновременно обеспечивает сепарацию и удаление металлической примеси при циркуляции всей электропроводящей жидкости. То есть становится возможным удаление металлической примеси помимо неметаллической примеси и условно неметаллической примеси, содержащихся в электропроводящей жидкости. Следовательно, примеси, содержащиеся в электропроводящей жидкости, такие как металлическая примесь, неметаллическая примесь и условно неметаллическая примесь, независимо могут быть удалены до достижения исключительной чистоты электропроводящей жидкости. Следовательно, могут быть удалены примеси, осажденные в виде соединений различных классов. Кроме того, поскольку структура, которая удаляет металлическую примесь, не имеет механически перемещаемой части, как и структура, которая удаляет неметаллическую примесь или условно неметаллическую примесь, то конструкция может быть упрощена и размер установки может быть уменьшен. Далее, поскольку маловероятно, что установка не будет функционировать должным образом, надежность может быть повышена. Более того, срок службы увеличен, и долговечность может быть увеличена.
Кроме того, в установке очистки по настоящему изобретению, в которой ферромагнитная структура расположена вблизи положения, где направление течения циркулирующего потока электропроводящей жидкости изменяется с восходящего направления на нисходящее направление, поток электропроводящей жидкости становится спокойным, сцепление металлической примеси с ферромагнитной структурой облегчается, и металлическая примесь уже не может быть легко смыта потоком электропроводящей жидкости.
Кроме того, в установке очистки по настоящему изобретению при применении трехфазной катушки переменного тока в качестве генератора электромагнитной силы, поскольку лишь протекание трехфазного переменного тока делает возможным формирование восходящего и нисходящего бегущего магнитного поля, могут быть упрощены конструкция и управление.
Далее, в установке очистки по настоящему изобретению, когда в сосуде имеется цилиндрическая перегородка, которая разделяет поток электропроводящей жидкости, созданный возле периферической стенки, и внутренний поток, противоположный данному потоку, поскольку поток электропроводящей жидкости, созданный возле периферической стенки сосуда, и внутренний поток, противоположный данному потоку, разделены перегородкой, несомненно может быть создан циркулирующий в восходящем и нисходящем направлении поток, то есть поток, проходящий через ферромагнитную структуру.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 представлено поперечное сечение, показывающее пример осуществления установки очистки по настоящему изобретению;
на Фиг.2 показана трехфазовая катушка переменного тока в качестве генератора электромагнитной силы, где (А) представляет собой поперечное сечение трехфазной катушки переменного тока, (В) представляет собой изображение, показывающее разность фаз трехфазной катушки переменного тока и (С) представляет собой изображение, показывающее электрическую схему трехфазной катушки переменного тока; и
на Фиг.3 представлено поперечное сечение, показывающее генератор магнитной силы, который позволяет функционировать магниту.
Перечень обозначений
1 - электропроводящая жидкость,
1а - область низкого давления,
2 - сосуд,
3 - генератор электромагнитной силы, 4 - отводящее устройство, 16 - ферромагнитная решетка (ферромагнитная структура), 17 - генератор магнитной силы (магнит), 21А - неметаллическая примесь, 21В - условно неметаллическая примесь (примесь, включающая в себя металл, но имеющая меньшую электропроводность по сравнению с веществом в металлическом состоянии), 21С - металлическая примесь, F - электромагнитная сила.
Варианты осуществления изобретения
Настоящее изобретение будет подробно объяснено со ссылкой на наилучший вариант, проиллюстрированный на чертежах.
На Фиг.1 показан пример осуществления установки очистки по настоящему изобретению. Установка очистки включает сосуд 2, в котором содержится электропроводящая жидкость 1, имеющая примеси, генератор 3 электромагнитной силы, который генерирует в электропроводящей жидкости 1 электромагнитную силу F, которая вызывает циркуляцию электропроводящей жидкости 1, и отводящее устройство 4, которое отводит неметаллическую примесь 21А и условно неметаллическую примесь 21В, собранные в области 1а низкого давления, образованной вследствие создаваемой электромагнитной силой F разницы в давлении в электропроводящей жидкости 1. В данном осуществлении будет объяснен пример установки очистки, которая расплавляет и очищает, например, алюминиевый продукт, из собранного для повторного использования алюминия. Однако настоящее изобретение, конечно, может быть использовано в установке очистки, которую используют в целях, отличных от рециклинга алюминия.
Электропроводящая жидкость 1 представляет собой расплавленный металлический алюминий, полученный нагреванием и расплавлением подлежащего очистки материала, например собранного алюминиевого продукта. В общем, элемент, например, Fe, Mg, Zr или Si, добавлен в алюминиевый продукт, и данные добавленные элементы включены в качестве примесей в расплавленный металлический алюминий, полученный расплавлением алюминиевого продукта. Установка очистки сепарирует и удаляет данные примеси в целях очистки расплавленного металлического алюминия. Однако электропроводящая жидкость 1 не ограничена расплавленным металлическим алюминием и может представлять собой жидкий металл, отличный от расплавленного металлического алюминия, или жидкость с проводимостью, отличной от проводимости металлов.
Сосуд 2 изготовлен из материала, который имеет достаточно высокую температуру плавления, большую чем температура электропроводящей жидкости 1, и который обладает магнитопроницаемостью для формирования магнитных силовых линий, например, из цветного металла, аустенитной нержавеющей стали, меди или алюминия, имеющих относительную проницаемость, близкую к 1, или из так называемого немагнитного вещества, такого как графит или керамика. Цилиндрическая перегородка 5 расположена в сосуде 2 путем прикрепления перегородки 5 к не показанной на чертеже опоре, и она отделяет нисходящий поток электропроводящей жидкости 1, созданный на внешней стороне перегородки 5, и восходящий поток электропроводящей жидкости 1, созданный на ее внутренней стороне. Нижняя пластина 2а сосуда 2 имеет форму, которая способствует инверсии направления потока электропроводящей жидкости 1, например полусферическую форму. Катушка 6 индукционного нагрева, которая нагревает электропроводящую жидкость 1 для регулирования температуры, расположена вокруг нижней пластины 2а сосуда 2. Впускная труба 7, через которую подают электропроводящую жидкость 1, установлена в пластину-крышку 2b сосуда 2 и выпускная труба 8, через которую отводят электропроводящую жидкость 1, установлена в нижнюю пластину 2а соответственно. Клапаны 9 и 10 установлены во впускную трубу 7 и выпускную трубу 8 соответственно.
Генератор 3 электромагнитной силы состоит из катушки переменного тока, которая в данном осуществлении создает вертикально нисходящее бегущее магнитное поле, и она расположена таким образом, чтобы окружать периферическую стенку 2 с сосуда 2. В данном осуществлении трехфазная катушка переменного тока использована в качестве генератора 3 электромагнитной силы. Однако может быть использована катушка переменного тока, отличная от трехфазной катушки переменного тока.
На Фиг.2(А) показано поперечное сечение части генератора 3 электромагнитной силы. Необходимо отметить, что на Фиг.2(А) теплозащитная пластина 11 не представлена. В трехфазной катушке переменного тока, как генератора 3 электромагнитной силы, соответственные катушки 3а соответственно соединены проволочным соединением, образуя пары комбинаций А-Х, B-Y и C-Z, катушки 3а А, В и С имеют одинаковое направление обмотки, катушки 3а X, Y и Z имеют одинаковое направление обмотки, и направление обмотки катушек 3а А, В и С противоположно направлению обмотки катушек 3а X, Y и Z. На каждую катушку 3а намотано несколько витков обмотки в количестве примерно 20 витков в каждой канавке 12а сердечника 12. Здесь число витков определено так, чтобы удовлетворять условию: (интенсивность магнитного поля)=(число витков) · (ток). Далее, ток, текущий через каждую катушку 3а, получают из выражения: (ток)=(напряжение) : (импеданс).
Соответственные катушки 3а расположены ближе к нижней части сосуда 2 в аксиальном направлении в порядке: A, Z, В, X, С, Y, А, …, и Y, и разность фаз соответствующих катушек 3а составляет 60 градусов. Например, как показано на Фиг.2(В) и (С), когда А имеет 0 градусов, Z имеет 60 градусов, В имеет 120 градусов, X имеет 180 градусов, С имеет 240 градусов и X имеет 300 градусов. Когда ток, который представляет собой трехфазный переменный ток, течет из не показанного на чертеже источника питания к генератору 3 электромагнитной силы, например, как показано стрелками на Фиг.2(А), то магнитная силовая линия, которая достигает электропроводящей жидкости 1 из сердечника 12 через теплозащитную пластину 11 и периферическую стенку сосуда 2 и затем возвращается к сердечнику 12 через сосуд 2 и теплозащитную пластину 11, генерируется вблизи периферической стенки сосуда (внутренняя сторона, близкая к периферической стенке сосуда). Хотя магнитная силовая линия создается соответственно каждой катушкой 3а, нисходящее бегущее магнитное поле в аксиальном направлении сосуда 2 создается в зависимости от разности фаз или в зависимости от направлений обмотки катушек 3а, примыкающих друг к другу, или в зависимости от изменения тока, текущего через каждую катушку 3а.
Когда генератор 3 электромагнитной силы использован для создания нисходящего бегущего магнитного поля, ток, текущий в направлении вдоль окружности, создается в положении электропроводящей жидкости 1 вблизи сосуда 2, то есть в положении, где магнитная силовая линия проникает в радиальном направлении. Например, ток, текущий из внутренней стороны в направлении внешней стороны, как показано на чертеже, генерируется в положении Р1 на Фиг.2(А), а ток, текущий из внешней стороны в направлении внутренней стороны, создается в положении Р2 на той же Фиг.2(А). Направленная вниз электромагнитная сила F генерируется вследствие прохождения магнитного поля, и токи, созданные в электропроводящей жидкости 1, основаны на правиле левой руки Флеминга. Хотя направления токов, созданных в электропроводящей жидкости 1, могут быть противоположными в зависимости от положений, направление обмотки катушек 3а А, В и С также противоположно направлению обмотки катушек 3а X, Y и Z и, следовательно, генерируется постоянно направленная вниз электромагнитная сила F. Данная электромагнитная сила F создается в потоке 13 между сосудом 2 и перегородкой 5, то есть в потоке на внешней стороне перегородки 5, и она перемещает вниз электропроводящую жидкость 1.
Отводящее устройство 4 представляет собой трубу, из которой электропроводящую жидкость 1 отсасывают и отводят в положении вблизи уровня 18 жидкости, и оно размещено в пластине-крышке 2b сосуда 2. Отводящее устройство 4 соединено, например, с не показанным на чертеже насосом. Более того, в средней точке отводящего устройства 4 имеется клапан 14.
В установке очистки ферромагнитная структура 16, с которой под действием электромагнитной силы F сцепляется металлическая примесь 21С, циркулирующая вместе с электропроводящей жидкостью 1, помещена в электропроводящую жидкость 1. Ферромагнитная структура 16 облегчает проникновение магнитного поля, увеличивает градиент в магнитном поле на своей поверхности и тем самым вызывает сцепление металлической примеси 21 с собой, и в данном осуществлении она образована в виде структуры из железных стрежней, имеющих высокую магнитную проницаемость, в виде решетчатой формы (которая здесь в дальнейшем будет упомянута как ферромагнитная решетка 16) для того, чтобы предотвратить прекращение потока электропроводящей жидкости и увеличить площадь поверхности. Электропроводящая жидкость может проходить через пространство между стержнями, образующими ферромагнитную решетку 16. Предпочтительно помещать ферромагнитную решетку 16 в положении, где проходит поток электропроводящей жидкости 1, созданный благодаря электромагнитной силе в сосуде 2, особенно в положении, где скорость потока электропроводящей жидкости понижена или где электропроводящая жидкость способна остановиться, несмотря на свое течение, и желательно поместить ферромагнитную решетку 16, например, в область, где поток электропроводящей жидкости разворачивают выше перегородки 5. В данном случае, поскольку электропроводящая жидкость 1 проходит через ферромагнитную решетку 16, когда восходящий поток электропроводящей жидкости 1, образованный в сосуде 2, разворачивают в нисходящий поток, скорость потока электропроводящей жидкости 1 понижается или данный поток способен остановиться, электропроводящая жидкость 1 медленно проходит через решетку 16, металлическая примесь 21С, выделившаяся в электропроводящей жидкости 1 в виде кристалла интерметаллического соединения, тем самым, способна сцепляться с ферромагнитной решеткой 16 благодаря магнитной силе, и металлическая примесь 21С уже с трудом поддается смыванию после сцепления.
Генератор 17 магнитной силы, который создает магнитное поле в ферромагнитной решетке 16 в электропроводящей жидкости, расположен вне сосуда 2. Генератор 17 магнитной силы создает магнитную силовую линию, идущую через сосуд 2 в радиальном направлении и проникающую в ферромагнитную решетку 16, и он образован, например, парой катушек постоянного тока (которые здесь в дальнейшем будут упомянуты как катушки 17 постоянного тока), расположенных вне сосуда 2, как показано на Фиг.3. Соответственные катушки 17 постоянного тока расположены друг против друга, а ферромагнитная решетка 16 расположена между ними. Когда направления токов, текущих через соответственные катушки 17 постоянного тока, противоположны друг другу, если смотреть извне сосуда 2 в радиальном направлении, может быть генерирована магнитная силовая линия В, идущая через сосуд 2 в радиальном направлении. Однако устройство, которое генерирует магнитную силовую линию, идущую через сосуд 2 в радиальном направлении, не ограничено парой катушек 17 постоянного тока, и оно может представлять собой, например, пару постоянных магнитов. То есть магнитная силовая линия В, идущая через сосуд 2 в радиальном направлении, может быть создана путем расположения пары постоянных магнитов по диаметру сосуда 2 с ферромагнитной решеткой 16, расположенной между ними, и путем размещения полюса N одного постоянного магнита лицевой стороной к сосуду 2, при одновременном размещении полюса S другого постоянного магнита лицевой стороной к сосуду 2. Более того, генератор 17 магнитной силы может представлять собой любое другое устройство.
Охладитель 19, который охлаждает электропроводящую жидкость 1 вблизи уровня 18 жидкости, расположен вокруг периферической стенки 2с сосуда 2. Охладитель 19 расположен в положении, соответствующем нижней части уровня жидкости электропроводящей жидкости для того, чтобы окружать периферическую стенку 2с, и введен, чтобы охлаждать периферическую стенку сосуда. Кроме того, охладитель 19 и катушка 6 индукционного нагрева, расположенная в нижней части сосуда 2, регулируют температуру электропроводящей жидкости, чтобы ее температура находилась в температурном диапазоне, который подходит для проведения электромагнитной сепарации и магнитной сепарации. Далее, теплозащитная пластина 11, которая окружает сосуд 2 для предотвращения распространения лучистой теплоты из сосуда 2, расположена между сосудом 2 и генератором 3 электромагнитной силы и между сосудом 2 и генератором 17 магнитной силы, защищая, тем самым, генератор 3 электромагнитной силы и генератор 17 магнитной силы от лучистой теплоты из сосуда 2. Теплозащитная пластина 11 имеет, например, цилиндрическую форму и образована из цветного металла, аустенитной нержавеющей стали, меди или алюминия, имеющих относительную проницаемость, близкую к 1, или так называемого немагнитного вещества, такого как графит или керамика.
Теперь будет пояснен способ очистки на примере подлежащего повторной переработке алюминия. Согласно способу очистки электромагнитную силу F сообщают подлежащей циркуляции электропроводящей жидкости 1 в сосуде 2, электромагнитной силой F создают разность в давлении в электропроводящей жидкости 1; подлежащие отведению неметаллическую примесь 21А и условно неметаллическую примесь 21В, содержащиеся в электропроводящей жидкости, собирают в участке 1а низкого давления, используя данную разность в давлении. В данном осуществлении создают нисходящую (направленную вниз) электромагнитную силу F. Более того, магнитный поток течет через ферромагнитную решетку 16 в электропроводящей жидкости 1 из генератора 17 магнитной силы, расположенного вне сосуда 2, и металлическая примесь 21С, циркулирующая вместе с электропроводящей жидкостью 1 под действием электромагнитной силы F, побуждается к сцеплению с ферромагнитной решеткой 16 и затем подвергается удалению.
Во-первых, открывают клапан 9 впускной трубы 7, и расплавленный металлический алюминий в качестве электропроводящей жидкости 1, расплавленной в не показанной на чертеже печи, подают в сосуд 2 через впускную трубу 7. Примесь в расплавленном металлическом алюминии осаждается как кристалл, когда он находится в расплавленном состоянии, и расплавленный металлический алюминий нагревают до температуры, при которой сохраняется данный осадок, например, до 700-900°С. Более того, подают заранее определенное количество электропроводящей жидкости 1, и затем клапан 9 закрывают. Кроме того, используют катушку 6 индукционного нагрева для настройки температуры электропроводящей жидкости 1 до вышеуказанной температуры, как это необходимо. То есть осуществляют термическую изоляцию. В результате может быть сохранена должная текучесть электропроводящей жидкости 1.
Затем подают энергию на генератор 3 электромагнитной силы и генератор 17 магнитной силы. Когда на генератор 3 электромагнитной силы подана энергия, в электропроводящей жидкости 1 создается нисходящая электромагнитная сила F в потоке 13 вне перегородки 5. Данная электромагнитная сила F перемещает вниз в вертикальном направлении подлежащую циркуляции электропроводящую жидкость 1 в сосуде 2. То есть электропроводящую жидкость 1, которая текла вниз в потоке 13 на внешней стороне перегородки 5, разворачивают в нижней части сосуда 2, чтобы она текла вверх в потоке 20 по внутренней стороне перегородки 5, и затем ее разворачивают при ее прохождении через ферромагнитную решетку 16 для того, чтобы она текла вниз в потоке 13 по внешней стороне перегородки 5.
При этом примеси, содержащиеся в электропроводящей жидкости 1, то есть неметаллическая примесь 21А, которая не подчиняется воздействию электромагнитной силы F, и условно неметаллическая примесь 21В, которую можно рассматривать как имеющую малую электрическую проводимость и не подчиняющуюся воздействию электромагнитной силы F, даже если она представляет собой металл, не перемещаются электромагнитной силой F и, следовательно, не подвергаются вертикальной циркуляции в сосуде 2. С другой стороны, металлическая примесь 21С, которая обладает электрической проводимостью, которая в некоторой степени больше, и когда в достаточной степени подчиняется воздействию электромагнитной силы F, перемещается электромагнитной силой F и подвергается циркуляции в вертикальном направлении в сосуде 2.
Разница в давлении создается в электропроводящей жидкости 1 электромагнитной силой F. Поскольку генератор 3 электромагнитной силы генерирует нисходящую электромагнитную силу F, так называемая электромагнитная Архимедова сила создает более высокое давление в нижнем сегменте электропроводящей жидкости 1, давление уменьшатся по направлению к верхней стороне, и сегмент вблизи уровня 18 жидкости представляет собой область 1а низкого давления, имеющую наименьшее давление. Неметаллическая примесь 21А и условно неметаллическая примесь 21В, которые не перемещаются электромагнитной силой F, постепенно движутся в направлении области 1а низкого давления благодаря разнице в давлении электропроводящей жидкости 1. То есть осуществляется электромагнитная сепарация. Далее, по прошествии времени, достаточного для накопления всей неметаллической примеси 21А и условно неметаллической примеси 21В, включенной в электропроводящую жидкость 1, в участке 1а низкого давления, неметаллическую примесь 21А и условно неметаллическую примесь 21 В отводят вместе с электропроводящей жидкостью 1 отводящим устройством 4. Таким образом, электромагнитную силу F, служащую движущей силой, которая осуществляет циркуляцию электропроводящей жидкости 1, используют для проведения электромагнитной сепарации, тем самым наилучшим образом сепарируя неметаллическую примесь 21А и условно неметаллическую примесь 21 В, имеющиеся в электропроводящей жидкости 1. Когда электропроводящая жидкость 1 представляет собой расплавленный металлический алюминий, дополнительный элемент, например Si, сепарируют как неметаллическую примесь 21А или условно неметаллическую примесь 21В.
Более того, когда на генератор 17 магнитной силы подана энергия, магнитная силовая линия проходит через ферромагнитную решетку 16. Металлическая примесь 21С в электропроводящей жидкости 1 подвергается воздействию электромагнитной силы F, генерированной генератором 3 электромагнитной силы, чтобы циркулировать в сосуде 2 вместе с электропроводящей жидкостью 1, и сцепляется с ферромагнитной решеткой 16 под действием магнитной силы при прохождении через ферромагнитную решетку. То есть проводится магнитная сепарация. Более того, по прошествии времени, достаточного для того, чтобы вся металлическая примесь 21С, включенная в электропроводящую жидкость 1, сцепилась с ферромагнитной решеткой 16, электропроводящую жидкость 1, из которой была отделена металлическая примесь 21С, выпускают через выпускную трубу 8. Таким образом, магнитную сепарацию осуществляют во время циркуляции электропроводящей жидкости 1, тем самым наилучшим образом сепарируя металлическую примесь 21С, включенную в электропроводящую жидкость 1. Когда электропроводящая жидкость 1 представляет собой расплавленный металлический алюминий, примесный элемент, например, Fe, Mg или Zr, отделяется как металлическая примесь 21С.
Необходимо отметить, что установка очистки осуществляет электромагнитную сепарацию одновременно с магнитной сепарацией посредством ферромагнитной решетки 16 и генератора 17 магнитной силы и, следовательно, неметаллическую примесь 21А и условно металлическую примесь 21В в действительности отводят вместе с электропроводящей жидкостью 1 с помощью отводящего устройства 4 по прошествии времени, достаточного как для электромагнитной сепарации, так и магнитной сепарации, и затем электропроводящую жидкость 1 выпускают через выпускную трубу 8. Хотя примесь 21, включенная в электропроводящую жидкость 1, может быть грубо классифицирована на неметаллическую примесь 21А, условно неметаллическую примесь 21В и металлическую примесь 21С, установка очистки может осуществлять электромагнитную сепарацию и магнитную сепарацию одновременно, и может хорошо сепарировать все примеси, имеющиеся в электропроводящей жидкости 1. Следовательно, электропроводящая жидкость 1 может быть очищена с высоким качеством. В случае очистки алюминия, взятого в данном осуществлении в качестве примера, металлические включения фактически присутствуют в алюминии в форме интерметаллического соединения (например, Al-Si-Fe). Поскольку данные соединения осаждают в виде кристаллов, когда алюминий расплавлен, они подвергаются магнитной сепарации. С другой стороны, неметаллическая примесь и условно неметаллическая примесь, имеющая температуру плавления более низкую, чем температура плавления алюминия, не присутствует или содержится в такой концентрации, что это не создает затруднений, даже если она присутствует, и можно считать, что такая неметаллическая примесь обычно представляет собой соединение, имеющее высокую температуру плавления (например, Si-C). Следовательно, большинство включений, то есть примесей, удаляют, используя электромагнитную сепарацию и магнитную сепарацию. Однако, если элемент, который становится примесью, растворимой в расплавленном металле, когда алюминий расплавлен, присутствует в зависимости от обстоятельств, то может быть добавлена примесь, которая необходима для осаждения данного элемента в виде кристалла интерметаллического соединения.
Согласно настоящему изобретению, поскольку электромагнитную сепарацию осуществляют для удаления неметаллической примеси 21А и условно неметаллической примеси 21В, любые примеси могут быть, несомненно, сепарированы и удалены, пока они представляют собой примеси, которые не проводят электрический ток и не являются перемещаемыми электромагнитной силой F, или если их можно рассматривать как обладающие достаточно малой электрической проводимостью и как неперемещаемые электромагнитной силой F. Кроме того, настоящее изобретение может быть применено к примесям 21А и 21В, типы которых конкретно не определены.
Подобно этому, поскольку магнитную сепарацию осуществляют для удаления металлической примеси 21С, то могут быть, несомненно, сепарированы и удалены примеси, включающие широкий набор металлических элементов. Далее, настоящее изобретение может быть применено к металлической примеси 21С, элемент которой конкретно не определен.
Необходимо отметить, что вышеприведенное осуществление представляет собой пример предпочтительных осуществлений согласно настоящему изобретению, однако настоящее изобретение им не ограничено, и могут быть предложены многочисленные варианты осуществления данного изобретения в пределах его объема.
Например, хотя настоящее изобретение представлено как установка очистки, которая одновременно проводит электромагнитную сепарацию и магнитную сепарацию в одном сосуде во время вертикальной циркуляции электропроводящей жидкости, осуществляемой путем воздействия электромагнитной силы на электропроводящую жидкость в сосуде при помощи бегущего магнитного поля, вызванного трехфазным переменным током в данном осуществлении, настоящее изобретение может быть представлено как установка очистки, которая проводит только электромагнитную сепарацию, не используя генератор 17 магнитной силы и ферромагнитную решетку 16, или когда исключен монтаж данных устройств. В таком случае даже если металлическая примесь 21С не может быть подвергнута магнитной сепарации, неметаллическая примесь 21А и условно металлическая примесь 21В могут быть собраны на уровне жидкости или в нижней части расплавленного металла и легко удалены, когда металлическую примесь 21С не следует отделять от электропроводящей жидкости или когда очевидно, что металлическая примесь 21С не включена в электропроводящую жидкость 1. Далее, электромагнитная сепарация и магнитная сепарация могут быть осуществлены в разных сосудах или в разное время.
Далее, хотя деталь, имеющая решетчатую форму, использована в качестве ферромагнитной решетки 16 в вышеприведенном пояснении, данная деталь не ограничена решетчатой формой, если она имеет форму, которая позволяет металлической примеси 21С сцепиться с ней, в то же время обеспечивая наилучшее прохождение циркулирующей электропроводящей жидкости 1. Например, существует возможность подобрать деталь, имеющую форму, полученную спиральной навивкой линейного ферромагнитного вещества, или форму спутанной в клубок сети. Далее ферромагнитная структура 16 может быть образована множеством ферромагнитных пластин, расположенных через промежутки параллельно направлению потока электропроводящей жидкости 1.
Более того, хотя в вышеприведенном пояснении нисходящую электромагнитную силу F создает генератор 3 электромагнитной силы, направление электромагнитной силы F не ограничено нисходящим направлением. Например, может быть генерирована восходящая электромагнитная сила F. Кроме того, вполне достаточно, чтобы электромагнитная сила F имела нисходящее или восходящее направление и имела данные направления в качестве главных компонентов, направление потока электропроводящей жидкости 1 само по себе не становится проблемой и эффект электромагнитной сепарации может быть получен даже если электропроводящая жидкость течет по спирали. В этой связи, когда генерирована восходящая электромагнитная сила F, давление имеет высокое значение возле уровня 18 жидкости электромагнитной жидкости 1, тогда как в ее нижней части давление имеет низкое значение и, следовательно, неметаллическая примесь 21А и условно неметаллическая примесь 21В двигается вниз вследствие разницы в давлении электропроводящей жидкости 1. Следовательно, неметаллическая примесь 21А и условно неметаллическая примесь 21B, содержащиеся в электропроводящей жидкости 1, могут быть собраны в нижней части сосуда 2, то есть примесь может быть отведена с использованием выпускной трубы 8. В данном случае, устройство, которое используют для отведения примесей 21А и 21В может отсутствовать и конструкция установки очистки может быть дополнительно упрощена.
Далее, хотя в вышеприведенном пояснении электромагнитную сепарацию проводят в течение времени, достаточного для концентрирования всей неметаллической примеси 21А и всей условно неметаллической примеси 21В, включенных в электропроводящую жидкость 1, в участке 1а низкого давления, время электромагнитной сепарации не ограничено указанным. Когда степени очистки является низкой и этого достаточно, время электромагнитной сепарации может быть сокращено. Подобно этому, хотя в вышеприведенном пояснении магнитную сепарацию осуществляют в течение времени, достаточного для того, чтобы вся металлическая примесь 21С, включенная в электропроводящую жидкость 1, сцепилась с ферромагнитной решеткой 16, время магнитной сепарации не ограничено указанным. Когда время является достаточным по причине низкой чистоты, время магнитной сепарации может быть сокращено. То есть время проведения электромагнитной сепарации или время проведения магнитной сепарации может быть определено в соответствии с требуемой чистотой.
Более того, хотя в вышеприведенном пояснении катушка переменного тока использована в качестве генератора 3 электромагнитной силы, для генерации электромагнитной силы F может быть использовано устройство, отличное от катушки переменного тока. Например, когда температура электропроводящей жидкости 1 относительно низка, то для непосредственной подачи постоянного тока к электропроводящей жидкости 1 может быть использован электрод, образованный из материала, имеющего температуру плавления более высокую, чем температура электропроводящей жидкости 1, и может быть генерирована магнитная силовая линия, перпендикулярная данному постоянному току, что, тем самым, приводит к возникновению в электропроводящей жидкости 1 нисходящей электромагнитной силы F в соответствии с правилом левой руки Флеминга. В данном случае конструкция для генерирования электромагнитной силы F является упрощенной, таким образом, сокращаются производственные расходы.
Кроме того, хотя в вышеприведенном пояснении катушка переменного тока использована в качестве генератора 3 электромагнитной силы для генерации бегущего магнитного поля, вместо катушки переменного тока можно использовать катушку постоянного тока или магнит, и катушку постоянного тока или магнит можно, например, перемещать для создания бегущего магнитного поля.
Кроме того, хотя в вышеприведенном пояснении очистка алюминия приведена в качестве примера, подлежащая очистке электропроводящая жидкость 1 не ограничена алюминием, и может быть использован металл, отличный от алюминия, например олово, литий или натрий. Не вызывает сомнения, что температура расплавленного металла как объекта очистки в данном случае должна быть установлена равной температуре, при которой примесь осаждается как кристалл, когда металл расплавлен, или температуре, при которой примесь не растворяется для того, чтобы осуществить электромагнитную сепарацию и магнитную сепарацию, однако, когда в расплавленном металле присутствует растворенная примесь, то может быть добавлена данная примесь и примесь, которая с включениями образует интерметаллическое соединение.
Пример 1
В целях очистки расплавленного металла, полученного расплавлением алюминиевого продукта, собранного при утилизации алюминия, очистка может быть осуществлена, например, в следующих условиях.
Емкость сосуда 2: от 100 до 200 литров.
Температура электропроводящей жидкости 1: от 700 до 900°.
Магнитное поле, генерированное генератором 17 магнитной силы: от 1 до 3 Тл.
Напряжение трехфазной катушки переменного тока, служащей генератором 3 электромагнитной силы: от 200 до 250 вольт.
Ток трехфазной катушки переменного тока, служащей генератором 3 электромагнитной силы: от 150 до 200 ампер.
Частота трехфазной катушки переменного тока, служащей генератором 3 электромагнитной силы: от 10 до 20 герц.
Магнитное поле, генерированное трехфазной катушкой переменного тока, служащей генератором 3 электромагнитной силы (максимальное значение): 2 Тл.