Центрифуга для фильтрации расплавленных легких металлов от твердых примесей
CENTRIFUGE FOR FILTRATION OF MELTED LIGHT METALS FROM SOLID IMPURITIES

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов и в частности к технологии рафинирования металлов.
Известен способ переработки фильтростатков силумина [1], включающий нагрев до 710-750°C, охлаждение до 580-585°C с одновременной фильтрацией. При этом, после отделения твердых осадков получен жидкий сплав силумин с содержанием Fe-0,8; Mn-0,21. Фильтрацию проводили центрифугой с погружаемым фильтром [2].
3
Недостаток способа в том, что отфильтровывалась твердая фаза размером более 0,1 мм, а более мелкие кристаллы примеси FeAl оставалась в жидкой фазе.
2
3
1
2
1
1
2
3
В качестве прототипа принята установка отделения твердых примесей из расплава [3], характеризующаяся тем, что между тарелями фильтра с образованием зазоров свободно на оси установлен диск, имеющий расположенные по окружности окна, причем R>R>R и R:R=(1,3-2,8), где R - радиус окружности, описанной вокруг оси нижней тарели; R - радиус окружности вокруг окон верхней тарели, R - радиус окружности, описанной вокруг окон диска.
Устройство позволяет не только отфильтровывать крупные кристаллы твердых примесей, но и сгущать суспензию мелких кристаллов в отстойных зонах, где повышается концентрация примесей за счет отвода отстойного чистого жидкого расплава.
Недостатком этого устройства является недостаточная производительность при фильтрации разбавленных суспензий с высокодисперсными твердыми примесями. Опыты показали, что щель верхней полости не забивается крупными кристаллами, и верхняя полость фильтра не работает как отстойная до тех пор, пока не заполнится щель нижней полости. В верхней полости отстоявшийся расплав в нижней полости проходит сквозь щель, так как имеет большее центростремительное усилие с более большим удалением от оси и не задерживается на отстой. Крупные >0,1 мм кристаллы, поступая из заборного окна, остаются в щели нижней полости, и затем, только после ее заполнения, верхняя полость работает как отстойная. Это снижает производительность фильтра. Опыты показали, что преждевременное удаление из суспензии крупных кристаллов в щель нижней полости ведет к неполному удалению мелких кристаллов из-за недостаточной длительности отстоя. Это ведет к снижению качества жидкой фазы и к дополнительным потерям металла в фильтростатки.
3
Целью предлагаемой центрифуги является повышение производительности отделения мелкодисперсных твердых кристаллов из расплава легких металлов, например FeAl из алюминия или силумина, и повышение качества жидкой фазы.
Технический результат достигается тем, что создается препятствие для прямого проскока расплава на разгрузку путем использования всего объема обоих полостей фильтра. Для этого на диске в полости фильтра укреплен с зазором кольцеобразный экран, который задерживает прямой выход расплава из заборного в разгрузочное окно. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в том, что экран позволяет отклонять поток расплава и направить в щель конуса.
Это позволяет заполнить крупными кристаллами не только щель нижней полости, но и щель верхней и обеспечить отстой кристаллов и в верхней полости. На фиг. 1 схематично изображена центрифуга в общем виде; на фиг 2 - фильтр.
1
2
Центрифуга содержит ванну 1 с нагревателем 2 (Фиг. 1) для расплавления исходного металла, фильтр 3, состоящий из двух конусообразных тарелей 4, 5 и обращенных друг к другу большими основаниями. Фильтр 3 снабжен приводом 6 вращения. Нижняя тарель 4 имеет расположенные по окружности загрузочные окна 7 для входа неочищенного металла, а верхняя тарель 5 - разгрузочные окна 8 для выхода очищенных от кристаллов твердых примесей. Окружность, описанная вокруг загрузочных окон 7 на нижней тарели, имеет радиус R. Окружность, описанная вокруг разгрузочных окон 8 верхней тарели 5, имеет радиус R.
3
Центрифуга для фильтрации имеет привод 6 вращения фильтра, привод 9 перемещения фильтра по вертикали для погружения в ванну и подъема из нее и механизм 10 для раскрывания тарелей 4 и 5. Центрифуга содержит механизм (транспортер) 11 отвода осадка из области открытия тарелей. Верхняя тарель 5 жестко закреплена на полом роторе 12 (Фиг. 2), а нижняя насажена на вал 13 соосно с ротором 12. Между тарелями 4 и 5 установлен с образованием зазоров 14 и 15 диск 16 с отверстиями 17 по окружности. Отверстия 17 в диске 16 равноудалены от оси вала 13 по окружности с радиусом R.
Диск 16 свободно посажен на вал 13 посредством овальной муфты 18. С верхней тарелью 5 диск 16 образует кольцевую полость 19, а с нижней 4 - кольцевую полость 20. На диске 16 укреплен кольцеобразный экран 21 с зазором с помощью ребер 22.
4
1
5
1
Радиус R внутреннего кольца экрана 21 больше радиуса R огибающей загрузочных окон 7 в 1,1-1,2 раза, а наружный радиус R экрана больше радиуса R огибающей загрузочных окон в 1,3-1,4 раза.
Центрифуга работает следующим образом.
В ванне 1 расплавляют металл и с помощью привода 19 погружают фильтр 3 в расплав и приводят во вращение приводом 6. При вращении фильтра расплав захватывается через окна 7 в нижней тарели 4 в полость 20 фильтра 3.
3
Между тарелями 4, 5 установлен диск 16, создающий препятствие потоку расплава. Диск 16 имеет отверстия 17 с радиусом R огибающей окружности от оси вращения.
Для повышения длительности пребывания расплава радиус огибающей отверстий в диске должен быть в 1,4-1,5 раз больше радиуса огибающих загрузчных окон, чтобы задержать движение потока, создать частичное препятствие.
5
4
5
1
При заполнении щели 15 полости 20 кристаллами размером более 0,1 мм необходимо, чтобы крупные кристаллы одновременно заполняли щель 14 полости 19. Для этого на диск установлен кольцевой экран 21 с радиусом R, который отклоняет поток расплава от направления в окно 8 в направление к щели 14. Радиус R внутреннего кольца экрана больше радиуса огибающей загрузочных окон в 1,1-1,2 раза радиуса. Радиус R наружного кольца экрана больше R огибающей радиуса загрузочного окна в 1,3-1,4 раза, что также обеспечивает оптимальное затормаживание движению потока загрузки (движение показано стрелками). Равномерное заполнение щелей крупными кристаллами и одновременно отстойного процесса в обе полости позволит повысить качество жидкой фазы.
Жидкий расплав под действием центробежных сил выбрасывается через щели 15, 14 в расплав ванны 1, а крупные кристаллы задерживаются и накапливаются у щели 15, 14. Сквозь слой крупных кристаллов расплав процеживается, заполняя поры мелкими кристаллами, пока они не закупорят щели 15, 14. Под действием центробежных сил расплав циркулирует из полости 20 в полость 19, выбрасывается через окна 8 в верхней тарели 5 в расплав ванны 1.
1
2
Скорость циркуляции расплава через фильтр зависит от различия величин центробежных сил, возникающих от соотношения радиуса R от оси вращения огибающей загрузочного окна 7 и радиуса R огибающей разгрузочного окна 8.
2
1
2
1
3
3
При R/R<l,2 создается недостаточная разница центробежной силы обеспечения потока расплава через фильтр, снижается объем расплава, прошедшего полости 19, 20 отстаивания, отчего снижается производительность. При R/R>l,6 поток излишне высокий и расплав недостаточно задерживается в полости. Под действием центробежных сил мелкодисперсные твердые частицы примеси более тяжелые (например, FeAl с удельным весом 4,81 г\см) чем чистый расплав (например, жидкий алюминий с удельным весом 2,37), отбрасываются к плотному осадку в щели 14, 15, а очищенный жидкий расплав выбрасывается через окна 8 в верхней тарели 5 в расплав ванны 1.
Отстой проходит в две стадии, сначала в полости 20, затем в полости 19. Мелкокристаллические кристаллы примесей уплотняются и укрупняются в полостях 19, 20 до полного заполнения. На фиг. 2 изображена форма заполнения полостей фильтра кристаллами и суспензии на отстое.
Периодически по мере накопления осадка в полостях 19, 20 с помощью привода 9 фильтр приподнимается над уровнем расплава, дочищается от остатков расплав в полостях 19, 20, фильтр приподнимают до уровня механизма 11 разгрузки осадка и с помощью механизма 10 раскрывают тарели, и осадок под действием центробежных сил выбрасывается механизмом 11 разгрузки.
При раскрытии тарелей 4, 5 на величину 20-30 мм диск 16 свободно смещается муфтой 18 по валу 13 под давлением выбрасываемого осадка с расширением зазоров 14, 15 между диском 16 и тарелями 4, 5. За счет овальности муфты 18 обеспечивается свобода колебаний инерционного вращения и трения диска 16 относительно кромок тарелей 4, 5 при выбрасывании осадка.
После выбрасывания осадка тарели 4, 5 с помощью механизма 10 сжимаются, и фильтр погружается приводом 9 в ванну с рафинируемым расплавом для повторения цикла.
Операции рафинирования расплава от твердых примесей повторяются до получения удовлетворительных анализов рафинируемого расплава.
Испытания показали, что предлагаемая центрифуга позволит получать алюминий с содержанием железа 0,5% со снижением количества циклов фильтрации. Предлагаемая центрифуга позволяет почти одновременно обеим полостям выйти на отстойный режим, что позволит повысить производительность фильтра в 1,6 раза. Кроме того, получать фильтростатки с меньшим содержанием жидкой фазы, так как будет отсутствовать возможность моментов, когда нижняя полость заполнена чистыми кристаллами, а в верхней полости - сгущенная суспензия. В этом случае при разгрузке фильтра получаются фильтростатки с потерей металла в отходы.
Литература
1. Патент РФ №1356475, C22B 9/02, опубл., БИ 35-12-598 с.
2. Авт. св. СССР №463334, М. кл C22B 9/02.
3. Авт. св. №1839764, C22B 9/02.