УСТРОЙСТВО РАФИНИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЯ ИЛИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
DEVICE FOR ALUMINIUM OR ALUMINIUM ALLOYS REFINING (VERSIONS) AND ITS APPLICATION

Изобретение относится к металлургии цветных металлов и может быть использовано для рафинирования расплавов из алюминиевых сплавов.
Известно, что содержащиеся в алюминии загрязнения делятся на: газовые, главным образом водород, твердые продукты реакции кислорода, азота, водорода с твердыми или жидкими металлами, включения в виде следов нежелательных элементов, таких как углерод, карбид алюминия, карбид кальция, сера, фосфор, а также при плавке металлического лома могут быть включения натрия (его соединений с неметаллами) /1/ Шмитц К. Рециклинг алюминия. М., 2008, с.395/. Водород содержится в жидком алюминии, и это является практически неизбежным фактом производственного процесса. Водород захватывается алюминием при контакте с атмосферой и парами воды, а также при распаде гидридов алюминия, натрия и других металлов. Водород находится в алюминии в трех основных формах: протонный газ, атомарный водород, молекулярный водород. Наиболее трудно извлекаются ионизированные формы водорода (атомарный водород и протонный газ).
Известен способ дегазации с помощью ультразвука (см. /2/ Авторское свидетельство СССР №197180, опубликованное 31.05.1967). Для быстрого выделения газов из металла его льют через воронку, в горлышко которой вмонтировано кольцо-излучатель ультразвука. Под действием мощных генераторов ультразвука, присоединенных к кольцу с разных сторон, в горлышке воронки создается как бы противогазовая сетка, через которую металл проходит свободно, а пузырьки газа задерживаются, быстро объединяются в крупные пузыри и отсасываются через керамическую трубку эжекторным насосом.
2
Известен также способ дегазации металлов (см. /3/ Авторское свидетельство СССР №3263146, опубликованное 29.10.1970), например алюминиевых сплавов. Сплав расплавляют в тигле, на зеркало расплава накладывают графитовый электрод (катод). На дне тигля находится излучатель ультразвука, который одновременно служит электродом (анодом). Расплав одновременно обрабатывается ультразвуком от генератора УЗГ-2 и постоянным электрическим током плотностью 3 А/см. При этом у катода в кавитационной области интенсивно образуются пузырьки газа и выделяются в атмосферу. Время дегазации сплава АЛ-8 одним излучателем составляло 9 мин, в то время как при обработке сплава четырьмя излучателями без электрического тока требовалось 30 мин. Степень дегазации и качество слитков превышало требования технических условий.
Достоинством приведенных двух технических решений является использование ультразвуковых излучений высокой интенсивности (с возникновением кавитации в зоне облучения), позволяющих получить в итоге отливки с низким содержанием водорода. Во втором случае для увеличения эффективности используется также электрический ток, ускоряющий перевод ионизированных форм водорода (протонный газ, атомарный водород) в молекулярную форму.
Общим недостатком для приведенных двух технических решений является отсутствие операций по удалению из расплава жидких и твердых включений.
3
2
Известен также способ получения отливок из алюминиевых сплавов (см. /4/ Авторское свидетельство СССР №1638192, опубликованное 30.03.1991), по которому жидкий алюминий насыщают водородом до концентрации 0,5 см/100 г, обрабатывают электрическим током плотностью 0,4 А/см, вакуумируют 15 мин при давлении 10 мм рт.ст., выстаивают 15 мин и разливают. Катод - титановый стержень, погруженный на 1/3 глубины, анод - тигель печи. Насыщают алюминий водородом для того, чтобы увеличить концентрацию положительно заряженных частиц в расплаве, т.к. водород содержится в алюминии преимущественно в виде протонного газа. Под действием электрического тока протонный газ движется к катоду, восстанавливается до молекулярного и выделяется на поверхности расплава. При этом неметаллические примеси, преимущественно оксид алюминия, имеют отрицательный заряд, они движутся к аноду, адсорбируют на себе встречающийся водород и всплывают у стенок. Применение электрического тока и вакуума безусловно углубляет и ускоряет очистку. Однако представляется лишней операция насыщения расплава водородом, который и так присутствует в достаточных концентрациях и его удаление является одной из важнейших задач процесса рафинирования.
2
Наиболее близким из известных по технической сущности является способ дегазации алюминиевых сплавов (см. /5/ Авторское свидетельство №387012, опубликованное 18.10.1973), по которому предлагается обрабатывать ультразвуком протекающий в желобе расплав. Мощность излучения 20-25 Вт/см, температура расплава на 50-60°C выше температуры ликвидуса, толщина слоя расплава в желобе равна четверти длины волны (при скорости звука 6400 м/с и частоте 20 кГц длина волны будет 32 см, четвертая часть - 8 см), а диаметр излучателя составляет 0,1-0,2 длины волны (3-6 см). При таком диаметре излучателя в желобе происходит максимальная концентрация мощности и образуется интенсивная кавитационная область.
Такой способ рафинирования в наибольшей степени соответствует задаче очистки жидкого алюминия от загрязнений в момент его перетока из металлургической печи в литейную машину. Здесь расплав нагрет значительно выше точки ликвидуса, т.е. имеет наименьшую вязкость, что облегчает выход пузырьков газа и ускоряет флотацию твердых включений.
К недостаткам способа следует отнести открытость желоба атмосфере, что приведет к образованию пленки оксида алюминия, которая разрушаясь под действием ультразвука будет загрязнять расплав. Кроме того, открытость ускоряет остывание алюминия. Способ также не предусматривает никаких мер по удалению тяжелых (твердых) включений и одновременного перевода жидких загрязнений (калий, натрий) в твердые гидриды. Переток алюминия из металлургической печи в литьевую машину столь тонким слоем потребует слишком большой площади поверхности, а применение одного маленького излучателя не позволит решить поставленную задачу.
На устранение указанных выше недостатков и направлено предложенное техническое решение.
По первому варианту осуществления было разработано устройство для рафинирования алюминия, содержащее корпус, выполненный в виде лотка, закрытого герметичной подъемной крышкой, входной и выходной каналы, размещенные в донной части корпуса и оснащенные магнитогидродинамическими насосами, причем в стенку корпуса со стороны входного или выходного каналов вмонтированы направленные ультразвуковые излучатели, образующие активную фазированную антенную решетку, при этом в крышку вмонтирован, с возможностью контакта с жидким металлом, ряд электродов подключенный к положительному полюсу источника тока, под указанным рядом электродов на дне корпуса установлен электрод, подключенный к отрицательному полюсу источника тока, при этом на крышке смонтирована вакуум-система для создания пониженного давления внутри корпуса.
По второму варианту осуществления было разработано устройство для рафинирования алюминия, содержащее корпус, выполненный в виде лотка, закрытого герметичной подъемной крышкой, входной и выходной каналы, размещенные в донной части корпуса и оснащенные магнитогидродинамическими насосами, причем в стенку корпуса со стороны входного или выходного каналов вмонтированы направленные ультразвуковые излучатели, образующие активную фазированную антенную решетку, при этом в крышку вмонтирован, с возможностью контакта с жидким металлом, ряд электродов, подключенный к положительному полюсу источника тока, под указанным рядом электродов на дне корпуса установлен электрод, подключенный к отрицательному полюсу источника тока, причем за указанными электродами по направлению движения жидкого металла в стенки корпуса вмонтированы электроды вибрационной системы, а также расположенный на дне между ними магнитогидродинамический вибратор, при этом на крышке смонтирована вакуум-система для создания пониженного давления внутри корпуса.
Также для решения поставленных задач был разработан способ рафинирования алюминия или алюминевых сплавов, включающий подачу расплавленного метала, его обработку и сбор загрязнений с его поверхности, причем согласно изобретению обработку расплавленного металла осуществляют преремещением активной фазированной антенной решетки, перпендикулярно направлению движения потока металла, причем обработку осуществляют в условиях герметичной вкуумированной емкости.
Устройство (фиг.1) состоит из футерованного корпуса 1, имеющего форму лотка. Сверху корпус 1 закрывается герметичной подъемной крышкой 2. Подача металла вдоль лотка осуществляется электромагнитными насосами 3 и 4. В стенку корпуса 1 со стороны входного или выходного каналов вмонтированы направленные ультразвуковые излучатели 5 (например, из титана) (фиг.2), образующие активную фазированную антенную решетку (ФАР).
Управление ФАР осуществляется блоком управления 9. В зоне ультразвуковой обработки в крышку 2 вмонтированы ряд анодов 7, имеющих контакт с жидким металлом, которые подключены к блоку управления ультразвуковыми ФАР 8 (фиг.3). Под рядом анодов 7 в дне лотка корпуса 1 установлен катод 6 подключенный к отрицательному полюсу источника тока. В крышке 2 смонтирована вакуум-система 10 для создания над поверхностью металла 13 разряжения. Легкие 11 и тяжелые 12 загрязнения флотируются на поверхность металла 13.
Устройство работает следующим образом. Жидкий металл 13 с помощью насоса 3 поступает из металлургической печи в лоток корпуса 1 и далее по лотку движется в зону обработки, расположенную в пространстве между рядом анодов 7 и катодом 6. Здесь металл поочередно подвергается действию постоянного электрического тока при последовательном включении анодов 7 с помощью блока управления 8 в режиме «бегущей волны». При этом в пространстве между электродами идет интенсивное выделение молекулярного водорода.
После выключения электрического тока туда перемещается пятно фокусировки ультразвукового излучения с помощью активной ФАР, движущееся по сканирующей траектории перпендикулярно потоку металла 13. При этом в металле возбуждается интенсивная кавитация, в результате которой кавитационные пузырьки насыщаются молекулярным водородом, что способствует быстрой дегазации металла. Кроме того, кавитационное воздействие приводит к ионизации жидкой фазы [см. /6/ М.А.Маргулис. Звукохимические реакции и сонолюминесценция. М., Химия, 1986, /7/ М.А.Маргулис. Основы звукохимии, Высшая школа, М., 1984], что также способствует переходу водорода в нейтральную форму (протон водорода отбирает электрон у ближайшего отрицательного иона).
Водород в молекулярной форме вступает в реакцию с активными металлами, образуя твердые гидриды, которые вместе с остальными загрязнениями флотируются пузырьками на поверхность алюминия 13. Легкие 11 и тяжелые 12 загрязнения остаются на поверхности металла до окончания цикла обработки и удаляются оттуда механически.
Внутри лотка корпуса 1 с помощью вакуум-системы 10 создается разряжение, которое способствует эффективной дегазации металла с большой площади свободной поверхности. После обработки очищенный металл с помощью электромагнитного насоса 4 отводится из корпуса 1 в литейную машину.
Одним из вариантов кавитационной обработки жидкого металла может быть совместное действие двумя ультразвуковыми частотами, например 20 кГц и 1 МГц [6, 7]. Данное воздействие легко осуществить за счет двух ФАР с разной рабочей частотой, установленных навстречу друг другу.
При этом кавитационные пузырьки образуются мелкими, самопроизвольно сливаются и попадают в резонансный размер: для 20 кГц это 0,45 мм, для 1 МГц - 0,007 мм. Резонанс разбивает их в мелкие пузырьки, причем часть мелких от 20 кГц попадает в зону 1 МГц и наоборот, все перемешивается, т.е. идет интенсивный межфазный обмен.
Кавитация в жидком металле может создаваться с помощью сфокусированного импульсного излучения лазеров большой мощности - лазерная кавитация [6,7]. При этом вместо или дополнительно к ФАР в крышке 2 корпуса устанавливается лазер с системой развертки луча, сфокусированного на протекающий жидкий металл 13.
Для увеличения мощности ультразвукового воздействия на жидкость можно фокусировать луч в маленькое пятно.
Для небольших фокусных пятен энергия, поглощаемая жидкостью в пятне, на 9-10 порядков выше, чем соответствующая величина для обычных кавитационных полей. Действительно, пренебрегая потерями на поглощение, в фокальной области радиусом r для сферического ультразвукового излучателя радиуса R интенсивность Iф акустических колебаний больше, чем интенсивность I у поверхности излучателя:
<mrow><mfrac><mrow><mi>I</mi><mover><mrow><msub><mrow /><mi>O</mi></msub></mrow><mo>^</mo></mover></mrow><mi>I</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>I</mi><mo>⋅</mo><mn>4</mn><mi>π</mi><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mi>I</mi><mo>⋅</mo><mn>4</mn><mi>π</mi><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>R</mi><mi>r</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
.
6
Например, при R=20 см, r=0,02 см Iф/I≈10 (в миллион раз). Кроме того, энергия, выделяющаяся в фокусе (одиночном устойчивом кавитационном пузырьке), на 3-4 порядка больше, чем в фокусе обычного сферического излучателя, где присутствуют тысячи кавитационных пузырьков.
m
14
-3
Таким образом, при генерировании акустических колебаний мощностью порядка 1 кВт и диссипации энергии в одном кавитационном пузырьке при сжатии его до минимального радиуса r~2 мкм плотность энергии достигает 10 Вт⋅см.
-2
4
-3
В обычных кавитационных полях при средней интенсивности ультразвукового поля (порядка нескольких Вт⋅см) энергия ультразвука распределяется во всем кавитационном поле достаточно равномерно. Кроме того, количество пульсирующих кавитационных пузырьков весьма велико. Их концентрация может составлять 3⋅10 см [6, с.30]. Поэтому энергия, выделяющаяся в расчете на 1 кавитационный пузырек, в фокусирующих системах с одним кавитационным пузырьком на 9-10 порядков выше, чем энергия в «обычных» кавитационных полях (6 порядков в результате фокусировки и 3-4 порядка вследствие уменьшения числа пузырьков).
С учетом вышесказанного УЗ система облучения металла вместо ФАР может иметь стандартный сферический излучатель, который фокусирует точечное излучение на протекающем металле и совершает возвратно-поступательное «сканирующее» движение с помощью обычного электромеханического привода.
По второму варианту устройства предлагается использовать низкочастотное несимметричное вибрационное электромагнитное воздействие (вибрацию) на жидкий металл для эффективного выноса на поверхность всех загрязнений.
Устройство (фиг.4-6) состоит из футерованного корпуса 1, имеющего форму лотка. Сверху корпус 1 закрывается герметичной подъемной крышкой 2.
Подача металла вдоль лотка осуществляется электромагнитными насосами 3 и 4. В стенку корпуса 1 со стороны входного или выходного каналов вмонтированы направленные ультразвуковые излучатели 5 (например, из титана), образующие активную ФАР. Управление ФАР осуществляется блоком управления 9.
В зоне ультразвуковой обработки в крышку 2 вмонтированы ряд анодов 7 дегазирующей системы, имеющих контакт с жидким металлом 13. Они подключены к блоку управления 8. Под рядом анодов 7 в дне лотка корпуса 2 установлен катод 6 дегазирующей системы, подключенный к отрицательному полюсу источника тока.
В крышке 2 смонтирована вакуум-система 10 для создания над поверхностью металла 13 разряжения. Легкие 11 и тяжелые 12 загрязнения флотируются на поверхность металла 13.
За дегазирующими электродами 6 и 7 по ходу движения металла 13 в стенку корпуса вмонтированы электроды 15 и 16 вибрационной системы, которые подключаются к источнику постоянного напряжения. Вибрационная система дополнительно включает электромагнитный вибратор 14, расположенный под лотком. Он создает в металле, расположенном между электродами 15 и 16, низкочастотные несимметричные вертикальные вибрации (имеется в виду кондукционное взаимодействие).
Устройство работает следующим образом. Жидкий металл 13 с помощью насоса 3 поступает из металлургической печи в лоток корпуса 1 и далее по лотку движется в зону дегазации, расположенную в пространстве между рядом анодов 7 и катодом 6. Здесь металл поочередно подвергается действию постоянного электрического тока при последовательном включении анодов 7 с помощью блока управления 8 в режиме «бегущей волны». При этом в пространстве между электродами идет интенсивное выделение молекулярного водорода.
После выключения электрического тока, протекающего через отдельно взятый анод 7, туда перемещается пятно фокусировки ультразвукового излучения с помощью активной ФАР, движущееся по сканирующей траектории, перпендикулярно потоку металла 13. Движение луча обеспечивается с помощью алгоритмов блока управления 9. При этом в металле возбуждается интенсивная кавитация, в результате которой кавитационные пузырьки насыщаются молекулярным водородом, что способствует быстрой дегазации металла. Кроме того, кавитационное воздействие приводит к ионизации жидкой фазы, что также способствует переходу водорода в нейтральную форму (протон водорода отбирает электрон у ближайшего отрицательного иона).
Водород в молекулярной форме вступает в реакцию с активными металлами (калий, натрий), образуя твердые гидриды, которые вместе с остальными загрязнениями флотируются пузырьками на поверхность алюминия 13.
Для более эффективного перемещения (выноса) загрязнений на поверхность металла в нем (в зоне между электродами 15 и 16 вибрационной системы) возбуждаются низкочастотные несимметричные вибрации с помощью электромагнитного вибратора 14. При этом электромагнитный импульс должен иметь пилообразную форму с крутым передним фронтом и пологим задним. Это позволит создать направленную вверх силу, действующую на частицы загрязнений.
Легкие 11 и тяжелые 12 загрязнения остаются на поверхности металла до окончания цикла обработки и удаляются оттуда механически.
Внутри лотка корпуса 1 с помощью вакуум-системы 10 создается разряжение, которое способствует эффективной дегазации металла с большой площади свободной поверхности. После обработки очищенный металл с помощью электромагнитного насоса 4 отводится из корпуса 1 в литейную машину.