精煉鋁熔體的方法及設備的製作方法

2023-08-08 00:16:56 1

專利名稱：精煉鋁熔體的方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種精煉鋁熔體的方法及設備，用於鋁熔體的精煉。
現有的精煉鋁熔體技術是向鋁熔體中注入精煉劑，精煉劑的作用是化學反應去雜、浮選去雜和擴散脫氣，在精煉劑的成分和鋁熔體的精煉溫度確定之後，影響精煉效果的因素如下1、精煉劑氣泡的比表面積。它與精煉效果成正相關，比表面積越大，精煉效果越好;
2、精煉周密度。是指精煉劑氣泡進入鋁熔體後，精煉劑氣泡有效去雜半徑以內的鋁熔體與全部鋁熔體的比值。有效去雜半徑以外的鋁熔體視為漏煉熔體。精煉周密度越高，精煉效果越好;
3、精煉劑氣泡與鋁熔體的運動方向。在精煉容器中，如果富雜鋁熔體(有害物質含量較高的鋁熔體)與貧雜鋁熔體(經過精煉劑氣泡的去雜作用後，有害雜質含量少的鋁熔體)的分布兩極化，則鋁熔體與精煉劑氣泡理想的運動方向應該是鋁熔體從富雜端向貧雜端運動，精煉劑氣泡從貧雜端向富雜端運動。這兩種運動方向越準確，精煉效果越好。二者的運動方向對於擴散脫氣尤為重要。如果鋁熔體中的氫密度大於精煉劑氣泡中的氫密度，則鋁熔體中氫的遞減量為 (Z熔－Z泡)/2 。Z熔為鋁熔體中氫的密度，Z泡為精煉劑氣泡中氫的密度。在實際的各種精煉容器中，氣泡與鋁熔體之間存在著連續的相對運動，一個鋁熔體質點將接觸多個精煉劑氣泡，如果這些氣泡中氫的密度均小於鋁熔體中氫的密度，則鋁熔體中氫的遞減量為 (Z熔－Z泡)/(2n) 式中n為鋁熔體質點接觸精煉劑氣泡的個數。因為精煉劑氣泡中氫的原始含量為零，所以鋁熔體與精煉劑氣泡分別從兩極出發作完全相向運動，而且精煉流程(即鋁熔體與精煉劑氣泡相向運動的距離)足夠長，才有可能使鋁熔體中氫的密度趨近於零。
綜合上述各種因素，本發明給出切換當量的概念，切換當量是鋁熔體與精煉劑氣泡更換接觸的量值，以下述近似計算式表示V＝F[L1+L2·(-cosα)]式中V代表切換當量(米3)，F代表進入鋁熔體的精煉劑氣泡的表面積總和(米2)，L1代表精煉劑氣泡的運動距離(米)，L2代表鋁熔體的運動距離(米)，α代表精煉劑氣泡的運動軌跡與鋁熔體運動軌跡的夾角，角α是一個矢量。
4、覆蓋劑對去雜產物的吸附作用。隨著覆蓋劑中去雜產物含量的增高，覆蓋劑的吸附作用將隨之減弱，最後趨於動平衡。更換覆蓋劑以保持其吸附性能和保護作用，尤其是連續更換覆蓋劑，以確保去雜產物及時排出精煉系統之外，將有利於提高精煉效果。
在美國專利文獻中，公開了專利號為3737305，題為「精煉鋁熔體」的專利，其特徵主要是在原有以惰性氣體為精煉劑的基礎上，加入微量(≤8%)的氯化物或氯氣，其精煉設備見附圖9，隔板51左側為精煉區52，鋁熔體自入口53流入精煉容器54，與來自膨脹器55生發的精煉劑氣泡7進行更換接觸，精煉後鋁熔體由隔板右側經出口56排出。其不足之處在於向大體積鋁熔體注入小群體精煉劑氣泡，漏煉熔體較多;鋁熔體與精煉劑氣泡的相向運動不準確，運動距離較短，因而切換當量不大，覆蓋劑不能連續地在熔體液面進行代謝。在又一篇美國專利文獻中，公開了專利號為3870511，題為「精煉鋁熔體的方法」的專利，其特徵主要是，氣體精煉劑為惰性氣體，參見附

圖10和11(圖中A表示隋性氣體)，氣體精煉劑經預熱後，由轉子58和定子59剪切成細小氣泡，呈環流進入由隔板60分隔開的兩個精煉區61和62，鋁熔體經入口63依次經過該兩精煉區，再從出料管64和出口57排出。其不足之處在於貧雜鋁熔體與富雜鋁熔體無規則地混流;轉子的攪拌使鋁熔體裹挾氣泡作同向運動;二者的相向運動距離甚小，且∠α為正角;因而切換當量較小;覆蓋劑不能連續地在熔體液面進行代謝。
本發明的目的在於克服上述現有技術中的不足之處而提供一種精煉鋁熔體的方法及設備。
本發明的目的可以通過以下的技術解決方案來實現。本發明的方法是令鋁熔體連續流過一個豎直孔道，形成一根長90～240釐米、直徑9～32釐米的鋁熔體柱，鋁熔體與精煉劑氣泡在鋁熔體柱內作準確的相向運動，鋁熔體的運動速度為2-10釐米/秒;鋁熔體柱的上端形成小面積的鋁液面，熔融的液體覆蓋劑連續均勻地注入鋁熔體柱的頂部(流槽)，同時從流槽的開放端連續排出，熔融的覆蓋劑呈連續代謝狀態。鋁熔體柱的下端生發細密的精煉劑氣泡，使鋁熔體柱任意方向的截面上都有均勻密布的精煉劑氣泡;鋁熔體柱的液面高度恆定在覆蓋劑得以連續地排出的水平面上，以保證精煉劑氣泡將去雜產物帶入覆蓋劑中並及時排出精煉系統之外;在鋁熔體柱的範圍內消除紊流，使鋁熔體與精煉劑氣泡能夠平穩地更換接觸;鋁熔體在進入和流出豎直孔道時都要穿越微孔材料，以這種方法消除鋁熔體範圍內的紊流。鋁熔體進入豎直孔道時所穿越的微孔材料，同時兼作過濾介質，使鋁熔體的過濾和精煉同體在線完成。
本發明的技術數據進一步限定為發泡介質微孔直徑0.4-0.02毫米鋁熔體柱中精煉劑氣泡的密度40-60%發泡麵積與豎直孔道橫截面積的比值0.9-2.2，最佳1.7-1.9覆蓋劑代謝量4-40公斤/分鐘本發明的設備主要由過流箱、流槽、豎管、壓蓋、過流筒、發泡介質、發泡箱、對接機構、調節閥、聯動飄浮塞、氣體精煉劑注管、覆蓋劑和外殼組成。其中由流槽、豎管、壓蓋、過流筒和發泡介質構成豎直孔道，豎直孔道的下遊設有調節閥，以控制鋁熔體的流量。豎直孔道的上遊設有聯動飄浮塞，以恆定鋁熔體的液面高度。
流槽具有如下特徵不管流槽內腔的總體形狀如何，其厚度等於或接近豎管內徑，其高度應以過流箱中的鋁熔體不能從流槽頂部進入流槽為準，流槽的一端是開放的，該開放端能夠伸到過流箱之外，流槽的長度需視其上是否裝有過濾介質。
發泡介質是平板形或錐筒形。
在豎直孔道各部份中，豎管與壓蓋之間的對接是由對接機構提供推力來實現的，壓蓋上有凹口，凹口與豎管下端的凸口對接吻合，兩者的凹凸關係可以互換，在對接機構中滑杆在滑套中橫向滑動，柱塞可以縱向頂起滑套。
調節閥用以控制流量，其實質是得到鋁熔體所需的流速，調節閥是由動閥片、定閥片、閥心組成，兩個閥片夾緊閥心後，閥心可以在兩閥片之間轉動並使三者的內孔互相前切。
本發明對比現有技術具有如下優點與「精煉鋁熔體」(美國專利號為3737305)進行比較。本發明在精煉劑氣泡與鋁熔體相向運動的準確度、二者的運動距離、氣體精煉劑的比表面積等方面都有顯著提高，導致切換當量成倍增加，精煉周密度大幅度提高。與「精煉鋁熔體的方法」(美國專利號為3870511)進行比較，本發明在精煉周密度，貧、富雜鋁熔體分布兩極化，精煉劑氣泡與鋁熔體的相向運動，二者的運動距離都有著根本性的改進，該現有技術劇烈的攪拌所形成的渦流裹挾精煉劑氣泡作同向運動，使鋁熔體更換接觸新氣泡的機會減少，又由於渦流產生的切變力與離心力破壞了氣泡對夾渣顆粒的吸附作用，所以精煉效果受到限制。對本發明在切換當量上的優越性作更深入的解釋可以敘述為假設精煉劑氣泡直徑為0.8毫米，鋁熔體柱中精煉劑氣泡密度為50%，鋁熔體的運動速度為4釐米/秒，鋁熔體柱高度為100釐米，則與精煉劑氣泡直徑相同的鋁熔體質點在完成精煉流程後更換接觸3000-6000個Z泡＜Z熔的精煉劑氣泡。假設精煉劑氣泡直徑為0.1毫米，鋁熔體柱中精煉劑氣泡密度為50%，鋁熔體的運動速度為4釐米/秒，熔體柱高度為200釐米，則與精煉劑氣泡直徑相同的鋁熔體質點在完成精煉流程後更換接觸80000-200000個Z泡＜Z熔的精煉劑氣泡。這些優點是上述兩項現有技術達不到的。因此，本發明的去氫效果極佳，所得鋁熔體最終氫含量可降至0.1～0.02毫升/100克，比上述現有技術的去氫結果(0.15毫升/100克)有了大幅度的提高。現有技術都是向大體積的鋁熔體注入精煉劑氣泡，漏煉鋁熔體比本發明多。現有技術對覆蓋劑的更換都不如本發明能夠連續進行。
附圖的圖面說明如下圖1為本發明原理示意圖。
圖2為本發明精煉設備(豎直孔道精煉器)結構示意圖。
圖3為圖2的A-A剖視圖。
圖4為流槽的剖視圖。
圖5為圖4的俯視圖。
圖6為對接機構操縱發泡箱部分與豎管吻合的示意圖。
圖7為節流閥的構造示意圖。
圖8為圖7的B-B剖視圖。
圖9為現有技術(「精煉鋁熔體」，專利號為3737305)的附圖。
圖10為現有技術(「精煉鋁熔體的方法」，專利號為3870511)的附圖。
圖11為圖10的俯視圖。
本發明下面將結合實施例作進一步詳述參照圖2，本發明的方法是令鋁熔體4與預熱過的精煉劑氣泡7在一個細長的豎直孔道中作準確的相向運動，形成一根密含精煉劑氣泡的鋁熔體柱，鋁熔體柱的上端形成小面積的鋁液面，熔融的液體覆蓋劑3均勻地注入鋁熔體柱的頂部(流槽21)，以便在這個小面積範圍內代謝，鋁熔體柱的下端生發細密的精煉劑氣泡，使鋁熔體任意方向的截面上都有均勻密布的精煉劑氣泡，鋁熔體柱的液面高度恆定在覆蓋劑得以連續地排出的水平面上，以保證精煉劑氣泡將去雜產物帶入覆蓋劑中並及時排出精煉系統之外，鋁熔體柱的流速控制在2～10釐米/秒的特定範圍內，這一速度範圍能夠使化學反應去雜、浮選去雜和擴散脫氣過程得以充份完成，同時使精煉劑的利用率和設備處理鋁熔體的能力達到理想狀態。鋁熔體柱的上遊設過濾介質24，即消除了鋁熔體柱中的紊流，同時使鋁熔體的過濾與精煉同體在線完成。
本發明的設備主要由過流箱19、流槽21、豎管8、壓蓋9、過流筒11、發泡介質12、發泡箱10、對接機構、調節閥20、聯動飄浮塞、覆蓋劑3和外殼16、17、44組成。
參照圖2，過流箱19的底部穿入石墨質豎管8，豎管的上端插接石墨質流槽21，流槽和豎管也可以用矽酸鋁或其它耐高溫材料製作。流槽、豎管、壓蓋、過流筒和發泡介質，在豎管和壓蓋對接好後形成細長的豎直孔道。過流箱有蓋1和外殼17，豎管有外殼16，發泡箱有外殼44，外殼內壁築保溫層2。外殼16的下端固定帶螺紋的金屬套15，金屬託環14旋入套15中壓緊豎管。過流箱以流管18與靜置爐或其它鋁熔體容器連通。
參照圖2、3、4、5，流槽21的內腔是一個狹長的空間，一端開放，其厚度等於或接近於豎管內徑，開放的一端能夠伸入到過流箱之外為準，高度以過流箱中的鋁熔體不能從流槽頂部進入流槽為準。流槽中設隔板5，起加固流槽和封閉氣體精煉劑的作用。流槽外壁或過流箱上遊安裝過濾介質24。
參照圖2，發泡箱10內自下而上分別是氣體精煉劑注管13、發泡介質12、過流筒11和壓蓋9，壓蓋有外螺紋，發泡箱上口有內螺紋，壓蓋旋入發泡箱上口，一併壓緊過流筒和發泡介質。發泡箱整體固定於外殼44之中，圖6所顯示的一種方式是兩個對合的外殼44夾緊發泡箱。氣體精煉劑是惰性氣體和氯氣或氯化物的混合氣，並經過預熱。發泡介質以耐高溫的多孔材料製作，孔隙度在45%以上，發泡介質製成平板形或錐筒形(圖2隻表示出錐筒形)，錐筒形發泡介質增大了發泡麵積;同時還可以細化氣泡7，這是由於錐筒形的錐面與鋁熔體的剪切作用可以破壞發泡介質對精煉劑氣泡的吸附作用，因而就能夠進一步縮小氣泡的直徑。發泡麵積與豎直孔道橫截面積的比值取0.9-2.2，最佳值為1.7-1.9。發泡介質外周及被過流筒壓往的部分有金屬套34，金屬套與發泡介質製成一體，以防止精煉劑氣體從旁路逸出。過流筒11由過流量足夠大(即每分鐘可過流60-800公斤鋁熔體)的微孔材料製成，過流筒的作用是使鋁熔體不致在流出豎直孔道時造成紊流，否則紊流將氣泡卷離豎直孔道而隨流外逸，並破壞氣泡的均勻分布及增加氣泡聚合的可能性。
參照圖2、6，壓蓋9上有凹口，凹口與豎管下端的凸口對合吻接，兩者的凹凸關係可以互換。對接機構的滑杆25可以在滑套26中作水平方向的滑動，滑套固定在柱塞缸27的柱塞頂部，柱塞的旋轉和滑杆的滑動使發泡箱得以與豎管垂向對中。對接時，柱塞缸提供推力，使壓蓋9與豎管8吻合。
參照圖2，外殼44的上部浮放著保溫套35，對豎管與壓蓋的吻合部位進行保溫，保溫套可隨時取下便於發泡箱部分的安裝或修理。
參照圖2、7、8，發泡箱下部的外側有節流閥，節流閥的定閥片30(定閥片30與發泡箱10是一體)與動閥片28壓緊閥心29，轉動手柄45，驅動絲槓46旋轉，絲槓帶動壓板以導向塊48為導向前移，以推壓彈簧31進而壓緊閥心，壓緊後的閥心可以在兩閥片之間自由轉動而使各自的內孔互相剪切以達到調節流量的目的，由搬手32撥轉閥心。閥片和閥心的材料以石墨為佳。
參照圖2，恆定豎直孔道中鋁熔體液面的高度是通過聯動飄浮塞20來實現的，聯動飄浮塞由定位軸37、聯動頭36、套筒絲母40、飄浮箱41、絲槓38、手輪39、傳動杆42、塞頭43和手動杆33組成，套筒絲母、傳動杆和手動杆固定在聯動頭上，聯動頭以定位軸為圓心轉動。當不需要熔體流入過流箱時，手動杆末端掛重物23，使塞頭堵住流管口18，隨著精煉過程的進行，供液系統中熔體的液面逐漸降低，流管18中鋁熔體的壓力亦隨之降低，此時需通過手輪39和絲槓調整漂浮箱的浮力，以保證豎直孔道中鋁熔體液面的高度不變。
整個精煉設備由若干個燒嘴(圖中未表示)或由電熱材料6加熱。
參照圖2，在能夠涉及到流槽的位置設甘堝，甘堝流嘴22通入流槽，甘堝中熔融覆蓋劑3，液體覆蓋劑均勻連續地流入流槽並覆蓋於流槽內的鋁熔體液面上，連同去雜產物一起連續地排出流槽。
本精煉設備工作前，過流箱19內的大空隙處填入氧化鋁或矽酸鋁填塊，以減少過流箱中尾壓頭殘液。過流箱底部設放幹流口(填塊與放幹流口圖中未示出)。
五個實施例的參數見下表。
用實施例一至五的方法及設備精煉鋁熔體的工藝流程如下1、安裝發泡介質，過流筒、壓蓋及節流閥，調整發泡箱的水平位置，令其與豎管垂直對齊，向柱塞缸打壓，令發泡箱與豎管對接吻合。完成精煉設備其它部分的安裝。
2、烘烤精煉設備至乾燥。
3、啟動加熱裝置，將精煉器保溫層以內的各部分加熱至690-760℃，並保持此溫度直至精煉完畢。
4、關閉節流閥，用氣體精煉劑注管向豎直孔道注入比重大於空氣的惰性氣體，例如氬氣，將空氣從豎直孔道上口排出。
5、待豎直孔道內的空氣排淨後，摘除手動杆末端的重物，令熔體穿越過濾介質進入豎直孔道。
6、注入該爐次所需成分的氣體精煉劑。
7、調節聯動飄浮箱浮力，使流槽內的鋁熔體液面接近流槽嘴高度而不溢出為準。
8、向流槽內的鋁熔體液面連續均勻供給予熔融的液體覆蓋劑，並任其從流槽嘴排出。
9、向鋁熔體柱連續均勻地通入精煉劑氣泡30-120秒鐘，待豎直孔道內的鋁熔體得到充分精煉後，開通節流閥，調準流量，開始連續精煉。
10、全爐熔體精煉完畢後，關閉節流閥，手動杆掛重物，待下一爐次再煉，精煉器中的殘液及精煉器溫度維持原狀;如需要轉組或更換過濾介質，則放盡殘液，操作完畢。
權利要求
1.一種精煉鋁熔體的方法，包括加熱精煉設備、過濾鋁熔體、生發精煉劑氣泡、以精煉劑氣泡精煉鋁熔體和施加覆蓋劑，其特徵在於，令鋁熔體連續流過一個豎直孔道，形成一根長90～240釐米、直徑9～32釐米的鋁熔體柱，鋁熔體與精煉劑氣泡在鋁熔體柱內作準確的相向運動，鋁熔體的運動速度為2～10釐米/秒，鋁熔體柱的上端形成小面積的鋁液面，熔融的覆蓋劑連續均勻地注入鋁熔體柱的頂部，並且在這個小面積範圍內連續代謝，鋁熔體柱的下端生發精煉劑氣泡，使鋁熔體柱任意方向的截面上都有均勻密布的精煉劑氣泡，鋁熔體柱的液面高度恆定在覆蓋劑得以連續排出的水平面上，在鋁熔體柱的範圍內消除紊流，使鋁熔體與精煉劑氣泡能夠平穩地更換接觸。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於a、發泡介質微孔直徑為0.4-0.02毫米，b、鋁熔體柱中精煉劑氣泡的密度為40-60%，c、發泡麵積與豎直孔道橫截面積的比值為0.9-2.2，最佳值為1.7-1.9，d、覆蓋劑的代謝量為4-40公斤/分鐘，
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，鋁熔體在進入和流出豎直孔道時，都要穿越微孔材料以消除鋁熔體柱範圍內的紊流，鋁熔體進入豎直孔道時所穿越的微孔材料同時兼作過濾介質。
4.一種精煉鋁熔體的設備，包括氣體精煉劑注管、覆蓋劑、電熱材料和外殼，其特徵在於，由過流箱、流槽、豎管、壓蓋、過流筒、發泡介質、發泡箱、對接機構、調節閥和聯動飄浮塞組成。
5.根據權利要求4所述的設備，其特徵在於，流槽、豎管、壓蓋、過流筒和發泡介質形成豎直孔道，豎直孔道的下遊設調節閥，以控制鋁熔體的流量，豎直孔道的上遊設聯動飄浮塞，以恆定鋁熔體的液面高度。
6.根據權利要求4所述的設備，其特徵在於，流槽內腔的厚度等於或接近於豎管內徑，其開放的一端能夠伸到過流箱之外，其高度以過流箱中的鋁熔體不能從流槽頂部進入流槽為準，流槽內腔靠近開放端的位置設縱向隔板。
7.根據權利要求4所述的設備，其特徵在於發泡介質的形狀製成平板形或錐筒形。
8.根據權利要求4所述的設備，其特徵在於，壓蓋上有凹口，凹口與豎管下端的凸口對接吻合，兩者的凹凸關係可以互換。
9.根據權利要求5所述的設備，其特徵在於，調節閥由動閥片、定閥片、閥心組成，定閥片和動閥片夾緊閥心，閥心被夾緊後可以在兩個閥片之間轉動以使三者的內徑互相剪切。
全文摘要
本發明提供的方法和設備用於鋁熔體的精煉，鋁熔體與精鍊氣泡相向進入一個細長的豎直孔道，孔道的下部是氣體精煉劑發泡裝置，上部是流槽，豎直孔道中鋁熔體液面的高度準確恆定，鋁熔體流量控制設在熔體流的下端。本方法及其設備所得鋁熔體的氣體及鈉含量降低到一個新的標準。
文檔編號C22B9/02GK1070428SQ9110872
公開日1993年3月31日 申請日期1991年9月10日 優先權日1991年9月10日
發明者孫金根 申請人:孫金根