真空精鍊金屬的方法及其實施裝置的製作方法
2023-05-17 00:07:16 1
專利名稱:真空精鍊金屬的方法及其實施裝置的製作方法
技術領域:
本發明涉及黑色冶金技術,更具體地說涉及一種真空精鍊金屬的方法以及實現這些方法的裝置。
已有技術在本技術領域已知的是一種熔融金屬的脫爐精煉方法,在該方法中,於熔化表面上方產生一個真空,所述真空的真空度是在0.03到0.07MPa的範圍內連續變化的。對此真空另外疊加了一個脈動真空,其大小為0.02到0.05Mpa,頻率為5到50赫茲以及200到250赫茲(參見RU,A,1,547,322)。
該種已有技術的方法對熔融金屬的精煉並不適宜,這是因為壓力脈動的效應不能穿透到所需深度,而只有從該深度氣泡才可以長到所需尺寸。
此外,這種方法不能實現同樣也有助於氣泡生長的調整擴散(rectified dif-fusion)過程,而且不能對金屬熔液中細微氣泡的「緩衝」面層產生影響。
本技術領域已知的用以實施上述熔融金屬的脫爐精煉法的裝置是由一個在真空密閉容器內的裝置構成的,在該容器內通過一個真空泵產生真空脈動(參見前述引文)。
實現上述方法的該裝置不能在有各種氣體從金屬中逸出的情況下保持穩定的處理條件,而且不能靠從容器內抽出的高溫氣體進行加熱操作。
本技術領域還已知一種金屬的真空精煉方法,在該方法中,需要將熔融金屬上方的混合氣體壓力降低至一個足以在金屬熔液上方產生分壓力的值,所述壓力低於金屬熔液中氣體的分壓力,而作用於所述金屬的是脈動壓力(參見RU,A,1441809)。
根據該方法,在金屬熔液上方產生一個真空,所述真空是在一個高頻範圍內脈動的。
由於處理的深度不夠,因此這種方法沒有達到所需的金屬精煉程度。
此外,這種方法也不能實現調整擴散過程,而上浮過程和氣泡的碎裂卻導緻密度降低,而且通常不能獲得滿足質量要求的金屬。
在本技術領域已經知曉的是,容器帶有一個排氣嘴和一個具有一殼體、一噴嘴、一混合管道並且裝在所述排氣嘴上的噴射器(參見前述引文)。
實現上述方法的裝置還包括一個向金屬熔液吹送惰性氣體的風口。
這種裝置操作不便且不可靠,同時效率相對較低。
對本發明的揭示本發明的一個基本目的在於,提供一種金屬的真空精煉方法,在該方法的壓力脈動範圍內,可獲得滿足質量要求的金屬,本發明並提供了一種能實施上述方法的金屬真空精煉裝置,該裝置操作便利、可靠並且能最大限度地提高效率。
上述目的是通過提供這樣一種金屬精煉方法來達到的,在該方法中,使熔融金屬液面上方的最大壓力值降至一個足以在金屬熔液的上方產生氣體分壓力的值,該分壓力低於金屬熔液內部的分壓力,而金屬受到脈動壓力的處理;根據本發明,所述金屬熔液面上方的壓力在0.03-5Hz的低頻範圍內的變化幅度為0.02-0.08MPa,在55-195Hz的中頻範圍內的變化幅度為0.005-0.01MPa,而在350-3500Hz的高頻範圍內的變化幅度為0.0001-0.001Mpa。
同樣的方法還適用於從整個體積金屬熔液中周期性取出的個別部分來進行處理。
上述目的是通過提供一種用上述方法進行金屬真空精煉的裝置來達到的,該裝置包括一個真空密閉的容器,它具有一個排氣嘴、一個具有一殼體、一噴嘴和一混合管道的噴射器,噴射器裝在排氣嘴上,根據本發明,該裝置配置了一個可使穿過噴射器的噴嘴的工作氣體流速產生低頻脈動的裝置、一個可使在氣體排放管的入口處的氣體流速產生中頻脈動的裝置、以及一個可使從容器中抽出的氣體流速產生高頻脈動的裝置,所述容器是作成一調節器形式,該調節器可以根據下列公式來調節噴射器的噴嘴和/或混合管道的流動截面,所述公式為Fa=K1Fc2/Fb]]>其中,Fa是混合管道的橫截面積;K1是一個從0.5到0.7的係數;Fb,Fc分別是噴嘴的臨界和出口的橫截面積;Fb=K2·Fc,這裡的K2是一個從0.7到0.02的係數。
上述可以改變噴射器噴嘴的流動截面的調節器是做成一組噴嘴形式。
上述可以改變噴射器的噴嘴和/或混合管道的流動截面的調節器是做成一裝在噴射器的噴嘴和/或內表面上的內插件形式。
前述可以改變噴射器的混合管道的流動截面的調節內插件是做成帶有1-3°斜度的錐面,其較窄部分是朝著所述混合管道的出口延伸的。
噴射器可以在混合管道的出口處有一個圓筒形的管道,其橫截面積為Fd=(2-5)Fa,長度為La=(7-12)Da,這裡的Da是圓筒形管道的直徑,該圓筒形管道帶有一截面積為Fc=(1.2-2.5)Fa的出口喉部。
本發明方法的優點在於,它能大大減少金屬中殘留的未分解氣體和非金屬夾雜物的含量,這是因為對容器中金屬熔液的處理深度有所增加、建立了調整擴散過程、氣泡的上浮功能增強、減少了氣體從金屬中逸出時的阻力並且可以使氣體穿透一渣層,利用所有這些手段便可獲得具有預定質量的金屬。利用能實施本發明方法的裝置可以使壓力脈動的範圍相應於所處理金屬熔液的化學和物理特性作出相應的變化。這樣,由於將氣體動力管道選擇成最佳的幾何形狀,而且可隨著金屬熔液中氣體逸出情況的變化來自動的調節,所以該裝置能以最大的效率充分利用工作氣體的能量。因為基本的部件沒有和真空室中抽出的高溫氣體接觸,所以本發明裝置的使用壽命較長,而且操作可靠,並且具有最大限度的效率。
附圖簡要說明下面將通過例子並結合其附圖來進一步描述本發明。
圖1是根據本發明的金屬真空精煉裝置的一實施例的總示意圖(部分縱剖的剖視圖);圖2是圖1裝置的另一個實施例的總示意圖(部分縱剖的剖視圖);圖3示出了圖1所示裝置的又一個實施例(部分縱剖的剖視圖);圖4示出了圖1所示裝置的再一個實施例(部分縱剖的剖視圖);圖5示出了圖3和4所示裝置的一個實施例(部分縱剖的剖視圖);圖6是本發明裝置的還有一實施例的總示意圖(部分縱剖的剖視圖);發明的最佳實施方式。
本發明的金屬真空精煉方法在於,向一個容器內的熔融金屬供給一具有預定參數的工作氣體,在熔融金屬上方的混合氣體壓力在2-5秒內降至一個足以在熔融金屬內產生分壓力的值,而金屬則受到脈動壓力的處理。
熔融液面上方的壓力在0.03-5Hz的低頻範圍內的變化幅度為0.02-0.08MPa,在55-195Hz的中頻範圍內的變化幅度為0.005-0.01MPa,而在350-3500Hz的高頻範圍內的變化幅度為0.0001-0.001Mpa。
因為壓力是連續變化的,所以壓力的最終值是各個不同頻率和幅度的分量疊加而成的。頻率範圍0.03-5Hz、幅度範圍0.02-0.08的低頻分量會導致這樣的現象,即,在壓力降低的過程中,CO或惰性氣體氣泡膨脹,而在壓力升高的過程中它們是縮小的。在膨脹過程中擴散流被引入氣泡,而在縮小過程中它被引向外部,然而,前一種過程要強烈得多,並且使氣泡快速地長大。氣泡的脈動會導致其在熔融金屬內不斷更新其邊界層;當氣泡達到共振尺寸時,它會分裂成較小的氣泡,這些小氣泡也會開始長大。在熔融液面上的壓力低頻脈動會在金屬熔液中產生真空和壓力波。考慮到選擇的0.03-5Hz的頻率範圍覆蓋了具有深度為0.5到4m的熔融金屬並含有0到50%氣體的容器的共振頻帶,脈動幅度低於0.02MPa時不能使熔融金屬中氣體的調整擴散過程有顯著的加強,而當幅度在0.08MPa之上時則會增加能量消耗並降低真空密閉容器的密閉性能。
頻率範圍55-195Hz、幅度範圍0.005-0.02MPa的壓力脈動分量會在容器壁的區域附近產生強烈的微流,它們可破壞已經形成的和將要形成的氣泡。
此外,這一分量會影響氣泡在某一頻率範圍下的振蕩和分裂。
在中頻範圍內給定的壓力脈動參數與容器壁附近的金屬熔液微流的流速相關,而這一流速又關聯於容器壁的粗糙度、以及熔融金屬的空穴強度,而該強度又與熔融金屬的溫度及組成相關。
頻率為350-3500Hz、壓力幅度為0.0001-0.001MPa的高頻壓力脈動會導致已經浮在金屬熔液面上並形成所謂「緩衝層」的不同大小的氣泡振蕩和碎裂,所述「緩衝層」可以防止由於金屬熔液面上方的低壓而發生來自上金屬層的氫擴散現象。在實施該方法時,來自上金屬層的氫擴散現象會對整個金屬的精煉程度產生重大影響,這是因為在穿過整個體積金屬熔液的脈動壓力作用之下的CO氣泡有較大的幅度,它會產生強烈的、將金屬熔液從深層傳遞到表面的上升流,也就是使無氫層不斷地被替換。
在發生於金屬熔液深處的凝結和上浮過程中,氣泡的俘獲半徑增加,這會對高頻脈動有很大影響。明線光譜的高頻脈動關聯於到達表面的氣泡的共振特性,並且是在實驗數據的基礎上獲得的,所述實驗數據是通過使氣體最大限度地從金屬熔液中逸出,測得活性氣體的流速並結合在一定的運行工況下所熟知的噴射係數而獲得的。氣體在逸出過程中從金屬熔液中釋放的各種情況都列在下表中。
表金屬熔液No. 釋放氣體的體積流動 頻率光譜帶速率,m3/S Hz2250 0.031 50-10002671 0.094 350-35002680 0.949 1000-30003112 0.043 50-30003120 0.167 350-35003215 0.070 1000-3000在實現本發明方法的另一個實施例中,對從整個體積金屬中周期性地取出的個別部分進行處理。
下面將詳細描述可實施所考慮的方法的真空精鍊金屬裝置。
該裝置包括一個真空密閉的容器1(圖1),該容器具有一個排氣嘴2、一個具有一殼體4、一噴嘴5和一混合管道6並且裝在所述排氣嘴2上的噴射器3。噴射器3的工作情況取決於這樣一些幾何特性混合管道6的橫截面積Fa、噴嘴5的臨界橫截面積Fb以及噴嘴5的出口橫截面積Fc。
在噴射器3的噴嘴5的入口處設置了一個可使穿過噴嘴5的工作氣體流速產生低頻脈動的裝置7、一個可使在氣體排放管2的入口處流入噴嘴9的氣體流速產生中頻脈動的裝置8、以及一個可使從容器1中抽出的氣體流速產生高頻脈動的裝置10。
裝置10是一種調節器,它可以使噴射器3的噴嘴5的橫截面積和/或混合管道6的橫截面積根據下列公式發生變化,該公式為Fa=K1Fc2/Fb]]>其中,Fa是混合管道的橫截面積;K1是一個從0.5到0.7的係數;Fb,Fc分別是噴嘴的臨界和出口的橫截面積;
Fb=K2·Fc,這裡的K2是一個從0.5到0.02的係數。
在可實現本發明方法的裝置的上述實施例中,使噴射器3的噴嘴5,11(圖2)發生變化的調節器是做成一組噴嘴5和11的形式,圖1中噴嘴5的流動截面大於圖2中噴嘴11的流動截面。
噴射器3在混合管道6的出口處有一個圓筒形的管道12,其橫截面積為Fd=(2-5)Fa,長度為La=(7-12)Da,其中Da是圓筒形管道12的直徑,出口喉部13的面積為Fc=(1.2-2.5)Fa。
裝置7通過一緊固件14固接於噴射器3,噴射器3的諸元件通過緊固件15,16,17固定,而裝置8則通過緊固件18固接於噴嘴9。
在可實現本發明方法的裝置的又一實施例中,可調節噴嘴19的流體流動截面的調節器是這樣一種形式,即,如圖3所示的安裝在噴嘴19內表面上的內插件20。
在圖4所示的本發明裝置的又一實施例中,可調節噴射器3的混合管道6的流體流動截面的調節器是安裝在混合管道內表面上的內插件21。
在圖5所示的本發明裝置的實施例中,可調節噴射器3的噴嘴19和混合管道6的流體流動截面的調節器是兩個分別裝在噴嘴19和混合管道6的內表面上的內插件20和22。內插件22是帶有1-3°斜度的錐形件,該內插件22的較窄部分23朝著管道6的出口處24延伸。
在圖6所示的本發明裝置的實施例是本發明方法的一種變形,它對從容器27內的整個體積金屬中周期性取出的個別部分金屬加以處理。因此,要將一個密閉的容器28浸沒在金屬熔液26中。
圖6示出的是一個如圖1並且部分浸沒在金屬熔液26中的裝置。然而,應該指出的是,如圖2-5中任何一種裝置都可以用於此種目的。
下面將描述能實施本發明方法的裝置的工作原理。
向充滿熔融金屬熔液的容器1(圖1)中供給一種具有預定參數的工作氣體,開始從真空密閉容器1內抽出氣體。提供低壓脈動的裝置7使得穿過噴嘴5的工作氣體的流速發生變化,因此使從容器1來的噴射氣體發生變化,從而改變容器內的壓力。裝置8是用來使氣體流速產生中頻脈動的,它向排氣嘴2內周期性地吹送一氣流,使得容器1內產生壓力脈動。
噴嘴5的流動截面是這樣調節的,即,當供給工作氣體時,噴嘴5形成了一股氣流,該氣流與混合管道6相互配合併且完成從容器1的氣體噴射。這樣,從容器1噴射的氣體流速便在一高頻下脈動。然後,工作氣體和噴射(被動)氣體的混合流從混合管道6流入圓筒形管道12。當氣流和管道12的管壁以及帶有截面積Fc的喉部13相互作用時,在混合管道6的出口處會產生壓降,這樣就提高了生產率,提高了這種能實施本發明方法的裝置的效率。
圖2-5中所示裝置的原理和圖1裝置相類似。其區別在於,這些實施例中使用了截面積不同的噴嘴11(圖2),或噴嘴19(圖3),或混合管道6(圖4),或噴嘴19(圖5)和混合管道6。
圖6所示的能實施本發明方法的裝置中,可以在部分範圍內對金屬26加以處理,這種處理不是散裝地處理,而是可以10-300秒內對分開部分的金屬25加以處理。在該周期中,當由建議的工作次序開始的工藝過程完全結束時,保留在該部分的一些氣泡核被排入到整個體積中,此時,在整個體積的金屬熔液中,開始劇烈地釋放氣體並去除其中的非金屬夾雜物。然後,吸上一個新的金屬部分,再重複這一過程。
這一過程可以一直進行到達到了所需金屬熔液特性為止。該工藝所費時間取決於金屬熔液樣品的情況或快速分析的結果而定。
因此,這種能實施本發明方法的便利、可靠的裝置具有最大可能的工作效率,並且可以生產滿足質量要求的金屬。工業適用範圍當鑄造金屬或合金時,本發明也可以應用於有色金屬冶金。
權利要求
1.一種真空精鍊金屬的方法,它是使熔融金屬熔液面上方的最大壓力值降至一個足以在金屬熔液的上方產生氣體分壓力的值,該分壓力低於金屬熔液內部的分壓力,而金屬受到脈動壓力的處理,其特徵在於,所述金屬熔液面上方的壓力在0.03-5Hz的低頻範圍內的變化幅度為0.02-0.08MPa,與此財時,在55-195Hz的中頻範圍內的變化幅度為0.005-0.01MPa,而在350-3500Hz的高頻範圍內的變化幅度為0.0001-0.001MPa。
2.如權利要求1所述的方法,其特徵在於,所述的處理是對從整個體積金屬熔液中周期性取出的個別部分來進行的。
3.一種真空精鍊金屬的裝置,包括一個真空密閉的容器(1),該容器具有一個排氣嘴(2)、一個具有一殼體(4)、一噴嘴(5)和一混合管道(6)的噴射器(3),所述噴射器(3)裝在所述排氣嘴(2)上,其特徵在於,該裝置具有一個可使穿過噴射器(3)的噴嘴(5)的工作氣體流速產生低頻脈動的裝置(7)、一個可使在氣體排放管(2)的入口處的氣體流速產生中頻脈動的裝置(8)、以及一個可使從容器1中抽出的氣體流速產生高頻脈動的裝置(10),所述容器是作成一調節器形式,該調節器可以根據下列公式來調節噴射器(3)的噴嘴(5)的截面積,所述公式為Fa=K1Fc2/Fb]]>其中,Fa是混合管道(6)的橫截面積;K1是一個從0.5到0.7的係數;Fb,Fc分別是噴嘴的臨界和出口的橫截面積;Fb=K2·Fc,這裡的K2是一個從0.7到0.02的係數。
4.如權利要求3所述的裝置,其特徵在於,所述可以改變噴射器(3)的噴嘴(5,11)的流動截面的調節器是做成一組噴嘴(5,11)的形式。
5.如權利要求3所述的裝置,其特徵在於,所述可以改變噴射器(3)的噴嘴(19)的流動截面的調節器是做成一裝在噴射器(3)的內表面上的內插件(20)的形式。
6.一種真空精鍊金屬的裝置,包括一個真空密閉的容器(1),該容器具有一個排氣嘴(2)、一個具有一殼體(4)、一噴嘴(5)和一混合管道(6)的噴射器(3),所述噴射器(3)裝在所述排氣嘴(2)上,其特徵在於,該裝置具有一個可使穿過噴射器(3)的噴嘴(5)的工作氣體流速產生低頻脈動的裝置(7)、一個可使在排氣嘴(2)入口處的氣體流速產生中頻脈動的裝置(8)、以及一個可使從容器(1)中抽出的氣體流速產生高頻脈動的裝置(10),所述容器是作成一調節器形式,該調節器可以根據下列公式來調節噴射器(3)的混合管道(6)的截面積,所述公式為Fa=K1Fc2/Fb]]>其中,Fa是混合管道(6)的橫截面積;K1是一個從0.5到0.7的係數;Fb,Fc分別是噴嘴(5)的臨界和出口的橫截面積;Fb=K2·Fc,這裡的K2是一個從0.7到0.02的係數。
7.如權利要求6所述的裝置,其特徵在於,所述可以改變噴射器(3)的混合管道(6)之流動截面的調節器是做成一裝在噴射器(3)的混合管道(6)的內表面上的內插件(20)形式。
8.一種真空精鍊金屬的裝置,包括一個真空密閉的容器(1),該容器具有一個排氣嘴(2)、一個具有一殼體(4)、一噴嘴(5)和一混合管道(6)的噴射器(3),所述噴射器(3)裝在所述排氣嘴(2)上,其特徵在於,該裝置具有一個可使穿過噴射器(3)的噴嘴(5)的工作氣體流速產生低頻脈動的裝置(7)、一個可使在排氣嘴(2)入口處的氣體流速產生中頻脈動的裝置(8)、以及一個可使從容器(1)中抽出的氣體流速產生高頻脈動的裝置(10),所述容器是作成一調節器形式,該調節器可以根據下列公式來調節噴射器(3)的噴嘴(19)和混合管道(6)的截面積,所述公式為Fa=K1Fc2/Fb]]>其中,Fa是混合管道(6)的橫截面積;K1是一個從0.5到0.7的係數;Fb,Fc分調節器是做成一別是噴嘴(19)的臨界和出口的橫截面積;Fb=K2·Fc,這裡的K2是一個從0.7到0.02的係數。
9.如權利要求8所述的裝置,其特徵在於,所述可以改變噴射器(3)的噴嘴(19)和混合管道(6)的流動截面的調節器是做成一裝在噴射器(3)的噴嘴(19)和混合管道(6)的內表面上的內插件(20,21)形式。
10.如權利要求7或9所述的裝置,其特徵在於,所述可以改變噴射器(3)的混合管道(6)的流動截面的調節內插件(22)是做成帶有1-3°斜度的錐形件,而且其較窄部分(23)是朝著所述混合管道(6)的出口(24)延伸的。
11.如權利要求3,或4,或5,或6,或7,或8,或9所述的裝置,其特徵在於,噴射器(3)在混合管道(6)的出口處有一個圓筒形的管道(12),其橫截面積為Ed=(2-5)Fa,長度為La=(7-12)Da,這裡的Da是橫截面積為Fd=(2-5)Fa、長度為La=(7-12)Da的圓筒形管道(12)的直徑,這裡的Da是圓筒形管道(12)的直徑,該圓筒形管道帶有一截面積為Fc=(1.2-2.5)Fa的出口喉部(13)。
12.如權利要求10所述的裝置,其特徵在於,噴射器(3)在混合管道(6)的出口處有一個圓筒形管道(12),其橫截面積為Fd=(2-5)Fa,長度為La=(7-12)Da,這裡的Da是圓筒形管道(12)的直徑,該圓筒形管道帶有一截面積為Fc=(1.2-2.5)Fa的出口喉部(13)。
全文摘要
一種真空精鍊金屬的方法,它是使熔融金屬熔液面上方的最大壓力值降至一個足以在金屬熔液的上方產生氣體分壓力的值,該分壓力低於金屬熔液內部的分壓力,而金屬受到脈動壓力的處理,這種壓力在0.03-5Hz的低頻範圍內的變化幅度為0.02-0.08MPa,與此同時在55-195Hz的中頻範圍內的變化幅度為0.005-0.01MPa,而在350-3500Hz的高頻範圍內的變化幅度為0.0001-0.001MPa。一種以實現上述方法為目的的真空精鍊金屬的裝置,包括一個真空密閉的容器(1),該容器具有一排氣嘴(2)、一噴射器(3),該噴射器具有一殼體(4)、一噴嘴(5)、一混合管道(6)、一可使穿過噴射器(3)的噴嘴(5)的工作氣體流速產生低頻脈動的裝置(7)、一可使在氣體排放管(2)的入口處的氣體流速產生中頻脈動的裝置(8)、以及一可使從容器(1)中抽出的氣體流速產生高頻脈動的裝置(10),所述調節器是作成一在某種情形下可使噴嘴(5)的流動截面發生變化的形式,該調節器可由一內插件(20)構成。
文檔編號C21C7/10GK1145642SQ94195066
公開日1997年3月19日 申請日期1994年2月24日 優先權日1994年1月19日
發明者J·S·科馬拉託夫, A·A·基裡切科夫, V·P·諾沃洛德斯基, M·A·特列季亞科夫, G·V·布爾拉卡, V·A·斯皮林, A·A·費季索夫, V·B·亞歷山德羅夫, S·I·日加奇, A·M·西佐夫, V·E·尼科利斯基, V·V·卡巴拉卡, A·V·薩溫 申請人:「下塔其爾鋼鐵公司」股份公司, 梅日符扎夫斯基「噴射工藝」工程中心