專利名稱：輕金屬液的處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬液的精煉，更具體地是涉及一種自熔融的鋁及其合金中去除溶解的氣體和其它的可溶的或不溶的雜質(zhì)的方法和設(shè)備。
在澆鑄前，熔融鋁中含有大量的雜質(zhì)，如不將其去除，它們將造成很高的鑄件廢品損失，或換句話說(shuō)，它們還產(chǎn)生質(zhì)量低下的金屬產(chǎn)品。典型的不希望有的，要求去除的雜質(zhì)包括溶解氫、堿金屬或堿土金屬元素以及不溶的非金屬夾雜物。
向熔融鋁噴入惰性或反應(yīng)性氣體混合物，是一種去除上述雜質(zhì)而常用的技術(shù)。排除這些雜質(zhì)所用的精煉氣體的流量，在很大程度上取決于該氣體是如何被噴入金屬液的。當(dāng)產(chǎn)生細(xì)小氣泡而形成發(fā)生金屬處理反應(yīng)所需的大的界面接觸面積時(shí)，及當(dāng)這些氣泡以均勻的形式被分布于金屬流所能得到的整個(gè)橫截面上時(shí)，這種類型的金屬處理工藝的最佳效能就達(dá)到了。
使用旋轉(zhuǎn)葉輪將氣體噴入金屬熔體，而不用過(guò)濾床的工藝是已知的。在這類工藝中所用的葉輪的功能是生成細(xì)小氣泡，并使其在欲被處理的金屬的整個(gè)容積內(nèi)均勻分布，或建立起一個(gè)使全部待處理的金屬通過(guò)旋轉(zhuǎn)葉輪的某一區(qū)域的金屬流動(dòng)模式。通用類型的工藝被述于美國(guó)專利4，634，105;4，426，068;4，357，004;3，870，511;3，849，119;3，839，019;3，767，383;和3，743，262中。這些通用工藝對(duì)于去除可溶雜質(zhì)是最適宜的。在通過(guò)去除不溶的顆粒狀雜質(zhì)，或主要是使夾雜上浮而改進(jìn)金屬的純潔度方面，這種工藝也有一些有利的作用。然而，由于對(duì)受到轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪影響，金屬液表面產(chǎn)生渦流擾動(dòng)，使得這類去除夾雜工藝的可靠性變化不定。這種渦流往往會(huì)將夾雜和浮渣重新帶回來(lái)。
在一固定密封床內(nèi)利用氣-液對(duì)流去除熔融鋁中的非金屬夾雜是已知的。在該體系中，自熔融鋁中去除非金屬夾雜依賴于對(duì)流流動(dòng)的氣體混合物，該混合物起著使夾雜從金屬液中解濕的作用，并通過(guò)使夾雜聚集成在金屬表面上的浮渣而改善過(guò)濾效果。一般用一固定噴射裝置產(chǎn)生氣體噴射。在美國(guó)專利4，383，888;3，737，304;3，737，303;和3，707，305中描述了這類系統(tǒng)。
上述的氣流對(duì)流系統(tǒng)有兩個(gè)主要的缺點(diǎn)。第一，該系統(tǒng)不能在液態(tài)金屬中有效地生成細(xì)小的，均勻分布的氣泡。由于液態(tài)鋁的表面張力很高，這一情況尤為突出。此外，由于大多數(shù)鋁質(zhì)耐火材料的潤(rùn)濕性很差，所以對(duì)產(chǎn)生一個(gè)細(xì)小分散的氣-液體系增加了困難。當(dāng)大氣泡形成時(shí)，隨著它們穿過(guò)該固定床，它們傾向于聚集在一起，結(jié)果造成高度的局部渦流，不均勻的氣-液流的分布還可能攪動(dòng)該床本身。
使用美國(guó)專利3，737，305中所公開(kāi)的工藝的操作經(jīng)驗(yàn)表明，去除夾雜無(wú)需大量的處理氣體。該工藝所用的處理氣體的流量一般在0.2-0.3升/每公斤被處理的鋁的范圍中。去除夾雜關(guān)鍵是使處理氣體均勻地分布在整個(gè)固定床上。
然而，有效的去氫一般要求處理氣體的流量在0.6-0.8升/公斤的范圍內(nèi)。這要求對(duì)于使用位于固定床下的固定氣體噴射器的工藝是主要的難點(diǎn)。這樣一來(lái)，用較高的，為有效地去除溶解氫所要求的氣體流量，而沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)的氣體噴射器所提供的渦流剪切力，則處理氣體的氣泡是大的，而且分布不均勻。發(fā)生明顯降低夾雜去除效率的固定床的攪動(dòng)和/或移動(dòng)，以及增加浮渣形成和金屬噴濺，這二者都是不希望有的。實(shí)際所用的最大的處理氣體流量被限于一個(gè)較低的數(shù)值。美國(guó)專利3，737，305所列的操作條件是金屬流量為800磅/時(shí)(363公斤/時(shí))，固定床內(nèi)的金屬流通密度為12磅/時(shí)/吋2(相當(dāng)于一個(gè)666.7吋2或4300cm2的床面積)。該氣體流量是40標(biāo)英尺3/分(18.941/分)的氬和1標(biāo)英尺3/分(0.47升/分)的氯。這相當(dāng)于每公斤被處理的金屬耗用0.32升的處理氣體，并相當(dāng)于0.0045升/厘米2床/分。由前述的原因可知，處理氣體的流量超過(guò)該值，則趨于移動(dòng)該固定床。需要有一種能在固定密封床下方向鋁熔體噴入容積足夠大的處理氣體，而又不產(chǎn)生不可接受的床攪動(dòng)的的工藝。
其次是難于維修氣體噴射器。通常只有在停止過(guò)濾操作及拆除濾床時(shí)才能將裝配式或插入式的氣體噴射器移去。這是一種困難而耗費(fèi)很高的工序，結(jié)果是總不能按所需的頻率更換有故障的氣體噴射器。
本發(fā)明的目的是提供一種在一個(gè)單一單元中的有效的過(guò)濾和去氣系統(tǒng)，與現(xiàn)有系統(tǒng)相比本系統(tǒng)更為有效。
本發(fā)明就其最寬的范圍而言是涉及一種處理金屬液的設(shè)備，它由如下部分組成(a)一個(gè)加熱容器，它具有使金屬液向下連續(xù)流過(guò)該容器的進(jìn)、出口裝置，(b)一塊水平延伸橫過(guò)整個(gè)該容器的多孔板，該板將容器分為一上處理區(qū)和一下處理區(qū)，而該板則構(gòu)成一中間處理區(qū)，及(c)一種向下處理區(qū)內(nèi)的金屬中，以小的分散的氣泡的形式噴射氣體的裝置，該裝置具有一根穿過(guò)多孔板上的開(kāi)孔向下延伸的、中空的、可轉(zhuǎn)動(dòng)的軸，在該軸的上端裝有驅(qū)動(dòng)部件，在下處理區(qū)中的該軸的下端牢固地連接著一個(gè)帶葉片的轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪內(nèi)開(kāi)有一個(gè)或多個(gè)將來(lái)自該軸內(nèi)部的氣體導(dǎo)入下處理區(qū)內(nèi)的金屬中的通道。當(dāng)氣體穿過(guò)轉(zhuǎn)輪排出，而轉(zhuǎn)輪又在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，氣體就以細(xì)小分散的形式被噴入金屬液中，該氣泡是均勻地分布在下處理區(qū)內(nèi)的。在本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例中，氣泡一般以錐形流型自轉(zhuǎn)輪向上和向外地運(yùn)動(dòng)而被分布于多孔板的整個(gè)底部，并向上穿過(guò)該板上的孔。
本發(fā)明還涉及一種處理金屬液的工藝，它包括如下步驟(a)使金屬流股向下穿過(guò)耐火的加熱容器，該容器具有一個(gè)上部靜態(tài)區(qū)，一個(gè)以水平橫截整個(gè)該容器的多孔板形式的中間流態(tài)調(diào)整區(qū)和一個(gè)下部渦流區(qū)，(b)設(shè)置一臺(tái)浸沒(méi)在下部渦流區(qū)內(nèi)的金屬液中的氣體噴射裝置，該裝置具有一根穿過(guò)所說(shuō)的多孔板的垂直的中空的傳動(dòng)軸，在其下端牢固地裝有一帶葉片的轉(zhuǎn)輪，及設(shè)有將傳動(dòng)軸的中空部位和轉(zhuǎn)輪葉片間的開(kāi)口處連接起來(lái)的氣體排放通道，(c)在足夠的壓力下將氣體引入中空傳動(dòng)軸的上端，以將其噴入轉(zhuǎn)輪葉片間的金屬液內(nèi)，(d)以足夠在金屬液中產(chǎn)生一個(gè)環(huán)流流型的速度使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)而將氣體再分為細(xì)小分散的氣泡，以使氣泡被從所說(shuō)的轉(zhuǎn)輪中帶走，并被均勻地分布于下處理區(qū)內(nèi)。
為使氣泡以向上、向外的方向運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)輪葉片間的空隙最好是底部敞開(kāi)而頂部封閉的。頂部封閉可位于轉(zhuǎn)輪本身的任何部位，或?qū)⑥D(zhuǎn)輪適當(dāng)?shù)刂苯友b在一固定軸套的下部，該軸套把持著該轉(zhuǎn)輪的可轉(zhuǎn)動(dòng)的軸。若以后一種方式，軸套的底端就對(duì)葉片間的空隙的頂端進(jìn)行了有效的封閉。
轉(zhuǎn)輪被設(shè)計(jì)用來(lái)(a)提供足以產(chǎn)生細(xì)小氣泡的渦流和剪切力;并(b)將機(jī)械能傳遞給金屬液，以便產(chǎn)生大量的金屬運(yùn)動(dòng)。所產(chǎn)生的氣泡就這樣地被金屬環(huán)流帶入，并從轉(zhuǎn)輪處帶走。
這種氣泡的優(yōu)選的分布形狀是錐形的，借此氣泡大致以向上、向外的方向自轉(zhuǎn)輪處移去，這就使得氣泡被均勻地分布在多孔板的整個(gè)底部。這種氣泡的分布形狀決定于作用在氣泡上的浮力，和因轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)而傳遞給金屬液的機(jī)械力間的平衡。這種浮力對(duì)氣泡的作用，結(jié)果引起氣泡沿金屬處理室中的渦流區(qū)的中心軸作向上的垂直運(yùn)動(dòng)。于是液態(tài)金屬就被帶入，并且大量的金屬環(huán)流就這樣形成了。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪以便建立起一個(gè)由浮力驅(qū)動(dòng)的，不被干擾的金屬環(huán)流是重要的。
和轉(zhuǎn)輪成一定角度的攪動(dòng)作用相結(jié)合的，垂直取向的浮力驅(qū)動(dòng)金屬流使環(huán)形金屬流場(chǎng)得以建立。由轉(zhuǎn)輪所形成的氣泡被這大量的金屬流帶入，并從轉(zhuǎn)輪處帶走。后續(xù)的又被帶來(lái)的氣泡產(chǎn)生所需的錐形分布。這樣一來(lái)就形成了通過(guò)多孔板的均勻的氣流，而在轉(zhuǎn)輪以下的區(qū)域中的液態(tài)金屬內(nèi)則基本上沒(méi)有氣泡。
轉(zhuǎn)輪的葉片的作用是對(duì)分布著氣泡的熔池提供充分?jǐn)噭?dòng)，并提供產(chǎn)生細(xì)小氣泡所需的，一定程度的渦流和剪切力。葉片間的敞開(kāi)的空隙有助于通過(guò)氣相和金屬相的渦流攪動(dòng)而形成小氣泡。葉片間的空隙最好是底部敞開(kāi)而頂部封閉。頂部的封閉可位于轉(zhuǎn)輪本身的任何部分，或可將轉(zhuǎn)輪適宜地直接裝在一個(gè)把持著轉(zhuǎn)輪的可轉(zhuǎn)動(dòng)的軸的固定軸套的下面。若以后一種方式，則軸套的底端就有效地封閉了葉片間的空隙的頂部。
上述的底部敞開(kāi)，頂部封閉的結(jié)構(gòu)是較好的，因?yàn)?a)封閉的葉片間空隙的頂部抑制了渦流的形成;(b)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)與浮力驅(qū)動(dòng)的金屬是協(xié)調(diào)一致的，而不對(duì)其產(chǎn)生阻礙。在位于轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴的區(qū)域中的，浮力驅(qū)動(dòng)的金屬流被引導(dǎo)著垂直向上流動(dòng)。轉(zhuǎn)輪葉片間的空隙這樣地在底部敞開(kāi)，則使金屬流自由地，不受阻礙地進(jìn)入轉(zhuǎn)輪葉片間的攪動(dòng)區(qū)。
金屬就是這樣地向上穿過(guò)轉(zhuǎn)輪的攪動(dòng)區(qū)而流動(dòng)，并與氣體相迂。這樣兩相的渦流攪動(dòng)就發(fā)生了。當(dāng)金屬和細(xì)小分散氣泡相穿過(guò)轉(zhuǎn)輪攪動(dòng)區(qū)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們碰到了該攪動(dòng)區(qū)的封閉的頂部，在這一點(diǎn)上，使氣-液混合體向外加速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)兩相混合體越過(guò)葉片外沿流動(dòng)時(shí)，附加的剪切力確保形成足夠細(xì)小的氣泡。這樣，由于噴嘴的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的機(jī)械抽力作用就成了形成浮力驅(qū)動(dòng)的金屬流的原因之一，并使之加強(qiáng)。這確保了所需的，而不受浮力大小影響的環(huán)形金屬流型的建立，而這樣的流型的建立還取決于處理氣體的流量。這就能根據(jù)冶金工藝的要求調(diào)節(jié)氣流量，而又能始終維持所需的氣泡錐形分布。
通過(guò)以上述方式使穿過(guò)轉(zhuǎn)輪攪動(dòng)區(qū)的金屬產(chǎn)生環(huán)流，處理氣體就可有效地被帶離噴嘴攪動(dòng)區(qū)。這使得用一個(gè)相對(duì)小的轉(zhuǎn)輪就可得到所需的處理氣流，并將其分散，而在轉(zhuǎn)輪攪動(dòng)區(qū)中沒(méi)有超量氣體聚集(稱作液阻現(xiàn)象是已知的)，由于這種聚集，進(jìn)入反應(yīng)器的攪動(dòng)區(qū)的金屬不夠充分，結(jié)果導(dǎo)致有效氣泡的形成不足，這就產(chǎn)生較大的氣泡。
多孔板的功能是提供一個(gè)將下部渦流區(qū)和上部靜態(tài)區(qū)分隔開(kāi)的中間區(qū)。抑制了金屬液表面上的渦流就使浮渣的形成減至最小，防止了上浮夾雜和浮渣被重新帶回。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，將一個(gè)粒狀惰性陶瓷或耐火顆粒的床置于多孔板的頂部，于是這一床和支撐多孔板一起就構(gòu)成了一個(gè)中間處理區(qū)。多孔板上的孔眼約占該板表面積的25-45%。其孔徑不應(yīng)大于緊挨著多孔板的那些顆粒的平均直徑。
孔眼最好是垂直開(kāi)孔形式的，它們?nèi)羰浅襄F形的則是有利的。支撐床上的顆粒的尺寸一般在3-25毫米的范圍內(nèi)，并且其形狀以基本上呈球形為好。
轉(zhuǎn)輪最好用單塊陶瓷體構(gòu)成。這種陶瓷體的材料性能必須適于抵御由于長(zhǎng)期暴露在金屬液中而產(chǎn)生的化學(xué)腐蝕和熱浸蝕。它例如可用碳化硅、氧化鋁、石墨等制成。轉(zhuǎn)輪的葉片可簡(jiǎn)便地垂直排列，但由于轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向使氣泡的流動(dòng)方向有一個(gè)向上分量，所以葉片可與垂直方向作最大為45°角傾斜。轉(zhuǎn)輪葉片的軸向長(zhǎng)度和徑向?qū)挾鹊拈L(zhǎng)度比以1-5∶1為宜，而使用4-6片葉片是較好的。
根據(jù)本發(fā)明的另一最佳特性，轉(zhuǎn)輪葉片的外徑是小到足以能使整體轉(zhuǎn)輪連同軸和軸套一起穿過(guò)多孔板垂直地抽出。為作到這一點(diǎn)，轉(zhuǎn)輪的最大直徑不得大于該軸直徑的兩倍。這就大大地簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)軸的維修。
如前所述，本發(fā)明的處理容器包括一個(gè)上處理區(qū)、一個(gè)下處理區(qū)和一個(gè)中間處理區(qū)。上處理區(qū)基本上是兩相靜態(tài)區(qū)，該區(qū)可使進(jìn)入的金屬均勻地分布于整個(gè)進(jìn)入中間區(qū)的入口處，并還提供一個(gè)使氣體平穩(wěn)地逸出和減少浮渣形成的自由金屬表面。所形成的浮渣可被扒去，而不干擾固定床或多孔板。
中間處理區(qū)為一個(gè)三相流調(diào)整區(qū)。該區(qū)的主要功能是促進(jìn)氣-液接觸。這樣一來(lái)，當(dāng)氣體和金屬液對(duì)流通過(guò)該區(qū)時(shí)，多孔板和任何的固定床就起了使氣體和液態(tài)金屬兩者的流股達(dá)到均衡的作用。隨著未被處理的金屬因短程環(huán)流而被消除，每單位質(zhì)量的金屬都可與同體積的處理氣體相接觸。這就提高了金屬處理的效能和可靠性。
當(dāng)使氣-液兩相發(fā)生對(duì)流時(shí)，多孔板和其上面的任何的固定床有效地把位于其下的被充分?jǐn)噭?dòng)了的渦流區(qū)和上方的靜態(tài)區(qū)隔離開(kāi)來(lái)。這樣有效的金屬處理所需的小氣泡就可通過(guò)轉(zhuǎn)輪和所要求程度的渦流而產(chǎn)生，而與此同時(shí)，保持可聚集浮渣和上浮夾雜的平靜的金屬表面，如果自由金屬表面是高度渦流的，就將發(fā)生將浮渣和上浮夾雜重新混回金屬的情況。市售的，采用轉(zhuǎn)動(dòng)式氣體噴射器/擴(kuò)散器的串聯(lián)的脫氣/精煉的工藝，其夾雜去除率一般很低，而且是高度可變的，部分原因就在于這種有渦流的金屬表面。
可被用于本發(fā)明的工藝中的處理氣體，是不與熔融鋁反應(yīng)的任何氣體，而以氬氣和氮?dú)鉃楹谩?br> 可往處理氣體中加入反應(yīng)性的組分，以便去除堿金屬/堿土金屬雜質(zhì)，以及有助于去除夾雜的上浮過(guò)程。在該體系中，用非反應(yīng)性的處理氣體來(lái)排除溶解氫，并且該氣體還起到了作為反應(yīng)性組分的載體作用。處理氣體中的反應(yīng)性組分可以是氯氣，一種含氟的氣態(tài)混合物，或是上述二者的混合物，適宜的含氟氣體的例子是四氟化硅、六氟化硫，反應(yīng)性氣態(tài)混合物與惰性載氣的比例，可依需去除的堿金屬和堿土金屬雜質(zhì)的量，在很寬的范圍內(nèi)變化。然而這種反應(yīng)性氣體，通常以小于10%(體積)的量存在于氣體混合物中。
通過(guò)采用本發(fā)明的工藝，就認(rèn)識(shí)到明顯優(yōu)于現(xiàn)有的，使用固定床的過(guò)濾/去除夾雜的工藝的優(yōu)點(diǎn)。因而在被進(jìn)行的鑄造開(kāi)始之前，可將處理氣體的流量和轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到所需的水平。這樣就出現(xiàn)了一個(gè)精煉期，該期被用于在兩次澆鑄之間消除盛在本系統(tǒng)內(nèi)的金屬中的夾雜物，并使金屬溫度均勻化。當(dāng)采用其它的串聯(lián)過(guò)濾工藝時(shí)，通?？稍跐茶T開(kāi)始時(shí)就觀察到發(fā)生了夾雜物的沖出和溫度波動(dòng)。
本發(fā)明的工藝可將體積足夠大的處理氣體噴入固定密閉床下的鋁熔體中以去除溶解氫，而沒(méi)有該床的不可接受的攪動(dòng)?？蓪⒆疃酁槊抗锾幚斫饘?升的處理氣體噴入，而沒(méi)有床攪動(dòng)或床移動(dòng)的問(wèn)題。這就在固定床中提供了數(shù)量級(jí)為0.0375升/厘米2床/分的處理氣體的氣流密度。這大約是一般在現(xiàn)有工藝，如美國(guó)專利3，373，305中所公開(kāi)的工藝所用的處理氣體氣流密度的8倍，并且提供了相當(dāng)于如在美國(guó)專利3，743，263中所公開(kāi)的串聯(lián)脫氣工藝的非常有效的脫氫。
通過(guò)例子和參看附圖對(duì)本發(fā)明作圖解說(shuō)明，其中

圖1是示意的剖面正視圖，它描繪根據(jù)本發(fā)明的改進(jìn)體系的運(yùn)行;
圖2為圖1中所示的轉(zhuǎn)輪的剖面圖;
圖3為圖2中所示的轉(zhuǎn)輪的底視圖;
圖4為另一實(shí)施例中的轉(zhuǎn)輪的局部剖面圖;
圖5為圖4中所示的轉(zhuǎn)輪的底視圖;
圖6為轉(zhuǎn)輪的另一實(shí)施例的局部剖面圖;
圖7為圖6中所示的轉(zhuǎn)輪的底視圖;
圖8為轉(zhuǎn)輪軸的局部剖面圖;以及圖9為多孔板的局部剖面圖。
現(xiàn)在參看圖1，該系統(tǒng)包括一個(gè)用適宜的耐火材料構(gòu)成的，或襯砌的盛放容器10，該容器上還帶有一入口11和一出口12。出口12與一用來(lái)保持金屬液水平面的支管(未示出)相通。
橫向延伸于整個(gè)容器的多孔陶瓷板16將其分為在板16上方的上處理區(qū)和板16下方的下處理區(qū)。該板16與可置于其頂部的任何的粒狀陶瓷固定床18一起構(gòu)成了一中間處理區(qū)。使用本系統(tǒng)可帶有或不帶有多孔板頂部的固定床18。
在多孔板16的中心設(shè)有一孔30，裝在該孔中的是固定套19，其作用是固定住任何的粒狀陶瓷固定床18。
伸過(guò)固定套19的是一轉(zhuǎn)動(dòng)組件，它包括一根帶有軸向空腔21的傳動(dòng)軸20，空腔21用作氣體通道。連接在該軸下端的是轉(zhuǎn)輪22，它由中心輪轂部分23和四片徑向伸出的葉片24組成。在輪轂部分的底部開(kāi)有通槽25，它們用作氣體自氣體通道21進(jìn)入葉輪24間的空隙27的通道。如從圖2將可看出，這些通道25一直開(kāi)到葉片24間的空隙27的內(nèi)部。這些空隙27的底端是敞開(kāi)的，而頂端被頂部封閉部分31封死。
轉(zhuǎn)輪的另一實(shí)施例被示于圖4和5。該實(shí)施例包括裝在軸套36內(nèi)用于旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)軸35，而該軸內(nèi)有一軸向延伸穿通的氣體通道37。一個(gè)轉(zhuǎn)輪被連接在傳動(dòng)軸35的底端，該轉(zhuǎn)輪包括一個(gè)中心輪轂部分38，輪轂上帶有6片自其徑向外伸的葉片39。葉片間的空隙42的頂?shù)锥硕际浅ㄩ_(kāi)的。然而，從圖4可以看出，由于葉片39裝在軸套36的正下方，軸套36的底端就有效地起到了對(duì)空隙42的頂部的封閉作用。輪轂38包括一軸向開(kāi)孔40，它與傳動(dòng)軸35的軸向通孔37相吻合。橫向連接于開(kāi)孔40的是6條徑向通道41，它們把氣體通道40與葉片39間的空隙42連通。
本發(fā)明的轉(zhuǎn)輪的又一實(shí)施例被示于圖6和7。在這種布置中，轉(zhuǎn)輪有一個(gè)主體部分，它帶有自主體部分向下伸出的六片徑向葉片71。在葉片71的內(nèi)沿間形成了一個(gè)園筒形空腔73，而在主體部分70設(shè)有用于氣體噴射的軸向空腔72。氣體通過(guò)軸向出口74排入筒形空腔73。這種轉(zhuǎn)輪與上述那些轉(zhuǎn)輪以同樣的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，即隨著葉片間的液態(tài)金屬向上和向外流動(dòng)，而使自出口74退出的氣體加速。
用于轉(zhuǎn)輪的傳動(dòng)軸的特殊布置被示于圖8。一個(gè)軸套78固定在多孔板16上的開(kāi)孔內(nèi)，而該軸套78最好略高地伸出于裝在多孔板16上的任何的固定床。如果軸套78的頂部留有開(kāi)孔，并且此孔又位于最高金屬液面之下，則趨于使金屬液自該設(shè)備的上處理區(qū)分流入下處理區(qū)。另一方面，如果軸套78伸出高于上處理區(qū)中的最高金屬液面，則趨于在該套所伸出的高于金屬的表面上形成和積聚氧化物，這就給維修和運(yùn)行帶來(lái)了問(wèn)題。
優(yōu)先選用圖8所示的系統(tǒng)，在其中，該軸75有一個(gè)較大直徑的上段76和縮小直徑的下段77。在軸的兩種直徑之間形成了一個(gè)環(huán)形肩臺(tái)81。肩臺(tái)81座落在軸套78的頂端。最好帶有一個(gè)可在傳動(dòng)軸75和軸套78之間起密封作用的，用可壓縮陶瓷(如FibrefraxR或KaowooLR制成的墊圈。以這種方式，軸套78支撐著傳動(dòng)軸75，而金屬的分流就被消除。
正如從上述實(shí)施例可見(jiàn)，包括轉(zhuǎn)輪葉的整體轉(zhuǎn)輪組件的直徑，包括轉(zhuǎn)輪葉片是這樣的，以使于組件整體可被垂直向上地穿過(guò)多孔板拉出并移去以便維修。
多孔板16被較詳細(xì)地示于圖9。這樣可知，該板具有頂面46和底面47，其上帶有一系列間隔相等的，從頂面46向下延伸的孔48。該板的底部包括一些倒錐形的部分49，它們?yōu)殚_(kāi)孔48形成了彼此相通的通道50。這有助于使氣泡穿過(guò)開(kāi)孔48。
可在圖1和2中極清楚地看到本發(fā)明的系統(tǒng)的運(yùn)行。欲被處理的金屬液流過(guò)入口11而進(jìn)入上部?jī)上囔o態(tài)區(qū)。這就使得進(jìn)來(lái)的金屬在向下移動(dòng)之前就均勻地橫漫地分布于該容器。然后，金屬液向下穿過(guò)由多孔陶瓷板16和任何的粒狀陶瓷固定床18構(gòu)成的中間處理區(qū)而移動(dòng)。穿過(guò)多孔板16后，金屬進(jìn)入發(fā)生劇攪動(dòng)的下部渦流區(qū)。
處理氣體穿過(guò)轉(zhuǎn)輪22上的出口被排入轉(zhuǎn)輪葉片間的空隙27中。葉片24間的開(kāi)敞的空隙27有助于通過(guò)渦流攪動(dòng)氣-金屬相而形成氣泡，并有助于在引發(fā)大量金屬流動(dòng)方面起有利的作用，這種流動(dòng)對(duì)將氣泡61分布成所需的錐形流型是必要的。這樣一來(lái)，當(dāng)氣泡沿箭頭62所示的途徑向上穿過(guò)攪動(dòng)區(qū)時(shí)，金屬液就借箭頭63所示的途徑被帶入，從而引起浮力驅(qū)動(dòng)的流。由于攪動(dòng)區(qū)的頂部是封閉的，隨著轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，攪動(dòng)區(qū)頂部的氣體和金屬沿箭頭64所示的途徑被向外增速。當(dāng)兩相混合物越過(guò)葉輪外緣引進(jìn)時(shí)，附加的剪切力就確保了形成足夠小的氣泡。由于垂直取向的，被浮力驅(qū)動(dòng)的金屬流，和旋轉(zhuǎn)噴嘴的成一定角度的攪動(dòng)作用的結(jié)果，錐形金屬流場(chǎng)就被建立起來(lái)了。氣泡被這種大量的金屬流帶入，并被從轉(zhuǎn)輪處帶走。后續(xù)的氣泡的再次帶入產(chǎn)生所需的錐形的氣泡分布。這些氣泡借此被均勻地分布于多孔板的整個(gè)底部，并很容易地向上穿過(guò)通路50和垂直開(kāi)孔48。
對(duì)于本系統(tǒng)，氫的去除是借助其從液態(tài)金屬到上升氣泡的化學(xué)轉(zhuǎn)移而完成的。堿金屬的去除是通過(guò)與處理氣體中的反應(yīng)性組分的反應(yīng)去除的。非金屬夾雜的去除是通過(guò)上浮去除的，所謂上浮是一種過(guò)程，通過(guò)它，夾雜被留在處理氣泡的表面，并被帶到自由金屬表面，于此夾雜聚集成浮渣。氣泡的渦流作用持續(xù)地清洗著固定床18。顯然，所產(chǎn)生的氣泡的數(shù)量，它們的尺寸，形狀及其分布于金屬中的方式，在影響金屬處理效能方面是重要的因素。還將可被理解的是，金屬在本發(fā)明的容器中的全部三個(gè)處理區(qū)中，即從氣泡產(chǎn)生那點(diǎn)起，到處理氣泡在自由金屬表面離開(kāi)處理室之處一直被處理著。
為適應(yīng)所要處理的金屬類型，多孔板及固定床可加以改變。增加固定床的厚度會(huì)提高夾雜的去除效率，但這對(duì)氫或堿金屬的去除不是必要的。這樣，如果產(chǎn)品不得含有非金屬夾雜的話，一個(gè)厚的，如大于25厘米厚的床就可被使用。如果主要考慮去氫，固定床就可以相當(dāng)?shù)谋?，或不使用該床。多孔板和固定床的位置可設(shè)在金屬處理室中的高的部位，其結(jié)果是大大地增加了下部渦流區(qū)的容積，這樣一來(lái)，優(yōu)化了氫和堿金屬的去除。顆粒狀材料的尺寸也可調(diào)節(jié)?？捎眉?xì)的材料來(lái)提高夾雜的去除效率，但這是以固定床的有效壽命為代價(jià)的。
實(shí)施例1用圖中所示的裝置進(jìn)行一系列試驗(yàn)，處理了4種具有鋁業(yè)協(xié)會(huì)牌號(hào)AA3004、AA5052、AA5182和AA6201的不同的鋁合金，并且確定了氫和堿金屬的脫除百分率。
一般用Telegas儀測(cè)氫，而有一次測(cè)量是用重熔法作的。
所測(cè)得的堿金屬是堿金屬/堿土金屬的總濃度。
工藝條件和所得結(jié)果示于下表權(quán)利要求
1.處理金屬液的設(shè)備，它由如下部分構(gòu)成(a)一個(gè)帶有進(jìn)、出口裝置的加熱容器，該裝置用于使所說(shuō)的金屬連續(xù)地向下流過(guò)所說(shuō)的容器。(b)一塊水平地橫截延伸過(guò)所說(shuō)的容器，而將之分為一個(gè)上處理區(qū)和下處理區(qū)的多孔板，所說(shuō)的多孔板又構(gòu)成了一個(gè)中間處理區(qū)，及(c)一個(gè)將細(xì)小分散氣泡狀的氣體噴入所說(shuō)的金屬內(nèi)的裝置，所說(shuō)的裝置包括一根通過(guò)所說(shuō)的多孔板上的開(kāi)孔向下延伸的中空的，可轉(zhuǎn)動(dòng)的軸，所說(shuō)的軸的上端裝有一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，位于所說(shuō)的下處理區(qū)中的，所說(shuō)的軸的下端裝有一個(gè)帶有葉片的轉(zhuǎn)輪，所述的轉(zhuǎn)輪帶有一個(gè)或多個(gè)用于將所說(shuō)的氣體導(dǎo)向所說(shuō)的下處理區(qū)中的所說(shuō)的金屬中的通道，借助于所說(shuō)的轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)和所說(shuō)的氣流的補(bǔ)充，將所說(shuō)的氣體以細(xì)小、分散的氣泡的形式噴入所說(shuō)的金屬中，該氣泡自轉(zhuǎn)輪移去并被均勻地分布在下處理區(qū)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種設(shè)備，其中，該細(xì)小分散的氣泡自該轉(zhuǎn)輪向上、向外地、大致呈錐形地移去而被分布于所述的多孔板的整個(gè)底部，并向上穿過(guò)其上的孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的一種設(shè)備，其中，所說(shuō)的轉(zhuǎn)輪的葉片間的空隙的頂端被封閉。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的一種設(shè)備，其中，所說(shuō)的軸被可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在一固定軸套內(nèi)，該軸套自該轉(zhuǎn)輪向上延伸穿過(guò)所說(shuō)的多孔板，并伸入上處理區(qū)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的一種設(shè)備，其中，一個(gè)惰性粒狀陶瓷或耐火顆粒的床被置于所說(shuō)的多孔板的頂部，所說(shuō)的多孔板和所說(shuō)的床一起構(gòu)成所說(shuō)的中間處理區(qū)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的一種設(shè)備，其中，所說(shuō)的轉(zhuǎn)輪的葉片是垂直排列的。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的一種設(shè)備，其中，所說(shuō)的轉(zhuǎn)輪的葉片以最大為45°的角傾斜于垂直方向，所說(shuō)的轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向要使所說(shuō)的氣體氣泡流有一個(gè)向上的分量。
8.一種處理金屬液的工藝，其所包括的步驟是(a)使金屬液流向下穿過(guò)一個(gè)耐火的加熱容器，該容器包括一上部靜態(tài)區(qū)，一個(gè)以一水平延伸橫截該容器的多孔板形成的中間流態(tài)調(diào)整區(qū)和一下部渦流區(qū)，(b)設(shè)置一個(gè)浸沒(méi)在下部渦流區(qū)中的金屬液內(nèi)的氣體噴射裝置，該裝置包括一根伸過(guò)所說(shuō)的多孔板的垂直的中空的傳動(dòng)軸，該軸帶有一個(gè)牢固地裝在其下端的帶葉片的轉(zhuǎn)輪，及將該傳動(dòng)軸的中空部分接通于該轉(zhuǎn)輪葉片間的敞開(kāi)處的排氣通道，(c)在充足的壓力下把氣體引入通孔傳動(dòng)軸的頂部，以便把它噴入轉(zhuǎn)輪葉片間的金屬中，(d)通過(guò)以足夠在金屬液中產(chǎn)生一種環(huán)流流動(dòng)形式的速度轉(zhuǎn)動(dòng)帶葉片的轉(zhuǎn)輪，而將氣體再分成細(xì)小、分散的氣泡，這樣以致于將該氣泡從所說(shuō)的轉(zhuǎn)輪處帶走，并將之均勻地分配在該下處理區(qū)中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的一種工藝，其中該氣泡被從所說(shuō)的轉(zhuǎn)軸處以大致為錐形流動(dòng)模式被向上、向外地帶走，該氣泡被分布在該多孔板的整個(gè)底部，并向上穿過(guò)其上的孔。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的一種工藝，其中所說(shuō)的金屬是鋁或它的一種合金。
全文摘要
一種處理金屬液的設(shè)備和方法，其中包括(a)一個(gè)帶有進(jìn)出口裝置的加熱容器，用于使金屬液流連續(xù)地向下通過(guò)該容器，(b)一塊水平延伸橫截過(guò)該容器的多孔板，將所述容器分為一上處理區(qū)和一下處理區(qū)，而其自身則構(gòu)成一個(gè)中間處理區(qū)，(c)一個(gè)用于將氣體以細(xì)小分散的氣泡的形式噴入下處理區(qū)內(nèi)的金屬中的裝置。
文檔編號(hào)C22B21/06GK1042189SQ89107189
公開(kāi)日1990年5月16日 申請(qǐng)日期1989年6月13日 優(yōu)先權(quán)日1988年6月14日
發(fā)明者彼得·唐納德·韋特, 蓋斯蘭·杜比 申請(qǐng)人:艾爾坎國(guó)際有限公司