устройство для рафинирования расплава металлов или сплавов

Формула изобретения

1. Устройство для рафинирования расплава металлов или сплавов, содержащее автономно расположенные трубчатые тракты и сопла для подачи активного и инертного газов, отличающееся тем, что часть тракта для подачи инертного газа, погружаемая в расплав, выполнена в виде змеевика.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сопла для инертного газа расположены равномерно вокруг оси сопла для активного газа по окружности, радиус которой составляет 12-30 мм, и наклонены к этой оси под углом 4-15, при этом количество сопел составляет 2-6.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выпускные отверстия сопел для инертного газа имеют диаметр 0,3-1,5 мм, а отверстие сопла для активного газа имеет диаметр 2-8 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, а именно к рафинированию расплавов металлов и их сплавов, и может быть использовано для рафинирования расплава алюминия или его сплавов.

Известно устройство для введения хлора в расплав алюминия или его сплава, содержащее трубу для подачи газа с соплом и теплоизоляционной оболочкой и источник сжатого газа, соединенный с трубой. Оно снабжено насадком с отверстием диаметром, превышающим диаметр отверстия сопла, установленным соосно с соплом с зазором относительно него и выполненным из материала, стойкого к хлору и расплаву, и пневматическим сопротивлением, размещенным в зазоре между соплом и насадком, и теплоизоляционная оболочка выполнена газопроницаемой. Пневматическое сопротивление выполнено в виде лабиринта, заполненного мелкопористым веществом (пат. СССР № 1784047, С 22 В 9/05, 21/06, опубл. 23.12.92. Бюл. № 47).

Известное устройство не обеспечивает достаточно высокую эффективность рафинирования расплава алюминия или его сплавов, так как оно не обладает механизмом предварительного нагрева подаваемого газа. В связи с этим газовая струя, попадая в расплав, образует пузырьки с большим диаметром по сравнению с таковыми, формируемыми предварительно нагретой газовой струей.

Ближайшим аналогом заявленного устройства является устройство для дисперсионной подачи газа в массу расплавленного металла, содержащее проходящий через статор вал, верхним концом соединенный с механизмом вращения, а нижним концом жестко соединенный с лопастным ротором, и имеющее аксиально расположенный кольцевой канал с отверстиями для подачи и впрыскивания газа в массу расплавленного металла, образованный внутренней поверхностью статора и наружной поверхностью вала. Нижняя часть статора выполнена лопастной с образованием между лопастями вертикальных каналов. Выше статора вал заключен в кожух, диаметр которого меньше наружного диаметра статора. Внутри вала вдоль него выполнен дополнительный аксиально расположенный канал с отверстием для соединения дополнительного канала с каналом, образованным внутренней поверхностью кожуха и статора, и наружной поверхностью вала (патент SU № 1068040, С 22 В 9/00, опубл 15.01.1984, Бюл.№ 2).

Данное устройство позволяет эффективно рафинировать алюминиевые расплавы. Однако оно имеет сложную конструкцию, т.е. включает электропривод и ротор, который при высокоскоростном вращении диспергирует в расплаве поступающие потоки инертного и активного газов. При этом ротор относительно часто выходит из строя ввиду его интенсивного износа. Кроме этого, при изготовлении указанного устройства необходимо использовать высокосложные технологические операции и дорогостоящие комплектующие, что неизбежно приводит к увеличению себестоимости продукции.

Задача, решаемая изобретением, - упрощение конструкции и снижение себестоимости устройства для рафинирования расплава металлов или сплавов при сохранении высокой эффективности процесса рафинирования.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для рафинирования расплава металлов или сплавов, содержащем автономно расположенные трубчатые тракты и сопла для подачи активного и инертного газов, часть тракта для подачи инертного газа, погружаемая в расплав, выполнена в виде змеевика. Кроме того, сопла для инертного газа расположены равномерно вокруг оси сопла для активного газа по окружности, радиус которой составляет 12-30 мм, и наклонены к этой оси под углом 4-15, при этом количество сопел составляет от 2 до 6. Выпускные отверстия сопел для инертного газа имеют диаметр от 0,3 до 1,5 мм, а отверстие сопла для активного газа имеет диаметр от 2 до 8 мм.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное решение отличается тем, что:

- содержит змеевик в тракте подачи инертного газа;

- сопла для инертного газа расположены равномерно вокруг оси для активного газа по окружности, радиус которой составляет 12-30 мм, и наклонены к этой оси под углом 4-15, при этом количество сопел составляет от 2 до 6;

- выпускные отверстия сопел для инертного газа имеют диаметр от 0,3 до 1,5 мм, а отверстие сопла для активного газа имеет диаметр от 2 до 8 мм.

Суть предложенного устройства заключается в следующем. Заявленное устройство обладает простой конструкцией и изготовляется из широко распространенных, недорогих материалов, т.е. имеет низкую себестоимость. Использование предлагаемого устройства позволяет получать минимальный размер пузырьков, а следовательно, максимальную длину зоны диспергирования за счет высокой температуры вводимого инертного газа, оптимально подобранных размеров выпускных отверстий сопел и их расположения. Нагревание инертного газа (аргона, азота) до высокой температуры обеспечивает змеевик. Он удлиняет погружаемую в расплав часть тракта подачи аргона в 3,5-6,5 раз. При этом инертный газ, проходя через змеевик, претерпевает объемное расширение, в результате чего возрастает время его истечения. Под воздействием двух факторов (возросших расстояния и времени) величина температуры инертного газа приближается к температуре расплава. В связи с этим образование дисперсных пузырьков не сопровождается их дополнительным объемным расширением. На выпускных отверстиях сопел тракта аргона достигаются наивысшие скорости в выходных сечениях при давлении 0,5-2 МПа. Благодаря равномерному расположению сопел инертного газа по окружности, имеющей радиус от 12 до 30 мм, и их наклону под углом 4-15 к оси сопла активного газа (хлора), подаваемого под давлением 0,3-0,4 МПа, высокоскоростные струи инертного газа с высокой температурой при попадании в расплав распыляют поток активного газа на мельчайшие пузырьки. Таким образом, образуется газовая смесь аргона с хлором, обеспечивающая эффективное промешивание и рафинирование расплава.

При количестве сопел инертного газа менее двух не обеспечивается качественное промешивание больших масс расплава, при их количестве более шести увеличивается расход газа, не приводящий к существенному повышению эффективности процесса рафинирования.

При радиусе окружности, по которой равномерно располагаются сопла инертного газа, менее 12 мм и их наклоне под углом более 15 к оси сопла активного газа происходит взаимное гашение скорости струй аргона, что уменьшает длину зоны диспергирования расплава. При радиусе окружности более 30 мм и наклоне сопел инертного газа к оси сопла хлора под углом менее 4 снижаются захват и распыление потока активного газа высокоскоростными струями аргона.

При диаметре выпускных отверстий сопел инертного газа менее 0,3 мм увеличивается продолжительность продувки больших масс расплава, при диаметре более 1,5 мм возрастает расход инертного газа без существенного повышения эффективности процесса рафинирования расплава.

При диаметре выпускного отверстия сопла активного газа менее 2 мм происходит его “зарастание” примесными веществами, содержащимися в хлоре, при диаметре более 8 мм значительно увеличивается расход активного газа.

На чертеже схематично показано заявляемое устройство.

Заявляемое устройство состоит из трубчатого корпуса 1, внутри которого располагаются автономные тракты подачи инертного 2 и активного 3 газов. Погружаемая в расплав часть тракта подачи инертного газа выполнена в виде змеевика 4. В конце змеевика находятся сопла 5 в количестве от 2 до 6. Они расположены равномерно по окружности относительно оси сопла активного газа 6 и наклонены к ней под углом 4-15. Сопла закреплены в огнеупорном бетоне 7. Тракт подачи активного газа центрируется втулкой 8, и имеет гибкий релаксатор термонапряжений 9. В головной части устройства тракт активного газа размещается внутри змеевика и закрепляется на выходе из него огнеупорным бетоном.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В тракт 2 подается инертный газ, а в тракт 3 - активный газ под давлением, достаточным для предотвращения затекания расплавленного металла в сопла 5, 6. Устройство вводится в расплав металла на определенную глубину емкости. После погружения головной части устройства в расплав давление инертного газа устанавливается в пределах 0,5-2 МПа, а давление активного газа - 0,3-0,4 МПа. По окончании процесса рафинирования давление инертного и активного газов снижается до 0,2 МПа, устройство извлекается из расплава, после чего подача газов прекращается. Вместо активного газа можно подавать рафинирующие флюсы в виде порошкообразных веществ или гранул в струе инертного газа.

Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию “новизна”.

Сравнение заявляемого решения с аналогами позволило выявить в нем признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что свидетельствует о соответствии критерию “изобретательский уровень”.

Реализация заявляемого решения в процессе рафинирования расплава алюминия или его сплавов экономически целесообразна из-за простоты разработанной конструкции, дешевизны применяемых материалов и мобильности устройства.