專利名稱：熔融鋁精煉設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是對精煉熔融鋁用的設(shè)備的改進(jìn)，所述熔融鋁用于制造原 始鋁和再生鋁或部分再生鋁及其合金。
背景技術(shù)：
來源于諸如原生金屬、廢料和再熔錠等最常見的來源的熔融鋁， 在被鑄造成錠、薄板或者棒之前，通常必須提純。這可以借助將惰性 氣體、即氮或者氬形成氣泡，使其通過熔融形式的鋁來進(jìn)行。在某些 實施例中，為了進(jìn)行提純，添加卣素氣體，通常為氯氣，或者可以只 利用卣素氣體。這種類型的處理可以除去溶解的氫，諸如鈉、鉀和鋰 等堿金屬，諸如鈣等堿土金屬，以及如鋁的氧化物和其它非金屬內(nèi)含 物等的小的固體微粒。在這種處理中，通過降低熔融鋁中的氣泡的尺 寸、并從而增大總的氣體-金屬表面的面積，增大給定體積的氣體的 效率。通過將所述氣泡分散到被處理的熔融鋁的整個體內(nèi)，也會增大 氣泡的效率。制造小的氣泡并且將其分散的一個非常有效的方法是，
采用設(shè)置在熔融鋁體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)噴嘴(spinning nozzle )。可以獲得用于 這一目的的商業(yè)系統(tǒng)。可以通過增大這里所使用的生產(chǎn)氣流的速度來 增大這種旋轉(zhuǎn)噴嘴的精煉速度。通常也必須增大噴嘴的旋轉(zhuǎn)速度，以 便持續(xù)制造所需的小氣泡并且在系統(tǒng)的精煉區(qū)遍及整個熔融鋁分散所 述小氣泡。這種氣流和噴嘴旋轉(zhuǎn)速度的增加，通常伴隨著在熔融鋁的 表面上增大的渦流和紊流。但是，給定系統(tǒng)的最大精煉速度，受到其 能夠容忍的最大渦流和表面紊流或者粗糙度的限制。
基本上，相關(guān)的工藝牽涉到以極小的氣泡的形式在整個熔體中分 散噴射的氣體。通過解吸到氣泡中，將氫從熔體中除去，而其它非金 屬雜質(zhì)則通過浮選被提升到浮渣層中。氫從熔體向惰性氣體氣泡內(nèi)部 的轉(zhuǎn)移，由分壓差驅(qū)動。氫在鋁熔體中具有高擴(kuò)散性，并且遷移反應(yīng) 基本上由界面控制。界面面積越大，達(dá)到給定的去氣程度所需要的時 間越短。另外，界面面積越大，氣泡碰到和俘獲內(nèi)舍物的機(jī)會也越高。 因此，表面面積越大，精煉效率越高。噴射氣體的分散，利用旋轉(zhuǎn)的 氣體分配器來實現(xiàn)，所述分配器在熔體內(nèi)產(chǎn)生大量的紊流。紊流使小 的非金屬微粒凝聚成大的微粒集合體，所述微粒集合體被氣泡漂浮到 熔體表面。紊流還導(dǎo)致小的氣泡碰撞和長大。這種紊流在金屬中還確 保噴射氣體與熔體充分的混合，并保持在容器的內(nèi)部沒有沉積物和氧 化物的集結(jié)。從金屬中漂浮出來的非金屬雜質(zhì)和浮渣一起從系統(tǒng)中取 出，而從金屬中被解吸的氫則和用過的噴射氣體一起離開系統(tǒng)。
除了其它結(jié)構(gòu)特征之外，旋轉(zhuǎn)氣體分配器具有一個軸和葉片式轉(zhuǎn) 子(接合到所述軸上)和葉片式定子，它們相互作用以便在熔體中提 供所需的氣泡形式。在操作時，該裝置在金屬中在該裝置附近引起流 型，使得所形成的氣泡沿著所生成的流動矢量遷移，所述流動矢量沿 著徑向方向朝向外方，并具有相對于噴射構(gòu)件的豎直軸向下的分量。 這些流型具有幾個有利的效果。首先，在熔體內(nèi)提供基本上豎直的攪 拌，藉此，沿著裝置指向下方的氣流與旋轉(zhuǎn)的葉片相結(jié)合，導(dǎo)致將氣 體細(xì)分成小的分立的氣泡。第二，從導(dǎo)入到熔體內(nèi)的點處快速地將氣 泡運走，防止氣泡聚結(jié)在氣泡濃度最高的區(qū)域。第三，延長被很好地 分散的氣泡的氣體在熔體內(nèi)的停留時間，因為，在重力的影響下，氣 泡不會剛一形成就立即上升到表面上。
上述類型的設(shè)備， 一般包括設(shè)有用于鋁的入口和用于熔融金屬的 出口的容器，以及至少一個設(shè)置在所述容器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)氣體分配機(jī)構(gòu)。 盡管具有很多變形，所述氣體分配機(jī)構(gòu)一般包括可旋轉(zhuǎn)的軸，在其上 端接合到驅(qū)動機(jī)構(gòu)上，在其下端連接到葉片式的圓形轉(zhuǎn)子上。從而安 裝轉(zhuǎn)子用于旋轉(zhuǎn)，并且緊鄰定子旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子與定子之間提供一個小 的間隙。設(shè)置一個向轉(zhuǎn)子輸送精煉氣體用的通道。經(jīng)由轉(zhuǎn)子與定子之 間的小的間隙將精煉氣體排放到鋁的熔體內(nèi)。在足夠的壓力下將精煉 氣體供應(yīng)到通道的上端，以便噴射到容器內(nèi)。這種類型的裝置在下面 的美國專利中進(jìn)行過描述和說明，這些專利所揭示的相關(guān)內(nèi)容，通過
引用，在這里加以結(jié)合，用于更詳細(xì)地i兌明本發(fā)明的背景。
U.S.Pat.No. Inventor(s) Date
3，743，262 Szekely 07/03/1973 4,040,610 Szekely 08/09/1997 5，158，737 Stein 10/27/1992 4，203，581 Pelton 05/20/1980 4,290,588 Pelton 09/22/1981 5,234,202 Pelton 08/10/1993 5,846,481 Tilak 12/08/1998
由于某些原因，在精煉系統(tǒng)中，過分的表面紊流是不符合要求的。 引起金屬表面面積增大，從而導(dǎo)致與可能存在的任何一種活性氣體的 更高的反應(yīng)速度。例如，來自于空氣的氧氣將會發(fā)生反應(yīng)形成氧化鋁 薄膜，來自于空氣的水蒸氣將會發(fā)生反應(yīng)，在金屬中形成氬和氧化物 薄膜。進(jìn)而，當(dāng)固體微粒被精煉氣泡攜帶到熔融金屬的表面上時，表 面紊流會千擾它們從氣泡中所希望的分離以及向形成在鋁熔融體上的 漂浮的浮渣層中結(jié)合。過分的紊流還會導(dǎo)致漂浮的浮渣重新分散到熔 融的鋁中。除了表面紊流之外，在反應(yīng)容器內(nèi)，表面和表面下的渦流 也是不符合需要的。渦流的存在，特別是沿著中心豎直軸的渦流，傾 向于將浮渣和爐渣俘獲將吸取回到熔體內(nèi)，從而內(nèi)在地增大加到精煉 設(shè)備上的負(fù)荷。這種問題是很嚴(yán)重的，特別是對于具有高的金屬流速 的"直列"式處理系統(tǒng)而言，這種系統(tǒng)提供在反應(yīng)容器內(nèi)小于5分鐘 的標(biāo)稱金屬停留時間。盡管很難測量過分的表面渦流和紊流的定量的 作用，但是眾所周知并且普遍公認(rèn)，高的渦流和表面紊流是不符合需 要的，熟悉本領(lǐng)域的人員試圖限制這種表面渦流和紊流。
增大熔融金屬體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)速度和/或增大現(xiàn)有技術(shù)的精煉設(shè)備中 的氣體流速的一個結(jié)果是，在溶融鋁體內(nèi)，通常只有一部分溶融鋁形 成很好地被限定的環(huán)流，留下鋁熔體的相當(dāng)大的一部分未被攪拌并且
基本上未^皮處理。環(huán)流的形成在 Szekely 的美國專利 U.S.Pat.No.3，743，263中進(jìn)行過討論和描述。在現(xiàn)有技術(shù)的裝置中，環(huán) 流的形成總是傾向于引起鋁的向下流動，從而引起緊靠定子附近的爐 渣或浮渣的向下的流動。因此，由于實際上雜質(zhì)會被引入或者被再次 引入到熔融鋁中，設(shè)備在一定的程度上，至少會自我挫敗。渦流和環(huán) 流的綜合作用只會導(dǎo)致限制在現(xiàn)有技術(shù)的裝置中的精煉效率。在所有 的現(xiàn)有技術(shù)的裝置中，唯一能夠降低渦流和環(huán)流的有害作用的手段， 是降低轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。但是，在較低的轉(zhuǎn)子速度，將氣流破碎成氣 泡不是最佳的，因此，利用大的表面面積不能達(dá)到微細(xì)的氣泡的分散。 由前面所述和通過對現(xiàn)有技術(shù)的研究可以清楚地看出，需要改進(jìn) 熔融鋁精煉設(shè)備，以便將氣體的精煉反應(yīng)最大化，并且防止形成在頂 部爐渣或浮渣引入或再次引入雜質(zhì)。這種需要以前在US PatentNo.5，946，481中被Tilak所提出過，但是，由于金屬合金不斷地 變得更加尖端，所以，改進(jìn)熔融加上的提純系統(tǒng)的效率的要求非常強(qiáng) 烈。
本發(fā)明的目的是提供一種用于精煉熔融鋁的設(shè)備，該設(shè)備對于"分 批式"和"連續(xù)直列式"的裝置，將公知的氣體噴射精煉法的精煉效 率最大化，并消除浮渣或爐渣中的雜質(zhì)向鋁熔體中的引入。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是熔融鋁精煉設(shè)備中的改進(jìn)，所述設(shè)備包括用于在精煉 過程中保持熔融鋁的容器；至少 一個設(shè)置在該容器內(nèi)的氣體分配機(jī)構(gòu)， 所述分配機(jī)構(gòu)包括通過圓柱形套管延伸的可旋轉(zhuǎn)的軸，所述軸在其上 端結(jié)合到驅(qū)動機(jī)構(gòu)上，在其下端連接到轉(zhuǎn)子上，以及限定將精煉氣體 輸送到轉(zhuǎn)子的通道的機(jī)構(gòu)。根據(jù)本改進(jìn)的一個方面，限定精煉氣體通 道的機(jī)構(gòu)包括在其表面上形成槽的所述軸，所迷槽限定出氣體流路， 所述氣體流路的長度比軸的長度長，圓柱形套管的內(nèi)表面進(jìn)一步限定 出所述精煉氣體通道。當(dāng)轉(zhuǎn)子軸在其外周上形成限定精煉氣體通道的 至少一個螺旋槽和至少一個直槽時，提供一種很方便的結(jié)構(gòu)，所述直 槽平行于軸的軸線，并由兩個平面形成，其中， 一個平面與另一個平
面形成一個角度。該角優(yōu)選地在70。至120。的范圍內(nèi)。平面之一優(yōu)選 地具有在約Omm至3.0mm的寬度，更優(yōu)選地，在0.8mm至2.6mm 的范圍內(nèi)，最優(yōu)選地在l.Omm至1.5mm的范圍內(nèi)。另外一個平面的 寬度優(yōu)選地比所迷的一個面的寬度大至少15倍。優(yōu)選地，在軸上形成 兩個所述直槽。另一方面，本發(fā)明是對上面所述類型的熔融鋁精煉設(shè)備的改進(jìn)， 其中，所述改進(jìn)包括圍繞套管并占據(jù)熔融鋁的表面的一部分的倒截頭 圓錐形的定子，其中，該定子的直徑至少是套管的直徑的兩倍。方便 地和優(yōu)選地，當(dāng)轉(zhuǎn)子不運動時，定子漂浮在鋁上，氮轉(zhuǎn)子運動時，定 子在套管上達(dá)到一個平衡的懸浮位置。定子的平衡位置位于施加到定 子上的向上的浮力與液體鋁的渦流和環(huán)流產(chǎn)生的施加到定子上的向下 的力相匹配的平衡點上，所述兩個力都影響指向下方的金屬速度矢量。在再一個方面，對設(shè)備的改進(jìn)包括這樣一個配置，其中，容器具 有底板和壁，其中，至少部分地容器的壁面從底面上豎直向上地發(fā)散。 優(yōu)選地，容器的壁向上的凈發(fā)散角從約5或6度到約16度，最好是約 IO- 11度。


圖1是本發(fā)明的設(shè)備的垂直剖面的概略的示意圖，用于說明本發(fā) 明的特征及其優(yōu)點。圖中沒有清楚地表示出用于保持熔融鋁的溫度的 加熱器，但是如果需要的話，可以包括在設(shè)備中；但是，這些加熱器 不是本發(fā)明的一部分。圖2本設(shè)備的容器的底面和一個壁的示意圖，用于說明底面與壁 之間存在的角度關(guān)系。圖3是本發(fā)明的改進(jìn)的氣體分散機(jī)構(gòu)的改進(jìn)的氣體供應(yīng)結(jié)構(gòu)的放 大的垂直剖面圖。圖4是本發(fā)明的改進(jìn)的氣體分散機(jī)構(gòu)的改進(jìn)的氣體供應(yīng)結(jié)構(gòu)的水 平剖面圖，表示氣體流路的平行的槽。
具體實施方式
參照圖1，熔爐的外部20典型地由鋼制成。在壁20的內(nèi)部，是
低熱傳導(dǎo)率保溫塊和熔融鋁不能透過的可鑄砜土的耐火容器22。當(dāng)然也可以使用其它的耐火材料，但是典型的可鑄礬土為60%的A1203， 0.2%WFe2O3，余量為其它材料。容器22的耐火壁全部是低熱傳導(dǎo)率 的，并提供隔熱，這種隔熱將向容器內(nèi)的鋁加熱的需要最小化或者消 除這種需要。外部結(jié)構(gòu)用爐蓋或爐頂24以及支承氣體分配器和電動機(jī) 26的上部結(jié)構(gòu)(未示出)構(gòu)成。精煉操作從通過入口 30進(jìn)入容器的 熔融金屬開始，所述入口可以鑲嵌有碳化硅塊或其它耐火材料。鋁熔體利用通過一般用50表示的旋轉(zhuǎn)氣體分配器的精煉氣體用 力地攪拌和噴射。分配器的轉(zhuǎn)子52逆時針旋轉(zhuǎn)；但是，被分配器在熔 體中引起的環(huán)流型具有垂直分量。典型地，在現(xiàn)有技術(shù)中，通過偏移 工作區(qū)域的對稱性， 一般在容器的中心導(dǎo)致渦流的形成。將渦流的形 成降低到最小限度的努力中，也采用過擋板。精煉過的金屬進(jìn)入圖1左側(cè)示意地表示的出口管40，并導(dǎo)入到出 口室42內(nèi)。室42被石墨塊和/或碳化硅塊的耐火壁與容器22內(nèi)的鋁 的主體分離。爐底可以鑲嵌有石墨板。漂浮在金屬上的浮渣d被起著擋板和撇渣器作用的刮刀或塊32 捕獲并集中到靠近入口 30的熔體的表面上，從該處可以很容易地將其 除去。用過的噴射氣體通過入口 30離開系統(tǒng)。通過將諸如氬氣等惰性 氣體經(jīng)由入口管或者和噴射氣體一起引入，相對于熔體提供對頂部空 間的保護(hù)。以任何一種傳統(tǒng)的或者通常的方式向熔爐提供熱量。典型地將鎳 -鉻電阻加熱元件插入到雙重功能(襯里+加熱)石墨塊內(nèi)，該石墨 塊被保持在與熔融鋁接觸的位置上。爐頂24將熔爐的其余的部分完全密閉，并且借助幾層隔熱材料用 于隔熱。所使用的這種隔熱材料例子是加上硅酸鋁纖維襯里的鋁箔。在圖1中表示出馬達(dá)26。和該馬達(dá)一起，設(shè)置溫度控制器，變壓 器以及其它傳統(tǒng)的設(shè)備，以便驅(qū)動分配器和操作所述設(shè)備，如通過引 用在這里加壓結(jié)合的現(xiàn)有技術(shù)中所相當(dāng)詳細(xì)的描述的那樣。入口和出 口的密封，管道系統(tǒng)以及保護(hù)一個封閉系統(tǒng)的完整性的其它設(shè)備，也
是傳統(tǒng)設(shè)備，在圖中沒有示出。盡管在所描述的設(shè)備中表示出一個旋轉(zhuǎn)氣體分配機(jī)構(gòu)50,但是， 只要設(shè)備成比例地增大，也可以使用兩個或更多個氣體分配機(jī)構(gòu)。所 示氣體分配器或者氣體噴射裝置，包括具有葉片54和葉片之間的通道 56的轉(zhuǎn)子52。轉(zhuǎn)子52借助馬達(dá)26通過連接于其上的軸60旋轉(zhuǎn)。利 用中空套管56和所述套管固定于其上的中空定子58將軸60與熔體隔 離開。定子的58的外表面可以是光滑的或者是有葉片的。在轉(zhuǎn)子52 和定子58之間具有足夠的間隙，以便允許轉(zhuǎn)子52自由旋轉(zhuǎn)并且許生 產(chǎn)氣體自由向外流動。裝置的內(nèi)部設(shè)計，使之具有一個螺旋通道62, 所述螺旋通道被形成在軸60的外表面上的一個或多個螺旋槽和套管 56的內(nèi)表面所限定，通過該螺旋通道，可以將氣體導(dǎo)入或者壓出到轉(zhuǎn) 子52和定子58之間的間隙內(nèi)。如圖4所示，除了螺旋通道62之外， 增強(qiáng)的設(shè)計沿著軸60的長度方向設(shè)有兩個直槽120。每一個槽由至少 兩個在軸60的外周面上加工的成角度的平面(120a、 120b)形成。兩 個平面(120a、 120b)形成的角度優(yōu)選地在70°至120。的范圍內(nèi)。一 個平面(120a)優(yōu)選地具有0mm至3.0mm范圍內(nèi)的寬度，更優(yōu)選地 具有0.8mm至2.6mm的范圍內(nèi)的寬度，最優(yōu)選地具有1.0mm至1.5mm 的范圍內(nèi)的寬度。另外一個平面(120b)的寬度優(yōu)選地至少比所述一 個平面的寬度大15倍。直槽120的數(shù)目并不局限于兩個。軸60也可 以設(shè)有一個槽或多于兩個的槽。軸60和套管56和定子58具有相同的 軸線，從而兩個通道均圍繞該軸線。軸60和轉(zhuǎn)子具有和定子及套管的 軸向同軸的軸線。設(shè)置用于在足夠的壓力下向通道的上端供應(yīng)氣體并 噴射到容器和熔體內(nèi)的任何一種傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)，但圖中未示出。隨著氣體沿著轉(zhuǎn)子的長度向下運動，氣體分子與套管的內(nèi)表面緊密接觸。由 于所牽涉到的溫度典型地超過600攝氏度，套管的熱量通過強(qiáng)烈的紊 流對流并且通過輻射傳遞給氣體分子。因此，當(dāng)氣體向轉(zhuǎn)子流動時， 通過與套管接觸而倍加熱，使得當(dāng)噴射到熔體內(nèi)時，氣體的溫度非常 接近于熔體的溫度。如后面將要描述的，這是本發(fā)明的非常重要的特 征之一。
典型的容器可以形成從約4英尺到約6英尺的直徑和深度。典型的氣體噴射機(jī)構(gòu)可以從約4至8英寸的直徑，在轉(zhuǎn)子與套管之間帶有 或者不帶有錐度。對于轉(zhuǎn)子而言，典型的速度為400至600轉(zhuǎn)數(shù)/每分 鐘，具有每分鐘2至5標(biāo)準(zhǔn)立方英尺的氣體通過量。現(xiàn)回到圖1，將會注意到，容器的壁從底面起向外方呈錐形。這 也是本發(fā)明的一個重要概念和特征。現(xiàn)有技術(shù)的嚴(yán)重的限制之一是由于在它們被噴射到鋁的熔體內(nèi)之 后，氣泡聚結(jié)造成的。隨著氣泡向表面上升，聚結(jié)導(dǎo)致較少和更大的 氣泡。大的氣泡增大在熔融鋁和浮渣層之間的界面處的紊流，引起一 些回流或者將浮渣的雜質(zhì)引回到鋁中。達(dá)到鋁的頂部的較小的氣泡將 這種污染源降低到最低限度。更重要的是，當(dāng)氣泡聚結(jié)成更大的氣泡 時，氣體-熔融金屬的表面面積被大大降低。這導(dǎo)致精煉反應(yīng)速度的 非常顯著的降低，因為反應(yīng)只發(fā)生在氣體-熔體界面上。如前面所述， 通過從熔體內(nèi)被解吸到氣泡內(nèi)，將氬除去，而其它非金屬雜質(zhì)通過浮 選被提升到浮渣層內(nèi)。氫從熔體向惰性氣體氣泡內(nèi)部的遷移，被分壓 壓差驅(qū)動。氫在鋁熔體內(nèi)具有高的擴(kuò)散率，遷移反應(yīng)主要由界面控制。 界面面積越大，到達(dá)給定程度的去氣所需的時間越短。而且，界面面 積越大，被氣泡碰到和內(nèi)含物被俘獲的機(jī)會也越大。因此，表面面積 越大，精煉效率越高。進(jìn)而，當(dāng)氣泡的數(shù)目減少時，給定的雜質(zhì)區(qū)域氣體和金屬之間的界面面積減;:。"~ 、''< 、'在本發(fā)明的整個概念中，包括兩種機(jī)構(gòu)，用于降低和顯著消除這 種氣體的聚結(jié)和由此所產(chǎn)生的問題。首先，如前面所述，在將其噴射到熔融金屬中之前，將精煉氣體 預(yù)熱。盡管可以采用其它的加熱器槽結(jié)構(gòu)，但是，采用前面所述的螺 旋氣流流路作為生產(chǎn)氣體的預(yù)熱裝置是很有利的。根據(jù)這一概念，這 種氣流流路被軸的外表面和套管的內(nèi)表面限定，并限定出一個其長度 比軸的長度長的氣流流路。當(dāng)冷的氣體作為稀薄的氣體被噴射到熔融 金屬中時，氣體立即近似于如前面所述的理想氣體定律進(jìn)行膨脹，形
成較大的氣泡。從室溫到典型的熔融鋁的1325華氏度的溫度，在相同 的壓力下，氣體膨脹到其初始的室溫的體積的三倍。如果氣體與熔體 的溫度相同，則可以避免這種膨脹，可以將大量的氣體引入到熔體內(nèi)， 而不會由于大的氣泡的存在而使熔體或熔體的上表面惡化。第二，如圖1所示，容器的壁，或者至少容器的壁面的一部分， 從底面起豎直向上以圖3所示的角度a發(fā)散。為了更容易說明本發(fā)明 的概念起見，在圖1所示的例示的實施例中所表示的底面是平的和水 平的，但是，底面的形狀并不是很關(guān)鍵的。關(guān)鍵的是，存在著一個所 述壁從底面起豎直向上的凈發(fā)散。從概念上講，可以簡單地將容器描 述成一個倒截頭錐體；但是，所述壁不需要是弓形的。如前面所述， 盡管壁的任何明顯的發(fā)散都將會改進(jìn)鋁的處理，但是，所述壁或者至 某些壁的從底面起的最佳發(fā)散角大約為11土0.5度。在理論上，壁離開容器底面的向上的發(fā)散角，應(yīng)當(dāng)為10.5度；但 是，人們相信，利用所述壁從底面向上的凈發(fā)散角大約為7到8度的 容器可以獲得接近最佳的結(jié)果。這里，"所述壁的凈的向上的角，，用來 描述這樣一種容器，在該容器中，并不是所有的壁都從通過容器的中 心的假想的豎直軸發(fā)散，或者并不相等地發(fā)散，但是，其中，至少某 些壁足夠地發(fā)散，以便提供放大的上表面，所述上表面的大小與帶有 具有向上的凈發(fā)散角的一個發(fā)散的壁或者相等的發(fā)散的壁的相同的體 積的容器的上表面的大小基本上相同。因此，具有某些向上發(fā)散的壁， 并且與帶有向上發(fā)散的角度為10度的倒截頭錐體形容器具有相同的 體積和相同的上表面面積相對于底面面積之比的矩形容器，將具有10 度的向上的凈發(fā)散角。容器壁的向上的凈發(fā)散角是很重要的，因為，隨著氣泡在熔體內(nèi) 向上移動，施加到各個氣泡上的金屬靜壓力降低，它允許氣泡膨脹。 在現(xiàn)有技術(shù)中，在熔體的上部的較小的壓力下氣泡膨脹，由于它們增 大的尺寸，氣泡被迫靠攏。氣泡越是靠攏，在氣泡之間的熔融鋁流越 少，兩個或多個氣泡聚結(jié)變成更大的氣泡的可能性越大，由此造成如 前面所述的問題。 通過提供所描述的類型的鋁精煉設(shè)備，即，精煉容器，用于鋁的 入口，用于熔融鋁的出口，用于將氣泡流噴射到容器中的熔體內(nèi)的氣 體導(dǎo)入機(jī)構(gòu)，其中容器壁具有凈的向上的發(fā)散，氣泡傾向于向上和向 外移動，從而減少氣泡聚結(jié)的可能性。上面所述的從靠近定子的浮渣或爐渣層再次導(dǎo)入雜質(zhì)的問題，如圖l所示，借助浮動定子70來解決。浮動定子可以、并且方便地與轉(zhuǎn) 子具有大約相同的直徑以及和浸入的定子58大約相同的高度，或者它 也可以很大。定子的比重比熔融鋁的比重足夠低，以便即使在前面所 述的朝下的矢量存在時，也提供浮力。其總密度優(yōu)選地這樣選擇，使 得定子漂浮在靜止的熔融鋁上，并且，由于所討論的向下的矢量的原 因，當(dāng)轉(zhuǎn)子處于操作的旋轉(zhuǎn)速度時，定子懸浮在熔融鋁中。對于給定 的容器通過簡單的實驗可以很容易確定最佳密度。 一般地，定子的密 度總的將在2.0至2.5gm/cm3的范圍內(nèi)。必須提供用于收集上表面上 的浮渣和除去噴射的氣體的足夠的表面面積，但是，可以利用比較大 的浮動定子，例如，其直徑為浸入的定子和轉(zhuǎn)子的直徑的2到5倍。 浮動定子70阻礙作為前面所述的在熔體中鋁的環(huán)形循環(huán)的結(jié)果固有 地形成的渦流，從而，消除在現(xiàn)有技術(shù)中從靠近定子的浮渣層被引入 到熔體中的小的雜質(zhì)流。上面所描述的三種結(jié)構(gòu)，氣體預(yù)熱器，帶有向上凈發(fā)散的壁的容 器，以及浮動定子，實質(zhì)上消除了上面所描述的并通過參考結(jié)合到本 發(fā)明中的現(xiàn)有技術(shù)的器件的使用者所面對的最嚴(yán)重的問題。由于對于熔融金屬的純度和熔融鋁及其合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的堅固性 的復(fù)雜的要求，帶有上述問題的目前的裝置，缺乏鋁的精煉能力，特 別是，對于例如鋁箔，航天和防務(wù)級別的鑄鋁和擠壓光亮的陽極氧化 處理的鋁板，汽車工業(yè)中的鋁發(fā)動機(jī)組等最終的鋁的應(yīng)用而言。來自 于鋁的最終用戶對鋁的生產(chǎn)者的質(zhì)量要求和壓力，連同很容易獲得用 于檢測金屬的不純度的儀器一起，保證本發(fā)明很快地得到商業(yè)上的開 發(fā)。工業(yè)上的應(yīng)用
本發(fā)明用于冶金工業(yè)，更具體地+兌，用于鑄造和澆鑄原生鋁和再 生鋁及器合金。例子1:當(dāng)在鋁合金AA6063上試驗這里所描述的本發(fā)明的設(shè)備 時，觀察到對于去氣效率顯著的改進(jìn)。對于每小時11.3百萬噸的熔融 金屬的流速，720攝氏度的平均熔融金屬的溫度，以及每100克合金 0.39cc的氫輸入濃度；測量的輸出每100克合金0.09cc的氫輸出濃度。 這代表顯著的高達(dá)76.9%的去氣效率，這在現(xiàn)有技術(shù)中是沒有聽說過 的。例子2:類似地，對于合金AA7075的處理，測量到非常高的去 氣效率數(shù)值。除去氣效率被改進(jìn)之外，本發(fā)明的設(shè)備還增大了內(nèi)含物 的除去效率和堿金屬和堿土金屬的除去效率。并觀察到，當(dāng)利用制造 有螺旋槽以及平的加工表面的軸進(jìn)行鑄造時，熔融金屬將會很容易通 過非常細(xì)的60PPI級的陶f:泡沫過濾器，而不會產(chǎn)生穿過過濾器的任 何壓頭水平(head level)的損失。這直接證明了利用優(yōu)選的實施例的 設(shè)備處理的熔融金屬的極為精煉和純凈的條件。在對另外一種合金AA2024進(jìn)行的試驗中，鑄造的和均質(zhì)的坯料樣品的超聲波測試的結(jié) 果顯示，在被檢查的金屬中非常低的背景噪音，表明金屬的高純度和 更純凈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種熔融鋁精煉設(shè)備，包括用于在精煉過程中保持熔融鋁的容器；至少一個設(shè)置在容器內(nèi)的氣體分配機(jī)構(gòu)，所述分配機(jī)構(gòu)包括延伸通過圓柱形套管的可旋轉(zhuǎn)的軸，所述軸在其上端結(jié)合到驅(qū)動機(jī)構(gòu)上，在其下端連接到轉(zhuǎn)子上；以及限定向轉(zhuǎn)子輸送精煉氣體的通道的機(jī)構(gòu)，其中，限定出精煉氣體通道的機(jī)構(gòu)包括在其表面上形成槽的所述軸，所述槽限定出氣體流路，該氣體流路的長度大于軸的長度，圓柱形套管的內(nèi)表面進(jìn)一步限定出所述精煉氣體通道，這樣配置并制造所述轉(zhuǎn)子和套管，即使之限定出所述通道，用于當(dāng)氣體流向轉(zhuǎn)子時通過與套管接觸將氣體加熱到接近熔體的溫度；進(jìn)一步包括圍繞套管的倒截頭錐體狀的定子，該定子具有至少為套管直徑兩倍的直徑，并占據(jù)熔融鋁的表面的一部分；以及其中，這樣配置和制造該容器，即使之限定出底面和側(cè)壁，所述側(cè)壁以約5度到16度的角度向上發(fā)散，以便允許氣泡膨脹，不會隨著氣泡在熔體內(nèi)向上移動降低金屬靜壓力而明顯地聚結(jié)，所述熔融鋁精煉設(shè)備，其特征在于所述軸在其表面上進(jìn)一步設(shè)置至少一個直槽，該直槽與所述軸的軸線平行，并且由兩個平的表面形成，其中，一個平面與另一個平面成角度地設(shè)置。
2. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述軸至少在其中形成一個 限定出精煉氣體通道的螺旋槽。
3. 如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述定子漂浮在靜止的熔融 鋁上，并且當(dāng)轉(zhuǎn)子處于操作旋轉(zhuǎn)速度時，所述定子懸浮在熔融鋁內(nèi)。
4. 如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，容器的壁以約ll度的向上的 凈發(fā)散角向上發(fā)散。
5. 如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，容器的壁以約ll度的向上的 凈發(fā)散角向上發(fā)散。
6. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，定子漂浮在靜止的熔融鋁上， 并且當(dāng)轉(zhuǎn)子處于操作旋轉(zhuǎn)速度時，所述定子懸浮在熔融鋁內(nèi)。
7. 如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，容器的壁以約ll度的向上的 凈發(fā)散角向上發(fā)散。
8. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，容器的壁以約ll度的向上的凈發(fā)散角向上發(fā)散。
9. 如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述角在70°至120°的范圍內(nèi)。
10. 如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中，一個平面具有0mm至3.0mm 范圍內(nèi)的寬度，另一個平面的寬度至少比所述一個平面的寬度大15倍。
11. 如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述平面之一具有0.8mm 至2.6mm的范圍內(nèi)的寬度。
12. 如權(quán)利要求IO所述的設(shè)備，其中，所述平面之一具有l(wèi)mm至 1.5mm的范圍內(nèi)的寬度。
13. 如權(quán)利要求1、 9-12中任何一項所述的設(shè)備，其中，在所述 軸的表面上設(shè)置兩個所述的直槽。
14. 一種熔融鋁精煉設(shè)備，包括用于在精煉過程中保持熔融鋁的 容器；至少一個設(shè)置在容器內(nèi)的氣體分配機(jī)構(gòu)，所述分配機(jī)構(gòu)包括延 伸通過圓柱形套管的可旋轉(zhuǎn)的軸，所述軸在其上端結(jié)合到驅(qū)動機(jī)構(gòu)上， 在其下端連接到轉(zhuǎn)子上；以及限定向轉(zhuǎn)子輸送精煉氣體的通道的機(jī)構(gòu)， 所做的改進(jìn)進(jìn)一步包括倒截頭錐體狀的、有凹槽的、可自由移動的浮 動定子，所述定子具有至少是所述套管直徑兩倍的直徑，該定子圍繞 所述套管并占據(jù)熔融鋁的表面的一部分。
15. 如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，所述定子漂浮在靜止的熔 融上鋁，并且當(dāng)轉(zhuǎn)子處于操作速度時，所述定子懸浮在熔融鋁內(nèi)。
16. —種熔融鋁精煉設(shè)備，包括用于在精煉過程中保持熔融鋁的 容器；至少一個設(shè)置在容器內(nèi)的氣體分配機(jī)構(gòu)，所述分配機(jī)構(gòu)包括延 伸通過圓柱形套管的可旋轉(zhuǎn)的軸，所述軸在其上端結(jié)合到驅(qū)動機(jī)構(gòu)上， 在其下端連接到轉(zhuǎn)子上，所述分配機(jī)構(gòu)還包括限定向轉(zhuǎn)子輸送精煉氣 體的通道的機(jī)構(gòu)，其中，限定出精煉氣體通道的機(jī)構(gòu)包括在其表面上 形成槽的所述軸，所述槽限定出氣體流路，該氣體流路的長度大于軸 的長度，圓柱形套管的內(nèi)表面進(jìn)一步限定出所述精煉氣體通道，該通 道的結(jié)構(gòu)為，使處理氣體和圓柱形套管相互暴露更大的表面面積，從而允許更大的熱傳遞，這樣配置并制造所述轉(zhuǎn)子和套管，即使之限 定出所述通道，用于當(dāng)氣體流向轉(zhuǎn)子時通過與套管接觸而將氣體加熱 到接近熔體的溫度；以及，帶有凹槽、可自由移動的倒截頭錐體狀的 浮動定子，該定子具有至少為套管直徑兩倍的直徑，并占據(jù)熔融鋁的 表面的一部分，所述熔融鋁精煉設(shè)備，其特征在于，所述軸在其表面上進(jìn)一步設(shè)置至少一個直槽，該直槽與所述軸的軸線平行，并且由兩個平的表面形成，其中， 一個平面與另一個平面 成角度地設(shè)置。
17. 如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中，定子漂浮在靜止的熔融鋁 上，并且當(dāng)轉(zhuǎn)子處于操作旋轉(zhuǎn)速度時，所述定子懸浮在熔融鋁內(nèi)。
18. 如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中，這樣配置和制造該容器， 即使之限定出底面和側(cè)壁，所述側(cè)壁以約ll度的角度向上發(fā)散，以 便允許氣泡膨脹，而不會隨著氣泡在熔體內(nèi)向上移動降低金屬靜壓力 而明顯地聚結(jié)，
19. 如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中，所述角在70。至120。的范圍內(nèi)。
20. 如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其中， 一個平面具有Omm至3.0mm 范圍內(nèi)的寬度，另一個平面的寬度至少比所述一個平面的寬度大15倍。
21. 如權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中，所述平面之一具有0.8mm 至2.6mm的范圍內(nèi)的寬度。
22. 如權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其中，所述平面之一具有l(wèi)mm至 1.5mm的范圍內(nèi)的寬度。
23. 如權(quán)利要求16、 19-22中任何一項所述的設(shè)備，其中，在所 述軸的表面上設(shè)置兩個所述的直槽。
全文摘要
本發(fā)明是熔融鋁精煉設(shè)備中的改進(jìn)，所述設(shè)備包括用于在精煉過程中保持熔融鋁的容器；至少一個設(shè)置在該容器內(nèi)的氣體分配機(jī)構(gòu)，所述分配機(jī)構(gòu)包括通過圓柱形套管延伸的可旋轉(zhuǎn)的軸，所述軸在其上端結(jié)合到驅(qū)動機(jī)構(gòu)上，在其下端連接到轉(zhuǎn)子上，以及限定將精煉氣體輸送到轉(zhuǎn)子的通道的機(jī)構(gòu)。根據(jù)本改進(jìn)的一個方面，限定精煉氣體通道的機(jī)構(gòu)包括在其表面上形成槽的所述軸，所述槽限定出氣體流路，所述氣體流路的長度比軸的長度長，圓柱形套管的內(nèi)表面進(jìn)一步限定出所述精煉氣體通道。當(dāng)轉(zhuǎn)子軸在其外周上形成限定精煉氣體通道的至少一個螺旋槽和至少一個直槽時，提供一種很方便的結(jié)構(gòu)，所述直槽平行于軸的軸線，并由兩個平面形成。
文檔編號C22B9/00GK101104888SQ20061010154
公開日2008年1月16日 申請日期2006年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月10日
發(fā)明者R·V·提拉克 申請人:R·V·提拉克