Устройство для дисперсионной подачи газа в массу расплавленного металла

. СОЮЗ СОВЕТСНИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ РЕСПУБЛИН П 9) (11) А 22 В 21/О 151) С 22 Рц 9 САНИЕ ИЗОБРЕТЕ И ПАТЕНТУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ )4 ОТКРЫТИЙ(72) Андрю Геза Шекелы (США)(71) Юнион Карбид Корпорейшн (СНА)(.54)(57) 1, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСПЕРСИОННОЙ ПОДАЧИ ГАЗА В МАССУ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА, со;.ержашее проходящийчерез статор вал, верхним концом соединенный с механизмом вракения, а нижним концом жестко соединенный с лопастным ротором, и имеюшее аксиально расположенный кольцевой канал с отверстиями для подачии впрыскивания газа в массу расплавленного металла, образованный внутренней поверхностью статора и наружной поверхностью вала, о т л и ч а юш е е с я тем, что, с целью обеспечения более равномерного распределения газа в массе металла, нижняячасть статора выполнена лопастной собразованием между лопастями множества вертикальных каналов.1 О 6 ВО 4 О 2. Устройство по п. 1, о т л ич ающе е ся тем, что выше статора вал заключен в кожух, диаметр которого меньше наружного диаметра статора.3. Устройство по пп. 1 и 2, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что внутри 1Изобретение относится к рафинированию расплавленных металлов припомощи газов, в частности, применимопри рафинировании алюминия от раст- воренных газов и неметаллическихпримесей.и направлено на совершенствование конструкции устройства длядисперсионной подачи газа в массурасплавленного металла.Наиболее близким по техническойсути и достигаемому эффекту к изобретению является устройство для дисперсионной подачи газа, содержащеепроходящий через статор вал, верхним концом соединенный с механизмомвращения, а нижним концом жесткосоединенный с лопастным ротором, иимеющее аксиально расположенныйкольцевой канал с отверстиями дляподачи и впрыскивания газа в массурасплавленного металла, образован Оный внутренней поверхностью статора и наружной поверхностью вала 1.Устройство позволяет эффектиннорафинировать расплавленные металлын частности, стальот газовых инеметаллических примесей за счет диспергированной подачи на рафинирование инертных по отношению к обрабатываемому расплаву газов.Цель изобретения - дальнейшее ЗОповышение эффективности рафинирования расплавленных металлов эа счетболее равномерного распределениягаза в массе металла.цель достигается тем, что н пред 35 ложенном устройстве нижняя часть статора выполнена лопастной с образованием между лопастями множества вертикальных каналов, нал выше статора заключен в кожух, диаметр ко О торого меньше наружного диаметра статора.Внутри вала вдоль него может быть выполнен дополнительный аксиаль" но расположенный канал с отнерстиями для соединения дополнительного канала с каналом, образованным внут ренней поверхностью кожуха и статора и наружной поверхностью нала.Устройство для дисперсионной подачи газа в массу расплавленного ме О талла, например в алюминий или его вала вдоль него выполнен дополнительный аксиально расположенный канал с отверстиями для соединения дополнительного канала с каналом, образованным внутренней поверхностьюкожуха и статора и наружной поверхностью вала. 1спланы, содержит вращающийся нал, верхний конец которого соединен с приводом, а нижний жестко присоединен к лопастному ротору; неподвижный кожух, окружающий вал и жестко закрепленный нижним концом к лопастному статору, снабженному множеством вертикальных каналов между лопастями; акоиально налу простирающийся до ротора канал для подачи и впрыскивания газа в массу металла, образованный внутренней поверхностью кожуха и статора и наружной поверхностью вала; средства для нагнетания газа в верхнюю часть канала для впрыскивания в распланленный металл, н результате чего при вращении ротора и нагнетании газа последний нпрыскивается н расплавленный рафинируемый металл и дробится на дискретные газовые пузырьки, а циркулирующая масса расплавленного металла индуцируется и вызывает интенсивное смешивание газа с обрабатываемым металлом, а это приводит к тому, что в основном вся масса расплавленного металла входит н непосредственный контакт с пузырьками газа.На фиг. 1 представлено пцдлагаемое устройство для дисперсионной подачи газа в массу расплавленного металла, общий вид; на фиг. 2 - то же, продольный разрез, на фиг. 3 система рафинирования, снабженная устройством для дисперсионной подачи газа.Устройство состоит из ротора 1, оснащенного вертикальными лопастями 2, которые вращаются двигателем, например .пневмомотором или электрическим мотором (не показаны, при помощи вала 3. Вал 3, который при нормальной работе Не вступает в контакт с расплавленным металлом, может быть изготовлен иэ стали, н то время как остальное оборудование предпочтительно изготавливается из огнеупорного материала, например из имекицихся в продаже графита или карборунда, т,е. материалов, которые инертны к алюминию и его сплавам при используемых рабочих температ 7 рах.Вал 3 отгорожен от расплавленногометалла кожухом 4, который жесткоприкреплен к статору 5. Примыкающиевнутренние поверхности 6 и 7 соответственно кожуха 4 и статора 5,примыкающие наружные поверхности 8 5и 9 соответственно вала 3 и ротора 1образуют кольцевой аксиальный канал10 для впрыскиваемого газа.В статоре 5 прорезано множествовертикальных каналов 11. При работе отатор 5 и ротор 1 заставляютверхние и нижние потоки расплавленного металла двигаться вокруг впрыскивающего устройства как показано,главным образом стрелками 12 и 13.В частности, главный вектор скорости верхнего потока 13 направленв сущности вниз, т,е, он расположенсоосно с осью вращения ротора 1,при этом расплавленный металл загоняется в каналы 11 статора 5. Нижний поток, обозначенный стрелкой 12более локализован, образуется нижеротора 1 и направленпо существувверх перпендикулярно к оси вращения ротора 1. Образованный в ре" 25зультате иэ этих компонентов потокобозначен стрелкой 14, которая покаэывает, что расплавленный металлвыводится с помощью вращающихсялопастей 2 радиально вниз от ротора 1.. Получающийся в результате потоквызывает хорошее и равномерное распространение газа в смеси расплавленного металла, обрабатываемого в З 5сосуде.Инертный газ направление еговведения показано стрелкой 151,например аргон или азот, нагнетается под определенным давлениеми с определенной скоростью потокав кольцевой канал 10. Газ заполняет выемку 16, имеющую форму колокола, которая является продолжениемканала 10, окружающего шейку 17ротора 1. Так как газ подается под 45давлением, большим давления расплавленного металла, на высоту, указанную стрелкой 18, то выемка 16предотвращает попадание расплавленного металла в газовый проход и 50 опрепятствует контакту с металломвала 3 газового впрыскивателя. Шейка 17 окружает вал 3 и изготовленаиз материала, стойкого к расплавленному алюминию, для защиты вала 3. 55Вращательный момент с вала 3 передается на ротор 1 посредством крыльчатой детали 19, которая навинченана ваМ 3. При сборке крыльчатаящвталь 19 устанавливается в полость20 торора 1. Полость 20 имеет Форму,соответствующую детали 19. Послеэтого полость 20 герметическизакрывается с помощью резьбы и це"ментирующей шейки 17 в резьбе 21ротора 1,Подача инертного газа 15 в кольцевой канал 10 не является единд ственным средством для нагнетания впрыскиваемого газа.Согласно другому варианту предлагаемое устройство может включать полый вал, в котором канал 22 проходит аксиально через вал 3 и снабжен множеством просверленных отверстий 23, которые обеспечивают связь с каналом 10 и выемкой 16. Таким образом, инертный газ (показано стрелками 15 и 24 1 может нагнетаться или через канал 10, или через ка нал 22, или через тот и другой вместе.Имеет значение то, что холодный гаэ показан стрелками 15, и 24 1, поступающий в впрыскиватель, предварительно нагревается во время прохождения по каналу 10 или 22, а выемка 16 йутем вступления в тепло обмен с прилегающим кожухом 4 и валом 3, которые по-существу имеют температуру расплавленного металла. Предварительно нагретый гаэ нагне" тается в пространство между лопастями ротора 1 где он рассеивается в виде маленьких дискретных пузырьков при столкновении с лопастями 2 и потоком металла, которые образованы лопастями. Принудительная циркуляция вокруг впрыскивающего устройства быстро рассеивает газовые пузырьки, так как они образованы в направлении главного вектора скорости потока, показанного стрелкой 14. Начальная траектория газовых шариков соответствует направлению стрелки 14 до тех пор, пока подъемная сила не вызовет всплывание газовых шариков на поверхность расплавленного металла.Положительный эффект принудительной циркуляции потоков металла вокруг впрыскивающего устройства заключается в следующем: предусмотрен эффективный механизм для образования газовых пузырьков, устраняется коалесценция путем рассеивания маленьких газовых шариков почтя одновременно с их образованием; предусматривается эффективная циркуляция металла; удлиняется время пребывания газовых шариков в расплавленном металле, т.е. они остаются в металле дольше, чем при условии действия одной силы тяжести.Описанное устройство может быть использовано в периодическом или непрерывном процессе при установке в систему рафинирования фиг. 31. Система рафинирования включает чугунный кожух 25, в котором рабочая температура поддерживается обычными нагревательными средствами, которые могут быть расположены в полости 26 и изолированы от тепловых потерь наружным. огнеупорнымкожухом 27. Внутренняя поверхностькожуха 25 облицована графитом 28или другим огнеугорным материаломкоторый инертен к расплавленномуалюминию и неметаллическим примесям, присутствие которых возможно.На кожухе 25 имеется крышка 29,которая устанавливается на Фланцах30. Между Фланцами 30 и крышкой 29установлена гаэоуплотнительная прокладка. фланцы и крышка крепятся 10болтами, что позволяет системеработать без доступа воздуха. Инжектор А для впрыскивания газа, например такой, как показан на фиг.1,крепится к крышке 29. 15Газ после прохождения через расплавленный металл собирается вверхнем пространстве 31 для.образования над расплавленным металломповерхностного слоя инертного газаи выпускается через впускное отверстие 32 для металла н направлении,противоположном входящему потокуметалла. Свободная площадь поперечного сечения газового канала и,следовательно, давление в системерегулируются заслонкой 33, расположенной в отверстии 32. Газ, находящийся под небольшим давлением в верхнем пространстве 31, предотвращаетпопадание воздуха в сосуд. ЗОМеталл подается в систему длярафинирования через впускное отверстие 32 для металла. Внутри сосудаметалл 34 разбрызгинается равномерно рассеянными пузырьками инертного 35газа и смешивается вращающимся газовым инжектором Л . Водород, растворенный н расплавленном металле,диффундирует в пузырьки и выводитсявместе с пузырьками инертного газапо мере того, как они поднимаются наповерхность расплавленного металла.Большая площадь поверхности хоро-шо рассеянных газовых пузырьковслужит эффективным транспортным средством для переноса взвешенных частицокислов в шлаковый слой 35 поверхности расплавленного металла, с которойони легко удаляются при шлакоотделении. Основные. циркуляционные потоки, образованные в расплавленном 5 Ометалле, схематически показаны стрелками 36. Это тот поток металла,который продолжает вводить снежийметалл н контакт с газовыми пузырьками, которые выводятся из пространства между ротором и статором впрыскивающего устройства.Рафинированный распланленный металл выпускается иэ системы рафинирования через выпускное отверстие ЬО 37, расположенное ниже поверхности металла н стенке 38. Чатем металл проходит через камеру 39 и выпускается иэ систеж через отверстие сжелобом 40 для последующих литейных работ. у В камере 39 размещен объемныйфильтрующий материал, например граФит или прочная огнеупорная стружка,Удаление шлака с поверхности металла может быть ныполнено путемзакрывания отверстия чля впускаметалла в систему рафинирования,в то время как инертный газ подается через газовый инжектор А, что-бы вытолкнуть слои шлака н желоб выпускного отверстия 32, иэ которогошлак может быть удален с помощьюмеханических средств. С другой стороны, поверхность металла может бытьочищена ручным инструментом, введенным в кожух 25 через желоб впускного отверстия 32 или через отверстие не показано ) в крышке 29.Работы по рафинированию не обязательно вести только в системе,показанной на фиг. 3. Система можетсодержать несколько отдельных рафинационных отделений или эон, черезкоторые расплавленный металл проходит последовательно,Предложенное устройство для дисперсионной подачи газа н распланлен"ный металл согласно отличается способностью впрыскинать газ с высокойскоростью в расплавленный металл ввиде дискретных газовых пузырьков,чем достигается высокая степеньрассеивания в расплавленном металле.Устройство стимулирует образованиепотоков в металле в районе устройства. Таким образом, образованные пузырьки перемещаются вдоль получающегося в результате вектора потока,который направлен радиально н противоположную сторону с расположенными внизу компонентами относительно вертикальной оси устройства. Этипотоки обладают несколькими положительными эффектами: по-существу вер-тикальное смешивание обеспечиваетсядля всей массы расплавленного металла, в которой направленные внизвдоль устройства потоки в сочетании с вращающимися лопастями вызывают.разделение газа на маленькиедискретные пузырьки; быстрое распространение газоных пузырьков в сторону от точки впрыскивания в металл предотвращает коалесценцию пузырька в зоне, где концентрацияпузырьков самая высокая; времяпребывания хорошо рассеянных газовых пузырьков в ра.сплавленномметалле увеличивается из-за того,что сразу после образования пузырьки не поднимаются на поверхностьпод действием силы тяжести.Другим Фактором, который содействует максимальному разделению газа на маленькие пузырьки и, следовательно, ведущий к увеличению площади соприкосновения пузырьков и10 б 8040 7 Подписное 11242 ир ВНИИПО ент", г.ужгород, ул.Проектная,4 П металла, является предварительный нагрев газа до впрыскивания. Такое предварительное нагревание обеспечивается в изобретении пропуска-. нием газа через канал, идущий вдоль длины отверстия, которое гогружено в расплавленный металл. Таким образом, холодный газ предварительно нагревается, вступая в теплообмен с теплопроводными стенками канала, где газ расширяется перед разделением на газовые пузырьки. Следовательно, количество пузырьков, выработанных из данного обьема газа, значительно увеличивается, и термический рост маленьких пузырьков в ,расплавленном металле в сущности предотвращается.При использовании для впрыскива. ния в расплавленный алюминий предложенное устройство дает непредвиденные улучшения эффективности процессов рафинирования. Помимо спо" собности при высокой скорости дегазировать металл, интенсивное смешивание, создаваемое устройством,в сочетании с увеличившимся контактом поверхностей газа и металлаблагодаря хорошо рассеянным пузырькам газа обеспечивает эффективноеудаление твердых примесей из металла, что с трудом удавалось в известных устройствах для рафинированиялегких металлов инертными газами.Согласно изобретению при обработке расплавленного алюминия и его 10 сплавов используются известные газы, инертные по отношению к расплаву, предпочтительно использование аргона и азота или их смесей. Возможно добавление хлора к инертному га зу. Степень рафинирования уточняется в зависимости от области применения литья. При изготовлении высокопрочных структурных сплавов при рафинировании целесообразно добавлять солевые флюсы для разделения металлов и окисей. Флюсы выбираются из галоидных соединений щелочных или окисей щелочноземельных металлов.