تطوير تكنولوجيا ومعدات التكرير وإزالة الغازات عبر الإنترنت لمخزون الألومنيوم المنصهر

11 أبريل تطوير تكنولوجيا ومعدات التكرير وإزالة الغازات عبر الإنترنت لمخزون الألومنيوم المنصهر

الملخص: عملية إزالة الغازات عبر الإنترنت (وحدة إزالة الغازات) تمت دراستها، ووفقًا لخصائص عدة أنواع من عمليات ومعدات إزالة الغازات أثناء الإنتاج الخاصة بالألمنيوم وسبائك الألمنيوم، والتي يشيع استخدامها حاليًا، تم وصف جهاز إزالة الغازات من النوع الصندوقي، وجهاز إزالة الغازات من النوع الممرّي، وجهاز إزالة الغازات بالفراغ بالتفصيل. الخصائص الهيكلية والميزات البارزة الأخرى لأجهزة إزالة الغاز أثناء الإنتاج النموذجية للألومنيوم وسبائك الألومنيوم هذه، تعريف بالتطورات الجديدة في مجال إزالة الغاز أثناء الإنتاج وحدة إزالة الغازات التكنولوجيا - أجهزة إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية، والتقييم الشامل لمزايا وعيوب أجهزة إزالة الغازات أثناء التشغيل هذه، المستخدمة عادةً في الألومنيوم وسبائك الألومنيوم، في ورش صب الألومنيوم المنصهر، سيساعد في اختيار عملية ومعدات إزالة الغازات المناسبة لتحسين جودة الألومنيوم وسبائك الألومنيوم.

الكلمات المفتاحية: الألومنيوم المنصهر؛ عملية التكرير وإزالة الغازات أثناء الإنتاج؛ المزايا والعيوب
هناك العديد من العوامل التي تؤثر على جودة الألومنيوم وسبائكه، ومن بينها يُعد محتوى الهيدروجين والشوائب وتركيز الفلزات القلوية في الألومنيوم المنصهر من أهم العوامل التي تؤثر على جودة سبائك الألومنيوم. وقد استثمرت كبرى الشركات المصنعة والمؤسسات البحثية في الداخل والخارج موارد كبيرة في الأبحاث المتعلقة بكيفية تقليل محتوى الهيدروجين والشوائب في الألومنيوم المنصهر، وظهرت العديد من العمليات والمعدات الجديدة في السوق.
1. عملية إزالة الغازات عبر الإنترنت
يمكن تقسيم عملية إزالة الغازات عبر الإنترنت بشكل عام إلى طريقة نفخ الغاز، وطريقة التكرير بالفراغ، وطريقة التكرير بالموجات فوق الصوتية. يركز هذا المقال على طريقة نفخ الغاز.
1.1 مبدأ طريقة النفخ بالغاز
تتمثل طريقة نفخ الغاز، المعروفة أيضًا باسم طريقة التعويم، بشكل أساسي في تكوين العديد من الفقاعات الدقيقة بعد نفخ غاز خامل في الألومنيوم المنصهر. يكون الضغط الأولي للهيدروجين داخل الفقاعة صفرًا، ويوجد فرق في ضغط الهيدروجين عند السطح الفاصل بين الفقاعة وسائل الألومنيوم، مما يؤدي إلى امتصاص الهيدروجين المذاب في سائل الألومنيوم باستمرار إلى داخل الفقاعة. تستمر عملية الشفط هذه حتى يتساوى ضغط الهيدروجين في الفقاعة مع ضغط الهيدروجين في السائل الألومنيوم، وعندها تتوقف. وبعد ظهور الفقاعات على السطح، يتسرب الهيدروجين الموجود فيها إلى الغلاف الجوي.
يُظهر الشكل 1 الرسم التخطيطي لمبدأ إزالة الهيدروجين.

رسم تخطيطي لمبدأ إزالة الهيدروجين

بالإضافة إلى ذلك، عندما تمر الفقاعات عبر المادة المنصهرة، فإنها تصادف الشوائب الأكسيدية الموجودة فيها، فتلتصق هذه الشوائب بسطح الفقاعات وتطفو معها إلى سطح المادة المنصهرة ليتم إزالتها. ويظهر الرسم التخطيطي لعملية إزالة الشوائب في الشكل 2.
لذلك، فإن عملية صعود الفقاعات لا تقتصر على إخراج الهيدروجين لتحقيق تأثير إزالة الغازات فحسب، بل إنها تُخرج أيضًا الشوائب التأكسدية لتحقيق تأثير التكرير.

رسم تخطيطي يوضح مبدأ إزالة الشوائب

1.2 طريقة تغذية الغاز الخامل
في طريقة نفخ الغاز، تؤثر طريقة إدخال الغاز الخامل إلى الألومنيوم المنصهر تأثيراً كبيراً على فعالية إزالة الغازات وتنقية المعدن. وفي الوقت الحالي، هناك ثلاث طرق شائعة الاستخدام لإدخال الغاز الخامل إلى الألومنيوم المنصهر في مصانع الصب، وهي: أنابيب إزالة الغازات، والطوب التنفيسي، والدوار وحدات إزالة الغازات, ، كما هو موضح في الشكل 3.

طريقة تغذية الغاز الخامل

تتمثل أبسط طريقة من طرق نفخ الغاز في إدخال أنبوب تنقية (عادةً ما يكون أنبوبًا فولاذيًّا مطليًّا بالمينا) في الألومنيوم المنصهر، ثم تمرير غاز خامل من خلاله. وتتميز طريقة إزالة الغازات هذه، التي تعتمد على أنبوب واحد بفتحة واحدة، بفعالية ضعيفة في إزالة الغازات. كما توجد بعض مصانع الصب التي تقوم بتركيب طوب مسامي في قاع الفرن. يمر الغاز الخامل عبر الطوب المسامي لتشكيل فقاعات متعددة. وبالمقارنة مع طريقة النفخ ذات الفتحة الواحدة، فإن تأثير إزالة الغازات والتكرير في طريقة النفخ المسامية أفضل قليلاً؛ إلا أن الطوب المسامي له عيوب مثل سهولة الانسداد، وتسرب سائل الألومنيوم، وصعوبة الصيانة، والتقلب الشديد لسطح السائل، وتكوّن المزيد من الخبث.
مع تعمق الأبحاث، ظهرت طرق إزالة الغازات الدوارة واحدة تلو الأخرى. ويتمثل المبدأ الأساسي في رش الغاز الخامل في الألومنيوم المنصهر عبر دوار دوار لتشكيل عدد كبير من الفقاعات الصغيرة المتناثرة، وبالتالي إجراء معالجة إزالة الغازات والتكرير. ولتحسين كفاءة إزالة الغازات، يجب أن يكون عدد فقاعات الغاز الخامل أكبر قدر ممكن، وأن يكون قطر هذه الفقاعات صغيرًا، وأن تكون مدة بقاءها في سائل الألومنيوم طويلة، وأن يكون سطح سائل الألومنيوم مستقرًا قدر الإمكان.
من أجل تحقيق الغرض المذكور أعلاه، تتميز كل شركة مصنعة لأجهزة إزالة الغاز بخصائصها الخاصة في تصميم الدوار/القضيب الدوار، والبطانة الداخلية للصندوق، وطريقة إحكام إغلاق الصندوق، مما أدى إلى ظهور أنواع متنوعة من أجهزة إزالة الغاز المتوفرة حاليًا في السوق. ووفقًا لعملية إزالة الغازات والخصائص الهيكلية لجهاز إزالة الغازات، يمكن تقسيمها بشكل عام إلى أجهزة إزالة الغازات من النوع الصندوقي، وأجهزة إزالة الغازات من النوع القنوي، وأجهزة إزالة الغازات الفراغية، وأجهزة إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية.
وفقًا لإحصاءات غير كاملة، فإن 99% من أجهزة إزالة الغازات عبر الإنترنت المتوفرة حاليًا في السوق هي أجهزة إزالة غازات دوارة من النوع الصندوقي. وتشمل أجهزة إزالة الغازات من النوع الصندوقي أجهزة SNIF و ILDU من شركة PYROTEK في الولايات المتحدة، وأجهزة Reveot من شركة Apogee في الولايات المتحدة، وأجهزة APLUR من شركة Novelis في فرنسا، وأجهزة Fujiko GBF في اليابان، وأجهزة Mitsui (اليابان). تعتبر أجهزة إزالة الغازات من طراز TKR وأجهزة إزالة الغازات من طراز Alcoa (Alcoa) 622 هي الأكثر شيوعًا؛ أما جهاز إزالة الغازات من النوع القنوي فهو جهاز إزالة الغازات ACD الأكثر شيوعًا الذي تنتجه شركة STAS الكندية؛ أما جهاز إزالة الغازات بالفراغ فهو من طراز Hycast الذي تنتجه شركة Hydro. ويُعد طراز I-60Sir هو الأكثر شيوعًا.
في السنوات الأخيرة، قامت شركة «ساوثواير» المحدودة (Southwire) في الولايات المتحدة بتطوير جهاز جديد لإزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية.
2. عبر الإنترنت وحدة إزالة الغازات
2.1 جهاز إزالة الغازات من الصناديق
يُظهر الشكل 4 هيكل جهاز إزالة الغازات من نوع الصندوق «SNIF» الذي تنتجه شركة «American Pilotec».

رسم تخطيطي لهيكل جهاز إزالة الغازات SNIF

يتدفق الألومنيوم المنصهر إلى صندوق إزالة الغازات ويبقى داخل البطانة المقاومة للحرارة. يحتوي الصندوق على سخان للحفاظ على الألومنيوم المنصهر في حالة منصهرة. بعد رش الغاز الخامل بواسطة الدوار الدوار، يتم تكسيره إلى فقاعات صغيرة لا حصر لها بواسطة الدوار الدوار عالي السرعة، وتنتشر الفقاعات الصغيرة وترتفع في سائل الألومنيوم، مما يؤدي إلى إزالة الهيدروجين. أثناء عملية صعود الفقاعات الصغيرة، وبسبب تأثير التوتر السطحي، يتم إخراج جزء من الشوائب من الألومنيوم المنصهر إلى سطح السائل، مما يؤدي إلى تكوين رغوة لإزالة الشوائب الموجودة في الألومنيوم المنصهر؛ وفي الوقت نفسه، وبفضل تحريك الدوار، يصبح تكوين سبائك الألومنيوم السائل أكثر اتساقًا.
أبرز ما يميز جهاز إزالة الغازات من النوع الصندوقي هو هيكل الجزء الثابت المصنوع من الجرافيت والجزء المتحرك المصنوع من الجرافيت. لا يدور الجزء الثابت المصنوع من الجرافيت في سائل الألومنيوم، بل يعمل كطبقة خارجية واقية لمجموعة الجزء المتحرك المصنوعة من الجرافيت. يتم تجميع قضبان الجرافيت وأجزاء الدوران المصنوعة من الجرافيت معًا لتقليب سائل الألومنيوم. يمر الغاز الخامل عبر الفجوة بين الجزء الثابت وقضيب الجرافيت، ويتم رشه في الألومنيوم المنصهر من الحافة السفلية للجزء الثابت ومن الأخدود الموجود على الحافة العلوية للدوار الجرافيتي. يوضح الشكل 5 طريقة تدوير سائل الألومنيوم باستخدام قضبان/دوارات الجرافيت من طراز SNIF.

وضع تدوير السائل باستخدام قضيب/دوار دوار من الألومنيوم في نظام SNIF

من خلال قوة القص التي يولدها الدوار المصنوع من الجرافيت، يتم تدوير الألومنيوم المنصهر نحو الأسفل، مما يعوض تأثير القوة الدافعة الطبيعية، بحيث يتم حقن فقاعات الهواء المنبعثة من الدوار والجزء الثابت بشكل شعاعي وتوزيعها بالتساوي في الألومنيوم المنصهر لتحقيق أفضل تأثير لتنقية وإزالة الغازات. وفي سلسلة أخرى من أجهزة إزالة الغازات من نوع الصندوق (ILDU) التي تنتجها شركة «باروتيك» الأمريكية، تتمثل الميزة البارزة في القضيب/الدوار الدوار (انظر الشكل 6).

قضيب/دوار ILDU

المادة المصنوع منها القضيب الدوار/الدوار هي مادة BTS الجديدة. وفي الوقت الحالي، تتكون مواد الدوارات/الدوارات المستخدمة في أجهزة إزالة الغازات الأخرى عمومًا من الجرافيت وكربيد السيليكون ونيتريد السيليكون. الجرافيت سهل الاشتعال والتأكسد عند درجات الحرارة العالية (حوالي 750 درجة مئوية)، مما يتسبب في حدوث كسر أو تقشر، وبالتالي تلويث سائل الألومنيوم؛ كما أن الدوار المصبوب من كربيد السيليكون غير مقاوم للصدمات الحرارية، ويسهل كسره عند التبريد السريع والتعرض للصدمات الحرارية؛ أما القضيب الدوار/الدوار المصنوع من نيتريد السيليكون فتكلفته مرتفعة للغاية. ومع ذلك، فإن الجزء الداخلي من دوار/الدوار BST مصنوع من مادة الجرافيت، بينما الجزء الخارجي متكلس بمواد مقاومة للحرارة، مما يتغلب تمامًا على عيوب المواد الثلاث المذكورة أعلاه. ووفقًا للإحصاءات، يصل عمره التشغيلي إلى أكثر من سنة واحدة على خط الصب والدرفلة المستمر.
المزايا الواضحة لجهاز إزالة الغازات من النوع الصندوقي هي كما يلي: 1) زيادة مدة بقاء الفقاعات، مما يؤدي إلى تحسين فعالية إزالة الغازات والتكرير؛ 2) الحفاظ على درجة حرارة الألومنيوم المنصهر داخل الصندوق عند مستوى يساوي أو يزيد عن درجة حرارة الصب، مما يقلل من درجة حرارة فرن الاحتفاظ؛ 3) تقليل التغير في درجة حرارة الصب. أما العيب فهو أن المساحة المطلوبة لتركيب الجهاز كبيرة نسبيًا.
2.2 جهاز إزالة الغازات من النوع الدوار
يستخدم جهاز إزالة الغازات من النوع المجرى الدوار/القضيب لتدوير جهاز إزالة الغازات وتنقيته. ويكمن الاختلاف الرئيسي في الهيكل بين جهاز إزالة الغازات من النوع الممر وجهاز إزالة الغازات من النوع الصندوقي في أن القاعدة الداخلية لجهاز إزالة الغازات من النوع الممر تكون متساوية مع القاعدة الداخلية للممر في خط إنتاج الصب، مما يضمن خلو جهاز إزالة الغازات من أي بقايا للألومنيوم. يظهر مخطط هيكل جهاز إزالة الغازات من النوع المجرى في الشكل 7.

رسم تخطيطي لوحدة إزالة الغازات من النوع القنوي

يشكل غطاء الإغلاق وخزان إزالة الغازات في جهاز إزالة الغازات من النوع القنوي مساحة مغلقة نسبيًا. عند بدء عملية الصب، يدخل الألومنيوم المنصهر إلى خزان إزالة الغازات عبر تدفق مغمور. وعندما يرتفع مستوى سائل الألومنيوم في خزان إزالة الغازات عن 200 مم، يبدأ الدوار في تقليب سائل الألومنيوم ورش غاز خامل فيه لإزالة الغازات وتنقية سائل الألومنيوم الموجود في الخزان. بالمقارنة مع جهاز إزالة الغازات التقليدي من النوع الصندوقي، يتميز جهاز إزالة الغازات من النوع الحوضي بعدم وجود بقايا من الألومنيوم وبمساحة تركيب صغيرة. كما أن عيوبه واضحة أيضًا: نظرًا لعمق سائل الألومنيوم الأقل في جهاز إزالة الغازات من النوع الحوضي، فإن مدة بقاء الفقاعات في سائل الألومنيوم تكون أقصر، وبالتالي يكون تأثير إزالة الغازات أقل قليلاً من جهاز إزالة الغازات من النوع الصندوقي. ونظرًا لعدم وجود نظام تسخين، فإن درجة حرارة الألومنيوم المنصهر ستنخفض (عادةً بمقدار 10-35 درجة مئوية) عند مروره عبر وحدة إزالة الغازات, ، مما سيؤثر على عملية الصب اللاحقة.
تبلغ سرعة قضيب/دوار الجرافيت في جهاز إزالة الغازات من النوع القنوي مستوىً عالياً جدًّا (>1000 دورة في الدقيقة)، مما يؤدي إلى قصر العمر التشغيلي لقضيب/دوار الجرافيت وزيادة كمية الخبث الناتج. ونظرًا لأن الفقاعات تبقى في الألومنيوم المنصهر لفترة قصيرة، مما يؤثر سلبًا على فعالية إزالة الغازات، فإن المشغل عادةً ما يعوض هذا التأثير السلبي عن طريق زيادة معدل تدفق الغاز الخامل، مما يؤدي إلى استهلاك كبير للغاز الخامل.

(مرشح خزفي مسامي)
2.3 جهاز إزالة الغازات بالفراغ
يشبه هيكل جهاز إزالة الغازات بالفراغ هيكل جهاز إزالة الغازات من النوع القنوي، الذي ينقسم إلى جزأين: وحدة إزالة الغازات وغرفة إزالة الغازات بالفراغ (انظر الشكل 8).

وحدة إزالة الغازات بالفراغ

يمكن تقسيم غرفة إزالة الغازات بالفراغ إلى غرفة مفردة، وغرفة مزدوجة، وغرف متعددة وفقًا لمعدل تدفق سائل الألومنيوم. ويكمن الفرق بين أجهزة إزالة الغازات من النوع الصندوقي والنوع القنوي في أن الدوار الجرافيتي لجهاز إزالة الغازات بالفراغ يتم تركيبه في قاع غرفة إزالة الغازات. ويحتوي قاع غرفة إزالة الغازات على فتحات بحيث تتصل غرفة إزالة الغازات بالفراغ بوحدة إزالة الغازات (انظر الشكل 9). عندما يتدفق الألومنيوم المنصهر عبر وحدة إزالة الغازات، تشكل غرفة إزالة الغازات ضغطًا سلبيًا بفعل مضخة تفريغ أو طرق أخرى، مما يؤدي إلى ارتفاع مستوى سائل الألومنيوم في غرفة إزالة الغازات بالفراغ. بعد وصول مستوى سائل الألومنيوم إلى ارتفاع معين، يبدأ الدوار الجرافيتي في الدوران وحقن غاز خامل لإزالة الغازات وتنقية سائل الألومنيوم. وعند انتهاء عملية إزالة الغازات، يتم تحرير الضغط السلبي في غرفة التفريغ، وينخفض مستوى سائل الألومنيوم في غرفة التفريغ حتى يتساوى مع مستوى السائل في وحدة إزالة الغازات.

البنية الداخلية لغرفة إزالة الغازات بالفراغ

يتميز جهاز إزالة الغازات بالفراغ بعدم ترك أي بقايا من الألومنيوم وبحجمه الصغير. بالإضافة إلى ذلك، وبما أن سائل الألومنيوم يتم إزالة الغازات منه وتقليبه في حالة فراغ، فإن كمية الأكاسيد تكون أقل ويكون سائل الألومنيوم نظيفًا نسبيًا. عيوب جهاز إزالة الغازات بالفراغ: 1) متطلبات عالية فيما يتعلق بنظافة سائل الألومنيوم؛ 2) نظرًا لتركيب الدوار الجرافيتي في القاع، ووجود كمية أكبر من الخبث في قاع سائل الألومنيوم، فإن الدوار الجرافيتي يتعرض للتآكل بسهولة. في الوقت الحالي، لا تُستخدم أجهزة إزالة الغازات بالفراغ على نطاق واسع في السوق.
2.4 جهاز إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية
جهاز إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية هو نوع جديد من أجهزة إزالة الغازات طورته بنجاح شركة «ساوث لاين» المحدودة في الولايات المتحدة. ويختلف جهاز إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية عن جهاز إزالة الغازات التقليدي الذي يعمل بدوران الدوار، حيث يتألف هيكله من جهاز إرسال للموجات فوق الصوتية ومسبار للموجات فوق الصوتية (انظر الشكل 10).

رسم تخطيطي لوحدة إزالة الغازات بالموجات فوق الصوتية

مقالات ذات صلة:

معدات إزالة الغازات معدات إزالة الغازات الهيدروجينية من الألومنيوم نظام تكرير الألومنيوم معدات إزالة الغازات إزالة الغازات من الألومنيوم المذاب كيف يعمل جهاز إزالة الغازات في خط صب الألومنيوم وحدة إزالة الغازات من الألومنيوم المصهور معدات إزالة الغازات من الألومنيوم معدات إزالة الغازات عملية إزالة الغازات في عملية الصب تقنية إزالة الغازات من الألومنيوم بالطريقة الدوارة من الصين معنى جهاز إزالة الغازات من الألومنيوم المنصهر إزالة الغازات من الألومنيوم باستخدام النيتروجين معدات إزالة الغازات من شركة «روسال»