Разработка технологий и оборудования для установки онлайн-очистки и дегазации алюминиевого расплава

11 апреля Разработка технологий и оборудования для онлайн-очистки и дегазации алюминиевого расплава

Posted at 08:02h in Дегазация алюминия, SEO by AdTech 0 Comments

0 Likes

Аннотация: Процесс дегазации в режиме онлайн (установка дегазации) и, исходя из характеристик нескольких видов процессов и оборудования для онлайн-дегазации алюминия и алюминиевых сплавов, широко применяемых в настоящее время, подробно описаны коробчатый дегазатор, дегазатор желобчатого типа и вакуумный дегазатор. Рассмотрены конструктивные особенности и другие значимые характеристики этих типовых дегазаторов для алюминия и алюминиевых сплавов, работающих в режиме непрерывного производства, а также представлены новые разработки в области непрерывных установка дегазации Технология ультразвуковой дегазации и всесторонний анализ преимуществ и недостатков типовых систем онлайн-дегазации алюминия и алюминиевых сплавов, используемых в цехах литья алюминиевого расплава, помогут выбрать подходящий процесс и оборудование для дегазации, что позволит повысить качество алюминия и алюминиевых сплавов.

Ключевые слова: расплав алюминия; процесс онлайн-очистки и дегазации; преимущества и недостатки
Существует множество факторов, влияющих на качество алюминия и его сплавов, среди которых содержание водорода, включения и концентрация щелочных металлов в расплавленном алюминии являются наиболее важными для качества алюминиевых сплавов. Крупные производители и научно-исследовательские институты как в стране, так и за рубежом вложили значительные ресурсы в исследования, направленные на снижение содержания водорода и включений в расплавленном алюминии, в результате чего на рынке появилось множество новых технологических процессов и оборудования.
1. Процесс дегазации в режиме онлайн
Процесс онлайн-дегазации можно условно разделить на метод продувки газом, метод вакуумной очистки и метод ультразвуковой очистки. В данной статье основное внимание уделяется методу продувки газом.
1.1 Принцип действия метода газовой продувки
Метод вдувания газа, также известный как метод флотации, заключается главным образом в образовании множества мелких пузырьков после вдувания инертного газа в расплавленный алюминий. Начальное давление водорода в пузырьке равно нулю, и на границе раздела между пузырьком и расплавленным алюминием возникает перепад давления, благодаря чему растворенный в расплаве водород непрерывно всасывается в пузырьки. Этот процесс всасывания продолжается до тех пор, пока давление водорода в пузырьках и в расплавленном алюминии не сравняются. После того как пузырьки всплывают на поверхность, водород, содержащийся в них, выходит в атмосферу.
Схематическое изображение принципа удаления водорода приведено на рис. 1.

Схематическое изображение принципа удаления водорода

Кроме того, когда пузырьки проходят через расплав, они сталкиваются с оксидными включениями в расплаве, и эти включения адсорбируются на поверхности пузырьков, после чего вместе с ними всплывают на поверхность расплава, откуда и удаляются. Схематическое изображение процесса удаления включений приведено на рис. 2.
Таким образом, процесс подъема пузырьков позволяет не только удалить водород, обеспечивая дегазацию, но и удалить окислительные включения, обеспечивая очистку.

Схематическое изображение принципа удаления включений

1.2 Метод подачи инертного газа
При использовании метода газового продувки способ подачи инертного газа в расплав алюминия оказывает большое влияние на эффективность дегазации и рафинирования. В настоящее время на литейных заводах широко применяются три метода подачи инертного газа в расплав алюминия: дегазационные трубы, вентиляционные кирпичи и вращающиеся установки дегазации, как показано на рисунке 3.

Метод подачи инертного газа

Самый простой способ газового продувки заключается во введении рафинировочной трубки (обычно из эмалированной стали) в расплавленный алюминий с последующим подачей инертного газа. Этот метод дегазации с использованием одной трубки с одним отверстием обладает низкой эффективностью. На некоторых литейных заводах на дне печи также устанавливают пористые кирпичи. Инертный газ проходит через пористые кирпичи, образуя множество пузырьков. По сравнению с методом одноотверстной продувки эффективность дегазации и рафинирования при использовании пористой продувки несколько выше; однако у этого метода есть такие недостатки, как склонность к забиванию, утечка расплавленного алюминия, сложность технического обслуживания, сильное перемешивание на поверхности расплава и увеличение образования шлака.
По мере углубления научных исследований один за другим появились различные методы роторной дегазации. Основной принцип заключается в том, что инертный газ впрыскивается в расплавленный алюминий через вращающийся ротор, образуя большое количество мелкодисперсных пузырьков, что позволяет осуществлять дегазацию и рафинирование. Для повышения эффективности дегазации количество пузырьков инертного газа должно быть как можно больше, их диаметр — как можно меньше, время пребывания пузырьков инертного газа в расплаве алюминия — как можно дольше, а поверхность расплава алюминия — как можно более стабильной.
Для достижения указанной цели каждый производитель дегазаторов применяет свои собственные конструктивные особенности при разработке ротора/вращающегося стержня, внутренней облицовки корпуса и способа герметизации корпуса, что приводит к появлению на рынке различных типов дегазаторов. В зависимости от процесса дегазации и конструктивных особенностей дегазатора его можно условно разделить на дегазаторы коробчатого типа, дегазаторы желобчатого типа, вакуумные дегазаторы и ультразвуковые дегазаторы.
Согласно неполным статистическим данным, 99% из представленных в настоящее время на рынке онлайн-дегазаторов являются ротационными дегазаторами коробчатого типа. К коробчатым дегазаторам относятся дегазаторы SNIF и ILDU компании PYROTEK (США), дегазаторы Reveot компании Apogee (США), дегазаторы APLUR компании Novelis (Франция), дегазаторы Fujiko GBF (Япония) и дегазаторы Mitsui (Япония). Наиболее типичными являются дегазаторы TKR и Alcoa (Alcoa) 622; наиболее типичным дегазатором ACD является дегазатор канального типа, производимый канадской компанией STAS; наиболее типичным вакуумным дегазатором является Hycast, производимый компанией Hydro. Наиболее типичным является I-60Sir.
В последние годы компания Southwire Co., Ltd. (Southwire) из США разработала новый ультразвуковой дегазатор.
2. Онлайн установка дегазации
2.1 Коробчатый дегазатор
Конструкция дегазатора коробчатого типа SNIF, выпускаемого американской компанией Pilotec, показана на рисунке 4.

Схематическое изображение конструкции дегазатора SNIF

Расплавленный алюминий поступает в камеру дегазации и удерживается в огнеупорной футеровке. Камера оснащена нагревателем, поддерживающим расплавленный алюминий в расплавленном состоянии. После того как инертный газ распыляется вращающимся ротором, он разбивается на бесчисленное количество мелких пузырьков под действием высокоскоростного вращения ротора, и эти мелкие пузырьки диффундируют и поднимаются в жидком алюминии, тем самым удаляя водород. В процессе подъема мелких пузырьков под действием поверхностного натяжения часть включений выносится из расплавленного алюминия на поверхность жидкости, образуя пену, что позволяет удалить включения из расплавленного алюминия; одновременно, благодаря перемешиванию, осуществляемому ротором, состав жидкого алюминия и сплава становится более однородным.
Наиболее характерной особенностью коробчатого дегазатора является конструкция, состоящая из графитового статора и графитового ротора. Графитовый статор не вращается в расплаве алюминия и служит в качестве защитного внешнего слоя для узла графитового ротора. Графитовые стержни и графитовые роторы собраны вместе для перемешивания расплава алюминия. Инертный газ проходит через зазор между статором и графитовым стержнем и распыляется в расплавленный алюминий с нижнего края статора и из канавки на верхнем крае графитового ротора. Режим циркуляции расплавленного алюминия с использованием графитовых стержней/роторов SNIF показан на рис. 5.

Режим циркуляции жидкости с помощью алюминиевого поворотного стержня/ротора SNIF

Благодаря сдвиговой силе графитового ротора расплавленный алюминий циркулирует вниз, что компенсирует влияние естественной плавучести, в результате чего пузырьки воздуха, выбрасываемые из ротора и статора, радиально впрыскиваются и равномерно распределяются в расплавленном алюминии, что позволяет достичь наилучшего эффекта дегазации и рафинирования. В другой серии коробчатых дегазаторов ILDU, производимых американской компанией Parrotec, отличительной особенностью является вращающийся стержень/ротор (см. рис. 6).

ILDU Штанга/Ротор

В качестве материала вращающегося стержня/ротора используется новый материал BTS. В настоящее время в качестве материалов для роторов других дегазаторов обычно используются графит, карбид кремния и нитрид кремния. Графит легко воспламеняется и окисляется при высоких температурах (около 750 °C), что приводит к его разрушению или отслоению, в результате чего происходит загрязнение расплавленного алюминия; ротор из литого карбида кремния не устойчив к термическим ударам и легко ломается при резком охлаждении и термических ударах; стоимость вращающегося стержня/ротора из нитрида кремния слишком высока. Однако внутренняя часть ротора BST изготовлена из графита, а внешняя — из спеченного огнеупорного материала, что позволяет устранить недостатки вышеупомянутых трёх материалов. Согласно статистическим данным, срок его службы на линии непрерывного литья и прокатки составляет более 1 года.
Очевидные преимущества коробчатого дегазатора заключаются в следующем: 1) увеличение времени пребывания пузырьков, что позволяет улучшить эффективность дегазации и рафинирования; 2) поддержание температуры расплавленного алюминия в камере на уровне, равном или превышающем температуру литья, что позволяет снизить температуру в печи-держателе; 3) уменьшение колебаний температуры литья. Недостатком является то, что для установки устройства требуется относительно большое пространство.
2.2 Дегазатор лаундерного типа
В дегазаторе желобчатого типа для вращения и очистки дегазатора используется ротор/штанга. Основное конструктивное отличие дегазатора желобчатого типа от дегазатора коробчатого типа заключается в том, что внутренняя поверхность дегазатора желобчатого типа находится на одном уровне с внутренней поверхностью желоба на линии литья, что позволяет обеспечить отсутствие остатков алюминия в дегазаторе. Схема конструкции дегазатора желобчатого типа приведена на рис. 7.

Схематическое изображение дегазационной установки канального типа

Схематическое изображение дегазационной установки лоткового типа

Герметизирующая крышка и дегазационный резервуар дегазатора желобчатого типа образуют относительно герметичное пространство. При запуске литья расплавленный алюминий поступает в дегазационный резервуар погружным потоком. Когда уровень расплава алюминия в дегазационном резервуаре превышает 200 мм, ротор начинает перемешивать расплав и впрыскивать в него инертный газ для дегазации и рафинирования расплава в дегазационном резервуаре. По сравнению с традиционным дегазатором коробчатого типа дегазатор желобчатого типа обладает такими преимуществами, как отсутствие остаточного алюминия и небольшая занимаемая площадь. Его недостатки также очевидны: из-за меньшей глубины расслоения расплавленного алюминия в желобчатом дегазаторе время пребывания пузырьков в расплаве сокращается, поэтому эффективность дегазации несколько ниже, чем у коробчатого дегазатора. Поскольку система нагрева отсутствует, температура расплавленного алюминия снижается (обычно на 10–35 °C) при прохождении через установка дегазации, что повлияет на последующий процесс литья.
Скорость вращения графитового стержня/ротора дегазатора желобчатого типа очень высока (>1000 об/мин), поэтому срок службы графитового стержня/ротора невелик, а объем образующегося шлака увеличивается. Поскольку пузырьки находятся в расплавленном алюминии в течение короткого времени, что ухудшает эффективность дегазации, оператор, как правило, компенсирует этот негативный эффект за счет увеличения расхода инертного газа, что приводит к его значительному расходу.

(пористый керамический фильтр)
2.3 Вакуумный дегазатор
Конструкция вакуумного дегазатора аналогична конструкции дегазатора желобчатого типа, который состоит из двух частей: дегазационного блока и вакуумной дегазационной камеры (см. рис. 8).

установка вакуумной дегазации

Вакуумную дегазационную камеру можно разделить на однокамерную, двухкамерную и многокамерную в зависимости от расхода расплавленного алюминия. Отличие дегазаторов коробчатого типа от дегазаторов желобчатого типа заключается в том, что графитовый ротор вакуумного дегазатора установлен на дне дегазационной камеры. Дно дегазационной камеры имеет прорези, благодаря которым вакуумная дегазационная камера сообщается с дегазационным агрегатом (см. рис. 9). Когда расплавленный алюминий протекает через дегазатор, в дегазационной камере под действием вакуумного насоса или с помощью других методов создается отрицательное давление, что приводит к повышению уровня расплавленного алюминия в вакуумной дегазационной камере. После того как уровень расплавленного алюминия достигает определенной высоты, графитовый ротор начинает вращаться и впрыскивать инертный газ для дегазации и рафинирования расплавленного алюминия. По окончании дегазации отрицательное давление в вакуумной камере снимается, и уровень расплавленного алюминия в вакуумной камере понижается до тех пор, пока он не станет равным уровню в дегазационном агрегате.

Внутренняя конструкция камеры вакуумной дегазации

Преимуществами вакуумного дегазатора являются отсутствие остаточного алюминия и компактность конструкции. Кроме того, поскольку расплав алюминия дегазируется и перемешивается в вакуумных условиях, в нём содержится меньше оксидов, и он является относительно чистым. Недостатки вакуумного дегазатора: 1) высокие требования к чистоте расплавленного алюминия; 2) поскольку графитовый ротор установлен в нижней части, а на дне расплава алюминия скапливается больше шлака, графитовый ротор подвержен быстрому износу. В настоящее время вакуумные дегазаторы не нашли широкого применения на рынке.
2.4 Ультразвуковой дегазатор
Ультразвуковой дегазатор — это новый тип дегазатора, успешно разработанный компанией South Line Co., Ltd. в США. Ультразвуковой дегазатор отличается от традиционного дегазатора с вращающимся ротором: его конструкция включает ультразвуковой излучатель и ультразвуковой датчик (см. рис. 10).