Alüminyum Eriyiği için Çevrimiçi Arıtma ve Gaz Giderme Ünitesi Teknolojisi ve Ekipmanlarının Geliştirilmesi

11 Nisan Alüminyum Eriyiği için Çevrimiçi Arıtma ve Gaz Giderme Teknolojisi ve Ekipmanlarının Geliştirilmesi

Posted at 08:02h in Alüminyumdan Gaz Giderme, SEO by AdTech 0 Comments

0 Likes

Özet: Çevrimiçi gaz giderme işlemi (gaz giderme ünitesi) incelenmekte olup, günümüzde yaygın olarak kullanılan çeşitli alüminyum ve alüminyum alaşımı çevrimiçi gaz giderme süreçleri ile ekipmanlarının özelliklerine göre, kutu tipi gaz giderici, oluk tipi gaz giderici ve vakumlu gaz giderici ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. Bu tipik alüminyum ve alüminyum alaşımı çevrimiçi gaz gidericilerinin yapısal özellikleri ve diğer dikkat çekici özellikleri, çevrimiçi gaz giderme alanındaki yeni gelişmeleri tanıtmaktadır. gaz giderme ünitesi Ultrasonik gaz giderici teknolojisi ve bu tipik alüminyum ve alüminyum alaşımı çevrimiçi gaz gidericilerin kapsamlı bir şekilde değerlendirilmesi, alüminyum eriyik döküm atölyesindeki avantaj ve dezavantajların belirlenmesi, alüminyum ve alüminyum alaşımlarının kalitesini artırmak için uygun gaz giderme prosesi ve ekipmanının seçilmesine yardımcı olacaktır.

Anahtar kelimeler: alüminyum eriyiği; çevrimiçi arıtma ve gaz giderme işlemi; avantajlar ve dezavantajlar
Alüminyum ve alaşımlarının kalitesini etkileyen birçok faktör vardır; bunların arasında erimiş alüminyumdaki hidrojen içeriği, kalıntılar ve alkali metal konsantrasyonu, alüminyum alaşımlarının kalitesi açısından en önemlileridir. Yurtiçi ve yurtdışındaki önde gelen üreticiler ve araştırma kurumları, erimiş alüminyumdaki hidrojen ve kalıntı içeriğinin nasıl azaltılacağına dair araştırmalara büyük miktarda kaynak ayırmışlardır ve piyasada birçok yeni proses ve ekipman ortaya çıkmıştır.
1. Çevrimiçi gaz giderme işlemi
Çevrimiçi gaz giderme işlemi genel olarak gaz üfleme yöntemi, vakum arıtma yöntemi ve ultrasonik arıtma yöntemi olarak üç gruba ayrılabilir. Bu makale, gaz üfleme yöntemine odaklanmaktadır.
1.1 Gaz üfleme yönteminin çalışma prensibi
Flotasyon yöntemi olarak da bilinen gaz üfleme yöntemi, esas olarak erimiş alüminyumun içine inert gaz üfleyerek çok sayıda minik kabarcık oluşturmayı amaçlamaktadır. Kabarcık içindeki hidrojenin başlangıç basıncı sıfırdır ve kabarcık ile alüminyum sıvısı arasındaki arayüzde bir hidrojen basınç farkı oluşur; böylece alüminyum sıvısında çözünmüş hidrojen sürekli olarak kabarcığın içine emilir. Bu emme süreci, kabarcık içindeki hidrojen basıncı ile alüminyum sıvısındaki hidrojen basıncı eşit hale gelene kadar devam eder. Kabarcıklar yüzeye çıktıktan sonra, kabarcıkların içindeki hidrojen dışarı çıkarak atmosfere karışır.
Hidrojen giderme prensibinin şematik şeması Şekil 1’de gösterilmiştir.

Hidrojen giderme prensibinin şematik diyagramı

Buna ek olarak, kabarcıklar eriyik içinden geçerken eriyik içindeki oksit kalıntılarıyla karşılaşır; bu kalıntılar kabarcıkların yüzeyine adsorbe olur ve kabarcıklarla birlikte eriyik yüzeyine yükselerek uzaklaştırılır. Kalıntıların uzaklaştırılmasına ilişkin şematik şema Şekil 2’de gösterilmiştir.
Bu nedenle, kabarcıkların yukarı doğru yükselme süreci, sadece hidrojenin dışarı atılmasını sağlayarak gaz giderme etkisini gerçekleştirmekle kalmaz, aynı zamanda oksidasyon kalıntılarını da dışarı atarak arıtma etkisini sağlar.

Kalıntıların giderilmesi ilkesinin şematik diyagramı

1.2 İnert gaz besleme yöntemi
Gaz üfleme yönteminde, erimiş alüminyuma inert gazın veriliş şekli, gaz giderme ve arıtma işleminin etkinliği üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Günümüzde, döküm tesislerinde erimiş alüminyuma inert gazın verilişinde yaygın olarak kullanılan üç yöntem bulunmaktadır: gaz giderme boruları, havalandırma tuğlaları ve döner gaz giderme üniteleri, Şekil 3'te gösterildiği gibi.

İnert gaz besleme yöntemi

Gaz üfleme yönteminin en basit şekli, erimiş alüminyumun içine bir arıtma borusu (genellikle emaye çelik boru) yerleştirmek ve ardından inert gaz geçirmektir. Bu tek delikli tek borulu gaz giderme yönteminin gaz giderme etkisi zayıftır. Ayrıca, fırının tabanına nefes alabilen tuğlalar yerleştiren bazı döküm fabrikaları da bulunmaktadır. İnert gaz, nefes alabilen tuğlalardan geçerek çok sayıda kabarcık oluşturur. Tek delikli üfleme yöntemiyle karşılaştırıldığında, gözenekli üfleme yönteminin gaz giderme ve arıtma etkisi biraz daha iyidir; ancak bu tuğlaların kolayca tıkanması, sıvı alüminyum sızıntısı, bakım zorluğu, sıvı yüzeyinde ciddi çalkantı ve daha fazla cüruf oluşumu gibi dezavantajları vardır.
Araştırmaların derinleşmesiyle birlikte, döner gaz giderme yöntemleri birbiri ardına ortaya çıkmıştır. Temel prensip, inert gazın dönen rotor aracılığıyla erimiş alüminyumun içine püskürtülerek çok sayıda dağınık küçük kabarcıkların oluşmasını sağlamak ve bu sayede gaz giderme ve arıtma işlemini gerçekleştirmektir. Gaz giderme verimliliğini artırmak için, inert gaz kabarcıklarının sayısı mümkün olduğunca fazla olmalı, çapları küçük olmalı, alüminyum sıvısı içindeki kalma süreleri uzun olmalı ve alüminyum sıvısının yüzeyi mümkün olduğunca sabit olmalıdır.
Yukarıdaki amaca ulaşmak için, her bir gaz giderici üreticisi, rotor/döner çubuğun tasarımı, kutunun iç kaplaması ve kutunun sızdırmazlık yöntemi konusunda kendine özgü özelliklere sahiptir; bu da günümüzde piyasada bulunan çeşitli tipte gaz gidericilerin ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Gaz giderme sürecine ve gaz gidericinin yapısal özelliklerine göre, bu cihazlar genel olarak kutu tipi gaz giderici, oluk tipi gaz giderici, vakumlu gaz giderici ve ultrasonik gaz giderici olarak sınıflandırılabilir.
Eksik istatistiklere göre, şu anda piyasada bulunan çevrimiçi gaz gidericilerin 99%’si kutu tipi döner gaz gidericilerdir. Kutu tipi gaz gidericiler arasında ABD'deki PYROTEK firmasının SNIF ve ILDU gaz gidericileri, ABD'deki Apogee firmasının Reveot gaz gidericileri, Fransa'daki Novelis firmasının APLUR gaz gidericileri, Japonya'daki Fujiko GBF gaz gidericileri ve Mitsui (Japonya) gaz gidericileri bulunmaktadır. TKR) gaz giderici ve Alcoa (Alcoa) 622 gaz giderici en yaygın olanlardır; oluk tipi gaz giderici, Kanada’daki STAS şirketi tarafından üretilen en yaygın ACD gaz gidericisidir; vakumlu gaz giderici ise Hydro tarafından üretilen Hycast’tır. I-60Sir en yaygın olanıdır.
Son yıllarda, ABD’deki Southwire Co., Ltd. (Southwire) şirketi yeni bir ultrasonik gaz giderici geliştirmiştir.
2. Çevrimiçi gaz giderme ünitesi
2.1 Kutu tipi gaz giderici
American Pilotec tarafından üretilen SNIF kutu tipi gaz gidericinin yapısı Şekil 4’te gösterilmiştir.

SNIF gaz gidericisinin yapısının şematik diyagramı

Erimiş alüminyum, gaz giderici kutusuna akar ve refrakter kaplamanın içinde kalır. Kutuda, erimiş alüminyumu erimiş halde tutmak için bir ısıtıcı bulunur. İnert gaz, dönen rotor tarafından püskürtüldükten sonra, yüksek hızda dönen rotor tarafından sayısız küçük kabarcığa ayrılır ve bu küçük kabarcıklar alüminyum sıvısı içinde yayılır ve yükselir, böylece hidrojeni giderir. Küçük kabarcıkların yükselme süreci sırasında, yüzey geriliminin etkisiyle, kalıntıların bir kısmı erimiş alüminyumdan sıvı yüzeye çıkarılır ve erimiş alüminyumdaki kalıntıları gidermek için bir köpük tabakası oluşturur; aynı zamanda, rotorun çalkalama etkisiyle sıvı alüminyumun alaşım bileşimi daha homojen hale gelir.
Kutu tipi gaz gidericinin en dikkat çekici özelliği, grafit stator ve grafit rotor/rotor yapısıdır. Grafit stator, sıvı alüminyum içinde dönmez ve grafit rotor/rotor grubu için bir dış katman koruması görevi görür. Grafit çubuklar ve grafit rotorlar, alüminyum eriyiğini karıştırmak üzere bir araya getirilir. İnert gaz, stator ile grafit çubuk arasındaki boşluktan geçer ve statorun alt kenarından ve grafit rotorun üst kenarındaki oluktan erimiş alüminyumun içine püskürtülür. SNIF grafit çubuk/rotor alüminyum sıvısı sirkülasyon modu Şekil 5'te gösterilmiştir.

SNIF döner çubuk/rotorlu alüminyum sıvı sirkülasyon modu

Grafit rotorun kesme kuvveti sayesinde erimiş alüminyum aşağı doğru dolaştırılır; bu sayede doğal kaldırma kuvvetinin etkisi dengelenir ve böylece rotor ile stator'dan dışarı atılan hava kabarcıkları radyal olarak enjekte edilerek erimiş alüminyum içinde eşit bir şekilde dağılır; böylece en iyi gaz giderme ve arıtma etkisi elde edilir. Amerikan Parrotec tarafından üretilen bir başka ILDU kutu tipi gaz giderici serisinde ise en dikkat çekici özellik dönen çubuk/rotordur (bkz. Şekil 6).

ILDU Çubuk/Rotor

Dönen çubuk/rotorun malzemesi yeni BTS’dir. Şu anda, diğer gaz giderici rotorlarının malzemeleri genellikle grafit, silikon karbür ve silikon nitrürdür. Grafit, yüksek sıcaklıklarda (yaklaşık 750°C) kolayca yanar ve oksitlenir; bu da kırılmaya veya soyulmaya neden olarak sıvı alüminyumu kirletir; silikon karbür döküm rotor, termal şoka dayanıklı değildir ve hızlı soğutma ve termal şok altında kolayca kırılır; silikon nitrür döner çubuk/rotorun maliyeti ise çok yüksektir. Bununla birlikte, BST rotorunun iç kısmı grafit malzemeden yapılmış olup dış kısmı ise refrakter malzeme ile sinterlenmiştir; bu da yukarıdaki üç malzemenin eksikliklerini ortadan kaldırmaktadır. İstatistiklere göre, sürekli döküm ve haddeleme hattında hizmet ömrü 1 yıldan fazladır.
Kutu tipi gaz gidericinin bariz avantajları şunlardır: 1) Kabarcıkların kalma süresini uzatarak gaz giderme ve arıtma etkisini artırır; 2) Kutudaki erimiş alüminyumun sıcaklığını döküm sıcaklığına eşit veya daha yüksek tutar, böylece bekletme fırınının sıcaklığını düşürür; 3) Döküm sıcaklığındaki değişimi azaltır. Dezavantajı ise, cihaz için gerekli kurulum alanının nispeten geniş olmasıdır.
2.2 Çamaşır makinesi tipi gaz giderici
Oluk tipi gaz giderici, gaz gidericiyi döndürmek ve işlemeyi tamamlamak için rotor/çubuk kullanır. Oluk tipi gaz giderici ile kutu tipi gaz giderici arasındaki temel yapısal fark, oluk tipi gaz gidericinin iç yüzeyinin, döküm üretim hattındaki oluğun iç yüzeyi ile aynı hizada olmasıdır; bu sayede gaz gidericide alüminyum kalıntısı kalmaz. Oluk tipi gaz gidericinin yapı şeması Şekil 7'de gösterilmiştir.

Kanal tipi gaz giderme ünitesinin şematik diyagramı

Kanal tipi gaz gidericinin sızdırmazlık kapağı ve gaz giderme tankı, nispeten sızdırmaz bir alan oluşturur. Döküm başlatıldığında, erimiş alüminyum daldırılmış bir akış yoluyla gaz giderme tankına girer. Gaz giderme tankındaki alüminyum sıvı seviyesi 200 mm'den yüksek olduğunda, rotor alüminyum sıvısını karıştırmaya başlar ve alüminyum sıvısına inert gaz püskürtür; böylece gaz giderme tankındaki alüminyum sıvısının gazı giderilir ve arıtılır. Geleneksel kutu tipi gaz gidericiyle karşılaştırıldığında, oluk tipi gaz gidericinin avantajları arasında alüminyum kalıntısı olmaması ve az yer kaplaması sayılabilir. Dezavantajları da açıktır: oluk tipi gaz gidericinin alüminyum sıvısı derinliğinin daha sığ olması nedeniyle, kabarcıkların alüminyum sıvısı içindeki kalma süresi daha kısadır; bu nedenle gaz giderme etkisi, kutu tipi gaz gidericinkinden biraz daha düşüktür. Isıtma sistemi bulunmadığından, erimiş alüminyum havzadan geçerken sıcaklığı (genellikle 10-35°C kadar) düşer. gaz giderme ünitesi, bu da sonraki döküm sürecini etkileyecektir.
Kanal tipi gaz gidericinin grafit çubuğunun/rotorunun hızı çok yüksektir (>1000 dev/dk), bu nedenle grafit çubuğunun/rotorunun hizmet ömrü kısadır ve daha fazla cüruf oluşur. Kabarcıklar erimiş alüminyumda kısa bir süre kaldığından gaz giderme etkisi olumsuz etkilenir; bu nedenle operatör genellikle inert gazın akış hızını artırarak bu olumsuz etkiyi telafi eder, bu da inert gazın büyük miktarda tüketilmesine yol açar.

(gözenekli seramik filtre)
2.3 Vakumlu gaz giderici
Vakumlu gaz gidericinin yapısı, iki bölüme ayrılan oluk tipi gaz gidericinin yapısına benzerdir: gaz giderme ünitesi ve vakumlu gaz giderme haznesi (bkz. Şekil 8).

vakumla gaz giderme ünitesi

Vakumlu gaz giderme haznesi, alüminyum sıvısının akış hızına göre tek hazneli, çift hazneli ve çok hazneli olarak sınıflandırılabilir. Kutu tipi ile oluk tipi gaz gidericiler arasındaki fark, vakumlu gaz gidericinin grafit rotorunun gaz giderme haznesinin tabanına monte edilmiş olmasıdır. Gaz giderme odasının tabanı, vakumlu gaz giderme odasının gaz giderme ünitesiyle iletişim kurması için olukludur (bkz. Şekil 9). Erimiş alüminyum gaz giderme ünitesinden geçerken, vakum pompası veya diğer yöntemlerin etkisiyle gaz giderme odası negatif basınç oluşturur ve böylece vakumlu gaz giderme odasındaki alüminyum sıvısının seviyesi yükselir. Alüminyum sıvı seviyesi belirli bir yüksekliğe ulaştıktan sonra, grafit rotor dönmeye başlar ve alüminyum sıvısını gazdan arındırmak ve arıtmak için inert gaz enjekte eder. Gaz giderme işlemi bittiğinde, vakum odasındaki negatif basınç serbest bırakılır ve vakum odasındaki alüminyum sıvısının seviyesi, gaz giderme ünitesinin sıvı seviyesine eşit olana kadar düşer.

Vakumla gaz giderme odasının iç yapısı

Vakumlu gaz gidericinin avantajları arasında alüminyum kalıntısı olmaması ve az yer kaplaması sayılabilir. Ayrıca, sıvı alüminyum vakum ortamında gazdan arındırılıp karıştırıldığından, oksit miktarı daha azdır ve sıvı alüminyum nispeten temizdir. Vakumlu gaz gidericinin dezavantajları: 1) Alüminyum sıvısının temizliği konusunda yüksek gereksinimler; 2) Grafit rotor alt kısımda monte edildiğinden ve alüminyum sıvısının dibinde daha fazla cüruf bulunduğundan, grafit rotorun aşınması kolaydır. Şu anda, vakumlu gaz gidericiler piyasada yaygın olarak kullanılmamaktadır.
2.4 Ultrasonik gaz giderici
Ultrasonik gaz giderici, ABD’deki South Line Co., Ltd. tarafından başarıyla geliştirilen yeni bir gaz giderici türüdür. Ultrasonik gaz giderici, geleneksel rotorlu gaz gidericiden farklıdır; yapısı bir ultrasonik verici ve ultrasonik probdan oluşur (bkz. Şekil 10).