CN101487088A - 一种混合气体及用该气体净化铝合金融体的方法、装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种混合气体及用该气体净化铝合金融体的方法、装置，混合气体的组分构成按体积浓度百分比：N2+Ar：75～85％；CO+Cl2：15～25％；其中Ar/N2：1/3～1/2；Cl2/CO：1/8～1/9。用该气体净化铝合金融体的方法是将混合气体通过导管进入除气头及喷嘴导入铝合金融体中，进行除气净化处理；除气净化处理采用炉内精炼处理、炉外在线精炼处理或炉内精炼与炉外在线精炼联合处理的处理方式之一。其优点是：本发明的混合气体技术，克服了高氯气处理所带来的各类危害，具有低成本与除气净化效果高等特点；本发明的装置具有成本低，除气净化效果高，便于维护与适宜于在线处理等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种混合气体及用该气体净化铝合金融体的方法、装置，特别是关于铝合金融体中气体、杂质以及渣物被去除所采用的混合除气气体、装置以及处理方法，属于金属合金及其制备技术领域。
背景技术
采用惰性与反应性混合气体，对铝合金融体进行处理，以除去铝合金融体中的渣物、杂质与气体是生产中很实用的技术。但实际上所采用混合气体的种类与组分的差异，以及所采用的处理装置或方法不同，已造成铝合金融体质量上的极大差异，并也影响到了经济性和环保问题。
氮气，氮气是相对铝的惰性气体，也与铝发生反应，同时也与铝中的镁发生强烈反应，产生的化合物AlN、Mg2N3是较难彻底去除的有害杂物，这将造成对铝合金融体的二次污染问题。
氩气，氩气是绝对惰性气体，净化除渣、除气效果优异，但除气效率不高。
氯气，或氯化物，氯是活性元素，除气效率高，因其参加的反应是放热反应，可增加气体体积；同时氯对合金中杂质钠、钾、钙、锂等微量有害元素去除是其它元素不可替代的，也是用含氯技术的关键所在。但氯对环境、人、装置是有害的，又是必须限制使用的元素。
现有的N2+Cl2、Ar+Cl2及氯化物除气净化技术都存在环境污染问题、融体净化质量问题以及经济性问题。
美国联合铝业公司发明的MINT装置及后继型各类装置，全都采用切向金属导流与固体喷嘴喷出除气净化气体逆向对流的方法，使铝合金熔体与净化气体有更好的作用机制，但净化装置是采用向上发散型结构，因热流体、热物理学的作用机制，将导致净化气体向中心偏聚，无法均匀分布，导致了铝合金融体除气净化质量上的问题，此外该类装置结构复杂、预热启动困难，加之存在维护与断电情况下的应急处理等难题，应用受到局限。
美国专利3870511、4772319公布了一种采用封闭式处理装置，在铝合金熔体面上通入低于大气露点的空气，压力高于大气压力，显然，这在实际连续生产情况下是不适宜的。专利中所采用的外加旋转除气喷嘴机构以及如SINF类除气装置向铝合金熔体内引入除气净化气体，都存在转子以及转轴的易损问题，以及随机性或意外性问题，造成维护与生产运行不能连续性问题。此外专利还公布了除气净化气体是氩、氦、氡和氙以及氮、氯等，显而易见采用惰性气体氦、氡和氙等，存在高成本问题。而采用氩、氮、氯气体，具体的比例或选择并没有公布，如采用单一气体通气量为15L/min或20L/min将存在严重的环境污染问题或融体净化质量问题以及经济性问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中存在的问题，提供一种从铝合金融体中除去气体如氢、碱土金属如钠、钾、锂和钙以及氧化物熔渣的混合气体及用该气体净化铝合金融体的方法、装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的混合气体，其组分构成按体积浓度百分比：
N2+Ar：75～85％；
CO+Cl2：15～25％；
其中Ar/N2：1/3～1/2；Cl2/CO：1/8～1/9。
这里采用N2与Ar混合惰性气体，其目的是用Ar气进一步去除因氮气发生化学反应所产生的氮化物及复渣氧化物。在除气时间和顺续上具有灵活性，四种气体可同时通入或先通入N2+CO+Cl2混合气体后再通入Ar气也可。
这里采用CO与Cl2混合活性气体，其目的是用CO气体代替或减少Cl2用气量，降低Cl2对环境、人员以及设备的危害。但Cl2对碱土金属如钠、钾、锂和钙的去除作用是无法代替的，这是已知的常用方法，因此必须含有Cl2。但不限于此，这里也可采用氯化物或含氯气体如MnCl2、C2Cl6、CCl4等。采用CO气体也将达到高的除气效果，所参与的化学反应是放热反应，其化学反应式：
2Al2O3+6Cl2＝4AlCl3↑+3O2↑
3O2+6 CO＝6 CO2↑
Al2O3+2[H]+4Cl2+3CO＝2HCl↑+2AlCl3↑+3CO2↑
反应产物全部为气体，显著提高了除气净化效果。同时也避免因过量的Cl2与钛细化剂发生化学反应生成TiCl3，而粗化组织的缺点。同时除气反应也消耗了部分Al2O3渣，提高了除渣净化效率。在处理含镁铝合金时，也因避免镁与氯发生反应，减少了镁的烧损，有利于保证合金的化学成分。
本发明的用上述气体净化铝合金融体的方法即对铝合金融体除氢、除杂与除渣方法是：
首先对采用的气体进行除水和除氧处理，使气体中含氧量不大于0.03％voL，水分含量不大于3.0g/L，然后通过控制各气体的流量，使各气体按比例进入混合罐进行混合，再通过控制混合气体的流量与压力，使混合气体通过导管进入除气头及喷嘴导入铝合金融体中，进行除气净化处理；除气净化处理采用炉内精炼处理、炉外在线精炼处理或炉内精炼与炉外在线精炼联合处理的处理方式之一：
采用炉内精炼处理时铝合金融体温度为720℃-750℃，通入混合气体时间为15-30min，混合气体压力控制在0.15-0.20atm，混合气体流量控制在1.2-2.0Nm3/min；
采用在线精炼处理时铝合金融体温度为710℃-725℃，混合气体压力控制在0.5MPa-0.8MPa，混合气体流量控制在0.35-0.45Nm3/min；
采用炉内精炼与炉外在线联合精炼处理：炉内精炼处理时铝合金融体温度为720℃-750℃，通入混合气体时间为15-20min，混合气体压力控制在0.15-0.20atm，混合气体流量控制在1.2-2.0Nm3/min；在炉内精炼处理后进行在线精炼处理，在线精炼处理时铝合金融体温度为710℃-725℃，混合气体压力控制在0.5MPa-0.8MPa，混合气体流量控制在0.30-0.35Nm3/min。
当采用在线精炼处理时所使用的装置如下：
本发明的装置包括由钢制外壳、隔热层、耐火层构成装置的外体，其特征是：在外体内部竖直地设有档板、在外体的前侧壁与档板间水平地设有一级过滤板、在档板的下部与外体的底部间竖直地设有二级过滤板、在外体的后侧壁与档板间水平地设有三级过滤板，将外体内部空间分隔为前净化室、中净化室和后净化室三个过滤室，在外体的前侧壁的上部设有进液流道，在外体的后侧壁的上部设有出液流道。
本发明的有益效果：
(1)本发明的混合气体技术，克服了高氯气处理所带来的各类危害，具有低成本与除气净化效果高等特点；(2)本发明的在线除气净化装置，避免了SINF型与MINT型除气净化装置的不足或问题，具有成本低，除气净化效果高，便于维护与适宜于在线处理等特点；(3)处理6063铝合金融体，净化后铝合金熔体含气量可控制在0.1375mL/100gAl以下，钠含量重量百分比可控制在5ppm以下，满足建筑型材成品率、加工性能与质量技术要求。
附图说明
图1所示是本发明装置的垂直剖视图；
图2所示是实施例1、2和3中的除气时间、混合气体含量和铝合金溶体内氢含量的关系图。
具体实施方式
结合实施例对本发明作进一步的描述：
图1所示是本发明装置的垂直剖视图，其具体构成是由钢制外壳(8)、隔热层(6)、耐火层(5)构成装置的外体；内部由档板(15)、一级过滤板(3)、二级过滤板(11)、三级过滤板(13)组成三个过滤室，即前净化室(2)、中净化室(4)和后净化室(12)。由导气管(7)、固定式通气喷嘴(9)、档板(15)和一级过滤板(3)构成除气、除杂、除渣净化室，也即中净化室(4)。中净化室是由下向上收敛型结构，而后净化室是由下向上发散型结构。其重要结构及关键尺寸特征是：
三级过滤板采用常规已知的方法或结构，这里可选用Pyrotek公司的推荐规格为500，标准板厚50mm，孔径为10-40ppi的陶瓷过滤板，最小过滤流量要求290kg/min。
一级过滤板起始静压头不小于150mm；一级过滤板与三级过滤板之间高度差或压差应控制在150～300mm。进流道(1)与出流道(14)之间高度差或压差最小应保证150mm。中净化室(4)内部净高不小于350mm。
通混合气体所用的喷嘴(9)和导气管(7)应被安装在中净化室(4)中，可采用石墨加工成型。导气管(7)是中空管结构，与喷嘴连接端加工成螺纹结构(未示出)，外部与管道连接端加工成已知的螺纹接口。喷嘴也是中空结构，其上段是球形结构，其上钻出小孔为0.25-1.25mm，其下段加工成螺纹结构(未示出)，以便于与导气管(7)连接，可将混合气体导入进来，通过喷嘴上小孔导入铝合金熔体中。喷嘴(9)和导气管(7)也可采用耐热钢加工成型，其结构同石墨情形，应该指出采用钢制结构，还可采用转换开关直接引入天然气进行启动前的预热，这样可节省另外的一套预热系统或设施。
本发明的除气净化装置启动前要进行预热，可采用可燃气体，用烧嘴预热，也可采用炉内预热。本发明的装置四周有吊环(未示出)，是自成一体的独立结构，可以吊运。预热时间不少于30min，应使预热温度不超过工作温度20℃。
本发明的除气净化装置使用方法是：打开炉体放流孔，铝合金熔体通过进流道(1)进入过滤板(3)上，在铝合金熔体静压头150mm启动压力作用下，铝合金熔体通过过滤板(3)。启动除气系统，打开流量开关，控制流量。除气气体即本发明的混合气体通过喷嘴孔成非链续喷出，形成气泡上升不断吸附铝合金熔体中的氢和杂物。在特定收敛结构的约束下，混合气体在通过过滤板(3)时，将形成“瓶颈”作用，强制通过过滤板(3)的铝合金熔体能全部与上升除气气体充分作用，以去除铝合金熔体中的氢与杂物。应当指出的是，当混合气体通过一级过滤板(3)时，也相当于通过除气砖的作用机制，其净化除气效果更为优越。随后铝合金熔体经过底部导流口(10)连续通过二级过滤板(11)、三级过滤板(13)过滤，最后通过出流道(14)流出，进入铸造系统。铸造后期，当不在有铝合金熔体流入进流道(1)时，立即采用吊车提起装置的进流道(1)端，将铝合金熔体慢慢倾倒出流道(14)端，以便倾尽铝合金熔体，也可通过放流孔(未示出)将剩余铝合金熔体放干，并及时清理、维护与更换陶瓷过滤板，为下一轮次作准备。
实施例1、实施例2及实施例3
采用本发明的混合气体，进行炉内精炼处理，其技术效果是：
将炉内20吨6063铝合金融体温度控制在720℃-750℃，采用T型导管，用本发明的混合气体进行除气、除杂与除渣处理。处理前铝合金熔体含氢量约0.35mL/100gAl，混合气体浓度与流量由表1示出，除氢处理时间与处理后铝融体氢含量的关系由图2示出。显而易见，三种浓度的混合气体在经过15min处理后，氢含量都能降到0.1375mL/100gAl以下，且氢含量不在随通气量及通气时间发生明显的变化。
表1
实施例4、实施例5
采用实施例3浓度的混合气体，进行不同气体流量的炉内精炼处理，其技术效果是：
将炉内20吨6063铝合金融体温度控制在700℃-780℃，采用T型导管，用本发明的混合气体进行除气、除杂与除渣处理。处理前铝合金熔体含氢量约0.35mL/100gAl，混合气体流量、除氢处理时间与处理后铝融体内氢含量的关系，以及处理前后钠含量的关系由表2示出。显而易见，除气气体流量减小后，达到同样除氢效果所需要的处理时间要长。而钠去除率达到55％以上。
表2
实施例6～9
采用本发明的多元混合气体、本发明的除气净化装置及除气净化处理方法，进行炉外在线精炼处理，其技术效果是：
6063铝合金在线融体温度控制在710℃-720℃，金属流量为290kg/min。处理前铝合金熔体含氢量0.306mL/100gAl以下，混合气体浓度、流量与处理后铝合金融体内氢含量的关系，以及处理前后钠含量的关系由表3示出。显而易见，在线处理后铝合金融体内氢含量与钠含量都得到有效的去除，除氢率达到50％以上，钠去除率达到54％以上。
表3
Claims (3)
1、一种混合气体，其特征是：混合气体的组分构成按体积浓度百分比：
N2+Ar：75～85％；
CO+Cl2：15～25％；
其中Ar/N2：1/3～1/2；Cl2/CO：1/8～1/9。
2、一种采用权利要求1所述的混合气体净化铝合金融体的方法，其特征是：
首先对采用的气体进行除水和除氧处理，使气体中含氧量不大于0.03％voL，水分含量不大于3.0g/L，然后通过控制各气体的流量，使各气体按比例进入混合罐进行混合，再通过控制混合气体的流量与压力，使混合气体通过导管进入除气头及喷嘴导入铝合金融体中，进行除气净化处理；除气净化处理采用炉内精炼处理、炉外在线精炼处理或炉内精炼与炉外在线精炼联合处理的处理方式之一：
采用炉内精炼处理时铝合金融体温度为720℃-750℃，通入混合气体时间为15-30min，混合气体压力控制在0.15-0.20atm，流量控制在1.2-2.0Nm3/min；
采用在线精炼处理时铝合金融体温度为710℃-725℃，混合气体压力控制在0.5MPa-0.8MPa，流量控制在0.35-0.45Nm3/min；
采用炉内精炼与炉外在线联合精炼处理：炉内精炼处理时铝合金融体温度为720℃-750℃，通入混合气体时间为15-20min，混合气体压力控制在0.15-0.20atm，混合气体流量控制在1.2-2.0Nm3/min；在炉内精炼处理后进行在线精炼处理，在线精炼处理时铝合金融体温度为710℃-725℃，混合气体压力控制在0.5MPa-0.8MPa，混合气体流量控制在0.30-0.35Nm3/min。
3、一种根据权利要求2所述的用混合气体净化铝合金融体的方法在采用在线精炼处理时所使用的装置，包括由钢制外壳、隔热层、耐火层构成装置的外体，其特征是：在外体内部竖直地设有档板、在外体的前侧壁与档板间水平地设有一级过滤板、在档板的下部与外体的底部间竖直地设有二级过滤板、在外体的后侧壁与档板间水平地设有三级过滤板，将外体内部空间分隔为前净化室、中净化室和后净化室三个过滤室，在外体的前侧壁的上部设有进液流道，在外体的后侧壁的上部设有出液流道，在中净化室内设有通混合气体的导气管与喷嘴。
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