CN109881025A - 铝熔体超音速除气装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝熔体超音速除气装置和方法，可增加铝液除气效率。本发明提供的装置基于拉瓦尔喷管原理，将气流通过超音速喷嘴加速到超音速后进入铝液形成射流，生成细小气泡，达到提高除气效率的效果。本发明提供的方法通过传动机构带动超音速喷嘴转动，不断改变气泡的生成位置，使气泡分布更均匀，进一步提高除气效率。在相同气体流量条件下，当采用本发明时，相对传统的旋转喷吹法可使出口处气泡直径减小50％以上，除气效率提高30％以上。而且，避免了旋转喷头的结构复杂、液面翻滚、二次吸气等缺点。

Description

铝熔体超音速除气装置和方法

技术领域

本发明涉及金属冶炼技术领域，具体地，涉及一种铝熔体超音速除气装置和方法，尤其涉及金属冶炼净化装置技术领域的一种铝熔体超音速除气装置。

背景技术

氢是唯一大量溶于铝熔体中的气体，它的存在对铝材的质量和性能有很大的危害，必须在铸造前加以去除。气泡浮游法是现有铝液除氢方法中最常用且有效的方法。它将精炼气体通入铝熔体中,形成细小的气泡。而溶解于铝熔体中的氢通过浓度差扩散进入细小的气泡中,并随气泡浮出铝熔体表面,从而将铝液中的氢除去。

实践证明，减小气泡直径是提高除氢效果的有效途径，主要有以下原因：(1)相同条件下，单个气泡直径减小，则气泡数目增多，可以增加铝液与气泡两相间的有效接触的比表面积；(2)根据流体力学，气泡越小，气泡上浮速度就越慢，减少气泡直径可以增加气泡在铝液中的停留时间,从而提高除氢效率；

经对现有技术的文献检索发现，目前最常用的除气方法为旋转喷吹法，如专利文献CN101555555A公开的一种铝熔体除氢旋转喷吹装置,通过在喷头设置的边齿和凹槽，使喷头在高速转动的时，将吹入的气泡进行剪切甩出，达到细化气泡并使气泡均匀分布于铝熔体中。但旋转喷吹法的不足之处是普遍采用形状较复杂的喷头部件，在其高速旋转过程中产生搅拌作用，容易造成铝液表面翻滚，引起卷渣和二次吸气。

雷诺数Re是表征惯性力对黏滞力比值的无量纲数，研究结果显示，当Re>4000时流体进入紊流状态，这时生成气泡的直径随雷诺数增加而减少；当雷诺数Re>10000时，随雷诺数的增加，气泡直径减小的程度已不太明显。经计算，旋转喷吹法中，喷吹转子出气孔孔口雷诺数在4000到5000间，气泡直径可以达到2mm左右，其中部分气泡被喷头剪切到后可以达到1mm左右。若使出气孔孔口雷诺数大于10000，气泡直径则可以达到0.5mm左右，除气效果较现有技术会有显著提高。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种铝熔体超音速除气装置和方法。

根据本发明提供的一种铝熔体超音速除气装置，能够喷出除气介质，包括超音速喷嘴、喷杆以及传动机构；

所述超音速喷嘴密封安装于喷杆一端；

所述喷杆与传动机构相连，所述喷杆能够在传动机构的带动下进行旋转、平面移动以及升降动作中的任一种或任多种组合。

优选地，所述铝熔体超音速除气装置还包括控制系统；所述控制系统能够控制传动机构带动喷杆和设置在喷杆上的超音速喷嘴到达设定的位置，并以设定的运动方式完成设定的动作；所述控制系统还能控制除气介质以设定的流量喷出。

优选地，所述超音速喷嘴内部设置有第一除气介质通道，所述第一除气介质通道形状与拉瓦尔喷管形状相同。

优选地，所述超音速喷嘴内部的第一除气介质通道

-包括渐缩段、喉部以及渐扩段；或者

-沿除气介质喷出方向依次由稳定段、渐缩段、喉部以及渐扩段组成；

其中，稳定段和喉部的截面面积恒定；渐缩段的截面面积沿除气介质喷出方向逐渐减小；渐扩段的截面面积沿除气介质喷出方向逐渐增大。

优选地，所述喷杆内部设置有第二除气介质通道，所述第一除气介质通道和第二除气介质通道相连。

优选地，所述喷杆的外形为圆柱体；所述喷杆能够在控制系统的控制下，或者传动机构的带动下，以圆柱体的中心轴为旋转轴做旋转运动。

优选地，所述喷杆和/或超音速喷嘴的制造材料包括陶瓷材料。

优选地：

所述喉部的截面为圆形，直径不大于5mm；

所述渐缩段的收缩角范围为5°～45°；

所述渐扩段的锥角范围为0.3°～15°；

除气介质喷出超音速喷嘴的流量范围为0.1m³/h～10m³/h，雷诺数大于6000。

根据本发明提供的一种铝熔体超音速除气方法，利用上述的铝熔体超音速除气装置，包括：

装置置入步骤：利用控制系统控制传动机构带动喷杆和超音速喷嘴置入铝熔体；

除气介质源开启步骤：打开除气介质源，随后除气介质通过喷杆进入超音速喷嘴，即通过第二除气介质通道进入第一除气介质通道，经过超音速喷嘴加速至超音速后进入铝熔体内；

除气步骤：利用控制系统控制传动机构带动喷杆旋转，超音速喷嘴随着喷杆的旋转不断改变除气介质的喷出方向和/或喷出位置。

优选地：

所述装置置入步骤中，喷杆工作时安装有超音速喷嘴的一端置入铝熔体，另一端露出铝熔体液面；

所述除气步骤中，转动时，喷杆中心轴垂直于水平面，超音速喷嘴中心轴平行于水平面。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的铝熔体超音速除气装置，具有结构简单，除气效率高的优点；

2、本发明提供的铝熔体超音速除气装置，相对于传统旋转喷吹装置，超音速气流冲击铝液后生成的气泡更小，且最小程度地搅动铝液，能够有效减少卷渣和二次吸气；

3、本发明提供的铝熔体超音速除气装置，在相同气体流量条件下，，相对传统的旋转喷吹法可使出口处气泡直径减小50％以上，除气效率提高30％以上。而且，避免了旋转喷头的结构复杂、液面翻滚、二次吸气等缺点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的铝熔体超音速除气装置优选例结构示意图；

图2为本发明提供的铝熔体超音速除气装置优选例中的超音速喷嘴示意图。

图中示出：

超音速喷嘴 1

喷杆 2

传动机构 3

控制系统 4

稳定段 100

渐缩段 200

喉部 300

渐扩段 400

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种铝熔体超音速除气装置，能够喷出除气介质，包括超音速喷嘴1、喷杆2以及传动机构3；所述超音速喷嘴1密封安装于喷杆2一端；所述喷杆2与传动机构3相连，所述喷杆2能够在传动机构3的带动下进行旋转、平面移动以及升降动作中的任一种或任多种组合。

具体地，所述铝熔体超音速除气装置还包括控制系统4；所述控制系统4能够控制传动机构3带动喷杆2和设置在喷杆2上的超音速喷嘴1到达设定的位置，并以设定的运动方式完成设定的动作；所述控制系统4还能控制除气介质以设定的流量喷出。所述超音速喷嘴1内部设置有第一除气介质通道，所述第一除气介质通道形状与拉瓦尔喷管形状相同。所述超音速喷嘴1内部的第一除气介质通道

-包括渐缩段200、喉部300以及渐扩段400；或者

-沿除气介质喷出方向依次由稳定段100、渐缩段200、喉部300以及渐扩段400组成；

其中，稳定段100和喉部300的截面面积恒定；渐缩段200的截面面积沿除气介质喷出方向逐渐减小；渐扩段400的截面面积沿除气介质喷出方向逐渐增大。

更具体地，所述喷杆2内部设置有第二除气介质通道，所述第一除气介质通道和第二除气介质通道相连。所述喷杆2的外形为圆柱体；所述喷杆2能够在控制系统4的控制下，或者传动机构3的带动下，以圆柱体的中心轴为旋转轴做旋转运动。所述喷杆2和/或超音速喷嘴1的制造材料包括陶瓷材料。所述喉部300的截面为圆形，直径不大于5mm；所述渐缩段200的收缩角范围为5°～45°；所述渐扩段400的锥角范围为0.3°～15°；除气介质喷出超音速喷嘴1的流量范围为0.1m³/h～10m³/h，雷诺数大于6000。

根据本发明提供的一种铝熔体超音速除气方法，利用上述的铝熔体超音速除气装置，包括：

装置置入步骤：利用控制系统4控制传动机构3带动喷杆2和超音速喷嘴1置入铝熔体；

除气介质源开启步骤：打开除气介质源，随后除气介质通过喷杆2进入超音速喷嘴1，即通过第二除气介质通道进入第一除气介质通道，经过超音速喷嘴1加速至超音速后进入铝熔体内；

除气步骤：利用控制系统4控制传动机构3带动喷杆2旋转，超音速喷嘴1随着喷杆2的旋转不断改变除气介质的喷出方向和/或喷出位置。

其中，所述装置置入步骤中，喷杆2工作时安装有超音速喷嘴1的一端置入铝熔体，另一端露出铝熔体液面；所述除气步骤中，转动时，喷杆2中心轴垂直于水平面，超音速喷嘴1中心轴平行于水平面。

进一步地，本发明优选例提供一种铝熔体除气装置，可增加铝液除气效率。基于拉瓦尔喷管原理，将气流通过超音速喷嘴加速到超音速后进入铝液形成射流，生成细小气泡，达到提高除气效率的效果。本发明优选例的技术方案由超音速喷嘴1、喷杆2、传动机构3和控制系统4组成。其中，所述超音速喷嘴1密封安装于喷杆2底部，所述喷杆2在传动机构3带动下可以进行旋转、移动和升降动作；所述超音速喷嘴1采用拉瓦尔管形状，先收缩后扩张,气体在超音速喷嘴1内加速到超音速后喷出，有利于生成细小气泡；所述喷杆2内部设置气体通道，用于向超音速喷嘴1提供除气介质，其中所述除气介质为氩气、氮气等精炼气体；所述传动机构3带动喷杆2转动，使超音速喷嘴1的喷气方向不断改变,使气泡分布均匀，有利于提高除气效率；所述超音速喷嘴1和喷杆2均使用陶瓷材料加工而成。所述喷杆2外形为圆柱形，转动时转轴与圆柱的中心轴重合，减少转动时喷杆2对铝液的搅动。所述控制系统4使用PLCProgrammable Logic Controller，可编程逻辑控制器来控制转速、气体流量等电气参数。

所述超音速喷嘴1的内部结构根据拉瓦尔喷管的原理设计，由入口稳定段100、渐缩段200、喉部300和渐扩段400四部分组成，型面可以是曲面型，也可以是直线型。其中，入口稳定段100截面恒定，使进入的气流平直稳定，降低紊流度；渐缩段200的截面逐渐缩小，气体流速逐渐增大，是将气流由亚音速加速到音速的部分；喉部300处的截面保持恒定，是气流由亚音速加速到超音速的过渡部分；渐扩段400的截面逐渐扩大，这样可以在喷嘴出口处获得超音速并建立低压区。当一定压力的气体氮气或氩气进入超音速喷嘴1时，经过加速从喷嘴喷出后会形成超音速气流。再将超音速喷嘴1放入铝液时，超音速气流高速冲击铝液即能生成细小气泡，达到更好的除气效果。

所述超音速喷嘴1的喉部300截面直径应不大于5mm，渐缩段200的收缩角为5～45°，渐扩段400的锥角为0.3°～15°，出口流量为0.1m³/h～10m³/h，雷诺数大于6000。所述控制系统4控制整个装置的电气部分。所述超音速喷嘴1在铝液内部进行转动，不断改变气泡的生成位置，生成的气泡在不同方向上运动，使气泡分布更均匀，进一步提高除气效率。转动时喷杆2中心轴垂直于水平面，超音速喷嘴1中心轴平行于水平面，使气流水平喷出，减少对铝液垂直方向冲击，有利于液面平稳。

更进一步地，本发明优选例使用时，将喷杆安装超音速喷嘴1的一端伸入铝熔体，并将气体通道内连通气源，则气源通过喷杆2进入超音速喷嘴1，经过超音速喷嘴1加速到超音速后进入铝熔体内，生成细小气泡。通过传动机构3带动喷杆2旋转，则超音速喷嘴1随着喷杆2的旋转不断改变方向，使气泡分布更加均匀。通过控制系统4来控制转速、气体流量等电气参数。

本发明的具体实施例如下：

某除气箱，通过喷杆2将超音速喷嘴1伸入铝液700mm以下位置，喷杆2转速180转每分钟，铝液温度700摄氏度，铝液流量5吨/小时，超音速喷嘴1喉部300直径0.3mm，渐缩段200的收缩角为30°，渐扩段400的锥角为5°，出口气体流量为1m³/h。通过计算得气体速度为932m/s，此时超音速喷嘴1出口雷诺数为20691。对比于旋转喷吹法，除气效率提高约35％。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种铝熔体超音速除气装置，能够喷出除气介质，其特征在于，包括超音速喷嘴(1)、喷杆(2)以及传动机构(3)；

所述超音速喷嘴(1)密封安装于喷杆(2)一端；

所述喷杆(2)与传动机构(3)相连，所述喷杆(2)能够在传动机构(3)的带动下进行旋转、平面移动以及升降动作中的任一种或任多种组合。

2.根据权利要求1所述的铝熔体超音速除气装置，其特征在于，所述铝熔体超音速除气装置还包括控制系统(4)；所述控制系统(4)能够控制传动机构(3)带动喷杆(2)和设置在喷杆(2)上的超音速喷嘴(1)到达设定的位置，并以设定的运动方式完成设定的动作；所述控制系统(4)还能控制除气介质以设定的流量喷出。

3.根据权利要求1所述的铝熔体超音速除气装置，其特征在于，所述超音速喷嘴(1)内部设置有第一除气介质通道，所述第一除气介质通道形状与拉瓦尔喷管形状相同。

4.根据权利要求3所述的铝熔体超音速除气装置，其特征在于，所述超音速喷嘴(1)内部的第一除气介质通道

-包括渐缩段(200)、喉部(300)以及渐扩段(400)；或者

-沿除气介质喷出方向依次由稳定段(100)、渐缩段(200)、喉部(300)以及渐扩段(400)组成；

其中，稳定段(100)和喉部(300)的截面面积恒定；渐缩段(200)的截面面积沿除气介质喷出方向逐渐减小；渐扩段(400)的截面面积沿除气介质喷出方向逐渐增大。

5.根据权利要求3所述的铝熔体超音速除气装置，其特征在于，所述喷杆(2)内部设置有第二除气介质通道，所述第一除气介质通道和第二除气介质通道相连。

6.根据权利要求2所述的铝熔体超音速除气装置，其特征在于，所述喷杆(2)的外形为圆柱体；所述喷杆(2)能够在控制系统(4)的控制下，或者传动机构(3)的带动下，以圆柱体的中心轴为旋转轴做旋转运动。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的铝熔体超音速除气装置，其特征在于，所述喷杆(2)和/或超音速喷嘴(1)的制造材料包括陶瓷材料。

8.根据权利要求4所述的铝熔体超音速除气装置，其特征在于：

所述喉部(300)的截面为圆形，直径不大于5mm；

所述渐缩段(200)的收缩角范围为5°～45°；

所述渐扩段(400)的锥角范围为0.3°～15°；

除气介质喷出超音速喷嘴(1)的流量范围为0.1m³/h～10m³/h，雷诺数大于6000。

9.一种铝熔体超音速除气方法，其特征在于，利用权利要求1至8中任一项所述的铝熔体超音速除气装置，包括：

装置置入步骤：利用控制系统(4)控制传动机构(3)带动喷杆(2)和超音速喷嘴(1)置入铝熔体；

除气介质源开启步骤：打开除气介质源，随后除气介质通过喷杆(2)进入超音速喷嘴(1)，即通过第二除气介质通道进入第一除气介质通道，经过超音速喷嘴(1)加速至超音速后进入铝熔体内；

除气步骤：利用控制系统(4)控制传动机构(3)带动喷杆(2)旋转，超音速喷嘴(1)随着喷杆(2)的旋转不断改变除气介质的喷出方向和/或喷出位置。

10.根据权利要求9所述的铝熔体超音速除气方法，其特征在于：

所述装置置入步骤中，喷杆(2)工作时安装有超音速喷嘴(1)的一端置入铝熔体，另一端露出铝熔体液面；

所述除气步骤中，转动时，喷杆(2)中心轴垂直于水平面，超音速喷嘴(1)中心轴平行于水平面。