CN1469935A - 用于处理一种液态金属的气体扩散装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种把气体(2)注入到一种液态金属(3)中的旋转注入器，所述注入器包括一个驱动轴、搅拌装置(5)、所述气体(2)的输送装置和所述气体(2)的发射装置(8、9)。所述注入器的特征在于，所述发射装置(8、9)全部或部分由至少一种被所述液态金属(3)浸润的材料构成，所述材料最好还对所述液态金属(3)基本是惰性的。当处理一种液态金属时，由于处理气体更好地分散，本发明能够明显提高驱气效率。液态金属一般为铝、镁、以及铝和镁的合金。在这种情况下，浸润材料在某些耐高温金属(Mo、W、V、Ti、Cr、Fe或它们的合金)中选择，或在陶瓷材料(TiB₂)中选择。

Description

用于处理一种液态金属的气体扩散装置

技术领域

本发明涉及一种用于处理一种液态金属，特别是铝、铝合金、镁或镁合金的液态金属的气体扩散旋转装置。本发明还特别涉及一种用于将至少一种处理气体注入并扩散到液态金属中的旋转注入器(或“转子”)。

背景技术

从电解槽或熔化炉出来的液态铝含有溶解或悬浮的杂质。这些杂质中最重要的有氢、碱性元素如钠或钙、以及氧化物，特别是来自处理过程中的金属氧化物。

为了除去这些对半成品以后的性质有害的杂质，液态铝经过各种除杂质的处理。这些处理中最普遍的是化学反应与浮动现象的结合，这种方法是在槽中引入一种小泡形状的所谓“处理”气体，这种气体可以是惰性气体或活性气体。例如，一个氩气泡把一个悬浮的固体夹杂物随其一起带到槽的表面，和/或通过扩散俘获溶解在液态金属中的氢。同样，一个氯气泡与所含的钠起作用，因此得到一个钠盐，这个钠盐也被带到液体金属的表面。还使用混合物，如可能含有百分之几的氯类的活性气体的氩。

这种通过气体的反应进行的处理可以在一个炉子或一个坩埚中不连续地进行(因此叫做“批量”处理)。处理最经常的是在炉子与流动到一个给料槽或一个处理槽(或“包”)的机器之间连续进行，如图1所示。

当液态金属与气体本身之间的交换面积最大时，处理效率最高。可以通过设想一种得到非常小的气泡的扩散装置来达到这一点，把这些气泡喷射到液态金属的整个体积中(即产生尽可能小的死体积)，并使液态金属本身产生再循环，使液态金属与气泡接触(始终是为了得到尽可能小的死体积)。

可以用不同的方式把处理气体扩散到液态金属中。人们一般使用静态扩散装置，如一些吹管，或者更经常使用一种包括一个或几个旋转注入器的旋转扩散装置。

一个旋转注入器或“转子”一般由一个空心驱动轴以及一些气体喷嘴和叶片组成，气体穿过空心驱动轴进入。叶片用于搅拌液态金属，使气体扩散在液态金属中，有时还通过剪切作用把气泡分解成尺寸更小的气泡。喷嘴一般位于转子的叶片附近，例如在叶片之间，或在它们的端部。国际专利申请WO 98/05915(相当于美国专利US 6 060 013)描述了一个这种类型的旋转注入器。

欧洲专利申请EP 819 770(相当于美国专利US 5 904 894)描述了一种旋转注入器，其中处理气体通过一种对液态金属为惰性的孔隙材料注入。

然而，人们力求通过在液态金属的体积中剧烈搅动来达到最高的处理效率，表现为表面的永久性扰动，常常叫做“表面涌动”，这会造成由于大气泡的上升和驱动轴周围的涡旋现象而产生液态金属的喷溅，并有导致金属的“再含气”以及由于在表面形成氧化物和/或把表面的游离夹杂物或氧化物带到液态金属内而降低夹杂物质量的危险。

另外，根据注入器的类型，使用猛烈搅动液态金属的方法使所用的旋转注入器的转动速度一般在200-1000转/分钟。这样的速度导致气体扩散装置的活动零件严重磨损。

另外，已知的旋转注入器不能令人满意地控制发出气泡的流量和尺寸。旋转注入器包括一些发射喷嘴，由于腐蚀，这些喷嘴存在着喷嘴堵塞以及喷嘴和叶片的尺寸变化的危险，这会影响气体扩散的质量。

在旋转注入器包括一种用于气体扩散的孔隙材料的情况下，孔隙常常太大。因此，一方面气泡太大，缺乏有效性，气体不足以扩散到液态金属中，并导致有害的表面涡流；另一方面，必须使气体不停地在孔隙中通过，防止液态金属渗入到孔隙中，特别是在两次浇铸之间的停止阶段。相反，当孔隙太小时，气泡被束缚并且仍然很大，因此高流量的气体很难进入到液态金属中。因此一些使用位于槽或炉子底部的孔隙扩散器的方法，即使使用非常小的孔隙度(例如小于1mm)，最多只能得到大约30-50mm直径的气泡。

本申请人致力于提高液态金属处理装置的效率，特别是通过控制和降低旋转气体注入器发出气泡的直径来提高液态金属处理装置的效率。

发明内容

本发明的目的是把一种叫做“处理气体”的气体注入到一种液态金属中的旋转注入器，这种注入器包括一个驱动轴、搅拌装置、气体输送装置和所述气体的发射装置，其特征在于，发射装置全部或部分由至少一种被所述液态金属浸润的材料构成，所述材料最好基本上对所述液态金属为惰性。

根据本发明的一个变型，可以通过一个被液态金属浸润材料的涂层使所述材料成为可被液态金属浸润。

本发明的目的还在于一种包括至少一个符合本发明的旋转注入器的旋转扩散装置。

本发明的目的还在于一种液态金属处理装置，如一个包括至少一个符合本发明的旋转注入器和至少一个旋转扩散装置的驱气包。

本发明的另一个目的是使用本发明所述注入器在一个炉子或坩埚中批量或连续处理一种液态金属。

本发明的另一个目的是一种液态金属的处理方法，其特征在于使用至少一个本发明所述的旋转注入器。

所述金属可以是铝或铝的一种合金，或者镁或镁的一种合金。

附图说明

图1表示一种使用一个旋转注入器的典型液态金属处理装置。

图2表示本发明意义上的浸润性指标。

图3表示本发明所述旋转注入器的四个实施例的透视图。

图4表示本发明所述旋转注入器的两个实施例，其为浸入到液态金属中的部分在侧向对称轴中的视图。

图5表示本发明所述旋转注入器的一个实施例，其为在一个对称轴通过并相当于图4的B-B剖面的剖面中的纵剖面图。

图6表示本发明所述旋转注入器的两个实施例，其为在一个对称轴通过的剖面中的纵剖面图。

图7表示本发明所述旋转注入器的三个实施例，其为在一个对称轴通过的剖面中的纵剖面图。

具体实施方式

如图1所示，一个液态金属处理装置40一般包括一个槽41，槽41带有“粗”液态金属(即要处理的液态金属)421的输入装置42、处理后的液态金属431的输出装置43、和至少一个旋转扩散装置30。输入装置42和输出装置43一般或者位于装置的端部，或者位于同一侧。

旋转扩散装置30一般包括一个旋转注入器1、使所述注入器旋转的装置31、一个处理气源32和所述气源32与注入器1之间的管道33。旋转注入器1通过一个一般设有密封装置45的开口44深入到所述槽41中。处理槽41一般是一个有一个或几个室46、47的槽。

根据本发明，把气体2注入到液态金属3中的旋转注入器1包括一个驱动轴4、搅拌装置5、气体输送装置6、7、11和气体2的发射装置8、9，所述注入器的特征在于，发射装置8、9全部或部分由至少一种被液态金属3浸润的材料构成。

所述浸润材料最好对所述液态金属基本是惰性的，即在液态金属中的寿命足够长，以便可以有可接受的工业应用。一般说来，当一种材料可以浸入在液态金属中10小时或10小时以上而没有明显改变旋转注入器的特性，并且对处理后的金属没有严重污染时，就可认为这种材料对液态金属基本上是惰性的。陶瓷一般满足这个条件，特别是以氧化物、碳化物、氮化物、硼化物和它们的混合物为基础的陶瓷。有些耐高温的金属也满足这个条件，如钨。

使用一种对液态金属为惰性的产品的涂层材料也可以得到令人满意的寿命，并可降低制造和维修的成本。在这种情况下，发射装置8、9和/或搅拌装置5和/或所述驱动轴4和/或所述插入件90都包括一个浸润性材料的涂层，特别是在它们暴露于液态金属的全部或部分上。所述孔隙材料也可以通过一个浸润性材料的涂层成为被液态金属浸润的，即可以包括一个浸润材料的涂层。

在本发明的意义上说，当液态金属与一种材料接触的浸润角小于90°时，这种材料被认为是浸润性的(见图2)。当该材料被液态金属浸润时(图2a的情况)，气泡20在与发射装置9的接触点上的切线T与发射装置外表面S之间的浸润角21小于90°。在这种情况下，浸润发射喷嘴8附近材料的金属阻挠气泡20的展开，因此限制气泡的直径。当材料不被液态金属浸润时(图2b的情况)，浸润角21大于90°，在这种情况下，很难于浸润发射装置的金属可以使气泡展开。

在液态铝、镁或它们的合金的情况下，扩散器的可浸润材料可以在某些对所述液态金属基本为惰性的耐高温金属中选择，如钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、钛(Ti)、铬(Cr)、铁(Fe)、钢等，或它们的合金，或者在陶瓷中选择，如二硼化钛(TiB₂)、氮化物(特别是氮化铝，如AlN)，碳化物(特别是碳化铝(如Al₄C₃)和碳化钛(如TiC_1-x))等等。在这方面需要指出的是，石墨和氧化铝一般不被这些液态金属浸润。ZrO₂和SiC也是不被铝和它的合金浸润的材料。申请人在其实验中发现，氮化硼(BN)不被铝和它的合金浸润。一个材料的浸润性还取决于它的表面的粗糙度和氧化状态。

构成注入器的“活跃”部分的发射和搅拌装置一般位于注入器的“下”端，也就是在注入器浸入到液态金属中的端部。注入器一般在垂直位置下使用，所述下部向下。活跃部分一般包括至少一个下表面120、121、122，至少一个上表面130、131，和一些侧表面140、141、142。

如图5所示，输送装置6、7、11一般包括一个在注入器的轴4中的主管道6和至少一个把处理气体引到发射装置8、9的次管道7。主管道6一般在所述轴的对称轴中。

在本发明的推荐实施例中，所述发射装置包括至少一个所述气体2的发射喷嘴8。喷嘴8的直径影响要得到的气泡的直径。为了得到小的气泡，每个喷嘴8的直径最好也尽可能小。实际使用中，直径最好在0.5到5mm之间，并更好为1到3mm，这样可以在制造喷嘴时很好地控制它们的尺寸。

对于小于0.5mm的直径，最好使用很容易控制焙烧和孔隙度形成的可浸润孔隙材料。在这种情况下，所述发射装置包括一种被所述液态金属3浸润并最好还对所述液态金属3基本为惰性的孔隙材料，对这种材料，露在所述孔隙材料表面的开放孔隙的直径最好小于0.5mm。

为了更好地控制气泡的直径，在发射喷嘴8和/或露在发射装置表面并在金属和发射装置9之间界面上的孔隙处的气体压力无论气体的流量如何都基本恒定是很重要的，特别是气泡20形成和释放时。为了这个目的，旋转注入器1还可以包括一个中间空腔11，一般在主管道6和次管道7之间，该空腔起体积缓冲的作用，或者包括一个就在发射喷嘴的上游引入一个局部负载损失的装置，如一种孔隙材料。中间空腔11的形状一般为柱形，并且次管道7从这个空腔径向通向发射装置8、9。

发射喷嘴8最好位于注入器的叶片5附近，一般在叶片5之间(图3a和3b)，或在叶片5的端部(图3c和3d)。发射喷嘴可以射在注入器的端部，例如可以把一个喷嘴配设在注入器的所述下表面120的中心部分中。发射喷嘴8的数量可以与叶片5的数量不同。也可以设置叠放的发射喷嘴。实际使用中，每个叶片设置一个发射喷嘴。

发射喷嘴8最好露在所述侧表面140、141、142上，例如在其中一个叶片5的外侧表面141上，或者在叶片之间的侧表面140上。发射喷嘴的位置最好为可以使气泡形成时得到最大的剪切。当发射喷嘴位于叶片之间时，它们最好位于相应侧表面140的一半高度上；当发射喷嘴位于叶片上时，它们可以位于相应外侧表面141的上半部分(即在所述表面最靠近轴4的部分)中。露出的发射喷嘴与侧表面形成的角度一般等于90°左右；在有些情况下，这个角度可以与90°不同，在这种情况下，次通道7的轴可以与主通道的轴形成一个不同于90°的角度。

搅拌装置5也可以全部或部分由至少一种被所述液态金属3浸润的材料构成，并且最好对所述液态金属基本为惰性，所述材料可以与发射装置8、9使用的材料不同。搅拌装置一般包括叶片5。这些叶片一般形状简单，如板形。搅拌装置也可以包括一个补充的扩散装置，如一个位于叶片以上的圆盘12，圆盘12一般与叶片接触(如图3a、3c和4a所示)。

驱动轴4可以全部或部分由至少一种被所述液态金属3浸润的材料构成，并且最好对所述液态金属基本为惰性，所述材料可以与发射装置8、9使用的材料不同。实际使用中，只要所述轴浸入到液态金属中的部分至少其表面由所述浸润材料构成就可以了。

为了便于制造、维护和修理，本发明所述旋转注入器可以由几个不同的零件4、5、12、13、14、90组成，如图6、7所示。这些零件可以由不同的材料构成。特别是，旋转注入器最好有一个包括所述发射装置8、9，并且由所述浸润材料构成的插入件90，这样可以很容易根据要处理的金属或在意外损坏的情况下更换插入件90。要浸入到液态金属中的注入器部分可以由一个单一零件构成。

图6a所示非限定例子的注入器包括下列零件：一个驱动轴4、一个圆盘12、一些叶片5、一个中心轴13、和一个装配体14。中心轴包括一个中间空腔11、输送通道7和发射喷嘴8。在图6b所示的实施例中，注入器包括以下零件：一个驱动轴4、一些叶片5和一个装配体14。叶片包括输送通道7、发射喷嘴8和一个中间空腔11，所述空腔在所有叶片上大体相同，并且封闭在一个中心轴13中(未示)。在这两个实施例中，装配体14包括至少一个中心通道60和连接装置15a、16a、17a，连接装置一般为一个与其他零件4、12、13的补充连接装置配合的螺纹。根据图7所示的这些实施例可能的变型，中心轴13和/或叶片5都设有可拆卸的插入件90。

根据本发明，只要发射装置9是浸润材料就可以了。本申请人的实验表明，处理时，注入器浸入到液态金属中的部分全部为可浸润材料是非常有利的。所有这些部分可以使用同样的材料。实际上，已经注意到，在这种情况下，喷嘴8发出的被吸引到叶片中并通过液动力作用沿着旋转轴的气泡没有被俘获，因此没有像非浸润材料的情况那样合并形成大尺寸气泡的趋势。当注入器由几个零件组成时，处理时浸入液态金属中的注入器零件最好全部由浸润材料构成。所有这些零件可以使用相同的材料。

注入器可以设有一个环10，以便可以与旋转装置31结合。

旋转注入器1的旋转轴位于驱动轴4的对称轴中。

本发明的旋转注入器1可以用于处理一种在一个图1所示的槽中流动的液态金属，槽一般为一个处理包，或在一个液态金属流动的供料槽(未示)。这种旋转注入器也可以用于批量处理，例如在一个炉子中。换句话说，一个处理包、一个炉子或供料槽可以装有符合本发明的旋转注入器，以便连续或批量处理液态金属。

例子

已经在一个小尺寸的槽中进行了实验。用X射线照相机对形成气泡的尺寸进行了观察和确定。这种方法是用X射线照射气泡发射在其中的液态金属3，在照相图像回收后观察所述气泡，并且在校准采集系统后测量气泡。

已经用与图3所示类似的旋转注入器进行了实验。在一种情况下，代表现有技术，叶片和发射装置由石墨制成；在另一种情况下，代表本发明，叶片和发射装置由钛制成。在两种情况下，喷嘴的直径为1mm。

本申请人在这些实验中发现，一方面，用现有技术的注入器，气泡的平均直径大约为15mm，一部分处理气体可能沿注入器的转子和轴上升，并且20％的注入气体没有扩散在液态金属中。气体中没有扩散的部分实际上是无用的，因为这些气体对液态金属的处理没有作用。

另一个方面，本申请人发现，使用本发明所述的注入器，气泡的平均直径约为6mm，并且不到0.5％的注入气体(检测限度)没有扩散在液态金属中。

本申请人另外还发现，与现有技术相反，位于叶片端部的喷嘴发出的气泡没有在叶片之间形成气袋的趋势。气泡从发出时起就保持小的尺寸，这就导致处理效率比现有技术高。

本申请人还注意到，本发明所述注入器避免了在注入器下形成可能造成不稳定性的气袋。

因此，用本发明所述注入器得到的驱气效果比用现有技术的注入器观察到的效果有了明显的改进。

本发明的优点

本发明所述旋转注入器具有可以明显降低通过剪切作用得到小尺寸气泡所需旋转速度的优点。使用一个本发明所述的注入器并且对于一个与现有技术相等的效率，旋转速度可以位于100-350转/分钟，另外，这还可以限制液态金属表面的扰动，并减少零件的磨损。

本发明所述的旋转注入器还具有处理效果与注入器叶片可能发生的磨损不敏感的优点。实际上，根据本发明，气泡的尺寸在非常大的部分上决定于发射喷嘴，只有一小部分决定于叶片的旋转运动，而叶片旋转运动的主要作用是把气泡尽可能扩散到槽的最大体积中，并且搅动液态金属，使处理更均匀。因此，叶片随时间的磨损不会造成本发明的注入器处理效果的严重下降。

本发明所述注入器发射装置的喷嘴可以足够小，避免液态金属渗入。

Claims (20)

1.一种把气体(2)注入到一种液态金属(3)中的旋转注入器(1)，所述注入器包括一驱动轴(4)、搅拌装置(5)、所述气体(2)的输送装置(6、7、11)和所述气体(2)的发射装置(8、9)，其特征在于，所述发射装置(8、9)全部或部分由至少一种可被所述液态金属(3)浸润的材料构成。

2.如权利要求1所述的旋转注入器(1)，其特征在于，所述浸润材料还对所述液态金属(3)基本是惰性的。

3.如权利要求1或2所述的旋转注入器(1)，其特征在于，通过一种可被所述液态金属浸润的材料涂层使所述材料具有浸润性。

4.如权利要求1至3之一所述的旋转注入器(1)，其特征在于，所述发射装置包括至少一个所述气体(2)的发射喷嘴(8)。

5.如权利要求4所述的旋转注入器(1)，其特征在于，所述的或每个喷嘴(8)的直径优选在0.5到5mm之间。

6.如权利要求1至5之一所述的旋转注入器(1)，其特征在于，所述发射装置包括一种被所述液态金属(3)浸润的孔隙材料，或者包括一种通过一个被所述液态金属浸润的材料涂层而变得浸润的孔隙材料。

7.如权利要求6所述的旋转注入器(1)，其特征在于，露在所述孔隙材料表面的敞开孔隙的直径小于0.5mm。

8.如权利要求1至7之一所述的旋转注入器(1)，其特征在于，所述注入器包括一个插入件(90)，所述插入件包括所述发射装置(8、9)，并且由所述浸润材料或一种通过一个被所述液态金属浸润的涂层而变得浸润的材料构成。

9.如权利要求1至8之一所述的旋转注入器(1)，其特征在于，所述搅拌装置(5)也全部或部分由至少一种被所述液态金属浸润的材料或一种通过一个被所述液态金属浸润的涂层而变得浸润的材料构成。

10.如权利要求1至9之一所述的旋转注入器(1)，其特征在于，所述驱动轴(4)也全部或部分由至少一种被所述液态金属浸润的材料或一种通过一个被所述液态金属浸润的涂层而变得浸润的材料构成。

11.如权利要求1至10之一所述的旋转注入器(1)，其特征在于，所述的或每一浸润材料在包括钼、钨、钒、钛、铬、铁、钢或它们的合金以及二硼化钛、氮化铝、碳化铝以及碳化钛中选择。

12.旋转扩散装置(30)，其特征在于，所述旋转扩散装置包括至少一个符合权利要求1至11之一的旋转注入器。

13.一种液态金属的处理装置(40)，其特征在于，所述处理装置包括至少一个符合权利要求1至11之一所述的旋转注入器，或至少一个符合权利要求12的旋转扩散装置。

14.一种液态金属的驱气包其包括至少一个符合权利要求1至11之一所述的旋转注入器，或至少一个符合权利要求12的旋转扩散装置。

15.熔炉，其包括至少一个符合权利要求1至11之一所述的旋转注入器，或至少一个符合权利要求12的旋转扩散装置。

16.供料槽，其设有至少一个符合权利要求1至11之一所述的旋转注入器，或至少一个符合权利要求12的旋转扩散装置。

17.使用一个符合权利要求1至11之一所述的旋转注入器、一个符合权利要求12的旋转扩散装置、一个符合权利要求13的处理装置、一个符合权利要求14的驱气包、一个符合权利要求15的熔炉或一个符合权利要求16的供料槽来处理一种液态金属。

18.权利要求17所述的应用，其特征在于，所述金属在铝、铝合金、镁、和镁合金中选择。

19.一种液态金属的处理方法，其特征在于，使用至少一个符合权利要求1至11之一所述的旋转注入器、至少一个符合权利要求12的旋转扩散装置、至少一个符合权利要求13的处理装置、至少一个符合权利要求14的驱气包、至少一个符合权利要求15的熔炉或至少一个符合权利要求16的供料槽。

20.如权利要求19所述的处理方法，其特征在于，所述金属在铝、铝合金、镁、和镁合金中选择。

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