CS212745B2 - Externally heated cast iron vessel for reactive molten aluminum and method of manufacturing same - Google Patents

Description

Vynález se týká zvenčí zahřívané litinové nádoby pro reaktivní roztavený hliník s obložením sestávajícím z vnější a vnitřní vrstvy, přičemž vnější vrstva obložení sestává ze žáruvzdorných desek, které jsou inertní vůči roztavenému kovu a vymezují spoje, otvírající se tepelným roztažením, a záleží . v tom, že se nádoba naplní roztaveným hliníkem, teplota nádoby se udržuje v rozmezí 655 °C až 750· °C a roztavený hliník se nechá vniknout za vnější vrstvu spoji otevřenými tepelným roztažením.

Vynález tím umožňuje, aby zvenčí zahřívaná litinová nádoba měla daleko větší životnost v provozu, než jak bylo dosažitelné u dosavadního stavu techniky. Roztavený kov · v nádobě není znečišťován litinovým pláštěm. Kov v nádobě může být ve vířivém proudění, aniž by vyvolal poškození ochranné vrstvy. A konečně je převod tepla stěnou nádoby usnadněn, jelikož všechny tři složky stěny nádoby, totiž litinový plášť, intermetalická vrstva a grafitové obložení, jsou vesměs dobrými vodiči tepla.

o

O f ’...... '

Vynález se týká zvenčí zahřívané litinové nádoby pro reaktivní roztavený hliník s obložením, sestávajícím z vnější a vnitřní vrstvy, přičemž vnější vrstva obložení sestává ze žáruvzdorných desek, které jsou inertní vůči roztavenému kovu a vymezují spoje, otvírající se tepelným roztažením; vynález se dále týká i způsobu výroby takovéto nádoby.

Při rafinaci roztaveného hliníku a jiných reaktivních kovů, je často výhodné použít nádoby, která je zahřívána zvenčí. Nádoby z litiny jsou výhodné z toho důvodu, že mají vysokou tepelnou vodivost, mohou být odlévány v jakémkoliv žádaném tvaru a mají poměrně nízký koeficient tepelné roztažnosti. Avšak u litiny se vyskytuje ten problém, že je korodována roztaveným ' hliníkem. Odborníkům je velmi dobře známo, že hliník v jeho· roztaveném stavu je silným rozpouštědlem, a že proto je třeba pečlivě vybírat materiály, se kterými přijde do styku při různých zpracovávacích krocích, jako je tavení, uvádění do slitiny, odplynování, přidávání tavidla, filtrace, přemístění a odlévání. Nevhodná volba takového· materiálu může vyvolat znečištění taveniny redukcí nebo rozpuštěním nádržky, a může vyvolat i narušení nádoby. Proto · je obvyklou praxí povlékat ty předměty vyrobené z litiny, které mají být používány ve styku s roztaveným hliníkem, například nátěrem bauxitových kalů z výroby hliníku, křemičitanem zirkoničitým, slídou, kysličníkem železa nebo kysličníkem titaničitým. K nátěru bauxitových kalů lze přidat křemičitan sodný, aby se zlepšila přilnavost k litině. Takové povlaky se obvykle nanášejí kartáčem nebo nastříkáním na ty · části litiny, které přicházejí do styku s taveninou.

Avšak tyto povlaky se snadno opotřebovávají. Dosud nebyl uspokojivě vyřešen problém omezené životnosti zvenčí zahřívaných litinových nádob, jichž se užívá pro· roztavený hliník.

Účelem vynálezu proto je vytvořit zvenčí zahřívanou litinovou, nádobu, která má větší životnost a je schopna udržet reaktivní roztavený hliník, aniž by se roztavený hliník znečistil.

Kromě toho je účelem vynálezu vytvořit způsob výroby zvenčí zahřívané litinové nádobky trvale použitelné pro reaktivní roztavený hliník, mající · dlouhou životnost a vyvolávající minimální znečištění roztaveného kovu železem.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že vnitřní vrstva obložení sestává z pevné · slitiny železa a uvedeného kovu, totiž z FeAls.

Jelikož nádoba je určena k použití pro roztavený hliník, sestává s· výhodou z šedé litiny, obsahující hmotnostně 0,2 až 1,5 °/o chrómu a obložení je s výhodou provedeno z většího počtu samonosných grafitových desek.

Podstata způsobu podle vynálezu pro výrobu shora uvedené nádoby spočívá v tom, že se nádoba naplní roztaveným hliníkem, teplota nádoby se udržuje v rozmezí 655 °C až 750 °C a roztavený hliník se nechá vniknout za vnější vrstvu spoji otevřenými tepelným roztažením.

I když, jak nádoba tak i postup podle vynálezu jsou zvlášť vhodné v případě, že roztavený kov sestává z hliníku, je vynález také použitelný pro jiné reaktivní roztavené kovy, například zinek, · cín a olovo. Pod označením „hliník“ může být také míněna slitina hliníku stejně tak jako čistý hliník.

Označení „desky“, jak se používá v popisu, není omezeno na ploché desky, například z grafitu, avšak zahrnuje opracované nebo odlévané útvary z jakéhokoliv žáruvzdorného materiálu, který je inertní vůči roztavenému kovu. Označením „deska“ má být také struktura obložení odlišena od jednolité nebo jednotné struktury.

Na rozdíl od dosavadního stavu techniky zahájí prosakování reaktivního hliníku k litinovému povrchu proces, který za řízených podmínek definitivně · zabrání korozi litiny roztaveným hliníkem a tak vede k dlouhé životnosti nádoby.

Další napadení litinového povrchu je také zamezeno přítomností intermetalické fáze FeA13 bohaté na železo.

Nádoba podle vynálezu má tedy četné přednosti. Především vynález umožňuje, aby zvenčí zahřívaná litinová nádoba měla daleko větší životnost v provozu než jak bylo· dosažitelné · u dosavadního stavu techniky. Roztavený kov v nádobě není znečišťován litinovým pláštěm. Kov v nádobě může být ve vířivém proudění, aniž by vyvolal poškození ochranné vrstvy. A konečně je převod tepla · · stěnou · nádoby usnadněn, · jelikož všechny tři složky stěny nádoby, totiž litinový plášť, intermetalická vrstva a grafitové obložení, jsou vesměs dobrými vodiči tepla.

Vynález je schematicky znázorněn na přiložených výkresech, kde obr. 1 je schematický nárys průřezu nádoby pro· roztavený · hliník. Obr. · 2 je pohled shora na průřez dvoukomorovou nádobou pro rafinaci hliníku podle dalšího výhodného provedení vynálezu. Obr. 3 je schematický nárys průřezu podle čáry 3—3 v obr. 2. Obr. 4 znázorňuje schematicky ve zvětšení stěnu nádoby podle provedení v obr. 1 nebo v obr. 2 a ukazuje žáruvzdornou vrstvu vytvořenou mezi grafitovým obložením a litinovým pláštěm.

Na · obr. 1 je znázorněna soustava pro· rafinaci hliníku. Nádoba podle obr. 1 má litinový plášť 31, který je udržován na pracovní teplotě obvyklými zahřívacími pomůckami · umístěnými v meziprostoru 32, a dále vnější žáruvzdorný plášť · 33 pro ·isolaci proti tepelným ztrátám. Vnitřní povrch litinového· pláště 31 je obložen grafitem 34 nebo jiným žáruvzdorným materiálem, který je inertní vůči roztavenému hliníku. Plášť 31 je opatřen víkem 36, které spočívá na přírubě 39. Kov 38 vstupuje do nádoby vpouštěcím kanálem 40. Uvnitř nádoby je rozstřikován kov 38 a uváděn do pohybu působením inertního plynu vstřikovaného do· taveniny rotu jícím plynovým injektorem 35. Šipky 50 znázorňují celkový obrazec oběhu roztaveného hliníku v nádobě, jak je vyvoláván rotujícím plynovým injektorem. Rafinovaný roztavený kov 38 opouští nádobu vypouštěcím kanálem 44 umístěným pod povrchem 42 kovu 38 ve stěně 45. Kov 38 prochází mezi prostorem . 48 a opouští ' rafinační soustavu vypouštěcím žlabem 47 ' k odlévácí stanici. ' Grafitové obložení 34 ’ sestává podle vynálezu z většího počtu grafitových . desek, které ’ po zahřátí na pracovní teplotu budou ' ’ mít mezi sebou dostatek místa, aby kov 38 mohl proniknout za desky ’ a vytvořit tenký film roztaveného hliníku, který po uvedení do· styku s litinovým pláštěm 31 · vytvoří neznázorněnou vrstvu FeAb, jak bude níže popsáno.

Obr. 2 a 3 znázorňují dvoukomorovou nádobu sestávající z litinového pláště 51, obloženého na vnitřní straně větším počtem grafitových desek 52 a desek 56 z karbidu křemíku. Oddělené desky tvoří dno a postranice obložení. Vnější strana litinového pláště 51 je obklopena zahřívací komorou 53, která může obsahovat jakékoliv běžné otáčecí · ústrojí, například .elektrické spirály. Zahřívací komora 53 je zase obklopena žáruvzdornou isolací 54. Přepážka 55, která komory navzájem odděluje, sestává také z grafitové desky. Směs proudění roztaveného hliníku je naznačen šipkami, z nichž špika 60 znázorňuje vstupní úsek a šipka · 61 výstup z meziprostoru 62, který je s výhodou vytvořen z většího· počtu desek 56 a 57 z karbidu křemíku. Ve víku 65 nádoby jsou uloženy rotující plynové injektory 63 a 64. Zpětná trubka 68 pro kov je také z grafitu.

Obr. 4 znázorňuje schematicky ve zvětšeném měřítku úsek stěny buď v provedení podle obr. 1 nebo podle obr. · 2 a ukazuje litinový plášť 72, grafitovou desku 71 a mezi nimi žáruvzdorné obložení tvořené filmem z roztaveného hliníku, nasyceného železem a obsahujícího sraženou fázi FeAb, označenou značkou 74, která pokrývá povrch litinového pláště 72. Na obr. 1 a 2 nemůže být tato vrstva v důsledku jejich menšího měřítka znázorněna.

Při sestavování nádoby se grafitové desky umístí do litinového pláště 31 při teplotě místnosti a co nejtěsněji se usadí k sobě navzájem a také ke stěně litinového pláště 31. Po· sestavení grafitových desek se všechny trhliny nebo mezery mezi deskami k sobě dosedajícími zatmělí grafitovým tmelem. Když však se nádoba zahřeje na zamýšlenou pracovní teplotu (kolem 700°C pro hliník), tyto spoje se otevřou v důsledku rozdílu tepelné roztažnosti mezi litinou a grafitem, takže při zavedení roztaveného hliníku do nádoby vnikne tento hliník uvedenými rozsedlinami do obložení a vyplní prostor mezi obložením a pláštěm. Po zahřátí z teploty místnosti na 7θ0· °C se grafit roztáhne pouze asi o 12 % roztažení železa podél zrna a asi 27 % roztažení železa napříč zrna. Kromě grafitových desek lze také užít desek z karbidu křemíku nebo předem odlitých tvarů z kteréhokoliv z těchto materiálů. Tyto desky mohou být jednoduše přiríznuty, · aby mohly přesně do pláště zapadnout, nebo mohou být opatřeny klínem nebo drážkou za účelem vzájemného záběru.

Nádoba se s výhodou zahřeje na žádanou pracovní teplotu (například na teplotu roztaveného hliníku) · · dříve, . než se · hliník ·do · nádóby zavede. Při · zahřívání nádoby se · roztahuje litinový · plášť, · jakož · · i · desky, . · které tvoří inertní obložení. · Tepelné roztahování obložení není omezeno, · to znamená, že desky · se mohou pohybovat · vole vůči sobě, jakož i vůči povrchu litiny. Roztahující se· složky obložení mohou se pohybovat podél svých spojů nebo dosedajících · povrchů, tj. podél čar předem určených konstrukcí. Tato volnost pohybu a vyšší tepelná roztažnost litiny zabrání tomu, aby se v obložení vytvářely nahodilé trhliny v jiných místech než na spojích nebo na dosedajících plochách desek při tepelném roztahování nádoby.

Velmi nepatrné množství roztaveného hliníku · zavedeného do zahřáté nádoby může přijít do styku s litinovým povrchem v důsledku proniknutí skrze rozsedliny, otevřené podél spojů deskového obložení v důsledku tepelného roztažení. Šířka těchto· rozsedlin může být při instalaci obložení při teplotě místnosti snížena na nejnižší míru tím, že se desky obložení navzájem · přizpůsobí co nejpřesněji. V případě grafitových desek je výhodné slabé nanesení grafitového tmelu na dosedající povrchy, aby se vytvořilo těsnější lícování. Snížení mezer mezi deskami však nesmí jít tak daleko, aby se zabránilo jejich vzájemnému pohybu. Účelem snížení mezer mezi deskami je zabránit tomu, aby rozsedliny na spojích se při tepelném roztažení příliš rozšířily.

Když roztavený hliník za · obložením vejde do styku s litinovým povrchem, rozpustí trochu · železa z · litinové hmoty. Jelikož objem hliníku, který pronikne za dobře lícující obložení, je velmi nepatrný ve srovnání se styčnou plochou vůči litině, rozpustí se železo na jakýsi tenký roztavený hliníkový film, vložený mezi zvenčí zahřívanou železnou stěnou a inertním grafitovým obložením. Vysoká teplota a velikost styčné plochy mezi litinovým pláštěm a hliníkem podporuje rychlé rozpouštění litiny, až se dosáhne meze nasycení. Koncentrace železa v hliníku při nasycení je funkcí teploty a složení hliníkové slitiny. U čistého hliníku se koncentrace železa při nasycení dá přibližně vyjádřit následující rovnicí, která platí pro teplotní rozmezí 655 °C až 750· °C, se kterým se normálně v praxi setkáváme:

c = -13,,8 + 0,024 Xt, kde c = hmotnostní koncentrace železa v hliníku v % t = teplota hliníku ve °C.

Z této rovnice lze vypočítat, že při 700 °C bude koncentrace železa, které se rozpustí v hliníku, pouze asi 3 ' %. To znamená, že poměrné malé množství železa může vyvolat nasycení ve filmu roztaveného hliníku. Při této nasycené koncentraci se vysráží intermetalická pevná fáze, odpovídající stechiometrlckému vzorci FeAls. Tato fáze železo-hliník . je stabilní až do rozkladové teploty 1160 °C,. a jelikož to je fáze bohatá na železo, začne se vytvářet na . litinovém povrchu nebo v jeho sousedství. Srážení fáze FeAls pokračuje, až celá vrstva hliníku, uzavřená za inertní obložení, dosáhne stavu nasycení. V tomto- bodě se dosáhne rovnovážného stavu; nerozpouští se již žádné další železo a nevytváří se již žádná další fáze · FeAh.

Změna v tomto rovnovážném stavu je možná pouze tehdy, jestliže koncentrace železa v hliníkovém filmu klesne pod danou mez. To se může stát například v případě, jestliže rozpuštěné železo unikne z hliníkové vrstvy, nasycené železem, . difusí rozsedlinami v obložení. .Kdyby to· nastalo, pak fáze FeAh sehraje vyplachovací .úlohu tím, že · přejde do · ·. roztoku . za účelem opětného zřízení rovnovážného stavu. V · celkové rozvaze je rychlost . koroze litinového povrchu, ke které dochází · po počátečním vytvoření ochranné intermetalické vrstvy, určena rychlostí přechodu · hmoty rozsedlinami v grafitovém obložení, popřípadě rychlostí difuse · rozpuštěného železa z. vrstvy roztaveného hliníku uzavřené za obložením. Tyto rychlosti jsou však velmi nepatrné, takže koroze litinového· pláště je mimořádně malá, z čehož vyplývá neočekávaně dlouhá životnost nádoby.

Shora uvedený mechanismus podporuje různé důležité funkce, které jsou vlastní samonosnému obložení z inertních grafitových desek. Inertní obložení tvoří mechanickou hráz proti chemickému rozpouštění intermetalické žáruvzdorné · fáze hmotou roztaveného hliníku obsaženou v nádobě. Je účelné, aby . velikost rozsedlin mezi deskami obložení byla udržována malá, jelikož tyto· rozsedliny představují jediné spojovací cesty mezi vrstvou, nasycenou železem, za obložením a mezi celkovou hmotou kovu v nádobě. Obložení také zabraňuje mechanické erozi ochranné vrstvy z FeAh prouděním roztaveného kovu. Tato· ochrana. je zvlášť důležitá, když kov v nádobě má vířivé proudění, nebo je prudce míchán. S mechanismem tvoření žáruvzdorné vrstvy sice nesouvisí přímo, ale přece má velkou důležitost v praxi okolnost, že materiál samonosného obložení může být vybírán z materiálu jako grafitu nebo karbidu křemíku, které jsou nejen skutečně inertní vůči hliníku a nejsou jím smáčeny, ale jsou také dobrými tepelnými vodiči. Vynález umožňuje využití těchto materiálů v podobě poměrně tenkých šamonosných desek. Následkem toho mohou být těmito materiály obkládány i velké nádoby, aniž by se náklady staly neúnosnými.

I když slitina FeAb může být vždy nalezena v žáruvzdorné vrstvě vytvořené mezi litinou a grafitovým obložením, mohou být přítomny také jiné fáze, když se zpracovávají obchodní hliníkové slitiny. Například v případě hliníkových slitin obsahujících křemík vysráží se intermetalická fáze, odpovídající stechiometrickému složení FeóSiAliz, při poměrně nízkých koncentracích železa, jestliže film roztaveného kovu za inertním obložením se obalí křemíkem nad asi 0,7 % hmotnosti křemíku. Tato. fáze dává ochranu pro litinový povrch v podstatě stejným mechanismem jako FeAlj. Teplota rozkladu této fáze (860°C) je . také velmi značně nad obvyklými teplotami při rafinaci roztaveného hliníku.

Kromě . samotného železa mohou k vytvoření ochranné žáruvzdorné . vrstvy přispět také legovací prvky slitiny. Například křemík pro shora uvedenou intermetalickou fázi . může být dodán litinou, jelikož litina obvykle obsahuje křemík. Jiný legovací prvek, který tvoří s hliníkem intermetalickou fázi, je chrom. Pří 700 °C se z roztaveného. hliníku srazí pevná fáze CrA17, jestliže koncentrace . chrómu překročí asi 0,7 % hmotnosti chrómu. Teplota rozkladu CrA17 je asi 725 °C.

Příklad

Nádoba znázorněná . v obr. 2 a 3 byla konstruována z litinového. pláště obsahujícího 0,6 % chrómu a byla obložena po. stranách grafitovými deskami o tloušťce 28,6 mm a na dně grafitovými deskami o tloušťce 50,8 mm. Ty oblasti pláště, ve kterých je vstup a výstup pro. kov, byly obloženy deskami z karbidu křemíku. Nádoba byla předběžně zahřáta na 7CO°C, než byla naplněna roztaveným hliníkem. Nádoba byla zvenčí zahřívána elektrickou energií a teplota hliníku byla stále udržována na 700 °C. Taveni-na byla prudce promíchávána hnanými oběžnými koly a plynovými bublinkami. Po trvalém zkušebním provozu po dobu 6 měsíců za podmínek skutečné průmyslové operace, nebylo grafitové obložení smáčeno, chemicky napadeno. nebo erodováno ani hliníkem ani struskou. V důsledku toho nevyžadovala nádoba periodického. čištění nebo oprav.

Tento dlouhý plynulý provoz s roztaveným hliníkem uváděným do vířivého. proudění přesahuje životnost dosavadních litinových nádob zahřívaných zvenčí.

Claims (2)

1. Zvenčí zahřívaná litinová nádoba pro reaktivní roztavený hliník, s obložením sestávajícím z vnější a vnitrní vrstvy, přičemž vnější vrstva obložení sestává ze žáruvzdorných desek, které jsou inertní vůči roztavenému kovu a vymezují spoje, otvírající se tepelným roztažením, vyznačující se tím, že vnitrní vrstva sestává z pevné slitiny železa a uvedeného kovu, totiž z FeAls.

2. Způsob výroby nádoby podle bodu 1, vyznačující se tím, že se nádoba naplní roztaveným hliníkem, teplota nádoby se udržuje v rozmezí 655 °C až 750 °C a roztavený hliník se nechá vniknout za vnější vrstvu spoji otevřenými tepelným roztažením.