ES2337515T3

ES2337515T3 - Dispositivo de agitacion por rotacion para tratar metal fundido.

Info

Publication number: ES2337515T3
Application number: ES07252705T
Authority: ES
Inventors: Dirk Schmeisser
Original assignee: Foseco International Ltd
Current assignee: Foseco International Ltd
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2010-04-26
Anticipated expiration: 2027-07-05
Also published as: PT2017560E; US8281964B2; EA201070103A1; AU2008270072A1; WO2009004283A1; WO2009004283A9; CA2691591C; KR20100041779A; CA2691591A1; ATE450767T1; JP2010532427A; MX2009013968A; SI2017560T1; DE602007003586D1; BRPI0813524A2; CN101730828B; BRPI0813524B1; EA016954B1; PL2017560T3; DK2017560T3

Abstract

Un dispositivo de rotación para tratar metal fundido, comprendiendo dicho dispositivo un eje hueco (30), en uno de cuyos extremos hay un rotor (40), teniendo dicho rotor (40) un techo (42) y una base (44), estando dicho techo (42) y dicha base (44) espaciados entre sí y conectados por una pluralidad de divisores (50); estando definido un paso (52) entre cada par adyacente de divisores (50) y el techo (42) y la base (44), teniendo cada paso (52) una entrada (54) en una superficie interior del rotor (40) y una salida (56) en una superficie periférica del rotor (40), teniendo cada salida (56) un área de la sección transversal mayor que la de la respectiva entrada (54) y estando dispuesta radialmente hacia fuera desde la misma; estando definido un camino para el flujo a través del eje (30) al interior de las entradas (54) de los pasos (52) y hacia fuera por las salidas (56); y una cámara (48) en la cual puede tener lugar el mezclado del metal fundido y el gas, en que la cámara (48) está situada radialmente hacia dentro de las entradas (54) y tiene una abertura en la base (44) del rotor (40) y está en el camino del flujo entre el eje (30) y las entradas (54), de tal modo que en uso, cuando gira el dispositivo, el metal fundido es aspirado dentro de la cámara (48) a través de la base (44) del rotor (40), en donde se mezcla con el gas que pasa al interior de la cámara (48) desde el eje (30), siendo después bombeado el metal con dispersión de gas al interior de los pasos (52) a través de las entradas (54) antes de ser descargado desde el rotor (40) a través de las salidas (56); en que se han previsto una pluralidad de primeros recortes (58a) en el techo (42) y se han previsto una pluralidad de segundos recortes (58b) en la base (44), estando cada uno de los recortes primeros y segundos (58a, 58b) contiguo a uno de los pasos (52).

Description

Dispositivo de agitación por rotación para tratar metal fundido.

El presente invento se refiere a un dispositivo de agitación por rotación para tratar un metal fundido y a un equipo para tratamiento de metales que comprende tal dispositivo.

Es bien sabido que el metal fundido, en particular los metales fundidos no ferrosos, tales como las aleaciones de aluminio, deben ser tratados antes de colar, típicamente por uno o más de los siguientes procesos, con objeto de:

i) Desgasificado - La presencia de gas disuelto en metal fundido puede introducir defectos en el producto modificado y puede reducir sus propiedades mecánicas. Por ejemplo, se introducen defectos en las piezas coladas y en los productos forjados fabricados de aluminio o de sus aleaciones. El hidrógeno tiene una alta solubilidad en aluminio líquido, la cual aumenta con la temperatura de la masa fundida, pero la solubilidad en aluminio sólido es muy baja, de modo que a medida que el aluminio solidifica, el gas hidrógeno es expulsado produciendo poros de gas en la pieza colada. El régimen de solidificación influye en la cantidad y en el tamaño de las burbujas, y en ciertas aplicaciones la porosidad producida por los minúsculos poros puede afectar seriamente a la resistencia mecánica y a la hermeticidad frente a la presión de la pieza colada metálica. También se puede difundir el gas en los huecos y discontinuidades (por ejemplo, produciéndose inclusiones de óxidos) lo que puede dar por resultado la formación de ampollas durante la producción de plancha, chapa y fleje de aleación de aluminio.

ii) Refino del grano - Se pueden mejorar las propiedades mecánicas de la colada controlando para ello el tamaño de grano del metal que solidifica. El tamaño de grano de una aleación colada depende del número de núcleos presentes en el metal líquido al empezar éste a solidificar, y del régimen de enfriamiento. Un régimen de enfriamiento más rápido favorece generalmente un tamaño de grano más pequeño, y las adiciones de ciertos elementos a la masa fundida pueden proporcionar núcleos para crecimiento del grano.

iii) Modificación - Pueden mejorarse la microestructura y las propiedades de las aleaciones mediante la adición de pequeñas cantidades de ciertos elementos de "modificación", tales como el sodio o el estroncio. La modificación aumenta la resistencia al desgarramiento en caliente y mejora las características de alimentación de la aleación, disminuyendo la porosidad producida por la contracción.

iv) Limpieza y Eliminación de los Álcalis - Ciertos niveles de elementos alcalinos pueden causar efectos adversos en las propiedades de las aleaciones, y por lo tanto han de ser separados/reducidos. La presencia de calcio en las aleaciones coladas interfiere con otros procesos, tales como el de modificación, mientras que el sodio tiene un efecto perjudicial en las propiedades de ductilidad de las aleaciones de aluminio fundidas. La presencia de inclusiones no metálicas, tales como de óxidos, carburos y boruros incorporados en el metal solidificado, afecta perjudicialmente a las propiedades físicas y mecánicas del metal, y por lo tanto es necesario eliminarlas.

Estas acciones pueden ser llevadas a cabo individualmente o en conjunto, por una diversidad de métodos y equipos. Una solución para añadir sustancias para tratamiento de metales es la de añadirlas directamente al metal fundido en forma de polvo, de gránulos o encapsuladas en un bote metálico (de aluminio o de cobre), al tiempo que se agita mecánicamente el metal fundido para asegurar una distribución efectiva a través de toda la masa fundida. También se pueden introducir agentes de tratamiento del metal en partículas mediante el uso de una lanza con una descarga libre situada por debajo de la superficie del metal fundido. Los aditivos en polvo o en granos se inyectan después por la lanza bajo presión usando un gas portador. La lanza es típicamente un tubo hueco de grafito o de carburo de silicio con un tubo insertado de acero de pared delgada, por el cual se hacen pasar los aditivos y el gas.

El desgasificado de metal fundido se lleva a cabo típicamente usando una unidad de desgasificar por rotación ("RDU"), aplicando para ello al metal fundido pequeñas burbujas de un gas inerte seco, tal como de cloro, de argón, de nitrógeno, o de una mezcla de los mismos. Corrientemente, esto se lleva a cabo usando un eje hueco al cual va fijado un rotor. En uso, el eje y el rotor son hechos girar y el gas es hecho pasar por el eje y dispersado en el metal fundido por medio del rotor. El uso de un rotor en vez de una lanza es más eficaz, ya que genera un gran número de burbujas muy pequeñas en la base de la masa fundida. Estas burbujas ascienden a través de la masa fundida y el hidrógeno se difunde en ellas antes de ser expulsadas a la atmósfera, cuando las burbujas llegan a la superficie. Las burbujas que ascienden recogen también las inclusiones y las llevan a la parte superior de la masa fundida de donde pueden ser espumadas.

Además de introducir gas para eliminar el hidrógeno (y las inclusiones de óxido), la unidad de desgasificar por rotación puede ser también usada para inyectar sustancias para tratamiento del metal (conocidas también como agentes de tratamiento) junto con el gas, por medio del eje, dentro de la masa fundida. Este método de inyección tiene inconvenientes similares a los de la inyección por lanza, por cuanto las sustancias para tratamiento del metal están expuestas a fusión parcial en el eje, que origine bloqueos, en particular cuando se use material en polvo. La introducción y el uso de flujos granulares resuelve muchas de las dificultades, como lo hacen los cambios en el diseño del equipo.

Un ejemplo de tal equipo para desgasificar y para tratamiento del metal es la Estación para Tratamiento de Metales ("MTS") desarrollada y comercializada bajo la misma marca comercial por Foseco. La primera unidad ("MTS") incluía una unidad de dosificación exacta para otras sustancias de tratamiento a ser añadidas por medio del eje y luego distribuidas por medio del rotor a través de la masa fundida.

Como una alternativa al uso del eje para introducir los agentes para tratamiento del metal, con el equipo más reciente (la unidad "MTS 1500" comercializada por Foseco) se añaden las sustancias de tratamiento directamente a la superficie de la masa fundida, en vez de hacerlo a través del eje y el rotor. En el MTS 1500, se usa la rotación del rotor y el eje, dentro de ciertos parámetros, para formar un torbellino alrededor del eje. Los agentes para tratamiento del metal se añaden después dentro del torbellino y son dispersados fácilmente por toda la masa fundida. Cualquier turbulencia que haya en la masa fundida conducirá a la introducción de aire, y a continuación conducirá a la formación de óxidos en el metal. Por lo tanto, el torbellino se emplea solamente en una pequeña parte del ciclo del tratamiento y una vez que se haya completado la etapa de mezclado se detiene (por ejemplo, mediante la aplicación de una placa deflectora). Un rotor eficaz creará un torbellino y dispersará los agentes de tratamiento tan rápidamente como sea posible, con objeto de mantener en el mínimo la turbulencia en la masa fundida. Después se lleva a cabo el desgasificado y la separación de los productos de la reacción de la masa fundida. La intensa acción de mezclado del torbellino inicial, seguida de la parte tranquila del ciclo (por ejemplo, después de que se haya bajado la placa deflectora) conduce a un uso eficiente de los agentes de tratamiento y a una calidad óptima de la masa fundida.

Un ejemplo de un dispositivo de rotación para uso en una unidad de desgasificar por rotación, con o sin una etapa de proceso adicional, tal como en una Estación de Tratamiento de Metales, es el "rotor XSR" (rotor 1 de la técnica anterior) que se ha descrito en el documento VO 2004/057045 y se ha representado en la Figura 1. El dispositivo de rotación 2 comprende un eje 4 que tiene un ánima 4a a su través, conectada por un extremo a un rotor 6 a través de una pieza de conexión tubular (no representada). El rotor 6 tiene forma en general de disco y comprende una parte superior anular (techo 8) y, espaciada de la misma, una parte inferior anular (base 10). Se ha previsto una cámara abierta 12 situada centrada en la base 10 y que se extiende hacia arriba hasta el techo 8. El techo 8 y la base 10 están conectados por cuatro divisores 14 que se extienden hacia fuera desde la periferia de la cámara 12 hasta la periferia del rotor 6. Un compartimiento 16 está definido entre cada par de divisores adyacentes 14, el techo 8 y la base 10. El borde periférico 8a del techo 8 está provisto de una pluralidad (ocho en esta realización) de recortes en parte circulares 18. Cada recorte 18 sirve como una segunda salida para su respectivo compartimiento 16.

Otro rotor de la técnica anterior es el rotor para desgasificar comercializado principalmente para desgasificar únicamente por la firma Vesuvius bajo la marca comercial de Diamant™ (rotor 2 de la técnica anterior) y representado en vista en planta en la Figura 2. Tiene forma en general de disco y comprende cuatro ánimas radiales 22 espaciadas según ángulos iguales alrededor del rotor 20. Cada ánima 22 se extiende desde la superficie interior del rotor 20 hasta su superficie periférica 20a, proporcionando con ello una salida 24 para el gas. El rotor tiene cuatro recortes 26 que se extienden hacia dentro desde la superficie periférica 20a del rotor. Cada recorte 26 está situado en una salida 24 y se extiende hacia abajo en toda la profundidad del rotor 20. No hay cámara alguna para el mezclado de gas y metal fundido. En uso, el rotor está fijado a un eje hueco (no representado).

En el documento US 6.056.803 se describe un inyector para inyectar gas en metal fundido. El inyector consiste en un rotor de cara lisa unido al extremo inferior de un eje cilíndrico. El rotor tiene la forma de una parte vertical inferior cilíndrica y una parte superior cónica. La parte inferior cilíndrica está provista de una cavidad situada centrada, desde la cual se extienden radialmente varios pasos. Pasadizos de gas introducen el gas en los pasos pero carecen de comunicación directa con la cavidad.

En el documento DE 103 01 561 se describe una cabeza de rotor que tiene forma de tronco de cono con un ánima central. El lado de la cabeza del rotor está contorneado por la presencia de estrías laterales y la cara inferior comprende canales que se extienden radialmente.

En el documento US 5.160.593 se describe una cabeza de impulsor de múltiples paletas que está adaptada para montaje sobre un eje de impulsor hueco y que se usa para tratar metal fundido. La cabeza de impulsor tiene un cubo con un ánima axial central y una serie de paletas que están fijadas al cubo y se extienden más allá de éste. Las paletas crean turbulencia para favorecer la interacción entre fases de líquido y de gas.

En el documento US 5.364.078 se describe un aparato para dispersión de gas para refino de aluminio fundido, que incluye un rotor (40) montado sobre un eje de accionamiento (41). El rotor tiene paletas (42) situadas alrededor de la periferia del rotor, con ranuras (43) situadas entre paletas adyacentes. Las ranuras (43) no se extienden en toda la altura de las paletas adyacentes (42).

Un objeto del presente invento es proporcionar un dispositivo de rotación mejorado y un equipo para tratamiento de metales (para desgasificar y/o para adición de agentes de tratamiento del metal) que comprende tal dispositivo, el cual ofrece preferiblemente una o más de las siguientes ventajas sobre los dispositivos conocidos:

(i) beneficios metalúrgicos tales como el de un más rápido desgasificado y/o una más rápida y/o efectiva mezcla de los agentes de tratamiento;

(ii) beneficios económicos, tales como una mayor durabilidad y más larga vida del equipo, reducción de los costes de tratamiento y reducción de los desechos;

(iii) beneficios para la salud y en cuanto a seguridad, tales como los de un menor contacto entre las sustancias de tratamiento y la atmósfera, lo que conduce a menores emisiones de partículas gaseosas;

(iv) beneficios ambientales, por ejemplo a través de una reducción de la cantidad de sustancias de tratamiento requeridas, un más bajo consumo de energía debido a los menores tiempos de tratamiento y una disminución de los desechos.

De acuerdo con el presente invento, se proporciona un dispositivo de rotación para tratar metal fundido, comprendiendo dicho dispositivo un eje hueco, en uno de cuyos extremos hay un rotor, teniendo dicho rotor:

un techo y una base, estando dicho techo y dicha base espaciados entre sí y conectados por una pluralidad de divisores;

un paso que está definido entre cada par adyacente de divisores y el techo y la base, teniendo cada paso una entrada en una superficie interior del rotor y una salida en una superficie periférica del rotor, teniendo cada salida un área de la sección transversal mayor que la de la respectiva entrada y estando dispuesta radialmente hacia fuera de la misma;

un camino para el flujo que está definido a través del eje por dentro de las entradas de los pasos y con salida por las salidas; y

una cámara en la cual puede tener lugar la mezclado del metal fundido y el gas; la cámara está situada radialmente hacia dentro de las entradas, tiene preferiblemente una abertura en la base del rotor y está en el circuito de flujo entre el eje y las entradas, de tal modo que en uso, cuando gira el dispositivo, el metal fundido es aspirado al interior de la cámara a través de la base del rotor, donde se mezcla con gas que pasa a la cámara desde el eje, siendo después bombeado el metal/gas dispersado en los pasos a través de las entradas antes de ser descargado desde el rotor a través de las salidas.

en el que se han practicado una pluralidad de primeros recortes en el techo y una pluralidad de segundos recortes en la base, siendo cada uno de los recortes primeros y segundos contiguo a uno de los pasos.

Sorprendentemente, los inventores han comprobado que la combinación de una cámara, salidas que tengan una sección transversal mayor que la de las entradas y recortes en el techo y en la base, da por resultado tanto un mejor desgasificado como una mejor mezcla de metal fundido, tal que se puede reducir la velocidad de rotación al tiempo que se mantiene la misma eficacia del desgasificado/mezclado, con lo que se aumentan la vida del eje y del rotor, o bien se pueden conseguir tiempos de desgasificado/mezcla con los que se consigue una mayor eficacia a la misma velocidad del rotor, proporcionándose una oportunidad para reducir el tiempo de tratamiento.

En una realización, el rotor está formado por un bloque sólido de material, estando el techo y la base constituidos por regiones superior e inferior del bloque, respectivamente, teniendo una región intermedia del bloque ánimas/ranuras en la misma, las cuales definen los pasos, estando definido cada divisor por la región intermedia entre cada ánima/ranura.

Preferiblemente, cada primer recorte (en el techo) se extiende hacia dentro desde la superficie periférica exterior del rotor, en cuyo caso cada primer recorte estará contiguo a una salida. Preferiblemente, la extensión de cada primer recorte en la superficie periférica no es mayor, y más preferiblemente, es menor, que la de la salida correspondiente. Convenientemente, cada primer recorte es en parte circular, y los primeros recortes están preferiblemente dispuestos simétricamente alrededor del rotor. Sin embargo, se apreciará que, por supuesto, los primeros recortes pueden ser de cualquier forma y que uno o más de los primeros recortes podrían estar constituidos, como alternativa, por un ánima (de cualquier forma) a través del techo, hasta dentro de uno de los pasos.

Los primeros recortes pueden ser del mismo o de diferente tamaño y/o forma. Preferiblemente, sin embargo, todos los primeros recortes tienen el mismo tamaño y la misma forma.

Preferiblemente, cada segundo recorte (en la base) es un recorte que se extiende hacia dentro desde la superficie periférica exterior de la base. Convenientemente, cada segundo recorte es en parte circular, y los segundos recortes están dispuestos preferiblemente simétricamente alrededor del rotor. Sin embargo, se apreciará, por supuesto, que los segundos recortes pueden ser de cualquier forma y que uno o más de los segundos recortes podrían estar constituidos, como alternativa, por un ánima (de cualquier forma) a través de la base hasta dentro de uno de los pasos.

Cada uno de los segundos recortes puede ser del mismo o de diferente tamaño y/o forma. Preferiblemente, cada uno de los segundos recortes tiene el mismo tamaño y forma.

Los segundos recortes pueden tener el mismo tamaño y/o forma que los primeros recortes, o bien tener un tamaño y/o forma diferentes. Preferiblemente, todos los recortes primeros y segundos tienen el mismo tamaño y forma.

El número de primeros recortes puede ser mayor, igual o menor que el número de segundos recortes. En una realización preferida, el número de primeros recortes es igual al número de segundos recortes.

El rotor puede tener, preferiblemente, tres, cuatro o cinco pasos (definidos por tres, cuatro o cinco divisores, respectivamente). En una realización preferida, el rotor tiene cuatro pasos.

Preferiblemente, el rotor tiene al menos una salida y al menos uno de cada uno de los primeros y los segundos recortes por paso. El rotor puede tener una salida, dos primeros recortes y dos segundos recortes por paso. Más preferiblemente, el rotor tiene solamente una salida por paso y uno de cada uno de los primeros y segundos recortes.

Preferiblemente, cada primer recorte en un paso está en coincidencia, al menos parcial, y más preferiblemente en coincidencia total, con un segundo recorte correspondiente (es decir, que cuando se mira a lo largo del eje geométrico del eje hacia el rotor, cada primer recorte está directamente encima del segundo recorte correspondiente).

En una serie de realizaciones, los recortes primeros y/o segundos se extienden hacia dentro en no más del 50%, preferiblemente en no más del 40% del radio del rotor. En algunas realizaciones, los recortes primeros y/o segundos se extienden hacia dentro en no menos del 10%, preferiblemente en no menos del 20%, del radio del rotor. Este es un parámetro particularmente útil cuando los recortes hacen que la parte (el arco) de la superficie periférica del rotor (el techo o la base) que se quita sea recta, en parte circular o arqueada, en un plano ortogonal al eje geométrico del eje. Preferiblemente, la parte (arco) de la superficie periférica del rotor (el techo o la base) separada es en parte
circular.

En una segunda serie de realizaciones en las cuales la superficie periférica del rotor en un plano ortogonal al eje geométrico del eje es nominalmente un círculo, la relación de la longitud del arco de la circunferencia del círculo separado en el techo por el primer recorte o los primeros recortes, o separada en la base por el segundo recorte o los segundos recortes contiguos a un paso dado, multiplicada por el número de pasos, hasta la circunferencia del círculo, es de al menos 0,2, preferiblemente de al menos 0,3, más preferiblemente de al menos 0,5 y lo más preferiblemente de al menos 0,6. Preferiblemente, la relación es de no más del 0,9. Se comprenderá, por lo tanto, que cuando haya más de un primer o un segundo recorte contiguo a un paso dado, la relación relevante es la longitud total del arco de circunferencia del círculo en el techo o la base, separada por todos los respectivos recortes primeros o segundos contiguos a un paso dado, multiplicada por el número de pasos, hasta la circunferencia del círculo.

El rotor está provisto de una cámara en la cual puede tener lugar la mezcla del metal fundido y el gas.

Preferiblemente, el eje y el rotor se forman por separado, estando los dos unidos por medios de fijación liberables. El eje puede ser conectado directamente al rotor (por ejemplo, proporcionando para ello roscas que engranan en cada uno del eje y el rotor), o bien indirectamente, por ejemplo por medio de una pieza de conexión tubular roscada.

El rotor está convenientemente formado por un bloque sólido de material (preferiblemente de grafito), siendo los pasos convenientemente formados mediante una operación de fresado. El rotor puede ser también producido por prensado isostático o por colada de un material adecuado (por ejemplo, de alúmina-grafito) con la forma requerida (opcionalmente mecanizando una forma aproximada a la de una red para obtener las dimensiones finales) y caldeando después para producir el producto final.

Para evitar cualquier duda, ha de quedar claro que el invento radica también en el rotor de por sí y en una unidad de tratamiento del metal para desgasificar (RDU) y/o para la adición de sustancias de tratamiento del metal (por ejemplo, una unidad de MTS) que comprenda el dispositivo de rotación del invento.

El presente invento radica además en un método para tratar metal fundido, que comprende los pasos de:

(i) sumergir el rotor y parte del eje del dispositivo del presente invento en el metal fundido a ser tratado,

(ii) hacer girar el eje, y

(iii) hacer pasar el gas y/o una o más sustancias de tratamiento a lo largo del eje y dentro del metal fundido, a través del rotor, y/o hacer pasar una o más sustancias de tratamiento directamente al metal fundido, para tratar con ello al metal.

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La naturaleza del metal fundido no está limitada. Sin embargo, como metales preferidos para el tratamiento se incluyen el aluminio y sus aleaciones (incluyendo las aleaciones de bajo contenido de silicio (4-6% de Si), por ejemplo, la aleación de BS LM4 (Al-Si5Cu3); aleaciones de silicio medias (7,5-9,5% de Si), por ejemplo la aleación de BS LM25 (Al-Si7Mg); las aleaciones eutécticas (10-13% de Si), por ejemplo la aleación de BS LM 6 (A1-SÍ12); las aleaciones hipereutécticas (> 16% de Si), por ejemplo la aleación de BS LM30 (Al-Sil7Cu4Mg); las aleaciones de aluminio y magnesio, por ejemplo la aleación de BS LM5 (Al-Mg5Sil, Al-Mg 6), el magnesio y sus aleaciones (por ejemplo, la aleación de BS AZ91(8,0-9,5% de Al) y la aleación de BS AZ81 (7,5-9,0% de Al) y el cobre y sus aleaciones (incluyendo los cobres de alta conductividad, latones, bronces de estaño, bronces de fósforo, bronces de plomo, metales para armas, bronces de aluminio y cuproníqueles).

Preferiblemente, el gas es un gas inerte (tal como argón o nitrógeno) y más preferiblemente es seco. También se pueden usar gases que no sean considerados tradicionalmente como inertes pero que no tengan efecto alguno perjudicial sobre el metal, tales como el cloro, o bien un hidrocarburo clorado. El gas puede ser una mezcla de dos o más de los antes citados gases. Desde un punto de vista de equilibrio entre el coste y lo inerte del gas, se prefiere el nitrógeno seco. El método es particularmente útil para la separación de gas hidrógeno de aluminio fundido.

Se comprenderá que para cualquier rotor dado, la eficacia del desgasificado vendrá determinada por la velocidad de rotación, por el caudal de gas y por el tiempo de tratamiento. Una velocidad de rotación preferida es la de 550 rpm o menor, y más preferiblemente la de 400 rpm o menos, y lo más preferiblemente de aproximadamente 350 rpm.

Cuando se combina el desgasificado con la adición de sustancias de tratamiento (también conocidas como agentes de tratamiento), tales sustancias de tratamiento pueden ser introducidas en la masa fundida antes de desgasificar, añadidas durante la etapa de desgasificado inicial juntamente con el gas de purga inerte, o bien añadidas después de la etapa de desgasificado. El tratamiento es entonces un tratamiento combinado de descalcificación/refino de grano y/o de modificación y/o limpieza/espumado. Ya se use conjuntamente con el desgasificado o de otro modo, la sustancia del tratamiento puede ser de las especies de limpieza/espumado, de refino de grano, de modificación, o bien de un combinado de éstas (corrientemente denominad como "fundente" o "fundentes"). Estos fundentes pueden estar en diversas formas físicas (por ejemplo, en polvo, granular, en tabletas, en pastillas, etc.) y ser de diferentes tipos químicos (por ejemplo, sales inorgánicas, aleaciones metálicas, etc.). Como fundentes químicos se incluyen las mezclas de metal alcalino y halogenuros alcalinotérreos para limpieza y espumado. Otros fundentes pueden ser aleaciones de titanio y/o boro, por ejemplo, la aleación AlTiB) para refino del grano, y sales de sodio o estroncio (usualmente con el 5-10% de aleación principal) para la modificación de las aleaciones de aluminio-silicio. Tales procesos son de por sí bien conocidos para los fundidores expertos.

El tamaño del rotor, la velocidad de rotación, el caudal de gas y/o la cantidad de sustancias de tratamiento que se requieren vendrán todos determinados por el tratamiento particular que se vaya a practicar, teniendo en cuenta la masa de metal a ser tratada, el tiempo óptimo de tratamiento y si el proceso es un proceso continuo o un proceso por lotes.

A continuación se describirán realizaciones del invento, a modo de ejemplos únicamente, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales:

La Figura 1 representa un rotor XSR (de la técnica anterior).

La Figura 2 es una vista en planta de un rotor DIAMANT™ (de la técnica anterior).

La Figura 3A representa una vista lateral de un dispositivo de rotación que tiene un primer rotor de acuerdo con el invento.

La Figura 3B representa una vista en planta del rotor de la Figura 3A.

Las Figuras 4A y 4B representan una vista lateral y una vista en planta, respectivamente, de un segundo rotor de acuerdo con el invento.

Las Figuras 5A y 5B representan una vista lateral y una vista en planta, respectivamente, de un tercer rotor de acuerdo con el invento.

Las Figuras 6A y 6B representan una vista lateral y una vista en planta, respectivamente, de un cuarto rotor de acuerdo con el invento.

Las Figuras 7A y 7B representan una vista lateral y una vista en planta, respectivamente, de un quinto rotor de acuerdo con el invento.

Las Figuras 8A y 8B representan una vista lateral y una vista en planta, respectivamente, de un sexto rotor de acuerdo con el invento.

Las Figuras 9A y 9B representan una vista lateral y una vista en planta, respectivamente, de un séptimo rotor de acuerdo con el invento.

Las Figuras 10A y 10B representan una vista lateral y una vista en planta, respectivamente, de un octavo rotor de acuerdo con el invento.

Las Figuras 11A y 11B representan una vista lateral y una vista en planta, respectivamente, de un noveno rotor de acuerdo con el invento.

Las Figuras 12A y 12B representan una vista lateral y una vista en planta, respectivamente, de un décimo rotor de acuerdo con el invento.

Las Figuras 13A y 13B representan un vista lateral y una vista en planta, respectivamente, de un undécimo rotor de acuerdo con el invento.

Las Figuras 14A y 14B representan un vista lateral y una vista en planta, respectivamente, de un duodécimo rotor de acuerdo con el invento.

La Figura 15 es una representación esquemática de una unidad de tratamiento de metal de acuerdo con el invento.

Las Figuras 16 y 18 a 22 representan gráficos de reducción de la concentración de hidrógeno en una masa fundida cuando se usan dispositivos de rotación del presente invento, dispositivos de rotación de la técnica anterior y también dispositivos de rotación que quedan fuera del alcance del presente invento.

Las Figuras 17A y 17B representan una vista lateral y una vista en planta, respectivamente, de un rotor SPR (de la técnica anterior).

Ejemplo 1

Con referencia a la Figura 3A, se ha representado en vista en planta un dispositivo de rotación para dispersar gas, y/o otras sustancias de tratamiento, en metal fundido, de acuerdo con el invento. El dispositivo comprende un eje 30 y un rotor 40 conectado al mismo de modo liberable. El rotor 40 se ha representado en vista en planta en la Figura 3B. El rotor 40 está hecho de grafito y es de construcción de una pieza. El rotor 40 tiene forma en general de disco y comprende una parte superior anular (techo 42) y, espaciada de ésta, una parte inferior anular (base 44). En el techo 42 hay un ánima pasante roscada 46, la cual une el rotor 40 al eje 30 por medio de una pieza de conexión tubular roscada (no representada). Se ha previsto una cámara abierta 48 centrada en la base 44 del rotor 40. La cámara 48 se extiende hacia arriba hasta el techo 42, y es contigua al ánima pasante 46 en el techo 42, definiendo con ello el ánima pasante 46 y la cámara 48 un paso continuo verticalmente a través del rotor 40. La cámara 48 se extiende radialmente hacia fuera más que el ánima pasante 46. El techo 42 y la base 44 están conectados por divisores 50 que están espaciados según ángulos iguales alrededor del rotor 40 y dispuestos entre el techo 42 y la base 44. Los divisores 50 se extienden hacia fuera desde la periferia de la cámara 48 hasta la superficie periférica 40a del rotor 40. Entre cada par de divisores adyacentes 50, el techo 42 y la base 44, está definido un paso 52. Cada paso 52 tiene una entrada 54 desde la cámara 48 y una salida 56 en la superficie periférica 40a del rotor 40 en forma de una ranura alargada. Cada salida 56 tiene un área de la sección transversal mayor que la correspondiente entrada 54. Las superficies periféricas del techo 42 y de la base 44 están provistas, cada una de ellas, de cuatro recortes en partes circulares 58a,b (recortes primeros y segundos, respectivamente). Se verá claramente que existe un camino para flujo continuo desde la fuente del gas, a través del ánima del eje 30 y de la pieza de conexión (no representada), a través del techo 42 del rotor 40, al interior de la cámara 48, a través de las entradas 54 al interior de los pasos 52 y hacia fuera del rotor 40 a través de la salida 56.

Los recortes 58a,b en el techo 42 y en la base 44 están en coincidencia, es decir, que cuando se ven como en la Figura 3B, coinciden. El rotor 40 es nominalmente circular (basado en un círculo C) en corte transversal (es decir ortogonal al eje geométrico del eje). Cada uno de los recortes 58a,b se extiende hacia dentro en una distancia máxima z desde las superficies periféricas del techo 42 y la base 44. Cuando el rotor 40 está basado en un circulo C que tiene un radio (r) de 110 mm, z = 32, 45 mm. Por lo tanto, los recortes 58a,b se extienden hacia dentro en el 29,5% del radio del rotor 40.

Cada uno de los recortes 58a en el techo se extiende en toda la distancia entre cada par de divisores adyacentes 50 y separa un arco y del círculo C (al que se hace referencia como la extensión del recorte en la superficie periférica). La parte restante del círculo C entre cada par de recortes 58a adyacentes se ha designado por x. Puesto que el rotor 40 tiene cuatro recortes 58a en el techo 42, la superficie total del círculo C es de 4(x + y).

Por lo tanto, la relación de la longitud del arco de la circunferencia del círculo separada por los primeros recortes contiguos a un paso dado (y) multiplicada por el número de pasos (4), a la circunferencia del círculo (4(x + y)) es de:

y/(x + y)

Cuando el rotor 40 está basado en un círculo C que tiene un radio de 110 mm, se tiene que x = 24,96 mm e y = 147,83 mm, y por lo tanto y/(x + y) es 0,856. En este ejemplo, los recortes en el techo y en la base están en coincidencia, de modo que los valores antes obtenidos son igualmente de aplicación a la base y a sus recortes. Se apreciará que en otras realizaciones x e y, y por consiguiente y/(x + y), pueden ser diferentes para la base y para el techo.

Ejemplos 2 a 6

Con referencia a las Figuras 4A a 8A y a las Figuras 4B a 8B, se han representado en ellas, respectivamente en vista lateral y en vista en planta, los rotores 60 (ejemplo 2), 70 (ejemplo 3) y 80 (ejemplo 4), 90 (ejemplo 5) y 100 (ejemplo 6) para dispersar gas y/o otras sustancias de tratamiento en metal fundido. Los rotores 60, 70, 80, 90 y 100 son idénticos al rotor 40 excepto en cuanto a los recortes en partes circulares 62a,b, 72a,b, 82a,b, 92a,b, y 102a,b, respectivamente, los cuales están dispuestos en el techo 42 y en la base 44 (habiéndose usado el designador "a" para los recortes en el techo y el designador "b" para los recortes en la base), que son de diferente tamaño y forma para cada uno de los rotores.

Cada uno de los recortes 58, 62, 72 y 82 en los rotores 40, 60, 70 y 80 se extiende hacia dentro desde las superficies periféricas del techo 42 y de la base 44, en una distancia similar (valores de z similares), pero cada uno de ellos separa una longitud de arco diferente (valores "y" diferentes) del circulo C nominal en el cual están basados. La longitud del arco (y) separada para cada uno de los rotores disminuye en el orden de 40, 60, 70 y 80.

Los rotores 90 y 100 tienen recortes en parte circulares 92 y 102, respectivamente, en el techo 42 y en la base 44. Los recortes 92, 102 se extienden hacia dentro en una distancia similar, de modo que los rotores 90 y 100 tienen valores z similares, pero los mismos separan diferentes longitudes de arco "y" del círculo C sobre el cual están basados nominalmente. Los recortes 92 separan un arco "y" que se extiende en toda la distancia entre los divisores adyacentes 50, mientras que los recortes 102 separan un arco más corto y, por consiguiente, tienen un menor valor de "y".

En la tabla 1 que sigue se dan los valores de x, y, y z para los rotores 40, 60, 70, 80, 90, 100 con un radio de
110 mm.

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TABLA 1

1

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Ejemplo 7

Con referencia a las Figuras 9A y 9B, se ha representado en ellas en vistas lateral y en planta, respectivamente, un rotor 110 (ejemplo 7) para dispersar gas y/o otras sustancias de tratamiento en metal fundido. El rotor 110 está hecho de grafito y es de construcción de una pieza. El rotor 110 es similar al rotor 40, y tiene un techo 42, una base 44, un ánima pasante 46, una cámara 48, cuatro divisores 50, cuatro pasos 52, cuatro entradas 54 y cuatro ranuras de salida 56, todo como se ha descrito anteriormente. El rotor 110 tiene recortes 112a dispuestos respectivamente en el techo 42 y en la base 44, y los recortes 112a en el techo y los recortes 112b en la base están en coincidencia (es decir, que coinciden en la vista en planta). Los recortes 112 tienen un borde recto y por lo tanto el rotor 110, visto desde arriba, presenta el aspecto de un cuadrado con bordes redondeados, a pesar de ser nominalmente circular (basado en el círculo C). Los recortes 112 se extienden hacia dentro desde las superficies periféricas del techo y de la base, en una distancia z, y separan un arco y del círculo C.

Ejemplo 8

Con referencia a las Figuras 10A y 10B, se ha representado en ellas en vista lateral y en vista en planta, respectivamente, un rotor 120 para dispersar gas y/o otras sustancias de tratamiento en metal fundido. El rotor 120 es similar al rotor 110 y tiene recortes rectos 122a,b, de modo que presenta también el aspecto de un cuadrado con bordes redondeados, visto desde arriba. Los recortes 122 se extienden en toda la distancia entre los divisores adyacentes 50, y por consiguiente el rotor 120 tiene un valor "y" mayor que el del rotor 110. Los recortes 112 se extienden hacía dentro desde las superficies periféricas del techo 42 y de la base 44, respectivamente, en una distancia z.

Ejemplo 9

Con referencia a las Figuras 11A y 11B, se ha representado en ellas en vista lateral y en vista en planta, respectivamente, un rotor 130 (dispersar gas y/o otras sustancias de tratamiento en metal fundido). El rotor 130 es similar a los rotores 110 y 120 y tiene recortes 132a,b de bordes rectos. Visto desde arriba, el rotor 130 tiene una forma de cuadrado ya que los recortes 132 se extienden dentro de los divisores 50. Sin embargo, el rotor 130 puede seguirse viendo como siendo nominalmente circular (basado en el círculo C) en corte transversal. Los recortes 132 se extienden hacia dentro desde las superficies periféricas del techo 42 y la base 44, en una distancia z, y puesto que no hay distancia entre los recortes adyacentes 132, el valor de x es cero.

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En la Tabla 2 que sigue se dan los valores de x, y, y z para los rotores 110, 120 y 130 con un radio de 110 mm.

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TABLA 2

2

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Ejemplo 10

Con referencia a las Figuras 12A y 12B, se ha representado en ellas, en vista lateral y en vista en planta, respectivamente, un rotor 140 para dispersar gas y/o otras sustancias de tratamiento en metal fundido. El rotor 140 está hecho de grafito y es de construcción de una pieza. El rotor 140 tiene forma en general de disco y comprende una parte superior anular (techo 42), una parte inferior anular (base 44), un ánima pasante roscada 46 y una cámara abierta 48, como se ha descrito anteriormente. El techo 42 y la base 44 están conectados por tres divisores 142 espaciados según ángulos iguales alrededor del rotor 140 y dispuestos entre el techo 42 y la base 44. Los divisores 142 se extienden hacia fuera desde la periferia de la cámara 48 a la superficie periférica del rotor 140a. Entre cada par de divisores adyacentes 142, el techo 42 y la base 44, está definido un paso 52, proporcionándose con ello un total de tres pasos 52. Cada paso 52 tiene una entrada 54 desde la cámara 48 y una salida 56 en la superficie periférica del rotor 140a. Las superficies periféricas del techo 42 y de la base 44 están provistas cada una de tres recortes en parte circulares 144a,b (recortes primero y segundo, respectivamente). El rotor 140 es nominalmente circular (basado en el círculo C). Cada recorte 144 se extiende en una distancia z desde las superficies periféricas del techo 42 y la base 44 y separa un arco "y" del círculo C. Los valores de x, "y" y z para un rotor que tenga un radio de 110 mm se dan en la tabla 3 que sigue.

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TABLA 3

3

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Ejemplo 11

Con referencia a las Figuras 13A y 13B, se ha representado en ellas, en vista lateral y en vista en planta, respectivamente, un rotor 150 para dispersar gas y/o otras sustancias de tratamiento en metal fundido. El rotor 150 está hecho de grafito y es de construcción de una pieza. El rotor 150 es de forma en general de disco y comprende una parte superior anular (techo 42), una parte inferior anular (base 44), un ánima pasante roscada 46 y una cámara abierta 48, como se ha descrito anteriormente. El techo 42 y la base 44 están conectados por cinco divisores 152 espaciados según ángulos iguales alrededor del rotor 150 y dispuestos entre el techo 42 y la base 44. Los divisores 152 se extienden hacia fuera desde la periferia de la cámara 48 a la superficie periférica del rotor 150a. Entre cada par de divisores adyacentes 152, el techo 42 y la base 44, está definido un paso 52, proporcionándose con ello un total de cinco pasos 52. Cada paso 52 tiene una entrada 54 desde la cámara 48 y una salida 56 en la superficie periférica del rotor 150a. Las superficies periféricas del techo 42 y la base 44 están provistas cada una de cinco recortes en parte circulares (154a,b recortes primero y segundo, respectivamente). El rotor 150 es nominalmente circular (basado en el círculo C). Cada recorte 154 se extiende en una distancia z desde las superficies periféricas del techo 42 y la base 44 y separa un arco "y" del círculo C. Los valores x, "y" y z para un rotor 150 que tenga un radio de 87,5 mm se dan en la tabla 4 que sigue.

TABLA 4

4

Ejemplo 12

Con referencia a las Figuras 14A y 14B, se ha representado en ellas, en vista lateral y en vista en planta, respectivamente, un rotor 160 para dispersar gas y/o otras sustancias de tratamiento en metal fundido. El rotor 160 está hecho de grafito y es de construcción de una pieza. El rotor 160 tiene forma en general de disco y es similar al rotor 40 (Ejemplo 1) por cuanto comprende una parte superior anular (techo 42), una parte inferior anular (base 44), un ánima pasante 46, una cámara 48, cuatro divisores 50 y cuatro pasos 52, cada uno con una entrada 54 y una salida 56 respectivas. A diferencia del rotor 40, el rotor 160 tiene ocho primeros recortes 162a en el techo 42 y ocho segundos recortes 162b en la base 44, hay dos primeros recortes 162a y dos segundos recortes 162b por cada paso 52. Los primeros recortes 162a y los segundos recortes 162b están en coincidencia, es decir, que vistos desde arriba coinciden. Dentro de un paso 52 la distancia entre los primeros recortes 162a o entre los segundos recortes adyacentes 162b se ha designado por x_{1}. A través de un divisor 50, la distancia entre los primeros recortes 162a o entre los segundos recortes adyacentes 162b se ha designado por x_{2}.

La relación de la longitud del arco de la circunferencia del círculo separada por los recortes primero o segundo contiguos a un paso dado (2y) multiplicada por el número de pasos (4), a la circunferencia del círculo (8y + 4x_{1} + 4x_{2}) viene dada por 2y/ (2y + x_{1} + x_{2}).

Los valores de x_{1}; x_{2}, "y" y z para un rotor 160 que tenga un radio de 87,5 mm se dan la Tabla 5 que sigue.

TABLA 5

5

Ejemplo 13

Con referencia a la Figura 15, se ha representado en ella esquemáticamente una unidad 170 para tratamiento de metales para desgasificar (Unidad de Desgasificado por Rotación, RDU), y/o la adición de sustancias para tratamiento del metal (Estación de Tratamiento de Metal, MTS). La unidad comprende básicamente un crisol 172, dentro del cual está contenido el metal a ser tratado, un rotor de grafito 174 aplicado a rosca a un extremo de un eje de grafito 176 (como se ha descrito anteriormente), un motor 178 y un eje de accionamiento 180, estando conectado el eje de accionamiento 180 al eje de grafito 176 (no representado) dentro de un alojamiento 182. La unidad comprende también una tolva 184 y un tubo de entrega 186 y una placa deflectora retráctil 188. La totalidad de la unidad 170 es movible verticalmente con relación al crisol 172.

En uso para desgasificar, se activa el motor 178 para hacer girar al conjunto de eje 180, 176 y al rotor 174, y se baja el eje de grafito 176 dentro del crisol 172 que contiene el metal fundido. Se hace pasar gas inerte a través del eje de accionamiento 180, del eje de grafito 176 y adentro del metal a través del rotor 174 y se dispersa dentro del metal fundido. La placa deflectora 188 está en su posición de retraída, de modo que asienta encima del metal fundido.

Cuando se usa como una unidad combinada para tratamiento/desgasificado del metal, el rotor 174 y el eje de grafito 176 son accionados con relativa rapidez, para así crear un torbellino dentro de la masa fundida. Entonces se dosifican las sustancias para tratamiento del metal dentro de la masa fundida desde la tolva 184. Después de dejar que transcurra un tiempo suficiente para la mezcla, se reduce la velocidad del rotor 174 y se baja la placa deflectora 188 dentro de la masa fundida para detener el torbellino y reducir la turbulencia dentro de la masa fundida (como se ha ilustrado en la Figura 15). Se procede entonces al desgasificado como se ha descrito anteriormente.

Metodología

Se desarrollaron dos pruebas con objeto de modelar las propiedades de los dispositivos de rotación cuando se usen para tratamiento de metal fundido. Con la primera prueba se modela la eficacia de los dispositivos de rotación para desgasificar metal fundido. La segunda prueba, un modelo de agua, demuestra la eficacia probable de los dispositivos de rotación para la distribución de agentes para el tratamiento del metal por toda la masa fundida.

1. Desgasificado

Se usaron rotores con un radio de 87,5 mm unidos a un eje de un diámetro de 37,5 mm, para desgasificar 280 kg de aleación de aluminio (LM25: AISi7MG) mantenida a 720ºC. El gas usado fue nitrógeno seco, con un caudal 15 1/minuto. La velocidad de rotación fue de 320 rpm y el desgasificado se llevó a cabo a lo largo de 4 minutos. Se determinó la eficacia midiendo para ello la concentración de hidrógeno disuelto en la masa fundida, usando un sensor electrónico ALSPEK H comercializado por Foseco, el cual dio una medida directa del nivel de hidrógeno en el metal fundido. Se agitó el metal fundido usando para ello el rotor (sin gas) y se mantuvo el sensor en la masa fundida. Se introdujo después gas por el eje del rotor y se midió y se registró el nivel de hidrógeno en la masa fundida a intervalos de 10 segundos.

2. Modelo de agua

Se simuló La adición de agentes para tratamiento de metal a una masa fundida usando un modelo de agua, en el cual se usaron pastillas de plástico ligeras para observar la formación de torbellinos y se usó tinte coloreado (de colorear alimentos) para observar la mezcla. Se sometieron a prueba los rotores en una Estación para Tratamiento de Metales de Foseco (MTS 1500 Mark 10) con un vaso transparente cilíndrico (de 650 mm de diámetro, 90 mm de altura) usado en lugar de un crisol. Cada rotor tenía un radio de 110 mm y estaba unido a un eje de 75 mm de diámetro y 1000 mm de longitud.

2.1 Formación de Torbellinos

El primer paso para determinar el desgasificado del rotor fue el de determinar la velocidad de rotación, para cada rotor, que era necesaria para obtener una dimensión de torbellino equivalente estándar. Para conseguir esto se añadieron primero pastillas de plástico al vaso transparente que había sido llenado de agua hasta una altura L1 (735 mm, altura normal del baño). Las pastillas de plástico flotaban sobre la superficie del agua hasta que se bajaba cada rotor dentro del baño y se hacia girar para formar un torbellino. Se ajustó entonces la velocidad de rotación de modo que las pastillas de plástico chocaban con el rotor pero no se dispersaban en el crisol. Se midió la altura del agua cuando se formó el torbellino (L2, altura del baño con el torbellino formado) así como el tiempo requerido para que se forme ese torbellino.

Se puede calcular un factor de eficacia para la formación de torbellino usando la siguiente fórmula:

Factor de eficacia = {(L2 - L1)/L1} x tiempo para formación del torbellino.

Cuanto menor sea el valor del factor de eficacia, tanto más eficaz será el rotor para la formación de torbellinos.

2.2 Determinación del tiempo de mezclado

Para determinar la eficacia del mezclado, se bajaron los rotores dentro del vaso de plástico conteniendo agua hasta una altura de 755 mm. La altura del baño subió hasta un nivel de 20 mm por encima del usado en el estudio de la formación de torbellinos (sección 2.1 anterior). Se cambió la altura del baño para reflejar la variabilidad natural de la altura del baño en uso. Se eligió una mayor altura del baño, puesto que ésta hará trabajar a los rotores más duro y, al menos en teoría, es probable que haga resaltar las diferencias entre los rotores más y menos eficaces. Se formó un torbellino (sin pastillas de plástico) usando las velocidades de rotación determinadas en 2.1. Una vez que el torbellino se estabilizó, se añadieron 3 mi de coloración de alimento al torbellino y se midió el tiempo que tardó el color para el alimento en mezclarse uniformemente por todo el vaso.

Rotores

Se fabricaron y se sometieron a prueba diez rotores de acuerdo con el invento, juntamente con otros seis para fines de comparación (cuatro rotores de la técnica anterior y dos rotores designados como nuevos que quedaban fuera del alcance del invento). Cada rotor se obtuvo en dos tamaños -un rotor con un radio de 87,5 mm fue empleado en los experimentos de desgasificado y una versión mayor, con un radio de 110 mm, fue la empleada para el modelo de agua. Fue necesario el uso de dos rotores de diámetros ligeramente diferentes para las pruebas de modelado y desgasificado del agua por los diferentes tamaños de vasos usados. Los rotores de los dos tamaños fueron fijados al eje del mismo diámetro y por lo tanto tenían el mismo tamaño de ánima en la superficie superior (para aceptar/fijar el eje), mientras que la cámara en la base tenía un diámetro en proporción al diámetro total de cada rotor. Por esta razón, la extensión hacia dentro de los recortes en los rotores de desgasificar era ligeramente menor que la de los correspondientes rotores de modelado en agua, dando por resultado una relación z/r ligeramente menor. Sin embargo, las diferencias son triviales y no afectan a las conclusiones obtenidas sobre la eficacia.

1. Desgasificado

En la Tabla 6 se da, para cada uno de los rotores, la concentración de hidrógeno disuelto en la masa fundida, medida a intervalos de diez segundos, y en la Tabla 7 se da el tiempo invertido en alcanzar una concentración de hidrógeno dada (estimado a partir de un gráfico de mejor ajuste y redondeado a los 5 segundos más próximos).

6

TABLA 7

7

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Efectos de los recortes en el techo y en la base (Ejemplo 2 y Ejemplo Comparativo A)

Con objeto de investigar el efecto de tener recortes en el techo y en la base, en vez de solamente en el techo, se diseñaron dos nuevos rotores, el rotor 60 (Ejemplo 2) descrito en lo que antecede y el Ejemplo Comparativo A. El rotor del Ejemplo Comparativo A es idéntico al rotor 60 (tiene el mismo tamaño y la misma forma de recortes en el techo) excepto en que no tiene recortes en la base. Se obtuvieron los gráficos de la reducción de la concentración de hidrógeno en el tiempo para ambos rotores, que se ha representado en la Figura 16. Puede verse en ella que. cuando se usa el rotor 60, la concentración de hidrógeno en la masa fundida cae muy rápidamente y finalmente llega a una concentración por debajo de 0,1 ml/100 g de masa fundida. El tiempo requerido para que la concentración de hidrógeno caiga hasta 0,20 ml/100 g de masa fundida es de exactamente 55 segundos para el rotor 60, mientras que para el Ejemplo Comparativo A, el tiempo requerido es de 105 s. Por lo tanto, la presencia de recortes en la base, así como en el techo, parece mejorar las propiedades de desgasificado de un dispositivo de rotación.

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Efecto de la extensión de los recortes en partes circulares (Rotor 3 de la técnica anterior y Ejemplos 1 a 4)

Se diseñaron una serie de rotores con objeto de investigar el efecto de la extensión de los recortes en partes circulares en el régimen de desgasificado, ejemplos 1 a 4. Cada uno de los rotores 40, 60, 70 y 80 tiene cuatro recortes en partes circulares en cada uno del techo y de la base, los cuales se extienden hacia dentro en una distancia similar (valores de z/r similares), pero la extensión de los recortes aumenta en el orden de 80, 70, 60, 40. Estos rotores fueron sometidos a prueba juntamente con el rotor 3 de la técnica anterior, el SPR (Foseco), representado en vista lateral y en planta en las Figuras 17A y 17B, respectivamente. El rotor SPR 190 tiene una configuración sustancialmente similar a la de los rotores del invento, teniendo forma en general de disco con una parte superior anular (techo 42) y una parte inferior anular (base 44) espaciadas entre si y conectadas por cuatro divisores 50 espaciados según ángulos iguales alrededor del rotor 190. Entre cada par de divisores 50 y el techo 42 y la base 44 está definido un paso 52, teniendo cada paso una entrada 54 en una superficie interior del rotor y una salida 56 en una superficie periférica del rotor 190a. Cada salida 56 tiene un área de sección transversal mayor que la de la respectiva entrada 54 y está dispuesta radialmente hacia fuera desde la misma. Se ha previsto una cámara abierta 48 centrada en la base 44 y que se extiende hacia arriba hasta el techo 42. El rotor SPR no tiene recortes y tiene por lo tanto valores x, "y", y z que son cero. Los valores x, "y" y z y las correspondientes relaciones para los rotores que tienen un radio de 87,5 mm, se han representado en la tabla 8 que sigue.

TABLA 8

8

Se obtuvo un gráfico de la reducción de la concentración de hidrógeno en el tiempo para cada uno de estos rotores y que se ha representado en la Figura 18. Se ve inmediatamente que todos los rotores del invento (80, 70, 60 y 40) son superiores al rotor 3, SPR, de la técnica anterior, para el desgasificado. El SPR jamás alcanza una concentración de hidrógeno de 0,3 ml/100 g de masa fundida, mientras que todos los rotores 80, 70, 60 y 40 alcanzan una concentración de hidrógeno del 0,2 ml/100 dentro de 90, 110, 55, y 80 segundos, respectivamente. De la inspección del gráfico, se observa que el rotor 60 (ejemplo 2) es el rotor más satisfactorio para desgasificar, teniendo la mínima concentración de hidrógeno para la mayor parte del período de prueba.

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Efecto de la extensión de los recortes rectos (Ejemplos 7, 8 y 9)

Se diseñaron una serie de rotores con objeto de investigar el efecto de la extensión de los recortes de borde recto en el régimen de desgasificado, los rotores 110, 120 y 130 antes descritos. Estos rotores tienen todos cuatro recortes de bordes rectos en el techo y en la base, aumentando la longitud del recorte (indicada por el valor para y[(x + y)] en el orden de 110, 120, 130. En la Tabla 9 que sigue se dan los valores de x, "y" y z y de las correspondientes relaciones para los rotores que tengan un radio de 87,5 mm.

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TABLA 9

9

Se obtuvo un gráfico que representaba la reducción de la concentración de hidrógeno en el tiempo para cada uno de los rotores, que se ha representado en la Figura 19. Los rotores 110, 120 y 130 aparecen todos como que desgasifican bien, dando por resultado los 120 y 130 una concentración de hidrógeno final ligeramente menor que 110. Esto sugiere que una mayor extensión del recorte (valor mayor para y/ (x + y)) da por resultado un rotor más satisfactorio en cuanto al desgasificado.

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Efecto de la profundidad de los recortes (ejemplos 2, 6 y 7)

Se diseñaron una serie de rotores con objeto de investigar el efecto de la profundidad de los recortes, es decir, de la distancia máxima en la que los recortes se extienden hacia dentro desde las superficies periféricas del techo y de la base del rotor, en el régimen de desgasificado. Los rotores 110, 60 y 100 se han descrito en lo que antecede. Los recortes en el rotor 110 tienen un borde recto y los de los rotores 60 y 110 son en parte circulares. Cada uno de ellos separa la misma longitud de arco (los mismos valores de y/(x + y)) pero varían en cuanto a la profundidad del recorte, en el orden de 110, 60, 100. En la tabla 10 que sigue se dan los valores de x, "y" y z para estos rotores.

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TABLA 10

10

Se obtuvo un gráfico que representaba la reducción de la concentración de hidrógeno en el tiempo para cada uno de los rotores, y que se ha representado en la Figura 20. Todos los rotores son satisfactorios en cuanto al desgasificado. Su uso da por resultado una reducción de la concentración de hidrógeno a 0,2 ml/100 g en 25 s (110), en 55 s (60) y en 100 s (100). Los rotores 60 y 100 son los más satisfactorios, alcanzando una concentración de hidrógeno final de menos de 0,12 ml/100 g de masa fundida. Esto indica que para desgasificar es útil un recorte más profundo (un valor mayor de z/r).

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Efecto de la cámara y del área de la sección transversal de las salidas y entradas (Ejemplo 2 y Ejemplo Comparativo B)

El Ejemplo Comparativo B fue diseñado para investigar el efecto de no tener cámara y de un paso de anchura uniforme, debido a estar definido por una entrada y una salida de igual área de la sección transversal, en comparación con los rotores del invento, los cuales tienen una cámara para el mezclado de gas y metal fundido y en los cuales el área de la sección transversal de la salida es mayor que el área de la sección transversal de la respectiva entrada.

El Ejemplo Comparativo B es similar al rotor Diamant™ anteriormente descrito, que es de forma en general de disco y que comprende cuatro ánimas radiales espaciadas según ángulos iguales alrededor del rotor. Cada ánima se extiende desde la superficie interior del rotor hasta su superficie periférica, proporcionando con ello una salida para el gas. El Ejemplo Comparativo B tiene cuatro recortes que se extienden hacia dentro desde la superficie periférica del rotor. Cada recorte está situado en una salida y se extiende hacia abajo en toda la profundidad del rotor. No hay cámara para el mezclado del gas y el metal fundido. Los recortes del Ejemplo Comparativo B son del mismo tamaño y forma que los de los recortes del rotor 60 (ejemplo 2), de modo que los valores de x, "y" y z para los rotores son los
mismos.

Se obtuvo un gráfico para mostrar la reducción de la concentración de hidrógeno en el tiempo para cada rotor, y que se ha representado en la Figura 21. La concentración de hidrógeno disminuye más rápidamente cuando se usa el rotor 60 (Ejemplo 2) que cuando se usa el Ejemplo Comparativo B. La concentración de hidrógeno cuando se usa el rotor 60 (Ejemplo 2) es menor que la concentración de hidrógeno cuando se usa el Ejemplo Comparativo B para casi toda la duración de la prueba. Esto indica que la presencia de una cámara y de salidas que tengan una mayor área de la sección transversal que la de las respectivas entradas, produce un efecto beneficioso para el desgasificado.

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Efecto de la cámara y de las salidas (rotor 4 de la técnica anterior y Ejemplo 9)

El Ejemplo 9 es similar a un rotor de la técnica anterior conocido como el "Brick" (comercializado por la firma Pyrotek Inc.) excepto en que el Ejemplo 9 tiene salidas y una cámara. El rotor "Brick" es simplemente un bloque sólido de grafito sin entradas, salidas ni cámara. Es de sección transversal cuadrada (ortogonal al eje geométrico del eje) pero puede verse como estando basado en un círculo que tiene cuatro recortes de bordes rectos, del mismo modo que el rotor 130 (Ejemplo 9). Los valores de x, "y" y z para el Ejemplo 9 y el "Brick" son idénticos, y se han representado en la tabla 11 que sigue para rotores que tienen un diámetro de 87,5 mm.

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TABLA 11

11

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Se obtuvo un gráfico para representar la reducción de la concentración de hidrógeno en el tiempo para cada rotor, y que se ha representado en la Figura 22. La concentración de hidrógeno disminuyó mucho más rápidamente y alcanzó un menor valor final cuando se usó el rotor 130 (Ejemplo 9) que cuando se usó el rotor 4 ("Brick") de la técnica anterior. La concentración de hidrógeno es consistentemente menor cuando se usa el rotor del invento, en comparación con cuando se usa el rotor "Brick" de la técnica anterior, lo que indica que la presencia de salidas y de una cámara mejora las propiedades de desgasificado de un rotor.

Todos los rotores de la técnica anterior (el SPR, el XSR, el DiamantM y el "Brick") fueron menos satisfactorios que los rotores del invento en cuanto al desgasificado. El SPR, el XSR y el "Brick" no llegaron a alcanzar una concentración de hidrógeno 5 de 0,2 ml/l00g y aunque el rotor Diamant™ alcanzó la de 0,2 ml/100 g, fueron necesarios 170 s para conseguirlo, tiempo considerablemente más largo que para cualquiera de los rotores del invento.

2. Modelo de agua - Formación de torbellinos

Se llevaron a cabo experimentos como se ha descrito en lo que antecede en los ejemplos de rotor 1 a 10, en rotores de la técnica anterior y en dos nuevos rotores que no están dentro del alcance del invento. Se calculó un Factor de Eficacia (EF) para cada rotor usando la fórmula anterior y los valores dados en la tabla 12 que sigue.

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TABLA 12

12

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Se llevaron a cabo experimentos como se ha descrito en lo que antecede, para determinar el tiempo requerido para que un tinte de colorear se mezclase uniformemente por toda el agua. El tiempo invertido y la velocidad de rotación usada (determinada 5 en 2.1) se relacionan en la tabla 13 que sigue.

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TABLA 13

13

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Efecto de los recortes en el techo y en la base (Ejemplo 2 y Ejemplo Comparativo A)

Como se ha visto en lo que antecede, el Ejemplo 2 y el Ejemplo Comparativo A son idénticos, excepto en que el Ejemplo Comparativo A tiene recortes en el techo y el Ejemplo 2 tiene recortes en el techo y en la base. Una comparación del E.F. y de los tiempos de mezclado se representa a continuación en la tabla 14.

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TABLA 14

14

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El ejemplo 2 tiene un menor E.F. y un menor tiempo de mezclado que el Ejemplo Comparativo A, lo que indica que la presencia de recortes, tanto en el techo como en la base, mejora la formación de torbellinos y también produce un efecto beneficioso en el tiempo de mezclado.

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Efecto de la extensión de los recortes en partes circulares (rotor 1 de la técnica anterior y ejemplos 1 a 4)

Como se ha visto en lo que antecede, los ejemplos 1 a 4 son sustancialmente el mismo excepto en que la extensión de los recortes (indicada por el valor para y/(x + y)) disminuye en el orden de Ejemplo 1, Ejemplo 2, Ejemplo 3, Ejemplo 4. En la tabla 15 que sigue se muestra una comparación de los E.F. y de los tiempos de mezclado para estos ejemplos.

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TABLA 15

15

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Los valores de E.F. para los ejemplos 1 a 4 disminuyen a medida que aumenta la extensión del recorte. Por ejemplo, el Ejemplo 1 tiene recortes que se extienden en toda la distancia entre divisores adyacentes y tiene el más bajo valor de E.F., de 2,5. No se midió un E.F. para el rotor 3 (SPR) de la técnica anterior debido a que no se pudo formar un torbellino suficiente.

La presencia de recortes parece producir un efecto beneficioso en los tiempos de mezclado, debido a que el rotor de la técnica anterior (sin recortes) tiene el tiempo de mezclado más largo. La relación entre la extensión del recorte y el tiempo de mezclado es menos clara que la obtenida para los valores de E.F. pero los dos ejemplos con la máxima extensión del recorte (Ejemplo 1 y Ejemplo 2) tienen menores tiempos de mezclado que los que tienen una menor extensión del recorte (Ejemplo 3 y Ejemplo 4), de modo que parece que una mayor extensión del recorte produce un beneficio de conjunto en el modelo de agua.

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Efecto de la extensión de los recortes rectos (Ejemplos 7, 8 y 9)

Como se ha visto anteriormente, los Ejemplos 7, 8 y 9 son todos de rotores de tipo cuadrado que tienen cuatro recortes rectos. La extensión de los recortes en los Ejemplo 7 a 9 aumenta por el orden de Ejemplo 7, Ejemplo 8, Ejemplo 9. Los valores del E.F. y los tiempos de mezclado se han representado en la tabla 16 que sigue.

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TABLA 16

16

Los valores del E.F. para los Ejemplos 7 a 9 disminuyen a medida que aumenta la extensión del recorte. Los tiempos de mezclado disminuyen a medida que aumenta la extensión del recorte, alcanzándose con el Ejemplo 9 un mezclado uniforme en exactamente 4 segundos. Estos resultados corroboran los resultados de la comparación para los recortes en parte circulares, de que un aumento de la extensión del recorte da por resultado una mejora del mezclado.

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Efecto de la profundidad de los recortes (Ejemplos 2, 6 y 7)

Como se ha visto en lo que antecede, los Ejemplo 2, 6 y 7 tienen todos recortes que son de una extensión sustancialmente similar (los recortes separan arcos similares de un círculo nominal C) pero cada uno de los recortes se extiende en una distancia máxima diferente de las superficies periféricas del techo y de la base del rotor (la profundidad del recorte viene indicada por el valor de z/r). La profundidad de cada uno de los recortes en los ejemplos 2, 6 y 7 aumenta en el orden del Ejemplo 7, Ejemplo 2, Ejemplo 6. Los valores del E.F. y de los tiempos de mezclado para estos rotores se han representado en la tabla 17 que sigue.

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TABLA 17

17

Los valores del E.F. disminuyen a medida que aumenta la profundidad del recorte, teniendo el Ejemplo 6 un valor muy bajo del E.F., de 2,2. La relación entre la profundidad del recorte y el tiempo de mezclado está menos clara con el Ejemplo 2, el cual tiene una profundidad intermedia del recorte, teniendo el más rápido tiempo de mezclado.

Efecto de la cámara y del área de la sección transversal de las salidas y de las entradas (Ejemplo 2 y Ejemplo Comparativo B)

Como se ha visto en lo que antecede, se diseñó un nuevo rotor fuera del alcance del invento (Ejemplo Comparativo B), con objeto de investigar el efecto de tener una cámara y de tener salidas y entradas en donde el área de la sección transversal de las salidas es mayor que la de las respectivas entradas. El Ejemplo Comparativo B es análogo al Ejemplo 2, teniendo el mismo tamaño y forma de los recortes, y por lo tanto los mismos valores para x, "y" y z, como se ha reflejado en la tabla 18 que sigue para un rotor que tiene un radio de 110 mm.

TABLA 18

18

A pesar de tener idénticos recortes, el Ejemplo 2 presenta una ligera ventaja sobre el Ejemplo Comparativo B, en términos de formación del torbellino y de tiempo de mezclado. Considerado en combinación con la mejora en el desgasificado asociada con el Ejemplo 2, esto indica que la presencia de una cámara y de salidas que tengan una mayor área de la sección transversal que de las respectivas entradas, proporciona un rotor mejorado para uso en el tratamiento de metales.

Como se ha visto en lo que antecede, el rotor 4 ("Brick") de la técnica anterior no tiene entradas, salidas ni cámara, pero puede verse como que tiene cuatro recortes rectos como en el Ejemplo 9. Los valores de x, "y" y z para el rotor 4 de la técnica anterior y para el del Ejemplo 9 son idénticos, y se han representado en la tabla 19 que sigue para un rotor que tiene un radio de 110 mm.

TABLA 19

19

El rotor "Brick" tiene un mayor E.F. y un tiempo de mezclado más largo que el rotor del invento, lo que indica que la presencia de entradas, salidas y de una cámara es beneficiosa para el mezclado de los agentes de tratamiento.

Todos los rotores del invento tiempos de mezclado uniformes que son iguales o menores que los de los rotores XSR, Diamant™ y SPR (de 8s, de 12s y de 10s), de la técnica anterior.

Conclusiones

Los anteriores datos demuestran que los rotores del presente invento proporcionan ventajas en términos de eficacia del mezclado en el tratamiento y el desgasificado de metales.

Claims

1. Un dispositivo de rotación para tratar metal fundido, comprendiendo dicho dispositivo un eje hueco (30), en uno de cuyos extremos hay un rotor (40), teniendo dicho rotor (40) un techo (42) y una base (44), estando dicho techo (42) y dicha base (44) espaciados entre sí y conectados por una pluralidad de divisores (50);

estando definido un paso (52) entre cada par adyacente de divisores (50) y el techo (42) y la base (44), teniendo cada paso (52) una entrada (54) en una superficie interior del rotor (40) y una salida (56) en una superficie periférica del rotor (40), teniendo cada salida (56) un área de la sección transversal mayor que la de la respectiva entrada (54) y estando dispuesta radialmente hacia fuera desde la misma;

estando definido un camino para el flujo a través del eje (30) al interior de las entradas (54) de los pasos (52) y hacia fuera por las salidas (56); y

una cámara (48) en la cual puede tener lugar el mezclado del metal fundido y el gas, en que la cámara (48) está situada radialmente hacia dentro de las entradas (54) y tiene una abertura en la base (44) del rotor (40) y está en el camino del flujo entre el eje (30) y las entradas (54), de tal modo que en uso, cuando gira el dispositivo, el metal fundido es aspirado dentro de la cámara (48) a través de la base (44) del rotor (40), en donde se mezcla con el gas que pasa al interior de la cámara (48) desde el eje (30), siendo después bombeado el metal con dispersión de gas al interior de los pasos (52) a través de las entradas (54) antes de ser descargado desde el rotor (40) a través de las salidas (56);

en que se han previsto una pluralidad de primeros recortes (58a) en el techo (42) y se han previsto una pluralidad de segundos recortes (58b) en la base (44), estando cada uno de los recortes primeros y segundos (58a, 58b) contiguo a uno de los pasos (52).

2. Un dispositivo de rotación según la reivindicación 1, en el que cada primer recorte (58a) se extiende hacia dentro desde la superficie periférica exterior del rotor (40) y es contiguo a una salida (56).

3. Un dispositivo de rotación según la reivindicación 2, en el que la extensión de cada primer recorte (58a) en la superficie periférica no es mayor que la de la correspondiente salida (56).

4. Un dispositivo de rotación según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que cada primer recorte (58a) es en parte circular, y los primeros recortes (58a) están dispuestos simétricamente alrededor del rotor (40).

5. Un dispositivo de rotación según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que los segundos recortes (58b) tienen el mismo tamaño y la misma forma que los primeros recortes (58a).

6. Un dispositivo de rotación según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el número de primeros recortes (58a) es igual al número de segundos recortes (58b).

7. Un dispositivo de rotación según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el rotor (40) tiene tres, cuatro o cinco pasos (52).

8. Un dispositivo de rotación según la reivindicación 7, en el que el rotor (40) tiene cuatro pasos (52).

9. Un dispositivo de rotación según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el rotor (40) tiene exactamente una salida (56) y exactamente uno de cada uno de los primeros y segundos recortes (58a, 58b) por paso (52).

10. Un dispositivo de rotación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el rotor (160) tiene exactamente una salida (56), y exactamente dos primeros recortes (162a) y dos segundos recortes (162b) por paso (52).

11. Un dispositivo de rotación según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en cuanto están subordinadas a la reivindicación 6, en el que cada primer recorte (58a) en un paso (52) está en coincidencia total con el correspondiente segundo recorte (58b).

12. Un dispositivo de rotación según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que los recortes primeros y/o segundos (58a, 58b) se extienden hacia dentro en no más del 50%, y preferiblemente en no más del 40% del radio del rotor (40).

13. Un dispositivo de rotación según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que los recortes primeros y/o segundos (58a, 58b) se extienden hacia dentro en no menos del 10% y preferiblemente en no menos del 20% del radio del rotor (40).

14. Un dispositivo de rotación según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la superficie periférica del rotor (40) en un plano ortogonal al eje geométrico del eje (30) es nominalmente un círculo, y la relación de la longitud del arco de la circunferencia del círculo separada en el techo (42) por el primer recorte o los primeros recortes (58a) o separada de la base (44) por el segundo recorte o los segundos recortes (58b), contigua a un paso dado (52), multiplicada por el número de pasos (52), a la circunferencia del círculo, es de al menos 0,3, y preferiblemente de al menos 0.6.

15. Un dispositivo de rotación según la reivindicación 14, en el que la relación es no superior a 0,9.

16. Un dispositivo de rotación según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el eje (30) y el rotor (40) están formados por separado, estando los dos unidos entre sí por medios de fijación liberables.

17. Un rotor para uso en el dispositivo de rotación de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, teniendo dicho rotor un techo (42) y una base (44), estando dicho techo (42) y dicha base (44) espaciados entre sí y conectados por una pluralidad de divisores (50);

estando definido un paso (52) entre cada par de divisores (50) adyacentes y el techo (42) y la base (44), teniendo cada paso (52) una entrada (54) en una superficie interior del rotor (40) y una salida (56) en una superficie periférica del rotor (40), teniendo cada salida (56) un área de la sección transversal mayor que la de la respectiva entrada (54) y estando dispuesta radialmente hacia fuera desde la misma;

estando definido un camino para el flujo a través de las entradas (54) de los pasos (52) y hacia fuera por las salidas (56); y

una cámara (48) en la cual puede tener lugar el mezclado del metal fundido y el gas, en que la cámara (48) está situada radialmente hacia dentro de las entradas (54) y tiene una abertura en la base (44) del rotor (40) y está en el camino del flujo entre el eje (30) y las entradas (54), de tal modo que en uso, cuando gira el dispositivo, el metal fundido es aspirado a la cámara (48) a través de la base (44) del rotor (40) en donde se mezcla con el gas que pasa a la cámara (48) desde el eje (30), siendo después bombeado el metal con la dispersión de gas a los pasos (52) a través de las entradas (54), antes de ser descargado desde el rotor (40) a través de las salidas (56);

18. Una unidad (170) para tratamiento de metales, para desgasificar y/o para adición de sustancias para tratamiento del metal, que comprende el dispositivo de rotación de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16.

19. Un método para tratar metal fundido, que comprende los pasos de:

(i) sumergir el rotor (40) y parte del eje (30) del dispositivo de rotación de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16 en el metal fundido a ser tratado;

(ii) hacer girar el eje (30), y

(iii) hacer pasar gas y/o una o más sustancias de tratamiento por el eje (30) y al interior del metal fundido, por medio del rotor (40), y/o hacer pasar una o más sustancias de tratamiento directamente al metal fundido, para así tratar el metal.

20. El método según la reivindicación 19, en el que el metal a ser tratado se selecciona de entre el aluminio y sus aleaciones, el magnesio y sus aleaciones y el cobre y sus aleaciones.

21. El método según la reivindicación 19 o 20, en el que el gas hecho pasar en el paso (iii) es un gas inerte seco.