IT202000003871A1 - Forno per alluminio e sue leghe, con sistema di degassaggio per la rimozione di idrogeno dall'alluminio fuso - Google Patents

Description

Forno per alluminio e sue leghe, con sistema di degassaggio per la rimozione di idrogeno dall'alluminio fuso

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un forno per la fusione o l'attesa di alluminio e sue leghe. Ogni riferimento nella presente descrizione al metallo deve intendersi come un riferimento all'alluminio o alla lega di alluminio.

Nella fusione dell'alluminio e delle sue leghe, sia di quello primario, sia di quello secondario ossia recuperato da rottame, esiste il problema della presenza di idrogeno nel metallo fuso.

La solubilit? dell'idrogeno ? molto elevata nell'alluminio allo stato liquido e pertanto ? possibile che una relativamente grande quantit? di idrogeno sia presente disciolta nell'alluminio fuso contenuto nel bagno all'interno di un forno. Questa presenza non provoca manifestazioni particolari o inconvenienti nel forno, ma crea problemi nei getti di alluminio che da quel forno saranno prodotti.

Infatti, la solubilit? dell'idrogeno diventa praticamente zero nell'alluminio allo stato solido. Questo vuol dire che quando viene prodotto un pezzo di alluminio partendo dal metallo fuso prelevato dal bagno nel forno, dall'alluminio si separano bollicine di idrogeno durante la solidificazione; queste bollicine possono rimanere intrappolate nel pezzo a solidificazione completata, formando delle micro-cavit? che peggiorano le caratteristiche meccaniche del pezzo in modo anche molto rilevante. In particolare, la resistenza meccanica del pezzo (a compressione, a trazione, a flessione o a torsione) risulta ridotta rispetto a quella teoricamente ottenibile con alluminio esente da queste microcavit?.

Per questo motivo, sono stati sviluppati nel tempo metodi detti di degassaggio, per rimuovere l'idrogeno dall'alluminio liquido nel forno. I metodi di degassaggio noti sono fondamentalmente di due tipi: di tipo chimico e di tipo fisico.

I metodi di tipo chimico sono basati sull'introduzione nel bagno di cloro sotto forma di gas o sali. Il cloro si combina con l'idrogeno formando acido cloridrico che ? molto volatile e quindi si disperde, uscendo dal bagno. Per evitare che l'acido cloridrico si disperda nell'ambiente (creando problemi di inquinamento a causa della sua marcata aggressivit?), ? necessario prevedere un sistema di cappe per aspirarlo al di sopra del bagno ed indirizzarlo verso un idoneo impianto di trattamento.

Con i metodi di tipo fisico, vengono invece introdotti nel bagno dei gas inerti (tipicamente azoto o argon). Il gas inerte forma delle bolle nel metallo fuso e cattura l'idrogeno disciolto trascinandolo rapidamente verso la superficie. Per iniettare il gas inerte, vengono usati sistemi di soffiaggio relativamente complessi, quali lance rotanti o comunque mobili, per cercare di ottenere una distribuzione del gas in tutta la massa di metallo liquido; ? evidente per? che questi sistemi che prevedono dispositivi soffianti immersi nell'alluminio fuso sono soggetti a rapida usura e quindi necessitano di sostituzioni frequenti. Rispetto ai sistemi chimici, il maggior costo per la sostituzione periodica dei dispositivi soffianti prevale sul risparmio consentito dal non dover prevedere un accurato sistema di cappe di aspirazione. Questi sistemi sono quindi adottati per il loro minor rischio ambientale, ma implicano un aumento dei costi.

Si determina quindi una situazione di concorrenza distorta fra produttori di pezzi in alluminio di fusione che operano in paesi con sensibilit? ambientali diverse: chi opera in certi paesi poco attenti alla protezione dell'ambiente, potr? essere indotto ad adottare sistemi di degassaggio chimici ottenendo costi di produzione minori e quindi potr? offrire sul mercato prodotti a prezzi pi? competitivi.

Sono stati proposti anche sistemi di degassaggio fisico senza dispositivi di soffiaggio immersi nel bagno di alluminio fuso. In particolare, ? stato proposto (vedasi ad esempio CN 201021457Y) di prevedere sul fondo del bacino di fusione un diffusore permeabile al gas, o setto poroso. Il diffusore ? affacciato sia verso l'interno del bacino di metallo liquido sia verso un collettore esterno, collegato ad un sistema di alimentazione di gas inerte. In questo modo, il gas inerte viene in qualche modo distribuito dal diffusore all'interno del bagno di metallo liquido. Tuttavia, la diffusione del gas inerte nel bagno di metallo liquido risulta abbastanza concentrata nella zona di bagno sovrastante il diffusore, mentre le zone del bagno pi? lontane dal diffusore ricevono una quantit? minima o nulla di gas inerte. In definitiva, il degassaggio ottenuto in questo modo richiede tempi lunghi ed ? talora insufficiente.

Esiste quindi l'esigenza di migliorare le tecniche di degassaggio, in modo da garantire buoni risultati senza tuttavia imporre costi elevati.

Pertanto, la presente invenzione riguarda un forno per alluminio e sue leghe secondo la rivendicazione 1; sue caratteristiche preferite sono riportate nelle rivendicazioni dipendenti.

In particolare, il forno comprende:

- un bacino, per il metallo fuso, formato -dall'interno verso l'esterno- da uno strato refrattario destinato nell'uso al contatto con il metallo fuso e con gas sovrastanti il metallo fuso, uno strato isolante ed un involucro metallico, in cui il bacino comprende una porzione inferiore destinata nell'uso normale ad essere sempre a contatto con il metallo fuso ed una porzione superiore destinata nell'uso ad essere a contatto con i gas sovrastanti il metallo fuso ed eventualmente con il metallo fuso, a seconda del riempimento del bacino,

- un sistema di degassaggio, per la rimozione di idrogeno dal metallo fuso contenuto nel bacino,

caratterizzato dal fatto che il sistema di degassaggio comprende:

- una suola attiva, formata da una frazione della porzione inferiore del bacino avente superficie pari ad almeno il 50% della superficie della porzione inferiore del bacino, in cui lo strato refrattario e lo strato isolante della suola attiva hanno una porosit? tale da permettere il passaggio di gas, ma non di metallo fuso;

- almeno un passaggio di ingresso gas, formato nell'involucro in corrispondenza della suola attiva;

- almeno un condotto di ingresso gas, collegato a valle al passaggio di ingresso gas ed a monte ad un dispositivo di alimentazione di gas inerte.

Ai fini della misurazione delle superfici qui menzionate, si intende che deve essere fatto riferimento alla superficie affacciata verso l'interno, ossia verso il bagno.

La richiedente si ? resa conto che sia i materiali refrattari, sia i materiali isolanti normalmente utilizzati per i forni per la fusione di alluminio o leghe di alluminio possono avere una certa porosit? e che scegliendo adeguatamente questi materiali ? possibile fare in modo che possano essere attraversati da un gas, pur garantendo che non sia mai possibile il passaggio di metallo fuso. La suola attiva cos? realizzata, quindi, svolge la funzione di distribuire il gas inerte in tutto il bagno di metallo liquido, in modo efficace ed uniforme.

Preferibilmente, il sistema di degassaggio comprende inoltre un setto barriera, impermeabile al gas, fra gli strati refrattario ed isolante della suola attiva ed i rispettivi strati refrattario ed isolante della restante parte della porzione inferiore del bacino, in cui il setto barriera ? raccordato con l'involucro.

In questo modo, grazie al setto barriera che separa una frazione anche molto estesa della porzione inferiore del bacino, questa frazione diventa una suola attiva in grado di svolgere essa stessa la funzione di distribuire il gas inerte all'interno del bagno di metallo liquido. Di conseguenza, la distribuzione di gas raggiunge facilmente ogni zona del bagno, assicurando la rimozione dell'idrogeno da tutto il metallo fuso. La suola attiva non deve estendersi nella porzione superiore del bacino, quella che non ? sempre a contatto con il metallo fuso; diversamente, il gas inerte alimentato tenderebbe a scegliere la via di minore resistenza e quindi finirebbe per andare in modo prevalente non nel bagno, bens? nei gas sovrastanti il bagno, risultando quindi del tutto inutile per il degassaggio.

Preferibilmente, la suola attiva ha superficie pari ad almeno il 70%, pi? preferibilmente almeno il 75%, della superficie della porzione inferiore del bacino. Maggiore ? l'estensione della suola attiva, pi? ampia ? la distribuzione del gas inerte; se quindi il volume del bagno ? elevato, risulta preferibile che la suola attiva sia molto estesa, al limite fino ad occupare l'intera porzione inferiore del bacino.

Preferibilmente, lo strato refrattario della suola attiva ? formato con un materiale avente porosit? maggiore rispetto al materiale dello strato refrattario della restante parte della porzione inferiore del bacino ed a quello della porzione superiore del bacino. Mentre il materiale refrattario della suola attiva deve consentire il passaggio del gas inerte, il materiale refrattario della restante parte della porzione inferiore del bacino ed a quello della porzione superiore del bacino pu? essere scelto liberamente e pu? quindi avere una minore porosit?, con conseguente migliore capacit? di resistenza termica.

Preferibilmente, lo strato isolante della suola attiva ? formato con un materiale isolante uguale a quello dello strato isolante della restante parte della porzione inferiore del bacino ed a quello della porzione superiore del bacino. Non essendoci diverse esigenze di isolamento termico, la scelta dello stesso materiale per i due diversi strati isolanti semplifica la costruzione del forno.

Preferibilmente, il setto barriera ? raccordato a tenuta di gas con l'involucro. Si evita cos? che una parte del gas inerte alimentato possa defluire fuori dalla suola attiva, arrivando alla fine al di sopra del bagno invece che all'interno di esso, risultando di fatto sprecata.

Preferibilmente, l'involucro ed il setto barriera sono di acciaio e sono saldati fra loro. Questo ? infatti un materiale impermeabile al gas ed adatto a reggere le condizioni ambientali nel forno.

Preferibilmente, l'involucro ? di acciaio ed ? saldato al setto barriera. In questo modo viene assicurata una ottima tenuta fra il setto barriera e l'involucro, evitando qualsiasi spreco di gas dovuto ad una tenuta imperfetta.

Preferibilmente, il setto barriera si estende attraverso parte dello strato refrattario, fino ad una distanza prefissata dal bagno; pi? preferibilmente, tale distanza ? compresa fra circa 1/2 e circa 2/3 dello spessore dello strato refrattario. In questo modo, il setto barriera non entra a contatto con il bagno; di conseguenza, il deterioramento nel tempo del setto barriera ? minore ed inoltre ? evitato qualsiasi rischio che il materiale del setto barriera possa essere incluso nel metallo fuso. D'altra parte, la mancanza di una barriera nello strato refrattario in un limitato tratto di spessore in prossimit? del metallo fuso non ostacola la corretta distribuzione del gas dalla suola attiva al metallo fuso: ? comunque piccola la parte di gas che va sprecata, diffondendosi nello strato refrattario della porzione inferiore del bacino diversa dalla suola attiva e raggiungendo direttamente i gas sovrastanti il bagno.

Preferibilmente, il sistema di degassaggio comprende una pluralit? di passaggi di ingresso gas, formati nell'involucro in corrispondenza della suola attiva, ed una pluralit? di condotti di ingresso gas, collegati a valle ai passaggi di ingresso gas ed a monte ad un dispositivo di alimentazione di gas inerte. In questo modo, l'immissione di gas risulta distribuita meglio in tutta la suola attiva e quindi anche l'uscita dalla suola attiva verso il metallo fuso risulta meglio distribuita in tutto il bagno.

Preferibilmente, il forno ? un forno di attesa o di attesa e dosaggio.

Infatti, ? proprio da forni di questo tipo che viene prelevato il metallo fuso per la realizzazione di pezzi colati in gravit? o pressocolati, che grazie all'invenzione risultano esenti da dannose inclusioni di microcavit?.

Il materiale dello strato refrattario della suola attiva pu? essere scelto fra diversi tipi di per s? noti, a patto che abbia una porosit? tale da consentire il passaggio di gas ma non di metallo fuso. Preferibilmente, tale materiale ? scelto fra refrattari da getto a medio -basso contenuto di cemento e refrattari a legante chimico, preferibilmente ad alto contenuto di allumina.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno meglio dalla seguente descrizione di una sua forma di realizzazione preferita, fatta con riferimento ai disegni allegati, in cui l'unica figura ? una vista schematica in sezione di un forno secondo l'invenzione, secondo un piano verticale.

Nelle figure, con 10 ? rappresentato in modo schematico un forno, in particolare un forno di attesa e dosaggio per la fusione di alluminio e sue leghe. Le parti ed i componenti del forno 10 non rilevanti ai fini della presente invenzione sono da intendersi di per s? convenzionali e non saranno descritti nel seguito.

Il forno 10 comprende un bacino 20, il quale ? formato da uno strato refrattario 21 interno, circondato esternamente da uno strato isolante 22; l'insieme dei due strati 21 e 22 ? poi racchiuso in un involucro 23 esterno (normalmente chiamato carpenteria), metallico ed in particolare di acciaio. Nel bacino 20, durante l'uso del forno 10, ? presente metallo fuso (alluminio o una sua lega), fino ad un livello 25. Ovviamente, il livello 25 del metallo fuso pu? variare a seconda del grado di riempimento del forno 10; quello rappresentato in figura ? da intendersi come il livello minimo durante l'uso normale, ossia quando il forno 10 ? pronto per fornire metallo fuso ad altre apparecchiature o impianti di produzione.

Il bacino 20 pu? essere idealmente visto come comprendente una porzione inferiore 30 ed una porzione superiore 40. La porzione inferiore 30 ? quella parte del bacino 20 che nell'uso normale ? sempre a contatto con il metallo fuso, ossia si trova al di sotto del livello 25; la porzione superiore 40 ? quella parte del bacino 20 che nell'uso normale ? superiormente sempre a contatto con i gas che sovrastano il metallo fuso, mentre inferiormente ? alternativamente a contatto con il metallo fuso o con i gas sovrastanti, a seconda del riempimento del bacino 20 e quindi del livello 25.

Il forno 10 comprende poi un sistema di degassaggio, per la rimozione di idrogeno dal metallo fuso contenuto nel bacino 20. Il sistema di degassaggio comprende una suola attiva 32, la quale ? formata da una frazione della porzione inferiore 30 del bacino 20; pi? in particolare, l'estensione della suola attiva 32 ? pari ad almeno il 50% della superficie della porzione inferiore 30 del bacino 20, ma pu? essere pi? estesa, arrivando preferibilmente anche al 70%, 75% o anche oltre. Non ? invece opportuno che la suola attiva 32 si estenda anche nella porzione superiore 40 del bacino 20, per i motivi che saranno chiari nel seguito.

La suola attiva 32, come il resto del bacino 20, comprende uno strato refrattario, qui indicato con 21', ed uno strato isolante, qui indicato con 22'.

Lo strato refrattario 21' ? fatto con materiale diverso da quello dello strato refrattario 21 del resto del bacino 20; in particolare, lo strato refrattario 21' ? poroso con una porosit? superiore a quella dello strato refrattario 21. La porosit? dello strato refrattario 21' ? in particolare tale da permettere il passaggio di gas attraverso di esso, ma non di metallo fuso.

Lo strato isolante 22' ? anch'esso poroso, in modo da permettere il passaggio di gas attraverso di esso; ? invece irrilevante il comportamento rispetto al metallo fuso, dal momento che lo strato isolante 21' non entra in contatto con esso. Lo strato isolante 22 del resto del bacino 20 pu? vantaggiosamente essere fatto con lo stesso materiale poroso dello strato isolante 22'.

Il sistema di degassaggio del forno 10 comprende preferibilmente un setto barriera 34, che separa la suola attiva 32 dal resto del bacino 20; pi? precisamente, il setto barriera 34 separa gli strati refrattario ed isolante 21' e 22' dagli strati refrattario ed isolante 21 e 22 del resto del bacino 20.

Il setto barriera 34 ? impermeabile ai gas ed ? preferibilmente realizzato in acciaio. Verso l'esterno del bacino 20, il setto barriera 34 ? raccordato -preferibilmente a tenuta, mediante saldatura- all'involucro 23; verso l'interno del bacino 20, invece, il setto barriera 34 si estende attraverso tutto lo strato isolante 22, 22', ma solo attraverso una parte dello strato refrattario 21, 21', arrivando ad una distanza prefissata dal bagno. Questa distanza ? preferibilmente compresa fra circa 1/2 e circa 2/3 dello spessore dello strato refrattario 21, 21'.

Il sistema di degassaggio comprende inoltre uno o pi? passaggi di ingresso gas 36, formati nell'involucro 23 in corrispondenza della suola attiva 32. Questi passaggi di ingresso gas 36 sono collegati tramite uno o pi? condotti di ingresso gas 37 ad un dispositivo 38 di alimentazione di gas inerte; il dispositivo 38 pu? essere un serbatoio di gas o altro dispositivo idoneo ed ? rappresentato solo schematicamente nella figura. Il gas inerte alimentato nel bacino 20 dal dispositivo 38 attraverso i condotti 37 ed i passaggi 36 ? preferibilmente azoto oppure argon.

Nell'uso, quando il forno 10 viene utilizzato per avere a disposizione un bagno di alluminio o lega di alluminio allo stato liquido, ad esempio in combinazione con un impianto di pressocolata, nel bacino 20 si trova una certa quantit? di metallo fuso, fino al livello 25. Se e quando le condizioni metallurgiche lo richiedono, ? possibile operare un degassaggio del metallo fuso alimentando gas inerte dal dispositivo 38, attraverso i condotti 37. Il gas inerte entra nella suola attiva 32 attraverso i passaggi di ingresso gas 36 e si diffonde all'interno della suola attiva 32 stessa, grazie alla sua porosit?. Il setto barriera 34 impedisce che il gas inerte esca dagli strati isolante 22' e refrattario 21' della suola attiva 32, disperdendosi negli strati isolante 22 e refrattario 21 del resto del bacino 20. Di conseguenza, il gas inerte fluisce nel bagno distribuendosi in modo molto uniforme in tutto il metallo fuso, grazie alla ampia estensione della suola attiva 32, ed ? quindi in grado di catturare l'idrogeno disciolto nel metallo fuso, trascinandolo verso la superficie. Si ottiene quindi un ottimo degassaggio del metallo, che permette di ottenere dei pezzi senza micro-cavit?, quindi di elevata qualit?.

Si noti che questo risultato viene ottenuto senza dover sostenere gli elevati costi di sistemi soffianti immersi nel bagno, che -a causa delle difficili condizioni termiche- sono soggetti a rapido deterioramento e quindi a necessit? di sostituzioni frequenti, dispendiose non solo per il costo delle parti da sostituire, ma anche e soprattutto per la necessit? di fermare il funzionamento del forno.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Forno per alluminio e sue leghe, comprendente: - un bacino (20), per il metallo fuso, formato -dall'interno verso l'esterno- da uno strato refrattario (21) destinato nell'uso al contatto con il metallo fuso e con gas sovrastanti il metallo fuso, uno strato isolante (22) ed un involucro (23) metallico, in cui il bacino (20) comprende una porzione inferiore (30) destinata nell'uso normale ad essere sempre a contatto con il metallo fuso ed una porzione superiore (40) destinata nell'uso ad essere a contatto con i gas sovrastanti il metallo fuso ed eventualmente con il metallo fuso, a seconda del riempimento del bacino (20), - un sistema di degassaggio, per la rimozione di idrogeno dal metallo fuso contenuto nel bacino, caratterizzato dal fatto che il sistema di degassaggio comprende: - una suola attiva (32), formata da una frazione della porzione inferiore (30) del bacino (20) avente superficie pari ad almeno il 50% della superficie della porzione inferiore (30) del bacino (20), in cui lo strato refrattario (21') e lo strato isolante (22') della suola attiva (32) hanno una porosit? tale da permettere il passaggio di gas, ma non di metallo fuso; - almeno un passaggio di ingresso gas (36), formato nell'involucro (23) in corrispondenza della suola attiva (32); - almeno un condotto di ingresso gas (37), collegato a valle al passaggio di ingresso gas (36) ed a monte ad un dispositivo (38) di alimentazione di gas inerte.
2. 2. Forno secondo la rivendicazione 1, in cui il sistema di degassaggio comprende inoltre: - un setto barriera (34), impermeabile al gas, fra gli strati refrattario (21') ed isolante (22) della suola attiva (32) ed i rispettivi strati refrattario (21) ed isolante (22) della restante parte della porzione inferiore (30) del bacino (20), in cui il setto barriera (34) ? raccordato con l'involucro (23).
3. 3. Forno secondo la rivendicazione 1, in cui la suola attiva (32) ha superficie pari ad almeno il 70%, preferibilmente almeno il 75%, della superficie della porzione inferiore (30) del bacino (20).
4. 4. Forno secondo la rivendicazione 1, in cui lo strato refrattario (21') della suola attiva (32) ? formato con un materiale avente porosit? maggiore rispetto al materiale dello strato refrattario (21) della restante parte della porzione inferiore (30) del bacino (20) ed a quello della porzione superiore (40) del bacino (20).
5. 5. Forno secondo la rivendicazione 1, in cui lo strato isolante (22') della suola attiva (32) ? formato con un materiale isolante uguale a quello dello strato isolante (22) della restante parte della porzione inferiore (30) del bacino (20) ed a quello della porzione superiore (40) del bacino (20).
6. 6. Forno secondo la rivendicazione 1, in cui il setto barriera (34) ? raccordato a tenuta di gas con l'involucro (23).
7. 7. Forno secondo la rivendicazione 1, in cui l'involucro (23) ed il setto barriera (34) sono di acciaio e sono saldati fra loro.
8. 8. Forno secondo la rivendicazione 1, in cui il setto barriera (34) si estende attraverso parte dello strato refrattario (21, 21'), fino ad una distanza prefissata dal bagno.
9. 9. Forno secondo la rivendicazione 1, in cui il sistema di degassaggio comprende una pluralit? di passaggi di ingresso gas (36), formati nell'involucro (23) in corrispondenza della suola attiva (32), ed una pluralit? di condotti di ingresso gas (37), collegati a valle ai passaggi di ingresso gas (36) ed a monte ad un dispositivo (38) di alimentazione di gas inerte.
10. 10. Forno secondo la rivendicazione 1, in cui il forno (10) ? un forno di attesa o di attesa e dosaggio.