KR0144013B1 - 용융 알루미늄 정련 장치의 스피닝 노즐 조립체에 사용되는 베인형 회전자 - Google Patents

Abstract

최고로 유용한 알루미늄 정련속도는 알루미늄 정련작업동안 정련실내에 위치한 스피닝 노즐조립의 회전자 아래에 정련실을 가로질러 배플수단을 병함함으로써 증가된다

Description

용융 알루미늄 정련 장치의 스피닝 노즐 조립체에 사용되는 베인형 회전자

본 발명은 용융알루미늄 정련에 관한 것으로서 특히, 용융 알루미늄내에 가스를 분산시키는 것에 관한 것이다.

1차 금속, 스크랩 및 재 용융인곳 등과 같은 대부분 일반적인 자원들에서 얻어지는 용융 알루미늄은 인곳, 쉬트(sheet) 혹은 바(bar)로 주조하기 전에 정련 처리되어야 한다. 이것은 질소 혹은 아르곤과 같은 불활성 가스를 기포화 시켜서 용융 상태의 알루미늄에 통과시킴으로써 행해진다. 실시예에서는, 일반적으로 염소인 할로겐 가스가 첨가되거나, 혹은 할로겐 가스만이 이런 정련목적에 사용된다.

이런 형태의 처리에 의해 용해된 수소, 나트륨 혹은 리튬같은 알칼리금속 및, 산화 알미늄같은 작은 고체입자를 제거할 수 있다. 이런 처리에서 주어진 가스부피의 효과는 용융 알루미늄내 가스의 기포크기를 감소시킴으로써 총 가스-금속의 표면적을 증가시키는 것에 의해서 증가된다. 가스기포의 효과는 또한 처리되어져야 할 용융 알루미늄 전체에 걸쳐서 상기 가스기포를 분산시켜도 증가한다. 작은 기포를 만들거나 이들을 분산시키는 가장 효과적인 방법은 알루미늄 용융체내에 위치되는 스피닝 노즐의 사용에 의한 것이다. 호울더로부터 주조 스테이션까지 흐르는 금속의 인-라인(in-line) 정련용으로는, 유니온 카바이드 인더스트리얼 개시즈 회사의 SNIFTM을 포함한 통상적인 시스템들이 상기 정력에 이용되어질 수 있다. 미 합중국 특허 제 4 784 374 호에서는 상기 SNIFTM 시스템의 실시예를 예시하고 있다.

스피닝 노즐 시스템의 정련속도는 유입된 공정가스 흐름속도를 증가시큼으로써 증가될 수 있다. 시스템의 정련구역내에 작은 기포를 계속적으로 생성시켜 상기 구역내에 작은 기포를 분산시키기 위해서는 노즐회전속도를 증가시켜야 한다.

가스흐름 및 노즐회전 속도 증가는 용융 알루미늄 표면상의 교반을 증가함에 의해서도 수반된다. 그러나 상기 정련시스템의 최대 정련 속도는 정련시스템내의 허용가능한 최대 표면교반에 의해서 한정된다.

과도한 표면교반은 몇가지 이유로 정련시스템내에서 불필요하다. 즉, 과도한 표면교반에 의해 생성된 증가된 금속표면적은 존재할 수 있는 반응가스와 격렬한 반응을 한다. 예를들면, 공기중의 산소와 반응하여 알루미늄 산화막을 형성하고, 공기중의 수증기는 반응하여 금속 및 산화막내 수소를 형성한다. 게다가, 고체 입자들이 정련가스기포에 의해서 용융금속 표면으로 운반되면, 표면 교반은 기포으로부터 고체 입자들의 분리 및 용융 알루미늄상에 형성된 떠 있는 드로스 층으로 고에입자들이 결합하는 것을 방해한다. 과도한 교반은 또한 떠 있는 드로스가 용융 알루미늄내로 재분산하게 한다. 과도한 표면교반의 효과를 측정하기가 어렵지만, 알루미늄 정련 기술의 당업자들은 격렬한 표면교반이 불필요하다는 것을 경험으로 알고 있고, 실제 통상 작업에서는 적절한 수준까지 표면교반을 제한하려고 노력한다.

종래 기술에 있어서는 스피닝 노즐 시스템의 알루미늄 정련속도를 증가시킬 필요성이 있었다. 즉, 전술한 스피닝 노즐 시스템에서와 같은, 과도한 표면교반없이 최고로 유용한 정련속도로 증가시키기 위해서는 가스흐름속도 및 노즐회전속도를 증가시키는 것이 필요로 된다.

그러므로, 본 발명의 목적은 알루미늄 제조용 정련 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 하나이상의 스피닝 노즐을 사용하고 개선된 정련속도로 작동할 수 있는 알루미늄 정련 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 높은 가스흐름속도 및 노즐회전속도로 작동할 수 있고 그러한 속도 증가에 따른 용융금속의 표면상의 교반이 증가하지 않는 스피닝 노즐 알루미늄 정련 시스템을 제공함에 있다.

최고로 유용한 정련 능력 혹은 스피능 노즐형 알루미늄 정련 시스템의 속도는 정련실의 기저부를 가로지른 또는 스피닝 노즐장치의 회전자 중심아래의 수직 배플(baffle) 혹은 리브(rib)의 병합에 의해서 증가된다. 또한 이런 능력의 증가는 상기 스피닝 노즐회전자의 독특한 설계에 의해서 수행된다.

도 1은 SNIFTM 시스템에 사용된 것과 같은 스피닝 노즐 회전자의 평면도

도 2는 고정자가 부착된 스피닝 노즐 회전자의 측면도

도 3은 고정자가 없는 또다른 형태의 스피닝 노즐 회전자의 평면도

도 4는 도 3 스피닝 노즐 회전자의 측면도

도 5는 본 발명의 실시에 사용되는 배플수단을 포함하는 용융 알루미늄 인-라인(in-line) 정련 시스템의 전형적인 스피닝 노즐형의 측면도

도 6은 도 5 스피닝 노즐 시스템의 평면도

도 7은 본 발명의 실행에 사용된 상기 배플(baffle) 수단의 상세 단면도

도 8은 특별한 형상의 배플 수단을 병합한 본 발명의 스피닝 노즐 정련 시스템의 상세 단면도.

도 9는 본 발명의 실행에 유용한 알루미늄 정련실의 측면도.

도 10은 도 9 알루미늄 정련실의 평면도.

도 11은 본 발명의 실시에 바람직하게 사용되는 회전자의 평면도.

도 12는 본 발명의 실시에 사용된 고정자를 갖춘 도 11의 고정자 측면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1,7,21: 회전자 2,8,20,41: 축

3,9,42: 베인 4,10,43: 홈

5,19,48: 고정자 6,22: 공간

12: 구멍출구 13,30: 정련실

14: 절연덮개 15,33: 유입구

16,34: 출구 17: 레벨

23: 알루미늄 용탕 24: 가스공간

25: 수직배플수단 29: 빗면

31: 격벽 32,35: 구획

37,38: 구획 40: 특별한 회전자

44: 홈부 46: 원통형 기저부

45: 제한부 50: 블록부

51: 오목부

본 발명의 목적에 맞는 스피닝 노즐은 돌출한 베인 및 베인들 사이의 공간으로 진행가스를 유입하기 위한 몇몇 기구를 갖는 원통형 회전자로 구성된다. 상술한 SNIFTM 시스템에 사용된 회전자는 제 1 및 제 2도에 도면부호(1)로 표시되었으며, 상기 회전자의 회전을 위한 도시않은 구동수단을 갖는 축상에 장착된다. 회전자는 회전자의 주위로 돌출하여 이격된 형상의 베인(3)을 갖는 것으로 도시됐다.

각 베인(3)들 사이에 있는 홈들은 도면부허(4)로 표시됐다. 상기 베인을 갖춘 회전자(1)는 상기 회전자상의 축(2) 주변에 위치한 고정자와 같이 제 2도에 도시됐다. 축(2)과 고정자(5) 사이의 환상형 공간에서 아래로 흐르는 진행 가스는 회전자(1)의 상부와 고정자(5)의 하부사이의 공간(6)으로부터 회전자(1)에 들어간다.

제 3도 및 제 4도에 도시된 실시예에 있어서, 스피닝 노즐은 추가의 고정자 없이 회전자를 구성한다. 실시예에 있어서 회전자(7)는 축(8)상에 올려지고 회전자의 주위공간에 베인(9)들을 포함하고 인접된 베인(9)들 사이에 존재하는 홈(10)들을 갖는다. 축(8)은 진행가스가 아래의 회전자(7)로 흐를 수 있도록 관통하여 뻗어있는 구멍(11)을 갖고 있다. 가스가 베인들 사이의 공간, 즉 홈(10)으로 흐르게 하기 위해서, 회전자(7)는 축(8)내 구멍(11)으로부터 베인(9)들 사이의 외부홈(10)들로 뻗어있는 가스출구(12)를 포함한다.

전형적인 스피닝 노즐형의 용융 알루미늄 인-라인 정련 시스템은 제 5도에 도시됐고, 예시된 목적을 위해 제 1도 및 제 2도에 도시된 것과 같은 회전자-고정자 조립품이 있다. 이 시스템에서, 절연성 내화물로 둘러싸여 있는 정련실(13)은 절연덮개(14) 및 용융 알루미늄 입구(15)와 반대방향의 출구(16)를 포함하고 있다.

작업중, 용융 알루미늄은 스피닝 노즐 조립체에 바람직한 용융 알루미늄레벨(17)로 유지된다. 스피닝 노즐 조립체는, 도면부호(18)로 표시되어 있고 작업레벨(17) 아래에 있는 용융 알루미늄속에 위치되어 있으며, 고정자(19) 및 그 내측에 수납되는 축(20)은 절연덮개를 관통하여 위로 뻗어 있다. 회전자(21)는 상기 고정자(19)하부에 위치해 있어서, 고정자(19) 및 회전자(21) 사이의 공간(22)에 있는 가스 기포의 크기를 감소하고 알루미늄 정련작업중 정련실(13)에 있는 알루미늄 용탕(23) 전체에 걸쳐 상기 가스기포를 분산시킨다.

용융 알루미늄은 입구(15)를 통해 정련실(13)로 계속적으로 유입되고 스피닝 노즐(18)이 알루미늄 용탕(23)을 섞고 상기 스피닝 노즐을 통해 작은 가스 기포의 형태로 유입된 가스를 상기 용탕 내부에 분산시키고 상기 작은 기포들을 용융 알루미늄 전체에 분배시키는 스피닝 노즐의 작동에 의해서 연속적으로 정련된다. 정련된 용융 알루미늄은 정련실(13)로 부터 출구(16)를 통해 계속적으로 나온다.

용융 알루미늄으로 부터 고체입자 및 알칼리 금속의 추출결과로 생성된 드로스(Dross)는 용융 알루미늄의 표면에 떠 다니고 거기서 제거된다. 진행 가스기포에 의해서 용융 알루미늄으로부터 제거된 수소는 알루미늄 작업레벨(17)위의 가스공간(24)에 들어가고 소모된 진행가스와 함께 정련실(13)에서 제거된다.

본 발명의 실시예에서, 수직 배플(baffle) 기구는 정련실(13) 내부의 기저부를 가로질러 회전자(21)아래에 위치함으로써 스피닝 노즐 알루미늄 정련 시스템에 최고로 유용한 정련능력을 증가시킨다. 제 6도에 도시된 것처럼, 배플수단(25)는 회전자(21)의 중심아래에 위치하는 것이 중요하다. 배플수단(25)는 내화물질로 된 단순한 직사각형 시트이고, 의도된 목적에 맞는 적당한 강도의 두께로 된다. 실제 작업시스템내에서 사용되는 상기 배플수단(25)의 적절한 형태는 제 7도에 도시했고, 거의 삼각단면은 예비정련 청정작업동안 역학적 손상을 극복할 정도로 강하고 또한 제 5도에 도시한 실시예와 같은 수직볼록부를 갖는 배플수단보다는 정련실(13)기저부를 청정하는 것이 더 쉬운 빗면을 제공한다.

제 8도에 도시한 실시예에서, 배플수단(25)는 회전자(21)의 중심아래 및 주변에 일정한 고도부(26)를 갖는 것처럼 도시됐고, 정련실(13) 측벽방향을 따라 위로 뻗어잇는 끝이 올라간 부분(27 및 28)을 갖고 있다. 배플수단의 고도가 증가된 것은 정련효과를 약간 증가시키지만, 이것은 본 발명의 필수적인 특징은 아니다.

알루미늄 정련에 사용된 스피닝 노즐은 제 6도에 도시된 것처럼 직사각형 정련실의 중심에 위치해있다. 그러나, 스피닝 노즐은 제작 혹은 접근의 편리성과 같은, 몇가지 이유로 필요한 때는 상기 정련실내 중심에서 벗어나 위치한다. 아무튼, 본 발명의 배플수단은 스피닝 노즐의 회전자 요소의 중심아래에 위치한다. 정련실이 수직한 면을 갖는 직사각형이면, 상기 배플수단는, 제 6도에 도시된 것처럼, 직사각형의 짧은 면 혹은 긴 면에 평행하게 위치한다. 그러나, 짧은 면에 평행하게 위치할 때 가장 효과적이다. 정련실(13)은 챔버의 청소를 용이하게 하기 위해 제 9도에 도시한 벽(29)과 같은, 정련실의 한쪽 끝, 즉 한면에 기울어진 벽을 가질수도 있다. 그러한 실시예에서, 배플수단(39)는 기울어진 벽(29)의 기저부에 평행하게 위치한다.

본 발명의 배플수단의 유용한 높이는 어떤 특별한 정련적용 즉, 정련실 및 그 정련실에 사용된 스피닝 노즐의 크기에 의존한다고 이해해야 한다. 현재 사용하고 있는 종래의 정련시스템은 직경이 17.8 내지 25.4cm(7 내지 10인치)이고 높이가 6.35 내지 10.2cm(2½ 내지 4인치)인 크기범위의 스피닝 노즐을 갖는다. 이 크기의 시스템에서, 본 발명의 배플수단의 높이는 전형적으로 5.08 내지 20.3cm(2 내지 8인치)이상이고, 7.62 내지 12.7cm(3 내지 5인치)가 배플높이로 적당하다.

본 발명의 배플수단의 상부와 스피닝 노즐회전자의 바닥사이의 거리는 1.27 내지 10.16cm(½ 내지 4 인치)정도이다. 매우 작은 틈새, 즉 1.27cm(½ 인치)는 용융 알루미늄 청정에 유리하다. 그러나 실제로, 상부 유동으로부터 발생하는 작고, 단단한 내화 입자는 부주의 탓으로 용융 알루미늄내에 존재한다. 이런 내화 입자는 본 발명의 배플과 회전자사이에 포획되게 되어 전형적으로 흑연으로 만든, 회전자 및 축의 파손을 일으킨다. 그러므로 실제 작업관점에서, 배플수단의 상부와 회전자 아래사이의 틈새는 5.08 내지 7.62cm(2 내지 3 인치)가 되게 한다. 예를들면, 10.16cm(4인치) 배플위 5.08cm(2인치) 틈새는 알루미늄 정련에 사용되는 SNIFTM 시스템의 작업시 일반적으로 발견되는 모든 종류 및 크기의 내화입자들로 부터 손상 가능성을 피한다.

본 발명의 실시를 위해서는 전형적인 수중 모델 시험에 기초한 다음 보기를 예시한다. 이 목적을 위해서, 정련실 및 스피닝 노즐의 완전한 크기의 모델들이 사용된다. 상기 실시예에 있어서는 설정된 알루미늄 금속의 유속에 일치하는 유속을 갖는 물이 상기 모델을 통과하게 된다. 산소는 정련실을 통과하는 공기를 기포화함으로써 상기 물속에 용해되고, 유입 및 유출수내에 용해된 산소함량이 측정된다. 유입수는 일반적으로 7ppm 의 용해산소를 포함한다. 스피닝 노즐은 진행가스로서 질소와 작동된다. 수중 모델에서의 노즐 작동은 실제 알루미늄 제련작업에 있어서 용융 알루미늄으로부터 산소를 제거하는 것에 대응하는 방법으로 수중으로 부터 산소를 제거하도록 작동한다. 상기 시스템의 성능은 다양한 액체 유속, 노즐 작동 매개변수 즉 가스흐름, 회전속도와 회전방식, 및 전체 제련 시스템에 있어서의 산소제거 능력으로부터 결정된다.

알루미늄 정련시스템에서 진행가스는 실제작업시 700℃까지 가열되므로, 진행가스는 주위조건하에서 처음부피의 3배까지 팽창한다. 따라서, 실제 작업에서 정련되는 용융 알루미늄에 사용된 것과 같은 수냉모델 시험의 가스부피를 제공하기 위해서, 수중모델에서의 가스흐름은 모델된 가스흐름의 3배에서 시작한다. 다음 실시예의 경우에, 실제 사용된 부피의 3배라기 보다는 모델화된 가스흐름을 참조한다.

[실시예 1]

정련시스템의 한 모델이 제 9도 및 제 10도에 도시되어 있다. 제 10도에 도시한 것처럼, 모델은 두개의 노즐 시스템을 가지며, 정련실(30)은 그 자체내에 격벽(31)을 가지고 있고 격벽은 작업공간을 두개로 분리된 정련구획으로 나눈다. 그리고 용융 알루미늄은 입구(33)를 통해 제 1 구획(32)으로 들어가고 정련된 용융 알루미늄은 제 2 구획(35)으로부터 출구(34)를 통해 시스템에서 방출된다. 격벽(31)내 교차된 구멍(36)은 용융 알루미늄이 제 1 구획으로 부터 두번째 구획으로 흐르도록 한다. 스피닝 노즐 조립체(37)는 상기 제 1 구획(32)내에 위치하고, 두번째 스피닝 노즐 조립체(38)는 상기 제 2 구획(35)내에 위치한다.

각 구획은 바닥의 길이가 76.2cm(30 인치)이고 넓이가 61cm(24인치)이다.

각 구획의 전면벽(29)은 제거 및 청정을 용이하게 하기 위해 20°의 각도로 기울어져 있다. 작업중 액체깊이는 76.2cm(30인치)이다. 노즐(37 및 38)은 61cm(24인치)의 직선 거리에 중심이 있다. 각 상기 노즐은 모델의 전면에서부터 청정하기에 적당한 접근을 제공하기 위해 뒷벽으로부터 30.08cm(12인치)에 위치한다. 각 구획에 사용된 회전자 및 고정자는 제 1 도 및 제 2 도에 도시한 형태와 같고, 회전자의 외부 직경은 10.05cm(7½ 인치)이고 회전자의 높이는 6.08cm(27/16 인치)이다.

회전자는 8개의 베인을 갖고, 각 베인은 길이가 3.17cm(1¼ 인치)이고 넓이가 2.54cm(1 인치)이다. 회전자의 하부는 각 구획내 정련실 기저부로부터 11.4cm(4½ 인치) 떨어져 있다. 이런 시스템이 알루미늄 정련에 사용되면, 최대 정련 속도는 노즐당 4½ CFM(피트3/분) 아르곤으로 설정되고, 노즐의 회전속도는 500RPM 이다. 이런 조건하에서, 용융 금속표면은 보통 작업에서 견딜수 없을만큼 교반한다. 훨씬 더 부드럽고 바람직한 표면 조건은 단지 3CFM의 아르곤 흐름속도 및 450RPM 노즐속도에서 작동함으로서 얻어진다. 이러한 조건들은 수중모델 시험에서 측정한 바로는, 정련속도가전술한 최대 가스 흐름 및 노즐속도를 갖는 정련속도의 약 75%까지 감소함에도 불구하고 보통 작업에 사용된다. 이러한 두개의 작동조건을 보인 수중 모델 테스팅에서, 생성된 표면 교반은 실제 정련시스템 작동에서 관찰된 교반과 잘 맞는다.

본 발명에 따른, 높이가 8.8mc(3½ 인치)이고 두께가 1.9CM(¾ 인치)인 배플(39)은 노즐(37, 38)의 회전자의 중심아래에 정련실(30)의 기울어진 전방벽(29)과 후벽에 평행하게 놓여진다. 그래서, 본 시스템이 610RPM 및 5 CFM의 가스흐름속도에서 작동될 때, 표면은 배플(39) 없이 500RPM 및 4½ CFM의 상태일 때 처럼 좋다. 즉, 과도한 교반이 없다. 그러나, 정련속도는 50% 이상 증가한다. 본 시스템이 450RPM 및 3CFM의 속도로 작동될 때, 액체의 표면은 시스템내에 배플(39)을 병합하지 않고도 상기 450RPM 및 3CFM 에서와 같이 부드럽지만, 정련속도는 35% 증가한다.

[실시예 2]

제 3도 및 제 4도에 도시한 형태의 회전자는 수직벽을 갖는 60.2cm × 76.2cm(24 × 30 인치)의 직사각형 정련실의 중심에 놓인다. 작업동안 액체깊이는 76.2cm(30 인치)에 유지된다. 회전자(7)는 직경 25.4cm(10 인치)이고 높이는 10.16cm(4 인치)이며, 길이가 3.17cm(1¼ 인치)인 베인을 8개 갖고 있다. 진행가스는 출구로서 베인(9)들 사이의 회전자내 구멍을 통해서 상기 베인들 사이의 홈(10)으로 주입된다. 회전자(7)의 하부는 정련실의 기저부에서 위로 7.62cm(3 인치)에 있다. 부드러운 표면에 맞는 최대 작동조건은 3CFM의 가스흐름 및 200RPM 회전자 속도이다. 이런 조건하에서, 불필요한 큰 가스기포의 존재때문에 때때로 액체 표면으로 부터 위로 분출이 생긴다.

그래서 노즐은 12.7cm(5 인치)의 바닥틈새를 제공하기 위해 5.08cm(2 인치)올려지고, 높이기 8.8cm(3½ 인치)이고 두께가 1.9cm(¾ 인치)인 본 발명의 배플은 회전자의 중심아래에 연소실의 짧은 벽에 평행하게 놓인다. 본 발명의 이런 실시예에서, 노즐은 5CFM 가스흐름속도와 250RPM 속도로 작동되어 액체의 표면은 최대 작동조건에서 얻어진 것처럼 부드럽다. 사실, 액체표면은 전술한 상향 분출이 없다는 점에서 종전보다는 본 발명에 따른 실시가 더욱 좋다. 게다가, 정련속도는 본 발명의 실시에 의해서 70%가 증가한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 더욱 좋은 정련속도는 주어진 표면 조건하에서 본 발명의 배플수단의 사용과 함께 특별한 회전자의 사용에 의해서 얻어진다. 이 회전자는 제 11도에 평면도로 도시됐고, 또한 바람직한 고정자와 관련하여 제 12도에 측면도로 도시됐다. 본 발명에 따른 이러한 특별한 회전자와 제 1도 및 제 2도에 도시한 종래 베인을 갖춘 회전자사이의 근본적인 차이는, 회전자의 상부로부터 들어오는 액체는 제한적이 아닌 반면, 회전자의 기저로부터 들어오는 액체는 특히 제한적이다는 것이다. 특별한 회전자 설계에서는 액체가 기저에서부터 회전자 홈의 하부로 거의 상방향으로 흐를 수 있게 했다. 게다가, 특별회전자의 형상에는 자체의 아래 외부모서리에 연속적인 원형의 형상을 취하고 있다. 이 모양은 통상적인 작업동안 회전자로 들어온 외부물질의 단단한 고체입자로 부터 손상을 덜 받는다.

제 11도에 도시된 바와같이, 구동축(41)위에 장착된 특별한 회전자(40)는 회전자의 원주주위에 위치한 베인(42)들을 가지며, 그 인접한 베인들 사이에는 홈(43)들이 위치해있다. 제 1 내지 4도의 회전자와 달리 제 12도에 도시한 홈(43)들은 인접한 베인(42)의 전체높이에 걸쳐 연장하는 것이 아니라, 단지 상기 홈의 한 홈부(44)로만 연장한다. 상기 홈부(44)아래, 제한부(45)이 있고 제 11도에 도시된 것처럼, 인접베인(42)과 함께, 회전자(40)의 원통형 기저부(46)를 만든다. 회전자 아래 지역으로 부터 홈부(44)로 용융 알루미늄의 통과를 위해서, 구멍(47)들이 각 상기 제한된 부분(45)에 제공된다. 상기 구멍(47)들은 실질적으로 제한부(45)의 가장 안쪽 기단부에 위치하고, 용융 알루미늄이 각 홈(43)의 홈부(44)로, 바람직하게는 용융액체 흐름 효과를 부가하기 위해 가장 안쪽부를 향한 통로를 제공한다.

본 발명의 실시에 있어서, 진행가스는 계속적으로 회전자에 들어가고 균일하게 모든 회전자 홈(44)으로 들어간다. 그러나, 액체가 위에서 회전자로 접근할 때 액체의 교반 운동은 회전자의 불균질한 가스흐름을 생성한다. 예를들면, 액체가 한쪽에서 급속히 회전자를 향해 일시적으로 흐르면, 그 쪽에서 배출되는 가스의 통로를 막고 회전자의 다른 부분으로 흐름을 증가시키는 경향이 있다. 이러한 경향은 상기 부분에서 적절한 압력감소가 생기도록 회전자(40)의 상부와 고정자(48)의 기저부 사이에 틈(49)을 매우 작게 만듦으로서 감소되어진다.

그러나, 실시의 목적에 맞게하기 위해서, 이 틈은 0.0508cm(0.020 인치)미만까지 감소될 필요가 있다. 상기 틈은 회전자-고정자의 조립체를 바람직한 위치에 놓을 때 설정되어야 하므로, 매우 작은 틈을 설정하기 위해서는 주의와 기술이 요한다. 게다가, 상기 틈은 온도변화등에 의해서 작동시 변화될 수 있다. 따라서, 이러한 가스흐름제어를 수행하기 위한 더욱 적합한 기구가 통상적인 장치에 요구된다.

제 12도에 도시된 것처럼, 바람직한 가스흐름제어를 성취하기 위한 양호한 기구는 고정자 볼록부 및 이에 상응하는 회전자 오목부를 포함함으로서 간단히 얻어진다. 그래서, 볼록부(50)는 고정자(48)의 말미에 있고 회전자(40)의 상부에 있는 오목부(51)에 맞게된다. 회전자 전체를 통해 더욱 균일한 가스분포를 제공하는데 필요한 작은 틈 통로는 볼록부(50)의 외부직경과 홈부(44)를 향한 면위 오목부(51)의 내부직경사이에 있는 방사형 틈(52)에 의해서 제공된다.

틈(52)은 제조시에 조절될 수 있고, 회전자의 상부와 고정자의 하부사이에 있던 종래의 작은 틈에서 처럼, 회전자-고정자 유닛의 조립에서처럼 조립자의 주의와 기술에 의존하지 않는다. 작은 방사형 틈(52)은 0.0635cm(0.025인치) 이지만, 이 칫수는 상기 유닛 및 정련실의 전체 구조 및 사용 용도에 따라서 더 크거나 작아질 수 있다. 바람직한 실시예에서, 고정자 볼록부(50) 및 회전자 오목부(51)은 통상적인 실행에 있어서 0.635cm(0.25 인치)높이, 즉 깊이로 할 수 있다. 고정자(48)의 하부와 회전자(40)의 상부사이 및 고정자 볼록부(50)의 하부와 회전자 오목부(5)의 상부사이의 수직틈(49)은 더 큰 오차허용, 즉 요구된 가스흐름 제어목적을 손상시키지 않는 한 0.16cm(1/16 인치)로 설정될 수 있다. 제 12도의 실시예에 도시된 것처럼, 진행가스는 회전축-고정자 베어링(54)에 인접한 가스입구통로(53)를 통과하거나, 바람직한 가스흐름제어를 위한 작은 방사형틈(52)을 포함하는 고정자-회전자 틈(49)으로 상기 가스통로를 통해서 아래로 흐른다. 가스는 연속적이며 균일하게 고정자-회전자 틈(49)으로부터 나와서 회전자 홈부(44)로 들어간다. 고정자 지름은 회전자의 바닥지름, 즉 베인의 기저부에 있는 지름보다 약간 크게 해서, 진행 혹은 분사가스가 용융 알루미늄의 하향흐름에 의해서 회전자 홈 내측으로 하향으로 지나가는 원인이 되거나, 상기 진행가스가 회전자의 작동에 의해서 위로 새게 되거나 분산되지 못하게 한다. 고정자가 없을 때, 진행가스는 제 3 및 4도에 도시한 바와같은 회전자 베인사이의 공간으로 유도된 구멍들을 경유하여 회전자의 내측으로 이끌린다. 고정자의 부재시, 진행가스를 하향으로 흐르게 하는 고정자의 기능과 실질적으로 동일한 원통형 맞닿음부를 사용하는 것이 바람직하다.

전체 개방부에 대한 회전자가 기저부내 제한부에 있는 구멍(47)의 면적은, 비제한적이라면, 일반적으로 25 내지 75% 범위이고, 더욱 바람직하게는 50%이다. 회전자(40)의 제한부(45)의 높이는 전체 회전자 높이의 약 20 내지 40% 범위내에 있고, 전형적으로 큰 정련실의 사용을 위해서는 약 30% 높이가 적절하다.

제 11도에 도시한 회전자는 베인의 기저에 둥근 모서리를 갖고, 회전자 아래로 부터 용융 알루미늄용 입구인 구멍들은 또한 둥근 테두리를 갖는다. 그곳의 반경은 회전자의 성능에 필수적인 것은 아니지만, 그것들은 수직으로 배향된 단부밀(end mill)로 상기 홈 및 입구를 깍는 것과 같은 회전자의 기계가공시의 편리함을 고려한 것이다.

[실시예 3]

실시예 1 과 관련하여 언급한 시스템은 전술한 특별한 회전자 형상을 사용하는 것을 제외하면 본 발명의 배플수단을 적절한 크기의 고정자와 같이 사용하는 다른 테스트에 사용된다. 회전자는 회전자의 하부에 있는 제한부를 제외하고 실시예 1 에서 사용된 것과 같은 크기를 갖는다. 제한부 높이가 1.9cm(¾ 인치)이고, 개방부(47) 및 모서리 반경은 1.9cm(0.75 인치) 엔드밀로 만든다. 개방부(47)은 3.22cm(1.24 인치)길이에 1.9cm(0.75 인치)폭을 가진다. 고정자는 외부 직경이 13.97cm(5½ 인치)이고, 그 결과 홈의 기저부와 겹치는 외부 테두리는 0.63cm(¼ 인치)이다.

특수한 회전자를 사용한 수중모델 시험에서, 회전자는 600RPM 및 5 CFM의 가스흐름을 갖도록 설정되어 바람직한 부드러운 액체표면을 제공한다. 부드러운 표면 상태에서 작동할 때 본 실시예에서 얻어질 수 있는 정련속도는, 본 발명의 배플수단을 갖추지 않았지만 전술한 것과 같은 완만한 표면상태에서 작동하는 정련실내에서 종래의 회전자 형상을 사용하여 얻어질 수 있는 것보다 100% 더 크다.

본 발명은 알루미늄 정련기술에 보다 나은 장점을 제공한다. 정련실 내부에 전술한 배플수단을 병합하는 것에 의해 높은 가스흐름속도 및 노즐회전속도를 얻을 수 있도록 정련실 내부의 용융 알루미늄의 흐름형태를 바꾸는 역할을 함으로써, 가스 흐름속도와 노즐회전속도의 증대를 제한하는 용융 알루미늄의 과도한 표면교반을 일으킴없이 알루미늄 정련속도를 증가시킬 수 있게 한다. 본 발명의 배플수단은 회전자 내측으로의 용융 알루미늄의 바람직한 부드러운 상향흐름을 제한하는 정련실 바닥의 회전식 흐름을 감소시킴으로써, 회전자 내측으로의 용융 알루미늄의 상하향 흐름의 적절하고 안정된 균형을 성취할 수 있다. 상기의 특별한 회전자 형상이 사용되는 본 발명의 실시예는 불필요한 표면교반없이 가스흐름속도 및 노즐회전속도를 증가시킬 수 있어서 조절된 용융 알루미늄의 상향흐름도 얻을 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 다양한 변화와 개조는 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 실시될 수 있다고 이해해야 한다. 종래에는 일반적으로 알루미늄 정련에 사용되었지만, 본 발명은 알루미늄 혹은 다양한 알루미늄 합금에 실행되어질 수도 있다. 본 발명은 하나 이상의 정련구획실 혹은 정련단계를 갖는 정련실이 있는 시스템에 실행되어질 수 있고, 각각의 정련구획 격벽은 알루미늄 정련작업동안 자체내에 스피닝 노즐 조립품의 고정에 맞게 개조된다. 전형적인 2단계 정련 시스템에서, 용융 알루미늄은 첫번째 단계의 입구로 들어가서 두번째 단계의 출구로 나온다. 분리된 구획들은 용융 알루미늄이 첫번째 단계에서 두번째 단계로 흐르도록 할 수 있게 개조된 배플에 의해서 분리된다. 다른 시스템은 자체내에 2 이상의 정련단계를 병합할 수 있다. 본 발명의 기저부에 있는 배플수단은 각 정련 구획실내에 사용되어진다. 상기 배플수단은 정련실내에 사용되기에 알맞은 내화 물질로 만들어 진다. 실리콘 카바이드는 본 목적에 맞는 구조물의 바람직한 재료이지만, 다른 내화물, 즉 흑연도 사용될 수 있다. 상기 배플수단은 정련실 내의 위치설정시 스피닝 노즐 조립체의 회전자 중심아래에 위치하는 것이 바람직하지만, 이와는 달리 상기 회전자 아래에 다른 방법으로 놓여질 수도 있다. 그러나, 그러한 경우에도 주위를 넘어서는 안된다.

이와 같이, 본 발명은 정련실내에서의 최대 정련 속도를 종래기술에 비해 실질적으로 증가시킬 수 있어서 알루미늄 정련기술분에 바람직하고 유용한 진보를 제공할 수 있다.

Claims (10)

1. 상부를 덮고 있는 절연 덮개와 용융 알루미늄을 유입 및 유출하기 위한 입구 및 출구를 갖고 절연 내화물로 둘러싸여 있는 정련실의 내측으로부터 상기 절연 덮개를 상방향으로 관통하여 연장하고 있는 고정자와, 상기 고정자의 내부에 수납되어 있는 축 및, 상기 고정자의 하부에 상기 축에 의해 연결되어 있는 회전자로 구성되어 있으며, 상기 정련실 내에서의 알루미늄 정련작업중 용융 알루미늄 내측으로 분산되게 가스를 주입하게 되어 있는 스피닝 노즐 조립체에 결합되는 베인형 회전자에 있어서, 상기 베인형 회전자는 그 회전자의 원주변에 서로 교대하는 형태로 베인과 홈들을 포함하고 있는데, 상기 홈은 하부에 제한부를 갖고 상기 회전자의 상부로부터 하향의 길이방향으로만 연장하며, 상기 제한부는 알루미늄 정련작업을 위해 상기 회전자를 사용할 때 용융 알루미늄의 통로로 사용되는 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 베인형 회전자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 구멍은 상기 홈들의 가장 내부에 위치되는 것을 특징으로 하는 베인형 회전자.
3. 제 1항에 있어서, 상기 제한부의 높이는 회전자 베인의 전체 높이의 20 내내 40%인 것을 특징으로 하는 베인형 회전자.
4. 제 1항에 있어서, 상기 제한부의 구멍의 면적은 상기 홈의 개방부의 전체 면적에 대해 25 내지 75%의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 베인형 회전자.
5. 제 1항에 있어서, 상기 회전자와 결합함으로써, 상기 베인형 회전자로 배출되는 가스를 유출시키기 위해 볼록부 및 오목부에 의해 형성되는 통로로 사용될 수 있는 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 베인형 회전자.
6. 제 5항에 있어서, 상기 고정자의 직경은 상기 베인을 갖춘 회전자의 바닥 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 베인형 회전자.
7. 제 5항에 있어서, 상기 회전자의 상부와 고정자의 하부 사이에 있는 수직 틈은 압력 감소를 부여할 수 있는 0.051cm 정도의 작은 거리로 설정되어서, 상기 회전자로 향하는 진행가스의 원할한 흐름을 제공하는 것을 특징으로 하는 베인형 회전자.
8. 제 5항에 있어서, 상기 고정자의 볼록부와 이에 상응하는 상기 회전자의 오목부를 포함함으로써, 암력감소를 부여하여 회전로 향하는 진행가스의 원할한 흐름을 제공하기 위한 반경방향으로의 틈이 상기 볼록부의 외경과 상기 오목부의 내경사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 베인형 회전자.
9. 제 8항에 있어서, 상기 반경방향으로의 틈은 0.064cm 인 것을 특징으로 하는 베인형 회전자.
10. 제 9항에 있어서, 상기 회전자의 상부와 고정자의 하부 사이에 형성되는 수직 틈은 0.16cm 인 것을 특징으로 하는 베인형 회전자.