NO134754B

NO134754B -

Info

Publication number: NO134754B
Application number: NO4773/72A
Authority: NO
Inventors: A G Szekely
Original assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1971-12-27
Filing date: 1972-12-27
Publication date: 1976-08-30
Also published as: IT974890B; JPS4873314A; NO134754C; ES439938A1; CA981912A; IN140212B; JPS5236487B2; SU982546A3; FR2166014A1; DE2263288B2; AU4943672A; ES410033A1; ES414721A1; FR2166014B1; IN137552B; ES414722A1; US3743263A; SU1068040A3; AU471539B2; DE2263288A1

Description

Oppfinnelsen vedrører en anordning for injeksjon av gass i form av små adskilte bobler i en smelte av metall, særlig aluminium, som befinner seg i et kammer eller en beholder, hvilken anordning består av en vertikal roterbar aksel koblet til en drivanordning i den øvre ende og festet til en vinget rotor i den nedre ende, en stasjonær hylse rundt akselen og festet i den nedre ende til en stator og med en aksial passasje for tilførsel av gass inn i smeiten og begrenset av de indre overflater av hylsen og statoren samt av den ytre overflate på akselen.

Før støping inneholder smeltet aluminium mange urenheter som kan gi et høyt skraptap under støpingen og ellers forårsake dårlig metallkvalitet i de fremtsilte produkter hvis de ikke fjernes. I smeltede aluminiumbaserte legeringer vil hovedurenhetene være oppløst hydrogen og suspenderte ikke-metalliske partikler, såsom oksyder av aluminium og magnesium, ildfaste partikler etc.

Oppløseligheten av hydrogen i aluminiumlegeringer synker med ca. en størrelsesorden når metallet størkner. Føl-gelig vil hydrogengass frigjøres fra metallet under støping hvis hydrogeninnholdet i det smeltede metall ikke reduseres under hydrogenets faste oppløselighetsgrense i metallet. Hydrogen frembringer porøsitet i raskt størknet metall, såsom i direkte avkjølte støpeblokker, eller fyller krympehulrom i langsomt størknet metall. Selv hydrogen som forblir oppløst i metallet etter størkningen er skadelig ettersom det diffun-derer under varmebehandlingen inn i hulrom eller andre diskon-tinuiteter i det faste metall, hvorved man øker de skadelige effektene av disse defekter på det ferdige metall. Store mengder hydrogen frembringer lyse flak i smidde produkter og blærer i valsede produkter.

Faste, ikke-metalliske partikler som er suspendert i det smeltede metall gir opphav til alvorlige vanskeligheter under støping og fremstilling av aluminiumlegeringer. Disse partikler består i alt vesentlig av oksyder som føres inn i smeiten sammen med skrapet under selve nedsmeltingen, eller som fremstilles ved en direkte oksydasjon med luft, vanndamp, kar-bondioksyd eller andre oksyderende gasser mens metallet bear-beides i smeltet tilstand. Fine, knuste oksydfilmer som røres inn i det smeltede metall er. spesielt skadelige, ettersom de i motsetning til mer makroskopiske oksyder og andre faste partikler ikke kan skummes av som skum, men forblir suspendert i det smeltede metall. Det har vært foreslått at disse oksydpar-tikler får en viss flyteevne ved hjelp av mikroskopiske hydrogenbobler som absorberes på partiklene. Skjønt denne teori og lignende som forutsetter en viss form for assosiasjon mellom hydrogen og partikkelformede faste stoffer i smeiten mangler overbevisende eksperimentelle bevis, så er det et faktum at det eksisterer en gjensidig påvirkning mellom partikkelformede faste stoffer og hydrogen under støpingen av metallet. Faste partikler som er dispergert i metallet virker som kjerner for dannelsen av hydrogenbobler under størkningen av metallet. Videre kan disse ikke-metalliske forurensninger virke som spenningsdannende punkter som i vesentlig grad svekker det -støpte metalls mekaniske egenskaper. I tillegg til dette vil ikke-metalliske forurensninger skape vanskeligheter ved frem-stillingen av aluminiumlegeringer, såsom verktøyslitasje, under bearbeiding av støpeblokkene og vise seg som overflatede-fekter i valsede eller ekstruderte produkter.

Den renhet som er nødvendig eller ønskelig i det metall som skal støpes til blokker for fremstilling av alumi-niumprodukter er avhengig av flere faktorer, såsom legerings-kvalitet, støpepraksis, etterfølgende bearbeidelsesprosedyre Og påtenkt anvendelse for det fremstilte produkt. Slik det anvendes i foreliggende beskrivelse og etterfølgende krav be-tyr begrepet "sunt metall" den kvalitet det smeltede metall har umiddelbart før støpingen, og det er underforstått at både oppløst hydrogen og ikke-metålliske urenheter er fjernet fra det smeltede metall i den grad som er nødvendig for å få fremstilt i alt vesentlig feilfrie støpeblokker eller for fremstilling av en spesiell legering som kan anvendes for et bruk-bart metallprodukt. Metallets sunnhet bestemmes ved vanlig prøveteknikk, såsom en størkningsprøve i vakuum på det smeltede metall før støping, metallografisk og ultralydundersøkelser av det faste metall ifølge vanlige standardregler, porøsitetsprø-ver, destruktiv prøving etc.

En reduksjon av oppløste gasser og ikke-metalliske urenheter i smeltet metall har tidligere vært oppnådd ved å holde temperaturen på det smeltede bad eller i andre kar hvor man behandlet metallet så lavt som mulig, og ved å holde metallet i smeltet tilstand i en lengre tidsperiode. Dette er imidlertid en sterkt tidskrevende fremgangsmåte og er i vesentlig grad blitt modifisert og i høy grad erstattet ved forskjellige tilsetningsprosesser hvor det smeltede metall har blitt kontak-tet med reaktive gassformede eller faste flussmidler som vanligvis har inneholdt halogener. Det mest vanlige anvendte flussmiddel under bearbeiding av aluminium har vært klorgass eller klorutviklende forbindelser, såsom heksakloretan. Klor-gassen er vanligvis blitt injisert inn i den smeltede legering fra emaljerte jernrør eller fra spesielle grafittrør konstruert for dette formål. En behandling med klor på denne måten har resultert i en tilfredsstillende fjerning av hydrogen og ikke-metalliske urenheter for de fleste legeringskvaliteter. Por legeringer med høy styrke har man imidlertid funnet det nødvendig å underkaste metallet ytterligere behandling,såsom filtrering. Ser man imidlertid bort fra disse, spesielle tilfeller har en behandling med klor tilfredsstillet de vanlige produktstandarder som har vært nødvendige for å oppnå en sunn metallkvalitet.

Bruken av klor representerer imidlertid visse problemer på grunn av dets korroderende og toksiske natur. Skjønt bruken av klor for behandling av aluminiumlegeringer tidligere har vært ansett å være en fullt ut kommersiell akseptabel prak-sis, så har således den økende bekymring for luftforurensnin-ger etterhvert gjort at man har ønsket å eliminere klorbehandlingen. Som et resultat av dette har man fått en skarpere fokusering på de tallrike ulemper som er forbundet med nevnte klorbehandling.

En av de prinsipielle ulemper ved klor er dets høye reaktivitet med metaller. Klor fordamper aluminium i form av aluminiumklorgass og reagerer med nesten alle de legerende ele-menter i aluminiumlegeringene. Dette er uønsket både fra et driftsteknisk og et økonomisk standpunkt. Videre representerer uomsatt klorgass en helserisiko for personellet i bedriften. Derfor har flussbehandlingskammeret vanligvis vært drevet under negativt trykk for å hindre en lekkasje av toksiske gasser inn i atmosfæren. Dette øker imidlertid risikoen for at det inn i kammeret skal komme luft og fuktighet fra den omgivende atmos-fære, som så kommer i kontakt med det smeltede metall. Som

et resultat av dette kan metallet igjen forurenses med hydrogen og oksygen under og etter flussbehandlingen.

Et av de mest alvorlige problemer som oppstår ved klorbehandlingen angår hydrolyseproduktene av aluminiumklorid. I nærvær av fuktighet vil aluminiumklorid danne aluminiumoksyd-damp og saltsyre, og begge anses for å være meget alvorlige luftforurensende forbindelser. I tillegg til dette vil et nærvær av saltsyre øké de korrosjonsproblemer som oppstår ved selve klorbehandlingen. Ettersom omkostningene ved å fjerne disse forbindelser ved hjelp av gassrensingsutstyr er relativt høye, er det derfor et sterkt behov i aluminiumindustrien i dag for å erstatte klor som et flussmiddel for aluminiumleger-• inger.

For å unngå de problemer som oppstår ved en klorbehandling, har man foreslått å bruke inerte gasser, såsom nitrogen og argon, for flussbehandling av aluminium og dets legeringer. Det har imidlertid vist seg ved sammenlignende prøver med inerte gasser ved tilsvarende tilstander av den type man har anvendt under klorbehandlingen at de inerte gasser vår langt dårligere med hensyn til renseevne enn klor og dessuten frembragte en rekke driftsvanskeligheter. Problemer i forbindelse med bruken av inerte gasser har blant annet innbefat-tet en langt dårligere grad av hydrogenrensing, sterkere me-tallspruting ved bruk av klor, dårlig fjerning av ikke-metalliske urenheter og en betydelig øking av metallinnholdet i skummet eller slagget.

Det har vært foreslått å bruke porøse media for å føre de inerte gasser inn i metallet isteden for de vanlige flusstilførselsrør. Dette forslag har hatt den hensikt å bedre gassinjeksjonsteknikken og har i visse tilfeller bidratt til en bedre anvendelse av inerte gasser for fjerning av hydrogen. Denne teknikk har imidlertid ikke hatt særlig stor anvendelse

i aluminiumsindustrien, idet porøse media bare ved relativt lave gasstrømningshastigheter kan gi en effektiv dispersjon av gassen i små distinkte gassbobler i det smeltede aluminium og fordi de praktiske gasstrømningshastigheter har vært utilfreds-stillende for å oppnå en viss grad av fjerning av ikke-metalliske urenheter. De inerte gasser som således har vært tilført gjennom porøse materialer har prinsipielt vært anvendt for av-gassing av aluminiumlegeringer under spesielle driftsbetingel-ser hvor produksjonsrutinen og økonomien ellers har rettferdig-gjort en relativt langsom metallbehandlingshastighet.

Det herskende syn i aluminiumsindustrien i dag er derfor avledet fra de hittil foretatte forsøk med inerte gasser at skjønt nivået av oppløst hydrogen kan tilfredsstillende reguleres i visse typer aluminiumlegeringer, så kan disse gasser ikke tilfredsstillende fjerne ikke-metalliske urenheter fra metallet og gir høyt metallinnhold i skummet eller slagget. Denne konklusjon har ført til utvikling av komplisert og kost-bar flussbehandlingsteknikk hvor man kombinerer behandling med inert gass med filtrering av det smeltede metall, eller alterna-tivt med mindre forseggjort teknikk hvor man anvender forskjellige gassblandinger som inneholder vesentlige mengder av klor, slik at sideeffekten av klorbehandlingen, nemlig utslippet av korroderende og skadelige gasser og damper kun modereres, men ikke elimineres ved den delvise erstatning av kloret, eller ved en enkel fortynning av den utstrømmende gass. Således vil bruken av blandinger av klor og nitrogen eller andre gassblandinger som inneholder vesentlige mengder klor, ikke representere langtidsløsninger på aluminiumsindustriens forurensningsproblem.

Fra U.S. patent nr. 3.227.547 er det kjent en anordning for innføring av gass i en metallsmelte. Denne kjente anordning består av en drevet, roterbar aksel som i sin nedre ende er festet til en rotor. Den kjente anordning omfatter dessuten en stator og en .aksial passasje for tilførsel av gass til metallsinelten. Denne passasje begrenses av hylsens og sta-torens indre overflater samt av den ytre overflate til akselen. Ved denne kjente anordning får man imidlertid ikke en fullt ut tilfredsstillende fordeling av gassen og dermed tilstrekkelig kontakt med smeiten, og man kan si at gåssboblene ved denne anordning bare får en vilkårlig fordeling i smeiten.

Det er følgelig en hensikt med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en anordning som er istand til å injisere inert gass inn i et smeltet metallbad, såsom aluminium, i form av små diskrete bobler med høy gasstrømningshastighet på en slik måte åt gåssboblene vil komme i intim kontakt med hele massen av smeltet metall. Det er med andre ord en hensikt med oppfinnelsen å oppnå en bedre fordeling av gåssboblene og en bedre kontakt med alle deler av smeltemassen enn ved den kjente anordning.

Denne hensikt oppnås ved en anordning som består av en vertikal roterbar aksel koblet til en drivanordning i den øvre ende og festet til en vinget rotor i den nedre ende, en stasjonær hylse rundt akselen og festet i den nedre ende til en stator om en aksial passasje for tilførsel av gass inn i metallsmelten og begrenset av de indre overflater av hylsen og statoren samt av den ytre overflate på akselen, hvilken anordning er kjennetegnet ved at statoren er utformet som en vinget stator med flere vertikale kanaler mellom vingene, •hvorved man ved å rotere rotoren vil injisere gassen inn i det smeltede metall oppdelt i små adskilte gassbobler og hvor det samtidig frembringes et sirkulasjonsmønster i det. smeltede metall som frembringer en intensiv røring, slik at hele massen av smeltet metall i beholderen eller kammeret for smeiten kommer i intim kontakt med gåssboblene.

Et videre trekk ved oppfinnelsen er at den roterbare aksel er hul og at den har en rekke hull som danner en forbindelse til den aksiale passasje.

Begrepet "inert gass" er ment å innbefatte gasser som er inerte overfor smeltet aluminium. Argon og nitrogen eller blandinger av disse er foretrukket for dette formål, skjønt man også kan anvende andre inerte gasser fra det pe-riodiske system, såsom helium, krypton, xenon eller blandinger av disse.

Begrepet "aluminium" forstås her og i de etterfølg-ende krav både å innbefatte et rent aluminium såvel som legeringer av aluminium.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere ved eksempler på utførelsen som er fremstilt' på tegningen, som viser: fig. 1 et perspektivriss av en foretrukken utførelse av gassinjéksjonsanordningen ifølge foreliggende oppfinnelse, og

fig. 2 et snitt gjennom den anordning som er vist på fig. 1.

Gassinjeksjonsanordningen kan injisere en gass med høye strømningshastigheter inn i smeltet metall i form av diskrete gassbobler, hvorved man oppnår en høy grad av gassdispersjon i smeiten. Under drift vil anordningen frembringe et strømningsmønster i metallet i nærheten av anordningen, slik at de dannede gassbobler transporteres langs en resulterende strømningsvektor som i alt vesentlig er radial utover méd en nedadvendt komponent i forhold til den vertikale akse på injeksjonsanordningen. Disse strømningsmønstre har flere fordelaktige effekter. For det første frembringer man en i alt vesentlig vertikal røring i hele smeltelegemet, hvorved en nedadrettet strøm langs anordningen i kombinasjon med de roterende vinger frembringer en oppdeling av gassen i små diskrete gassbobler. Videre vil den raske bortføring av gåssboblene fra tilførselspunktet og inn i smeiten hindre at boblene løper sammen i en sone hvor gassboblekonsentrasjonen er høyest. Videre vil gassoppholdstiden for de disperserte gassbobler i smeiten bli forlenget, fordi gåssboblene ikke umiddelbart etter dannelsen stiger opp til overflaten på grunn av tyngde-kraftens innflytelse.

En annen faktor som bidrar til maksimal oppdeling av gassen i små bobler og følgelig fører til et stort kontaktareal mellom metall og gass, er en forvarming av gassen før den føres inn i smeiten. En slik forvarming tilveiebringes i foreliggende oppfinnelse ved å føre gassen gjennom en passasje som løper langsetter anordningen som er nedsenket i det varme smeltede metall. Den opprinnelig kalde gass blir således for-varmet ved en kontakt med de oppvarmede varmeledende vegger i gasspassasjen, hvoretter gassen vil utvide seg før den oppdeles i gassbobler. Dette fører til at antall bobler som utvikles eller dannes fra et gitt gassvolum økes meget vesentlig, og man hindrer i alt vesentlig en varmeutvidelse av de små bobler i smeiten.

Når injeksjonsanordningen ifølge foreliggende oppfinnelse brukes for å injisere en inert gass inn i smeltet aluminium, får man en uventet forbedring med hensyn til raffi-neringstrinnets effektivitet. I tillegg til at anordningen er istand til å gassbehandle metallet med høy gjennomstrømnings-hastighet, vil den kraftige rørende virkning koblet med det store kontaktareal mellom gass og metall i de vel fordelte gassbobler sikre en effektiv fjerning av faste partikkelformede urenheter som er suspendert i smeiten, og som tidligere var en vesentlig ulempe ved lettmetallraffinering med inerte gasser. Som et resultat av.dette kan man ved hjelp av foreliggende fremgangsmåte raffinere aluminium med en effektivitet som lar seg sammenligne med det man oppnår med klor, samtidig som man eliminerer de problemer som oppstår ved klorbehandling.

Som vist på fig. 1 og 2 består gassinjéksjonsanordningen av en rotor 1 utstyrt med vertikale vinger 2, og som roteres ved hjelp av en motor, såsom en luftmotor eller elekt-risk motor, (ikke vist) ved hjelp av aksel 3. Akselen 3 som .ikke står i kontakt med smeiten under normal drift, kan være fremstilt av stål, mens resten av utstyret fortrinnsvis er konstruert av et ildfast materiale, såsom kommersielt tilgjengelig grafitt eller siliciumkarbid, og som alle er inerte overfor aluminium og dets legeringer ved de anvendte driftstemperatu-rer. Akselen 3 er beskyttet mot det smeltede metall ved hjelp av hylsen 4, som er festet til statoren 5. De tilstøtende indre overflater 6 og 7> henholdsvis på hylsen k og statoren 5» samt de tilstøtende ytre overflater 8 og 9, henholdsvis på akselen 3 og rotoren 1, danner en ringformet aksial passasje 10 for den gass som skal injiseres.

En rekke vertikale kanaler 11 er utfrest eller på annen måte fremstilt i statoren 5. Kombinasjonen av statoren 5 og rotoren 1 vil under drift frembringe et øvre og et nedre strømningsmønster av smeltet metall omkring injeksjonsanordningen, slik dette generelt er .vist av pilene 13 og 12 henholdsvis. Det øvre strømningsmønster 13 har en hastighetsvektor" som i alt vesentlig peker nedover, dvs. den er koaksial med hensyn til rotasjonsaksen på rotoren 1, hvorved det smeltede metall presses gjennom kanalene 11 på statoren 5> mens det nedre mer lokaliserte strømningsmønster som indikeres ved hjelp av pilene 12, utvikles under rotoren 1 og peker i alt vesentlig oppover og loddrett i forhold til rotasjonsaksen på rotoren 1. Den resulterende strøm av disse komponenter er angitt ved hjelp av pilene 14, som viser at det smeltede metall ved hjelp av de roterende vinger 2 føres radialt nedover og vekk fra rotoren 1. Det resulterende strømningsmønster gir en meget velfortjent og ensartet gassdispersjon og en gjennomgående røring av det smeltede metall i behandlingskaret eller -kammeret.

En inert gass (indikert ved pilen 15)> såsom argon eller nitrogen, føres inn i den ringformede passasje 10 ved et forutbestemt trykk og en forutbestemt strømningshastighet. Gassen vil fylle en klokkeformet lomme 16 som er en fortsett-else av passasjen 10 som omgir halsen 17 og rotoren 1. Ettersom gassen tilføres ved et trykk som er høyere enn det trykk som hersker i det smeltede metall ved et nivå som angis ved pilen 18, så vil gasslommen 16 hindre at det smeltede metall strømmer tilbake gjennom gasspassasjen og derved kommer i kontakt med metallakselen 3 på gassinjektoren. Halsen 17- som omgir akselen 3 er konstruert av et materiale som er resistent overfor smeltet aluminium for å beskytte akselen 3 fra angre-pet av smeltet aluminium. Som vist på fig. 2 vil vridningen på akselen 3 overføres til rotoren 1 ved hjelp av et vinget tverrstykke 21 som er skrudd på akselen 3. Tverrstykket 21

er plasert under sammensetningen av anordningen i hulrommet 23 på rotoren 1, og hulrommet 23 har en form som tilsvarer den på tverrstykket 21. Deretter.lukkes hulrommet 23 ved at man skrur og ellers limer halsen 17 inn i gjengene 24 på rotoren 1.

En tilførsel av inert gass 15 inn i den ringformede passasje 10 trenger ikke nødvendigvis å være den eneste måte ved hjelp av hvilken man tilfører den gass som skal injiseres. En alternativ utførelse av oppfinnelsen kan innbefatte en hul aksel hvor det går en passasje 19 aksialt gjennom akselen 3,

og hvor denne er utstyrt med en rekke hull 20 som gir forbindelse med passasjen 10 og gasslommen 16. Således kan den inerte

gass (angitt ved. pilene 15 og 25) tilføres enten gjennom passasjen 10 eller passasjen 19 eller begge deler.

Det er viktig at den kalde gass (angitt ved pilene

15 og 25) som føres inn i injektoren må forvarmes under sin gang gjennom passasjen 10 eller passasjen 19 samt gasslommen 16 ved kontakt med hylsen 4 og akselen 3, som i alt vesentlig har samme temperatur som smeiten. Den forvarmede gass presses ut mellom vingene på rotoren 1 hvor den brytes opp i små bobler ved en kollisjon med vingene 2 og ved den metallstrøm som er tilstede mellom vingene. Den kraftige metallsirkulasjon omkring injektoranordningen vil raskt dispersere gåssboblene etterhvert som disse formes, og de presses ut i en retning som i alt vesentlig følger hovedvektoren, slik denne er angitt ved pilene 14. Gassboblenes begynnende strømningsbane følger pilene 14 inntil deres oppdrift vil ta over og gjøre at de stiger opp til overflaten av smeiten.

De fordelaktige effekter ved den kraftige metallsirkulasjon omkring injeksjonsanordningen innbefatter følgende: 1) Man får tilveiebragt en effektiv mekanisme for dannelse av små gassbobler. 2) Man hindrer at boblene løper sammen ved at de meget små ' gassbobler disperseres nesten like raskt som de dannes.

3) Man får tilveiebragt en effektiv metallsirkulasjon.

'4) Man får videre en forlenget oppholdstid for gåssboblene i smeiten utover den tid de ellers ville forbli hvis tyngde-kraften var den eneste kraft som virket på dem.

Claims

1. Anordning for injeksjon av gass i form av små adskilte bobler inn i en smelte av metall, særlig aluminium, som befinner seg i et kammer eller en beholder, hvilken anordning består av en vertikal, roterbar aksel (3) koblet til en drivanordning i den øvre ende og festet til en vinget rotor (1)

i den nedre ende, en stasjonær hylse (4) rundt akselen (3) og festet i den nedre ende til en stator (5)» og med en aksial passasje (10) for tilførsel av gass inn i metallsmelten og begrenset av de indre overflater av hylsen (4) og statoren (5) samt av den ytre overflate på akselen (3)»karakterisert ved at statoren (5) er utformet som en vinget stator med flere vertikale kanaler (11) mellom vingene, hvorved man ved å rotere rotoren (1) vil injisere gassen inn i det smeltede metall oppclelt i små adskilte gassbobler, og hvor det samtidig frembringes, et sirkulasjonsmønster i det smeltede metall som frembringer, en intensiv røring, slik at hele massen av smeltet metall i beholderen eller kammeret kommer i intim kontakt med gåssboblene.

2. Anordning ifølge krav 1,karakterisert ved at den roterbare aksel (3) er hul og at den har en rekke hull (20) som danner en forbindelse til den aksiale passasje (10).