NO171044B - Fremgangsmaate for separering ved filtrering av inklusjoner inneholdt i et bad av smeltet metall - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for separering ved filtrering av inklusjoner inneholdt i et bad av smeltet metall.

Støperifagmannen vet at rene metaller eller legeringer i større eller mindre grad er forurenset fra produksjonen på grunn av faste inklusjoner som stammer fra: utgangsmaterialene som innføres til smelteovnen; - reaksjonsprodukter mellom smeltet metallbad og den omgivende atmosfære;

slitasje eller lokal dislokasjon av ildfast utfSring i

ovnene; eller

salter og flussmiddel som benyttes for å rense eller å

raffinere metallet.

Disse inklusjoner kan ha form av isolerte partikler eller makroskopiske aggregater med dimensjoner som varierer fra noen pm til flere mm. Hvis disse inklusjoner efterlates i det smeltede metallbad kan de forårsake porøsitet eller sågar sprekker under størkningen av metallet og kan som en konsekvens føre til dannelse av lufthull eller skader under varmebehandling av de støpte produkter og dannelse av hull eller brekkasje under omdanning til halvfabrikata.

Det er derfor funnet vesentlig å fjerne disse inklusjoner fra det smeltede metallbad før man går til det ef terfølgende formingstrinn.

Tallrike prosesser er foreslått for å oppnå denne separering. De er basert på forskjellige metoder som i større eller mindre grad er tilpasset dimensjonene på inklusjonene. Prosessene inkluderer spesielt: statisk dekantering;

dynamisk dekantering ved bruk av flytende fordelere ment å

redusere hastigheten for sirkulasjonen av metal1strømmen;

flottering ved bruk av forheng av gassbobler gjennom hvilke metallet passerer for å befris for sine inklusjoner; eller

"dyp<«->filtrering der det smeltede metall passerer gjennom et filtreringsmedium, det vil si et medium med interfor-bundne rom som, selv om de har et større tverrsnittsareal enn inklusjonene, holder inklusjonene tilbake ved at disse oppfanges på veggene som definerer filterrommet. US-PS 2 863 558 beskriver en slik filtreringsprosess.

Forskjellene i densitet mellom smeltet metall og inklusjonene utgjør en vesentlig del av disse prosesser. Nu har inklusjonene enkelte ganger en densitet som er lik den til metallet. Dette gjelder for eksempel MgCl2 i forhold til smeltet aluminium.

Det er derfor, for effektiv separering, nødvendig å arbeide enten statisk i lange tidsrom eller dynamisk med meget lav metallstrømningshastighet. Dette medfører overdimensjonerte installasjoner hvis industrielle filtreringskapasiteter er ønsket.

Dette er grunnen til at andre metoder er prøvet, for eksempel såkalt "kake"-filtrering der filteret tilveiebringes med hull med dimensjoner mindre enn de til inklusjonene. Selvfølgelig er i dette tilfellet filtreringseffektiviteten meget god uansett filtreringshastighet, men disse filtre forårsaker meget betydelige chargetap, noe som er uforenelig med tradisjonelle støpeinstallasjoner.

Videre er det kjent at de faste partikler i suspensjon i væsker kan separeres ved, i fravær av filtreringsmedium, å legge på elektromagnetiske krefter som har en drenerende virkning på inklusjonene. Imidlertid har disse prosesser ikke vært benyttet industrielt fordi de nødvendige krefter er meget høye og har nødvendiggjort store og meget kostbare elektriske installasjoner.

Konfrontert med disse problemer og med det ønske om å forbedre filtreringssepareringen både med henblikk på mengde pr. overflateenhet og pr. tidsenhet og med henblikk på inklusjonenes dimensjoner, er det nu utviklet en fremgangsmåte basert på dypfiltrering, den eneste metode som i dag i vesentlig grad benyttes i industrien.

I henhold til dette angår foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for separering av inklusjoner inneholdt i et smeltet metallbad ved gjennomføring gjennom et filtermedium, og denne fremgangsmåte karakteriseres ved at et elektromagnetisk kraftfelt på minst 1 x IO<3> N/m<5> legges på dette medium.

Som nevnt ovenfor har det filtrerende medium den virkning at det fanger inn inklusjonene i veggene som definerer rommene. Dette var årsaken til den her beskrevne idé med henblikk på å prøve å drenere inklusjonene mer effektivt mot veggene. Dette lykkedes ved å legge på et elektromagnetisk kraftfelt på det filtrerende medium. Således ble det funnet at inklusjonene så å si alltid hadde en meget høyere elektrisk resistans enn det smeltede metall, feltet hadde en virkning kun på metallet og som et resultat ble inklusjonene ført bort i en retning motsatt feltets retning. Ved å spille på denne forskjellige oppførsel for metall og inklusjoner kunne inklusjonene fanges opp av veggene. Videre kan, i media som virker som filtre i fravær av et elektromagnetisk kraftfelt, oppfangingen være ustabil på visse vegger, spesielt hvis mengden inklusjoner går utover et visst nivå. Når det gjelder foreliggende oppfinnelse, er det funnet at inklusjonene under påvirkning av det elektromagnetiske kraftfelt flater seg ut mot veggene til mediet der de er meget mer motstandsdyktige mot utsaltingsfenomenet.

De elektromagnetiske krefter som legges på filtreringsmediet og som virker på metallet er i sin helhet rettet enten i en retning loddrett på filtreringsretningen eller parallelt dermed. Med filtreringsretning menes den gjennomsnittlige retning i hvilken metallet hovedsakelig strømmer i filtreringsmediet. Disse krefter har en verdi på over 1 x IO<3 >N/m<5> fordi effektiviteten for feltet under denne verdi blir for lav. Verdien er fortrinnsvis mellom 1 x IO<3> og 1 x IO6 N/m5 .

Det filtrerende medium tilsvarer i oppfinnelsen et hvilket som helst medium som utgjøres av: en porøs masse hvis porer har et større tverrsnittsareal enn inklusjonene og gjennom hvilket det smeltede bad passerer i en hastighet på mellom 0,1 og 1,5 cm/sek. Det utgjøres for eksempel av en enkelt blokk eller flere på hverandre blokker av keramisk form;

av et sjikt av løst materiale med lokale gap hvis dimensjoner er større enn dimensjonene til inklusjonene og gjennom hvilke det smeltede metallbad passerer i en hastighet på mellom 0,01 og 0,7 cm/sek. Disse inkluderer for eksempel kuler eller tabletter av aluminiumoksyd, silisiumdioksyd og karbon;

av minst et filtrerings-"lys" hvis porøsitet tillater at det smeltede metall passerer i en hastighet på mellom 0,01 og 0,06 cm/sek.

I visse tilfeller benyttes det et filtreringsmedium som består av enten en porøs masse eller av et sjikt bestående av løse materialer, men med et impermeabelt område i sentrum og over hele tykkelsen som traverseres av metallet.

Disse medier er eventuelt kjemisk inerte overfor det smeltede metall. De kan eventuelt være belagt med produkter som flussmiddel. Fortrinnsvis benyttes i de filtreringsøser, eventuelt i nærvær av gasstrømmer med enten kjemisk virkning eller kun en fysikalsk virkning på metallet.

Feltet av elektromagnetiske krefter rettes i to hoved-retninger: enten i en retning loddrett på filtreringsretningen når det gjelder en porøs masse eller et sjikt, eller i en retning parallelt med filtreringsretningen når det gjelder en porøs masse, et sjikt eller et lys ("candle").

Avhengig av den første retning, blir disse krefter dannet enten ved: - passasje av likestrøm i metallet gjennom hele tykkelsen av filtreringsmediet i filtreringsretningen. Denne strøm som sirkulerer enten i filtreringsretningen eller i motsatt retning danner sitt eget magnetiske felt og danner som en konsekvens et kraftfelt rettet mot sentrum av filtreringsmediet; eller

ved forbindelse av den samme likestrøm med et kontinuerlig magnetisk felt med en retning loddrett på filtreringsretningen, noe som danner et kraftfelt loddrett rettet både på det magnetiske felt og på filtreringsretningen i en eller motsatt retning, avhengig av retningen av strømmen og til feltet.

Likestrømmen går inn i det smeltede metallbad via minst et par elektroder som mates av en generator og er anbragt i badet oppstrøms og nedstrøms filtreringsmediet. Det kontinuerlige magnetfelt oppnås ved hjelp av minst en elektromagnet eller minst to permanente magneter som utgjør en nord-syd enhet og som alt er anordnet overfor mot hverandre vendte laterale flater i filtreringsmediet.

I det spesielle tilfellet der filtreringsmediet har et impermeabelt område, dannes kreftene enten: - ved føring av en likestrøm i filtreringsretningen idet strømmen oppnås som tidligere ved hjelp av en generator og minst to elektroder; idet det impermeable området virker som en elektrode gjennom hvilken en del av likestrømmen går for derved å unngå "hullet" i kraften i sentrum av filtreringsmediet; eller

ved å omgi f iltreringsmediet med minst en vikling av en solenoid som gjennomløpes av en strøm med en frekvens under eller lik 60 Hz.

I disse to tilfeller er kraftfeltet radialt og rettet mot sentrum av filtreringsmediet, det vil si loddrett på filtreringsretningen .

I en retning parallelt med filtreringsretningen dannes kraftfeltet ved å forbinde et kontinuerlig magnetfelt med en retning loddrett på filtreringsretningen med en likestrøm som passerer i metallet i en retning loddrett på magnetfeltet og på filtreringsretningen.

Avhengig av retningen til strømmen eller magnetfeltet blir kraftfeltene rettet i retning av filtreringen eller i motsatt retning. I dette tilfellet oppnås magnetfeltet ved hjelp av en elektromagnet eller minst et par permanente magneter som utgjør et nord-syd sett anordnet overfor mot hverandre liggende laterale flater av filtreringsmediet. Filtreringsmediet er således utstyrt på flatene som gjennomløpes av badet med elektriske isolerende skillevegger som er parallelle med filtreringsretningen og loddrett på strømretningen for derved å forhindre at badet som er utenfor for fil-trer ingsmediet kortslutter likestrømmen og derved bryter ned kraftfeltet i mediet.

Hvis filtreringsmediet er en filtrerings-"candle", oppnås kraftfeltet ved hjelp av en solenoid som gjennomløpes av en strøm med en frekvens under eller lik 60 Hz, anbragt innenfor eller utenfor denne "candle" der viklingene opptar minst en brøkdel av høyden.

Oppfinnelsen skal illustreres nærmere ved hjelp av de ledsagende tegninger. Figur 1 viser et f iltreringsmedium på hvilket det er lagt et elektromagnetisk kraftfelt loddrett på filtreringsretningen, dannet av en likestrøm. Figur 2 viser et f iltreringsmedium på hvilket det er lagt et elektromagnetisk kraftfelt loddrett på filtreringsretningen, dannet av sammenkobling av et kontinuerlig magnetisk og en likestrøm. Figur 3 viser et filtreringsmedium med et impermeabelt område på hvilket det er lagt et elektromagnetisk kraftfelt loddrett på filtreringsretningen, dannet av en likestrøm. Figur 4 viser et filtreringsmedium med et impermeabelt område på hvilket det er lagt et elektromagnetisk kraftfelt loddrett på filtreringsretningen, dannet av en solenoid som gjennomløpes av en vekselstrøm. Figur 5 viser et f iltreringsmedium på hvilket det er lagt et elektromagnetisk kraftfelt parallelt med filtreringsretningen, dannet ved en sammenkobling av et kontinuerlig magnetisk felt og en likestrøm. Figur 6 viser et filtreringselement på hvilket det er lagt et elektromagnetisk kraftfelt loddrett på filtrerings-

retningen, oppnådd ved en solenoid som gjennomløpes av en vekselstrøm og som omgir filtreringselementet.

Mer spesielt viser figur 1 et filtreringsmedium 1 som opptar hele tverrsnittet av en ikke-vist filtreringsøse gjennom hvilken et bad av smeltet metall passerer i retningen 2, og hvorpå det er lagt en likestrøm i retning 3 som danner sitt eget magnetfelt 4 og et elektromagnetisk kraftfelt med retningen 5. Figur 2 viser et porøst medium 6 arrangert som før og gjennomløpt av badet i retningen 7 og på hvilket det er lagt en likestrøm i retning 8 forbundet med et kontinuerlig magnetfelt med retningen 9, oppnådd ved hjelp av elektro-magneten 10, idet denne sammenkobling gir et elektromagnetisk kraftfelt med retningen 11. Figur 3 viser et porøst medium 12 arrangert som før, gjennomløpt av badet i retningen 13 og med et impermeabelt område 14 på hvilket det legges en likestrøm med retningen 15 som danner sitt eget magnetfelt med retningen 16 og gir et elektromagnetisk kraftfelt med retningen 17. En del 18 av likestrømmen som passerer gjennom medium går gjennom området 14. Figur 4 viser et filtreringsmedium 19 arrangert som før, gjennomløpt av badet i retningen 20 og med et impermeabelt område 21, idet mediet omgis av flere viklinger av en solenoid 22 som danner et elektromagnetisk kraftfelt 23. Figur 5 viser et f iltreringsmedium 24 arrangert som før og utstyrt med skiller 25 som gjennomløpes av badet i retningen 26 og hvorpå det er lagt en likestrøm i retning 27 forbundet med et kontinuerlig magnetisk felt med retningen 28, oppnådd ved hjelp av en elektromagnet 29 idet denne sammenkobling danner et elektromagnetisk kraftfelt med retningen 30. Figur 6 viser et f ilterelement 31 anordnet i et bad som sirkulerer i retningen 32 og går ut i retning 33, idet elementet er omgitt av en solenoid 34 som danner et elektromagnetisk kraftfelt med retningen 35.

Oppfinnelsen vil forstås bedre ved hjelp av følgende utførelsesform: En aluminiumlegering av typen 1050 i henhold til Aluminium Association-standarder ble smeltet og så delt i fire deler merket 1, 2, 3 og 4. Hver av fraksjonene ble støpt i form av barrer efter å ha vært underkastet en behandling i en øse for separering av inklusjoner, bortsett fra fraksjon 1 som tjente som en kontrollprøve og som ble støpt direkte.

Fraksjon 2 ble underkastet en elektromagnetisk rensings-behandling, det vil si at et kraftfelt på 1,5 x IO<4> N/m<5> ble lagt på i fravær av filtreringsmedium.

Fraksjon 3 ble ført i en hastighet på 0,7 cm/sek. gjennom et sjikt med en tykkelse på 5 cm, bestående av et materiale med en åpen porøsitet på 65$ og en midlere porestørrelse på 1,5 mm.

Fraksjon 4 ble behandlet som fraksjon, men ved på sjiktet ifølge oppfinnelsen å legge på et kraftfelt på 1,5 x IO<4> N/m<5 >rettet loddrett på filtreringsretningen.

Noen prøver fra hver av fraksjonene ble oppløst i bromert metanol for å måle nivået av inklusjoner for hver sepa-reringsmetode. Det ble gjennomført to typer målinger: en medførte bestemmelse av diameteren for de største

inklusjoner som forble i oppløsningsresten;

den andre medførte den totale skadelighet av alle inklusjoner eller inklusjonsskadeligheten I. For å oppnå

denne verdi ble hver inklusjon gitt en skadelighetsgrad i koblet med diameteren (j) på den måte som er gitt i følgende tabell:

Inklusjonsskadeligheten I tilsvarer formelen: der d (0) er lik antallet inklusjoner med diameteren Ø pr. volumenhet metall og i ($) er skadelighetsgraden som beskrevet ovenfor. Det finnes derfor i prøve 4 som er oppnådd fra et metall behandlet ifølge oppfinnelsen at på den ene side det ikke inneholder inklusjoner med en diameter på over 10 pm mens denne diameter er 200 pm for elektromagnetisk rensings-behandling alene og 80 pm for innfanging i et filtermedium alene, og på den annen side har den en inklusjonsskadelighet på 15, mens denne verdi er 2500 når det gjelder den konven-sjonelle rensing og 200 når det gjelder innfanging.

Disse resultater viser at prosessen ifølge oppfinnelsen tillater meget lave inklusjonsnivåer i et metallbad. Således er de metallurgiske produkter som oppnås ved størkning av et slikt bad langt mer egnet for omdanning enn de ifølge den kjente teknikk.

Claims (22)

1. Fremgangsmåte for separering av inklusjoner inneholdt i et smeltet metallbad ved gjennomføring i et f iltermedium, karakterisert ved at et elektromagnetisk kraftfelt på minst 1 x IO<3> N/m<5> legges på dette medium.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at feltet har en styrke på mellom 1 x IO<3> og 1 x 10^ N/m5 .

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at filtreringsmediet er en porøs masse gjennom hvilken badet føres i en hastighet på mellom 0,1 og 1,5 m/sek.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at filtreringsmediet er et tykt sjikt av løse materialer gjennom hvilket badet føres med en hastighet på mellom 0,01 og 0,7 m/sek.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at filtreringsmediet er minst et filtreringsrør gjennom hvilket badet føres i en hastighet på mellom 0,01 og 0,06 cm/sek.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 3 og 4, karakterisert ved at f iltreringsmediet har et impermeabelt område i sentrum og over hele tykkelsen som gjennomløpes av metallet.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 3 og 4, karakterisert ved at kreftene rettes hovedsakelig i en retning loddrett på filtreringsretningen.

8. Fremgangsmåte ifølge kravene 3, 4 og 5, karakterisert ved at kreftene rettes hovedsakelig i en retning parallelt til filtreringsretningen.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at kraftfeltet dannes ved å føre en likestrøm i metallet gjennom hele tykkelsen av filtreringsmediet og i filtreringsretningen.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at kraftfeltet dannes ved samtidig å benytte et kontinuerlig magnetisk felt med en retning loddrett på filtreringsretningen og en likestrøm i metallet i filtreringsretningen .

11. Fremgangsmåte ifølge krav 9 og 10, karakterisert ved at likestrømmen passerer inn i badet av smeltet metall via minst et par elektroder som mates av en generator og er anbragt i badet oppstrøms og nedstrøms filtreringsmediet.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at det kontinuerlige magnetiske feltet oppnås ved hjelp av minst en elektromagnet anbragt overfor mot hverandre stående laterale flater av filtreringsmediet.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at det kontinuerlige magnetiske felt oppnås ved hjelp av minst to permanente magneter som utgjør en nord-syd enhet anbragt overfor de mot hverandre stående laterale flater av filtreringsmediet.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at kraftfeltet dannes ved å føre en likestrøm i filtreringsretningen.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at det impermeable området danner en elektrode gjennom hvilken en del av strømmen passerer.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at filtreringsmediet omgis av minst en vikling av en solenoid som gjennomløpes av en strøm med en frekvens under eller lik 60 Hz.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at kraftfeltet dannes ved samtidig å benytte et kontinuerlig magnetisk felt med en retning loddrett på filtreringsretningen og en likestrøm som passerer i metallet i en retning loddrett på magnetfeltet og på filtreringsretningen.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 17, karakterisert ved at magnetfeltet dannes ved en elektromagnet som virker på de mot hverandre stående laterale flater av filtreringsmediet.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 17, karakterisert ved at magnetfeltet dannes ved hjelp av minst et par permanente magneter som gir en nord-syd-gruppe anbragt overfor de laterale flater som er mot filtreringsmediet.

20. Fremgangsmåte ifølge krav 17, karakterisert ved at et filtermedium som på flatene som gjennomløpes av badet er utstyrt med elektrisk isolerende skiller som er parallelle med filtreringsretningen og loddrett på retningen av strømmen.

21. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at hver filtreringsanordning er omgitt av en solenoid som gjennomløpes av en strøm med en frekvens under eller lik 60 Hz og hvis viklinger opptar i det minste en del av høyden av filtreringsinnretningen.

22. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at det inne i hver f iltreringsanordning er anordnet en solenoid som gjennomløpes av en strøm med en frekvens under eller lik 60 Hz idet viklingene opptar i det minste en del av høyden av filtreringsinnretningen.