NO311437B1 - Fremgangsmåte og apparat for flussmiddelfri raffinering av magnesium og magnesiumlegeringer - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte og et apparat for raffinering av magnesium og magnesiumlegeringer uten bruk av flussmidler.

Arbeidet i et produksjonsanlegg hvor man støper deler av magnesium eller magnesiumlegeringer fører til at det også dannes en viss mengde skrapmetall. Hittil har den vanligste måten å behandle dette skrapet på vært å sende skrapmetallet tilbake til magnesiumleverandøren som i sin tur resirkulerer det til rene barrer av magnesium eller magnesiumlegering, som igjen finner veien tilbake til kunden. Barrene må smeltes igjen på magnesiumstøperiet. Dette er ikke en ideell situasjon, siden metallet må transporteres over lange avstander, noe som både er tidkrevende og dyrt. Å støpe barrer og smelte dem igjen er også energikrevende.

En av de vanligste måtene å resirkulere skrapmetall på er ved å raffinere dem ved hjelp av flussmidler. For å redusere innholdet av visse forurensninger i råmagnesium blir dette behandlet med flussmidler eller saltblandinger. Flussmidlene har to grunnleggende funksjoner, å fjerne visse urenheter fra magnesium og å beskytte det smeltede metallet mot kontakt med atmosfæren. I US patent No. 5 167 700 beskrives en metode for resirkulering av skrapmetall ved hjelp av flussmidler. Imidlertid er dette en komplisert prosess som krever store enheter og store ferdigheter av arbeiderne for at det skal oppnås gode resultater, og derfor egner den seg ikke for bruk i magnesiumstøperier. Bare en liten mengde saltrester vil forurense det støpte produktet og redusere korrosjonsegenskapene.

Hvis det fantes en enkel og effektiv måte å resirkulere det på, ville skrapmetallet bli resirkulert på stedet med en gang uten behov for først oppvarming, så støping av barrer, transport og ny smelting igjen.

Det er også kjent andre metoder for flussmiddelfri raffinering av magnesium og magnesiumlegeringer. I japansk patent nr. 93034044 beskrives et keramisk filter som brukes til å filtrere smeltet magnesium. Filteret lages av elektrisk smeltet aluminapulver og fritte. Det hevdes at det er mer effektivt enn konvensjonelle trådnettfiltre i rustfritt stål og forbedrer resirkuleringsprosessen for skrapmetall av magnesiumlegering.

Fra V. W. Petrovich og J. S. Waltrip, "Fluxless refining of magnesium scrap", Proceedings of 45th IMA Conference, 1988, s. 11-18, er det kjent en skrapsmeltingsprosess. Skrapet avfettes, forvarmes og overføres til en smelte- og støpeform. Prosessen bruker SF6-C02-luft som beskyttende atmosfære og bruker et filtersystem for effektiv fjerning av ikke-metalliske inklusjoner. Et luftdrevet mekanisk røreverk hjelper til med smeltingen av skrapet. Et "wedge-screen" sylindrisk filter av rustfritt stål brukes sammen med en elektromagnetisk pumpe. Dette filteret gir et svært lite volum for avsetning av partikler. Som et resultat må det også byttes ut svært ofte hvis dette filteret skal være effektivt,. På den annen side, hvis filteret kan stå lenge uten å bli tett, kan det ikke fjerne inklusjoner effektivt.

Fra S.E.Housh og V.Petrovich, "Magnesium refining: A fluxless alternative", SAE technical paper 920071, Warrendale PA, USA, 1992, er det kjent en metode for å omsmelte og raffinere magnesiumskrap. Denne metoden baserer seg på argonsprinkling og flotasjon for å fjerne oksidene. Oksidene skummes fra toppen av smeiten. I tillegg fant man det nødvendig å filtrere smeiten for å bli kvitt de største inklusjonene. Selv om noen oksider kan fjernes ved gassrensing, spesielt oksidfilmer, er ulemper med denne metoden økt slaggdannelse, prisen av gassen og økt forbruk av dekkgass foruten at fordamping av metall er en sikkerhetsrisiko.

Internasjonal patentsøknad W09841474 beskriver en metode for å fjerne faste partikler fra magnesiumklorid eller smeltet magnesium ved filtrering. Metallet smeltes i en smelteovn som inneholder smeltet metall og overføres gjennom en hevertanordning utstyrt med et filter til en støpeovn for å fjerne eventuelle uønskede faste partikler. Det brukes en vakuumpumpe for å overføre metallet til støpeovnen. Metallet overføres deretter til støpeformen gjennom et separat rør ved at pumpen stoppes og det sprøytes tørr luft eller inertgass inn i samlekaret i støpeovnen for å skape et positivt trykk som tvinger det filtrerte smeltede metallet inn i formen. Også her kan man stille spørsmål om levetiden for filteret.

Som man ser av litteraturen er de filterne som foreslås for magnesium i industrielt bruk kakefiltre. Selv om det er grunn til å tro at noen av disse filterne fjerner inklusjoner godt, fortelles det ikke noe om hvor ofte de må skiftes. Det bygges opp en filterkake og de partiklene som allerede er avsatt fungerer som filter. Dermed øker trykkfallet betydelig. Sikter og keramiske skumfiltre er eksempler på filtre som hovedsakelig fungerer som kakefiltre. Filtre som fungerer som kakefiltre må byttes og renses hyppig.

I aluminiumsindustrien er sengfiltre brukt i store raffineringsovner i primære støperier. Disse ovnene kan være minst 10 ganger så store som de ovnene som brukes i magnesiumstøperier for presstøping. Sengfiltre brukes for eksempel ikke ved presstøping av aluminium. Kompakte sengfiltre ble utviklet ganske nylig (se Norsk patent nr. 174 164), men de brukes for det meste i primær produksjon og ikke i for eksempel presstøperier.

Målet for denne oppfinnelsen er å komme frem til en fremgangsmåte for raffinering av magnesium og magnesiumlegeringer som er sikker og gir gode resultater med hensyn til renhet av metallet, slaggdannelse, forbruk av dekkgass og sikkerhet. Den må være enkel i drift og vedlikehold og egnet for lokal resirkulering av skrapmetall.

Disse og andre mål med oppfinnelsen oppnås med fremgangsmåten og apparatet som beskrives nedenfor. Oppfinnelsen beskrives og karakteriseres ytterligere ved patentkravene som følger med.

Oppfinnelsen dreier seg altså om en fremgangsmåte for raffinering av magnesium og magnesiumlegeringer uten bruk av flussmidler, hvor fast metall smeltes ved å senkes ned i en smelte av smeltet metall som befinner seg i en ovn og filtreres, hvor en strøm av smeltet metall ved hjelp av en pumpe føres opp gjennom et lag av finfordelt filtermateriale som er anbrakt i en filterinnsats. Denne pumpen kan plasseres inne i filterinnsatsen, over filtermaterialet eller i et kammer etter filteret i strømningsretningen. Alternativt kan det faste metallet smeltes i en separat ovn og overføres til den ovnen som inneholder filtermaterialet.

Oppfinnelsen vedrører også et apparat for raffinering av magnesium og magnesiumlegeringer uten bruk av flussmidler, som innbefatter et første kammer for tilførsel og smelting av fast metall og et andre kammer som inneholder en filterinnsats med finfordelt filtermateriale. En pumpe er plassert over filteret eller i et avdelt rom som ligger etter filteret i strømningsretningen. De to kamrene kan befinne seg i den samme smelteovnen eller smeltingen kan finne sted i en separat smelteovn.

Oppfinnelsen vedrører også et filter til bruk ved raffinering av magnesium og magnesiumlegeringer uten bruk av flussmidler, som innbefatter en filterinnsats i form av en stålbeholder med bunn av jerngitter som inneholder et lag av finfordelt filtermateriale. Fortrinnsvis er filtermaterialet laget av stål eller et annet metall som ikke reagerer med det smeltede magnesiumet. Hulrommene inne i filtermaterialet bør være mye større enn partiklene som skal holdes tilbake av filteret. Det foretrekkes at høyden av filterlaget er større enn eller lik bredden av filterinnsatsen.

Oppfinnelsen beskrives videre med henvisning til figur 1-3, hvor

figur 1A viser ovnen med filteret sett fra siden

figur 1B viser ovnen sett ovenfra

figur 2A viser, sett fra siden, en smelteovn i kombinasjon med en ovn hvor

filteret og pumpen befinner seg i separate kamre.

figur 2B viser ovnen med filter sett ovenfra

figur 3 viser en graf av filtreringseffektiviteten som funksjon av filterlengden

Figur 1 er en skjematisk tegning av ovnen 1. Ovnen er utstyrt med en smeltedigel av badekartypen som er kurvet i begge ender. Det kan også brukes sylindriske eller rektangulære digler. En passasje 3 for påfylling av skrapmetall, utstyrt med et "skjørt" 4, bør minimalisere spredning av slagg utenfor påfyllingspassasjen og også sørge for at temperaturfallene begrenser seg til passasjen. Skjørtet ble bare sveiset til passasjen, ikke til digelen. En stålsylinder 5 med en jernrist 6 sveiset til bunnen utgjør filterinnsatsen. Filterinnsatsen trenger ikke å være sylindrisk, den kan ha en hvilken som helst egnet form. Rundt den øvre åpningen har sylinderen en flens 7 som hviler på ovnsdekselet 8. Sylinderen er arrangert slik at det skal være lett å bytte ut filtermaterialet 9. Sylinderen kan løftes ut og fjernes fra ovnen. Enten kan man sette inn en ny sylinder, eller den gamle kan settes tilbake etter at den er tømt for brukt filtermateriale. Man kan fylle på nytt filtermateriale mens sylinderen er utenfor ovnen eller etter at den er satt inn i ovnen igjen. En gassfortrengningspumpe 10 er plassert omtrent 5 cm ovenfor filtermaterialet. En egnet pumpe er vist i U.S. patent No. 5 400 931. En flens 11 er sveiset til gassfortrengningspumpen og passer nøyaktig over filterinnsatsen slik at metallrommet innenfor lukkes tett til og behovet for dekkgass reduseres til et minimum. Fortrinnsvis brukes argon som føres inn gjennom gassinntaket 12 til pumpen. Det kan brukes en hvilken som helt type av pumpe som egner seg for bruk i forbindelse med magnesium og magnesiumlegeringer. Imidlertid anbefales det ikke å bruke sentrifugalpumper i dette arrangementet, siden de vil føre til at det filtrerte metallet virvles opp i betydelig grad. Det spesielle arrangementet med pumpen plassert inne i beholderen fører til at hele filtervolumet utnyttes homogent. Pumpen transporterer metallet for eksempel til en fyllsylinder (ikke avbildet) for støping av metalldeler eller til en støpeform for barrer. Dekselet er utstyrt med en inspeksjonsluke 13 slik at man kan følge metallnivået under drift. Med arrangementet som er vist i figur 1 vil fast metall føres til kammeret 14 og filteret plasseres i kammer 15. Det er også mulig å smelte metallet i en separat ovn.

Et alternativt arrangement som utnytter dette filteret ville være å plassere pumpen i et separat kammer etter filteret i metallstrømmen. I figur 2 vises et slikt arrangement i kombinasjon med en separat smelteovn 16. Denne ovnen er delt i to kamre av en vegg 17 som ikke går helt ned til bunnen slik at det blir en passasje i bunnen og smeltet metall kan forflytte seg fra det ene kammeret til det andre. Det fylles på med fast metall i det første kammeret i smelteovnen, og det overføres til det første kammeret 18 i ovnen ved siden av gjennom en hevert 19. Filterinnsatsen med filtermaterialet 9 er plassert i det midtre kammeret 20 og hviler på en sokkel 21. Det er viktig at det ikke er noe åpent rom mellom innsatsen og sokkelen for å sikre at alt metallet føres gjennom filteret. Filteret er utstyrt med en anordning 22 for å gjøre det lettere å løfte det ut av ovnen.

I et tredje kammer er det plassert en sentrifugalpumpe 23. Metallet strømmer som illustrert ved pilene i figur 2 fra det første kammeret gjennom en åpning i skilleveggen 24 under filteret, gjennom filtermaterialet og ut av det andre kammeret gjennom en åpning i den motsatte skilleveggen 25, over filteret. Metallet transporteres deretter av pumpen for eksempel til en støpehylse (ikke avbildet) for støping av metalldeler, eller til en støpeform for barrer.

Filtermaterialet lages fortrinnsvis av stål, for eksempel i form av kuler eller Raschig-ringer. Sistnevnte foretrekkes, siden det spesifikke overflatearealet for ringer er mye større enn for en kule. Stålrør er billige forbruksvarer og et filtermateriale av stål kan lett rengjøres med syre. Det er imidlertid mulig å bruke et hvilket som helst materiale som ikke reagerer med smeltet magnesium, for eksempel magnesiumoksid, kalsiumoksid eller visse sorter aluminiumoksid. Også størrelsen og formen av filtermaterialet kan variere innen vide grenser. Det er imidlertid nødvendig at åpningene eller porene i filteret er mye større enn størrelsen av partiklene de holder tilbake. Et sengfilter er gjerne stort og har store indre overflater, slik at det kan holde tilbake et stort antall inklusjoner før det er utbrukt. Filteret er fortrinnsvis høyere enn det er bredt for å sikre at hele tverrsnittet utnyttes.

Eksempel

Det ble utført en rekke eksperimenter med en 180 kW motstandsovn i henhold til figur 1, med en 1000 mm lang og 500 mm bred badekardigel. Dybden av digelen var 1000 mm, slik at metallnivået under drift var 850-900 mm. Filterinnsatsen var en sylinder med indre diameter 400 mm som var utstyrt med et gitter i bunnen. Filtermaterialet besto av 60 m rør av bløtt stål med ytre diameter 25 mm, kuttet i lengder på 25 mm. Dette ga en filtertykkelse på 250-300 mm. Ideelt sett burde filteret vært lenger, minst 500 mm, men på grunn av den begrensede dybden av digelen og det forholdsvis store volumet som kreves for denne spesielle gassfortrengningspumpen kunne ikke filterlengden være mer enn 250-300 mm. I dette arrangementet hvor filteret er like langt som det er bredt ventes det en ensartet utnyttelse av hele filtervolumet.

SFe/luft-blandinger ble innført i alle rommene. Støpingen ble utført med en gassfortrengningspumpe med en skuddkapasitet på 5 kg. Når den eksperimentelle serien startet var ovnen 3/4 fylt med smeltede AZ91 -barrer. Ovnen ble så fylt opp med presstøpeavfall klasse I, som består av "runners, biscuits trimmings" og kasserte støpedeler, ikke noe vått, fettet eller malt materiale (P.M.D. Pinfold og D. Øymo, "An evacuation of refined, recycled AZ91D-alloy", SAE Technical Paper, 930420, 1993).

Under eksperimentet ble skrapmetall av klasse I tilført med tilstrekkelig hastighet til å opprettholde nivået i badet. Det er også mulig, og foretrekkes, å smelte skrapet i en separat ovn og overføre det smeltede metallet gjennom en hevertanordning til ovnen der filteret befinner seg. Hydros metode for anslag av magnesiuminklusjoner (Hydro Magnesium Inclusion Assessment Method, HMIAM)(P. Bakke og D. O. Karlsen, "Inclusion assessment in magnesium and magnesium base alloys", SAE Technical paper 970330, 1997) ble brukt til å bestemme renheten av metallet. Det var ikke mulig å ta HMIAM-prøver fra nær filterinngangen. Derfor ble det kjørt en delt forsøksserie, først en referansedel uten filter, hvor det ble støpt 1,9 tonn AZ91-legering fra det tomme filterrommet. Deretter ble det støpt 2,4 tonn filtrert materiale. Det ble tatt 26 HMIAM-prøver nær pumpeinngangen med regelmessige mellomrom. Man fikk støpe-/påfyllingshastigheter på 450 kg/t i perioder på 12-15 minutter. Temperaturen ble holdt jevnt på omtrent 680 °C under eksperimentene. Tabell 1 viser resultatene av HMIAM-målingene. Estimert filtreringseffektivitet for oksidpartikler og oksidfilmer er også oppført under forutsetning av at metallkvaliteten er tilsvarende under begge delene av forsøksserien.

Drass ble også fjernet med regelmessige mellomrom. Under referanseperioden ble det fjernet 3,8 % dross, mens det ble fjernet 7,4 % dross under filterperioden. Dette kan tyde på at metallet i gjennomsnitt var nesten dobbelt så rent under referanseperioden. Filtreringseffektiviteten i tabell 1 bør derfor korrigeres for denne faktoren. Dette gir en filtreringseffektivitet i området 0,6-0,7.

I figur 2 er filterlengden plottet som funksjon av filtreringseffektiviteten. Man ser for eksempel at hvis filtreringseffektiviteten (E) for et filter av lengde L er 0,5, vil en dobling av lengden øke E til 0,75. For en gitt form og størrelse av filtermateriale bestemmes filtreringseffektiviteten av lengden av det dype sengfilteret, mens tverrsnittet av filteret bestemmer levetiden.

I praksis vil man ikke kjøre et enovnssystem på 100 % skrap ved presstøping. Ved såkalt interncelle-resirkulering hvor skrapet (straks) sendes tilbake til ovnen det er støpt i, kan man typisk fylle på 20-70 % skrap sammen med barrene. I et slikt system kan et filter som fjerner 50-80 % av inklusjonene vise seg tilstrekkelig hvis man fjerner drosset regelmessig. Dette er det mulig å oppnå med et 0,25-1 m langt sengfilter, avhengig av dimensjonene på filtermaterialet. Med et to-ovnerssystem kan man plassere et sengfilter, kanskje med tettere filtermateriale, like før pumpeinntaket. Et slikt filter med mindre kapasitet, som krever mindre plass og gir et renere metall, kan anvendes fordi metallet som skal filtreres trolig er betydelig renere enn metallet i et enovnssystem. Dermed kan tiden mellom hver gang man må bytte filter likevel bli tilstrekkelig lang.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte for flussmiddelfri smelting og raffinering av magnesium og magnesiumlegeringer hvor fast metall smeltes ved å senkes ned i en smelte av flytende metall som befinner seg i en ovn (1) og filtreres, karakterisert ved at en strøm av smeltet metall føres opp gjennom et lag av finfordelt filtermateriale (9) som befinner seg i en filterinnsats (5,6), ved hjelp av en pumpe (10) anordnet inne i filterinnsatsen, over filtermaterialet, eller i et rom som ligger etter filteret i strømningsretningen.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at det faste materialet smeltes i en separat ovn og overføres til ovnen (1) som inneholder filtermaterialet.

3. Apparat for flussmiddelfri smelting og raffinering av magnesium eller magnesiumlegeringer som innbefatter et første kammer for påfylling og smelting av fast metall, karakterisert ved at et andre kammer inneholder en filterinnsats (5,6) med finfordelt filtermateriale (9) og hvor en pumpe (10) er plassert over filteret eller i et rom som ligger etter filteret i strømningsretningen.

4. Apparat i henhold til krav 3, karakterisert ved at de to kamrene befinner seg i den samme ovnen.

5. Apparat i henhold til krav 3, karakterisert ved at filterinnsatsen består av en stålbeholder (5) med bunn av jerngitter (6), som inneholder et lag av finfordelt filtermateriale (9).

6. Appratur i henhold til krav 3 eller 5, karakterisert ved at filtermaterialet (9) er laget av stål eller et annet materiale som ikke reagerer med smeltet magnesium.

7. Apparat i henhold til krav 3 eller 5, karakterisert ved at filtermaterialet er formet som Raschig-ringer.

8. Apparat i henhold til krav 3, karakterisert ved at åpningene mellom filtermaterialet er mye større enn partiklene som skal holdes tilbake i filteret, og hvor høyden av filterlaget fortrinnsvis er lik eller større enn bredden av filterinnsatsen.

9. Anvendelse av et sengfilter som innbefatter en stålbeholder (5) med en bunn av jerngitter (6) som inneholder et lag av finfordelt filtermateriale, for flussmiddelfri raffinering av smeltet magnesium og magnesiumlegeringer.