PL170327B1

PL170327B1 - Wirnik lopatkowy wspólpracujacy z kadzia rafinacyjna do rafinacji aluminium PL PL PL

Info

Publication number: PL170327B1
Application number: PL92312562A
Authority: PL
Inventors: John F Pelton
Original assignee: Union Carbide Ind Gases Tech
Priority date: 1991-02-19
Filing date: 1992-02-18
Publication date: 1996-11-29
Also published as: NO920637L; EP0500052A2; ES2094246T3; JP2856972B2; CN1064318A; DE69214975D1; MX9200668A; RU2090635C1; CA2061417C; GR3022474T3; AR000069A1; FI100665B; NZ241643A; AU659041B2; CN1043789C; KR920016603A; EP0500052A3; AU5319394A; PL293515A1; AU1107492A

Abstract

1 . Wirnik lopatkowy wspólpracujacy z kadzia rafinacyjna do rafinacji aluminium, wbudowany w zespól dyszy wirujacej z otworem, znamienny tym, ze wirnik (40) lopatkowy posiada umieszczone na przemian lopatki (42) i szczeliny wokól jego obrzeza, przy czym szczeliny wystepuja tylko na cze- sci dlugosci, w dól od górnej powierzchni wirnika, pod nimi znajduje sie czesc obnizo- na (45), przy czym czesc obnizona (45) po- siada umieszczone w niej otwory (47). F IG. 5 PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest wirnik łopatkowy współpracujący z kadzią rafinacyjną do rafinacji aluminium.

Roztopione aluminium, powstałe z najczęściej stosowanych materiałów takich jak metal, nieprzetopiony złom czy przetopione wlewki musi być zazwyczaj rafinowane przed odlaniem wlewków, płyt lub prętów. Może być to dokonane przez przepuszczenie przez stopione aluminium pęcherzyków gazu rafinacyjnego, przykładowo azotu lub argonu. W niektórych przypadkach, stosuje się dodatek chlorowców, zazwyczaj chloru, w innych, stosuje się dla oczyszczania aluminium tylko chlor. Taka obróbka pozwala na usunięcie rozpuszczonego wodoru, metali alkalicznych, takich jak sód i lit, oraz niewielkich cząstek zanieczyszczeń takich jak na przykład tlenki aluminium. Efektywność określonej ilości gazu przy tym procesie jest zwiększona przy zmniejszeniu rozmiarów pęcherzyków gazu w roztopionym aluminium, przez co zwiększa się powierzchnia reakcji gaz-metal. Efektywność jest także zwiększona przez rozproszenie pęcherzyków gazu w całej objętości rafinowanego metalu. Jednym z efektywnych sposobów uzyskania małych pęcherzyków i dobrego ich rozproszenia w metalu jest zastosowanie dyszy wirującej, umieszczonej w płynnym aluminium. Dla tego celu dostępne są urządzenia między innymi systemu SNIF™ służące do oczyszczania w międzyoperacyjnej rafinacji, na drodze z zasobnika

170 327 do maszyny odlewniczej. Patent Peltona US 4 784 374 omawia i pokazuje specjalne wykonanie systemu SNIF™.

Dysza wirująca, stosowana przy rafinacji aluminium jest na ogół umieszczona w środku prostokątnej kadzi rafinacyjnej. Należy jednak zaznaczyć, że dysza wirująca może być także umieszczona niecentrycznie w kadzi, jeżeli jest to niezbędne z innych powodów, takich jak ułatwienie konstrukcji, lub dostępu do urządzenia. W każdym przypadku, przegroda według wynalazku korzystnie winna być umieszczona pod osią wirnika dyszy wirującej. Także pamiętać trzeba, że dla prostokątnej kadzi rafinacyjnej z zasadniczo pionowymi ścianami, wspomniana przegroda może być umieszczona równolegle do jej krótszego boku, albo także równolegle do dłuższego boku. Jednak, zasadniczo lepsze rezultaty uzyskuje się, gdy przegroda umieszczona jest równolegle do krótszego boku. Kadź rafinacyjna może posiadać pochyloną ścianę, położoną w jednym jej końcu, lub na jednym jej boku, dla ułatwienia opróżniania i czyszczenia kadzi. W takich wykonaniach przegroda korzystnie winna być umieszczona równolegle do podstawy tej pochylonej ściany.

Stopień rafinacji metalu przy zastosowaniu systemu z dyszą wirującą może być powiększony przez zwiększenie przepływu zastosowanego gazu. Zazwyczaj występuje też potrzeba zwiększenia prędkości obrotowej dyszy, dla uzyskania drobnych pęcherzyków gazu i rozproszenia tych pęcherzyków w całej przestrzeni rafinacyjnej roztopionego aluminium. Zwiększeniu przepływu gazu i prędkości obrotowej dyszy towarzyszy zazwyczaj zwiększenie zawirowań na powierzchni płynnego aluminium. Maksymalny stopień rafinacji określonego sposobu rafinacji jest więc ograniczony przez maksymalnie dopuszczalne zawirowania i nierówność powierzchni płynnego aluminium.

Nadmiernie zawirowane powierzchnie są niekorzystne dla procesu z kilku powodów. I tak, powstała w ten sposób zwiększona powierzchnia metalu powiększa możliwość reakcji metalu z czynnymi gazami z otoczenia. Przykładowo, tlen z powietrza będzie reagował z metalem i tworzył warstwę tlenku aluminium, para wodna z powietrza będzie wytwarzała wodór w metalu i warstwie tlenków aluminium. Co więcej, gdy cząstki stałe zostaną wyniesione na powierzchnię przez pęcherzyki gazu ralinacyjnego zawirowania powierzchni mogą przeszkodzić w ich pożądanym oddzieleniu się od pęcherzyków i osadzeniu się w warstwie pływającego kożucha żużlowego, formującego się nad objętością metalu. Nadmierne zawirowania powierzchni mogą także wywoływać ponowne rozpuszczanie się żużla w roztopionym metalu. Ilościowe określenie wpływu zawirowań powierzchni metalu jest trudne, mimo to fachowcy procesu rafinacyjnego wiedzą z doświadczenia, że zjawisko to jest niepożądane i będą starali się ograniczyć takie zawirowania powierzchni do poziomu, jaki dopuszcza normalna praktyka odlewnicza.

Występuje więc w branży odlewniczej zapotrzebowanie i chęć zwiększenia stopnia rafinacji aluminium przy procesie z wirującymi dyszami. I tak, występuje potrzeba zwiększenia przepływu gazu oraz zwiększenia prędkości obrotowej dyszy aby osiągnąć maksymalny stopień rafinacji bez wytworzenia nadmiernych zawirowań powierzchni metalu., jakie aktualnie występują przy technologii stosującej dysze wirujące. Dlatego przedmiotem wynalazku jest wirnik łopatkowy z otworami do wypływu gazu.

Istotą wynalazku jest wirnik łopatkowy współpracujący z kadzią rafinacyjną do rafinacji aluminium wbudowany w zespół dyszy wirującej z otworem, który charakteryzuje się tym, że wirnik łopatkowy posiada umieszczone na przemian łopatki i szczeliny wokół jego obrzeża, przy czym szczeliny występują tylko na części długości, w dół od górnej powierzchni wirnika. Pod nimi znajduje się część obniżona, przy czym część obniżona posiada umieszczone w niej otwory.

Korzystnym jest, że otwory są umieszczone na skrajnej, wewnętrznej części wylotów wirnika, oraz że część obniżona wirnika ma wysokość w zakresie od około 20% do około 40% ogólnej wysokości łopatek wirnika.

Korzystnym jest, że obszar otworu części obniżonej w stosunku do całego wymiaru otworu jeśli nie jest ograniczony, znajduje się w zakresie od około 25% do około 75%.

Korzystnym jest, że wirnik ma zespół kierownicy i że średnica kierownicy jest nieco większa od średnicy podstawy wirnika łopatkowego.

170 327

Korzystnym jest, że pionowa szczelina pomiędzy górną powierzchnią wirnika i dolną powierzchnią kierownicy jest wykonana jako bardzo wąska, rzędu około 0,05 cm.

Korzystnym jest, że wirnik posiada występ kierownicy i odpowiadające mu wcięcie w wirniku z usytuowaną pomiędzy nimi małą promieniową szczeliną, dokładniej między zewnętrzną średnicą występu a wewnętrzną średnicą wcięcia.

Korzystnym jest, że promieniowa szczelina ma wymiar rzędu 0,06 cm.

Korzystnym jest również, że pionowa szczelina pomiędzy górną powierzchnią wirnika a dolną powierzchnią kierownicy ma wymiar rzędu 0,16 cm.

Dalsze zwiększenie stopnia rafinacji jest uzyskane przez unikalną konstrukcję wirnika łopatkowego zespolonego z kadzią rafinacyjną.

Przedmiot wynalazku zostanie objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 jest rzutem poziomym wirnika dyszy wirującej stosowanej w systemie SNIF™, omówionym wyżej; fig. 2 - rzut pionowy wspomnianego wirnika dyszy wirującej z normalnie stosowaną kierownicą; fig. 3 - rzut poziomy innego typu dyszy wirującej stosowanej bez kierownicy; fig. 4 - rzut pionowy dyszy z fig. 3; fig. 5 - przekrój pionowy typowej kadzi rafinacyjnej z dyszą wirującą stosowany w procesie rafinacji z zastosowaniem przegród stanowiących istotę wynalazku; fig. 6 - rzut poziomy kadzi rafinacyjnej z fig. 5; fig. 7 - przekrój specjalnego wykonania przegrody stosowanej w rozwiązaniu technicznym wynalazku; fig. 8 przekrój specjalnego wykonania kadzi rafinacyjnej z dyszą wirującą według wynalazku z przegrodą o specjalnym kształcie; fig. 9 - przekrój specjalnej kadzi rafinacyjnej stosowanej w rozwiązaniu technicznym wynalazku; fig. 10 - rzut kadzi rafinacyjnej aluminium z fig. 9, fig. 11 - rzut poziomy szczególnej konstrukcji wirnika stosowanego w rozwiązaniu technicznym wynalazku; fig. 12 - częściowy przekrój wirnika z fig. 11, łącznie ze stosowaną razem z nim kierownicą, w jednym z wykonań wynalazku.

Dysza wirująca, znajdująca zastosowanie w wynalazku składa się z cylindrycznego wirnika, posiadającego wystające łopatki, oraz urządzenia do wprowadzania gazu rafinacyjnego w przestrzeń między łopatkami. Wirnik 1 stosowany w rozwiązaniu SNIF™, omówiony wyżej, pokazany jest na fig. 1 i fig. 2 rysunku i jest mocowany na wale 2 z napędem, nie pokazanym na rysunku, służącym do obracania wirnika 1. Wirnik 1 posiada łopatki 3, wystające z jego korpusu, rozmieszczone wokół obwodu wirnika 1. Otwory wylotowe 4 gazu umieszczone są między poszczególnymi łopatkami 3. Łopatkowy wirnik 1 pokazany jest na fig. 2 łącznie z kierownicą 5, umieszczoną wokół wału 2 nad wirnikiem 1. Gaz procesowy przepływa w dół, przez promieniową, pierścieniową szczelinę między wałem 2 i kierownicą 5 dopływa do wirnika 1, z przestrzeni 6, znajdującej się pomiędzy górną powierzchnią wirnika a dolną powierzchnią kierownicy 5.

W wykonaniu pokazanym na fig. 3 i 4 dysze wirujące tworzą wirnik bez zastosowania kierownicy. W takim wykonaniu wirnik 7 jest montowany na wale 8 i posiada łopatki 9 rozmieszczone na zewnątrz jego obwodu, z wylotami dyszy 10 znajdującymi się między sąsiednimi łopatkami 9. Wał 8 posiada otwór przelotowy 11, który umożliwia doprowadzenie gazu procesowego w dół, do wirnika 7. Dla doprowadzenia gazu do przestrzeni między łopatkami, czyli do wylotów dyszy 10, wirnik wyposażony jest w otwory wylotowe 12, które połączone są otworem przelotowym 11 w wale 8, na zewnątrz w stosunku do wspomnianych wylotow dyszy 10 pomiędzy łopatkami 9.

Typowa dysza wirująca stosowana w linii, w procesie rafinacji aluminium, jest pokazana na fig. 5 rysunku, z zespołem wirnik - kierownica, takim jak pokazany na fig. 1 i 2, tylko dla celów wyjaśnienia. W takim procesie stosuje się izolowaną kadź 13 rafinacyjną, wyłożoną materiałem ognioodpornym, z izolowaną pokrywą 14, z otworem zasilania roztopionym aluminium 15 i otworem wylotowym 16 do spuszczania rafinowanego aluminium, położonym na przeciwległej ścianie kadzi 13. Podczas pracy roztopione aluminium jest utrzymywane przy określonym poziomie 17 metalu 23 w kadzi 13, z zespołem dyszy wirującej 18, umieszczonym w roztopionym aluminium poniżej poziomu 17 roztopionego metalu, przy czym kierownicę 19 i wał 20 wyprowadza się na zewnątrz kadzi 13 do góry, przez izolowaną pokrywę 14. Wirnik 21 jest umieszczony poniżej kierownicy 19, co powoduje ograniczenie wielkości pęcherzyków gazu występujących w przestrzeni 22, pomiędzy kierownicą 19 i wirnikiem 21, i dla rozprze170 327 strzenienia pęcherzyków gazu w całej objętości roztopionego aluminium 23, i która znajduje się w kadzi 13 rafinacyjnej w czasie przeprowadzania procesu rafinacji.

Stopione aluminium dostarczane jest w sposób ciągły do kadzi 13 rafinacyjnej przez otwór zasilający 15 i podleca ciągłemu nrocesowi rafinacii przez działanie dyszy wirującej 18. która miesza całą objętość roztopionego aluminium 23 i rozprowadza wprowadzony tą dyszą gaz procesowy w postaci drobnych pęcherzyków gazu po całej objętości znajdującego się w kadzi 13 roztopionego aluminium. Roztopione aluminium jest ciągle odbierane z kadzi 13 rafinacyjnej przez otwór spustowy 16. Płynny żużel, powstający z wydzielania się cząstek stałych i metali alkalicznych pływa po powierzchni roztopionego metalu i jest z niej okresowo zbierany. Usunięty z roztopionego aluminium gaz reakcyjny wodór gromadzi się w przestrzeni powietrznej 24, nad powierzchnią roztopionego metalu 17 i jest usuwany z kadzi 13 rafinacyjnej łącznie ze zużytym gazem procesowym.

W praktycznym wykonaniu wynalazku pionowa przegroda 25 umieszczana jest między dnem wnętrza kadzi 13, pod wirnikiem 21, dla zwiększenia maksymalnego, praktycznego stopnia rafinacji procesu oczyszczania aluminium przy użyciu dyszy wirującej 18. Jak pokazano to na fig. 6, przegroda 25 korzystnie winna być umieszczona pod osią wirnika 21. Przegrodę 25 może stanowić prosta, prostopadłościenna płyta materiału ognioodpornego, wystarczająco gruba, aby wytrzymała obciążenie wynikające z cełu jej zastosowania. Dogodny kształt dla przegrody 25 dla praktycznego wykonania kadzi rafinacyjnej pokazany jest na fig. 7, gdzie zastosowano przegrodę o przekroju trójkąta z zaokrąglonym wierzchołkiem, co zapewnia wytrzymałość na uszkodzenia mechaniczne mogące powstać w czasie czyszczenia kadzi po przeprowadzeniu procesu rafinacji, a nachylone ściany przegrody ułatwiają-także łatwe czyszczenie dna kadzi 13, jest to więc rozwiązanie lepsze niż przegroda ze ścianami pionowymi, jaką pokazano na fig. 5.

W wykonaniu według fig. 8 pokazano przegrodę 25, posiadającą część o stałej wysokości 26 w strefie środkowej i w okolicy wirnika 21 oraz podniesione części 27 i 28, wznoszące się do góry w kierunku bocznych ścian kadzi rafinacyjnej 13. Stwierdzono, że taka przegroda ze wzniesionymi brzegami zapewnia niewielkie polepszenie wydajności rafinacji, lecz nie stanowi to istotnej cechy wynalazku. Należy założyć, że użyteczna wysokość przegrody według wynalazku zależy od warunków pracy występujących w poszczególnych zastosowaniach procesu rafinacyjnego, czyli od rozmiarów kadzi i typu zastosowanej w niej dyszy wirującej. Typowe urządzenia rafinacyjne, aktualnie stosowane, posiadają dysze wirujące w zakresie średnic od 17,8 cm do 25,4 cm i około 6,6 cm do 10,8 cm w zakresie wysokości. Typowe kadzie rafinacyjne posiadają szerokość od 50,8 cm do 76,2 cm, około 76,2 cm do 101,6 cm długości, a głębokość roztopionego metalu waha się od 63,5 cm do 88,9 cm. Dla kadzi o takich wymiarach wysokość przegrody według wynalazku wynosi typowo od 5,18 cm do 20,3 cm, lub więcej, natomiast korzystna wysokość przegrody mieści się w zakresie od 7,6 cm do 12,7 cm (52).

Odległość pomiędzy szczytem przegrody według wynalazku, a dolną krawędzią wirnika dyszy wirującej może być zmienna, od ułamka cala czyli rzędu 1,3 cm do 10,2 cm, lub nawet większa. Należy zaznaczyć, że bardzo mały odstęp, przykładowo 1,3 cm jest korzystny przy pracy ze względnie czystym roztopionym aluminium. W praktyce jednak, małe, twarde odpryski materiału ogniotrwałego z urządzeń znajdujących się przed kadzią rafinacyjną mogą przypadkowo znaleźć się w objętości roztopionego aluminium. Takie kawałki materiału ogniotrwałego mogą utknąć między przegrodą według wynalazku i wirnikiem i spowodować złamanie wirnika lub jego wału napędowego, zazwyczaj wykonanego z grafitu. Dlatego, ze względu wygody pracy, jest generalnie korzystnym stosowanie odstępu pomiędzy szczytem przegrody a dolną krawędzią wirnika w zakresie od 5,1 cm do 7,6 cm. Przykładowo odstęp 5,1 cm nad przegrodą o wysokości 10,2 cm wystarczy dla uniknięcia możliwej awarii powodowanej przez > odpryski o kształtach i wymiarach często spotykanych w kadziach systemu SNIF™ do rafinacji aluminium.

Praktycznie działanie wynalazku jest objaśnione na załączonych przykładach, opartych o typowe próby z modelem wodnym. Dla tych celów zastosowano modele kadzi rafinacyjnych i dyszy wirujących w skali 1:1. Woda była przepuszczana przez model w ilości przepływu objętościowego, odpowiadającego po przeliczeniu objętości przepływu roztopionego aluminium. W osobnym pojemniku, w wodzie rozpuszczony był tlen, metodą przepuszczania pęche6

170 327 rzyków powietrza, a następnie mierzono ilość rozpuszczonego tlenu w wodzie dopływającej i odpływającej. Woda dopływająca zawierała na ogół rozpuszczony tlen w ilości 7 ppm. Do dyszy wirującej doprowadzano azot, jak gaz procesowy. Praca dyszy w modelu wodnym odwzorowywała proces usuwania tlenu 7 wody, w taki sam sposób, jak w procesie rafinacji aluminium, wodór jest usuwany z roztopionego aluminium. Wydajność procesu oceniano na podstawie pomiaru usuniętego tlenu przy różnych przepływach płynu, parametrach pracy dyszy, czyli przepływu gazu procesowego, prędkości obrotowej i konstrukcji dyszy, oraz ogólnego układu kadzi rafinacyjnej.

Ponieważ gaz procesowy w procesie rafinacji aluminium, w praktycznych zastosowaniach jest podgrzewany do temperatury około 700°C, rozszerza się on około trzy razy w stosunku do swojej objętości początkowej w temperaturze otoczenia. Dla zapewnienia takiej samej objętości gazu w wodzie użytej w próbach na modelu wodnym, jaka jest stosowana przy praktycznej rafinacji roztopionego aluminium, przepływ gazu w modelu wodnym był trzy razy większy od przepływu odwzorowywanego.

W podanych niżej przykładach każdorazowo podano, kiedy odwzorowywany przepływ gazu był inny niż trzykrotna objętość gazu rzeczywiście stosowanego.

Przykład I. Wykonano model kadzi rafinacyjnej pokazany na fig. 9 i 10. Jak pokazano na fig. 10 model odwzorowuje układ dwudyszowy, w którym kadź rafinacyjna 30 wyposażona jest w przegrodę 31, dzielącą objętość użyteczną kadzi na dwie, oddzielne komory rafinacyjne, przy dopływie roztopionego aluminium do pierwszej komory wlotem 33 i odbiorze rafinowanego materiału wylotem 34, z drugiej komory -35. Otwór przelotowy 36 w przegrodzie 31 umożliwia przepływ roztopionego aluminium z pierwszej komory 32 do komory drugiej 35. Zespół dyszy wirującej 37 umieszczony jest w komorze 32, drugi zespół dyszy wirującej 38 jest umieszczony w komorze 35.

Każda komora ma szerokość 61,00 cm i długość 76,2 cm, licząc po dnie kadzi. Czołowa ściana 29 każdej komory jest nachylona pod kątem 20° dla ułatwienia wylewania i czyszczenia. Głębokość roztopionego metalu w czasie pracy wynosi około 76,2 cm. Dysze 37 i 38 są umieszczone w środku szerokości 61,0 cm komory. Każda ze wspomnianych dysz jest umieszczona w odległości 30,48 cm od tylnej ściany komory, dla zapewnienia dobrego dostępu dla oczyszczania komory od czoła modelu. Wirnik i kierownica zastosowane w każdej komorze były typu pokazanego na fig. 1 i 2, średnica zewnętrzna wirnika wynosiła 19 cm, wysokość wirnika 4,3 cm. Wirnik był zbudowany z 8 łopatek, każda o długości 3,2 cm i szerokości 2,5 cm. Dolna płaszczyzna wirnika znajdowała się 11 cm nad dnem kadzi w każdej komorze. Gdy taka kadź pracuje w odlewni aluminium maksymalny stopień rafinacji ustawiany jest zazwyczaj na przepływ 7,64 m³/h argonu na jedną dyszę, a prędkość obrotowa dyszy wynosi około 500 obrotów na minutę. W takich warunkach powierzchnia metalu jest zawirowana w stopniu niedopuszczalnym dla normalnych, przemysłowych warunków. Dużo gładszą, a więc bardziej odpowiednią powierzchnię uzyskuje się przy pracy, przy przepływie tylko 5,1 m³/h argonu i obrotach dyszy 450 obrotów na minutę. Takie parametry są często stosowane w normalnej praktyce, nawet gdy stopień rafinacji, jak zmierzono to na modelu wodnym, jest zmniejszony do 75% procesu rafinacji przy maksymalnym przepływie gazu procesowego i podanej wyżej prędkości obrotowej dyszy. Symulując te dwa stany pracy na modelu wodnym stwierdzono, że powstające zawirowania na powierzchni wody odpowiadają zupełnie dobrze obserwowanym zawirowaniom metalu w rzeczywistym układzie rafinacji aluminium.

Według wynalazku, umieszczono następnie przegrodę 39, o wysokości 8,9 cm i szerokości 1,9 cm, pod osiami wirników dysz 37 i 38, przegrody były posadowione równolegle do nachylonej ściany 29 i ściany tylnej komory rafinacyjnej 30. Gdy tak zmodyfikowany układ pracował przy prędkości obrotowej 610 obrotów na minutę i przepływie gazu procesowego 8,49 m3/h stan powierzchni był właściwy, czyli wolny od niepożądanych zawirowań, jak to miało miejsce bez przegrody 39, przy 500 obrotach na minutę i przepływie 7,6 m3/h, a stopień rafinacji został korzystnie zwiększony o ponad 50%. Gdy zmodyfikowany system pracował przy odwzorowywanym przepływie 450 obrotów na minutę i 5,1 m3/h powierzchnia płynu była odpowiednio gładka, tak jak miało to miejsce bez włożonej przegrody 39 i wspomnianych parametrach 450 obrotów na minutę i 5,1 mi/h, a stopień rafinacji zwiększył się o 35%.

170 327

Przykład II. Wirnik typu pokazanego na fig. 3 i 4 został umieszczony w środku prostokątnej kadzi rafinacyjnej o wymiarach 61,0 cm na 76,2 cm o wszystkich ścianach pionowych. Głębokość płynu podczas pracy była utrzymywana na poziomie 76,2 cm. Wirnik 7 miał 25,4 cm średnicy 10,2 cm wysokości, posiadał 8 łopatek o długości 3,18 cm. Gaz procesowy był doprowadzany przez otwory 12 w wirniku umieszczone między łopatkami 9 do wylotów 10 pomiędzy łopatkami 9. Dolna krawędź wirnika 7 znajdowała się 7,6 cm nad dnem kadzi. Maksymalne parametry procesu, zapewniającejeszcze względnie gładką powierzchnię uzyskano przy przepływie gazu odwzorowującego 5,09 m³/h i przy prędkości obrotowej wirnika 200 obrotów na minutę. W takich warunkach występowały chwilowe, niekorzystne wypryski z powierzchni płynu, wynikające z powstawania dużych pęcherzy gazu.

Następnie dysza została podniesiona o 5,1 cm, co utworzyło odstęp od dna o wielkości 12,7 cm i włożono przegrodę według wynalazku o wysokości 8,9 cm i szerokości 1,9 cm pod osią wirnika i zorientowaną równolegle do krótszej ściany komory. W takim, praktycznym wykonaniu wynalazku dysza mogła pracować przy wydatku, 8,49 m³/h i przy prędkości obrotowej 250 obrotów na minutę, a powierzchnia płynu była tak gładka, jak przy niższych parametrach, przy dotychczasowej eksploatacji. W rzeczywistości, powierzchnia płynu była nawet korzystniejsza przy praktycznym zastosowaniu wynalazku, niż uprzednio, ponieważ nie występowały żadne wypryski opisane wyżej, co więcej, po wdrożeniu wynalazku stopień rafinacji został zwiększony o 70%.

W zalecanym wykonaniu wynalazku jest uzyskiwany jeszcze korzystniejszy stopień rafinacji, przy dużej równości powierzchni płynu, przy zastosowaniu specjalnego wirnika łącznie z zastosowaniem przegrody według wynalazku. Taki wirnik jest pokazany w rzucie poziomym na fig. 11, oraz na częściowym przekroju, razem z kierownicą o pożądanym kształcie na fig. 12. Podstawowa różnica między wirnikiem specjalnym a zwykłym wirnikiem łopatkowym, pokazanym na fig. 1 i 2, polega na tym, że ograniczony jest częściowo dostęp płynu od dolnej powierzchni wirnika, gdy jednocześnie dostęp płynu od góry wirnika nie jest ograniczony. Konstrukcja specjalnego wirnika kieruje także strumień płynu od dołu na podstawę wylotów wirnika i głównie w kierunku do góry. Dodatkowo konstrukcja takiego specjalnego wirnika posiada ciągłą, okrągłą powierzchnię jego dolnej zewnętrznej krawędzi. Taki kształt w mniejszym stopniu podlega uszkodzeniom przez twarde stałe kawałki obcego materiału, które mogą być wrzucone na wirnik podczas normalnej przemysłowej pracy.

Wirnik specjalny, oznaczony numerem odniesienia 40 i pokazany na fig. 11 jest montowany na wale napędowym 41, jego łopatki 42 są rozmieszczone wokół krawędzi zewnętrznej, między sąsiednimi łopatkami występują wyloty gazu 43. Jak pokazano to na fig. 12, a nie podobnie do wirnika z fig. 1 do 4, wyloty 43 nie sięgają całej wysokości sąsiednich łopatek 42, lecz tylko do ich strefy wylotu 44. Poniżej strefy wylotu 44 występuje część obniżona 45, tworząca łącznie z przyległymi łopatkami 42 cylindryczną podstawę 46 wirnika 40, co można zobaczyć na fig. 11. Dla zapewnienia przepływu stopionego aluminium ze strefy położonej pod wirnikiem do strefy wylotu 44 przewidziano przestrzenie, czyli otwory 47, w każdym fragmencie części obniżonej 45. Otwory 47 korzystnie są rozmieszczone na skrajnym krańcu części obniżonej 45 i zapewniają dostęp roztopionego aluminium do strefy wylotu 44 każdego wylotu 43, korzystnie w kierunku jego części najbliższej osi, tak aby wzmocnić działanie przepływu roztopionego metalu.

W praktyce wynalazku jest pożądanym, żeby gaz procesowy dopływał do wirnika w sposób ciągły oraz równomiernie do wszystkich wylotow wirnika 44. Jednak burzliwy przepływ płynu w momencie, gdy osiąga on wirnik od góry wytwarza nierównomierny napływ gazu do wirnika. Jeżeli przykładowo, w pewnej chwili, płynny metal napłynie szybciej z jednej strony wirnika, może on odciąć wypływ gazu od tej strony, a zwiększyć wypływ gazu w innych fragmentach wirnika. Ta tendencja może być ograniczona przez utworzenie szczeliny 49 między górną częścią wirnika 40 a dolną krawędzią kierownicy 48 tak małą, żeby w tym punkcie przepływu gazu powstawał odpowiedni spadek ciśnienia. Żeby to osiągnąć w praktyce, niezbędnejest zmniejszenie tej szczeliny do wielkości 0,51 mm, lub nawet mniej dla większości wykonań wynalazku. Ponieważ szczelina powstaje podczas montażu zespołu wirnik - kierownica, w warunkach przemysłowych, osiągnięcie takiego małego wymiaru jest uzależnione od kwalifika8

170 327 cji i precyzji wykonania tej operacji technologicznej. Dodatkowo, szczelina ta może się zmieniać w czasie eksploatacji, w takt zmian temperatury i warunków pracy . Dla praktycznych zastosowań przemysłowych, do osiągnięcia odpowiedniej kontroli przepływu gazu potrzebne są więc inne «-»1^-w ·« <-«-» , λ « nurec dlVULWZ^llivjOZ<V ilMWJ .

Jak pokazano to na fig. 12 zalecanym sposobem osiągnięcia precyzyjnej kontroli przepływu gazu jest proste wprowadzenie występu kierownicy i odpowiedniego wcięcia w wirniku. W ten sposób przy dolnej powierzchni kierownicy 48 jest tworzona część wystająca 50 i jest ona tak uformowana, że pasuje do wycięcia 51 w górnej części wirnika 40. Wąskie przejście szczelinowe przez wirnik, niezbędne dla zapewnienia jednorodnej dystrybucji gazu jest utworzonejako szczelina popromieniowa 52 pomiędzy zewnętrzną średnicą występu 50 a wewnętrzną średnicą wcięcia 51 na kierunku wylotu 44 wirnika 40. Szczelina ta może być precyzyjnie ukształtowana na stanowisku wytwarzania i nie zależy, jak to miało miejsce w przypadku wąskiej, konwencjonalnej szczeliny między górną krawędzią wirnika i dolną krawędzią kierownicy, od precyzji i staranności montażu zespołu wirnik - kierownica. Wąska, popromieniowa szczelina 52 jest w zasadzie wykonywana na wymiar 0,064 cm, chociaż można stosować wymiary nieco większe i mniejsze, w zależności od ogólnej konstrukcji zespołu oraz wymiarów kadzi rafinacyjnej, w której zespół będzie pracował. W takim, zalecanym wykonaniu występ w kierownicy 50 i wycięcie w wirniku 51 mogą mieć praktycznie wysokość (głębokość) 0,64 cm. Szczelina pionowa 49 pomiędzy dolną powierzchnią kierownicy 48 i górną powierzchnią wirnika 40, oraz pomiędzy dolną powierzchnią występu kierownicy 50 i górną powierzchnią wycięcia wirnika 51 może być wykonana z większą tolerancją, przykładowo około 0,16 cm ponieważ dokładne ustawienie nie jest decydujące ze względu na utworzenie pożądanego przepływu gazu. Jak to pokazano w przykładzie wykonania na fig. 12, gaz procesowy przepływa do dołu przez przepływ gazowy 53, przyległy do łożyska zespołu kierownica - wirnik 54 oraz przepust 55 do szczeliny 49 między kierownicą 50 i wirnikiem 40, obejmującej także małą, popromieniową szczelinę 52 kształtującą pożądany przepływ gazu. Gaz wylatuje ze szczeliny 49 między kierownicą 50 i wirnikiem 40 i wpływa do wylotów 44 wirnika 40 w sposób ciągły i równomierny. Średnica kierownicy 50jest korzystnie wykonanajako nieco większa od średnicy podstawy 46 wirnika 40, czyli średnicy podstawy 46 łopatek 42, tak, aby gaz procesowy był kierowany do dołu, pomiędzy wyloty 44 wirnika 40 przez płynący od góry strumień stopionego aluminium i żeby żadna część gazu procesowego nie mogła uciec do góry, dla uniknięcia rozpraszania jej przez wirnik 40. Gdy nie stosuje się kierownicy, gaz procesowy jest wprowadzany do wirnika przez otwory prowadzące do przestrzeni między łopatkami wirnika, jak pokazano to na fig. 3 i 4. Jeżeli nie występuje kierownica, jest korzystnym zastosowanie występu oporowego, który w zasadzie zastępuje rolę kierownicy przy kierowaniu strumienia gazu procesowego do dołu.

Obszar otworów 47 w obniżonej części, na dole wirnika 40 w stosunku do całego otworu, jeżeli nie jest on ograniczony, winien wynosić 25 do około 75, przy korzystnym stosunku 50%. Wysokość części obniżonej 45 wirnika 40 winna wynosić około 20% do 40% jego całkowitej wysokości przy zalecanym udziale 30% przy typowych wymiarach kadzi rafinacyjnych.

Wirnik jaki pokazano na fig. 11 posiada zaokrąglone naroża przy podstawie łopatek, tak, że otwory doprowadzające roztopione aluminium od dołu wirnika posiadają zaokrąglone krawędzie. Ponieważ promienie krzywizny tych elementów nie mają wpływu na pracę wirnika ich kształt wynika z chęci zapewnienia wygody wykonania wirnika przez umożliwienie wykonania otworów i wylotów z zastosowaniem pionowo ustawionych frezów czołowych.

Przykład III. Układ taki jaki opisano w przykładzie I zastosowano do dalszych badań z zastosowaniem przegrody według wynalazku, oraz z wirnikiem o specjalnym kształcie, opisanym wyżej, a także z kierownicą o pożądanych wymiarach. Wirnik posiadał takie same wymiary jak wirnik zastosowany w przykładzie 1, za wyjątkiem obniżonej części 45 jego dolnej krawędzi. Ta obniżona część miała wysokość 1,9 cm a otwory 47 i zaokrąglenia naroży były obrabiane frezem czołowym o średnicy 1,9 cm. Otwory 47 miały długość .3,15 cm i 1,9 cm szerokości. Kierownica posiadała średnicę zewnętrzną 13,97 cm, przez co wystawała poza podstawę wylotów o 0,64 cm.

170 327

W badaniach modelu wodnego, przy zastosowaniu wirnika specjalnego stwierdzono, że wirnik może być eksploatowany przy prędkości 500 obrotów na minutę i przepływie gazu odwzorowującego 8,49 m³/h, co dało taką samą, korzystnie bardzo gładką powierzchnię, jaką uprzednio osiągano przy przepływie 5,094 m7h gazu odwzorowującego i prędkości obrotowej 450 obrotów na minutę. Stopień rafinacji osiągalny w takim wykonaniu, przy pracy z gładką powierzchnią, był o U00^c% wyższy, niż osiągalny przy stosowaniu konwencjonalnego kształtu wirnika w kadzi rafinacyjnej nie wyposażonej w przegrodę według wynalazku i pracującej w warunkach gładkiej powierzchni, jak to wskazano wyżej.

Praktyczne wykorzystanie wynalazku przynosi duży postęp w technice rafinacji aluminium. Wprowadzenie opisanej wyżej przegrody do kadzi rafinacyjnej zmienia przepływ roztopionego aluminium w kadzi w ten sposób, że umożliwia to zastosowanie dużego strumienia gazu procesowego i/lub prędkości obrotowej dyszy wirującej, dla osiągnięcia zwiększonego stopnia rafinacji aluminium, bez występowania nadmiernych zawirowań powierzchni roztopionego aluminium, co w przeciwnym wypadku, ogranicza możliwość przepływu gazu i prędkość obrotową dyszy. Przegroda według wynalazku prawdopodobnie ogranicza wirowy przepływ przy dnie kadzi rafinacyjnej, co w przeciwnym przypadku uniemożliwia osiągnięcie pożądanego, łagodnego napływu roztopionego aluminium na wirnik i uzyskania właściwej równowagi między przepływem od dołu i od góry roztopionego aluminium na wirnik. Wykonanie wynalazku z zastosowaniem wirnika o specjalnym kształcie, opisanego wyżej okazało się szczególnie korzystne przy kontrolowaniu napływu roztopionego aluminium od dołu, co umożliwia zwiększenie przepływu gazu procesowego i prędkości obrotowej dyszy bez niepotrzebnego zniekształcania powierzchni.

Należy przyjąć, że liczne zmiany i modyfikacje mogą być dokonane w szczegółach wykonania wynalazku, bez odejścia od istoty wynalazku jak zawarto to w załączonych zastrzeżeniach.

Dlatego, chociaż mówi się ogólnie o rafinacji aluminium, wynalazek może być zastosowany zarówno do aluminium, jak też do różnych jego stopów. Wynalazek może być stosowany w procesach posiadających kadzie rafinacyjne z jedną lub kilkoma komorami rafinacyjnymi, czyli kilkoma stopniami rafinacji, z których każda jest przystosowna do umieszczenia w niej zespołu dyszy wirującej przy procesie rafinacji aluminium. W typowym systemie dwustopniowym roztopione aluminium jest zazwyczaj wlewane przez wlot do pierwszego stopnia i odbierane z wylotu drugiego stopnia. Oddzielne komory są utworzone przez przegrody, przystosowane do umożliwienia przepływu roztopionego aluminium z pierwszego stopnia do drugiego. Inne systemy rafinacji mogą zawierać więcej niż dwa stopnie. Przegroda dolna według wynalazku, będzie korzystnie stosowana w każdej komorze rafinacyjnej. Przegroda może być zbudowana z dowolnego ogniotrwałego materiału i można ją wbudować do dowolnej kadzi rafinacyjnej. Zalecanym materiałem na tego typu konstrukcje jest węglik krzemu, chociaż można stosować także inne materiały, jak na przykład grafit. Korzystnie przegrody winny być umieszczane tak, aby znajdowały się one bezpośrednio pod osią wirującej części zespołu dyszy wirującej, po umieszczeniu jej w kadzi rafinacyjnej., lecz także przegroda może być tak umieszczona, aby znajdowała się tylko pod wspomnianą częścią wirującą, nie powinna być natomiast umieszczona poza obrysem wirnika.

Tak więc wynalazek będzie polegał na umożliwieniu zasadniczo zwiększenia maksymalnego, praktycznego stopnia rafinacji w komorze rafinacyjnej ponad uzyskiwany w dotychczasowej praktyce, co zapewnia wysoce pożądany i pożyteczny postęp w procesie rafinacji aluminium.

170 327

FIG. I

FIG. 3

Departament Wydawnictw UP RP Nakład 90 egz. Cena 4,00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Wirnik łopatkowy współpracujący z kadzią rafinacyjną do rafinacji aluminium, wbudowany w zespół dyszy wirującej z otworem, znamienny tym, że wirnik (40) łopatkowy posiada umieszczone na przemian łopatki (42) i szczeliny wokół jego obrzeża, przy czym szczeliny występują tylko na części długości, w dół od górnej powierzchni wirnika, pod nimi znajduje się część obniżona (45), przy czym część obniżona (45) posiada umieszczone w niej otwory (47).
2. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że otwory (47) są umieszczone na skrajnej, wewnętrznej części wylotów (43).
3. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że część obniżona (45) ma wysokość w zakresie od około 20% do około 40% ogólnej wysokości łopatek (42) wirnika (40).
4. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że obszar otworu (47) w części obniżonej w stosunku do całego wymiaru otworu (47), jeśli nie jest ograniczony, znajduje się w zakresie od około 25% do około 75%.
5. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że ma zespół kierownicy (48).
6. Wirnik według zastrz. 5, znamienny tym, że średnica kierownicy (48) jest nieco większa od średnicy podstawy (46) wirnika (40) łopatkowego.
7. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że pionowa szczelina (49) pomiędzy górną powierzchnią wirnika (40) i dolną powierzchnią kierownicy (48) jest wykonana jako bardzo wąska, rzędu około 0,05 cm.
8. Wirnik według zastrz. 5, znamienny tym, że posiada występ (50) kierownicy (48) i odpowiadające mu wcięcie (51) w wirniku (40) z usytuowaną pomiędzy nimi małą promieniową szczeliną (52), dokładniej między zewnętrzną średnicą występu (50) a wewnętrzną średnicą wcięcia (51).
9. Wirnik według zastrz. 8, znamienny tym, że promieniowa szczelina (52) ma wymiar rzędu 0,06 cm.
10. Wirnik według zastrz. 9, znamienny tym, że pionowa szczelina (49) pomiędzy górną powierzchnią wirnika (40) a dolną powierzchnią kierownicy (48) ma wymiar rzędu 0,16 cm.