PL192053B1

PL192053B1 - Sposób i urządzenie do oczyszczania aluminium drogą segregacji oraz zastosowanie sposobu i urządzenia do oczyszczania aluminium drogą segregacji

Info

Publication number: PL192053B1
Application number: PL349397A
Authority: PL
Inventors: Michel Leroy
Original assignee: Pechiney Aluminium
Priority date: 1999-01-08
Filing date: 2000-01-05
Publication date: 2006-08-31
Also published as: WO2000040768A1; CN1196800C; BR0007398A; NO20013310L; CA2358101A1; ES2218102T3; HUP0104916A3; PL349397A1; US20020038581A1; HUP0104916A2; CN1335894A; KR100549390B1; CZ20012053A3; AU3050700A; IS2364B; CA2358101C; DE60010646T2; AU761480B2; FR2788283A1; HU222951B1

Abstract

1. Sposób oczyszczania aluminium droga segregacji, w którym, w urzadzeniu zawierajacym ogniotrwaly tygiel, ogrzewany za pomoca elementów grzejnych, co najmniej jeden tlok ubijajacy i mechanizm do pionowego przemiesz- czania tloka ubijajacego oraz elementy odrywajace, z cieklej masy aluminium, nazywanej ciecza macierzysta tworzy sie, droga wzrostu na dnie tygla, mase w stanie stalym o bardzo wysokiej czystosci, zwana wlewkiem, przy czym tworzy sie krysztaly aluminium droga krystalizacji na co najmniej jednej specyficznej powierzchni urzadzenia, nazywanej strefa krystalizacji, której temperatura jest niz- sza niz temperatura likwidusa cieczy macierzystej, odrywa sie krysztaly za pomoca elementów odrywajacych, wywolu- je sie migracje krysztalów w kierunku dna tygla pod dziala- niem sily ciezkosci, gromadzi sie krysztaly na górnej po- wierzchni masy w stanie stalym, ubija sie nagromadzone krysztaly i mase w stanie stalym za pomoca tloka ubijaja- cego, a nastepnie ponownie czesciowo topi sie te mase w czasie wzrostu za pomoca elementów grzejnych, zna- mienny tym, ze za pomoca zespolu pomiarowego (100) mierzy sie wysokosc (H) wlewka (22) w czasie jego wzro- stu, i reguluje sie moc grzania (P) w zaleznosci od zmie- rzonej wysokosci (H), przy czym wywoluje sie malejaca w czasie szybkosc przyrostu wlewka (22). PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do oczyszczania aluminium drogą segregacji oraz zastosowanie sposobu i urządzenia do oczyszczania aluminium drogą segregacji, a zwłaszcza sposób i urządzenie do oczyszczania aluminium drogą segregacji oraz zastosowanie sposobu i urządzenia do oczyszczania aluminium drogą segregacji, które umożliwiają otrzymanie aluminium o bardzo wysokiej czystości, a mianowicie o czystości wyższej niż 3N5, to jest o zawartości aluminium większej niż 99,95%.

Sposoby oczyszczania aluminium drogą segregacji mają na celu otrzymanie aluminium, które ma niską zawartość pierwiastków eutektycznych, takich jak miedź, żelazo, krzem, magnez, gal albo cynk. W sposobach tych wykorzystuje się fakt, że częściowe krzepnięcie ciekłej zanieczyszczonej masy aluminiowej (nazywanej cieczą macierzystą) powoduje koncentrację pierwiastków eutektycznych w ciekłej masie i wytworzenie się kryształów, w których zawartość pierwiastków eutektycznych jest wyraźnie niższa niż w cieczy macierzystej. Zatem podstawowa zasada znanych sposobów segregacji polega na sprzyjaniu częściowej krystalizacji ciekłej zanieczyszczonej masy aluminiowej i fizycznym rozdzielaniu dwóch faz, tak aby oddzielić czysty metal od pozostałej cieczy macierzystej wzbogaconej w pierwiastki eutektyczne.

W oparciu o tę podstawową zasadę opracowano szereg sposobów oczyszczania. Po umieszczeniu ładunku ciekłego zanieczyszczonego aluminium w izolowanym termicznie, żaroodpornym zbiorniku indukuje się typowo tworzenie się drobnych kryształów w górnej części ciekłego aluminium drogą jego miejscowego chłodzenia, wywołuje na koniec postępujące gromadzenie się kryształów w dolnej części zbiornika na skutek działania siły ciężkości, zatrzymuje proces oczyszczania, gdy wykrystalizowała dana frakcja cieczy macierzystej, i oddziela czyste kryształy od pozostałej cieczy macierzystej.

Zgodnie z amerykańskim opisem patentowym nr US 3 211 547 kryształy tworzą się na powierzchni ciekłej masy aluminiowej dzięki jej kontrolowanemu chłodzeniu, oddzielając się i gromadząc na koniec na dnie zbiornika pod działaniem siły ciężkości. Częściowe ubicie (zagęszczenie) masy kryształów prowadzi się w regularnych odstępach czasowych w ciągu całego okresu fazy krystalizacji. Stosowanie w czasie krystalizacji ubijania masy kryształów nagromadzonych na dnie zbiornika umożliwia znaczne polepszenie stopnia oczyszczania w procesie. Pod koniec fazy krystalizacji usuwa się przede wszystkim pozostałą ciecz macierzystą drogą płynięcia w fazie ciekłej, korzystnie przez otwór znajdujący się na poziomie górnej powierzchni oczyszczonej masy kryształów aluminium, nagromadzonej na dnie zbiornika, i odzyskuje na koniec wymienioną nagromadzoną masę kryształów topiąc ją i pozwalając jej na płynięcie w postaci fazy ciekłej przez otwór usytuowany prawie przy dnie zbiornika.

Zgodnie z francuskim opisem patentowym nr FR 1 594 154 (odpowiadającym amerykańskiemu opisowi patentowemu nr US 3 671 229) kryształy tworzą się na zewnętrznej powierzchni ślepej rury z grafitu, na wprost części zanurzonej w cieczy macierzystej. Gaz chłodzący krąży w wymienionej rurze w taki sposób, że przerywa krystalizację. Pierścień grafitowy utrzymywany w ciekłym aluminium zgarnia okresowo zewnętrzną powierzchnię rury, odrywając w ten sposób utworzone na niej kryształy. Kryształy gromadzą się na dnie tygla pod działaniem siły ciężkości, a nagromadzoną masę kryształów ubija się regularnie za pomocą wymienionego pierścienia. Rurę podnosi się stopniowo w miarę jak postępuje krzepnięcie. Pod koniec fazy krystalizacji oddziela się na koniec oczyszczoną masę w stanie stałym (nazywaną wlewkiem) od pozostałej ciekłej masy wzbogaconej w pierwiastki eutektyczne, spuszczając pozostałą ciecz macierzystą albo przechylając tygiel. Zgodnie z francuskim opisem patentowym nr FR 2 592 663 (odpowiadającym amerykańskiemu opisowi patentowemu nr US 4 744 823) możliwe jest zwiększenie jeszcze bardziej stopnia oczyszczenia w tym procesie przechylając zbiornik w celu umożliwienia zlania pozostałej cieczy macierzystej i utrzymując go w położeniu przechylonym, tak aby umożliwić usunięcie resztek cieczy międzywęzłowej przez obciekanie.

Zgodnie z francuskim opisem patentowym nr FR 2 524 489 (odpowiadającym amerykańskiemu opisowi patentowemu nrUS 4 456 480) i amerykańskim opisem patentowym nr US 4 221 590 indukujesię ponowne topienie kryształów nagromadzonych na dnie tygla w fazie krystalizacji i ubijania kryształów, co prowadzi do dodatkowego oczyszczenia metalu i umożliwia uzyskanie stopni oczyszczenia wyższych niż wartości teoretyczne.

PL 192 053 B1

Zgodnie z japońskim opisem patentowym nr JP 58-167733 kryształy oczyszczonego aluminium tworzą się na obrzeżu wewnętrznej powierzchni tygla, w określonej strefie usytuowanej pod swobodną powierzchnią ciekłego aluminium, za pomocą urządzenia chłodzącego zawierającego kanał ze stali nierdzewnej, w którym krąży świeże powietrze. Część ciekłego aluminium usytuowana nad strefą chłodzenia ogrzewa się w celu uniknięcia jej krzepnięcia. Kryształy utworzone w strefie wymuszonego chłodzenia oddziela się za pomocą grafitowego tłoka o przekroju prawie równym przekrojowi tygla i zanurzonym stale w ciekłym aluminium, który przesuwa się okresowo po powierzchni tygla i sprzyja ich gromadzeniu się na dnie tygla. Tłok wykorzystuje się również do ubijania kryształów nagromadzonych na dnie tygla. Kanały poprowadzone w tłoku umożliwiają przepływ kryształów w kierunku dna tygla oraz przepływ ciekłego metalu w czasie ruchu tłoka. Masę zestalonego metalu topi się częściowo za pomocą środków grzejnych. Gdy masa nagromadzonych kryształów osiąga strefę chłodzenia, to tłok cofa się, ciecz macierzysta jest usuwana drogą spuszczania, a masę stałą wyciąga się z tygla, a następnie tnie w zależności od wymaganej czystości.

Wlewki wytworzone na skalę przemysłową sposobami znanymi ze stanu techniki mają niejednorodną czystość i obserwuje się zwłaszcza gradient czystości pomiędzy górną i dolną częścią wlewek. Znane jest odcinanie górnej części końcowego wlewka, bardziej obciążonej zanieczyszczeniami niż część dolna, i nie branie pod uwagę tej ostatniej przy zastosowaniach wymagających wyższych stopni czystości. Operacja cięcia usuwa typowo od 15 do 30% wlewka końcowego. Usuwanie znacznej części uzyskanych wlewków zmniejsza efektywną wydajność produkcyjną zakładu i tworzy braki, które komplikują kierowania zapasami metalu.

Ponadto, wlewki otrzymane na skalę przemysłową mają na ogół różną czystość pomiędzy rdzeniem i powierzchnią, przy czym metal na powierzchni jest bardziej czysty niż metal rdzenia wlewka. Na ogół produktywność wielkich tygli jest odwrotnie proporcjonalna do czystości otrzymanego produktu. Na przykład skuteczne współczynniki oczyszczenia K (w stosunku do całości każdego wlewka) uzyskiwane w przypadku żelaza (KFe) i krzemu (KSi) w tyglach o średnicy 800 mm były niższe o około 50% od współczynników uzyskiwanych (przy identycznej szybkości wzrostu) w przypadku tygli o średnicy 600 mm. Z tym rodzajem niejednorodności, w zasadzie o charakterze promieniowym, metal o dużej czystości może być trudny do pobrania drogą prostej operacji cięcia.

Poza tymi niejednorodnościami, zgłaszająca zaobserwowała znaczne zmiany od jednej operacji do drugiej w czasie koniecznym do otrzymania wlewka o określonej masie. Te zmiany przypisywane różnym przyczynom (takim jak zużycie materiałów i zmiany przewodności cieplnej) wpływają na efektywną produktywność placówki przemysłowej i komplikują organizację pracy i wewnętrzne sposoby postępowania.

Wreszcie zgłaszająca ustaliła, że wydajność i średni stopień oczyszczenia zmieniają się odwrotnie względem siebie. W ten sposób, gdy zwiększa się wydajność, to obserwuje się zmniejszenie stopnia oczyszczenia, i odwrotnie, gdy zwiększa się stopień oczyszczenia, to obserwuje się zmniejszenie wydajności. Ta współzależność ogranicza w znaczny sposób margines manewru wydajności przemysłowej i obciąża również koszty produkcji.

Stąd zgłaszająca poszukiwała rozwiązań, które umożliwiają zwiększenie granic kompromisu pomiędzy stopniem oczyszczenia i wydajnością i zmniejszenie niejednorodności oraz zmian czystości we wlewkach otrzymanych przemysłowo, mając jednocześnie na uwadze proste urządzenia i procesy, tak aby zmniejszyć ogólne koszty inwestycyjne, produkcji i konserwacji.

Poza wymienionym powyżej stanem techniki w dziedzinie sposobów oczyszczania aluminium drogą segregacji, znane są także sposoby regulacji procesów. W szczególności, znana jest regulacja

PID (regulacja proporcjonalno-całkująco-różniczkująca), opisana przykładowo w podręcznikach „Automatic Tuning of PID Controllers autorstwa Karla Johana Astroma i Tore'a Hagglunda, wydana przez Instrument Society of America w 1988r, oraz „Advances in PID Control Tan Kok Kionga, Wang Quing-Guo i Hang Chang Chieh'a wydanaprzez Springer-Verlag London Limited w 1999r.

Znane są również sposoby pomiaru odległości przebywanej przez obiekt, na przykład czujniki linkowe. Zasada działania czujników linkowych polega na tym, że do obiektu jest zamocowana linka.

Ruch obiektu powoduje odwijanie kabla linki, a jednostka pomiarowa mierzy odwijanie się linki i przekłada je na sygnał elektryczny za pomocą kodera (przykładem może być czujnik linkowy WS17KT wytwarzany przez ASM GmbH).

Sposób oczyszczania aluminium drogą segregacji, w którym, w urządzeniu zawierającym ogniotrwały tygiel, ogrzewany za pomocą elementów grzejnych, co najmniej jeden tłok ubijający i mechanizm do pionowego przemieszczania tłoka ubijającego oraz elementy odrywające, z ciekłej masy alu4

PL 192 053 B1 minium, nazywanej cieczą macierzystą tworzy się, drogą wzrostu na dnie tygla, masę w stanie stałym o bardzo wysokiej czystości, zwaną wlewkiem, przy czym tworzy się kryształy aluminium drogą krystalizacji na co najmniej jednej specyficznej powierzchni urządzenia, nazywanej strefą krystalizacji, której temperatura jest niższa niż temperatura likwidusa cieczy macierzystej, odrywa się kryształy za pomocą elementów odrywających, wywołuje się migrację kryształów w kierunku dna tygla pod działaniem siły ciężkości, gromadzi się kryształy na górnej powierzchni masy w stanie stałym, ubija się nagromadzone kryształy i masę w stanie stałym za pomocą tłoka ubijającego, a następnie ponownie częściowo topi się tę masę w czasie wzrostu za pomocą elementów grzejnych, według wynalazku charakteryzuje się tym, że za pomocą zespołu pomiarowego mierzy się wysokość wlewka w czasie jego wzrostu, i reguluje się moc grzania w zależności od zmierzonej wysokości, przy czym wywołuje się malejącą w czasie szybkość przyrostu wlewka.

Proces rozpoczyna się na ogół od załadowania do ogniotrwałego tygla pewnej ilości początkowej oczyszczanego ciekłego aluminium i doprowadzenie całości do równowagi cieplnej. Przed załadowaniem ciekłego aluminium, w celu uniknięcia wstrząsów cieplnych w materiale i przyspieszenia dojścia całości do równowagi cieplnej, przewiduje się korzystnie uzupełniający etap wstępnego ogrzewania tygla i tłoka ubijającego umieszczonego w dolnym położeniu w tyglu.

Zanieczyszczenia wyciągnięte z metalu w czasie krystalizacji i w czasie ponownego częściowego topienia gromadzą się w pozostałej cieczy macierzystej, która staje się w ten sposób coraz bardziej obciążona zanieczyszczeniami.

Moc grzania korzystnie reguluje się jako funkcję różnicy pomiędzy zmierzoną wysokością wlewka i założoną wartością tej wysokości, przy czym ta założona wartość jest zmienna w czasie.

Wysokość wlewka można mierzyć za pomocą tłoka ubijającego, co prowadzi do znacznego uproszczenia urządzenia i umożliwia w konsekwencji znaczne zmniejszenie złożoności mechanizmów urządzenia, podstawowych kosztów inwestycji i kosztów konserwacji.

Pod koniec operacji wzrostu wlewka, sposób obejmuje na ogół operację fizycznego rozdzielania pozostałej cieczy macierzystej i końcowego wlewka. Tę operację rozdzielania prowadzi się korzystnie, gdy wlewek osiąga określoną wysokość Hf. Operację można ewentualnie prowadzić, gdy została już zestalona określona frakcja F początkowej ciekłej masy aluminium, przy czym F wynosi korzystnie od 50 do 80%, a zwłaszcza od 60 do 75%.

To rozdzielanie fizyczne można prowadzić w różny sposób. Korzystnie prowadzi się je drogą przechylania tygla, a następnie przedłużonego ściekania zanieczyszczonej cieczy (to jest pozostałej cieczy macierzystej) zamkniętej pomiędzy kryształami. Po zakończeniu operacji oczyszczania, tygiel wyciąga się z pieca ze swoim dzwonem i umieszcza na wywrotnicy, która umożliwia usunięcie pozostałej zanieczyszczonej cieczy macierzystej i ściekanie cieczy zawartej pomiędzy kryształami. W czasie tego ściekania można także skrobać górną część wlewka, na przykład za pomocą grafitowej śruby, w celu usunięcia strefy najbardziej nasyconej pozostałą zanieczyszczoną cieczą.

Kryształy tworzy się na wewnętrznej ścianie tygla poprzez obniżenie temperatury wewnętrznej ściany drogą odbierania ciepła.

Ponadto, kryształy tworzy się na trzonie tłoka ubijającego, gdy jest on zanurzony, poprzez chłodzenie trzonu drogą promieniowania i ewentualnie konwekcji, gdy jest on wynurzony.

Korzystnie, kryształy tworzy się jednocześnie na wewnętrznej ścianie tygla i co najmniej na części tłoka ubijającego, w specyficznych strefach krystalizacji.

W przypadku tworzenia się kryształów na tłoku ubijającym szczególnie korzystne jest postępowanie w taki sposób, aby część tłoka ubijającego była na zmianę zanurzana i wynurzana, tak aby pociągnęło to za sobą chłodzenie specyficznej części tłoka ubijającego, stanowiącej strefę krystalizacji, do temperatury niższej niż temperatura likwidusa cieczy macierzystej w czasie wynurzania i tworzenia się kryształów w wymienionej strefie w czasie zanurzania. Chłodzenie można prosto uzyskać drogą wypromieniowania i ewentualnie drogą konwekcji naturalnej albo wymuszonej. Czas zanurzenia Ti i czas wynurzenia Te mogą być stałe albo zmienne.

Korzystnie, wymienioną część tłoka ubijającego wynurza się na czas wynurzenia Te dłuższy niż czas zanurzenia Ti tej części.

Zgłaszająca ustaliła, że naprzemienne zanurzania i wynurzania tłoka ubijającego, służące do oderwania kryształów, przekładały się także na zwiększenie ilości kryształów utworzonych na tłoku ubijającym. To zwiększenie jest tym silniejsze, im wyższy jest stosunek czasu wynurzenia Te do czasu zanurzenia Ti. Dokładniej, to zwiększenie jest tym silniejsze, im wyższy jest stosunek czasu Tr, w którym tłok jest w położeniu górnym (położenie chłodzenia) do czasu Tc, w którym tłok jest w połoPL 192 053 B1 żeniu dolnym (położenie ubijania i krystalizacji), podczas gdy czas w położeniu dolnym zmniejszał się prawie do wartości bezwzględnej. W ten sposób czas wynurzenia Te jest korzystnie dłuższy niż czas zanurzenia Ti. Mówiąc dokładniej, czas Tr, w którym tłok ubijający znajduje się w położeniu górnym jest korzystnie dłuższy niż czas Tc, w którym jest w położeniu dolnym. Zgłaszająca ustaliła, że masa kryształów utworzonych na trzonie była rosnącą funkcją Tr/Tc i malejącą funkcją Tr+Tc.

Operacja ubijania polega korzystnie na poddawaniu naciskowi masy w stanie stałym za pomocą tłoka ubijającego i utrzymywaniu nacisku w okresie czasu Tc prawie równym czasowi zanurzenia Ti, (korzystnie równemu co najmniej 95% czasu Ti). Utrzymywanie w położeniu górnym obejmuje korzystnie okres czasu Tr prawie równy czasowi wynurzenia Te (korzystnie równy co najmniej 95% czasu Te).

Kryształy zgromadzone na tyglu i tłoku ubijającym odrywa się w czasie wynurzenia tłoka ubijającego.

Kryształy zgromadzone na tłoku ubijającym korzystnie odrywa się w czasie wynurzania tłoka ubijającego.

Najlepiej, gdy kryształy zgromadzone na trzonie odrywa się podczas podnoszenia tłoka ubijającego, zaś kryształy zgromadzone na powierzchni tygla odrywa się, gdy tłok ubijający znajduje się w położeniu górnym.

Skrobie się całe obrzeże strefy krystalizacji na tyglu drogą połączonego działania pionowych ruchów „tam i z powrotem” skrobaka i obrotu tygla.

Migrację kryształów w kierunku dna tygla prowadzi się w okresie wynurzenia Te tłoka ubijającego.

Za pomocą doboru wymiarów tłoka ubijającego i tygla, w czasie zanurzenia tłoka ubijającego podnosi się swobodną powierzchnię ciekłego aluminium, tak że pokrywa ona prawie całą powierzchnię strefy krystalizacji na wewnętrznej ścianie tygla, zaś w czasie wynurzenia tłoka ubijającego obniża się swobodną powierzchnię aluminium, tak że górna część korony kryształów utworzona w wymienionej strefie wynurza się przynajmniej częściowo z ciekłego metalu, przy czym kryształy odrywa się bez konieczności wnikania środków odrywających do ciekłego metalu.

Sposób może obejmować dodatkową operację odcinania głowicy i ewentualnie podstawy surowego wlewka, to jest wlewka wyciągniętego z tygla i ochłodzonego do temperatury, która umożliwia manipulację (typowo temperatura otoczenia). Operację odcinania prowadzi się na ogół na wlewku poddanemu ściekaniu, to jest po przeprowadzeniu operacji odciekania zanieczyszczonej resztkowej cieczy i ochłodzeniu pozostałego stałego materiału.

Urządzenie do oczyszczania aluminium drogą segregacji, za pomocą tworzenia drogą wzrostu, masy aluminium w stanie stałym, czyli wlewka, o bardzo wysokiej czystości z ciekłej masy aluminium, nazywanej cieczą macierzystą, zawierające ogniotrwały tygiel, piec, wyposażony w elementy grzejne tygla, elementy do odrywania kryształów, co najmniej jeden tłok ubijający do ubijania kryształów i wlewka, elementy do pionowego przemieszczania tłoka ubijającego oraz elementy do ponownego topienia wlewka drogą ogrzewania w czasie wzrostu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera zespół pomiarowy do pomiaru wysokości stałej masy, czyli wlewka, połączony z zespołem sterującym, zaś zespół sterujący jest połączony z zespołem grzejnym, dla regulacji mocy grzania w zależności od zmierzonej wysokości.

Zespół pomiarowy do pomiaru wysokości masy ubitej jest połączony z tłokiem ubijającym.

Tłok ubijający składa się z trzonu i wieńca do ubijania, połączonego na sztywno z trzonem, a ponadto urządzenie zawiera skrobaki do odrywania kryształów od trzonu i wewnętrznej ściany tygla, przy czym pomiędzy wieńcem i wewnętrzną ścianą tygla istnieje wolna przestrzeń dla przejścia opadających oderwanych kryształów.

Zespół sterujący jest połączony z jednostką wzorcową, z której na wejście zespołu sterującego jest podana określona, zmienna w czasie wartość zadana dla regulacji mocą grzania w zależności od różnicy pomiędzy rzeczywistą wysokością wlewka a wartością zadaną.

Urządzenie może mieć tylko jeden tłok ubijający.

Wolna przestrzeń pomiędzy wieńcem i wewnętrzną ścianą tygla jest ograniczona przez odległość pomiędzy obrzeżem wieńca i ścianą, i ta odległość jest prawie jednolita i większa albo równa 30mm, a zwłaszcza wynosi od 50 do 100 mm.

Trzon i wieniec korzystnie są wykonane w całości albo częściowo z grafitu.

Trzon powinien być zabezpieczony przed utlenianiem i ewentualnie przed zużyciem ściernym.

PL 192 053 B1

Szczególnie korzystne jest, gdy trzon jest utworzony, całkowicie albo częściowo, z grafitu poddanego obróbce zabezpieczającej przed utlenianiem powietrzem drogą nasycania związkiem, takim jak fosforan glinowy albo cynkowy, kwas fosforowy i ich mieszanina, albo kwas borowy.

Strefa powierzchniowa trzona zawiera korzystnie związek przeciwścierny, taki jak SiC.

Trzon może także posiadać pokrycie albo osłonę ceramiczną, przeciwko utlenianiu albo ścieraniu, taką jak osłona z węglika krzemu albo z tlenoazotku krzemu i glinu.

Górna część wieńca ma kształt stożka ściętego.

Wieniec posiada kanał pomiędzy powierzchnią dolną, stanowiącą powierzchnię zagęszczania, i powierzchnią górną wieńca.

Wieniec i trzon tworzą dwa różne, połączone ze sobą na sztywno elementy, zaś przewodność cieplna złącza pomiędzy tymi dwoma elementami jest niska, to jest co najmniej 10 razy niższa niż przewodność trzonu, tak że istnieje przynajmniej częściowa przerwa termiczna pomiędzy trzonem i wieńcem.

Tygiel ma symetrię cylindryczną względem osi, stanowiącej oś obrotu, i jest zamocowany obrotowo dookoła osi obrotu za pomocą elementów do obracania tygla.

Tygiel jest umieszczony w stalowym dzwonie wyposażonym w kołnierz, a dzwono spoczywa na nachylonych wałkach w postaci stożka ściętego za pośrednictwem płytki podpierającej zespół tygiel/dzwono.

Pomiędzy tyglem i elementami grzejnymi górnej części pieca umieszczony jest ekran termiczny.

Wynalazek obejmuje także zastosowanie sposobu oczyszczania aluminium drogą segregacji do ultraoczyszczania aluminium o czystości co najmniej równej 99,97% do aluminium o czystości minimalnej 99,998% oraz zastosowanie urządzenia do oczyszczania aluminium drogą segregacji do ultraoczyszczania aluminium o czystości co najmniej równej 99,97% do aluminium o czystości minimalnej 99,998%.

Ideą wynalazczą, stanowiącą podstawę niniejszego wynalazku jest stwierdzenie, że niejednorodność czystości końcowego wlewka i zmienność od jednego wlewka do drugiego były związane w rzeczywistości z mocą grzania dostarczoną w czasie procesu segregacji oraz że dotychczasowa praktyka, która polegała na doprowadzaniu prawie stałej mocy grzania bez nastawiania sprzężenia zwrotnego w czasie wzrostu wlewka, prowadziła do niejednorodności i zmienności czystości wyraźnie większych niż zaobserwowane w przypadku postępującej zmienności mocy grzania według wynalazku. Regulacja mocy grzania w czasie wzrostu wlewka umożliwia nie tylko zmniejszenie niejednorodności i zmienności czystości, lecz także rozszerzenie granic tolerancji pomiędzy stopniem oczyszczenia i wydajnością.

Sposób według wynalazku umożliwia istotną poprawę czystości metalu poddanego segregacji, jak również regulowanie czasu koniecznego do wytwarzania wlewków o danej masie, co prowadzi do lepszego kierowania produkcją i stanowiskami pracy.

Sposób i urządzenie według wynalazku nadają się przynajmniej częściowo do automatyzacji i do komputeryzacji. Umożliwiają one albo uzyskanie przy stałej wydajności produkcji większej czystości metalu poddanego segregacji albo znaczne polepszenie wydajności produkcji przy stałej czystości.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniono na załączonym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie elementarny cykl oczyszczania, fig. 2 - urządzenie do oczyszczania drogą segregacji, fig. 3 - strefy krystalizacji i ponownego topienia tygla, gdy tłok ubijający znajduje się w położeniu dolnym wymienionej krystalizacji, fig. 4 - przykład wieńca tłoka ubijającego, fig. 5 - krzywe wzrostu masy w stanie stałym, to jest krzywe wznoszenia się poziomu wysokości zestalonej masy w funkcji czasu, według poprzedniego stanu techniki (a) i według wynalazku (b, c), fig. 6 - profile stałych zawartości krzemu (zawartości w ppm) obserwowane typowo we wlewkach według dotychczasowego stanu techniki (a) i według wynalazku (b); wlewki te mają symetrię kołową względem osi C, fig. 7 - graficznie typowe wartości wydajności przemysłowej P (w kg/h) i średniego stopnia oczyszczenia K (bez jednostek) według poprzedniego stanu techniki (A) i według wynalazku (B); stopień oczyszczenia odpowiada stosunkowi pomiędzy średnią zawartością jednego albo kilku danych pierwiastków w metalu wyjściowym i średnią zawartością tych samych pierwiastków w metalu oczyszczonym (pierwiastki najbardziej charakterystyczne są na ogół głównymi zanieczyszczeniami pierwotnego aluminium wyprodukowanego drogą elektrolizy, a mianowicie żelazem i krzemem), fig. 8 - schemat sterowania procesem według wynalazku.

PL 192 053 B1

Jak przedstawiono na figurze 1, sposób oczyszczania drogą segregacji według wynalazku obejmuje realizację elementarnych cyklów oczyszczania, prowadzącą do wytworzenia masy oczyszczonego aluminium w stanie stałym, czyli wlewka 22, spoczywającej na dnie tygla 2, przy czym każdy cykl obejmuje:

• utrzymywanie tłoka ubijającego 12 w górnym położeniu w ciągu czasu Tr, przy czym swobodna powierzchnia 19 ciekłego aluminium znajduje się na poziomie Nr (fig. 1A), • opuszczanie tłoka ubijającego 12 i poddawanie masy w stanie stałym, czyli wlewka 22 i kryształów nagromadzonych na jego górnej powierzchni naciskowi za pomocą tłoka ubijającego, przy czym swobodna powierzchnia 19 ciekłego aluminium podniosła się do poziomu Nc (fig. 1B), • utrzymywanie wymienionego nacisku i tworzenie się kryształów 24, 25 jednocześnie na tłoku ubijającym i na powierzchni tygla w strefach krystalizacji 29, 29a w czasie korzystnie stałego przedziału czasu Tc (fig. 1C), • pomiar wysokości H masy w stanie stałym za pomocą tłoka ubijającego, • podnoszenie tłoka ubijającego do położenia górnego, nazywanego chłodzeniem, przy czym swobodna powierzchnia (19) ciekłego aluminium obniża się ponownie do poziomu Nr, • operację odrywania kryształów za pomocą skrobaków 13, 14, najlepiej poza ciekłym aluminium, przy czym tak oderwane kryształy migrują na koniec w kierunku dolnej części tygla pod działaniem siły ciężkości (fig. 1D), • ponowne częściowe topienie w sposób ciągły masy w stanie stałym, • regulację mocy grzania P w zależności od wysokości H, • zatrzymywanie elementarnych cyklów oczyszczania, gdy masa w stanie stałym osiąga określoną wysokość Hf.

Wymienione strefy krystalizacji obejmują długość Z1 tygla i Z2 trzonu tłoka ubijającego.

Czas wynurzenia Te części tłoka ubijającego 12, stanowiącej strefę krystalizacji powinien być większy od czasu zanurzenia Ti tej części tłoka.

Tytułem przykładu, w przypadku pieca o pojemności 2 ton, pomiędzy cyklem elementarnym (A), dla którego czas zanurzenia Ti=30 sek, a czas wynurzenia Te=8 sek, i cyklem elementarnym (B), dla którego czas zanurzenia Ti=15 sek, a czas wynurzenia Te=23 sek, z rosnącą albo malejącą szybkością w obydwóch przypadkach trzona około 0,20 m/sek pomiędzy położeniem górnym i dolnym, zgłaszająca ustaliła wielkość produkcji kryształów dla cyklu B o 40 kg/godz większą niż wydajność cyklu A, jeżeli utrzymuje się tę samą krzywą zadaną dla wzrostu wlewka. Temu wzrostowi wielkości produkcji kryształów, przy tej samej krzywej wzrostu, towarzyszy zwiększenie mocy grzania średnio o 4,5 kW i prowadzi do stopnia ponownego topienia utworzonych kryształów większego w przypadku cyklu elementarnego B niż w przypadku cyklu A. Te różnice pociągają za sobą zwiększenie czystości metalu przy stałej wydajności. Zawartości żelaza i krzemu we wlewkach wytworzonych z zastosowaniem cyklu B były typowo średnio niższe o 30% od zawartości we wlewkach wytworzonych z zastosowaniem cyklu A (w przypadku stałej końcowej wielkości wlewka i stałego całego czasu trwania operacji), co stanowi znaczną różnicę stopnia oczyszczenia.

Ciąg utworzony przez wynurzanie i zanurzanie stanowi elementarny cykl oczyszczania. Każdy cykl elementarny może mieć zmienny czas trwania albo prawie stały czas trwania. Czas trwania każdego cyklu wynosi korzystnie od 20 sekund do 5 minut. Rytm zbyt szybki prowadzi do tworzenia się małej ilości kryształów w każdym cyklu elementarnym i utrudnia właściwe odrywanie się (skórowanie) tych kryształów. Rytm zbyt wolny prowadzi do tworzenia się w czasie każdego cyklu elementarnego skorup kryształów zbyt grubych i zbyt twardych, co powoduje niekiedy blokadę urządzeń skórujących i prowadzi do obniżenia ilości kryształów tworzonych na jednostkę czasu.

Głębokość zanurzenia tłoka ubijającego 12 jest funkcją wysokości H masy w stanie stałym. Jest ona duża na początku operacji oczyszczania, a następnie zmniejsza się stopniowo w miarę wzrostu masy w stanie stałym. Operacja ubijania ściska masę w stanie stałym i zgniata kryształy 21 nagromadzone na jej górnej powierzchni, wypierając część zanieczyszczonej cieczy zawartej pomiędzy kryształami. Poza tym takie ubijanie ze zgniataniem wlewka 22 doprowadza nowe części w stanie stałym do styku z gorącymi ściankami i ułatwia jego częściowe ponowne stopienie. Operacja ubijania obejmuje ruch ściskający tłoka ubijającego 12 w okresie czasu Tc, po którym następuje wymieniony pomiar wysokości H(t) ubitej masy w stanie stałym. W praktyce, gdy wysokość mierzy się za pomocą tłoka ubijającego 12, to można ją mierzyć tylko od momentu, w którym masa w stanie stałym osiągnęła już pewną minimalną wysokość Hm odpowiadającą najniższemu punktowi, który może osiągnąć

PL 192 053 B1 tłok ubijający 12. Ten moment nazywa się sprzęgnięciem (identyfikowanym literą G na fig. 5). Praktyczny jest pomiar czasu t licząc od momentu sprzęgnięcia.

Operację odrywania kryształów na tyglu 2 i tłoku ubijającym 12 można prowadzić wtedy, gdy tłok ubijający 12 jest wynurzony. Operację odrywania kryształów na tłoku ubijającym 12 można prowadzić także w czasie wynurzania tłoka ubijającego 12.

Migracja kryształów w kierunku dna tygla 2 dokonuje się w zasadzie w czasie okresu wynurzenia Te tłoka ubijającego 12.

Operacja ponownego topienia masy w stanie stałym podczas wzrostu wlewka 22 jest w zasadzie procesem ciągłym. W praktyce ponowne topienie ma miejsce tylko dookoła ubitej masy w stanie stałym, czyli wlewka 22, tak że skuteczna strefa ponownego topienia 23 obejmuje dno tygla 2 i jego ścianę aż do wysokości H. Ponowne topienie ma miejsce w zasadzie na całej obwodowej powierzchni masy w stanie stałym, czyli wlewka 22, włącznie z górną częścią tej powierzchni, usytuowaną na poziomie strefy gromadzenia się kryształów 21, jak to widać na fig. 1 do 3. Regulacja mocy grzania P, która jest funkcją zmierzonej wysokości H wlewka 22, odnosi się co najmniej do mocy przyłożonej wprost do całości masy w stanie stałym. Stopień ponownego stopienia masy w stanie stałym jest zmienny w czasie całej operacji oczyszczania i odpowiada określonemu wzrostowi. Zgłaszająca ustaliła, że średni stopień oczyszczenia można by znacznie zwiększyć, gdyby stopień ponownego stopienia odpowiadał takiej krzywej wzrostu, że stosunek pomiędzy masą Mr ponownie stopionych kryształów imasą Mc kryształów utworzonych (Mr/Mc) był w każdym cyklu elementarnym niemalejącą funkcją wysokości H(t) ubitej masy w zależności od czasu t, to jest masy w stanie stałym po operacji ubijania. Mówiąc inaczej, przewidywany stopień ponownego stopienia jest stały albo rosnący, gdy wzrasta wysokość H(t). Wytworzona początkowo masa Mc jest równa sumie masy po ponownym stopieniu i masy ponownie stopionej. Ponowne stopienie można wyrazić również w kategoriach stopnia przemywania, który jest równy stosunkowi pomiędzy ponownie stopioną masą i masą pozostałą po częściowym ponownym stopieniu.

Taki stopień ponownego stopienia prowadzi do przewidywanej krzywej wzrostu Ho(t) masy w stanie stałym, która jest nieliniowa i wypukła, to jest o nachyleniu malejącym albo zerowym (taka krzywa jest przedstawiona na fig. 5). Mówiąc inaczej, szybkość wzrostu wlewka 22, czyli wysokości H(t) maleje z czasem. Krzywą wzrostu według wynalazku uzyskuje się drogą regulacji mocy środków grzejnych za pomocą wartości wysokości H(t) masy w stanie stałym, zmierzonej w każdym cyklu elementarnym, którą porównuje się z zadaną wartością Ho(t), (co odpowiada wymaganej krzywej wzrostu ubitej masy w czasie). Gdy wartość H(t) zmierzona w kilku kolejnych cyklach elementarnych jest większa niż zadana wartość Ho(t), to zwiększa się typowo moc grzania i zmniejsza się w przypadku przeciwnym. Wymieniona regulacja uwzględnia jednocześnie różnicę pomiędzy zmierzoną skutecznie wysokością H(t), (korzystnie średnia na kilka minut albo kilka kolejnych cyklów elementarnych (średnia ślizgająca się)) i zadaną wartością Ho(t) oraz skłonność tej różnicy do zwiększania się albo zmniejszania w czasie, zwłaszcza w celu uniknięcia zjawisk nazywanych pompowaniem regulacji. W ten sposób ustalono korzystnie regulację mocy grzania P w zależności od różnicy pomiędzy zmierzoną wysokością H i zadaną wartością Ho, to jest sterowanie wielkością mocy P w zależności od H-Ho, przy czym Ho jest określoną zadaną wartością i funkcją czasu, jaki upłynął od sprzężenia.

Jeszcze korzystniej przyrost mocy ΔΡ w momencie t ma postać:

ΔΡ(1) = A x [H(t) - Ho(t)] + B x ^[H(t) - Ho(t)]/ Δ} gdzie A i B są dodatnimi współczynnikami doświadczalnymi, które nastawia się tak, aby umożliwić szybkie dogonienie zadanej wysokości, lecz bez wywoływania pompowania dookoła tej zadanej wysokości wbrew nieuchronnej bezwładności cieplnej urządzenia (konieczne jest na ogół kilka minut, aby przyrost mocy przełożył się na przegięcie krzywej wznoszenia się kryształów). Regulację mocy grzania prowadzi się za pomocą układu informatycznego.

Zgłaszająca zaobserwowała niespodziewanie, że w przypadku danej wydajności produkcyjnej, to jest ustalając dany czas trwania pełnej operacji segregacji (a zatem w celu uzyskania wlewka ookreślonym ciężarze), sposób prowadzenia cyklu, a zwłaszcza prawo wyrażające szybkość, przy której wywołuje się wzrost wlewka w zależności od wysokości już ubitego wlewka (albo masy w stanie stałym), miały duże znaczenie dla średniej czystości otrzymanego końcowego wlewka. Mówiąc inaczej, w sposób nieoczekiwany sterowanie wielkości mocy grzania mające na celu zwiększanie wysokości ubitego wlewka, prowadzi, przy danej wydajności produkcji, do znacznego polepszenia uzyskanych współczynników oczyszczenia.

PL 192 053 B1

Swobodna przestrzeń pozostawiona pomiędzy tłokiem ubijającym 12 i wewnętrzną ścianką tygla 2 jest taka, że oderwane kryształy podlegają wymienionemu już zjawisku przemywania w czasie ich zsuwania się w kierunku dna tygla 2. To zjawisko ma miejsce wtedy, gdy kryształy przechodzą w pobliżu ścianki, w strefie, w której ciekłe aluminium znajduje się w temperaturze lekko wyższej niż temperatura likwidusa, co pociąga za sobą częściowe ponowne topienie się powierzchni kryształów, która jest bogatsza w zanieczyszczenia niż część środkowa, i prowadzi do polepszenia oczyszczenia.

Wymiary tłoka ubijającego 12 i tygla 2 dobiera się tak, że gdy tłok ubijający znajduje się w położeniu dolnym (zanurzony), to swobodna powierzchnia ciekłego aluminium podnosi się, tak że pokrywa w zasadzie całą powierzchnię strefy krystalizacji na wewnętrznej ścianie tygla 2, zaś gdy tłok ubijający 12 znajduje się w położeniu górnym (wynurzonym), to swobodna powierzchnia ciekłego aluminium obniża się, tak że górna część korony kryształów 25 utworzonej w wymienionej strefie wynurza się przynajmniej częściowo z ciekłego metalu oraz że te kryształy można oderwać bez wnikania skrobaków odrywających kryształy (a dokładniej ich zgarniaczy) do ciekłego metalu. Umożliwia to zmniejszenie zużycia ściernego zgarniaczy, co jest związane z rzadszymi interwencjami na skrobakach odrywających, ułatwia konserwację urządzenia i zmniejsza ryzyko skażenia cieczy macierzystej, oraz prowadzi do wyższego stopnia oczyszczenia i lepszego dozoru.

Przedstawione na figurze 2 urządzenie 1 według wynalazku składa się z ogniotrwałego tygla 2, pieca 4 wyposażonego w elementy grzejne 5, 5a,6, 6a, 7, 7a tygla, co najmniej jednego tłoka ubijającego 12 i mechanizmu do pionowego przemieszczania tłoka ubijającego. Tłok ubijający 12 składa się z trzona 9 i wieńca 10 do ubijania połączonego na sztywno z trzonem 9. Kryształy 24, 25 tworzą się jednocześnie na trzonie 9 i na wewnętrznej ścianie 26 tygla 2, w strefach 29, 29a nazywanych strefami krystalizacji. Urządzenie zawiera skrobaki 13, 14do odrywania kryształów od trzona 9 i wewnętrznej ściany 26 tygla 2. Pomiędzy wieńcem 10 i wewnętrzną ścianą 26 tygla 2 istnieje wolna przestrzeń 28 wystarczająca do przejścia kryształów, oderwanych za pomocą skrobaków odrywających, w czasie ich migracji do dołu tygla pod działaniem siły ciężkości. Jak przedstawiono na fig. 8, urządzenie zawiera zespół pomiarowy 100 do pomiaru wysokości H wlewka 22 w czasie jego wzrostu oraz zespół sterujący 103 do sterowania wielkością mocy grzania elementów grzejnych w zależności od zmierzonej wysokości H, co pozwala na uzyskanie określonej szybkości wzrostu wysokości H w czasie.

Piec 4 posiada ścianę izolującą 40 i metalową obudowę 41. Elementy grzejne 5, 5a,6, 6a, 7, 7a są rozmieszczone wzdłuż tygla 2, przy czym zalecana jest indywidualna albo grupowa regulacja mocy poszczególnych elementów grzejnych, tak aby regulować moc ogrzewania w określony sposób wzdłuż tygla. To rozmieszczenie elementów grzejnych umożliwia zwłaszcza regulację mocy grzania doprowadzoną wprost do całości wlewka.

W przedstawionym przykładzie wykonania wynalazku urządzenie ma tylko jeden tłok ubijający 12 i pomiar wysokości H ubitej masy, czyli wlewka 22 jest realizowany za pomocą tłoka ubijającego 12. W tym celu urządzenie może zawierać środki do oznaczania, zwłaszcza w czasie operacji ubijania, pogrążenia w ciekłym metalu tłoka ubijającego, i odejmowania od niego wysokości ubitego wlewka. Jako środki do pomiaru wysokości H wlewka może być zastosowany, na przykład, czujnik linkowy, przedstawiony na fig. 8. Linka 101 jest zamocowana do tłoka ubijającego 12. Ruch tłoka ubijającego 12 powoduje odwijanie kabla linki, a zespół pomiarowy 100 mierzy odwijanie się linki i przekłada je na sygnał elektryczny za pomocą kodera.

Mierzoną wysokość H otrzymuje się jako różnicę Do-D, gdzie D oznacza odległość przebytą przez tłok ubijający 12, kiedy ten uderza w górną powierzchnię 21 wlewka a Do oznacza stałą korekcji równą odległości, która zostałaby przebyta przez tłok ubijający 12, gdyby ten dotknął dna tygla 2.

Zespół sterujący 103 jest regulatorem PID, czyli regulatorem proporcjonalno-całkującoróżniczkującym, który wykorzystuje H i Ho jako dane wejściowe i podaje wartość ΔΡ jako daną wyjściową. Wartość ΔP modyfikuje moc dostarczaną przez zespół grzejny 104 do elementów grzejnych,

5a,6, 6a, 7,7a.

Skutkiem tego ΔP(t) stanowi korektę mocy P, wykonywaną w funkcji różnicy między wartością nastawioną Ho(t) a zmierzoną wysokością H(t). Urządzenie może być wyposażone w środki umożliwiające wykrywanie siły reakcji masy w stanie stałym 22 w celu skutecznego kontrolowania zgniecenia wymienionej masy i śledzenia postępu jej tworzenia się, który jest dany jej wysokością H(t)względem dna tygla 2w stosunku do czasu t.

Zespół sterujący 103 umożliwia porównywanie, w każdej operacji ubijania, skutecznie ubitej wysokości z wysokością wzorcową wymaganą w tym momencie operacji Ho(t) oraz do sterowania mocą

PL 192 053 B1 grzania P w zależności od różnicy pomiędzy H(t) i Ho(t). Zespół sterujący 103, korzystnie skomputeryzowany, umożliwia zwiększanie mocy, gdy H > Ho, i jej zmniejszanie, gdy H < Ho. Zespół sterujący 103 jest połączony z zespołem grzejnym 104, dzięki czemu uzyskuje się wymaganą moc grzania.

Tworzenie kryształów na trzonie 9 tłoka ubijającego 12 uzyskuje się za pomocą jego chłodzenia drogą wypromieniowania i ewentualnie konwekcji naturalnej albo wymuszonej, gdy znajduje się on w położeniu górnym (wynurzenie). Tworzenie się kryształów na wewnętrznej ścianie 26 tygla 2 uzyskuje się poprzez obniżenie temperatury ściany drogą odbierania ciepła. Chłodzenie ściany tygla w strefie krystalizacji 29 można uzyskać skutecznie przedłużając ścianę tygla 2 ponad ogrzaną strefę, a nawet poza piec 4, o długość wystarczającą do spowodowania strat cieplnych zwłaszcza drogą wypromieniowania i konwekcji. Część powietrzna 32 tygla 2 działa wtedy, na skutek efektu żeberkowego, jak dren termiczny. Długość Le wymienionej części powietrznej 32, zmierzona od górnej części 33 dzwona 3, wynosi typowo od 2 do 15 cm w przypadku urządzenia o pojemności 2 ton i grubości ściany T rzędu 5 cm.

Krystalizacja częściowa odbywa się i ma miejsce przy tworzeniu się kryształów w strefach krystalizacji 29 i 29a, gdy temperatura powierzchni ścian tygla 2 i trzonu 9 jest niższa niż temperatura likwidusa cieczy macierzystej. W tych strefach strumień termiczny netto jest wtedy skierowany od ciekłego metalu do ściany tygla 2 i do trzonu 9.

Dolna granica strefy krystalizacji 29 na tyglu 2 odpowiada w przybliżeniu ścianie wewnętrznej, gdzie temperatura jest równa temperaturze likwidusa. Strefa usytuowana pod strefą krystalizacji odpowiada strefie nazywanej strefą ponownego topienia 31 (fig. 3). Wąska strefa przejściowa pomiędzy strefą krystalizacji i strefą ponownego topienia jest nazywana punktem neutralnym. W strefie ponownego topienia strumień cieplny jest skierowany od ściany tygla 2 w kierunku metalu, a temperatura ściany jest wyższa niż temperatura likwidusa metalu. Na tyglu 2 stosunek pomiędzy wysokością strefy krystalizacji Lc i wysokością strefy ponownego topienia Lr jest korzystnie mniejszy niż 0,3, a zwłaszcza mniejszy niż 0,25. W praktyce ponowne topienie ma miejsce tylko wokół ubitej masy w stanie stałym, czyli wlewka 22, tak że skuteczna strefa ponownego topienia 23 obejmuje dno tygla 2 i jego ścianę aż do wysokości H. W ten sposób topi się ponownie prawie cała obwodowa powierzchnia wlewka, włącznie z górną częścią tej powierzchni.

Korzystne jest także umieszczenie ekranu termicznego 34 pomiędzy tyglem 2 i elementami grzejnymi 5, 5a górnej części pieca, przy czym ekran pokrywa korzystnie nieznacznie górną powierzchnię w strefie krystalizacji 29. Ekran umożliwia ustalenie przybliżonego położenia punktu neutralnego oddzielającego strefę krystalizacji od strefy ponownego topienia na wewnętrznej ścianie tygla 2 i eliminuje silne źródło zmienności tego położenia, gdy zmienia się moc grzania.

Przekrój trzonu 9 jest korzystnie mniejszy niż przekrój wieńca 10. Wolna przestrzeń 28 pozostawiona pomiędzy obrzeżem wieńca 10 tłoka ubijającego 12 i wewnętrzną ścianą tygla 2 powinna być taka, by kryształy mogły gromadzić się na dnie tygla równie szybko, jak są one odrywane od trzonu 9 i ściany tygla 2 za pomocą skrobaków odrywających. Odległość D pomiędzy wieńcem 10 i wewnętrzną powierzchnią tygla 2 jest taka, że oderwane kryształy podlegają zjawisku, nazywanym przemywaniem, w czasie ich zsuwania się w kierunku dna tygla 2. To zjawisko ma miejsce wtedy, gdy kryształy przechodzą w pobliżu ściany, w strefie, w której ciekłe aluminium znajduje się w temperaturze nieznacznie wyższej niż temperatura likwidusa, co pociąga za sobą ponowne częściowe topienie powierzchni kryształów, która jest bogatsza w zanieczyszczenia, niż część środkowa, co prowadzi do polepszenia oczyszczenia. Odstęp D jest prawie jednolity i większy albo równy 30 mm, a zwłaszcza od 50 do 100 mm. Odstęp zbyt duży daje małą powierzchnię ubijania 15, co zmniejsza skuteczność operacji ubijania. W takich warunkach wieniec 10 trzonu zbliża kryształy do ściany tygla i zmusza je do przechodzenia w pobliżu powierzchni ściany, gdzie temperatura ciekłego aluminium jest nieznacznie wyższa niż temperatura likwidusa. Gdy tłok ubijający znajduje się w położeniu górnym, to dolna część trzonu 9 powinna pozostawać pod punktem neutralnym sprzyjając w ten sposób zjawisku przemywania.

Wolna przestrzeń 28a pomiędzy trzonem 9 i ścianą wewnętrzną 26 tygla 2 jest taka, że skrobaki 13, 14 mogą poruszać się bez stłoczenia oraz że mogą szybko tworzyć się kryształy 24, 25.

Przekrój trzonu 9 ma kształt kołowy, a jego średnica wynosi od 20 do 35% wewnętrznej średnicy tygla 2. Średnica zbyt mała prowadzi do wytrzymałości mechanicznej, która może okazać się niewystarczająca do ubijania wlewka, oraz do małej wydajności kryształów, spowodowanej ograniczeniem usuwanego strumienia cieplnego. Średnica zbyt duża prowadzi do objętości zanurzenia, która ogranicza zbyt silnie użyteczną pojemność tygla, a zatem i wydajność produkcyjną.

PL 192 053 B1

Trzon 9 i wieniec 10 są wykonane całkowicie albo częściowo z grafitu, co umożliwia znaczne ograniczenie ryzyka zanieczyszczenia ciekłego aluminium. Większa przewodność cieplna grafitu umożliwia skuteczne chłodzenie trzonu w jego strefie krystalizacji 29a i szybkie odprowadzanie energii cieplnej wynikającej z krystalizacji. Trzon 9 jest ponadto wykonany całkowicie albo częściowo z grafitu poddanego obróbce zabezpieczającej przed utlenianiem w powietrzu drogą nasycania związkiem, takim jak fosforan glinowy albo cynkowy, kwas fosforowy albo ich mieszanina, albo kwas borowy. Częściowo można również zabezpieczać powierzchniową strefę trzonu za pomocą związku przeciwściernego, takiego jak SiC. Korzystne jest także wyposażenie trzonu 9 w pokrycie albo w osłonę ceramiczną umożliwiającą uniknięcie jego utleniania i ścierania, taką jak osłona z węglika krzemu albo z Sialon (określenie, które oznacza tlenoazotek krzemu i glinu albo w języku angielskim silicon aluminium oxinitride). Takie układy umożliwiają unikanie wytwarzania cząstek grafitu, które są odrywane najczęściej na skutek utleniania i które są porywane przez środki odrywające i znajdują się w ten sposób ponownie we wlewku. W czasie stosowania oczyszczonego metalu te cząstki mogą mieć szkodliwy wpływ, taki jak tworzenie się pęcherzyków gazu albo miejscowe pęknięcia na skutek cząstek grafitu.

Górna część 27 wieńca 10 ma kształt stożka ściętego, taki jak przedstawiono na fig. 3a. Kąt stożka, to jest kąt α pomiędzy osią C trzonu 9 i powierzchnią 27 stożka, wynosi korzystnie od 30° do 60°, a zwłaszcza od 40° do 50° i powinien być mniejszy niż kąt naturalnego stosu kryształów, tj. kąt stosu uzyskiwanego naturalnie, wskutek działania siły grawitacji (analogicznie do stosu piasku, gdzie przy określonym kącie stosu następuje spadanie piasku). Zbyt duży kąt stożka, to jest kąt większy niż kąt naturalnego stosu kryształów, może prowadzić do nagromadzenia kryształów na stożkowej powierzchni 27, co zmniejsza ogólną sprawność urządzenia, ponieważ te kryształy nie biorą udziału w tworzeniu się wlewka 22 i w dodatkowym oczyszczaniu drogą ponownego topienia. Zbyt mały kąt stożka prowadzi do wieńca bardzo długiego, który wykorzystuje znaczną część użytecznej objętości tygla 2i który zmniejsza na skutek tego ilość aluminium załadowanego do tygla 2, poddawaną operacji oczyszczania. Z drugiej strony wydłużenie wieńca 10 zmniejsza znacznie długość trzona 9 użyteczną do tworzenia się dających się skórować kryształów, to jest kryształów, które mogą być łatwo oderwane za pomocą skrobaków 13.

Zalecane jest również wyposażenie wieńca 10 tłoka ubijającego 12 w kanały 11 pomiędzy powierzchnią dolną 15, nazywaną powierzchnią ubijania, i powierzchnią górną 27 wieńca 10, co polepsza przepływ ciekłego metalu, zwłaszcza w czasie operacji ubijania wlewka 22.

W przedstawionym przykładzie wykonania wynalazku wieniec 10 i trzon 9 tworzą dwie różne części, chociaż są połączone ze sobą na sztywno, a przewodność cieplna złącza pomiędzy tymi częściami jest niska, to jest co najmniej 10 razy mniejsza niż przewodność trzona, w celu ustalenia przynajmniej częściowej przerwy termicznej pomiędzy trzonem i wieńcem. Ta przerwa termiczna umożliwia znaczne ograniczenie chłodzenia wieńca za pośrednictwem trzona, zwłaszcza wtedy, gdy ten ostatni znajduje się w położeniu górnym i blisko powierzchni ciekłego aluminium (jak to ma miejsce w przypadku końca cyklu oczyszczania), co umożliwia ograniczenie tworzenia się kryształów na powierzchniach wieńca, które są trudno, a nawet całkiem niedostępne dla skrobaków. Trzon 9 i wieniec 10 są wykonane korzystnie z tego samego materiału, w celu uniknięcia problemów związanych z różną rozszerzalnością, a zwłaszcza z grafitu. Jak widać na fig. 4b, korzystne rozwiązanie tego wariantu polega na wykonaniu złącza drogą połączenia śrubowego 50 pomiędzy trzonem i wieńcem i umieszczeniu tarczy 51 z materiału termoizolacyjnego na znacznej części powierzchni stykowej pomiędzy obydwoma elementami, korzystnie przynajmniej pomiędzy dwiema płaskimi częściami 52a, 52b wcelu zmniejszenia strumienia cieplnego co najmniej o 20% w porównaniu z wieńcem i trzonem tworzącym jeden element. Materiał izolacyjny powinien mieć przewodność cieplną co najmniej 10 razy, a zwłaszcza co najmniej 100 razy mniejszą niż przewodność trzona.

Wymiary tłoka ubijającego 12 i tygla 2są takie, że gdy tłok ubijający 12 znajduje się w położeniu dolnym, to swobodna powierzchnia ciekłego aluminium podnosi się do góry, tak że pokrywa prawie całą powierzchnię strefy krystalizacji 29 na wewnętrznej ścianie tygla 2, zaś gdy tłok ubijający 12 znajduje się w położeniu górnym, to swobodna powierzchnia ciekłego aluminium obniża się, tak że górna część korony kryształów 25, utworzonej przynajmniej częściowo w wymienionej strefie, wynurza się z ciekłego metalu, dzięki czemu kryształy mogą być oderwane bez wnikania skrobaków do ciekłego metalu. Umożliwia to zmniejszenie zużycia ściernego skrobaków, przyczyniając się do rzadszych

PL 192 053 B1 interwencji, ułatwia konserwację urządzenia i zmniejsza ryzyko zanieczyszczenia cieczy macierzystej, co prowadzi do wyższego stopnia oczyszczenia i lepszej manipulacji (zwłaszcza wtedy, gdy wynalazek stosuje się do oczyszczania metalu już rafinowanego albo do ultraoczyszczania w celu uzyskania czystości wyższych niż 99,999%).

Skrobaki 13, 14 umożliwiają odrywanie kryształów 24, 25 drogą skrobania trzona 9. Skrobaki mogą być zamontowane tak, by umożliwiać odrywanie kryształów na trzonie, podczas gdy tłok ubijający 12 podnosi się do góry, a na powierzchni tygla, gdy tłok ubijający 12znajduje się w położeniu górnym (położenie wynurzenia). Skrobaki 13 są tak zamocowane przy trzonie, że opierają się swą częścią roboczą 8o trzon 9, gdy ten zaczyna podnosić się, oraz odsuwają się od niego, gdy trzon pojawia się w położeniu górnym (położenie chłodzenia). Skrobaki 13 utrzymuje się na określonym poziomie względem obrzeża tygla 2, a operację odrywania prowadzi się w czasie ruchu do góry tłoka ubijającego 12. W praktyce skrobaki 13 mogą przylegać do trzona tylko w czasie jego podnoszenia się do góry. Zgodnie z jednym z wariantów tego rozwiązania skrobaki 13 pokrywają tylko część obrzeża trzona9 (około połowy), to jest mają one kształt prawie półkołowy, i operację odrywania prowadzi się na całym obrzeżu trzona9 drogą ruchu pionowego połączonego z ruchem obrotowym trzona9.

Skrobaki mogą być wyposażone w układ do regulacji ich położenia względem swobodnej powierzchni ciekłego aluminium, tak że możliwe jest kompensowanie obniżenia poziomu swobodnej powierzchni w miarę jak ubita masa w stanie stałym wzrasta i pociąga za sobą zmniejszenie całkowitej objętości na skutek różnicy gęstości pomiędzy aluminium ciekłym i aluminium stałym.

W przedstawionym na fig. 2 przykładzie wykonania wynalazku tygiel 2 masymetrię obrotową względem osi C, nazywanej osią obrotową i urządzenie 1 zawiera elementy 17 do obracania tygla dookoła osi C, dzięki czemu zeskrobywanie całego obrzeża strefy krystalizacji 29 na tyglu 2uzyskuje się drogą połączonego działania pionowych ruchów tam i z powrotem skrobaków 14 i obrotu tygla. Taka konfiguracja zmniejsza znacznie stłoczenie skrobaków 13, 14 i zmniejsza złożoność układów mechanicznych umożliwiających niezależne działanie wymienionych środków.

Zgodnie z wariantem tego rozwiązania, tygiel 2umieszcza się w stalowym dzwonie3 wyposażonym w kołnierz 30, a dzwono spoczywa na nachylonych rolkach 18 w postaci stożka ściętego za pośrednictwem płytki 16 podpierającej cały układ tygiel/dzwono. Rolki w postaci stożka ściętego umożliwiają nie tylko łatwe obracanie się tygla, lecz zapewniają także samocentrowanie płytki 16 względem osi urządzenia. Wprawianie w ruch obrotowy tygla 2można przeprowadzić skutecznie drogą napędzania silnikiem jednej ze stożkowych rolek.

Wlewki można wytwarzać na skalę przemysłową za pomocą urządzenia według wynalazku, amianowicie przez załadowanie do ogniotrwałego tygla 2 początkowej masy oczyszczanego ciekłego aluminium, nazywanej cieczą macierzystą, tworzenie kryształów drogą częściowej krystalizacji wymienionej cieczy macierzystej w strefach krystalizacji 29, 29a na trzonie 9 i ścianie tygla 2, odrywanie kryształów za pomocą skrobaków 13, 14, okresowe ubijanie nagromadzonych kryształów 21 i wlewka 22 na dnie tygla 2 za pomocą tłoka ubijającego 12, tak aby spowodować wzrost masy w stanie stałym, czyli wlewka, częściowe postępujące ponowne topienia masy w stanie stałym, tak aby przeprowadzić dodatkowe oczyszczenie tej masy, sterowanie mocą grzania elementów grzejnych5, 5a,6, 6a, 7, 7a w czasie wzrostu wlewka w zależności od H, tak aby uzyskać szybkość wzrostu H,która jest korzystnie określona i malejąca, oraz fizyczne oddzielania cieczy macierzystej i końcowej masy wstanie stałym, nazywanej wlewkiem końcowym.

Kryształy tworzą się na trzonie przede wszystkim wtedy, gdy jest on zanurzony w cieczy macierzystej, natomiast na ścianie tygla tworzą się w sposób kwazi-ciągły.

W czasie elementarnych cyklów oczyszczania wieniec 10 jest korzystnie zawsze zanurzony wcieczy macierzystej, tak że unika się tworzenia kryształów na jego dolnej albogórnej powierzchni, które przyczyniają się do zmniejszeniaobjętości pozostałej cieczy macierzystej, a zatem dozwiększeniasię w niej zawartości resztkowych zanieczyszczeń bez uczestniczenia w tworzeniu się masy ubitych oczyszczonych kryształów.

Wynalazek stosuje się również do ultra-oczyszczania aluminium, które wychodząc z aluminium o czystości co najmniej równej 99,97% umożliwia otrzymanie aluminium o minimalnej czystości 99,998%. Taki metal jest przeznaczony zwłaszcza do metalizacji obwodów scalonych. W przypadku takiego stopnia czystości dodatkowa trudność polega na konieczności zmniejszenia, w sposób zarówno całkowity, jak i możliwy, zawartości zanieczyszczeń promieniotwórczych, a zwłaszcza uranu i toru. Na ogół oczyszczany metal wyjściowy jest metalem już rafinowanym elektrolitycznie, który ma już zmniejszoną zawartość pierwiastków perytektycznych, takich jak Ti, V, Zr i Cr (ogółem

PL 192 053 B1 mniej niż 1 ppm), i bardzo umiarkowaną zawartość zwykłych zanieczyszczeń eutektycznych, takich jak Fe, Si, Cu (mniej niż 5 ppm każdy). W zamian ten metal ma zawartość uranu i toru szkodliwą dla metalizacji obwodów scalonych, na przykład ponad 0,1 ppm toru i ponad 0,01 ppm uranu, podczas gdy wymagania producentów obwodów scalonych odpowiadają aktualnie zawartościom U+Th ograniczonym ogółem do mniej niż 0,0007 ppm. To ograniczenie do bardzo niskich zawartości zanieczyszczeń promieniotwórczych zwiększa się tylko ze zmniejszeniem wielkości elementarnych tranzystorów tworzących obwód i wymaganie producentów ewoluuje w kierunku granic ogólnej zawartości U+Th, niższych niż 0,0001 ppm, co wymaga podzielenia przez ponad 1000 początkowej zawartości tych zanieczyszczeń w rafinowanym metalu. W przypadku sposobów według poprzedniego stanu techniki uzyskanie tak ograniczonych zawartości zanieczyszczeń promieniotwórczych dokonuje się tylko prowadząc oczyszczanie kaskadowe (na przykład dwie kolejne segregacje), co zwiększa znacznie koszty produkcji i obniża bardzo wyraźnie wydajność końcowego oczyszczonego metalu w stosunku do rafinowanego elektrolitycznie metalu wyjściowego.

Próby

Seria prób 1

Próby przemysłowe przeprowadzono za pomocą urządzeń o różnej pojemności. W tych urządzeniach tłok ubijający był jedynym środkiem ubijającym i opuszczał się tylko do dna tygla. W takich warunkach ubijanie zaczyna dokonywać się tylko wtedy, gdy masa w stanie stałym osiąga maksymalne położenie pogrążenia się tłoka ubijającego, to jest do chwili, gdy ma miejsce wymienione sprzężenie.

Próby dotyczą trzech rodzajów krzywych przyrostu (tj. krzywych wznoszenia się górnej powierzchni wlewka):

a) szybkość przyrostu Vm prawie stała w ciągu całego czasu (Ttot) wzrostu wlewka (poprzedni stan techniki),

b) szybkość przyrostu obejmująca trzy zakresy szybkości: zakres początkowy równy 1,5 razy Vm w ciągu 10% Ttot, a następnie zakres równy 1,2 razy Vm w ciągu 20% Ttot, zakończony zakresem równym 0,87 razy Vm w ciągu 70%Ttot,

c) szybkość przyrostu obejmująca osiem zakresów szybkości przyrostu: zakres początkowy równy 2,4 razy Vm w ciągu 5% Ttot, następnie zakres równy 2,0 razy Vm w ciągu 10% Ttot, następnie zakres równy 1,6 razy Vm w ciągu 10% Ttot, następnie zakres równy 1,2 razy Vm w ciągu 15% Ttot, następnie zakres równy 0,9 razy Vm w ciągu 15% Ttot, następnie zakres równy 0,65 razy Vm w ciągu 20% Ttot, następnie zakres równy 0,375 razy Vm w ciągu 20% Ttot, zakończony zakresem zerowej szybkości przyrostuw ciągu 5% Ttot.

W Tabeli I zebrano podstawowe wymiary stosowanych pieców, parametry wzrostu wlewków i średnie wartości stopni oczyszczenia uzyskanych na około 5 do 15 próbach za pomocą krzywej przyrostu i typu pieca. Wszystkie te próby prowadzono w cyklu ubijania, obejmującym czas wynurzenia trzonu wynoszący 23 sekundy i czas zanurzenia (położenie krystalizacji i ubijania) wynoszący 15 sekund.

Wyniki prób dowodzą, że wlewki otrzymane według stanu techniki, przy prawie stałej szybkości przyrostu wykazują niejednorodność wewnętrzną i zmienność wlewków od jednego do drugiego wyraźnie większe niż w przypadku wlewka otrzymanych według wynalazku. Obserwuje się również, że średnia czystość wlewka jest tym mniejsza, im większa jest średnica tygla, co zgłaszająca wyjaśnia faktem, że część obwodowa wlewka, w której poziom czystości jest największy, zmienia się odwrotnie względem średnicy wlewka, a zatem ze średnicą tygla.

Te próby wskazują także, że wytwarzanie kryształów jednocześnie na trzonie (w tych próbach typowo około 40%) tłoka ubijającego i na wewnętrznej ścianie tygla (około 60%) umożliwia znaczne zwiększenie wydajności wytwarzania kryształów z krystalizacji częściowej bez konieczności zwiększania zdolności chłodzenia, niekorzystnych w kategoriach kosztów produkcyjnych albo inwestycyjnych. Zjawisko można wyjaśnić szybkim gromadzeniem się kryształów na dnie tygla, związanym zprzestrzenią zawartą pomiędzy wieńcem i ścianą tygla, stosowaniem trzonu służącego również do krystalizacji, w taki sposób, aby ten etap nie stanowił już ograniczenia, oraz efektem przemywania kryształów w czasie ich zsuwania się w przeciwprądzie do wznoszącego się strumienia gorącego ciekłego aluminium.

Zbadano także przyczyny nieoczekiwanej poprawy średniej czystości wlewków, którą uzyskuje się, stosując bardzo wypukłe krzywe przyrostu wysokości wlewków (to jest przy szybkości przyrostu bardzo malejącej w miarę jak zwiększa się wysokość ubitego wlewka). W tym celu na wlewku otrzy14

PL 192 053 B1 manym według przykładu 3 z Tabeli I i na wlewku otrzymanym według przykładu 7 z Tabeli I pobrano warstwę średnicową (przekrój osiowy wlewków). Analizę drogą spektrometrii iskrowej na zawartość krzemu i żelaza przeprowadzono na serii próbek pobranych z całej powierzchni tych warstw. Analiza ta umożliwiła opracowanie kartografii zawartości żelaza i krzemu w metalu w zależności od położenia próbek w każdej osiowej warstwie wlewka. Na fig. 6 przedstawiono uzyskane wyniki, w przypadku zawartości krzemu - w postaci krzywych jednakowej zawartości krzemu. Te krzywe wskazują, że w przypadku wlewków wytworzonych według przykładu 3 (fig. 6a) zawartość krzemu silnie wzrasta wraz z wysokością ubitego wlewka począwszy od dna tygla oraz że ten wzrost zawartości krzemu wraz z wysokością jest o wiele mniejszy w przypadku wlewka wytworzonego według przykładu 7 (fig. 6b). Poza tym, w tym ostatnim przypadku, stwierdza się lepsze oczyszczenie zewnętrznej korony wlewka w porównaniu z pierwszym przypadkiem, zwłaszcza w górnej części wlewka.

Odnotowano również, że w przypadku wlewka wytworzonego według przykładu 7, wystarcza bardzo umiarkowane odcinanie głowicy w celu usunięcia największej części najmniej oczyszczonej strefy wlewka (w przypadku której zawartości krzemu są wyższe niż 25 do 30 ppm). Odcinanie głowicy wlewka rzędu 5 do 8% pozwala wtedy uzyskać bardzo wysokie średnie czystości metalu pozostałego po odcięciu.

I odwrotnie, w przypadku wlewka wytworzonego według przykładu 3 ustalono, że strefa o najgorszej czystości jest o wiele większa. A zatem, odcinanie nawet dużo większe, (które wówczas radykalnie obniża wydajność produkcyjną, to jest końcowy ciężar netto odciętego wlewka w ciągu identycznego czasu trwania operacji), prowadzi tylko w sposób marginalny do poprawy średniej czystości metalu pozostałego po cięciu.

Te wyniki wskazują, że jednorodność składu otrzymanych wlewków jest o wiele lepsza oraz że ten skład charakteryzuje się dużo wyższą średnią czystością w przypadku bardzo wypukłych krzywych przyrostu typu c).

Seria prób 2

Aby ocenić wpływ lepszej jednorodności wewnętrznego składu indywidualnych wlewków otrzymanych z przyjęciem wypukłych krzywych przyrostu typu c), zgłaszająca przeprowadziła w ramach kontroli produkcji analizy na 90 wlewkach otrzymanych wychodząc z metalu pierwotnego o prawie stałej zawartości zanieczyszczeń (a mianowicie zawartości żelaza od 280 do 320 ppm włącznie i zawartości krzemu od 180 do 220 ppm włącznie). 90 odpowiednich operacji segregacji przeprowadzono w wielkich tyglach o pojemności 2000 kg ciekłego aluminium, z czasem trwania przyrostu wlewków 18 godzin po sprzężeniu. Spośród tych 90 operacji 45 operacji przeprowadzono zgodnie z liniowymi krzywymi przyrostu typu a) i 45 operacji przeprowadzono zgodnie z wypukłymi krzywymi przyrostu typu c). Po zakończeniu ubijania zanieczyszczoną ciecz usunięto i wszystkie wlewki poddano obciekaniu w ciągu minimalnego okresu czasu 40 minut. Ich pastowata głowica, bogata w zanieczyszczoną pozostałą ciecz, została również zeskrobana, oprócz obciekania, za pomocą grafitowej śruby, w celu usunięcia tej bardziej zanieczyszczonej strefy, na głębokość około 8 cm (dokładniej od 5 do 10 cm w wartościach skrajnych). Po skrobaniu i obciekaniu oraz ochłodzeniu zimne wlewki wyciągnięto ze swojego tygla i zważono w tym surowym stanie. Ich ciężary wynosiły od 1370 do 1460 kg, ze średnim ciężarem 1405 kg (dwie serie wlewków, to jest wynikających z przyrostu typu a) i wynikających z przyrostu typu c) nie różniły się z tego punktu widzenia). Na koniec ze wszystkich wlewków odcinano głowicę w celu uzyskania stałej długości pozostałego uciętego wlewka, odpowiadającego ciężarowi netto 1300±10 kg wlewka pozostałego po cięciu. Następnie 45 wlewków typu a) i 45 wlewków typu c) topiono ponownie oddzielnie w grupach po 3 wlewki (a zatem 15 operacji ponownego topienia wlewków typu a) i 15 operacji ponownego topienia wlewków typu c)) w piecu o pojemności 4 tony, ogrzewanym rurami promiennikowymi, z wypełnieniem z bardzo czystego aluminium. Uprzednio sprawdzono, że ten piec zanieczyszczał tylko w niewielkim stopniu metal w czasie tego ponownego topienia (odzyskanie żelaza poniżej 0,3 ppm i odzyskanie krzemu poniżej 1,0 ppm). Po każdej operacji ponownego topienia pobierano próbki ponownie stopionego metalu i analizowano zawartość w nich żelaza i krzemu. Te wyniki pokazały, że:

-w przypadku 15 ponownych topień 3 wlewków typu

a) średnia zawartość żelaza w ponownie stopionym metalu wynosiła 8,3 ppm, z wartościami zmieniającymi się od 3,4 do 14,7 ppm (a zatem z różnicą pomiędzy skrajnymi wartościami 11,3 ppm), a zawartość krzemu w ponownie stopionym metalu wynosiła 28 ppm, z wartościami zmieniającymi się od 15 ppm do 51 ppm (a zatem z różnicą pomiędzy skrajnymi wartościami 36 ppm),

PL 192 053 B1

-w przypadku 15 ponownych topień 3 wlewków typu

c) średnia zawartość żelaza w ponownie stopionym metalu wynosiła 3,0 ppm, z wartościami zmieniającymi się od 1,4 ppm do 5,2 ppm (a zatem z różnicą pomiędzy wartościami skrajnymi 3,8 ppm), a średnia zawartość krzemu w ponownie stopionym metalu wynosiła 12 ppm, z wartościami zmieniającymi się od 6,4 ppm do 18 ppm (a zatem z różnicą pomiędzy wartościami skrajnymi 11,6 ppm).

Te kontrole wskazują zatem, że bardzo wypukłe krzywe przyrostu typu c) prowadziły nie tylko do większych średnich czystości metalu poddanego segregacji w porównaniu z liniowymi krzywymi przyrostu typu a), lecz prowadziły także do o wiele mniejszych rozrzutów czystości, to jest do mniejszej zmienności. Ta poprawa jest istotna, ponieważ przy produkcji przemysłowej wlewków poddanych segregacji nie można ich analizować przed ponownym topieniem. Ze względu na koszty topi się je ponownie w możliwie dużych partiach. Silny rozrzut czystości od wlewka do wlewka wywołuje wtedy zwiększone ryzyko, że mógłby być odrzucony cały odlew na skutek nieprzestrzegania wymaganej czystości, gdyby jeden albo kilka wlewków miało znacznie przekroczone przewidywane granice zawartości zanieczyszczeń. Na ogół w celu ograniczenia tego ryzyka przy produkcji przemysłowej przewiduje się średnią zawartość zanieczyszczeń wlewków, która jest rzędu maksymalnie dopuszczonej zawartości, to jest co najmniej dwukrotny rozrzut zawartości od wlewka do wlewka. W tych warunkach silny rozrzut prowadzi do zwiększenia kosztów oczyszczania, z koniecznością dążenia do o wiele większej średniej czystości.

Seria prób 3

Przeprowadzono także przemysłowe próby ultraoczyszczania aluminium o czystości 99,99% do aluminium o czystości minimalnej 99,9995%, korzystając z bardzo wypukłych krzywych przyrostu typu c) i stosując ultraczysty tygiel grafitowy w celu ograniczenia ryzyka zanieczyszczenia metalu zanieczyszczeniami składników ogniotrwałych tworzących zwykłe tygle. Ten tygiel grafitowy o średniej średnicy wewnętrznej 600 mm i wysokości 2000 mm, zabezpieczony wewnątrz przez osłonę na bazie bardzo czystego tlenku glinowego związanego za pomocą wstępnie prażonego w temperaturze 700°C żelu tlenku glinowego, załadowano za pomocą 1310 kg aluminium rafinowanego elektrolitycznie, którego skład wynosił: Fe=2 ppm, Si=3 ppm, Cu=2 ppm, Th=0,12 ppm, U=0,02 ppm,Ti+V+Zr=0,5 ppm. Po sprzężeniu wzrost kryształów prowadzono w ciągu 20 godzin, korzystając z krzywej typu c), stawiając sobie cel uzyskania końcowego ciężaru ubitego wlewka (przed skrobaniem i obciekaniem) 880 KG. Po zakończeniu operacji pozostałą zanieczyszczoną ciecz usunięto drogą przechylenia tygla, głowicę wlewka zeskrobano za pomocą śruby grafitowej na głębokość 100 mm i przedłużono obciekanie w ciągu jednej godziny w przechylonym położeniu tygla. Na koniec pozostawiono obcieknięty wlewek do ochłodzenia i wyjęto go z tygla (jego ciężar surowy wynosił wtedy 780 kg). Z surowego wlewka odcięto wtedy na raz podstawę (usunięcie 35 kg) i głowicę (usunięcie pierścienia o ciężarze 80 kg), a następnie usunięto drogą toczenia warstwę obwodową o grubości około 1cm w celu wyeliminowania wszelkich śladów osłony, która mogłaby zanieczyścić zestaloną masę. Po tych operacjach ciężar netto wlewka z odciętą głowicą i podstawą i poddanego toczeniu wynosił 630 kg. Na koniec wlewek ten topiono ponownie w piecu z ultraczystym tyglem grafitowym itak ponownie stopiony metal analizowano drogą spektrometrii masowej z wyładowaniem luminescencyjnym. Zawartości w ten sposób analizowanych zanieczyszczeń wynosiły: Fe<0,2 ppm, Si=0,25 ppm, Cu=0,3 ppm, Ti+V+Cr+Zr ogółem < 0,3 ppm, U < 0,05 ppb i Th < 005 ppb (granica analizy).

Ta próba wskazuje, że zawartość zanieczyszczeń perytektycznych w ponownie stopionym metalu okazała się mniejsza niż zawartość w wyjściowym metalu poddanym rafinacji elektrolitycznej, podczas gdy normalnie dopuszcza się, aby pierwiastki perytektyczne koncentrowały się korzystnie wzestalonej części metalu. Analiza bloku o ciężarze 35 kg, odciętego u podstawy wlewka, ujawniła wielką zawartość pierwiastków perytektycznych. Zatem zgłaszająca przypisuje zaobserwowany wynik mechanizmom oczyszczania, które w przeciwieństwie do przyjętych idei, sprzyjają koncentracji pierwiastków perytektycznych w podstawie wlewka, którą może usunąć umiarkowane cięcie. To zjawisko zaobserwowano także we wlewkach z metalu 4N, wytworzonych wychodząc z metalu pierwotnego o czystości od 99,6 do 99,93%.

Próba wykazała także, że współczynniki oczyszczenia od zaobserwowanych zanieczyszczeń promieniotwórczych U+Th są znacznie lepsze (stosunek zawartości początkowej rafinowanego metalu do zawartości końcowej ciętego i skórowanego wlewka wyższy niż 2400 w przypadku toru), to jest

PL 192 053 B1 daleko poza współczynnikami równowagowymi ciało stałe/ciecz (rzędu 100 do 200 w przypadku toru i uranu), i to zachowując bardzo dobrą wydajność końcowy oczyszczony metal/metal początkowy (630 kg/1310 kg=48%).

Zysk uzyskany dzięki wypukłym krzywym przyrostu typu c) dla zaobserwowanych współczynników oczyszczenia jest zatem potwierdzony w przypadku ultraoczyszczania metalu już rafinowanego i pozwala na bardzo znaczne zmniejszenie kosztów produkcji ultraczystego metalu do stosowania w elektronice. Próba wykazała również, że w przypadku, gdy próbuje się zmniejszyć zawartość niektórych pierwiastków perytektycznych, korzystne jest przewidywanie operacji odcinania podstawy wlewka wytworzonego według wynalazku.

T a be l a I

	Stopień oczyszczenia K = średnia zawartość pierwiastka w metalu wyjściowym ( w ciekłym metalu)/średnia zawartość pierwiastka w metalu oczyszczonym (we wlewku)
Wlewek surowy	Wlewek cięty
Przykład	Wyso- kość tygla (mm)	Średnica tygla (mm)	Ciężar wlewka surowego (kg)	Ciężar wlewka ciętego (kg)	Czas trwania wzrostu wlewka (h)	Wzrost według krzywej	KFe Stopień oczyszczenia z żelaza	Ksi Stopień oczyszczenia z krzemu	KFe Stopień oczyszczenia z żelaza	Ksi Stopień oczyszczenia z krzemu
1	1650	650	670	630	12	a)	30	7	35	8
2	2050	800	1400	1300	12	a)	20	5	25	6
3	2050	800	1400	1300	16	a)	25	6	30	7
4	1650	650	670	630	12	b)	40	9	50	11
5	2050	800	1400	1300	16	b)	30	7	40	9
6	2050	800	1450	1300	12	c)	45	9	60	12
7	2050	800	1400	1300	16	c)	60	11	90	16
8	2050	800	1450	1300	20	c)	100	15	180	22
9	2050	800	1400	1260	20	c)	100	16	200	25

Zastrzeżenia patentowe

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób oczyszczania aluminium drogą segregacji, w którym, w urządzeniu zawierającym ogniotrwały tygiel, ogrzewany za pomocą elementów grzejnych, co najmniej jeden tłok ubijający i mechanizm do pionowego przemieszczania tłoka ubijającego oraz elementy odrywające, z ciekłej masy aluminium, nazywanej cieczą macierzystą tworzy się, drogą wzrostu na dnie tygla, masę w stanie stałym o bardzo wysokiej czystości, zwaną wlewkiem, przy czym tworzy się kryształy aluminium drogą krystalizacji na co najmniej jednej specyficznej powierzchni urządzenia, nazywanej strefą krystalizacji, której temperatura jest niższa niż temperatura likwidusa cieczy macierzystej, odrywa się kryształy za pomocą elementów odrywających, wywołuje się migrację kryształów w kierunku dna tygla pod działaniem siły ciężkości, gromadzi się kryształy na górnej powierzchni masy w stanie stałym, ubija się nagromadzone kryształy i masę w stanie stałym za pomocą tłoka ubijającego, a następnie ponownie częściowo topi się tę masę w czasie wzrostu za pomocą elementów grzejnych, znamienny tym, że za pomocą zespołu pomiarowego (100) mierzy się wysokość (H) wlewka (22) w czasie jego wzrostu, i reguluje się moc grzania (P)w zależności od zmierzonej wysokości (H), przy czym wywołuje się malejącą w czasie szybkość przyrostu wlewka (22).

PL 192 053 B1
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że reguluje się moc grzania (P) jako funkcję różnicy pomiędzy zmierzoną wysokością (H) wlewka (22) i założoną wartością (Ho) tej wysokości, to jest funkcję (H-Ho), przy czym (Ho) jest wartością założoną, określoną i zmienną w czasie.
3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że wysokość (H) mierzy się za pomocą tłoka ubijającego (12).
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pod koniec operacji wzrostu rozdziela się pozostałą ciecz macierzystą (20) i końcowy wlewek (22).
5. Sposób oczyszczania według zastrz. 4, znamienny tym, że rozdziela się pozostałą ciecz macierzystą (20) i wlewek (22) po osiągnięciu przez wlewek (22) określonej wysokości (Hf).
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że tworzy się kryształy (25) na wewnętrznej ścianie (26) tygla (2) poprzez obniżenie temperatury wewnętrznej ściany (26) drogą odbierania ciepła.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że tworzy się kryształy (24) na trzonie (9) tłoka ubijającego (12), gdy jest on zanurzony, poprzez chłodzenie trzonu (9) drogą promieniowania i ewentualnie konwekcji, gdy jest on wynurzony.
8. Sposób według zastrz. 6 albo 7, znamienny tym, że kryształy (24, 25) tworzy się jednocześnie na wewnętrznej ścianie (26) tygla (2) i co najmniej na części (29a) tłoka ubijającego (12).
9. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że tworzy się kryształy na tłoku ubijającym (12), przy czym część tłoka ubijającego (12) zanurza się i wynurza naprzemiennie, i chłodzi się specyficzną część (29a) tłoka ubijającego (12) stanowiącego strefę krystalizacji, do temperatury niższej niż temperatura likwidusa cieczy macierzystej (20) w czasie wynurzenia, tworząc kryształy (24) w wymienionej strefie w czasie zanurzenia.
10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że wymienioną część (29a) tłoka ubijającego (12) wynurza sięna czas wynurzenia Te dłuższy niż czas zanurzenia Ti tej części.
11. Sposób według zastrz. 9 albo 10, znamienny tym, że podczas ubijania poddaje się naciskowi masę w stanie stałym, czyli wlewek (22) za pomocą tłoka ubijającego (12) i utrzymuje się nacisk w czasie prawie równym czasowi zanurzenia Ti.
12. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że odrywa się kryształy (24, 25) zgromadzone na tyglu (2) i tłoku ubijającym (12) w czasie wynurzenia tłoka ubijającego (12) .
13. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że odrywa się kryształy (24) zgromadzone na tłoku ubijającym (12) w czasie wynurzania tłoka ubijającego (12).
14. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że odrywa się kryształy zgromadzone na trzonie (9 ) podczas podnoszenia tłoka ubijającego (12), zaś kryształy zgromadzone na powierzchni tygla (2) odrywa się gdy tłok ubijający (12) znajduje się w położeniu górnym.
15. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że skrobie się całe obrzeże strefy krystalizacji (29) na tyglu (2) drogą połączonego działania pionowych ruchów „tam i z powrotem skrobaka (14) i obrotu tygla (2).
16. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że migrację kryształów (24, 25) w kierunku dna tygla (2) prowadzi się w okresie wynurzenia Te tłoka ubijającego (12).
17. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że za pomocą doboru wymiarów tłoka ubijającego (12) i tygla (2), w czasie zanurzenia tłoka ubijającego (12) podnosi się swobodną powierzchnię ciekłego aluminium (20), tak że pokrywa ona prawie całą powierzchnię strefy krystalizacji (29) na wewnętrznej ścianie (26) tygla (2), zaś w czasie wynurzenia tłoka ubijającego (12) obniża się swobodną powierzchnię aluminium (20), tak że górna część korony kryształów (25) utworzona w wymienionej strefie wynurza się przynajmniej częściowo z ciekłego metalu (20), przy czym kryształy (25) odrywa się bez konieczności wnikania środków odrywających (14) do ciekłego metalu (20).
18. Sposób według jednego z zastrz. 1, znamienny tym, że odcina się podstawę i ewentualnie głowicę wlewka (22).
19. Urządzenie do oczyszczania aluminium drogą segregacji, za pomocą tworzenia drogą wzrostu, masy aluminium w stanie stałym, czyli wlewka, o bardzo wysokiej czystości z ciekłej masy aluminium, nazywanej cieczą macierzystą, zawierające ogniotrwały tygiel, piec, wyposażony w elementy grzejne tygla, elementy do odrywania kryształów, co najmniej jeden tłok ubijający do ubijania kryształów i wlewka, elementy do pionowego przemieszczania tłoka ubijającego oraz elementy do ponownego topienia wlewka drogą ogrzewania w czasie wzrostu, znamienne tym, że zawiera zespół pomiarowy (100) do pomiaru wysokości (H) stałej masy, czyli wlewka (22), połączony z zespołem sterującym (103), zaś zespół sterujący (103) jest połączony z zespołem grzejnym (104), dla regulacji mocy grzania (P) w zależności od zmierzonej wysokości (H).

PL 192 053 B1
20. Urządzenie według zastrz. 19, znamienne tym, że zespół pomiarowy (100) do pomiaru wysokości (H) masy ubitej jest połączony z tłokiem ubijającym (12).
21. Urządzenie według zastrz. 20, znamienne tym, żetłok ubijający (12) składa się z trzonu (9) i wieńca (10)do ubijania, połączonego na sztywno z trzonem (9), aponadto urządzenie zawiera skrobaki (13, 14) do odrywania kryształów (24, 25) od trzonu (9) i wewnętrznej ściany(26) tygla (2), przy czym pomiędzy wieńcem (10) i wewnętrzną ścianą (26) tygla (2) istnieje wolna przestrzeń (28) dla przejścia opadających oderwanych kryształów (24, 25).
22. Urządzenie według zastrz. 19, znamienne tym, że zespół sterujący (103) jest połączony zjednostką wzorcową (102), z której na wejście zespołu sterującego (103) jest podana określona, zmienna w czasie wartość zadana (Ho) dlaregulacji mocy grzania (P)w zależności od różnicy pomiędzy (H) i (Ho).
23. Urządzenie według zastrz. 20, znamienne tym, żematylko jeden tłok ubijający (12).
24. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, że wolna przestrzeń (28) pomiędzy wieńcem (10) i wewnętrzną ścianą (26) tygla (2) jest ograniczona przez odległość pomiędzy obrzeżem wieńca (10) i ścianą, i ta odległość jest prawie jednolita i większa albo równa 30 mm, a zwłaszcza wynosi od 50 do 100 mm.
25. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, że trzon (9) i wieniec (10) są wykonane w całości albo częściowo z grafitu.
26. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, że trzon (9) jest zabezpieczony przed utlenianiem iewentualnie przed zużyciem ściernym.
27. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, żetrzon (9) jest utworzony, całkowicie albo częściowo, z grafitu poddanego obróbce zabezpieczającej przed utlenianiem powietrzem drogą nasycania związkiem, takim jak fosforan glinowy albo cynkowy, kwas fosforowy i ich mieszanina, albo kwas borowy.
28. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, że strefa powierzchniowa trzona (9) zawiera związekprzeciwścierny, taki jak SiC.
29. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, żetrzon (9) posiada pokrycie albo osłonę ceramiczną, przeciwko utlenianiu albo ścieraniu, taką jak osłona zwęglika krzemu albo z tlenoazotku krzemu i glinu.
30. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, żegórna część (27) wieńca (10) ma kształt stożka ściętego.
31. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, że wieniec (10) posiada kanał (11) pomiędzy powierzchniądolną (15), stanowiącą powierzchnię zagęszczania, i powierzchnią górną (27) wieńca (10).
32. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, żewieniec (10) i trzon (9) tworzą dwa różne, połączone zesobą na sztywno elementy, zaś przewodność cieplna złącza (50, 51) pomiędzy tymi dwoma elementami jest niska, tojest co najmniej 10 razy niższa niż przewodność trzonu(9), tak że istnieje przynajmniej częściowa przerwatermiczna pomiędzy trzonem (9) i wieńcem (10).
33. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, że tygiel (2) ma symetrię cylindryczną względem osi (C), stanowiącej oś obrotu, i jest zamocowany obrotowo dookołaosi obrotu (C) za pomocą elementów (17) do obracaniatygla (2).
34. Urządzenie według zastrz. 33, znamienne tym, żetygiel (2) jest umieszczony w stalowym dzwonie (3) wyposażonym w kołnierz (30), a dzwon (3) spoczywa na nachylonych wałkach (18) w postaci stożka ściętego za pośrednictwem płytki (16) podpierającej zespółtygiel/dzwono.
35. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, żepomiędzy tyglem (2) i elementami grzejnymi (5, 5a,6, 6a,7, 7a) górnej części pieca (4) umieszczony jest ekrantermiczny (34).
36. Zastosowanie sposobu oczyszczania aluminium drogąsegregacji do ultraoczyszczania aluminium o czystości, co najmniej równej 99,97% do aluminium o czystości minimalnej99,998%.
37. Zastosowanie urządzenia do oczyszczania aluminium drogą segregacji do ultraoczyszczania aluminiumoczystości,co najmniej równej 99,97% do aluminium o czystości minimalnej 99,998%.