PL193751B1 - Urządzenie do obróbki roztopionego metalu - Google Patents

Abstract

1. Urz adzenie do obróbki roztopionego me- talu, zawieraj ace co najmniej jeden wirnik do doprowadzania gazu i/lub materia lu w postaci cz astek sta lych do roztopionego metalu w ko- morze reakcyjnej, znamienne tym, ze komora reakcyjna (1) jest zamkni eta dla wytworzenia podci snienia i ma otwór wlotowy (3) i otwór wylotowy (13), przy czym otwór wylotowy (13) laczy si e z inn a komor a reakcyjn a (2) albo rur a wylotow a (2a). PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do obróbki roztopionego metalu, zawierające co najmniej jeden wirnik do doprowadzania gazu i/lub materiału w postaci cząstek stałych do roztopionego metalu w komorze reakcyjnej.

Znane są na rynku i z literatury liczne rozwiązania urządzeń do obróbki cieczy, wykorzystujące elementy obrotowe różnych konstrukcji i typów. Przykładowo, w europejskim opisie patentowym nr 0151434, należącym do firmy Norsk Hydro ASA, ujawniono sposób obróbki cieczy z użyciem wydrążonego wirnika walcowego, w którym to sposobie materiał i/lub gaz doprowadza się do wnęki w wirniku przez otwór wywiercony w wale wirnika, i w którym obroty wirnika powoduj ą wcią ganie roztopionego metalu przez otwór w podstawie wirnika i wyrzucanie go przez otwory w powierzchni bocznej wraz z doprowadzonym gazem i/lub materiałem. Rozwiązanie to powoduje niewielkie turbulencje i burzliwość w cieczy oraz jest bardzo efektywne i ma wysoką zdolność przerobową.

Celem wynalazku było opracowanie urządzenia do obróbki cieczy, zwłaszcza roztopionego aluminium, które to urządzenie ma jeszcze bardziej zwiększoną efektywność i zdolność przerobową. Równocześnie celem było uniknięcie styku cieczy poddawanej obróbce z otaczającym powietrzem, w szczególnoś ci z zawartym w nim tlenem, dla zapobież enia oddział ywaniu powietrza na ciecz.

Oprócz tego, z punktu widzenia obróbki roztopionego aluminium, celem było uzyskanie zwiększonego usuwania zarówno wodoru, jak i sodu. Innym celem było uzyskanie możliwości powrotu całej lub prawie całej pozostałości roztopionego metalu do pieca odlewniczego po zakończeniu odlewania, bądź też ewentualnie doprowadzenie całości roztopionego metalu do maszyny odlewniczej.

Istota wynalazku polega na tym, że komora reakcyjna urządzenia jest zamknięta dla wytworzenia podciśnienia i ma otwór wlotowy i otwór wylotowy, przy czym otwór wylotowy łączy się z inną komorą reakcyjną albo rurą wylotową.

Korzystnie komory reakcyjne lub ich większa liczba są rozmieszczone szeregowo, przy czym pierwsza komora reakcyjna łączy się z drugą komorą reakcyjną, druga komora reakcyjna z trzecią itp., poprzez otwór.

W korzystnym przykł adzie wykonania wynalazku komora reakcyjna jest wyposaż ona w dyszę doprowadzającą doń gaz i/lub materiał w postaci cząstek stałych, umieszczoną w podstawie odpowiedniej komory reakcyjnej.

Korzystnie podciśnienie w odpowiednich komorach reakcyjnych wynosi co najmniej 0,02 MPa.

Ponadto korzystnie wirnik w odpowiedniej komorze reakcyjnej jest połączony z napędowym wałem silnika umieszczonego na górze, pod spodem albo z boku komory reakcyjnej.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1a przedstawia schematycznie urządzenie według wynalazku w widoku z boku, fig. 1b przedstawia schematycznie urządzenie według wynalazku w widoku z góry, fig. 2a przedstawia schematycznie urządzenie według wynalazku w przykładzie wykonania z dwiema komorami, w widoku z boku, fig. 2b przedstawia schematycznie urządzenie według wynalazku w przykładzie wykonania z dwiema komorami, w widoku z góry, fig. 3a przedstawia schematycznie urządzenie według wynalazku w przykładzie wykonania z silnikiem napędowym umieszczonym pod spodem, w widoku z boku, fig. 3b przedstawia schematycznie urządzenie według wynalazku w przykładzie wykonania z silnikiem napędowym umieszczonym pod spodem, w widoku z góry, fig. 4a przedstawia schematycznie urządzenie według wynalazku w przykładzie wykonania z silnikiem napędowym umieszczonym z boku, w widoku z boku, zaś fig. 4b przedstawia schematycznie urządzenie według wynalazku w przykładzie wykonania z silnikiem napędowym umieszczonym z boku, w widoku z góry.

Figura 1 przedstawia, jak już zaznaczono, urządzenie według wynalazku w postaci schematycznej. Przykładowe urządzenie opracowano pierwotnie do obróbki roztopionego aluminium. W rzeczywistości jednak to urządzenie może być z powodzeniem stosowane do obróbki cieczy innego rodzaju, przykładowo można je stosować do usuwania tlenu z wody, a więc w tym przypadku woda będzie cieczą obrabianą.

Urządzenie zawiera korzystnie walcową, pionową komorę reakcyjną 1 i kanał wylotowy w postaci rury wylotowej 2a. Ciecz przeznaczona do obróbki wpływa przez otwór wlotowy 3 w dolnym końcu komory reakcyjnej 1 i wznosi się ku górze pod działaniem podciśnienia w komorze, wytworzonego za pomocą pompy próżniowej (nie pokazanej), podłączonej do przyłącza 4. Wirnik 5 jest usytuowany w komorze reakcyjnej 1. Wirnik 5 jest napę dzany silnikiem 6 znajdują cym się na pokrywie 11. Wirnik 5 może być taki, jak podano w opisie europejskim patentowym nr 0151434. Wirnik ten jest przeznaczoPL 193 751 B1 ny do dostarczania gazu przez wał 12 wirnika, poprzez połączenie obrotowe 7. Zamiast doprowadzania przez wirnik 5, gaz może być doprowadzany dyszą 8 z porowatego kamienia albo za pomocą innego urządzenia doprowadzającego, usytuowanego w podstawie pojemnika.

Ze względu na zmianę swojego ciężaru, wznoszące się pęcherzyki gazu powodują przepływ cieczy z otworu wlotowego 3 do komory reakcyjnej 1 i stamtąd na zewnątrz rurą wylotową 2a, która jest połączona z komorą reakcyjną za pomocą połączenia kołnierzowego 15. Urządzenie może być celowo umieszczone w kanale 9, korzystnie zamkniętym, albo w długim pojemniku, dla umożliwienia ciągłej obróbki cieczy, zwłaszcza roztopionego aluminium. W takim przypadku otwór wlotowy 3 może być umieszczony na jednym końcu, rura wylotowa 2a zaś na drugim końcu kanału 9.

W połączeniu z urządzeniem, w kanale jest usytuowany także zawór zasuwowy 10 (jego działania nie pokazano).

Gdy rozpoczyna się proces obróbki cieczy, zawór zasuwowy 10 otwiera się, dzięki czemu ciecz przepływa przez komorę reakcyjną 1 i napełnia kanał do pewnego poziomu. Można wówczas zamknąć zawór zasuwowy. Gdy wytworzy się podciśnienie za pomocą pompy próżniowej (nie pokazanej) poprzez przyłącze 4 i równocześnie doprowadzi się gaz do wirnika 5 albo przez dyszę 8, rozpoczyna się obieg cieczy w urządzeniu, tak jak to opisano powyżej. Ponadto zawór zasuwowy 10 jest skonstruowany tak, że w wyniku doprowadzenia gazu albo braku podciśnienia, bądź też gdy proces obróbki skończy się, otwiera się, umożliwiając cieczy, np. roztopionemu metalowi, spływanie z powrotem do zbiornika cieczy, a w przypadku gdy obróbce podaje się ciecz, którą stanowi roztopiony metal, do podgrzewacza metalu, pieca odlewniczego albo pieca innego typu.

Jako rozwiązanie alternatywne można także doprowadzać gaz w przeciwprądzie rurą wylotową 2a (nie pokazano), przez dyszę gazową. Pozwala to na dalsze zwiększenie efektywności obróbki, np. w związku z usuwaniem wodoru z roztopionego aluminium, z uwagi na zwiększony czas reakcji. Oznacza to, że doprowadzany gaz procesowy „spotka ciecz (roztopiony metal), która ma najniższe stężenie wodoru na wylocie rury wylotowej 2a, i gaz zetknie się z cieczą (roztopionym metalem), która ma wyższe stężenie wodoru w górze rury. Połączenie wirnika w komorze reakcyjnej 1 i doprowadzenia gazu w przeciwprądzie w rurze wylotowej 2a zwiększy efektywność. Zmniejszy się jednak różnica poziomów pomiędzy cieczą w komorze reakcyjnej 1 i cieczą w rurze wylotowej.

Figura 2 przedstawia urządzenie według wynalazku w innym przykładzie wykonania, w którym zastosowano dwa wirniki 5 i w konsekwencji dwie komory reakcyjne. Obydwie komory reakcyjne 1 i 2 są połączone szeregowo. Komora reakcyjna 2 odpowiada rurze wylotowej 2a z poprzedniego przykładu przedstawionego na fig. 1.

Tak jak w poprzednim przykładzie, obydwie komory mają połączenie z kanałem 9 i są skonstruowane w taki sposób, że ciecz przeznaczona do obróbki dopływa bocznym otworem wlotowym 3, płynie do góry przez komorę reakcyjną 1, przez otwór 16 do komory reakcyjnej 2 i stamtąd z powrotem przez otwór wylotowy 13 do kanału 9. W komorze reakcyjnej 1 ciecz płynie w tym samym kierunku co gaz doprowadzany przez wirnik 5, podczas gdy w komorze reakcyjnej 2, ciecz będzie płynąć w kierunku przeciwnym niż strumień gazu doprowadzanego przez odpowiadający mu wirnik 5.

W kanale 9 jest umieszczony kolejny zawór zasuwowy 14.

Gdy proces rozpoczyna się, zawór zasuwowy 14 pozostaje otwarty, toteż ciecz przeznaczona do obróbki może dopływać do komór reakcyjnych 1 i 2. Gdy poziom cieczy w komorach osiągnie poziom cieczy w kanale, poprzez przyłącze 4 wytwarza się podciśnienie tak, że poziom metalu w komorach wzrasta (do osiągnięcia poziomu oznaczonego linią 17). Może się wówczas rozpocząć krążenie przez komory w wyniku zamknięcia zaworu zasuwowego 14, otwarcia zaworu zasuwowego 10 i równocześnie doprowadzania gazu procesowego do obydwu odpowiednich wirników 5. W tym rozwiązaniu uzyskuje się dalszą poprawę efektywności, ponieważ czas reakcji zwiększa się i ciecz płynie w przeciwprądzie względem strumienia gazu w komorze reakcyjnej 2, jak omówiono w związku z poprzednim przykł adem wykonania wynalazku.

W zwią zku z tym należ y dodatkowo zauważ y ć , ż e na rysunku przedstawiono i opisano jedynie rozwiązania przykładowe, których nie należy traktować za ograniczające istotę wynalazku. Urządzenie do obróbki cieczy może składać się z trzech, czterech lub większej liczby komór reakcyjnych połączonych szeregowo. Oprócz tego, w miejsce wirników napędzanych od góry, można zastosować wirniki napędzane silnikami umieszczonymi pod spodem, jak przedstawiono na fig. 3, bądź też z boku komory reakcyjnej (komór), jak przedstawiono na fig. 4. W tych przypadkach wały (wał) wirników (wirnika) przechodzą (przechodzi) odpowiednio przez podstawę albo ścianę boczną komór (komory).

PL 193 751 B1

P r z y k ł a d

Przeprowadzono badania porównawcze usuwania tlenu z wody przy zastosowaniu wirnika umieszczonego w otwartym zbiorniku (rozwiązanie typowe) i wirnika umieszczonego w urządzeniu o konstrukcji przedstawionej na fig. 1 (według wynalazku).

Średnica zbiornika w typowym rozwiązaniu była taka sama jak komory reakcyjnej (odpowiadającej komorze reakcyjnej 1 na fig. 1) według wynalazku. Średnica wirnika była również taka sama. W obu przypadkach przez wirnik doprowadzano azot.

Oprócz tego zastosowano następujące urządzenia i elementy badawcze.

Jednostka napędowa:

Silnik 1,5 kW przy 1400 obr/min przy 50 Hz.

Przetwornica częstotliwości:

Siemens Micro Master, 3 kW

Zakres częstotliwości: 0-650 Hz

Azot:

Gaz jest dostarczany z butli o pojemności 50 litrów i ciśnieniu 20 MPa przez zawory redukcyjne.

Czystość 99,7%.

Rotametr:

Prędkość gazu mierzono rotametrem typu Fischer & Porter-rura FP-1/2-27-G-10/80.

Pływak: 1/2 GNSVT - 48

Przepływomierz wody:

SPX (Spanner- Pollux GMBH); Q = 2,5 m³/h.

Otwór poprzeczny w przybliżeniu 25 mm.

Podciśnienie:

W celu wytworzenia podciśnienia w komorze reakcyjnej zastosowano przemysłowy odkurzacz typu KEW WD 40-11. Moc 1400 W.

Natężenie przepływu powietrza: maksymalnie 60 l/s.

Miernik tlenu:

Ilość tlenu w wodzie mierzono za pomocą dwóch mierników tlenu typu Oxi 340.

Tachometr:

Prędkość obrotową mierzono tachometrem typu SHIMPO DT-205.

Wirnik:

Typowy wirnik Hycast TM. Z otworami z boku i w podstawie jak przedstawiono w europejskim opisie patentowym EP 0151434.

Wyniki prób przedstawiono w poniższej tabeli.

Typ reaktora	Typ wirnika	Natężenie przepływu gazu Nl/min	Obr/min	Cwej ppm	Cwyj ppm	Cwej-Cwyj ppm	% usuniętego O2
Wynalazek	Hycast	30	750	11,9	4,54	7,36	61,8
Wynalazek	Hycast	60	750	11,9	3,18	8,72	73,3
Wynalazek	Hycast	90	750	11,9	2,6	9,3	78,2
Typowy	Hycast	30	750	11,83	5,9	5,93	50,1
Typowy	Hycast	60	750	11,78	4,57	7,21	61,2
Typowy	Hycast	90	750	11,76	3,84	7,92	67,3

Jak uwidoczniono w powyższej tabeli, przy użyciu wynalazku uzyskano w porównaniu z typowym reaktorem poprawę efektywności procesu usuwania tlenu rzędu 11-15% w zależności od natężenia przepływu. Przedstawia to znaczną poprawę z punktu widzenia efektywności obróbki cieczy.

W porównaniu ze znanymi rozwiązaniami, urządzenie według wynalazku w przypadku obróbki roztopionego metalu przynosi szereg korzyści:

Podciśnienie w komorze reakcyjnej (komorach) daje w efekcie niższe ciśnienie cząstkowe zanieczyszczeń rozpuszczonych w cieczy. W roztopionym aluminium będzie to w szczególności dotyczyć sodu i wodoru. Niskie ciśnienie pary nad roztopionym metalem będzie wpływać na równowagę

PL 193 751 B1 pomiędzy atmosferą oraz cieczą i tym samym wywoływać zwiększone usuwanie rozpuszczonych składników, w reaktorze/urządzeniu do obróbki.

Poprzez podniesienie poziomu cieczy w komorze reakcyjnej (komorach) do poziomu, który jest wyższy niż poziom w systemie kanałów, czas styku gazu procesowego i cieczy znacznie się wydłuży. Wynikiem tego jest optymalne wykorzystanie gazu procesowego i uzyskanie lepszego oddziaływania danej ilości gazu.

Na atmosferę w komorze reakcyjnej (komorach) nie będzie rzeczywiście mieć wpływu atmosfera w pomieszczeniu, w którym umieszczony jest reaktor. Niska zawartość wodoru i pary wodnej w komorze reakcyjnej (komorach) zmniejsza potencjalną moż liwość pochł aniania wodoru w reaktorze. Niska zawartość tlenu i pary wodnej ograniczy tworzenie się żużla w reaktorze do obróbki aluminium.

Pył i gazy, które podczas pracy powstają w komorze reakcyjnej (komorach), są skutecznie usuwane przez system wyciągowy, unikając tym samym emisji tych gazów do pomieszczenia, w którym jest umieszczony reaktor.

Po zakończeniu obróbki (np. po zakończeniu odlewania aluminium), ciecz jest automatycznie odprowadzana z reaktora i np. do maszyny odlewniczej i/lub pieca. W konsekwencji unika się niepożądanego spustu cieczy/metalu w związku ze zmianą składu cieczy (np. nowego stopu), a pojemność pieca w linii produkcyjnej może być wykorzystana optymalnie do wytwarzania wyrobów na rynek.

Claims (5)

1. Urządzenie do obróbki roztopionego metalu, zawierające co najmniej jeden wirnik do doprowadzania gazu i/lub materiału w postaci cząstek stałych do roztopionego metalu w komorze reakcyjnej, znamienne tym, że komora reakcyjna (1) jest zamknięta dla wytworzenia podciśnienia i ma otwór wlotowy (3) i otwór wylotowy (13), przy czym otwór wylotowy (13) łączy się z inną komorą reakcyjną (2) albo rurą wylotową (2a).

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że komory reakcyjne (1, 2) lub ich większa liczba są rozmieszczone szeregowo, przy czym pierwsza komora reakcyjna (1) łączy się z drugą komorą reakcyjną (2), druga komora reakcyjna z trzecią itp., poprzez otwór (16).

3. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że komora reakcyjna (1, 2) jest wyposażona w dyszę (8) doprowadzającą doń gaz i/lub materiał w postaci cząstek stałych, umieszczoną w podstawie odpowiedniej komory reakcyjnej (1, 2).

4. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że podciśnienie w odpowiednich komorach reakcyjnych (1, 2) wynosi co najmniej 0,02 MPa.

5. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że wirnik (5) w odpowiedniej komorze reakcyjnej (1) jest połączony z napędowym wałem (12) silnika (6) umieszczonego na górze, pod spodem albo z boku komory reakcyjnej (1).