表2—2—9是这些炉外复合精炼工艺的除气效果比较。
表2-2-9几种炉外复合精炼工艺的除气效果
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方法 |
使用气体 |
吹入气体量 /L·h-1 |
熔体流量 /kg·h一1 |
单位熔体用 气量/L·kg-1 |
含氢量/mL·(100GA1)-1 |
除氢率 /% |
|
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处理前 |
处理后 |
||||||
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FILD |
N2 |
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15600～ 36000 |
0.7～1.1 |
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0.05～0.16 |
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469 |
Ar+(2～5%)C12
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3115 5664 |
7938 8165 |
0.39 0.69 |
0.24 0.45 |
0.O8 0.15 |
66.7 66.7 |
|
SNIF |
Ar N2 |
8000 |
12000 |
0.67 |
0.28 0.23 0.22 |
0.09 0.08 0.1l |
68 65 50 |
|
MINT |
Ar Ar+2%Cl2 |
15000 12000 |
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0.7～0.9 0.7～0.9 |
0.3～0.40 0.30～O．35 |
0.14～0.16 0.15～0.16 |
60 60 |
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ALPUR |
Ar十(2～3)%Cl2
|
3000 l0000 |
5000 12000 |
0.60 0.83 |
|
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60～65 60～65 |
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RDU |
Ar Ar+5%Cl2 |
2584 3600 |
15000 15000 |
0.17 0.24 |
0.29 0.26 |
0.O9 0.O6 |
69 80 |
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GBF |
Ar
|
2400 2640 |
12000 14000 |
0.2 0.18 |
0.30～O.35 0.35～0.40 |
0.08～0.11 0.10～0.1l |
69 73 |
一、FILD法
FILD是无烟连续除气法(Fumeless In-Line Degassing)的英文缩写，它是1968年由英国铝公司研制并投入使用的一种除气、过滤铝熔体的连续精炼方法。该法的装置示于图2—2—13。耐火坩埚用隔板分成两室，进液侧的铝液表面覆盖有液体熔剂层，并设置有通人氮气的石墨管，氧化铝球直径为20mm，进液侧的氧化铝球用熔剂包覆。熔剂的成分为52%KCl+43%NaCl+5%CaF2。该装置的净化能力与吹入的氮气量有关，为14～36 t/h。由上可以看出，费尔德法把活性氧化铝球床式过滤、惰性气体精炼和液体熔剂过滤等多种净化方法溶为一体，因此，提高了装置除去固态非金属夹杂物的能力，并在不发生有害气体的条件下脱气。据资料介绍，费尔德装置有260、340和600 kg/min三种标准型号。其中为340 kg/min型号的典型技术性能是：最大处理能力为340 kg/min；保温用加热器最大功率为45 kW；氮气用量为0.7～1.1 m3/t；熔剂用量为1 kg/t；坩埚寿命，约6个月；氮气扩散器使用寿命，约2个月；氧化铝球使用寿命，不小于6个星期；设备尺寸，直径2000 mm、高l400 mm；处理后最终气体含量为0.05～0.16 mL/100gA1；处理后最终钠含量为5×10-6；金属损失为0.2%～0.4%。
二、469法
469法是美国铝业公司研制并于1974年公布的铝液连续精炼法。该法的装置示意于图2—2—14。它由两个箱式过滤装置组成，在每一个装置中同时与金属流向相反地通人氯和氮气的混合气。气体扩散器采用多孔氧化铝、多孔石墨或多孔碳制成。二次过滤床由层厚50～255 mm、直径为l0—20mm的氧化铝球组成，其上覆盖一层厚l50～255 mm的块度为3.5～6.5 mm的片状氧化铝。一次过滤床全部由直径l0～20 mm的氧化铝球组成，总厚为150～380mm。采用两个过滤床的目的在于分别除去大的和小的夹杂物，从而延长过滤器底层氧化铝球的使用期。据资料介绍，469连续精炼装置的大小可根据处理的金属量确定，其典型技术性能是：处理能力为每平方厘米有效过滤面积0.71～4.24 kg铝液/h；氩气用量为0.26～2.6标m3/t；氯气用量为0．022～0．26标m3/t；气体流量为l cm2过滤床2.3～9.2 ×10-4标m3/h；处理后氢含量为0.08～0.15 mL/100gAl；处理后钠含量为l×l0-6；处理后氧含量为4×10-6；使用寿命，对于处理速度为22.7 t/h的装置，可处理的铝液总量约4550 t。
上世纪70年代末期，美国铝业公司对469法进行了改进，称为469第Ⅱ号连续精炼法。该法的装置示意于图2—2—15。该装置由相连的两个箱式装置组成，每一个箱式装置都用浸入式煤气烧嘴加热。上流箱式装置本身称为622法，它有一个或多个旋转叶片的气体分散器，气体分散器带有空心杆，氩-氯混合气即由此杆通入，通进的气体被转动叶片打碎成小气泡。对正常的除气和除渣，混合气体内的氯含量为2.5%。如果要除钠和钙，则氯含量可达30%。下流箱式装置本身称为528法，它具有和469法一样的氧化铝薄片过滤层，使用和上流法一样的氩-氯混合气。与469法相比较，469法第II号的操作费用要低些，而使用寿命要长些。对于很多产品，通常只要使用622装置就可以了。
三、SNIF法
斯奈福(SNIF)法即旋转喷嘴惰性气体浮选法(Spinning Nozzle Inert gas Floata．tion)。它是美国联合碳化物公司研究并于1974年正式投入使用的铝熔体连续精炼法。现在获得实际应用的斯奈福装置有双喷嘴(T型)、和单喷嘴(S型)两种。图2—2—16是T型装置示意图。装置的核心是旋转喷嘴，每一个旋转喷嘴都由一个叶片式石墨转子、一根外面套有固定套筒的轴和一个固定在套筒上的叶片式石墨定子组成。精炼气体由轴和套简间的环形缝中通入，由于叶片的剪切作用，使从定子和转子之间的缝隙出来的气体被破碎成极细的气泡散进金属内；旋转喷嘴的搅拌作用，在熔体内形成垂直向下的金属流并使气泡均匀分散，搅拌时的涡流使气泡和金属之间产生极大的接触面积从而为有效地除氢和使杂质颗粒漂浮到熔体表面创造了最有利的条件。在T型装置中，熔体的净化流程如下：熔体通过输送流槽进入装置的第一室，在这里，由于旋转喷嘴的搅拌作用和放出的气泡进行去气及去除夹杂物。接着越过处理室中央的隔板进人第二室，进行同样的熔体处理。处理完的熔体通过一根安装在炉底的石墨管，流人炉子前部的出料池。多余的惰性气体与脱溶的氢气，汇集于炉子上部，通过其熔体人口上部与熔体进入流向相反的方向流出。渣子浮在熔体表面，被旋转喷嘴在液面所产生的循环液流推向熔体入口处而排出。据资料介绍，斯奈福装置的主要技术性能如表2—2—10所示。
表2—2—10 SNIF装置的主要技术性能
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型 号 |
T 型 |
S 型 |
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炉床尺寸/mm 旋转喷嘴数/个 金属容量/kg 金属流量/t·h-1 加热电功率/kW 喷嘴转速/r·min-1 惰性气体最大供给量/m3·h-1 惰性气体正常供给量/m3·h-1 冷却喷嘴用空气量/m3·h-1 惰性气体中的氯含量/% 精炼熔剂消耗量/g·t-1 处理后熔体最终含氢量/mL·100gA1 |
1270×2540 2 1453 ≤36.3 100 400～600 17 3.1 34 ≤5 ≤12.5 0.04～0.07 |
2222×2500 1 772 ≤11.4 30 400～600 8.5 2 17 ≤5 ≤12.5 0.04～0.07 |
我国东北轻合金加工厂和上海铝材厂在上世纪80年代末期分别从国外引进了T一4型和 S型SNIF装置。东北轻合金加工厂的资料表明，SNIF的最好除氢率为59.41%，最小除氢率为21．11%。净化后氢含量可以达到小于0.10 mL/1009Al的国际水平指标，高镁铝合金中的钠含量降至5×10-6以下，比工厂现有氮一氯混合气体处理工艺处理后的含氢量降低22.2～36.1%。详见表2—2—11。上海铝材厂在处理前氢含量为0.3～0.4 mL/100gAl，经过SNIF处理后，氢含量降至0.10～0.12 mL/100gAl。
四、ALPUR法
ALPUR是铝净化器(Aluminium Purifier)的缩写，该法是法国普基工业公司发明并于1981年开始在彼西涅公司应用。该法也是一种借助旋转喷嘴产生微小气泡的炉外连续精炼装置，其旋转喷嘴结构和装置结构示于图2—2—17。旋转喷嘴由高纯石墨制成，喷嘴结构除考虑打散气泡外，还利用搅动熔体而产生的离心力，使熔体进入喷嘴内与水平喷出的气体均匀混合，形成气-液流喷出，从而增加了气泡与熔体的接触面积和接触时间，以此提高精炼效果。ALPUR有四种型号，其主要技术性能见表2—2—12。
表2—2—12 ALPUR主要技术性能
我国铝板带材生产企业如华北铝加工厂、太原铝加工厂、云南铝加工厂、抚顺铝厂、南平铝厂等工厂引进了多台ALPUR装置。据资料介绍，在使用Ar+(2～3)%Cl3时，耗气量为0.6～0.84 L/kgAl，除气效率为60%～65%。
五、MINT法
MINT是金属在线处理(Melt In-Line Treatment)的英文缩写，它是l979年由美国联合铝公司开发的。该法对铝液中的氢、碱金属、非金属夹杂物都有很高的净化效率。MINT法工艺流程如图2—2—18所示。MINT系统共分两个部分：一部分是反应器；另一部分是泡沫陶瓷过滤器。铝液沿反应器切线方向流入其顶部，在反应器内做旋转运动，而精炼用氩气从反应器底部通人铝液中。铝液向下运动的方向与氩气向上运动的方向相反，因而液-气能得到均匀而充分的混合与接触，产生良好的除氢效果。向氩中混入少量氯或氟里昂(CCl2F2)，能有效地清除碱金属钠、锂等。泡沫陶瓷过滤器用来滤除非金属夹杂物。MINT装置的技术性能和除氢效果分别示于表2—2—13和表2—2—14。
图2—2—l8 MINT法工艺流程图
表2—2—13 MINT装置技术性能
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型 号 |
MINT I |
MINTⅡ |
MINTⅢ |
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处理能力/kg·min-1 喷嘴数/个 入口高度/mm 存留金属/kg 除气室/mm 过滤室/mm 惰性气体流量/L·min-1 氯气含量/% |
10～90 2～4 714 80 12～50 6～50 25～160 0～5 |
90～320 6 1092 277 25～50 6～50 79～240 0～5 |
320～640 12 t092 397 25～50 6～50 280～480 0—5 |
表2—2—14 MINT法除气效果
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合金 |
气体 |
熔体流量 |
气体流量 |
含氢量/ml．(100gA1)-1① |
除氢率 |
|
|
/kg·min-1 |
/L·min-1 |
处理前 |
处理后 |
/% |
||
|
1050 2024 3003 5052 6063、6061 7075 |
Ar+0.5%Cl2 Ar Ar+1%Cl2 Ar+2～3%Cl2 Ar Ar |
136 180～210 190 190 110 95～167 |
120～180 140～160 240 240 120～150 70～260 |
0.31 0.20 0.32 0.25 0.30 0.26 |
0.12 0.13 0.1l 0.07 0.16 0.14 |
61 35 58 72 47 46 |
注：①含氢量分析方法：3003——Vacuum Subfusion；6063——RMA Initial Bubble Tester；其他——Tel89as Meter
西南铝加工厂引进的MINT装置，其实际使用效果为：最大除气率70%，最小除气率37.5%，净化后氢含量能达到0.12 mL/100gAl，效果比较显著。平均除钠率71%，除锂率79%，除钙率34%。
六、RDU法
RDU是快速除气装置(Rapid Degassing Unit)的英文缩写，它是英国福塞科公司于l987年开发并投入使用的一种旋转喷嘴形式的精炼装置。其装置结构和喷嘴结构示于图2—2—19。
2—2—19 RDU净化装置和喷嘴结构示意图
(a)装置结构图；(b)喷嘴结构示意图
1——净化气体；2——升降装置；3——旋转喷嘴；4——加热器；5——熔体出口
RDU的喷嘴也由高纯石墨制成，喷嘴根据泵的工作原理设计，喷嘴在通气和旋转时，除喷出气泡和搅动熔体外，还会产生泵唧作用，使熔体由上而下的进入喷嘴的拨轮内与气体混合后喷出，产生含有气泡的强制流动，增强气-液混合的均匀性，并使气泡变得非常细小，从而提高净化效果。RDU除气装置的技术性能见表2—2—15，除气效果见表2—2—16。渤海铝加工厂引进的RDU装置已投入生产使用多年，取得了较好效果。
表2-2—15 RDU净化除气装置技术性能
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容量 /kg |
处理量 /t·h-1 |
喷嘴直径 /mm |
喷嘴转速 /r．min-1 |
加热方式
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加热功率 /kW |
保温功率 /kW |
升温速度 /℃．h一1 |
Ar消耗 /L·min一1 |
|
750 |
30 |
250 |
500 |
浸入式 |
27 |
15 |
40 |
60 |
表2—2—16 RDU除气效果
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合金 |
净化气体 |
金属流量 /kg·min-1 |
气体流量 /L·min-1 |
含氢量/mL·(100gAl)-1 |
除气率 /% |
|
|
进 口 |
出 口 |
|||||
|
1100 2014 3003 5083 6063 7010 |
Ar Ar+5%Cl2 Ar Ar+5%Cl2 Ar Ar+5%Cl2 |
250 250 250 150 465 250 |
43 60 45 55 60 60 |
0.29 0.26 0.31 0.56 0.27 0.27 |
0.09 0.05 0.13 0.18 0.13 0.08 |
69 81 58 68 52 70 |
七、GBF法
GBF是气泡过滤(Gas Bubbling Fil—tration)的英文缩写，它是l981年由 FOSEC0日本公司开发并投人使用的一种旋转喷嘴形式的净化装置。其特点是：旋转喷嘴(见图2—2—20)转速高(700 r/min)、产生气泡细小均匀(直径1～4 mm)、用气量少(0.2 m3/tAl)，精炼效果好；净化气体只用Ar，不用Cl2，对环境无污染；净化室内衬采用SiC— Si3N4，不粘铝、耐腐蚀、耐磨损、易清理、寿命长(2—3年)；处理室上部有阻尼装置，处理时液面平稳，金属氧化损失少，渣量少。GBF设备主要性能见表2—2—17，其除气效果见表2—2—18。
图2—2—20 GBF喷嘴示意图
表2—2—17 GBF主要技术性能
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型号 |
金属流速 /t．h一1 |
喷嘴数 |
容量 /kg |
熔池内衬 |
箱盖 |
加热方式 |
加热能力 /kJ/h |
备注 |
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1WS-KR
1WS
S-1WS 2WS |
≤4.5
4一l0
8～24 12。 |
1
1
1 2 |
300.450
500-650
1300-2000 1300.2300 |
石墨坩埚
SiC—Si3N4砖
SiC—Si3N4砖 SiC—Si3N4砖 |
隔热保温盖
有提升机构
有提升机构 有提升机构 |
气体燃料 或电 液化石油气 或天然气 同上 同上 |
200000 (30 kW) 410000
410000 410000 |
倾转系统
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表2-2—18 GBF除气效果实例
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型号 |
合金 |
铸造方式 |
金属流速 |
Ar流量 |
含氢量/mL·(100gA1)-1 |
除气率 /% |
|
|
/kg·min-1 |
/L·min-1 |
处理前 |
处理后 |
||||
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1WS-KR 1WS 2WS 2WS |
6063 纯铝 6063 6063 |
水平连铸 普罗佩兹铸轧 立式半连续铸锭 热顶铸造 |
40 140 200 240 |
12 22 40 44 |
0.54 0.20～0．22 0.30～0.35 0.34～0.40 |
0.08～0.12 0.11～0.13 0.08～0.09 0.10~0.11 |
78～85 35~50 70～77 68.75 |
