Разработка отъёмной индукционной единицы для установки вакуумной дегазации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Технологии и устройства для рафинирования электропроводных расплавов

1.1 Причина необходимости осуществления рафинирования алюминиевых расплавов

1.2 Технологии рафинирования алюминиевых сплавов методического действия

1.3 Технологии флотационной обработки

1.4 Вакуумные технологии

1.5 МГД-устройств для рафинирования алюминиевых сплавов в потоке

1.6 Перспективные технологии вакуумного рафинирования в непрерывном потоке

1.7 Основные выводы по главе

2. Физика процесса вакуумного рафинирования в непрерывном потоке

2.1 Термодинамика процесса рафинирования

2.2 Кинематика процесса рафинирования

2.3 Массоперенос при конвективной диффузии в процессе вакуумирования непрерывного потока металла

2.4 Особенности процесса вакуумирования непрерывного потока металла в промышленных установках

2.5 Основные выводы по главе

3. Проектирование установки рафинирования

3.1 Расчет геометрических размеров вакуумной камеры

3.2 Расчет геометрических размеров каналов и требуемого компенсационного напора МГД - насосов

3.3 Тепловой расчет

3.4 Расчет вакуумного оборудования

3.5 Основные выводы по главе

4. Математическое моделирование МГД-устройств

4.1 Математическое моделирование МГД-насосов

4.2 Математическое моделирование МГД-перемешивателя алюминия в вакуумной камере

4.3 Основные выводы по главе

5. Технико-экономическое обоснование

5.1 Расчет себестоимости установки дегазации расплава алюминия

5.2 Технико-экономическое обоснование установки дегазации расплава алюминия

5.3 Основные выводы по разделу

6. Безопасность и экологичность проекта

6.1 Безопасность отъёмной индукционной единицы, установки вакуумной дегазации расплава алюминия

6.1.1 Безопасность производственного оборудования

6.1.2 Безопасность элементов конструкции оборудования

6.1.3 Безопасность исходных материалов

6.1.4 Механизация и автоматизация технологических операций

6.1.5 Безопасность органов управления

6.1.6 Безопасность средств защиты, входящих в конструкцию оборудования

6.1.7 Безопасность при монтажных и ремонтных работах

6.1.8 Безопасность при транспортировке и хранении оборудования

6.1.9 Безопасность при размещении оборудования

6.1.10 Требования безопасности к профессиональному отбору

6.1.11 Пожарная безопасность

6.1.12 Контроль выполнения требований безопасности

6.1.13 Безопасность при чрезвычайных ситуациях

6.2 Экологическая безопасность отъемной индукционной единицы, установки вакуумной дегазации расплава алюминия

6.2.1 Экологическая безопасность исходных материалов

6.2.2 Экологическая безопасность материалов и веществ, образующихся в технологических операциях

Выводы

Список использованных источников

Введение

Одним из основных критериев получения высококачественных сплавов из цветных металлов (алюминий, медь, никель, олово, цинк и т.п.) с высокой добавленной стоимостью является их соответствие по химическому составу заданным требованиям, в том числе и чистоте сплава, которая достигается посредством рафинирования расплава перед его кристаллизацией.

Рафинирование цветных металлов производится поэтапно, включая этап дегазации (в основном для снижения содержания водорода) и фильтрации посредством пенокерамических фильтров.

На кафедре «Электротехнология и электротехника» разработано техническое решение, позволяющее существенно повысить эффективность технологического процесса рафинирования за счет создания глубокого разряжения посредством воздействия на столб расплава в противоположном направлении бегущим магнитным полем. При этом предусматривается возможность совместить в одном устройстве процесс дегазации и очистки расплавов от механических примесей, что сокращает требования к пространству и увеличивает надежность системы рафинирования.

Принцип действия технологического процесса дегазации основан на том, что химически активный или инертный газ (их комбинация) продувается через жидкий металл. Когда газ в форме пузырьков движется к поверхности, он вступает в контакт с включениями и растворенным водородом в расплаве и увлекает их в поверхностный слой, где они собираются в виде шлака. Эффективность удаления включений в большей степени зависит от соотношения между контактной поверхностью газ-металл и временем контакта. Вследствие этого, газовые пузырьки должны тонко распыляться в расплаве, чтобы обеспечить необходимую площадь контакта для химической реакции.

Существующие установки дегазации используют вращающиеся системы представляющие из себя графитовые роторы (импеллеры), через которые продуваемый газ вводиться в расплав и разбивается на мелкие пузырьки.

В результате эксплуатации выявлен основной недостаток данных импеллерных систем дегазации - малый срок службы роторов (3 месяца), низкая надежность системы, по причине разрушения роторов (до 15 поломок в год). Разрушение роторов носит не систематический характер, и обслуживающий персонал может проверить его исправность только в промежутки технического обслуживания или же выявить поломку по результатам анализа газосодержания (пробоотбора) в слитке. По технологии пробоотбор производится каждую третью плавку (иногда и реже). Однако, при обнаружение превышения газосодержания, бракуется (отправляется в переплав) вся партия слитков между двумя удовлетворительными по качеству пробами. При неудовлетворительном качестве сплава, забраковать могут до 1 тыс. тонн сплава.

Процесс повторного переплава бракованной продукции приводит к повышению энергозатрат и трудозатрат, снижению производительности плавильно-литейных агрегатов. При этом происходит дополнительный угар металла и выброс вредных веществ в атмосферу. Например, на одном только пятом агрегате 3 литейного отделения Красноярского алюминиевого завода (КрАЗ) при выявлении брака выбраковывается партия до 500 тонн, а годовой объем брака составляет около 7 000 тыс. тонн в год. Энергозатраты на переплавку брака по причине насыщения водородом на одном только КрАЗе составляют около 18 ГВт/год.

Кроме возможностей повышения экономической эффективности металлургических производств, актуальной задачей является повышение качества и номенклатуры высококачественных сплавов цветных металлов с высокой добавленной стоимость.

На сегодняшний день импортные технические системы по очистке рафинированию) расплавов металлов весьма разнообразны, как по решаемой технологической задаче, так по назначению. Они применяются для дегазации, очистки от газов, неметаллических включений и металлических включений, например, интерметаллидов. Кроме того, они весьма сильно диверсифицированы по производительности и области применения (специализации металлургических производств). Разнообразного технологического оборудования много и для того, чтобы получить качественный сплав с высокой добавленной стоимостью, необходим значительный по составу и дорогой по стоимости комплекс взаимосвязанного технологического оборудования. Все это, определяет значительный резерв развития систем рафинирования на основе совмещения технологий для достижения главной полезной функции - достижения заданной чистоты металлов и сплавов.

С помощью предлагаемой технологической установки можно осуществить все процессы очистки в течение одного процесса в одной (унифицированной) технической системе. Для этого используется одновременное воздействие на расплав глубокого вакуума, бегущего магнитного поля (противодействующего вакууму), создания существенной турбулентности в расплаве и вращательного центробежного воздействия на расплав.

Проточная технологическая установка внепечного рафинирования достаточно компактна и устанавливается на существующем желобе (без доработки последнего) между раздаточным миксером и литейной машиной (конвейером). В футерованную, вакуумную камеру металл вовлекается глубоким вакуумом, которому одновременно противодействуют магнитогидродинамические (МГД) насосы, что снижает высоту столба металла при воздействии разреженным воздухом. В рабочих каналах МГД насосы создают интенсивную циркуляцию расплава, а значит, способствуют интенсификации всех физико-химических и металлургических процессов в расплаве, а вращательное (центробежное) движение расплава формирует процесс разделения легких газов и тяжелых включений, которые удаляются из расплава.

Учитывая приведенное описание технологического процесса, в установке протекают сложные и комплексные процессы, наблюдаются физические, химические, механические, геометрические эффекты, комплексное влияние которых на расплав приводит к тому, что получение оптимальных параметров технологического процесса является сложной научно-технической задачей, которая до сих пор еще не решалась другими разработчиками машиностроительного оборудования для металлургической отрасли.

Учитывая широкие возможности применения комплексного действия упомянутых выше физических, химических, механических и геометрических эффектов, выбор оптимальных технических и конструкторско-технологических решений является актуальной задачей.

Целью дипломного проекта является расчет и проектирование установки дегазации алюминиевых сплавов непрерывного действия.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

* изучены устройства и технологии дегазации алюминиевых расплавов с применением вакуума;

* разработаны параметрические математические модели электромагнитных, тепловых и магнитогидродинамических процессов дегазации расплава вакуумом с использованием индукционных машин;

* выявлены энергетические и конструктивные параметры МГД-насосов, влияющие на протекание физических процессов в канале с жидким металлом

* проведен расчет интегральных и дифференциальных электромагнитных параметров системы «индуктор-канал» дегазатора алюминиевых расплавов, определены факторы влияющие на температурные и гидродинамические поля проточного движения металла;

* по полученным результатам была спроектирована установка для промышленной дегазации алюминиевых расплавов.

Результаты представленные в проекте будут использованы в проекте в рамках программы СТАРТ 11 Н4 № 15079 «Разработка технологии и создание устройства для рафинирования цветных металлов» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

1. Технологии и устройства для рафинирования электропроводных расплавов

1.1 Причина необходимости осуществления рафинирования алюминиевых расплавов

Решающим фактором для развития металлургии алюминиевых деформируемых сплавов следует считать качество отливаемой заготовки. Значительная окисляемость алюминия и его способность растворять водород требуют применения специальных мер при приготовлении расплавов и очистке их от водорода и оксидных плён. В соответствие с ГОСТ 1583-93 («Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия») и ГОСТ 1131-76 («Сплавы алюминиевые деформируемые в чушках. Технические условия») содержание водорода в высококачественном алюминиевом сплаве должно составлять не более 0,35 см³/ 100 г. Содержание в алюминиевом сплаве такой величины водорода невозможно добиться без использования систем дегазации расплава.

Дегазация - это уменьшение содержания газа в жидком металле, находящегося в нём как в растворённом состоянии, так и в виде пузырьков различного размера. Степень дегазации расплава является самым показательным критерием для определения эффективности рафинирования [2].

Дегазация алюминиевых расплавов от водорода крайне важна, так как при фазовом переходе алюминия резко возрастает способность металла растворять водород (рис 1.1). Это очень не благоприятное явления так как, если не снизить уровень водорода перед кристаллизацией расплава, то результатом будут газовые пузырьки в металле, которые могут быть причиной внутренних и внешних дефектов продукции при последующей обработке.



Рисунок - 1.6. Растворимость водорода в алюминии

Повышенные требования к литым заготовкам делает невозможным получение качественного, конкурентоспособного литья без применения высокоэффективных технологических процессов на основе применения надёжных систем рафинирования. Присутствие в металлах и их сплавах сотых и даже тысячных долей процента газовых и неметаллических примесей значительно снижает их прочность и пластичность. Для очистки металлов от нежелательных примесей газов, оксидов, нитридов и других неметаллических включений разработан комплекс технологических операций, которые можно объединить общим понятием «рафинирование».

Способы рафинирования по воздействию на расплавленный алюминий разделяют на неадсорбционные и адсорбционные. К неадсорбционным методам относятся: отстаивание, вакуумирование, обработка ультразвуком, постоянным током и некоторые другие. При неадсорбционных методах рафинирования оксидные включения и водород удаляют под воздействием, оказываемым на всю массу металла. К адсорбционным методам относятся фильтрование, обработка флюсами, нейтральными или активными газами или летучими галогенидами. При адсорбционных методах расплав соприкасается с рафинирующим средством, взаимодействующим с оксидными включениями и газами (водородом), и удаляет их из расплава.

Основное негативное влияние на свойства отливок из алюминиевых сплавов оказывает водород. Содержание его в металле составляет не менее 80% от общего объёма газа. Поэтому наиболее вероятно, поражение алюминиевых сплавов газовыми порами водородного происхождения. Взаимодействие Al - Si расплавов с азотом, кислородом, сложными газами CO, CO₂, SO₂ увеличивает количество нитридов, оксидов, карбидов, сульфидов, что способствует «замутнению» расплава, но не приводит к дополнительному увеличению газовой пористости. Значительная часть водорода (Н₂) в алюминиевых расплавах связана в комплексы с оксидом алюминия А1₂О₃. Поэтому удаление водорода влечет за собой удаление из расплава оксида алюминия А1₂О₃ и наоборот [1].

Принцип рафинирования жидкого расплава от неметаллических включений состоит в выделении на поверхности расплава мельчайших газовых пузырьков и частиц оксидов, нитридов, сульфидов и других соединений, которые в обычных условиях остаются в расплаве и попадают в слиток. В последние годы все чаще используют комбинированные методы рафинирования - адсорбционные и физические. При рафинировании адсорбционным методом в расплав вводят инертные или активные газы, а также твёрдые вещества, которые при нагревании легко разлагаются на газообразные продукты. Вследствие низкого давления внутри этих газовых пузырьков в них диффундируют растворенные в металле водород, азот и другие газы, а на поверхности пузырьков адсорбируются твердые частицы неметаллических включений. После достижения значительных размеров пузырьки рафинирующих компонентов всплывают на поверхность расплавленного металла. Для достаточно полного удаления неметаллических включений из расплава необходимо пропустить через металл большое количество рафинирующих веществ, что не всегда является целесообразным и возможным.

Газ в виде пузырьков, достигнувших определённого размера, поднимаются на поверхность жидкого расплава, захватывая с собой неметаллические включения, которые располагаются на границе раздела жидкой и газообразной фаз. При существующих методах фильтрации жидкого алюминия, в частности, через пенокерамические или насыпные фильтры, решить вопрос об удалении из расплава полученных при данном способе рафинирования вынесенных пузырьками газа на поверхность примесей, не представляет особой сложности.

Рафинирование алюминиевых сплавов объединяет процессы дегазации и очистки расплавов от твёрдых включений. Специфичность взаимодействия отдельных сплавов с газами и оксидами, разнообразие требований к степени чистоты металла, различия в эффективности методов, в зависимости от условий применения, учитываются при выборе способов очистки или их комбинаций.

Рафинирование алюминиевых сплавов включает достаточно широкий спектр способов и устройств, широко реализованных в промышленном исполнении.

1.2 Технологии рафинирования алюминиевых сплавов методического действия

1.2.1 Вымораживание

На принципе выделения газа из раствора медленно охлаждающегося сплава основан способ рафинирования вымораживанием. Сущность метода заключается в том, что жидкий металл медленно охлаждается в печи вплоть до затвердевания или разливается в чушки, после чего его снова быстро расплавляют, доводят до требуемой по технологии температуры и заливают в формы. В процессе охлаждения и в момент перехода сплава из жидкого состояния в твёрдое из него удаляется основная масса газа. Данный способ основан на диффузионном выделении газа и в виде пузырьков.

1.2.2 Обработка сплавов хлористыми солями

Рафинирование алюминиевых сплавов с помощью хлористых и фтористых солей основано на реакциях обменного разложения. В качестве рафинирующих солей употребляются обычно такие, которые легко разлагаются или легко испаряются. Для этих целей используют следующие материалы на основе хлора и фтора: ZnС1₂, MnС1₂, АlС1₃, NiС1₂, BС1₃, TiС1₄, ZгС1₂, СоС1₂, МоС1₂, СС1₄, С₂С1₆, С_бС1₆, С₆Н₆С1₆, РС1₅, SbС1₃, NH₄С1, SiCl₄, Na₂SiF₆, SnС1₂, РbС1₂ K₂BF₄ и другие.

Образующийся в результате реакции хлористый алюминий или хлористый фтор являются рафинирующими средствами, действуя подобно пузырькам нейтрального газа. Вместе с тем восстановленный из соли элемент либо загрязняет сплав, либо образует новые центры кристаллизации. Последнее благотворно сказывается на измельчении зерна и повышении механических свойств отливок

Следует заметить, что введение в расплав хлористых и фтористых солей может производиться в виде мелкодисперсных порошков в смеси с инертным газом аргоном (Аr) или азотом (N₂). Благоприятная обстановка для прохождения реакций рафинирующей смеси создаётся за счёт применения специальных форсунок с роторами или путём воздействия на расплав электромагнитного поля [3, 4].

1.2.3 Обработка сплавов флюсами

Обработка флюсами делается с целью защиты сплавов от воздействия атмосферы печи и очистки от неметаллических включений и газов. В соответствии с этим применяемые при плавке алюминиевых сплавов флюсы подразделяются на: покровные и рафинирующие.

В процессе плавки флюс насыпается ровным слоем на поверхность загруженной шихты или сплава, а лучше, если заливается из специально предназначенных для этих целей ёмкости или тигля, с последующим замешиванием в сплав механической мешалкой. За время плавки флюс в значительной степени защищает сплав от действия газов. В процессе перемешивания, от трения окисная плёнка капель сплава во флюсе разрушается и капли сливаются в более крупные частицы, которые легко стекают в ванну. В результате уменьшаются потери металла со шлаком в виде окислов, нитридов и корольков металла. Расход флюса при обработке составляет 2-3% и более от веса шихты.

1.2.4 Одновременное рафинирование и модифицирование сплавов флюсами

Развитие современной техники предъявляет всё более высокие требования к качеству металлов, что достигается рафинированием и модифицированием алюминиевокремнистых сплавов. Одним из важных факторов устойчивого повышения качества металла, получивших развитие в последнее время, является внепечное рафинирование жидких металлов, то есть физическое или физико-химическое воздействие на металл во время или после выпуска плавки.

Цель внепечной обработки: с одной стороны - улучшить чистоту металла по растворённым и взвешенным примесям, с другой - повысить производительность плавильно-литейных агрегатов, так как в этом случае часть технологических операций может быть вынесена из их рабочего пространства. Успешно осуществляется применением разработанных в ОАО «ВАМИ» универсальных флюсов. В состав их входит Na₃А1F₆, NaF, NaС1, КСl. Рафинирование сплава замешиванием универсального флюса позволяет в течение 5ч8 мин. удалить основную массу шлаковых включений, снизить почти наполовину содержание водорода и получить модифицированную структуру отливок.

1.2.5 Ультразвуковая обработка расплава

Обработка расплава ультразвуком вызывает в нем кавитацию-разрыв сплошности жидкой фазы с образованием пустот, в которые, как в вакуум, диффундирует растворённый в расплаве водород [14, 15, 16, 17] В результате образуется микрополость заполненная газом. Ультразвук объединяет микропустоты до заметных размеров пузырьков, тем самым ускоряя процесс дегазации. Пузырьки, достигая определенной величины, поднимаются к поверхности, и водород выходит за пределы расплава.

Как выявлено при исследованиях, наиболее эффективными оказались генераторы мощностью 8 кВт, создающие колебания с частотой 20 кГц. Схема установки рафинирования расплава с применением ультразвука приведена на рис. 1.1.

Рисунок - 1.1. Схема установки рафинирования расплава с применением ультразвука - введения упругих колебаний в расплав.

1 - кожух; 2 - магнитный преобразователь с обмоткой; 3 - концентратор; 4 - вибратор с резьбовым креплением; 5 - резиновый амортизатор; 6 - сифон; 7 - крепление узла колебаний, опора; 8 - тигель с расплавом; 9 - печь сопротивления

Реальный расплав содержит большое количество ультрадисперсных твёрдых примесей, содержащих на своей поверхности газовую фазу (водород) и не смачиваемых жидким металлом. Наложение на расплав переменного ультразвукового поля создает у поверхности таких примесей условия для «вскипания» или, точнее, «акустической кавитации», т. е. образования поля кавитационных пузырьков. Эти пульсирующие и захлопывающиеся кавитационные пузырьки возникают и размножаются (повторно дробятся) по механизму цепной реакции. Они интенсифицируют процессы пузырьковой дегазации жидкого металла и создают условия аномального проникновения жидкого металла через ультратонкие капилляры фильтра.

Динамика образования и размножения кавитационных пузырьков происходит практически мгновенно. Такое быстродействие создает уникальные возможности для создания принципиально новых технологических процессов внепечного рафинирования с целью дегазации и тонкого фильтрования расплава алюминиевых сплавов.

Отечественный промышленный агрегат для ультразвуковой дегазации алюминиевых сплавов УЗД-100 разработан в двух вариантах: передвигающийся по полу цеха и монорельсу над печами. При рафинировании ультразвуком повышенные требования предъявляются к материалу волновода. Он должен быть жаростойким, не разрушаться при знакопеременных нагрузках ультразвуковой частоты и поглощать ультразвуковые колебания, а также обладать определённой вязкостью для предотвращения разрушения силами кавитации. Разрушение волновода насыщает расплав соответствующими металлическими примесями. Наилучшими материалами для волноводов считают ниобий и титан. Ниобий не растворяется в алюминии, а растворение титана имеет тенденцию к стабилизации при продолжительности обработки ультразвуком в течение 20 мин.

Ультразвуковую обработку больших объёмов металла производят погружением в расплав двух, трёх излучателей ультразвука в зависимости от размера зеркала металла. Ультразвуковой обработкой возможно снизить газонасыщенность расплавов алюминия с 0,7 до 0,3 г/см³.

1.3 Технологии флотационной обработки

В отдельный группу, по причине большой распространнености, можно выделить флотационный способ рафинирования. Данный способ рафинирования основан на диффузии растворённого в сплаве водорода в пузырьки продуваемого через сплав газа и на флотирующем действии пузырьков, выносящих на своей поверхности шлаковые включения. При этом предполагается, что газ не взаимодействует ни с металлом, ни с растворённым в нём водородом. Продувка осуществляется двумя видами газов: продувка сплава инертными и активными газами.

Продувка инертными газами (аргоном, гелием или азотом) алюминиевого сплава сопровождается очищением его от газов и неметаллических включений. Для этой цели часто применяют азот, так как он дешевле и доступнее чем другие газы.

Активный газ, например хлор, на алюминиевый расплав оказывает тройное рафинирующее действие: Первое - пузырьки хлора, введённого в массу жидкого алюминиевого сплава, взаимодействуют, в первую очередь, с алюминием, образуя хлористый алюминий, мгновенно превращающийся в пар. Хлористый алюминий нейтрален по отношению к сплаву и его пузырьки действуют подобно пузырькам инертного газа. Второе - часть хлора вступает в реакцию с растворенным водородом и при этом образуется хлористый водород, пузырьки которого ведут себя подобно пузырькам нейтрального газа. В некоторых случаях они могут прореагировать с алюминием или магнием. Третье - не успевший прореагировать хлор производит на сплав такое же действие, как и пузырьки нейтрального газа.

На рис. 1.7 показана схема механизма удаления водорода из расплавленного алюминиевого расплава при помощи флотации. Растворенные в расплаве атомы водорода собираются и поглощаются всплывающими пузырьками аргона, в которых парциальное давление водорода равно нулю по сравнению с окружающим металлом. Когда пузырьки выходят на поверхность, аргон и водород попадают в инертную атмосферу над расплавом.

Рисунок - 1.7. Схема механизма удаления водорода (Н₂) из расплава инертным газом

Наиболее важным фактором здесь является общая площадь поверхности пузырьков, на которой собирается водород. Чем меньше диаметр пузырьков и чем лучше они рассеяны, тем больше будет площадь поверхности при том же объёме инертного газа, и тем быстрее будет происходить реакция.

В промышленности на технология флотационной обработки создано большое количество различных устройств. На заводах западной Европы и в России широко применяются установки рафинирования типа SNIF компании Pyrotek [13], позволяющие очищать расплавы на основе алюминия непосредственно перед литейной машиной после раздаточного миксера. Отличительной особенностью установки SNIF (рис.1.8) является то, что нагревательные элементы установлены стационарно в стенке графитового блока ванны. Установка позволяет вести подогрев ванны с расплавом не только во время перерывов между циклами литья, но и во время литья.

Система состоит из камеры рафинирования, средств управления процессом и регулирования нагрева. Камера рафинирования разработана таким образом, чтобы обеспечить полное насыщение расплава пузырьками рабочего газа и достичь максимальной степени рафинирования с помощью 3-х вращающихся роторов. Встроенная система перегородок регулирует поток металла, обеспечивая эффективное рафинирование расплавленного алюминия при прохождении его через ванну. Перегородки обеспечивают свободное протекание металла в ванну и из ванны, препятствуя инфильтрации воздуха, при которой происходит образование избыточного количества окислов. Наиболее важной особенностью конструкции SNIF и др является возможность проведения быстрой и простой замены предварительно обожженной огнеупорной футеровки картриджа печи. Когда необходима замена огнеупора ванны, использованный картридж просто вынимается и заменяется на новый. Замену огнеупора можно провести за несколько часов. Установка снабжена автономным гидравлическим механизмом подъёма крышки, который поднимает верхнюю часть установки, чтобы обеспечить доступ ко всей поверхности ванны для чистки и обслуживания. Гидравлическое устройство наклона предназначено для слива расплава «насухо» и чистки ванны печи.

Недостатками установки SNIF является необходимость постоянного использования, в перерывах и во время работы, инертного газа для защиты от выгорания графитового блока и материала нагревателей. Существенным недостатком является быстрый износ графитовых роторов (срок службы от 3 до 6 месяцев) по причине их истирания об жидкий металл. Также низкие механические свойства роторов приводят их к частому разрушению при контакте с неметаллическими включениями (по статистике до 15 поломок в год на одну установку). Разрушение ротора приводит к резкому снижению эффективности дегазации, а экстремальные условия эксплуатации не позволяют при существующем уровне развития техники установить в камеру дегазатора датчики контроля состояния ротора импеллера и как следствие обеспечить оперативный контроль состояния установки. Поэтому обслуживающий персонал может осуществить проверку состояния импеллеров только в период технического обслуживания или же выявить поломку по результатам анализа газосодержания в готовом слитке. Полная система дегазации, включенная в технологическую линию, достаточно сложна. Она включает в себя систему подогрева расплава, импеллеры с приводом, короб для технологической обработки систему опрокидывания и подъема крышки, газовое хозяйство и электрическое оборудование. Из-за этого стоимость установок достаточно высока и сопоставима со стоимостью всего плавильно-литейного агрегата. Также как показала практика использования подобных установок имеется низкая стойкость и нагревательных элементов.

Подобные установки внепечного рафинирования разработаны фирмой NOVELIS (Франция), где подвод рафинирующего газа осуществляется через пенокерамические сопла, которые уставлены снизу (рис.1.9).

Ванна установки снабжена крышкой, которая поднимается при помощи пневмоцилиндра и затем отводится в сторону. В нижней части ванны предусмотрена лётка с запорным устройством для слива жидкого расплава «насухо» и чистки ванны в перерывах между литейными циклами.

Среди флотационных систем стоит обратить внимание на установку Hycast I-60 (рис. 1.10). Система внепечного расположения и осуществляет непрерывную очистку металла в процессе литья Основное отличие этой установки от описанных выше заключается в том, что реактор для дегазации расплава расположен не ниже, а выше уровня желобов До начала литья металл направляется в реактор Hycast I-60 SIR. Понижение атмосферного давления внутри реактора заставляет металл подняться. В процессе работы уровень металла внутри реактора остается на высоте приблизительно 1100мм, что на 50-60% повышает время пребывания пузырьков инертного газа в расплаве по сравнению с обычными встроенными рафинирующими устройствами, использующими реакторную камеру. Это позволяет более полно использовать рафинирующий газ.

На рис. 1.10 б схематически показано течение расплава с дисперсией газа внутри реактора в процессе работы. Перегородка разделяет реактор на две камеры: приёмную камеру с параллельными потоками газовых пузырьков и металла и выходную камеру, где имеется противопоток. Каждая камера снабжена одним ротором.

Конструкция ротора важна для создания по возможности более мелких газовых пузырьков. Мелкие, хорошо диспергированные пузырьки газа увеличивают общую поверхность соприкосновения между газовыми пузырьками и расплавом, что улучшает удаление водорода и включений.

Из рис. 1.10 б видно также еще одно важное отличие обычного встроенного устройства HYCAST, патентованное устройство 1-60 SIR с донным расположением роторов улучшает удаление включений и водорода. Обычно роторы связаны с приводом с помощью вала, установленного сверху вниз через поверхность жидкого металла. При вращении ротора вала создается завихрение на поверхности металла, что увеличивает вероятность повторного погружения включений в расплав из поверхностного слоя шлака и обратного захвата водорода из атмосферы над жидким металлом. Ротор обычной конструкции имеет цилиндрическую форму для обеспечения по возможности более спокойной поверхности в процессе работы и, следовательно, хорошей эффективности удаления включений и водорода. При использовании донного расположения ротора завихрения на поверхности расплава исключаются. Таким образом, поверхность металла в процессе работы будет более спокойной. При сочетании донного расположения роторов с их обычной конструкцией «чистое» удаление включений и водорода из расплава возрастает.

1.4 Вакуумные технологии

Наиболее совершенным способом получения качественных отливок является плавка и заливка в вакууме. При этих условиях обеспечивается удаление газов и других примесей из жидкого сплава быстро и наиболее полно. Такой очистки сплава при атмосферном давлении достичь не удаётся.

В период вакуумной плавки в индукционной печи или миксере, под влиянием конвективных и других эффектов, окисная плёнка постепенно задерживается на стенках тигля. Как только зеркало расплава очистится от плёнки, его доводят до требуемой температуры при разливке и сплав выливают в форму. Заливка в вакууме не сопровождается окислением сплава и может осуществляться медленно, тонкой струей. В этом случае создаются условия для направленного затвердевания. Таким образом, плавка и заливка в вакууме позволяют получать однородные по структуре и плотные отливки, с минимальным содержанием примесей и высокими физико-механическими свойствами. В то же время вакуумная плавка обеспечивает наименьший угар (0,1-0,3%), минимальную продолжительность плавки и небольшой расход электроэнергии [5, 6].

Положительное влияние вакуума на дегазацию связано с нарушением равновесия системы «газ - алюминиевый расплав», образовавшийся в период плавки.

В последнее время вакуумирование металла в миксерах и печах начинает уступать место более прогрессивным способам вакуумирования металла в потоке. Стремление обойтись без громоздких вакуумных камер и сократить необходимую производительность вакуумных насосов привело к созданию способа вакуумирования алюминиевого расплава при его циркуляции через вакуумную камеру (процесс R - H). Под действием атмосферного давления металл поднимается по трубам, соединяющим вакуумную камеру с ванной металла в ковше или печи, где производится вакуумирование. Циркуляция металла через вакуумную камеру обеспечивается подачей инертного газа (аргона) в один из трубопроводов, в котором при этом получается эффект эрлифта и происходит подъём жидкого металла. Уровень металла в верхней части циркуляционной системы - вакуумной камере - определяется глубиной вакуума и является стабильным, излишек металла в ней сливается по другой ветви контура обратно в ковш.

Недостатком схемы R - H является значительный расход инертного газа и, главное, поступление этого газа в вакуумную камеру и в насосную установку.

Этот недостаток устраняется с использованием МГД-устройства, основанного на одном из проявлений тета-пинча в тигельных (бессердечниковых) индукционных электропечах - поднятии уровня расплава в центре ванны по сравнению с уровнем на периферии.

Вакуумная камера (рис. 1.2, б) имеет в нижней части две футерованные трубы, одна из которых совпадает с вертикальной осью ванны, а вторая - вертикальная или слегка наклонная - присоединена к сосуду у его периферии. Когда эти трубы погружены в жидкий металл, создание в сосуде вакуума обусловливает подъём металла до уровня индуктора, окружающего огнеупорную футеровку в нижней части боковых стенок сосуда.

Рисунок - 1.2. Способы вакуумирования жидкого расплава алюминия

а - процесс Termo-Flow; б - процесс Dynatherm; 1 - ковш; 2 - вакуумная камера; 3 - хобот вакуумной камеры; 4 - трубопровод к вакуумному насосу; 5 - индуктор

Подвод напряжения к индуктору вызывает, с одной стороны, появление электрического тока в металле и соответствующего его нагрева и, с другой, создает электромагнитную силу, обусловливающуюразличие уровней металла в центральной части и на периферии сосуда. Создающаяся в результате этого разница давлений у отверстий двух труб вызывает подъём металла по боковой трубе и опускание его по центральной.

Такой способ вакуумирования жидкого алюминия разрабатывался фирмой Ортей в Булони (Франция).

М. Г. Резин и Я. Д. Дробинин в 1959 г. предложили заменить эрлифт в одной из ветвей установки R - Н индукционным насосом. Такое решение, по-видимому, также снимает её основные недостатки. Имеются сообщения о использовании такого решения фирмой Латроб Стил Ко. (США). На (рис. 1.2, а) представлена схема установки Thermo-Flow, вертикальные каналы - «хоботы» которой снабжены индукторами бегущего магнитного поля, одновременно осуществляющего перемещение и подогрев жидкого металла.

Эффективными агрегатами для рафинирования алюминиевых расплавов могут быть индукционные вакуумные агрегаты [7, 10, 11, 12] типа ИАКМВ (рис. 1.4), например ёмкостью 25 или 80 тонн, которые успешно используются на ОАО «Красноярский металлургический завод» (г. Красноярск). В них нагрев металла и интенсификация тепломассообменных процессов в расплаве реализуется с использованием индукционной единицы, а рафинирование осуществляется при помощи дегазации путём создания глубокого вакуума. За время эксплуатации такие агрегаты зарекомендовали себя, как высокоэффективные и экономичные устройства и успешно применяются с 1986г. до настоящего времени. Одним из существенных недостатков индукционных вакуумных миксеров на основе индукционных единиц, является постоянное движение металла в ванне вакуумного миксера, вызванное работой индукционной единицы, что затрудняет отстой расплава перед литьём. Однако, установка перед литейной машиной блока с пенокерамическим фильтром решает проблему удаления из расплава механических взвесей и включений.

Рисунок - 1.3.. Вакуумный миксер типа ИАКМВ-25.

1 - отъёмная индукционная единица ИЕ; 2 - лётка; 3 - траверса крепления крышки миксера;

4 - водоохлаждаемая крышка; 5 - обрамление; 6 - вакуумное уплотнение; 7 - лётка; 8 - футеровка.

Загрузка (заливка) расплава из плавильной печи в вакуумный миксер производится также при достаточно глубоком разрежении, что способствует удалению водорода ещё на стадии перелива металла (вакуумирование струи расплава) в течение 25ч30 мин.

1.5 МГД-устройств для рафинирования алюминиевых сплавов в потоке

Перспективным направлением области рафинирования алюминиевых сплавов является создание установок оснащенных магнито-гидродинамическими устройствами.

В качестве примера таких систем можно расмотреть установку внепечного рафинирования с МГД-устройством МГДР [18], испытанная на ОАО «Красноярский металлургический завод». Принципиальная схема установки е представлена на рис. 1.12.

Рисунок - 1.12. Схема установки магнитогидродинамического рафинирования алюминиевых сплавов (МГДР). Стрелками показано направление движения расплава.

1 - футеровка нижней части ванны; 2 - футеровка верхней части ванны; 3 - входной лоток; 4 - каркас ванны; 5 - прижимной фланец; 6 - обрамление ванны; 7 - лётка для слива металла при замене пенокерамического фильтра; 8 - продольный канал; 9 - лётка поперечного канала; 10 - корпус поперечного канала; 11 - рабочая лётка; 12 - пенокерамический фильтр; 13 - газоввод рафинирующей смеси; 14 - индуктор с ЭМ-вращателем; 15 - съёмная крышка ванны; 16 - электропроводная (графитовая) перегородка

Устройство выполнено на базе индукционной единицы с дополнительными обмотками [7, 8] для получения МГД-вращения в каналах. Ввод в расплав газовой или газопорошковой смеси здесь производится с помощью газоввода, фильтрация жидкого расплава осуществляется через пенокерамический фильтр, который устанавливается в выходном отсеке ванны установки. Существенным отличием от известных способов является то, что вращение металла создается специально разработанным [8, 9, 10] для этой цели МГД-вращателем, а рафинирующая смесь подается во входной канал через газоввод, выполненный в виде специальной трубки, оснащенной графитовыми дисками. В результате этого, в зоне взаимодействия расплава с реагентами, создается сложная магнитогидродинамическая обстановка, которая, по аналогии роторов с форсунками (установки типа SNIF), создаёт благоприятные условия для максимальной проработки расплава и его очистки.

Устройство состоит из двух цилиндрических каналов, нижнего и верхнего соединительных каналов, которые охватывают катушку с магнитопроводом. Верхний соединительный канал (ванна) с помощью электропроводной перегородки разделён на два отсека: приёмный и раздаточный. Вверху, к раздаточному или выходному отсеку, стыкуется жёлоб (лоток) для подачи расплава на раздаточную коробку. В выходном отсеке смонтирован пенокерамический фильтр (ПКФ), инертный по отношению к жидкому расплаву. В цилиндрических каналах создается вращение жидкого расплава. Во входной канал подается газ-реагент через газоввод с горизонтальными дисками.

Работает устройство следующим образом. Металл из лётки миксера поступает в приёмный отсек устройства, далее - в канальную часть установки, затем проходит через пенокерамический фильтр выходного отсека. Пенокерамический фильтр обеспечивает наиболее тонкую механическую очистку расплава, далее расплав по футерованному раздаточному лотку поступает в кристаллизатор литейной машины. Через специальную форсунку (газоввод) в нижнюю часть цилиндрического канала подаётся инертный газ или смесь инертного газа с активными химическими веществами, содержащими хлор или фтор.

Интересный способ применения МГД-устройств в 1969 году был предложен Л.А. Верте: для компенсации снижения температуры металла, связанной с вакуумированием, использовать контур циркуляции жидкого металла в качестве вторичного витка трансформатора, подобно каналу индукционной печи с железным сердечником. Из двух электромагнитных насосов скомпановано устройство для вакуумирования по прямоточной схеме, представленной на рис. 1.3. В совокупности оба насоса, при условии равенства развиваемых напоров, никак не влияют на прохождение металла через них, но обеспечивают сохранение узла пониженного давления в проточной струе. Движение металла обеспечивается и регулируется искусственным нарушением взаимного уравновешивания насосов. Действие сбалансированной части индукционных насосов в этом случае эквивалентно действию столба металла в ветвях сифонного устройства, а действие несбалансированной части одного из насосов - эквивалентно применению соответствующего насоса небольшой мощности для прокачивания и регулирования расхода металла через описанное устройство.

Рисунок - 1.3 Схема создания узла пониженного давления в непрерывной струе для вакуумирования алюминиевого расплава.

1 и 2 - электромагнитные насосы; 3 - камера; 4 - ванна с жидким металлом; 5 - кристаллизатор; 6 - эпюра давления в металлотракте.

Стрелками обозначено направление действия электромагнитных сил

Рассмотренная выше схема создания в проточной струе жидкого металла узла пониженного давления (вакуума) может быть обращена и использована для смешивания высокотемпературных расплавов с легкоиспаряющимися компонентами. Такая необходимость возникает в производстве некоторых легких сплавов, в литейном производстве, а также и в черной металлургии, в связи с постановкой задачи о непрерывном процессе внедоменной десульфурации чугуна магнием.

Отличительной чертой этих процессов является создание местного узла пониженного или повышенного давления в струе жидкого металла. Разумеется, такие процессы могут быть осуществлены не только с помощью линейных индукционных насосов с бегущим магнитным полем, но и с помощью других типов электромагнитных насосов, способных развивать необходимое давление [7, 8, 9].

1.6 Перспективные технологии вакуумного рафинирования в непрерывном потоке

Как показывает проведенный выше обзор существующих систем рафинирования, в настоящее время на рынке представлены практически только иностранные системы дегазации, стоимость которых составляет от 0,4 и более млн. дол. США, т.е. стоимость установки, приближается к цене всего плавильно-литейного комплекса. Это является не всегда приемлемым для большинства производителей алюминиевых сплавов, особенно для производителей вторичного алюминия (рециклинга алюминия), являющихся, как правило, небольшими компаниями. По этой причине брак при литье сплавов достигает 30%, что приводит к необходимости переплавки бракованных партий и дополнительных затрат энергоресурсов.

В дипломном проекте спроектирована установка осуществляющая вакуумную обработку алюминиевого сплава в процессе непрерывного литья. Эскиз установки представлен на рис. 1.5.

В этом случае, благодаря применению цилиндрических МГД-устройств в установке, удаётся достичь достаточно глубокого вакуума при меньших массогабаритных параметрах установки (по сравнению с вакуумным миксером), а следовательно, и её стоимости, а также получить турбулентное движение расплава за счёт экстремального МГД-воздействия на жидкий расплав, что позволяет добиться более мелкой дисперсии газа в металле и как следствие лучшей очистки жидкого расплава от водорода (рис. 1.13). Немаловажным преимуществом является отсутствие подвижных элементов установки, что приводит к повышению её надёжности.

Установка работает следующим образом: металл поступает из миксера или печи по металлотракту в приёмный отсек, который отделён от выходного отсека электропроводной (графитовой) перегородкой. Канальная часть представляет собой «перевёрнутую» отъёмную единицу с увеличенным объёмом соединительного канала, куда подводится вакуумпровод от вакуумной станции. За счёт создаваемого разрежения в камере канальной части, под действием атмосферного давления металл поднимается до требуемого значения, затем под воздействием цилиндрических МГД насосов перекачивается из приёмного отсека в выходной. Таким образом, происходит перемещение расплава в установке. Рафинирующий газ (аргон или смесь газов) подаётся через пенокерамические вставки, установленные строго по осям цилиндрических каналов приёмного и выходного отсеков. В процессе работы установки происходит подогрев расплава токами наводимыми в канальных частях.



Рисунок - 1.4. Схема проектируемой установки внепечной дегазации расплава алюминия при непрерывном потоке. 1 - литейный желоб; 2 - шиберные заслонки; 3 - вакуумная камера; 4 - МГД-насосы; 5 - МГД -перемешиватели; 6 - отверстия для откачки газов.

Всплывая, пузырьки рафинирующего газа попадают в цилиндрические каналы, где повторно дробятся за счёт сложной гидродинамической обстановки в вертикальных каналах, затем поднимаются вверх. Растворенные в расплаве атомы водорода собираются и поглощаются всплывающими пузырьками аргона, в которых парциальное давление водорода равно нулю по сравнению с окружающим металлом. Когда пузырьки выходят на поверхность расплава, рафинирующий газ и водород попадают в разреженную атмосферу над расплавом. Наиболее важным фактором здесь является общая площадь поверхности пузырьков, на которой собирается водород. Чем меньше диаметр пузырьков и чем лучше они рассеяны, тем больше будет площадь их поверхности при том же объёме инертного газа, и тем быстрее будет происходить реакция.

Газообразные продукты реакции удаляются из верхней полости соединительного канала вакуумным насосом создающим разрежение. Твёрдые примеси в виде шлака, оксидов, нитридов остаются на поверхности расплава камеры и удаляются при помощи чисток после окончания каждой плавки.

1.7 Основные выводы по главе

1. На основании обзора технологий и публикаций можно сделать выводы о перспективности применения в цветной металлургии установок вакуумного МГД-рафинирования с проточным течением металла

2. Преимущества МГД-рафинирования позволяют исключить:

- использование малонадёжных роторов с форсунками, которые применяются в установках SNIF, ALPUR и т. п.;

- использование радиационных нагревателей, обладающих низким регламентируемым сроком службы;

- одновременно осуществлять перемещение и подогрев жидкого металла в ванне установки.

3. Отсутствие вращающихся частей (вращающийся ротор и т. п.) в установках рафинирования, с использованием технологий вакуумирования и МГД-воздействия, делают их надёжными и безопасными в эксплуатации.

4. Предложена конструкции установки дегазации расплава алюминия с МГД - устройствами, позволяющая осуществлять вакуумирование непрерывного потока металла при больших производительностях плавильно-литейных агрегатов

2. Физика процесса вакуумного рафинирования в непрерывном потоке

2.1 Термодинамика процесса рафинирования

Для характеристики процесса вакуумной обработки достаточно знать следующие три основных момента. Во-первых, необходимо знать особенности процесса, так как именно они определяют выбор условий и оборудования для осуществления процесса. Во-вторых, важно правильно установить переменные параметры, регулирующие течение процесса и степень его завершения. И, в третьих, следует иметь достаточно полное представление о конечных результатах процесса и их значимости.

Основным газом, растворяющимся в алюминии и сплавах на его основе, является водород. Он может удаляться лишь при определенном избытке в металле против равновесной концентрации. Поэтому перед проектированием установки необходимо рассмотреть равновесные соотношения в системе металл -газ.

Система газ - металл, как и другие гетерогенные равновесные системы, подчиняется правилу фаз, определяющему число фаз, которые могут сосуществовать при равновесии. Равновесные соотношения в этой системе характеризуются распределением растворимого газа между.нерастворимым газом или вакуумом и металлом, растворяющим определенное количество растворимого газа. Согласно правилу фаз состояние такой системы ,при наличии трех компонентов(растворимый газ, металл, нерастворимый газ) K₀ и двух фаз (газ, металл) Ф_о определяется тремя степенями свободыС_о:

.	(2.1)

Таким образом, при равновесии в известных пределах могут изменяться без изменения числа или вида фаз системы три фактора: парциальное давление водорода над металлом, температура и концентрация водорода в металле.

Термодинамические пределы растворимости водорода и алюминии можно оценить на основе анализа процесса перехода водорода из газовой фазы в металл. Растворение водорода в жидком алюминии описывается следующей реакцией:

.	(2.2)

Распределение водорода между газовой и металлической фазами можно описывать законом растворения двухатомных газов, установленный в 1911 г. Сивертсом на основе значительного экспериментального материала:

,	(2.3)

где С- концентрация водорода в металле, см³/100 г.

Константа k так называемая константа Сивертса, представляет собой предельную растворимость газа при данной температуре и давлении p_H2, равном 1 ат. Для учета изменения величины константы равновесия указанных выше реакций в зависимости от температуры и давления, выражение растворимости водорода в алюминии можно записать в следующем виде:

...