表2—2—9是這些爐外復合精煉工藝的除氣效果比較。
表2-2-9幾種爐外復合精煉工藝的除氣效果
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方法 |
使用氣體 |
吹入氣體量 /L·h-1 |
熔體流量 /kg·h一1 |
單位熔體用 氣量/L·kg-1 |
含氫量/mL·(100GA1)-1 |
除氫率 /% |
|
|
處理前 |
處理后 |
||||||
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FILD |
N2 |
|
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 |
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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 |
|
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是無煙連續除氣法(Fumeless In-Line Degassing)的英文縮寫，它是1968年由英國鋁公司研制并投入使用的一種除氣、過濾鋁熔體的連續精煉方法。該法的裝置示于圖2—2—13。耐火坩堝用隔板分成兩室，進液側的鋁液表面覆蓋有液體熔劑層，并設置有通人氮氣的石墨管，氧化鋁球直徑為20mm，進液側的氧化鋁球用熔劑包覆。熔劑的成分為52%KCl+43%NaCl+5%CaF2。該裝置的凈化能力與吹入的氮氣量有關，為14～36 t/h。由上可以看出，費爾德法把活性氧化鋁球床式過濾、惰性氣體精煉和液體熔劑過濾等多種凈化方法溶為一體，因此，提高了裝置除去固態非金屬夾雜物的能力，并在不發生有害氣體的條件下脫氣。據資料介紹，費爾德裝置有260、340和600 kg/min三種標準型號。其中為340 kg/min型號的典型技術性能是：最大處理能力為340 kg/min；保溫用加熱器最大功率為45 kW；氮氣用量為0.7～1.1 m3/t；熔劑用量為1 kg/t；坩堝壽命，約6個月；氮氣擴散器使用壽命，約2個月；氧化鋁球使用壽命，不小于6個星期；設備尺寸，直徑2000 mm、高l400 mm；處理后最終氣體含量為0.05～0.16 mL/100gA1；處理后最終鈉含量為5×10-6；金屬損失為0.2%～0.4%。
二、469法
469法是美國鋁業公司研制并于1974年公布的鋁液連續精煉法。該法的裝置示意于圖2—2—14。它由兩個箱式過濾裝置組成，在每一個裝置中同時與金屬流向相反地通人氯和氮氣的混合氣。氣體擴散器采用多孔氧化鋁、多孔石墨或多孔碳制成。二次過濾床由層厚50～255 mm、直徑為l0—20mm的氧化鋁球組成，其上覆蓋一層厚l50～255 mm的塊度為3.5～6.5 mm的片狀氧化鋁。一次過濾床全部由直徑l0～20 mm的氧化鋁球組成，總厚為150～380mm。采用兩個過濾床的目的在于分別除去大的和小的夾雜物，從而延長過濾器底層氧化鋁球的使用期。據資料介紹，469連續精煉裝置的大小可根據處理的金屬量確定，其典型技術性能是：處理能力為每平方厘米有效過濾面積0.71～4.24 kg鋁液/h；氬氣用量為0.26～2.6標m3/t；氯氣用量為0．022～0．26標m3/t；氣體流量為l cm2過濾床2.3～9.2 ×10-4標m3/h；處理后氫含量為0.08～0.15 mL/100gAl；處理后鈉含量為l×l0-6；處理后氧含量為4×10-6；使用壽命，對于處理速度為22.7 t/h的裝置，可處理的鋁液總量約4550 t。
上世紀70年代末期，美國鋁業公司對469法進行了改進，稱為469第Ⅱ號連續精煉法。該法的裝置示意于圖2—2—15。該裝置由相連的兩個箱式裝置組成，每一個箱式裝置都用浸入式煤氣燒嘴加熱。上流箱式裝置本身稱為622法，它有一個或多個旋轉葉片的氣體分散器，氣體分散器帶有空心桿，氬-氯混合氣即由此桿通入，通進的氣體被轉動葉片打碎成小氣泡。對正常的除氣和除渣，混合氣體內的氯含量為2.5%。如果要除鈉和鈣，則氯含量可達30%。下流箱式裝置本身稱為528法，它具有和469法一樣的氧化鋁薄片過濾層，使用和上流法一樣的氬-氯混合氣。與469法相比較，469法第II號的操作費用要低些，而使用壽命要長些。對于很多產品，通常只要使用622裝置就可以了。
三、SNIF法
斯奈福(SNIF)法即旋轉噴嘴惰性氣體浮選法(Spinning Nozzle Inert gas Floata．tion)。它是美國聯合碳化物公司研究并于1974年正式投入使用的鋁熔體連續精煉法。現在獲得實際應用的斯奈福裝置有雙噴嘴(T型)、和單噴嘴(S型)兩種。圖2—2—16是T型裝置示意圖。裝置的核心是旋轉噴嘴，每一個旋轉噴嘴都由一個葉片式石墨轉子、一根外面套有固定套筒的軸和一個固定在套筒上的葉片式石墨定子組成。精煉氣體由軸和套簡間的環形縫中通入，由于葉片的剪切作用，使從定子和轉子之間的縫隙出來的氣體被破碎成極細的氣泡散進金屬內；旋轉噴嘴的攪拌作用，在熔體內形成垂直向下的金屬流并使氣泡均勻分散，攪拌時的渦流使氣泡和金屬之間產生極大的接觸面積從而為有效地除氫和使雜質顆粒漂浮到熔體表面創造了最有利的條件。在T型裝置中，熔體的凈化流程如下：熔體通過輸送流槽進入裝置的第一室，在這里，由于旋轉噴嘴的攪拌作用和放出的氣泡進行去氣及去除夾雜物。接著越過處理室中央的隔板進人第二室，進行同樣的熔體處理。處理完的熔體通過一根安裝在爐底的石墨管，流人爐子前部的出料池。多余的惰性氣體與脫溶的氫氣，匯集于爐子上部，通過其熔體人口上部與熔體進入流向相反的方向流出。渣子浮在熔體表面，被旋轉噴嘴在液面所產生的循環液流推向熔體入口處而排出。據資料介紹，斯奈福裝置的主要技術性能如表2—2—10所示。
表2—2—10 SNIF裝置的主要技術性能
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型 號 |
T 型 |
S 型 |
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爐床尺寸/mm 旋轉噴嘴數/個 金屬容量/kg 金屬流量/t·h-1 加熱電功率/kW 噴嘴轉速/r·min-1 惰性氣體最大供給量/m3·h-1 惰性氣體正常供給量/m3·h-1 冷卻噴嘴用空氣量/m3·h-1 惰性氣體中的氯含量/% 精煉熔劑消耗量/g·t-1 處理后熔體最終含氫量/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 |
我國東北輕合金加工廠和上海鋁材廠在上世紀80年代末期分別從國外引進了T一4型和 S型SNIF裝置。東北輕合金加工廠的資料表明，SNIF的最好除氫率為59.41%，最小除氫率為21．11%。凈化后氫含量可以達到小于0.10 mL/1009Al的國際水平指標，高鎂鋁合金中的鈉含量降至5×10-6以下，比工廠現有氮一氯混合氣體處理工藝處理后的含氫量降低22.2～36.1%。詳見表2—2—11。上海鋁材廠在處理前氫含量為0.3～0.4 mL/100gAl，經過SNIF處理后，氫含量降至0.10～0.12 mL/100gAl。
四、ALPUR法
ALPUR是鋁凈化器(Aluminium Purifier)的縮寫，該法是法國普基工業公司發明并于1981年開始在彼西涅公司應用。該法也是一種借助旋轉噴嘴產生微小氣泡的爐外連續精煉裝置，其旋轉噴嘴結構和裝置結構示于圖2—2—17。旋轉噴嘴由高純石墨制成，噴嘴結構除考慮打散氣泡外，還利用攪動熔體而產生的離心力，使熔體進入噴嘴內與水平噴出的氣體均勻混合，形成氣-液流噴出，從而增加了氣泡與熔體的接觸面積和接觸時間，以此提高精煉效果。ALPUR有四種型號，其主要技術性能見表2—2—12。
表2—2—12 ALPUR主要技術性能
我國鋁板帶材生產企業如華北鋁加工廠、太原鋁加工廠、云南鋁加工廠、撫順鋁廠、南平鋁廠等工廠引進了多臺ALPUR裝置。據資料介紹，在使用Ar+(2～3)%Cl3時，耗氣量為0.6～0.84 L/kgAl，除氣效率為60%～65%。
五、MINT法
MINT是金屬在線處理(Melt In-Line Treatment)的英文縮寫，它是l979年由美國聯合鋁公司開發的。該法對鋁液中的氫、堿金屬、非金屬夾雜物都有很高的凈化效率。MINT法工藝流程如圖2—2—18所示。MINT系統共分兩個部分：一部分是反應器；另一部分是泡沫陶瓷過濾器。鋁液沿反應器切線方向流入其頂部，在反應器內做旋轉運動，而精煉用氬氣從反應器底部通人鋁液中。鋁液向下運動的方向與氬氣向上運動的方向相反，因而液-氣能得到均勻而充分的混合與接觸，產生良好的除氫效果。向氬中混入少量氯或氟里昂(CCl2F2)，能有效地清除堿金屬鈉、鋰等。泡沫陶瓷過濾器用來濾除非金屬夾雜物。MINT裝置的技術性能和除氫效果分別示于表2—2—13和表2—2—14。
圖2—2—l8 MINT法工藝流程圖
表2—2—13 MINT裝置技術性能
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型 號 |
MINT I |
MINTⅡ |
MINTⅢ |
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處理能力/kg·min-1 噴嘴數/個 入口高度/mm 存留金屬/kg 除氣室/mm 過濾室/mm 惰性氣體流量/L·min-1 氯氣含量/% |
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法除氣效果
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合金 |
氣體 |
熔體流量 |
氣體流量 |
含氫量/ml．(100gA1)-1① |
除氫率 |
|
|
/kg·min-1 |
/L·min-1 |
處理前 |
處理后 |
/% |
||
|
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含氫量分析方法：3003——Vacuum Subfusion；6063——RMA Initial Bubble Tester；其他——Tel89as Meter
西南鋁加工廠引進的MINT裝置，其實際使用效果為：最大除氣率70%，最小除氣率37.5%，凈化后氫含量能達到0.12 mL/100gAl，效果比較顯著。平均除鈉率71%，除鋰率79%，除鈣率34%。
六、RDU法
RDU是快速除氣裝置(Rapid Degassing Unit)的英文縮寫，它是英國福塞科公司于l987年開發并投入使用的一種旋轉噴嘴形式的精煉裝置。其裝置結構和噴嘴結構示于圖2—2—19。
2—2—19 RDU凈化裝置和噴嘴結構示意圖
(a)裝置結構圖；(b)噴嘴結構示意圖
1——凈化氣體；2——升降裝置；3——旋轉噴嘴；4——加熱器；5——熔體出口
RDU的噴嘴也由高純石墨制成，噴嘴根據泵的工作原理設計，噴嘴在通氣和旋轉時，除噴出氣泡和攪動熔體外，還會產生泵唧作用，使熔體由上而下的進入噴嘴的撥輪內與氣體混合后噴出，產生含有氣泡的強制流動，增強氣-液混合的均勻性，并使氣泡變得非常細小，從而提高凈化效果。RDU除氣裝置的技術性能見表2—2—15，除氣效果見表2—2—16。渤海鋁加工廠引進的RDU裝置已投入生產使用多年，取得了較好效果。
表2-2—15 RDU凈化除氣裝置技術性能
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容量 /kg |
處理量 /t·h-1 |
噴嘴直徑 /mm |
噴嘴轉速 /r．min-1 |
加熱方式
|
加熱功率 /kW |
保溫功率 /kW |
升溫速度 /℃．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除氣效果
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合金 |
凈化氣體 |
金屬流量 /kg·min-1 |
氣體流量 /L·min-1 |
含氫量/mL·(100gAl)-1 |
除氣率 /% |
|
|
進 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是氣泡過濾(Gas Bubbling Fil—tration)的英文縮寫，它是l981年由 FOSEC0日本公司開發并投人使用的一種旋轉噴嘴形式的凈化裝置。其特點是：旋轉噴嘴(見圖2—2—20)轉速高(700 r/min)、產生氣泡細小均勻(直徑1～4 mm)、用氣量少(0.2 m3/tAl)，精煉效果好；凈化氣體只用Ar，不用Cl2，對環境無污染；凈化室內襯采用SiC— Si3N4，不粘鋁、耐腐蝕、耐磨損、易清理、壽命長(2—3年)；處理室上部有阻尼裝置，處理時液面平穩，金屬氧化損失少，渣量少。GBF設備主要性能見表2—2—17，其除氣效果見表2—2—18。
圖2—2—20 GBF噴嘴示意圖
表2—2—17 GBF主要技術性能
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型號 |
金屬流速 /t．h一1 |
噴嘴數 |
容量 /kg |
熔池內襯 |
箱蓋 |
加熱方式 |
加熱能力 /kJ/h |
備注 |
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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 |
石墨坩堝
SiC—Si3N4磚
SiC—Si3N4磚 SiC—Si3N4磚 |
隔熱保溫蓋
有提升機構
有提升機構 有提升機構 |
氣體燃料 或電 液化石油氣 或天然氣 同上 同上 |
200000 (30 kW) 410000
410000 410000 |
傾轉系統
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表2-2—18 GBF除氣效果實例
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型號 |
合金 |
鑄造方式 |
金屬流速 |
Ar流量 |
含氫量/mL·(100gA1)-1 |
除氣率 /% |
|
|
/kg·min-1 |
/L·min-1 |
處理前 |
處理后 |
||||
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1WS-KR 1WS 2WS 2WS |
6063 純鋁 6063 6063 |
水平連鑄 普羅佩茲鑄軋 立式半連續鑄錠 熱頂鑄造 |
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 |
