专利名称：有色金属熔液的净化方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及有色金属熔液的净化方法，特别是涉及一种为清除熔化了的铝液中的杂质如氢和氧化物等有害物质，使铝液净化，使铸件的品质和性能得到保证的铝金属熔液的净化提炼法，以及为实现该净化法而设计的设备。
传统的处理方法是直接向熔化炉内的铝液底部通入净化气体如氮气、氩气、氯气或精炼剂，产生的净化气泡向上浮升时，沿途吸附捕捉铝液中的杂质，包括氢和氧化渣，把它们带上铝液表面，氢气从铝液表面选出，氧化渣被耙出炉外。这种方法效率低，不均匀，劳动强度也很大。为了提高净化效果，使铝液得到彻底而均匀的处理，有关净化设备应运而生。较著名的，英国有FILD，法国有ALPUR，德国有HM-MAXIJET，美国有ALCOA，SNIF，PAL等等。不管是FILD还是SNIF，也不管是HM-MAXIJET，ALPUR还是PAL，它们有一个共同点，就是都采用传统的处理方法，向铝液底部通入氮，氯，氩等气体，形成大大小小的气泡，吸附悬浮在铝液中的氢气和杂质，把它们带上铝液表面。其不同处仅在于喷出净化气体的喷头设计和方法各不相同而已。FILD采用埋在炉底的石墨氮气扩散管，另加氧化铝珠吸附过滤杂质；HM-MAXIJET，SNIF，ALPUR，和PAL采用旋转转子。旋转转子的净化效率比直射的高。但是，如果净化气体只是氮气，那么，其净化效率也都不理想。
为了达到预定的净化效果，一方面，须增大设备容量，这造成结构庞大，相关费用和损耗也都很大。另一方面，如SNIF和ALPUR，则要求加入活化气体氯(C1)。HM-MAXIJET，SNIF和PAL更要求射入含有氯(Cl)或氟(F)等的净化剂；这些对人体健康和环境都有害。此外，为了防止翻滚的铝液氧化，减少铝耗和杂质，这些设备还要使用含有氯(Cl)或氟(F)等的覆盖剂，同样有环保问题。FILD使用石油气保温，每年烧掉大量的石油气，而喷出大量CO2，产生严重的温室效应，也很不环保。
为实现上述目的，本发明提供一种有色金属熔液的净化方法，该方法包括使净化气体由下而上穿过有色金属熔液而进行吸附净化，其特征在于，在气体吸附净化同时，在有色金属熔液上方抽真空，形成对熔液的负压吸引。
所述的净化气体为惰性气体，最好为氮气。
本发明进一步提供了实现上述方法的设备，其特征在于，该设备由有色金属净化装置和真空装置构成，其中真空装置与有色金属净化装置内熔液上方的空间相连。
有色金属净化装置可以是单室结构、多室结构或无室结构。
单室结构有色金属净化装置设有外壳，外壳内空间构成处理室，外壳上部装有与真空机连接的真空罩，外壳底部装有净化气扩散板，外壳底部装有闸板，其两侧设有金属液入口及金属液出口，真空罩上装有窥视镜。
单室结构有色金属净化装置设有外罩，外罩顶部装有真空盖及窥视镜，其底部装有底座，外罩内装有坩锅，坩锅底部装有钟形净化气扩散管，坩锅内还装有加热器。
多室结构有色金属净化装置设有外壳，外壳内空间被纵向分隔成清洁室和处理室，处理室上方设有真空室，处理室及清洁室内装有加热器，外壳内底部设有净化气扩散板，外壳上设有金属液入口及金属液出口，真空室上装有窥视镜。
无室结构有色金属净化装置是在熔化炉上部设有真空盖及窥视镜，并在炉内装有钟形净化气扩散管。
本发明的贡献在于，该净化法把氮气(N)气泡吸附和真空(V)负压吸引这样两个原来不相干的净化法有机地结合在一起，并通过一个设备实现了该方法。在该方法中，气体吸附和真空吸引一下一上，一推一拉，互相扬长补短。有效解决了环保，高效，节能，低耗等业界人士梦寐以求的问题。
本发明的高效表现在，该净化设备的水平面积63”*43”，FILD为75”*118”，即本发明设备的水平面积不足FILD的三分之一；该净化设备处理室的铝液只半吨，FILD约2吨，半连续铸造速度每分钟400kg。即铝液经该设备时，处理时间仅1分多钟，而经过FILD时则为5分钟，可是，经该设备处理的铝液，其净化效果仍优于FILD。特别是含镁(Mg)的铝合金，我们采用真空测气泡法，真空度29InHg，结果，未经该设备处理的铝液试样顶部向上鼓起，如汉堡包，切开后，其剖面千疮百孔；而经其处理过的铝液试样，顶部向中央呈规则凹陷，剖面密实。二者形成明显对比。FILD就难有这样明显的对比。法国ALPUR的性能比FILD差，其处理40分钟的净化效果还不如FILD的5分钟。
本发明的环保效果表现在，首先，本发明不使用对人体健康有害的氯气(Cl)，或含氯(Cl)含氟(F)的净化剂，而使用的是对人体健康和环境无害而又便宜的氮气。本发明主要依靠氮气(N)气泡吸附和真空(V)负压吸引等完全物理的方法的结合去净化铝液。其次，在铝液的净化过程中，本发明设备的处理室顶部真空无氧，翻滚的铝液无从与氧发生氧化反应，因此，不必像其它类型净化设备那样，需在铝液表面撒上一层含氯(Cl)或氟(F)的覆盖剂，也可以有效防止铝液氧化产生氧化铝渣。上述的FILD在使用中，每年耗资较大，并产生大量的CO2，严重污染工作环境，很不环保。本发明采用浸入式的电热棒，所产生的热量，可以完全被铝液所吸收，不但节约能量，也大大改善了环境。其它净化设备使用时，设备及周围充满氧化粉渣，而本设备则始终保持清洁干净。由此可见，本发明彻底解决其它净化设备所存在的环保问题，因而绝对是环保型的净化设备。
本发明的低耗表现在，本设备净化效率高，为达到同样的净化效果，所用容积较小，用三支8kw的电热棒加热，每年电费十几万。FILD用LPG加热，每年一百二十多万港元。使用本设备，较之使用FILD，每年可以节省能源支出一百多万港元。本设备也属真空处理，由于处理室顶部空间无氧，所以，净化处理时，不但不会产生新的氧化渣，还会使产生了的氧化铝还原为铝，大大减少金属损耗。这是FILD，SNIF，ALPUR，PAL等设备绝对办不到的。每次铸造结束时，设备内不像其它设备那样充满氧化铝渣，所能看到的是褐色的颗粒，刮到铝液里，实时熔化；取出后略加搅动即闪烁银色光泽。这说明，铝液中被吸出来的氧化铝被还原为铝。
本发明也适用于其它有色金属特别是铜合金的净化处理。铜合金在熔化过程中，其吸气和氧化比铝还严重，过往的净化处理一般使用氮气，用NSV设备进行净化处理，必有显著的效率和效果。
图2是
图1的侧视图。
图3是图2的俯视图。
图4是本发明的多室结构有色金属净化装置另一结构剖视图。
图5是本发明的单室结构有色金属净化装置结构剖视图。
图6是图5的侧视图。
图7是本发明的单室结构有色金属净化装置另一结构剖视图。
图8是本发明的无室结构有色金属净化装置结构剖视图。
一般气泡吸附的净化设备的处理室都是封闭或半封闭的，所以，当净化气泡从底部上升，吸附铝液中的杂质，包括氢和氧化渣，浮出液面，进入处理室顶部空间后，就聚集在那里，很快就形成饱和状态，产生压力，这就对继续由铝液中跑出来的杂质形成阻力，上层铝液的杂质的浓度也随着增高，势必削弱净化效率。为了提高净化效率，欧美的专家往往在化学方法和化学药剂上下功夫，以致效率提高不多，但却出现这样那样的环保问题。
如果处理室顶部空间的压力回复正常，那么，其所产生的净化阻力便可消除。如果处理室顶部空间的压力为负，就会产生更大的吸引力，进而提高净化气泡的净化能力。在进行真空气泡试验的时候可以看到，真空(V)负压会吸出铝液中所含的氢气。而且，从真空热处理的原理知道，真空处理不但可以防止热金属氧化，还能把金属氧化物中的金属还原出来。
但是，如果仅仅使用真空负压的方法也不行，因为，一方面，其对金属液上表层的作用较大，对底层的功效甚微；在静态状况下效率更差；另一方面，具体操作也有很多问题，很难在实际生产中使用。所以，至今仍找不到在实际生产中运用真空方法进行净化处理的成功例子。
本发明的方法中，有色金属熔液(本例中为铝液)进入有色金属净化装置的处理室后，开动真空泵，铝液便被真空负压扯高；与此同时，净化气体(本例中为氮气)经装置底部的净化气扩散板进入熔液。铝液表面因为从底部窜升上来的氮气泡而铝浪翻滚。氮气泡在处理室铝液中窜升时，沿途吸附捕捉铝液中的杂质，包括氢气和氧化物。铝液表面张力由于铝浪翻滚而削弱，氮气泡夹带氢气和氧化物，迅速冲破铝液表面，被吸入处理室顶部空间，经真空罩，抽气管道，冷却器，真空泵排出设备之外。铝液经过抽高处理后，沿着处理室的圆壁形成涡流(Spiral)，有规则地盘旋而下，一方面，由于涡流平面和从底部升上来的氮气泡流几成90°接触，使得该接触，既全面而均匀。另一方面，也由于离心力的作用，密度较大的铝分子被摔向涡流的外围，较轻的杂质，包括氢和氧化铝渣，则被质量较大的铝分子挤向涡流的中央，再被由底部窜升上来的氮气泡带上铝液表面，进一步增强净化效果。
本发明的方法中用氮(N)作为净化载体，这不仅因为它便宜，更主要是因为它对环境和操作者的健康无害，是环保的。本设备也可以采用氯(Cl)气，和氩(Ar)气为净化气体，甚至加入含氟含氯的净化剂，它可以提高净化效率，但这或者成本太高，或者存在严重的环保问题，所以，本设备不提倡使用，而且反对使用氯气。设计者相信，只要使用氮(N)为净化载体，只要和真空(V)负压相结合，已可达到很理想的净化境界。如果仍嫌不足，用户可以根据需要，增大设备容量，或放慢铸造速度，以增加处理时间，或在流槽上增装流槽型设备，都可以提高净化效率和净化效果。
氮气(N)气泡吸附与真空(V)负压相结合是使设备的净化效率产生质的飞跃。而且，也解决了其它净化设备无法克服的环保问题，并大大地节省金属损耗和生产成本，也使净化更全面，更均匀，效率更佳。
实现上述方法的设备可具有多种结构形式，图1-图3给出了一个最优的结构形式，它是一种多室结构，如图示，多室结构有色金属净化装置12设有外壳1201，外壳内壁上砌有耐火泥内衬1210，外壳内空间被纵向分隔成清洁室1202和处理室1203，清洁室用于存放清洁后的熔液，其上部的铰轴架1214上通过铰轴1212连接有清洁室炉盖1211。处理室用于对金属熔液进行净化处理，其上方通过装在铰轴架1216上的铰轴1217装有水冷式炉盖1218，并通过装在吊盖支架1219上的吊盖轴1220、轴承1221、链轮1222、1223、1224装有与水冷式炉盖相连接的传动链1225及吊链1226，水冷式炉盖可通过上述链轮装置打开，也可通过装在炉盖上的手动转臂1213手动打开。在水冷式炉盖上部装有真空室1204，它用于在熔液上方形成真空。真空室外部装有用于产生真空的真空装置20，它可以是真空泵或其它真空机械。真空室与处理室相通，真空室顶部装有真空罩1215。处理室及清洁室内各装有一支加热器1205，本例中加热器为电热棒，该电热棒可以采用如图1所示之直挂式，即将其上端连接于两个炉盖上，电热棒部分直挂于处理室及清洁室内；也可以采用如图4所示之横嵌式，即将电热棒的延伸部位按需要横嵌入炉腔耐火衬。不管是哪种形式，这种电热棒属内热式，或直热式，由于其直径只有30mm，且直接插在金属液中，因而使用方便，其所发出的热量又全被铝液所吸收，所以，优先推介使用这种电热棒。在外壳内底部砌有耐火砖1227及耐火板1228，耐火砖上部装有净化气扩散板1206，它与气泵相连接，该扩散板上布满气孔，用于将气体均匀通入金属熔液中，扩散板也可采用如实施例2中的钟形扩散管或其它各种旋转子。外壳上设有金属液入口1207及金属液出口1208，真空室上装有窥视镜1209，用以观察铝液表面液位，供调整真空度时参考。
本设备还可以在处理室和清洁室铺上氧化铝珠，氧化铝珠具有吸附过滤杂质的作用。还可以在清洁室出口处外挂一个带陶瓷过滤板的过滤箱，以过滤铝液中的杂质其。这些固然对铝液的品质有正面的作用，但它们对整个设备只是附属的。用户可根据具体需要决定是否有必要加装。
该设备工作原理可参见图1，铝液由处理室切线入口1207进入处理室1203后，开真空机20，铝液被扯高进行真空处理，然后沿着圆周壁形成涡流，盘旋而下。净化后的铝液经底部过道进入清洁室1202，再由清洁室出液口1208流入铸槽进行铸造。
该装置是用于连续或半连续铸造中较简便的装置。若条件许可，流槽型NSV装置也可以加入涡流功能。若条件不许可，可以不安排；但为了避免铝液被抽高后，后来的铝液短路，未经真空处理就直接流出，装置内应设置闸板。
铝液由金属液入口流入，升过闸板，流向金属液出口，输入氮气，开动抽真空机进行净化处理。窥视镜用以观察铝液表面水位，以调整真空度。为提高净化效果，应尽量增加装置的长度。
单室结构有色金属净化装置的另一结构形式如图7所示，该装置可用于非连续铸造过程。该装置11b设有外罩11b1，外罩顶部装有真空盖11b2及窥视镜11b3，其底部装有底座11b4，外罩内装有坩锅11b5，坩锅底部装有钟形净化气扩散管11b6，坩锅内还装有加热器11b7。
待处理的铝液，用坩埚之类器具装载，放入外罩内处理。该装置一般不受处理时间限制，可使净化效果达到最佳。该装置必须装设电热装置，以防止铝液因处理时间太长而凝固。它采用连接于外罩内的钟型净化气扩散管，也可以采用各种不同类型的旋转转子以提高除气效率。窥视镜用以观察铝液表面水位，以调整真空度。
该装置直接用于各种炉具如电感应熔炉或保温炉之上，盖上装有钟型净化气扩散管，以喷出氮(N)气；也可以采用各种不同类型的旋转转子以提高除气效率。不需要加装电热棒，因炉具本身已有加热功能(相当于外热式)。真空盖(V)则是必须的，这样才能与氮气气泡相结合，对金属液进行净化处理。
该装置和装置11b一样，不受处理时间限制，处理效果较为理想。
本发明并不局限于上述实施方式，任何以净化气吸附与真空吸引相结合的方式进行有色金属熔液净化的方法和相关设备以及与之有关的等效变换方式均将落入本发明的范围内。
权利要求
1.一种有色金属熔液的净化方法，包括使净化气体由下而上穿过有色金属熔液而进行吸附净化，其特征在于，在气体吸附净化同时，在有色金属熔液上方抽真空，形成对熔液的负压吸引。
2.根据权利要求1所述的有色金属熔液的净化方法，其特征在于，所述的净化气体为惰性气体。
3.根据权利要求2所述的有色金属熔液的净化方法，其特征在于，所述的净化气体最好为氮气。
4.实现权利要求1所述有色金属熔液的净化方法的设备，其特征在于，该设备由有色金属净化装置(10)和真空装置(20)构成，其中真空装置与有色金属净化装置内熔液上方的空间相连。
5.根据权利要求4所述的有色金属熔液的净化设备，其特征在于，所述有色金属净化装置(10)可以是单室结构、多室结构或无室结构。
6.根据权利要求5所述的有色金属熔液的净化设备，其特征在于，所述单室结构有色金属净化装置(11a)设有外壳(11a1)，外壳内空间构成处理室(11a2)，外壳上部装有与真空机连接的真空罩(11a3)，外壳底部装有净化气扩散板(11a4)，外壳底部装有闸板11a9，其两侧设有金属液入口(11a5)及金属液出口(11a6)，真空罩上装有窥视镜(11a7)。
7.根据权利要求5所述的有色金属熔液的净化设备，其特征在于，所述单室结构有色金属净化装置(11b)设有外罩(11b1)，外罩顶部装有真空盖(11b2)及窥视镜(11b3)，其底部装有底座(11b4)，外罩内装有坩锅(11b5)，坩锅底部装有钟形净化气扩散管(11b6)，坩锅内还装有加热器(11b7)。
8.根据权利要求5所述的有色金属熔液的净化设备，其特征在于，所述多室结构有色金属净化装置(12)设有外壳(121)，外壳内空间被纵向分隔成清洁室(122)和处理室(123)，处理室上方设有真空室(124)，处理室及清洁室内装有加热器(125)，外壳内底部设有净化气扩散板(126)，外壳上设有金属液入口(127)及金属液出口(128)，真空室上装有窥视镜(129)。
9.根据权利要求5所述的有色金属熔液的净化设备，其特征在于，所述无室结构有色金属净化装置(12)是在熔化炉(124)上部设有真空盖(121)及窥视镜(122)，并在炉内装有钟形净化气扩散管(123)。
全文摘要
一种有色金属熔液的净化方法及设备,方法包括使净化气体由下而上穿过有色金属熔液而进行吸附净化,其特征在于,在气体吸附净化同时,在有色金属熔液上方抽真空,形成对熔液的负压吸引。设备由有色金属净化装置和真空装置构成,其中真空装置与有色金属净化装置内熔液上方的空间相连。有色金属净化装置可以是单室结构、多室结构或无室结构。本发明的净化方法使有色金属熔液的净化处理既符合环保要求,又达到高效,节能,低耗的目的,本发明的净化设备则使得上述方法更易于实施。
文档编号C22B9/05GK1354268SQ0112984
公开日2002年6月19日 申请日期2001年10月30日 优先权日2001年10月30日
发明者黄德盛 申请人:黄德盛