专利名称：有色金属熔液净化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法及设备，特别是涉及一种主要依靠动态真空净化处理来实现有色金属熔液净化的真空净化法及设备。
背景技术：
直到上世纪末，有色金属净化方法及设备，不管是在国内还是在国外，不管是美国，还是欧洲；不管是ALPUR，还是SNIF或是最近的ACD，大都采用净化气体气泡吸附的方法。使用这些方法或设备进行净化处理时，由于金属熔液顶部空间不是真空的，含有氧和包含氢在内的废气，在金属熔液表面布满熔化过程中产生的，或净化过程中净化气泡带上来的氧化渣和其它有害杂质，而且，由于其空间密闭或半密闭，随着净化处理的继续进行，其浓度越来越高，压力也越来越大。如果金属熔液表面产生浪花，就使得扩大了的金属熔液表面必然增加与上述包括氢在内的废气接触的机会，使它们反溶入金属熔液中；其破裂的氧化表面使金属熔液本身和氧接触，继续氧化，产生新的氧化渣；而翻滚的浪花，也必然会将悬浮在金属熔液表面的夹杂及金属熔液顶部空间包含氢在内的废气卷入金属熔液中，不但恶化净化效果，金属损耗也会很严重，这已为实验和检测所证实。所以，传统的净化方法都要求金属熔液表面平稳，防止出现浪花。
上世纪末出现的转子喷射净化法，如上述ALPUR，SNIF，ACD等，不管其转子形状如何，它们都有一个共同的特点，就是在净化过程中，其金属熔液表面都很平稳，没有浪花。转子喷射法提高了净化气体吸附法的净化水平，这是由于不管转子喷射法的净化气泡的喷射力有多大，也都会消耗在处于水平位置的转子的旋转平面上，其气泡即使再大，也都会被转子切割成极微小的细泡，当它们升上金属熔液面时已趋于平静，所以，金属熔液的表面自然平稳无浪，只有轻微的晃动。该法都以此为要点，而风行于欧美。
但是，为了提高净化效率，上述方法要求在净化气中加入氯气，或含有氯或氟的化学药剂，进行化学吸附。这些方法还要求在金属熔液表面撒上一层含有氯或氟的覆盖剂，其目的就是想隔绝金属熔液晃动的表面与氧的接触，防止再氧化，减少金属损耗。但这些化学药剂和氯气都对人类健康和环境都有害，不符合环保的要求。
有人使用真空的方法进行净化处理，有静态的，也有动态的，其优点在于符合环保要求。虽然真空净化法对金属熔液表面层的净化效率极佳，而对深层金属熔液则甚微，所以，静态的真空处理至今还未能在工业中运用。一种动态的真空处理方法是在真空处理炉内达到一定真空后，向真空炉内喷射金属熔液，形成细小液滴，所含氢气和氧化杂质迅速析出，其中的钠也蒸发燃烧。但此种方法至今仍未能产业化。
上世纪末，本世纪初，欧美有人在使用净化气对金属熔液进行净化处理时使用抽真空的方法。如专利号为US5340379A，名称为Jet flow devicefor injecting gas into molten metal and process公开的净化法，该方法在喷射净化气和净化物质的程序中加入了抽真空。不过，其抽真空仅用于将金属熔液从熔炉(furnace chamber)运往储存室(reservoir chamber)，然后再用正压力(positive pressure)，将金属熔液从储存室送入熔炉，每个周期10-15秒。当金属熔液在正压力的作用下从储存室经输送孔道压入熔炉时，装于输送孔道末端的圆锥型管嘴喷射出净化气体及净化物质，对该金属熔液进行净化处理。在此处理过程中，抽真空并未直接发生作用，即该净化处理本身实际上仅由装于输送孔道的圆锥型管嘴喷射出的净化气体和净化物质来完成的，抽真空没有直接参与此净化处理。
专利号为EP1081240A1，名称为Stirrer equipment for the continuoustreatment of liquid metal专利所公开的净化法在净化室采用了抽真空。该净化处理的侧重点在搅拌器(stirrer)，该法使用转子(ROTOR)喷射净化气体和净化微粒时，其喷射压力很大，约为200bar，但都消耗在转子的旋转平面上，而净化气泡又被切成微泡，当它们升上金属熔液顶部时已趋于平静，金属熔液顶部平稳无浪，只有轻微的晃动，其净化室的真空进行的净化处理属静态真空处理。其净化效果是净化气体气泡净化和静态真空净化效果相加。该法的优点之一是，净化室处于真空时，将影响金属熔液和上部空间蒸汽压的平衡，使得金属熔液中的钠和氢容易析出；优点之二是，抽真空时使反应室内的金属熔液水位提高，从而增加净化路程，净化气体得以充份利用；优点之三是，抽真空可以减少渣；优点之四是，抽真空可以减少粉尘。然而上述优点是一般真空处理或静态处理都具有的，它们没能发挥真空净化对表层金属熔液效果特佳的优势，该法的真空负压最少为0.2bar(at least 0.2bar)。为了提高其净化能力，该法除使用净化气外还要使用净化微粒，进行化学吸附，提高净化效率，很显然，该法也有其明显的局限性。
发明内容
本发明旨在解决传统的有色金属熔液净化法中所存在的环保问题的同时，进一步提高金属熔液的净化效率，大幅度降低生产成本，并易于操作和在工业上应用，而提供一种新的动态真空处理的有色金属熔液净化法。
本发明的目的还在于提供实现该方法的设备。
为实现上述目的，本发明提供一种有色金属熔液净化法，该方法包括使用以氮气为主要净化气的净化气泡由下而上穿过有色金属熔液，沿途吸附金属熔液中的氢和有害杂质，把它们带到金属熔液的顶部，其特征在于，该方法还包括如下步骤a、带着氢和有害杂质的净化气泡在金属熔液顶部形成上下翻滚跳跃的浪花；b、在金属熔液顶部空间抽真空，形成0.1～10托的真空负压，通过浪花翻跃的金属熔液表层，对金属熔液中的氢和有害杂质进行动态的真空净化处理；c、控制金属熔液的流向，使所有金属熔液都能在金属熔液顶部的浪花中进行动态的真空净化处理。
金属熔液的流向控制是将金属熔液从设于净化室圆筒壁切线上的入口流入圆筒型净化室，首先被真空负压吸高，在净化气泡激起的浪花中进行动态真空净化处理，然后沿着净化室的圆筒壁旋转而下，进行涡流离心和净化气泡吸附相结合的净化处理。
金属熔液的流向控制是将金属熔液在净化设备的高位闸板和低位闸板控制下，上下起伏，呈波浪形向前流进，使所有金属熔液都能升到低位闸板顶部，在净化气泡激起的浪花中进行动态真空净化处理。
金属熔液的流向控制是将金属熔液通过净化设备的双向搅拌器上下循环对流，净化气通过管道射入金属熔液中，随着对流的金属熔液，在金属熔液顶部激起浪花，进行动态的真空净化处理。
净化设备由净化室和清洁室构成，净化室呈圆筒型，在其圆筒壁切线方向上设有金属熔液入口，净化室底部设有净化气扩散器，圆筒壁底部一侧通过暗道与清洁室相连，圆筒壁底部另一侧设有上、下两个放液口。
净化设备由净化槽和净化罩构成，其中，净化槽底呈圆弧状，在槽体两侧固定嵌入棒状净化气扩散器；净化罩底部挂接多个高位闸板和低位闸板，净化罩上设有真空帽，通过它将净化设备与真空装置相连。
净化设备由金属熔液的熔具或载具及置于熔具或载具顶部的净化罩构成，净化罩则包括双向搅拌器和真空帽，其中双向搅拌器装在搅拌器罩体内，真空帽连接于双向搅拌器顶部，且净化设备通过真空帽与真空装置相连。
搅拌器呈圆柱状，它包括上搅拌泵和下搅拌泵，两个搅拌泵的爪向相反，并通过中心管相连，上搅拌泵上设有输送净化气的输送孔。
本发明的贡献在于，它提供了一种用于金属熔液净化的动态的真空净化方法。与传统的净化处理方法明显不同的是，本发明的方法在净化处理过程中要求在金属熔液表面产生浪花。因为在该净化处理过程中，金属熔液顶部空间抽真空，那里没有氧，不会使液态金属继续氧化，还会使混有氢的氧化渣还原出纯金属。含有氢的废气刚从金属熔液中析出，即被抽走，所以，不必担心它们会反溶入金属熔液中。当金属熔液表面有浪花翻滚时，不必担心有含氢的废气和氧化夹杂被卷入金属熔液中。相反，根据溶解度原理，氢必然由溶解度高的金属熔液转移至溶解度较低的真空中。更重要的是，金属熔液顶部空间的真空负压不但会吸走该空间里包括氢和氧化渣在内的废气，还会吸出金属熔液中的氢和氧化夹杂，那无数大大小小的浪花削弱或破坏金属熔液的表面张力及其所形成的阻力，使金属熔液中原已有的，及净化气泡沿途所吸附的有害杂质和氢更容易被真空负压吸出。
最重要的是，由于真空净化处理有一个很重要的特点，即它对金属熔液表层的净化效率极佳，但对金属熔液深层的净化效率则极差，距离越大，效果越微。本发明的方法要求产生浪花充分发挥了真空吸引对金属熔液表层的净化效率佳的优势。因为，浪花缩短了金属熔液中的氢及各种有害杂质到金属熔液表面的距离，在真空条件下，即是缩短其被真空负压吸出的距离；浪花扩大金属熔液的表面积，在真空条件下，就是扩大金属熔液在真空中被真空负压吸出的表面积，增加其被吸出的通道。而深层金属熔液里的氢和各种有害夹杂则由净化气泡在金属熔液中上升时，沿途吸附，将它们带上金属熔液顶部的浪花中。在净化过程中，真空净化吸引和净化气泡吸附既分工，又合作，有主有辅，相辅相承，进行动态的真空净化处理，使得净化处理的净化效率和净化效果产生质的飞跃。可以肯定，如果没有浪花，其净化效率将大打折扣。这也是本发明的真空处理的特征和精髓之所在，也是它和一般同时使用净化气体搅拌和静态真空的净化法如US5340379和EP1081240A1的区别所在。
由于该方法的净化功能主要依靠金属熔液充满浪花的顶部进行动态的真空净化处理来完成的，净化室底部的扩散棒喷射出来的净化气泡用以吸附深层金属熔液中的氢和夹杂，和在金属熔液顶部激起浪花，所需要的净化气体供应压力不必太大，一般仅为4bar，而EP1081240A因主要依靠转子喷射净化气泡进行净化处理，因而需要使用高达200bar的供应压力，二者相差50倍。在该净化处理过程中，其真空负压力为10托-0.1托，1托为佳。这已足够提升净化室内的金属熔液，吸出金属熔液顶部浪花中的氢和有害夹杂。而EP1081240A1的专利方法所需的真空负压最少为0.2bar，较本发明的方法高出百多倍。较低的真空负压和较低的净化气供应压力，使得本发明的方法的制作和生产成本都可以大幅度降低，也易于操作。因此本发明的净化法更具竞争力。
但是，仅仅在金属熔液顶部产生浪花还是不够的，还必须使所有金属熔液都同样受到真空负压近距离净化吸引才有意义，才能转化为生产力，付诸工业应用。因为如果没有控制好金属熔液的流向，便只有部份金属熔液得到真空动态净化处理，大部份金属熔液则得不到这种处理。本发明的净化法特别注重对金属熔液的流向进行有序的控制，以确保所有金属熔液都能在金属熔液顶的浪花中均匀地受到净化处理。本发明的多种金属熔液的流向控制方法使得金属熔液各部分都能在金属熔液表面及其浪花中得到全面而均匀的动态真空净化处理。
图1是本发明的实施例1的净化设备结构示意图，其中图1A为正视剖视图，图1B为俯视图，图1C为侧视剖视图。
图2是本发明的实施例2的净化设备在非净化状态下结构示意图，其中图2A为侧视剖视图，图2B为正视剖视图。
图3是本发明的实施例2的净化设备在净化状态下结构示意图，其中图3A为侧视剖视图，图3B为正视剖视图。
图4是本发明的实施例3的净化设备结构示意图，其中图4A为净化设备的双向搅拌器结构示意图，图4B为搅拌器顺时针转动状态示意图，图4C为搅拌器逆时针转动状态示意图。
具体实施例方式
实施例1此实施例是本发明的涡流离心式净化法的实例。
在非净化状态时一般须在装置内储存金属熔液。金属熔液净化时，金属熔液从净化室入口111流入净化室，由底部净化气扩散棒113喷射出来的净化气泡在金属熔液中上升时，沿途吸附金属熔液中的氧化杂质和氢，并在金属熔液顶部激起浪花。真空泵开动时，金属熔液被抽高，真空负压对浪花进行动态的净化处理，吸出金属熔液中的杂质和氢。经过浪花真空处理的金属熔液沿着圆筒内壁盘旋而下，产生涡流离心力，质量较大的金属熔液被摔向外围，质量较轻的氢和氧化夹杂则被挤向涡流的中心，再由底部扩散棒喷射出来的净化气泡把它们带上金属熔液顶部。经过净化处理，再经涡流离心和净化气泡吸附联合处理的清洁的金属熔液则由净化室底部暗道进入清洁室，再经清洁室的出口进入铸造系统。金属熔液的盘旋涡流的另一作用是延长了金属熔液的净化路程，而盘旋涡流的涡流面和氮气泡上升方向几成直角，都增强了净化效率和净化效果。
实现上述方法的设备由图1、图2示出，涡流离心式净化设备由净化室11和清洁室12构成，净化室为圆筒型，金属熔液入口111设于净化室上部圆筒壁的切线上，圆筒壁底部设有暗道112和清洁室12相连，圆筒壁底部另一侧设有上下放水口114。净化室底部嵌有净化气扩散棒113，扩散棒用石墨或其它耐火材料制成，棒中心有一长孔，棒身充满密密麻麻的微细小孔。净化室顶有净化罩13，净化罩上设有真空帽131、电热棒132、窥视镜133、真空表134，通过真空帽和抽真空装置相连。清洁室上部设有出液口121，净化过的金属熔液通过该出液口流入铸造装置。清洁室顶有清洁室罩14，清洁室罩设有电热棒141、窥视镜143、真空表144，还可以装上真空帽142和真空装置相连(视需要而定)。
实施例2此实施例是本发明的波浪式净化法的实例。
该法在金属熔液非净化时不必在装置里储存金属熔液，金属熔液净化时，由于熔液入口紧贴槽底，质量较轻的氧化夹杂和氢有上浮的倾向，当金属熔液从流槽里流入时，这些氧化夹杂即被挡在入口上方的闸板212前。金属熔液进入第一仓后，沿着第一道闸板—低位闸板225向上爬升，金属熔液中的氧化夹杂和氢有被挤出的倾向，底部两侧净化气扩散管散发出来的净化气泡上升时，沿途吸附这些氢和夹杂，把它们带上金属熔液顶部，并在那里激起无数大大小小的浪花，进行动态净化处理。被处理过的金属熔液在第二仓下降，流入第二道闸板—高闸板224的底部通道，而铝液中的氧化渣和氢，由于浮力的关系，有背向析出的倾向，再被由底部窜升上来的净化气泡所吸附，带上铝液顶部进行动态净化处理。金属熔液在第三仓和第四仓，第五仓和第六仓，如同在第一仓和第二仓那样，进行净化处理。经过这四下三上，六道不同方向的氮气气泡吸附，三次动态真空负压吸引，必然使其净化效率和净化效果产生质的飞跃。
实现该方法的设备由图3示出，该净化设备由净化槽21和净化罩22构成。净化槽底部呈圆弧状，弧底两侧嵌有净化气体扩散棒211，扩散棒中心有一长孔，棒身充满细密微孔。槽的两端分别为金属熔液的入口和出口，出入口紧贴槽底，由圆弧型的槽底和上部的闸板212围成。净化罩上装有窥视镜222、真空压力表22 3、真空帽221，净化罩底部挂着高位闸板224和低位闸板225。闸板数目视槽的长度和具体需要而定，最少一个(低位闸板)，一般为5个，当然可以更多。该净化设备通过真空帽与抽真空装置相连。
实施例3此实施例是本发明的对流式净化法的实例。
该法是将金属熔液通过净化设备的双向搅拌器上下循环对流。如图4B所示，当搅拌器顺时针转动时，金属熔液从上搅拌泵311流入，经中心管313、下搅拌泵312喷出，和搅拌器外的金属熔液形成循环。如图4C所示，当搅拌器逆时针转动时，金属熔液从底部搅拌器312流入，经中心管313、上搅拌泵311喷出，和搅拌器外的金属熔液形成另一循环。金属熔液在循环中产生上下对流。搅拌器头部中心有一细直径的管孔314，和上搅拌器相连。净化气从该细管孔进入，再经搅拌泵射入金属熔液中，产生气泡，吸附金属熔液中的氧化夹杂和氢，带上金属熔液顶部，随着对流的金属熔液，产生无数大大小小的浪花。当金属熔液顶上空间形成真空时，这真空负压即对这些浪花进行动态的净化处理。
实现该方法的设备如图4A-图4C所示，该净化设备为圆棒型，由耐火材料制成，它包括上搅拌泵311和下搅拌泵312，两个搅拌泵的爪向相反，并通过中心管313相连，上搅拌泵上设有输送净化气的输送孔314。双向搅拌器与真空帽构成真空罩，搅拌器通过头部细径管连接净化气供应装置，真空帽和抽真空装置相连。真空罩上装有窥视镜，电热棒。真空罩可以罩在各种不同的炉具和金属熔液载具上，形成密闭空间，进行净化处理。真空罩和炉具或载具的组合形式多种多样。可以二者结合成一整体，也可以各自独立分开；可以使金属熔液炉具固定，移动真空罩去就炉具，也可以使真空罩固定，移动载具去就真空罩。这些组合主要用于非连续铸造，但也可以用于连续铸造。
权利要求
1.一种有色金属熔液净化法，包括使用以氮气为主要净化气的净化气泡由下而上穿过有色金属熔液，沿途吸附金属熔液中的氢和有害杂质，把它们带到金属熔液的顶部，其特征在于，该方法还包括如下步骤a、带着氢和有害杂质的净化气泡在金属熔液顶部形成上下翻滚跳跃的浪花；b、在金属熔液顶部空间抽真空，形成0.1～10托的真空负压，通过浪花翻跃的金属熔液表层，对金属熔液中的氢和有害杂质进行动态的真空净化处理；c、控制金属熔液的流向，使所有金属熔液都能在金属熔液顶部的浪花中进行动态的真空净化处理。
2.根据权利要求1所述的有色金属熔液净化法，其特征在于，金属熔液的流向控制是将金属熔液从设于净化室圆筒壁切线上的入口流入圆筒型净化室，首先被真空负压吸高，在净化气泡激起的浪花中进行动态真空净化处理，然后沿着净化室的圆筒壁旋转而下，进行涡流离心和净化气泡吸附相结合的净化处理。
3.根据权利要求1所述的有色金属熔液净化法，其特征在于，金属熔液的流向控制是将金属熔液在净化设备的高位闸板和低位闸板控制下，上下起伏，呈波浪形向前流进，使所有金属熔液都能升到低位闸板顶部，在净化气泡激起的浪花中进行动态真空净化处理。
4.根据权利要求1所述的有色金属熔液净化法，其特征在于，金属熔液的流向控制是将金属熔液通过净化设备的双向搅拌器上下循环对流，净化气通过管道射入金属熔液中，随着对流的金属熔液，在金属熔液顶部激起浪花，进行动态的真空净化处理。
5.一种实现权利要求1所述净化法的设备，其特征在于，净化设备(10)由净化室(11)和清洁室(12)构成，净化室呈圆筒型，在其圆筒壁切线方向上设有金属熔液入口(111)，净化室底部设有净化气扩散器(113)，圆筒壁底部一侧通过暗道(112)与清洁室(12)相连，圆筒壁底部另一侧设有上、下两个放液口(114)。
6.一种实现权利要求1所述净化法的设备，其特征在于，净化设备(20)由净化槽(21)和净化罩(22)构成，其中，净化槽底呈圆弧状，在槽体两侧固定嵌入棒状净化气扩散器(211)；净化罩底部挂接多个高位闸板(224)和低位闸板(225)，净化罩上设有真空帽(221)，通过它将净化设备与真空装置相连。
7.一种实现权利要求1所述净化法的设备，其特征在于，净化设备由金属熔液的熔具或载具(40)及置于熔具或载具顶部的净化罩(30)构成，净化罩则包括双向搅拌器(31)和真空帽(32)，其中双向搅拌器装在搅拌器罩体内，真空帽连接于双向搅拌器顶部，且净化设备通过真空帽与真空装置相连。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述搅拌器(31)呈圆柱状，它包括上搅拌泵(311)和下搅拌泵(312)，两个搅拌泵的爪向相反，并通过中心管(313)相连，上搅拌泵上设有输送净化气的输送孔(314)。
全文摘要
一种有色金属熔液净化法及设备，该方法包括使用以氮气为主要净化气的净化气泡由下而上穿过有色金属熔液，沿途吸附金属熔液中的氢和有害杂质，把它们带到金属熔液的顶部，其特征在于，该方法还包括如下步骤a.带着氢和有害杂质的净化气泡在金属熔液顶部形成上下翻滚跳跃的浪花；b.在金属熔液顶部空间抽真空，形成0.1－10乇的真空负压，通过浪花翻跃的金属熔液表层，对金属熔液中的氢和有害杂质进行动态的真空净化处理；c.控制金属熔液的流向，使所有金属熔液都能在金属熔液顶部的浪花中进行动态的真空净化处理。本发明还包括实现上述方法的设备。本发明在解决传统净化处理中所存在的环保问题的同时，有效提高金属熔液的净化效率，大幅度降低生产成本，并易于操作和在工业上应用。
文档编号C22B9/05GK1544667SQ20031011235
公开日2004年11月10日 申请日期2003年11月24日 优先权日2003年11月24日
发明者黄德盛 申请人:黄德盛