专利名称：采用混料叶轮用颗粒状处理剂对熔融金属的处理的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用颗粒状处理剂特别是用于去除杂质以及去除非金属或金属元素，对熔融金属，如熔融铝，进行处理的方法和设备。
背景技术：
在铝工业中长期以来一直使用颗粒状处理剂如卤化物型盐，例如氯化物或氟化物或其混合物，对熔融铝进行处理以除去其中的杂质和碱金属。例如，加入MgCl2可以除去碱金属；而加入NaCl，KCl和冰晶石的混合物则可用于除去熔融铝中的固体物质。
Venas等人在美国专利5413315中对早期使用的这一体系进行了描述。其方法是，将颗粒状处理剂随气体一同经底端具有锥形转子的中空的驱动轴向下注入。颗粒状处理剂，如氟化物盐类或金属合金粉末，与气体的混合物被注入锥形区中，同时提供一机械装置用于将过量气体从锥形区中抽出。这种设计的主要目的是以最小的搅动，完成颗粒状处理剂和熔融铝的混合。
Forberg等人在1999年11月27日公开的加拿大专利申请2272976中公开了使用颗粒状处理剂处理熔融铝的其它一些方法。文中对若干用于熔炉处理的转子进行了描述。其中一些转子上带有凸出的齿，呈剪切型。通过转子或靠近转子单独添加处理用盐类，如氟化物。
Skibo等人在美国专利6106588中描述了另一种用于向熔融铝中注入颗粒状处理剂的具有带齿转子的设备。然而，该设备设计用于添加不溶解于或不熔融于熔融铝的颗粒状材料，如碳化硅或氧化铝。因此，本发明涉及形成高剪切区域以利于那些本质上难于浸润的颗粒状材料的润湿。
英国专利1422055中公开了一种用于将金属或盐的粉末注入熔炉内熔融金属中的设备，该设备中有一尖端成角度的喷管。盐或生料通过一螺旋装置输送到喷管的末端，并使用足量气体使金属离开喷管尖端处。
Provencher等人在美国专利5080715中描述了熔融铝处理的另一种体系，其方法是将盐，如氟化物，氯化物或其混合物注入到涡流中，而气体则通过一驱动轴注入。
本发明的目的之一为提供一用于向熔融金属，例如熔融铝中添加颗粒状处理剂的改进型工艺和设备。
本发明的另一个目的为提供这种改进型工艺和设备，其中，仅将最少量气体导入熔融金属，就可使处理剂和熔融金属间实现最大化接触。
本发明的另一个目的为提供这种改进型工艺和设备，其中，固相、液相或气相处理剂可有效加入并分散于熔融金属中。
发明公开内容从最广义角度来说，本发明涉及一种使用颗粒状处理剂对熔融金属进行处理的方法。在这种方法中，金属材料在一处理容器，如桶形容器中熔化。一混料叶轮基本上安置于熔融金属表面下方。该叶轮包括一板，最好为平整和圆形的，和从板表面延伸出的一组间隔排列的叶片。该叶轮适于提供涡流最小的高剪切混合。围绕一基本上直立轴旋转叶轮时，颗粒状处理剂经由一熔融金属表面下方的注入管进料并进入位于驱动轴和叶轮边缘之间的区域。这样会导致在叶片区域产生高剪切作用，由此处理剂快速被打碎成细小分散的熔滴，并在熔融金属中流转。由处理剂形成的熔滴可为固相、液相或其混合物。
在一优选实施例中，叶片均位于圆形板的边缘处，并沿板边缘切线方向，即叶片的长度方向位于叶轮板运动的切线上定向。
在另一优选实施例中，叶片被径向安装到圆形叶轮板上，即叶片的长度方向位于叶轮板的半径方向上。
尽管优选叶片位于叶轮板的顶表面，也可以将叶片安装在叶轮板的底表面上。
伴随最少量气体，处理剂以致密相给料的方式进料，该气体的量仅能维持处理剂流动畅通和避免任何熔融金属进入颗粒状材料进料导管端部。该气体优选惰性气体，例如氩气、氦气或氮气。将该气体导入到一密闭的处理剂储罐中。
处理剂可以包括一种或多种氯化物或氟化物盐或其混合物。在添加并与液态金属混合后，根据盐的种类和工艺条件，这些盐可以呈气相、液相或部分液相。同时，最好能够确保叶轮板平整，以避免发生材料截留，妨碍处理剂在广度范围内有效分散。
现已发现通过精心布置颗粒状处理剂相对于叶轮的进口，叶片可非常迅速地将处理剂打碎成细小分割的熔滴，并均匀分散于熔融金属中。通过在邻近叶轮叶片处将处理剂打碎成熔滴，大大增加了处理剂和熔融金属间的接触面积，进而大大提高了处理效率。此外，由于所加入的气体量远低于正常气体用量，降低了处理剂被气泡带到熔融金属顶部而导致其处理作用失效的倾向。
本发明的另一方面包括一用于实施以上方法的设备。这种设备包括(a)一个适于装盛熔融金属的处理容器，(b)一个叶轮，该叶轮安装于驱动轴下端，基本上垂直向下延伸进入容器，该叶轮包含一板，上有从板表面延伸出的一组间隔排列的叶片，适于提供包含于容器中的熔融金属的涡流最小的高剪切混合，(c)用于颗粒状处理剂进料进入位于驱动轴的轴和叶轮边缘之间区域的注入装置，以及(d)用于旋转所述驱动轴和叶轮，由此产生高剪切混合的装置。
在本发明的一优选实施例中，叶轮叶片均向上取向排列，处理剂通过一固定住的注入管向下进料，进入位于该轴和叶轮边缘之间、靠近叶轮板顶表面的区域。
在本发明的另一优选实施例中，叶轮叶片在平整的叶轮板底面上均向下定向，叶轮安装在一中空的、可旋转的驱动轴上。处理剂经过该中空的驱动轴向下进料进入叶轮下方中空的驱动轴出口与向下定向的叶轮叶片边缘之间的区域。
在以上任一实施例中，叶轮叶片可位于圆形板的边缘处，并沿板边缘切线方向取向；或可沿径向安装到圆形叶轮板上。
沿径向安装的额外的搅拌叶片可提供用于辅助容器中熔融金属的全面混合。这些沿径向安装的搅拌叶片可从叶轮叶片位置被安装在叶轮板的背面。当这种沿径向安装的搅拌叶片被安装在叶轮板的顶表面时，它们必须有足够小的面积以使其在金属中不会产生任何大涡流。
在叶轮或搅拌叶片安装在叶轮板的顶表面的所有情况下，通过调节与叶片运动方向相垂直的叶片的横截面积可实现对涡流的控制。特别是，叶片扫过的体积与垂直于驱动轴的叶轮板的面积比不应超过0.06米。这一比值最好在0.002-0.06米的范围内。
以上特征的最佳优选组合为在旋转轴上使用带有在叶轮叶片顶部边缘处沿切线方向定向安装的叶片和在底端沿径向安装的叶片的一平整圆形叶轮板。使用一固定的进料管，该进料管终止于驱动轴与叶片边缘之间的邻近叶轮板的顶表面。这种特征组合特别有利于使叶轮的主要功能更加灵活，其中包括(a)带有最少量添加气体的多种处理剂的可靠进料，(b)将处理剂的剪切从在金属中所产生的熔滴的搅拌中分离出来以及(c)金属中涡流有害作用的最小化。
叶片运转的圆周速度以及颗粒状处理剂的注入位置等特征为处理剂与金属之间尤其是在叶片的外围区域中提供非常高强度的初始接触。由此产生一很高剪切作用，形成细小分裂的处理剂熔滴。叶片通常以切线或边缘方向速率约5-20m/sec(在叶片圆周外围测定)，最好至少为8m/sec运转。叶轮的旋转速率通常在300-800rpm范围内。
根据本发明一优选特征，叶轮在高强度剪切条件下仅运转较短一段时间，例如少于5分钟(最好少于3分钟)以分散细小的盐类熔滴，随后进行的是一较长时间的(可达10分钟，更优选达到5分钟)缓慢地或非混合阶段，同时允许分散好的盐类熔滴与熔融铝发生反应。
以下，结合实施例中的附图对本发明进行详细描述，其中图1是如本发明所述的一处理容器中部分区间的正视图；图2是一叶轮的透视图；图3是该叶轮的正视图；图4是该处理容器中部分区间的另一正视图；图5是另一种叶轮设计的正视图；图6是图5中叶轮的底部透视图；图7是另一种叶轮设计的透视图；和图8是一透视示意图，用于说明扫过体积和垂直于叶轮旋转方向的面积是如何计算的。
本发明的最佳实施形式提供一个盛装熔融铝的容器10，例如一料桶。该料桶10被一用于支承混合和进料系统的覆盖组件11罩住。
一石墨材质的驱动轴15自覆盖组件11向下延伸，其底部与叶轮16相连接。驱动轴15的上端与另一驱动轴18相连接，该驱动轴18带有一皮带轮19，通过皮带与驱动电机20相连接。
一用于添加处理剂的注入管17向下延伸至靠近叶轮16的顶表面处，如图1-4所示。注入管17的上端通过一柔性管22与颗粒状处理剂的储罐21相连接。该储罐为一密闭容器且用惰性气体稍微加压。进入注入管上端的处理剂在重力作用下下落到底部。在管中维持一小流量气体用以阻止金属在管中回流。所需气体量最好少于40标准升气体/千克添加的处理剂。例如约1-40标准升/千克。
图2和图3为叶轮16更详细的结构，其中包括一安装于驱动轴15底端的板25。一组沿切线方向安装的齿26绕板25顶表面边缘延伸。板25和齿26由石墨制成。图2和图3中还示出了许多沿径向在叶轮板底面即与叶轮叶片相对的面上可选安装的搅拌叶片27。这些并非必需，它们可用于增强对金属的搅拌作用。
从图4中可看出驱动轴15和叶轮16最好偏离料桶10的中心位置且在料桶下部区域的叶轮刚好位于熔融铝表面的下方位置。该叶轮最好至少浸入50％(即在料桶中金属中间位置的下方)。这样可确保涡流最小。
图5和图6为本发明的另一实施例。在该实施例中，使用一中空的驱动轴31，该驱动轴与带有从其底面突出的外边缘齿26的板30相连接。在这种设计中，板30有一中心孔32，用于安装驱动轴31。通过中空驱动轴的内部，处理剂连同最少量载体气体向下供给。这样，处理剂熔入快速流动的熔融金属并向外传输至邻近叶片26的区域，在此区域经历高剪切作用。这种设计的叶轮在其顶表面同样也可选择地装备沿径向的搅拌叶片。
本发明的另一实施例如图7所示。在这一实施例中，一系列沿径向布置的叶片40被安装在与旋转驱动轴42垂直的圆形板41的顶表面上，并向外延伸至板的边缘。通过一固定的进料管43将处理剂和最少量负载气导入至圆形板圆周内径向叶片上边缘上方处。在该实施例中，径向叶片既起到剪切熔融或部分熔融的处理剂熔滴的作用，同时又提供了搅拌金属的作用。
如图7所示的径向叶片或任何以这种方式安装在叶轮顶表面的用于搅拌熔融金属的径向叶片，如图2和图3所示，必须不会对金属产生过大的阻力，过大阻力由此导致涡流的形成。
图8显示了如何确定横截面积限幅。图中，叶片45安装在圆形叶轮板46的顶表面上。为方便起见，图中仅示出两个叶片，但可使用任何合适数量的叶片。当板旋转时，叶片扫出一体积47。定义叶片面积限幅为扫过体积47与叶轮板突出的面积48的比值。该比值最好不应超过0.06米，最好在0.002-0.06米的范围内。
在沿切线方向安装在顶表面的叶片上最好应用同样的限幅。然而，鉴于沿切线方向安装的叶片的扫过体积通常要远小于沿径向安装的叶片的扫过体积，即便叶片从板向外延伸较长距离也是如此，因此这一限幅通常不是设计中要考虑的重要问题。
实施例1测试在如图1-图4所示的商用料桶中进行。料桶10内径76英寸(193厘米)、高76英寸(193厘米)。使用一带有在周向沿切线方向安装的齿26的16英寸(40.6厘米)的叶轮板25，每个齿长约0.75英寸(19毫米)、高约1.5英寸(38毫米)。这些齿沿圆周间隔20-30毫米布置。叶轮板定位于距离料桶10底面上方约15英寸(38厘米)处，同时偏离中心线约18英寸(46厘米)。
料桶中填满熔融铝，使用MgCl2/KCl进行处理，MgCl2/KCl的用量为0.36kg/吨金属。处理过程持续约8分钟，叶轮速率约为640RPM。在多项测试中，金属铝中的平均钙含量从约8.9ppm下降到约1.8ppm，下降幅度为80％；在测试期间，杂质(总量PoDFA-多孔圆板过滤器)减少了55-70％。
权利要求
1.一种使用颗粒状处理剂对熔融金属进行处理的方法，包括以下步骤(a)在处理容器中提供熔融金属，(b)在处理容器中在熔融金属表面下方提供一混料叶轮，该叶轮包括一从其表面向上延伸出的一组间隔排列的叶片的板，或一从其表面向下延伸出的一组间隔排列的叶片的平整的板，所述叶轮适于提供涡流最小的高剪切混合，和(c)围绕一基本上直立的轴旋转叶轮时，颗粒状处理剂进入熔融金属表面下方一位于驱动轴和叶轮边缘之间的区域，由此产生高剪切作用，使熔融金属中的处理剂快速形成细小分裂的熔滴。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该叶轮板为圆形。
3.如权利要求2所述的方法，其中，该叶轮叶片向上取向排列，处理剂通过一固定的注入管向下进料，进入靠近叶轮板顶表面的位于驱动轴和叶轮边缘之间的区域。
4.如权利要求2所述的方法，其中，该叶轮叶片向下定向，叶轮安装在一中空的、可旋转的驱动轴上，处理剂经过该中空的驱动轴向下进料进入叶轮下方在中空的驱动轴与向下定向的叶片之间的区域。
5.如权利要求2所述的方法，其中，叶片被安装成其长度沿叶轮叶片运动的切线方向取向。
6.如权利要求2所述的方法，其中，该金属为铝或其合金。
7.如权利要求3所述的方法，其中，处理容器中的熔融金属进一步通过沿径向安装在叶轮板底面的搅拌叶片加以搅拌。
8.如权利要求4所述的方法，其中，处理容器中的熔融金属进一步通过沿径向安装在叶轮板顶表面的搅拌叶片加以搅拌。
9.如权利要求2所述的方法，其中，叶片均沿径向安装在叶轮的顶表面，该叶片用于提供所述高剪切混合和对容器内容物进行搅拌。
10.如权利要求2所述的方法，其中，叶片通常以在叶片外周测定的切线方向速率约5-20米/秒运转。
11.如权利要求3或8所述的方法，其中，安装在叶轮板顶表面的叶片具有一与叶轮运动方向相垂直的横截面积，使得叶片的扫过体积与垂直于旋转轴的叶轮板的面积比值在0.002-0.06米的范围内。
12.如权利要求3或8所述的方法，其中，安装在叶轮板顶表面的叶片具有足够小的横截面积，以使其不会在金属中产生任何大的涡流。
13.如权利要求2所述的方法，其中，具有最少量夹带气体的颗粒状处理剂以致密相的形式进料。
14.如权利要求13所述的方法，其中，该处理剂可从包括氯化物盐、氟化物盐及其混合物的组中进行选择。
15.如权利要求14所述的方法，其中，该氯化物盐包括MgCl2。
16.如权利要求14所述的方法，其中，该盐为含有NaF的混合盐。
17.如权利要求14所述的方法，其中，该盐为NaCl/KCl/冰晶石的混合物。
18.如权利要求2所述的方法，其中，高强度剪切混合仅持续少于约5分钟，随后进行缓慢的或非混合阶段。
19.一种使用颗粒状处理剂对熔融金属进行处理的方法，包括以下步骤(a)在处理容器中提供熔融金属，(b)在处理容器中在熔融金属表面下方提供一混料叶轮，该叶轮包括一从所述板表面向上延伸出的其长度沿叶轮叶片运动的切线方向取向的一组间隔排列的叶片的板，所述叶轮适于提供涡流最小的高剪切混合，和(c)围绕一基本上直立的轴旋转叶轮时，颗粒状处理剂经由一熔融金属表面下方的注入管向下进料并进入邻近叶轮板顶表面一位于驱动轴和叶轮边缘之间的区域，由此产生高剪切作用，使熔融金属中的处理剂快速形成细小分裂的熔滴。
20.如权利要求19所述的方法，其中，处理容器中的熔融金属进一步通过沿径向安装在叶轮板底面的搅拌叶片加以搅拌。
21.一种使用颗粒状处理剂对熔融金属进行处理的方法，包括以下步骤(a)在处理容器中提供熔融金属，(b)在处理容器中在熔融金属表面下方提供一混料叶轮，该叶轮包括一板，其带有从所述板表面向上延伸的其长度沿叶轮叶片运动的切线方向取向的一组间隔排列的叶片，同时该搅拌叶片沿径向安装在叶轮板底面上，所述叶轮适于提供涡流最小的高剪切混合，和(c)围绕一基本上直立的轴旋转叶轮时，颗粒状处理剂经由一熔融金属表面下方的注入管向下进料并进入邻近叶轮板顶表面一位于驱动轴和叶轮边缘之间的区域，由此产生高剪切作用，使熔融金属中的处理剂快速形成细小分裂的熔滴。
22.一种使用颗粒状处理剂对熔融金属进行处理的方法，包括以下步骤(a)在处理容器中提供熔融金属，(b)在处理容器中熔融金属表面下方提供一混料叶轮，该叶轮包括一平整的板，其带有从所述板表面向下延伸的一组间隔排列的叶片，所述叶轮安装在一中空的、可旋转的驱动轴上，适于提供容器中涡流最小的高剪切混合，和(c)围绕一基本上直立的轴旋转叶轮时，颗粒状处理剂经由中空的驱动轴向下进料并进入熔融金属中叶轮下方在中空的驱动轴与向下定向的叶轮叶片之间的区域，由此产生高剪切作用，使熔融金属中的处理剂快速形成细小分裂的熔滴。
23.如权利要求22所述的方法，其中，处理容器中的熔融金属进一步通过沿径向安装在叶轮板顶表面的搅拌叶片加以搅拌。
24.一种使用颗粒状处理剂对熔融金属进行处理的方法，包括以下步骤(a)在处理容器中提供熔融金属，(b)在处理容器中在熔融金属表面下方提供一混料叶轮，该叶轮包括一平整的板，其带有从所述板表面向下延伸的一组间隔排列的叶片以及其它沿径向安装在叶轮板顶表面的搅拌叶片，所述叶轮安装在一中空的、可旋转的驱动轴上，适于提供涡流最小的高剪切混合，和(c)围绕一基本上直立的轴旋转叶轮时，颗粒状处理剂经由中空的驱动轴向下进料并进入熔融金属中叶轮下方在中空的驱动轴与向下定向的叶片边缘之间的区域，由此产生高剪切作用，使熔融金属中的处理剂快速形成细小的熔滴。
25.一种用于处理熔融金属的设备，包括(a)一适于装盛熔融金属的处理容器，(b)一叶轮，该叶轮安装于驱动轴下端，基本上，垂直向下延伸进入容器，该叶轮包含一板，其带有从该板表面向上延伸的一组间隔排列的叶片，或包含一平整的板，其带有从该板表面向下延伸的一组间隔排列的叶片，适于提供包含于容器中的熔融金属的涡流最小的高剪切混合，(c)用于使颗粒状处理剂进料进入位于驱动轴的轴和叶轮边缘之间区域的注入装置，以及(d)用于旋转所述驱动轴和叶轮，由此产生高剪切混合的装置。
26.如权利要求25所述的设备，其中，叶轮板为圆形。
27.如权利要求26所述的设备，其中，叶轮叶片在叶轮板顶表面上向上定向，注入装置为一固定的向下方延伸的注入管，在叶轮正上方在驱动轴和叶轮边缘之间的区域有一出口。
28.如权利要求26所述的设备，其中，该叶轮叶片在叶轮板下表面上向下定向，该驱动轴为一中空的、可旋转的轴，适于颗粒状处理剂经该中空轴向下进料进入叶轮下方。
29.如权利要求26所述的设备，其中，叶片被安装成其长度沿叶轮叶片运动的切线方向取向。
30.如权利要求27所述的设备，还包括安装在叶轮板底面的搅拌叶片。
31.如权利要求28所述的设备，还包括安装在叶轮板顶表面的搅拌叶片。
32.如权利要求26所述的设备，其中，叶轮叶片包含多个沿径向安装在叶轮顶表面的叶片，适于提供高剪切混合和对处理容器内容物进行搅拌。
33.如权利要求27、31或32所述的设备，其中，该向上定向的叶片具有一与叶轮运动方向相垂直的横截面积，使得叶片的扫过体积与垂直于旋转轴的叶轮叶片的面积比值在0.002-0.06米的范围内。
34.如权利要求26所述的设备，其中，注入装置与一安装在处理容器上方的颗粒状处理剂的封闭储罐相连接，所述储罐适于用惰性气体稍微加压。
35.如权利要求34所述的设备，其中，该储罐定位成使处理剂在重力作用下流入注入装置中。
36.一种用于处理熔融金属的设备，包括(a)一适于装盛熔融金属的处理容器，(b)一叶轮，该叶轮安装于驱动轴下端，基本上垂直向下延伸进入容器，该叶轮包含一板，其带有从该板表面延伸出的一组间隔排列的叶片，其长度沿叶轮叶片运动的切线方向取向，适于提供包含于容器中的熔融金属的涡流最小的高剪切混合，(c)用于使颗粒状处理剂进料进入邻近叶轮板顶表面在驱动轴的轴和叶轮边缘之间区域的注入装置，以及(d)用于旋转所述驱动轴和叶轮，由此产生高剪切混合的装置。
37.如权利要求36所述的设备，还包括安装在叶轮板底面的搅拌叶片。
38.一种用于处理熔融金属的设备，包括(a)一适于装盛熔融金属的处理容器，(b)一叶轮，该叶轮安装于驱动轴下端，基本上垂直向下延伸进入容器，该叶轮包含一平整的板，其带有从该板表面向下延伸出的一组间隔排列的叶片，适于提供包含于容器中的熔融金属的涡流最小的高剪切混合，(c)用于使颗粒状处理剂进料进入叶轮下方的包含中空驱动轴的注入装置，以及(d)用于旋转所述驱动轴和叶轮，由此产生高剪切混合的装置。
39.如权利要求38所述的设备，还包括安装在叶轮板顶表面的搅拌叶片。
40.一种用于处理熔融金属的设备，包括(a)一适于装盛熔融金属的处理容器，(b)一叶轮，该叶轮安装于驱动轴下端，基本上垂直向下延伸进入容器，该叶轮包含一平整的板，其带有从该板表面向下延伸出的一组间隔排列的叶片和安装在叶轮板顶表面的搅拌叶片，适于提供包含于容器中的熔融金属的涡流最小的高剪切混合，(c)用于使颗粒状处理剂进料进入叶轮下方的包含中空驱动轴的注入装置，以及(d)用于旋转所述驱动轴和叶轮，由此产生高剪切混合的装置。
全文摘要
本发明涉及一种使用颗粒状处理剂对熔融金属进行处理的方法。熔融金属，如铝，放置于一处理容器如料桶中，混料叶轮基本上定位于熔融铝表面的下方位置。该叶轮包含一从该板表面延伸的一组间隔排列的叶片的板。该叶轮适于提供涡流最小的高剪切混合。围绕一基本上直立的轴旋转叶轮时，颗粒状处理剂经由熔融金属表面下方的注入管进料并进入在驱动轴与叶轮边缘之间的区域。由此在叶片区域中产生高剪切作用，从而熔融金属中的处理剂快速形成细小分裂的熔滴。
文档编号F27D27/00GK1498281SQ02807054
公开日2004年5月19日 申请日期2002年1月22日 优先权日2001年1月22日
发明者J·-F·比洛多, J -F 比洛多, G·杜贝, ひ, C·迪皮伊, ǖ, S·法法德 申请人:艾尔坎国际有限公司