تكرير الغاز الخامل بواسطة وحدة إزالة الغازات من الألومنيوم المنصهر

تكرير الغاز الخامل

تتمثل عملية تنقية الغاز الخامل في نفخ فقاعات غاز خامل بشكل مستمر في المادة المنصهرة، وإخراج الشوائب المؤكسدة والهيدروجين من سطح السائل أثناء تعويم الفقاعات. ويمكن أن يؤدي نفخ الغاز الخامل في المادة المنصهرة إلى إزالة الخبث، لأن فقاعات الغاز الخامل المنفوخة قادرة على امتصاص الشوائب المؤكسدة الموجودة في المادة المنصهرة وإخراجها من سطح السائل أثناء عملية التعويم. وتُعرف هذه الطريقة باسم طريقة إزالة الخبث بالطفو. ونظرًا لأن فقاعات الغاز الخامل تمتص الشوائب المؤكسدة الموجودة في المادة المنصهرة، فإنها تقلل من إجمالي الطاقة الحرة السطحية للنظام، وبالتالي يمكن أن يحدث هذا الامتصاص تلقائيًا. وكلما انخفض التوتر السطحي بين الغاز الخامل والشوائب، وزاد التوتر السطحي بين المادة المنصهرة والغاز الخامل، وكذلك التوتر السطحي بين المادة المنصهرة والشوائب، زادت قدرة الغاز الخامل على إزالة الخبث.

عند استخدام الغاز الخامل في عملية التكرير، فإن تدفق التكرير يجب رشها بالتساوي على سطح السائل. ويرجع ذلك إلى أنه بعد أن ترفع فقاعات الغاز الخامل الشوائب من سطح السائل، إذا كانت هناك طبقة من مادة التذويب على سطح السائل في ذلك الوقت، فإن الشوائب ستدخل في مادة التذويب وتتحول إلى خبث، وهو ما يسهل إزالته. وإلا، فإن الشوائب ذات الكثافة النوعية الأكبر ستسقط مرة أخرى في الألومنيوم المنصهر، بينما ستشكل الشوائب ذات الكثافة الأقل رغوة على سطح السائل، والتي يصعب فصلها عن الألومنيوم المنصهر. وعند سحب هذه الرغوة، سيتم إخراج كمية كبيرة من المعدن المنصهر، مما يؤدي إلى خسارة كبيرة في المعدن.

يمكن أن يؤدي نفخ غاز خامل في المادة المنصهرة إلى إزالة الغازات، وذلك لعدم وجود هيدروجين في فقاعة الغاز الخامل التي يتم نفخها في المادة المنصهرة، ولأن الضغط الجزئي للهيدروجين فيها يساوي صفرًا، في حين أن الضغط الجزئي للهيدروجين في المادة المنصهرة بالقرب من الفقاعة أكبر بكثير من الصفر؛ وبالتالي ينشأ فرق في الضغط الجزئي للهيدروجين بين داخل الفقاعة وخارجها. وتحت تأثير هذا الفرق في الضغط الجزئي، تنتشر ذرات الهيدروجين الموجودة في المادة المنصهرة إلى واجهة الفقاعة وتعيد التجمع لتشكل جزيئات عند الواجهة لتدخل الفقاعة. ولن تتوقف هذه العملية حتى يتساوى الضغط الجزئي للهيدروجين داخل الفقاعة وخارجها. ويهرب الهيدروجين الذي يدخل الفقاعات إلى الغلاف الجوي مع ارتفاع الفقاعات إلى الأعلى. بالإضافة إلى ذلك، أثناء عملية طفو الفقاعات، يمكن أيضًا إخراج فقاعات الهيدروجين الجزيئية الدقيقة العالقة في المادة المنصهرة والغاز الموجود في الشوائب من سطح السائل عن طريق التعويم، وبذلك يتحقق الغرض من إزالة الغازات.

العوامل المؤثرة في تكرير الغاز الخامل

1) طبيعة الغاز الخامل. تؤثر كثافة الغاز الخامل ولزوجته وقابليته للترطيب وسعته الحرارية على فعالية عملية التكرير. فكلما زادت كثافة الغاز وزادت لزوجته، انخفضت سرعة الطفو في المادة المنصهرة وزاد وقت البقاء، مما يساهم في تحسين تأثير التكرير؛ ومع ذلك، كلما انخفضت كثافة الغاز، زاد حجم الغاز لكل وحدة كتلة، وزاد حجم الغاز لكل وحدة كتلة. كما أن زيادة مساحة التلامس تساعد أيضًا في تحسين تأثير التنقية. وقد أثبتت التجارب أن الدور الحاسم في عملية إزالة الغازات لا يكمن في جودة الغاز المكرر، بل في حجمه ودرجة انتشاره في المادة المنصهرة. فكلما تحسنت قدرة الغاز على ترطيب الشوائب، زادت قدرة الغاز على الطفو. وتؤثر السعة الحرارية على تأثير التكرير من خلال تأثيرها على درجة حرارة المادة المنصهرة.

2) نقاء الغاز الخامل. تشير نقاء الغاز الخامل بشكل أساسي إلى نسبة الأكسجين والرطوبة الموجودة فيه. فكلما ارتفع محتوى الأكسجين والماء في الغاز الخامل، كلما كان تأثير التكرير أسوأ. ونظرًا لأن الأكسجين وبخار الماء يدخلان إلى المادة المنصهرة مع الغاز المكرر، فإنهما يتفاعلان كيميائيًا مع المادة المنصهرة لتشكيل طبقة أكسيد على سطح الفقاعة وزيادة الضغط الجزئي للهيدروجين داخل الفقاعة. وهذا لن يؤدي فقط إلى تأخير كبير في عملية الانتشار وإزالة الهيدروجين، بل سيؤدي أيضًا إلى زيادة محتوى الشوائب المؤكسدة في المحلول. وعندما تتجاوز الرطوبة والأكسجين في الغاز الخامل قيمة معينة، فإنه لا يقتصر الأمر على عدم قدرته على لعب دور في عملية التنقية فحسب، بل قد يتسبب أيضًا في خضوع المادة المنصهرة لعملية امتصاص الهيدروجين، مما يؤدي إلى تلوث أكثر خطورة.

3) حجم الفقاعات. كلما صغر حجم الفقاعات، كان تأثير إزالة الغازات أفضل. ذلك أنه كلما صغرت الفقاعات، زاد عدد الفقاعات الناتجة عن نفس الحجم من الغاز، وزادت مساحة سطحها؛ وكلما تباطأت سرعة طفوها في معدن الألومنيوم المنصهر، زادت مدة التلامس مع المعدن المنصهر.

4) تجانس التلامس بين الفقاعات والمادة المنصهرة. فكلما كان التلامس أكثر شمولاً وتجانساً، كان تأثير التنقية أفضل. ونظراً لأن عملية التنقية بنفخ الهواء تعتمد على إزالة الغازات عن طريق الانتشار الناتج عن فرق الضغط الجزئي، وإزالة الخبث عن طريق التعويم، فإن المنطقة التي تتلامس مع الغاز المنقى هي وحدها التي يمكن أن تحقق تأثير التنقية. ولزيادة فرص التلامس، يُفضل استخدام المعالجة المركبة التي تجمع بين التكرير بالنقل المباشر والتصفية والنفخ، بحيث يخضع كل جزء من المادة المنصهرة لعملية التكرير. وفي حالة التكرير داخل الفرن، يجب تحريك جهاز التكرير برفق على طول قاع الفرن لتجنب وجود زوايا ميتة.

5) معلمات أخرى لعملية التكرير. إن تحسين معلمات عملية التكرير، مثل مدة النفخ، وضغط النفخ، ودرجة حرارة النفخ، ومدة بقاء المادة المنصهرة في حالة سكون بعد التكرير، لها تأثيرات واضحة على فعالية عملية تكرير المادة المنصهرة.