Очистка инертным газом с помощью установки дегазации расплавленного алюминия

Очистка инертным газом

Очистка инертным газом заключается в непрерывном вдувании пузырьков инертного газа в расплав и выведении окисленных включений и водорода с поверхности расплава в процессе всплывания пузырьков. Вдувание инертного газа в расплав позволяет удалить шлак, поскольку вдуваемые пузырьки инертного газа поглощают окисленные включения в расплаве и выносят их с поверхности расплава в процессе всплывания. Этот метод называется методом флотационного удаления шлака. Поскольку пузырьки инертного газа адсорбируют окисленные включения в расплаве, это приводит к снижению общей свободной энергии поверхности системы, благодаря чему адсорбция происходит автоматически. Чем меньше поверхностное натяжение между инертным газом и включениями и чем больше поверхностное натяжение между расплавом и инертным газом, а также межфазное натяжение между расплавом и включениями, тем выше способность инертного газа к удалению шлака.

При использовании инертного газа для очистки очищающий флюс должны равномерно распределяться по поверхности расплава. Это связано с тем, что после того, как пузырьки инертного газа вынесут включения за пределы поверхности расплава, если в этот момент на поверхности расплава будет находиться слой флюса, включения погрузятся в флюс и превратятся в шлак, который легко удалить. В противном случае включения с большей плотностью снова опустятся в расплавленный алюминий, а включения с меньшей плотностью образуют на поверхности расплава пену, которую трудно отделить от расплавленного алюминия. При извлечении этой пены из расплава будет вытянуто большое количество расплавленного металла, что приведёт к значительным потерям металла.

Вдувание инертного газа в расплав позволяет осушить его, поскольку в пузырьке инертного газа, вдуваемого в расплав, водорода нет, и его парциальное давление равно нулю, а парциальное давление водорода в расплаве вблизи пузырька значительно превышает ноль, в результате чего между внутренней и внешней частями пузырька возникает перепад парциального давления водорода. Под действием этой разницы парциальных давлений атомы водорода в расплаве диффундируют к границе раздела с пузырьком и рекомбинируют в молекулы на этой границе, проникая внутрь пузырька. Этот процесс не прекращается до тех пор, пока парциальное давление водорода внутри и снаружи пузырька не сравняется. Водород, попавший в пузырьки, улетучивается в атмосферу по мере того, как пузырьки всплывают на поверхность. Кроме того, в процессе всплывания пузырьков крошечные пузырьки молекулярного водорода, взвешенные в расплаве, и газ, содержащийся в включениях, также могут быть выведены за пределы поверхности жидкости путем флотации, что позволяет достичь цели дегазации.

Факторы, влияющие на процесс очистки инертным газом

1) Свойства инертного газа. На эффективность рафинирования влияют плотность, вязкость, смачиваемость и теплоемкость инертного газа. Чем выше плотность газа и чем выше его вязкость, тем ниже скорость его плавания в расплаве и тем дольше время пребывания, что способствует улучшению эффекта рафинирования; однако чем ниже плотность газа, тем больше его объём на единицу массы. Чем больше площадь контакта, тем лучше эффект рафинирования. Эксперименты доказали, что решающую роль в процессе дегазации играет не качество очищенного газа, а его объем и степень дисперсии в расплаве. Чем лучше смачиваемость газа по отношению к включениям, тем сильнее его способность к флотации. Теплоемкость влияет на эффект рафинирования, воздействуя на температуру расплава.

2) Чистота инертного газа. Под чистотой инертного газа в основном понимается содержание кислорода и влаги в инертном газе. Чем выше содержание кислорода и воды в инертном газе, тем хуже эффект очистки. Поскольку кислород и водяной пар попадают в расплав вместе с очищенным газом, они вступают в химическую реакцию с расплавом, образуя оксидную пленку на поверхности пузырька и повышая парциальное давление водорода в пузырьке. Это не только значительно замедляет процесс диффузии и удаления водорода, но и увеличивает содержание окисленных включений в расплаве. Когда содержание влаги и кислорода в инертном газе превышает определённое значение, он не только не способствует очистке, но даже может вызвать процесс поглощения водорода расплавом, что приводит к более серьёзному загрязнению.

3) Размер пузырьков. Чем меньше размер пузырьков, тем лучше эффект дегазации. Ведь чем меньше пузырьки, тем больше их количество при одинаковом объёме газа и тем больше их общая площадь поверхности; а чем медленнее скорость их всплытия в расплаве алюминия, тем дольше время их контакта с расплавом.

4) Равномерность контакта пузырьков с расплавом. Чем полнее и равномернее контакт, тем лучше эффект рафинирования. Поскольку рафинирование с продувкой воздухом основано на диффузионном дегазировании за счет разницы парциальных давлений и флотационном удалении шлака, рафинирующий эффект может оказываться только на ту область, которая находится в контакте с рафинирующим газом. Для увеличения вероятности контакта лучше всего использовать комбинированную технологию, сочетающую рафинирование с перекачкой в режиме реального времени, фильтрацию и продувку, чтобы каждая часть расплава подвергалась рафинированию. При рафинировании в печи устройство для рафинирования следует плавно перемещать по дну печи, чтобы избежать образования «мертвых зон».

5) Другие параметры процесса переработки. Такие параметры процесса рафинирования, как время продувки, давление продувки, температура продувки и время выдержки расплава после рафинирования, оказывают заметное влияние на эффективность рафинирования расплава.