Устройство для рафинирования металлических расплавов в потоке от растворенных примесей
Сущность изобретения: устройство для рафинирования составлено из последовательно соединенных сорбентов кислорода, сорбентов азота и сорбентов серы, выполненных в виде труб или блоков с одним или несколькими каналами. При проливе жидкого металла через устройство для рафинирования сначала поток металла обрабатывается в сорбенте кислорода, затем в сорбенте азота и наконец в сорбенте серы, последовательно рафинируя расплав от кислорода, азота, серы. Устройство для рафинирования металла от примесей удобно в работе и просто в изготовлении с минимальным количеством конструкционных элементов. 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к металлургии, конкретно к процессам рафинирования металлических расплавов от растворенных примесей, в частности кислорода, азота, серы. Известен сорбент для рафинирования металлических расплавов от растворенных примесей в виде гранул, спрессованных из смеси порошков твердоэлектролитной керамики и активного по отношению к удаляемой примеси металла. Для рафинирования металла от кислорода в сорбенте предусмотрено использование раздельно циркония, магния, алюминия, а в качестве твердоэлектролитной керамики соответственно оксидов этих металлов. При рафинировании расплава от азота использованы титан, алюминий, бор, ванадий или цирконий, а в качестве твердоэлектролитной матрицы их нитриды. Для удаления серы в качестве активных металлов предложены редкоземельные и щелочноземельные металлы, а в качестве матрицы соответствующие сульфиды. Использование соответствующего сорбента позволяет рафинировать металл от растворенных кислорода, азота или серы. При введении гранул сорбента в рафинируемый расплав удаляемая примесь под действием разности химических потенциалов диффундирует через проницаемую для нее твердоэлектролитную керамику внутрь гранулы к поверхности контакта керамики с активным металлом и связывается активным металлом. Изготовление сорбента в виде гранул, спрессованных из смеси порошков твердоэлектролитной керамики и активного металла, позволяет обеспечить большую площадь поверхности контакта керамики с активным металлом. Однако площадь поверхности контакта твердоэлектролитной керамики гранулы и рафинируемого расплава остается относительно небольшой, что ограничивает скорость и глубину рафинирования. Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является фильтр для сорбционного раскисления, включающий огнеупорную кислородопроницаемую трубу, по которой протекает рафинируемый расплав, и капсулы из кислородопроницаемого материала, наполненные активным по отношению к кислороду металлом. Капсулы засыпают в вертикально расположенную трубу и удерживаются в ней двумя огнеупорными сетками. Фильтр имеет приемную воронку и сливной стакан, а также графитовую засыпку вокруг трубы. При проливе рафинируемого расплава через фильтр кислород через твердоэлектролитную стенку трубы и стенки капсул диффундирует к графитовой засыпке и элементам-раскислителям и вступает с ними в химическое взаимодействие. Рафинирование расплава путем пролива через фильтр, заполненный капсулами, обеспечивает большую площадь его контакта с твердоэлектролитной керамикой и высокую скорость поступления кислорода из объема расплава к твердому электролиту, т.е. обеспечивает высокую скорость и глубину рафинирования. Однако фильтр для сорбционного рафинирования содержит много специальных огнеупорных изделий (трубу, ограничивающие сетки, воронку, сливной стакан), сложных в изготовлении и ненадежных в эксплуатации. Особенно трудоемкими в изготовлении являются ограничивающие сетки и твердоэлектролитная труба, которые при попадании в фильтр металлического расплава часто растрескиваются. Чтобы уменьшить вероятность термического растрескивания этих важнейших элементов фильтра, его приходится предварительно медленно нагревать до температуры металлического расплава. Это увеличивает затраты на рафинирование и снижает его эффективность, так как при высокой температуре активные металлы сорбента интенсивно взаимодействуют с компонентами воздуха, т.е. расходуются бесполезно. Целью изобретения является снижение затрат на изготовление и подготовку к работе устройства для рафинирования. Это достигается тем, что согласно предлагаемому устройству сорбент выполнен в форме трубы или блока с несколькими каналами, причем в качестве сорбента использована смесь порошков твердоэлектролитной керамики и активных по отношению к удаляемой примеси металлов. Труба или блок с каналами, изготовленные из смеси порошков твердоэлектролитной керамики и активных по отношению к удаляемой примеси металлов, обеспечивают организацию потока расплава и поглощение (сорбцию) примеси из расплава. Большая площадь поверхности контакта твердого электролита и активных металллов, достигаемая в смеси порошков, а также благоприятные условия массопереноса в потоке расплава, особенно при дроблении его по нескольким каналам, позволяют организовать рафинирование с большой скоростью и достичь большой глубины рафинирования. Изготовление сорбента из смеси порошков твердоэлектролитной керамики и активных по отношению к удаляемой примеси металлов в форме трубы или блока с несколькими каналами позволяет уменьшить количество необходимых для рафинирования расплавов керамических элементов, снизить затраты на изготовление рафинирующего устройства и подготовку его к работе. При этом отпадает потребность в специальной керамической трубе, необходимой для организации потока металла, огнеупорных ограничивающих сетках, приемной воронке и сливном стакане, в капсулах, наполненных активным металлом. Отсутствие твердоэлектролитных трубы и капсул, характеризующихся низкой термостойкостью, а также объема, заполненного фильтрующими элементами, позволяет исключить разогрев устройства перед рафинированием расплава и потери активных металлов на взаимодействие с компонентами воздуха, т.е. снизить затраты не только на изготовление устройства, но и на подготовку его к работе. На фиг.1 изображен сорбент в форме трубы с каналами; на фиг.2 сорбент в форме блоков с каналами. Устройство может быть реализовано следующим образом. В зависимости от конкретных условий рафинирования металлического расплава в потоке при сливе металла из ковша, в литниковой системе при сифонной разливке и т.п. из смеси порошков твердоэлектролитной керамики и активного по отношению к удаляемой примеси металла методом сухого или влажного прессования, шликерного литья и др. изготавливают трубу или блок 1 соответствующих формы и размеров с несколькими каналами 2. После сушки при температуре не более 300оС устройство готово к использованию. Трубу или блок 1 устанавливают на пути потока металла -в днище ковша, центровой литниковой системы и т.д. вместо одного из обычно используемых огнеупорных изделий стакана, литникового кирпича, центровых катушек. После установки устройство готово к работе. При достижении потока металла по трубе или каналам блока, изготовленного из смеси порошков твердоэлектролитной керамики и активного металла, примесь потоками металла доставляется к поверхности твердого электролита, через твердый электролит диффундирует к частичкам порошка активного металла и вступает с ним в химическое взаимодействие. Тем самым в потоке осуществляется сорбционное рафинирование от растворенных примесей. Пример использования устройства. Методом прессования изготовили сорбенты примеси в виде блоков диаметром 10 см длиной 30 см с 30 вертикальными отверстиями диаметром 1 см. Сорбенты кислорода, азота и серы изготовили из смеси порошков соответственно диоксида циркония и циркония, нитрида алюминия и алюминия, сульфида церия и церия в соотношении 1:1 по массе. Из сорбентов кислорода, азота, серы: соответственно сверху вниз составили устройство для рафинирования железа. Сверху устройства установили корундовую воронку. Кроме того, из тех же материалов и в той же пропорции изготовили сорбенты в виде капсул. Сорбенты кислорода, азота и серы в виде капсул поместили в фильтр согласно прототипу. В индукционной печи емкостью 50 кг расплавили мягкое железо, нагрели до 1650оС и пролили через устройство согласно изобретению и через фильтр. До и после рафинирования отбирали пробы железа на содержание кислорода, азота и серы. Результаты представлены в таблице. В результате испытаний установлено, что предлагаемое устройство, выполненное в виде блоков-сорбентов кислорода, азота, серы, позволяет более эффективно рафинировать металл от названных примесей. В то же время фильтр с заполнением сорбентами кислорода, азота, серы позволяет рафинировать практически только от кислорода. Кроме того, при использовании предлагаемого устройства отпадает потребность в специальной керамической трубе, необходимой для организации потока металла, огнеупорных ограничивающих сетках: в капсулах, наполненных активным металлом. Отсутствие твердоэлектролитных капсул, характеризующихся низкой термостойкостью, а также объема, заполненного фильтрующими элементами, позволяет исключить разогрев устройства перед рафинированием расплава и потери активных металлов на взаимодействие с компонентами воздуха, т.е. снизить затраты не только на изготовление, но и на подготовку его к работе.
Формула изобретения
УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАФИНИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ В ПОТОКЕ ОТ РАСТВОРЕННЫХ ПРИМЕСЕЙ, включающее трубу для организации потока металла и сорбент, отличающееся тем, что, с целью снижения затрат на изготовление и подготовку устройства к работе, сорбент выполнен в форме трубы или блока с несколькими каналами, причем в качестве сорбента использована смесь порошков твердоэлектролитной керамики и активных по отношению к удаляемой примеси металлов.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
