устройство и способ фильтрования расплавов металла и введения в них добавки рафинирующего вещества

Формула изобретения

1. Устройство для фильтрования расплавов металла и введения в них добавки рафинирующих материалов, содержащее первый фильтр из пористой фильтрующей среды и средство подачи рафинирующего материала, отличающееся тем, что средство подачи рафинирующего материала размещено по направлению течения расплава после первого фильтра, а за средством подачи рафинирующего материала, по направлению течения расплава, установлен второй фильтр.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый фильтр выполнен в виде фильтра, действие которого основано на фильтровании с образованием осадка.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что первый фильтр выполнен в виде пенокерамической пластины.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что пенокерамическая пластина имеет толщину от 5 до 30 мм, предпочтительно от 10 до 15 мм.

5. Устройство по любому из пп. 2-4, отличающееся тем, что первый фильтр включает, по меньшей мере, один элемент, содержащий спеченный материал.

6. Устройство по любому из пп.2-5, отличающееся тем, что первый фильтр имеет, по меньшей мере, один элемент, выполненный из материала, осажденного путем химического осаждения паровой фазы.

7. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что второй фильтр включает в себя пористую фильтрующую среду.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что второй фильтр выполнен в виде слоя зернистого фильтра.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что зернистый фильтр выполнен в виде насыпных слоев.

10. Устройство по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что первый фильтр и/или второй фильтр выполнен с возможностью нагрева.

11. Способ фильтрования расплавов металла и введения в них добавки рафинирующих материалов, при котором расплав фильтруют с помощью первого фильтра, имеющего пористую фильтрующую среду, и вводят в расплав добавку рафинирующего материала, отличающийся тем, что рафинирующий материал добавляют в расплав после первого фильтра, а после прохождения расплавом средства для введения рафинирующего материала расплав фильтруют с помощью второго фильтра.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что способ осуществляют с использованием устройства по любому из пп.1-10.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к устройству для фильтрования расплавов металла и введения в них добавки рафинирующих веществ, снабженному первым фильтром и средством подачи рафинирующего вещества, при этом первый фильтр включает пористый фильтрующий материал.

Из уровня техники известно, что расплавы металла, например расплавы алюминиевых сплавов, при осуществлении процесса разливки могут фильтроваться. В качестве примера далее приведена ссылка именно на процесс разливки алюминиевых сплавов. Однако фильтрование расплавов известно также, например, для медных и стальных сплавов. При разливке алюминия расплав металла вытекает из разливочной печи, проходит через последовательно установленные дегазатор и устройство для фильтрования и введения добавки рафинирующего материала (очищающего расплав от зерен примеси), и далее поступает в изложницу. Дегазатор в значительной степени известным способом удаляет из алюминиевых расплавов растворенные газообразные включения. В качестве преобладающего вещества они включают растворенный водород.

Согласно известным аналогам в алюминиевый расплав, после удаления газообразных включений или уменьшения их содержания, вводили рафинирующий материал, например, боротитаноалюминиевые лигатуры. Результат, достигаемый после введения в расплав такого рафинирующего материала, заключается в уменьшении размеров зерен, содержащихся в застывающем расплаве во время последующего получения слитков, при этом в соответствии с известными аналогами алюминиевый расплав фильтруют для удаления нерастворенных примесей, то есть твердых частиц, не растворенных в расплаве. Эти нерастворенные примеси включают, например, частицы окиси алюминия, карбиды алюминия, карбонитриды и т.п. Размеры частиц указанных нерастворенных примесей составляют примерно от 1 до 100 мкм. После процесса фильтрования алюминиевый расплав затем, как было отмечено выше, стекает в изложницу и там превращается, например, в слитки.

В известных аналогах расплав после введения добавки рафинирующих материалов фильтруют, т.к. эти материалы также вносят в расплав нерастворенные примеси. В качестве рафинирующего материала используют, например, боротитаноалюминиевую лигатуру, включающую крупные нерастворенные частицы диборида титана и примеси окисей, наличие которых в продукте последующего литья нежелательно.

Известны различные типы фильтров, используемых для фильтрования алюминиевых сплавов. Особенно умеренное по стоимости и экономное, с точки зрения необходимого объема, фильтрование может быть достигнуто путем использования так называемых пенокерамических фильтров. Указанные пенокерамические фильтры применяют в виде пластины толщиной приблизительно 50 мм, при этом алюминиевые расплавы протекают через фильтр перпендикулярно плоскости пластины. Такие фильтры изготавливают путем пропитки пенополиуретана с открытыми порами водной пульпой, содержащей окись алюминия, и связующими. Пропитанный пенополиуретан затем осушают и спекают, при этом пенополиуретан выгорает, и остается пористая структура в виде пенокерамики (пористой керамики). Эффективность фильтрации пенокерамических фильтров при их использовании согласно настоящему изобретению находится в пределах от удовлетворительной до хорошей.

Другой известной системой фильтрования для алюминиевых расплавов являются так называемые фильтры со слоем насыпной загрузки. В фильтрах такого типа фильтрующая среда, через которую протекает алюминиевый расплав, состоит из гранул или шариков окиси алюминия, используемых в качестве загрузки, частично заполняющей камеру фильтра. Если для фильтрации используют исключительно фильтры со слоем насыпной загрузки, то в этом случае требуется наличие больших фильтровальных камер, которые, однако, имеют значительно больший эксплуатационный ресурс по сравнению с использованием пенокерамических фильтров. Эффективность фильтрования при использовании фильтров со слоем насыпной загрузки может быть охарактеризована как устойчиво хорошая.

Известные из уровня техники простые системы фильтрования, такие, например, как пенокерамические фильтры, отличаются низкой стоимостью и большей компактностью по сравнению с более дорогими системами фильтрования, например с фильтрами со слоем насыпной загрузки. В то же самое время известные из уровня техники дорогие фильтровальные системы демонстрируют более высокую эффективность фильтрации и больший ресурс работы.

Исходя из описанного выше уровня техники, задачей настоящего изобретения является создание такого устройства для фильтрации и введения добавки рафинирующих материалов в расплавы металла, которое делает возможным достижение высокой эффективности фильтрации с помощью простых фильтровальных систем.

В соответствии с настоящим изобретением указанная задача решается путем подачи рафинирующего материала после первого фильтра, по направлению течения расплава, а также путем размещения второго фильтра после места размещения средства подачи рафинирующего материала, по направлению движения расплава. Неожиданно было обнаружено, что на фильтрующие качества фильтра с пористым фильтрующим материалом при фильтровании расплавов металла значительное влияние оказывает предварительное введение добавки рафинирующих материалов, приводящее к снижению эффективности работы таких фильтров. Поэтому большую эффективность фильтрования первого фильтра можно объяснить введением добавки очищающего материала, в котором содержатся нерастворенные включения, после первого фильтра. Для того, чтобы удалить нерастворенные примеси, вносимые в расплав рафинирующим материалом, за участком размещения средства ввода этого материала, по направлению движения расплава, размещают второй фильтр.

Опыты показали, что фильтры, основанные на фильтрации посредством образования осадка, по эффективности фильтрования особенно чувствительно реагируют на введение добавки очищающего материала. Если эти фильтры используют после добавления очищающего материала, образование осадка затрудняется или даже предотвращается, вследствие чего эти фильтры не достигают своего полного фильтрующего действия. Эффективность фильтрования фильтра такого типа значительно улучшается согласно настоящему изобретению за счет размещения первого фильтра, основанного на фильтрации с образованием осадка, перед средствами подачи в расплав рафинирующего материала.

В пенокерамическом фильтре при отсутствии добавления рафинирующего материала, который вводился бы в расплав перед фильтром, формируются "мосты" (по существу загрязнения фильтра), образованные из накоплений нерастворенных в расплаве примесей. Наличие таких "мостов" приводит к значительному улучшению эффективности фильтрации пенокерамического фильтра. Однако формирование "мостов" не может наблюдаться в том случае, когда рафинирующий материал вводят в расплав перед пенокерамическим фильтром. Соответственно, первый фильтр данного устройства согласно настоящему изобретению предпочтительно включает пластину, выполненную из пенокерамики.

Было обнаружено, что "мосты" из нерастворенных примесей, которые улучшают эффективность фильтрации, не формируются по всей 50-ти мм толщине обычно используемых пенокерамических пластин. Поэтому, исходя из величины гидравлического сопротивления устройства, пенокерамическая пластина согласно данному изобретению имеет толщину от 5 до 30 мм, предпочтительно от 10 до 15 мм.

В качестве возможного варианта или обобщенной характеристики фильтра, вместо его выполнения в виде пенокерамической пластины, первый фильтр предпочтительно включает по меньшей мере один элемент, содержащий агломерированный спеченный материал и/или элемент, включающий материал, осажденный из паровой фазы (методом химического осаждения паровой фазы (CVD)).

Для фильтрации твердых нерастворимых примесей лучше использовать пористые материалы. Поэтому устройство в соответствии с данным изобретением предпочтительно содержит второй фильтр из пористого фильтрующего материала.

Для фильтрования нерастворенных примесей, введенных в металлический расплав после первого фильтра (за счет добавки рафинирующего материала), ввиду их относительно низкого количества, наиболее подходящим является фильтр с объемной загрузкой. Из-за относительно малого количества примесей фильтр с объемной загрузкой может иметь значительно меньшие размеры, чем те, которые обычно необходимы в случае использования для фильтрования только таких фильтров.

Для фильтрации расплавов металла особенно подходящим фильтром с объемной загрузкой является так называемый фильтр со слоем насыпной загрузки. В фильтре со слоем насыпной загрузки пористый материал обычно формируют путем компактной загрузки фильтрующих шариков и/или фильтрующих гранул.

Согласно другому варианту выполнения предложенного устройства в соответствии с данным изобретением первый фильтр и/или второй фильтр могут быть нагреваемыми, что обеспечивает возможность многократного использования первого и/или второго фильтров в случае последовательно осуществляемых плавок металла.

Настоящее изобретение относится не только к устройству, но, кроме того, и к способу фильтрации расплавов металла и введения в них добавки рафинирующих веществ, при котором расплав фильтруется с помощью первого фильтра, имеющего пористую фильтрующую среду, и в расплав подают рафинирующий материал. Известные из уровня техники способы-аналоги в соответствии с данным изобретением улучшаются за счет решения отмеченной выше проблемы путем подачи рафинирующего материала в расплав после первого фильтра и фильтрации расплава с помощью второго фильтра за участком размещения средства подачи рафинирующего материала, по направлению течения расплава.

Имеется множество возможных вариантов выбора компоновки и дополнительного усовершенствования устройства или усовершенствования способа согласно данному изобретению для фильтрации и введения добавки рафинирующего материала в расплавы металла. В этой связи можно сослаться, с одной стороны, например, на пункты формулы изобретения, зависимые от п.1 формулы, и, с другой стороны, на описание примера осуществления изобретения, поясняемое имеющимися графическими материалами.

Единственная фигура чертежей на приложенных графических материалах схематически отображает поперечное сечение примера выполнения устройства для фильтрования расплавов металла и введения в них рафинирующих материалов в соответствии с данным изобретением.

Устройство согласно настоящему изобретению, показанное в качестве примера осуществления на единственной фигуре, включает нижнюю часть 1 внешнего корпуса и верхнюю часть 2 внешнего корпуса. В нижней части 1 внешнего корпуса расположены участки (отсеки), через которые протекает алюминиевый расплав в представленном примере осуществления, сформированные за счет взаимного расположения нижней термостойкой футеровки 3 и верхней термостойкой футеровки 4 верхней части 2 внешнего корпуса.

В примере осуществления изобретения, представленном на чертеже, алюминиевый расплав показан горизонтальной штриховкой. Нижняя футеровка 3 и верхняя футеровка 4 образуют при взаимном расположении первую камеру 5 фильтрования, камеру 6 введения добавки рафинирующего материала и вторую камеру 7 фильтрования, а также входной участок 8 и выходной участок 9.

В первой камере 5 фильтрования в качестве первого фильтра размещена пенокерамическая пластина 11, установленная под небольшим углом к горизонтальной плоскости, что позволяет удалять газовые включения.

В камеру ввода добавки с помощью механизма подачи (не показан) через отверстие 13 с определенной скоростью подачи вводят проволоку 12, содержащую рафинирующие материалы. Проволока 12 плавится в алюминиевом расплаве, вследствие чего рафинирующие материалы поступают в расплав в определенной концентрации.

Первая камера 5 фильтрования и камера 6 введения добавки снабжены общим первым сливным отверстием 14, позволяющим опорожнять первую камеру 5 фильтрования и камеру 6 введения добавок по окончании фильтрации определенной порции расплава. В известных из уровня техники аналогах пенокерамическую пластину 11 обычно заменяют после фильтрования расплава каждой плавки. Это, однако, не является абсолютно необходимым, когда пенокерамический фильтр используют в устройстве в соответствии с настоящим изобретением, согласно которому первая фильтровальная камера 5 может нагреваться одновременно с камерой 6 ввода добавки, за счет чего одна и та же пенокерамическая пластина 11 может быть использована для фильтрования расплава нескольких плавок. В этом случае первая фильтровальная камера 5 и камера 6 ввода добавки не опорожняются после фильтрации расплава одной плавки. Во второй камере 7 фильтрования на решетке 15 размещен фильтр 16 со слоем насыпной загрузки, включающей множество шариков из окиси алюминия. Вторая камера 7 фильтрования может обогреваться нагревателем 17, что дает возможность обходиться без опорожнения второй камеры 7 фильтрования в промежутке времени между фильтрованием расплавов двух плавок металла. Для того, чтобы обеспечить возможность замены фильтра 16 со слоем насыпной загрузки, вторая камера 7 фильтрования имеет, кроме того, второе сливное отверстие 18. В качестве варианта нагревателя 17, показанного на чертеже, может быть использован также, например, стержневой нагреватель, погруженный в расплав и расположенный предпочтительно ниже фильтра со слоем насыпной загрузки.

При функционировании устройства согласно настоящему изобретению для фильтрования и введения добавки рафинирующего вещества в расплавы металла, в особенности в алюминиевые расплавы, первая стадия фильтрования алюминиевого расплава, как показано на чертеже, осуществляется в первой камере фильтрования 5 с эффективностью от 80 до 95%, что существенным образом достигается за счет формирования "мостов" при затвердевании металла в порах пенокерамического фильтра, описанного выше. В известных аналогах образованию таких "мостов" препятствует рафинирующий материал, который подают в алюминиевый сплав перед первым фильтром. Было установлено, что в этом случае внутри пор пенокерамического фильтра образование "мостов" не происходит. После прохождения первого фильтра алюминиевый расплав поступает в камеру 6 введения добавки, где в расплав вводят определенное количество рафинирующего материала. Нежелательные нерастворимые включения, содержащиеся в рафинирующем материале, затем в значительной степени удаляют из расплава во второй фильтровальной камере 7 в относительно небольшом фильтре 16 со слоем насыпной загрузки. В результате в выходной участок устройства поступает алюминиевый расплав с очень малыми по размеру фракциями нерастворенных включений, из которого затем получают высококачественные продукты, например слитки.