LARS系统提高除氢精炼效果的措施.pdf

第6 l 卷第4 期 2009 年I1 月 有色金属 N o n f n ．o u 8M e t a l s V 0 1 ．6 1 ，N o ．4 N o v e m b e r ．20 09 L A R S 系统提高除氢精炼效果的措施 徐凯1 ，李太宝2 1 ．江西理工大学南昌校区，南昌3 3 0 0 1 3 ； 2 ．山东大学材料学院液态金属及其遗传性教育部重点实验室，济南2 5 0 0 6 1 摘 要通过实际生产应用，分析影响铝液除氢精炼效果的因素，根据铝液除氢精炼系统 L A R S 的特点，提出提高除氢精炼 效果的特殊措施。通过优化石墨转子及氩气运行路径，提高氩气预热效果，优化精炼箱几何形状使之与氩气气泡膨胀程度匹配． 除氧精炼效率达到6 0 ％一7 0 ％。 关键词金属材料；铝液；除氢精炼；氩气；石墨转子 中图分类号T G l 4 6 ．2 1文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 9 0 4 0 0 5 6 0 4 氢是唯一能够大量溶解于铝熔体中的气 体“，针对溶解于铝液中的氢，传统的铝液精炼系 统，通过惰性气体氩气的物理吸附作用，氩气气泡在 铝液内上浮的同时，吸附铝液中的氢，使铝液得到净 化。。对于普通铝板带产品，可采用传统的铝液精 炼系统。对于3 1 0 4 合金罐体料产品，要求氢含量 0 ．1 2 0 m L ／1 0 0 9 以下，除氢精炼过程存在的问题是 传统精炼系统没有对氩气预热进行优化，氩气气泡 进入高温铝液后受热膨胀，降低精炼效果；石墨转子 设计不同，除氢精炼效果有所区别”。；精炼箱体几 何尺寸与气泡体积膨胀不匹配，气泡上浮过程中融 合到一起。由于以上因素的制约，传统精炼系统除 氢效率很难达到6 0 ％以上，3 1 0 4 合金氢含量很难控 制在0 ．1 2 0 m L ／l O O g 以下。除氢精炼后的氢含量， 因处理条件，合金种类而异，氢含量通常在0 ．1 0 0 0 ．2 0 0 m l ／l O O g 之间“1 。对3 1 0 4 合金罐体料产品， 传统精炼系统精炼后，氢含量较高，导致针孑L 度增 加“1 ，产品质量不能满足要求。 在借鉴传统铝液精炼工艺的基础上，在实际生 产条件下，采用铝液除氢精炼系统 L A R S ，通过对 石墨转子形状，工艺气体预热，氩气气泡膨胀与精炼 箱几何尺寸的匹配性等因素的控制，使得除氢精炼 效果得到大幅度提高。通过对上述工艺因素的优 化，除氢效率最高可达到7 0 ％左右，对于3 1 0 4 合 金，铝液中的氢含量控制在0 ．1 2 0 m L ／l O O g 以下。有 效满足了产品质量的要求。L A R S 系统安装在保温 收稿日期2 0 0 9 ．0 4 一1 3 作者简介徐凯 1 9 7 1 一 ，男，贵阳市人，讲师，硕士，主要从事有 色金属冶炼和压力加工等方面的研究。 炉之后，进行铸造之前的位置，对铝液进行在线除氢 精炼。 l 各种因素对铝液精炼系统除氢效果 的影响 1 ．1 工艺气体预热程度的影响 采用氩气对铝液进行除氢精炼时，室温的氩气 进入铝液后，尽管石墨转子将气泡搅碎，单个气泡体 积较小。由于气体受热膨胀的影响，低温的氩气受 到7 0 0 7 2 0 ℃铝液的作用，体积急剧膨胀，上浮过 程中，全部气泡与铝液接触的总面积减少，精炼效果 降低。传统精炼系统氩气运行路径如图l 所示。 1 一石墨转子；2 一定子；3 一氩气入口；4 一氩气} B 口图 图1传统精炼系统氩气运行路径图 F i g ．1 C o n v e n t i o n a ld e g a s s e rA r g o nt r a n s f e r r i n gw a y 图l 中，氩气在石墨转子的气体入口处进入转 子内腔，直线运行到达转子底部，通过转子末端的气 体出口喷到铝液中，运行路径总长约为石墨转子的 万方数据 第4 期徐凯等L A R S 系统提高除氢精炼效果的措施 5 7 长度。 1 ．2 气泡相互融合的影响 在除氢精炼过程中，石墨转子高速旋转，将氩气 气泡搅拌并粉碎，提高除氢精炼效果。气泡在铝液 内上浮时，随着浸入在铝液中的深度逐渐减小，受到 铝液的压力逐渐减小，气泡产生膨胀。在精炼箱箱 体的设计过程中，必须考虑到气泡体积膨胀的因素， 精炼箱箱体的几何尺寸要与气泡膨胀程度相互匹 配。否则随着气泡体积的膨胀，搅拌粉碎后的气泡 会融合到一起，使单个气泡体积增大，减少气泡与铝 液接触总面积，降低除氢效率。 通过对以上因素综合优化，与传统的精炼系统 相比，L A R S 系统的综合除氢效率高5 ％一1 0 ％。对 于3 1 0 4 合金，分别采用L A R S 系统和传统精炼系统 进行精炼，除氢效率 人口铝液氢含量一出口铝 液氢含量 入口铝液氢含量1 0 0 ％。环境温度 1 9 ℃，大气湿度6 0 ％，铝液温度6 9 8 0 C ，在环境因素 和铝液温度不变的条件下，测量结果对比如图2 所 示。 入u 氢含量／m l ／1 0 0 9 1 一L A R S 系统；2 一传统除氢精烁系统 图2L A R S 系统与传统除氢精炼系统 除氢效率对比 F i g ．2 L A R Ss y s t e ma n dc o n v e n t i o n a ld e g a s s e r H y d r o g e nd e g a s s i n ge f f i c i e n c y 如图2 所示，除氢效率随精炼系统入口铝液氢 含量而变化，对于L A R S 系统，当入口铝液氢含量小 于0 ．3 0 0 m L ／1 0 0 9 时，除氢效率在6 0 ％一7 0 ％之间， 随入口铝液氢含量的增加，除氢效率提高。对于传 统精炼系统而言，当入口铝液氢含量小于0 ．3 0 0 m L ／ 1 0 0 9 时，除氢效率在5 0 ％～6 0 ％之间，比L A R S 系 统低5 ％一1 0 ％。 2L A R S 系统提高除氢精炼效果措施 根据上述影响除氢精炼效果的因素，L A R S 系统通过优化设计，采取了有效的工艺措施，优化精 炼过程，提高除氢精炼效果。 2 ．1 提高氩气预热效果 精炼气体预热是提高精炼效果的重要措施。 L A R S 系统气体预热方式如图3 所示，通过石墨转 子的优化设计，在石墨转子表面刻有螺旋型的凹槽， 氩气沿着凹槽行进，延长了气体在转子与定子之间 的空隙内运行距离和运行时间。石墨转子表面刻有 螺旋型的凹槽，氩气沿着凹槽进入定子和转子之间 的间隙，氩气的运行路径得到延长。石墨转子和定 子在精炼箱体内受到高温铝液的作用，温度升高，达 到或者接近铝液的温度。通过高温的定子和转子对 气体预热，气体运行路径和运行时间较长，气体预热 时间也长，氩气从石墨转子喷出时的温度高达 6 8 0 ℃以上。这样就减轻了气体受热膨胀的影响，提 高除氢精炼效果。传统的除氢精炼设备没有做到这 一点，无法达到L A R S 系统的气体预热程度。 5 1 一螺旋凹槽；2 一石墨转子；3 一定子；4 一氯气人口；5 一氩气出口 图3L A R S 系统氩气运行路径图 F i g ．3 L A R Ss y s t e mA r g o nt r a n s f e r r i n gw a y 氩气沿着螺旋路径行进，氨气行进总路程可以 计算出来。圆柱形石墨转子直径d 1 2 0 m m ，螺牙 数几 2 0 ，带有螺纹凹槽的石墨转子部分长度h 8 0 0 m m 。螺旋线长度为￡ [ 3 ．1 4 r i d 2 h 2 ] Ⅳ2 [ 2 0 3 ．1 4 1 2 0 2 8 0 0 2 ] Ⅳ2 7 5 8 0 m m 。螺旋线 长度与石墨转子长度的比值为7 5 8 0 8 0 0 9 ．5 倍。 所以，经过对石墨转子螺旋凹槽的设计，氩气在 石墨转子内的运行距离延长9 ．5 倍，氩气预热时间 增加，气体受热膨胀程度减小，有效地提高了除氢精 炼效果。 2 ．2 气泡体积膨胀与箱体几何尺寸相互匹配 L A R S 系统除氢精炼过程中，采取的有效措施 是，精炼箱体形状与气泡体积膨胀相互匹配，精炼箱 壁有一定的倾斜度，随着氩气气泡上浮，箱体截面积 ％，爵簌鞴链 万方数据 5 8有色金属第6 l 卷 增大。这样就避免了氩气气泡相互融合，提高了除 氢精炼效果。图4 是L A R S 系统箱体截面示意图。 2 3 4 5 1 一石墨转子；2 一铝液入口；3 一人1 2 1 倾斜内衬； 4 一铝液出口；5 一出口倾斜内衬 图4L A R S 系统精炼箱内壁倾斜角设计图 F i g ．4 L A R Ss y s t e md e g a s s i n gv e s s e ll i n e rs l o p e 如图4 所示，L A R S 系统中，精炼箱内壁的耐火材料 设计有较大的倾斜角，耐火材料与垂直方向的夹角 为1 0 0 1 6 。，越靠近精炼箱顶端的位置，箱体的截 面积越大。随着氩气气泡受到铝液浮力的作用而上 浮，受到铝液的压强逐渐减小，气泡体积膨胀。由于 箱体的截面积增大，与气泡体积膨胀程度相互匹配， 避免气泡融合到一起。气泡保持预定的运行路线上 浮，单个气泡体积小，全部气泡与铝液接触的总面积 增加，气泡上浮的同时，吸附铝液中的氢，提高除氢 精炼效果。 传统精炼箱体的倾斜角，通常为5 0 左右，目的 是避免铝液进入箱体时产生冲击。由于倾斜角太 小，无法保证气泡体积膨胀与箱体几何尺寸的匹配 性，除氢精炼效果降低。 2 ．3L A R S 系统在线除氢精炼效果 铝合金中的气体主要是氢，约占8 5 ％以上一。， 铝液中的氢能够导致产品的氢脆性，并导致疏松的 形成，影响轧制和锻造性能引。除氢精炼系统主要 是采用石墨转子，将氩气气泡搅碎，氩气上浮过程中 吸附铝液中的氢，上浮到铝液表面而除去“。气泡 越小而弥散度越高，气泡数量增加而不合泡，氩气与 铝液接触总面积越大，除氢效果越好n 1 3 1 。所以， 优化精炼工艺过程，提高除氢效率，对于实际生产具 有重要的意义。L A R S 系统通过上述工艺参数的优 化，有效提高了除氢精炼效果。 根据L A R S 系统的实际运行状况，对于3 1 0 4 合 金，铝液通过L A R S 系统精炼后，采用A L S C A N 测氢 仪进行测量，氢含量测量结果如图5 所示，图中虚线 表示A L S C A N 测量过程稳定时对应的氢含量，为 0 ．1 0 5 m L ／1 0 0 9 。 图5L A R S 系统精炼后铝液氢含量测量 F i g ．5H y d r o g e nl e v e lm e a s u r e m e n ta f t e r d e g a s s i n gi nL A R Ss y s t e m 通过上述工艺优化措施，L A R S 系统有效提高 了除氢精炼效果。对于3 1 0 4 合金，采用L A R S 系统 3 转子的精炼设备，除氢精炼效果如表所示。 如表1 所示，经过L A R S 系统对铝液进行除氢 精炼，3 1 0 4 合金氢含量控制在0 ．1 2 0 m L ／1 0 0 9 以下， 人口铝液氢含量0 ．3 0 0 m L ／l O O g 以下时，除氢效率 6 0 ％一7 0 ％，有效满足了罐体料产品高质量的要求。 表1L A R S 系统在线除氢精炼效果 T a b l e1L A R Ss y s t e mh y d r o g e nd e g a s s i n ge f f i c i e n c y 注氩气流量6 ．9 m 3 ／h ，铝液流速3 9 t ／h ，铝液精炼时间5 ．7 m i n ，精炼箱体铝液容量3 ．7 t ，测氢仪A L S C A N 。 3 结论 墨豢罢翼孺嚣主瑟嚣嘉羹主 通过石墨转子表面的螺旋型凹槽的设计，氨气 高。精炼箱内壁耐火材料保持1 0 。一1 6 。倾角，气泡 万方数据 第4 期徐凯等L A R S 系统提高除氢精炼效果的措施 5 9 体积膨胀与精炼箱截面积的增加相互匹配，防止气 泡相互融合，提高除氢精炼效果。经过除氢精炼工 艺措施的优化，对于3 1 0 4 合金，采用L A R S 系统进 参考文献 行精炼，除氢效率为6 0 ％～7 0 ％，铝液氢含量可达 到0 ．1 2 0 m L ／1 0 0 9 以下。 [ 1 ] L i uH ，B o u c h a r dM ，Z h a n gL ．A ne x p e r i m e n t a ls t u d yo fh y d r o g e ns o l u b i l i t yi nl i q u i da l u m i n u m [ J ] ．J o u r n a lo fM a t e r i a l s s c i e n c e ，1 9 9 5 ，4 3 1 0 4 3 0 9 4 3 1 5 ． [ 2 ] P e t e rW ．At e c h n i c a lp e r s p e c t i v eo nm o l t e na l u m i n u mp r o c e s s i n g [ J ] ．L i g h tM e t a l s ，2 0 0 2 ，7 2 3 8 4 1 8 4 8 ． [ 3 ] 张忠华，边秀房，刘相法．铝熔体除氢过程动力学[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 0 ，1 0 4 2 1 7 2 2 0 ． [ 4 ] 李太宝，徐卫国．S I V E X 及S N l FS H E E R 铝液净化方法[ J ] ．轻合金加工技术，2 0 0 4 ，3 2 6 3 6 3 7 ． [ 5 ] 巫瑞智，孙宝德，疏达，等．铝熔体除氢[ J ] ．材料科学与工艺，2 0 0 6 ，1 4 2 2 1 8 2 2 1 ． [ 6 ] M o h a m m e dM ’H a m a d i ，A s b j o mM o ．O nm o d e l l i n gt h ei n t e r p l a yb e t w e e nm i c r o p o r o s i t yf o r m a t i o na n dh o tt e a r i n gi na l u m i n i u m d i r e c t c h i l lc a s t i n g [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 5 ，A 4 1 3 ／4 1 4 1 0 5 1 0 8 ． [ 7 ] 同红涛，肖刚．铝熔体中的氢的研究[ J ] ．铝加工，2 0 0 6 ，1 7 17 5 9 1 2 ． [ 8 ] 巫瑞智，倪红军，瞿长生，等．铝熔体吹气除氢技术[ J ] ．铸造技术，2 0 0 3 ，2 4 3 1 6 6 ～1 6 7 ． [ 9 ] 沈桂荣，解起东．铝合金熔模铸造[ J ] ．特种铸造及有色合金，2 0 0 0 ，4 8 6 4 8 5 0 ． [ 1 0 ] 孙德勤，吴文祥，曹春艳．提高铝合金铸锭质量的关键技术[ J ] ．中国铝业，2 0 0 7 ，1 0 3 7 7 4 1 4 4 ． [ 11 ] W a i t ePD ．I m p r o v e dM e t a l l u r g i c a lU n d e r s t a n d i n go ft h eA L C A NC o m p a c tD e g a s s e rA f t e rT w oY e a r so fI n d u s t r i a lI m p l e m e n t a t i o n i nA l u m i n u mC a s t i n gP l a n t s [ J ] ．L i g h tM e t a l s ，1 9 9 8 ，7 8 5 7 9 1 7 9 6 ． [ 1 2 ] 王海宝，吴光洁，刘松青．铸造铝合金熔体处理研究[ J ] ．铸造技术，2 0 0 1 ，4 2 3 4 2 4 5 ． [ 1 3 ] 张子才．铝熔体旋转喷吹的除气效果及其对成分的影响[ J ] ．铸造，2 0 0 4 ，5 3 2 1 4 7 1 4 9 ． S o l u t i o nf o rI m p r o v i n gH y d r o g e nD e g a s s i n gP r o c e s si nL A R SS y s t e m x uK a i l ，1 2T a i ．b a 0 2 1 ．N a n c h a n gC a m p mo f J i a n g x iU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，N a n c h a n g3 3 0 0 1 3 ，C h i n a ； 2 ．K e yL a bo fL i q u i dS t r u c t u r ea n dH e r e d i t yo fM a t e r i a l ，M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g S c h o o l ，S h a n d o n gU n i v e 搿i t y ，J i n a n2 5 0 0 6 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fh y d r o g e nd e g a s s i n gp r o c e s si nl i q u i da l u m i n u ma r ea n a l y z e db a s e dont h ep r o d u c t i o n o p e r a t i o n ．T h es p e c i a ls o l u t i o nf o ri m p r o v i n gh y d r o g e nd e g a s s i n ge f f i c i e n c ya c c o r d i n gt oL A R Ss y s t e md e s i g ni s d e s c r i b e d ．B yi m p r o v i n gg r a p h i t er o t o r s ，a r g o nt r a n s f e r r i n gw a ya n da r g o np r e h e a t i n gp r o c e s s ，i m p r o v i n gt h es h a p e a n ds i z eo ft h ed e g a s s e rS O a st om a t ew i t ht h ea r g o ne x p a n s i o n ，h y d r o g e nd e g a s s i n ge f f i c i e n c yc o u l db eu pt o5 0 ％ 一6 0 ％． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；l i q u i da l u m i n u m ；h y d r o g e nd e g a s s i n gp r o c e s s ；a r g o n ；g r a p h i t er o t o r s 万方数据