CN118973740A - 用于提高铝脱气效率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种当熔融铝在熔炉和铸造装置之间通过时对该熔融铝进行处理的方法。该方法包括监测熔融铝中的氢气浓度；将惰性气体浓度使用与氢气浓度相关；以及自动调整从脱气器输出的惰性气体和脱气器的转子rpm，以为进入铸造装置的熔融铝产生一致的且期望的氢气浓度。

Description

用于提高铝脱气效率的方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2022年2月17日提交的美国临时申请No.63/311,309的权益，其内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明的示例性实施方案涉及一种用于改善铝的质量的方法和装置，更特别地，涉及在铸造和凝固之前用气体处理熔融铝。本发明的示例性实施方案发现了与铝件的铸造结合的特别应用，并且将特别参考该特别应用进行描述。然而，应当理解的是，本发明的示例性实施方案也适用于其他类似的应用。

背景技术

当许多熔融金属用于铸造和类似工艺时，必须对其进行初步处理，以去除可能对所得铸造产品的物理或化学性质产生不利影响的不需要的成分。例如，熔融铝具有极高的反应性，因此，当它与潮湿的空气或湿的工具接触时，水会分解以在熔体中释放出氢气。在铸造期间，随着金属冻结，氢气的溶解度会迅速下降，导致氢气离开溶液。这可能会导致铸造问题，诸如在薄璧挤压件中的扭曲和剥落以及铸造产品上的气泡。

因此，氢气的去除和控制是铝铸造中金属处理工艺中的重要部分。铝熔体始终与大气相互作用，直至空气中的气态氢和溶解在熔融铝中的氢气之间形成平衡。大气中氢气的分压(即量)几乎无关紧要。相反，氢气来自大气中的水蒸气。

必须控制溶解的氢气的水平，以最大限度地减少废料和废物。因此，金属铸造机必须防止和最小化熔体中氢气的引入，并且在浇注之前去除氢气。

熔融铝的脱气通常通过使用吹扫(惰性)气体来完成，通常通过旋转脱气单元将吹扫(惰性)气体引入熔体中。这种去除氢气的工艺通常被称为“金属脱气”。

在线脱气系统通常安装在保温炉和铸造站之间。标准脱气系统包括利用一个或多个注射器或注射设备(诸如旋转转子设备)注入惰性气体。注射器通常会将惰性气体(诸如氩气)以气泡的形式引入到熔融金属中，注射器可能会将气泡进行剪切并且分散到熔融金属中，以便用惰性气体使熔融金属饱和。许多脱气系统自动运行，无需操作员过多关注。这导致了吹扫气体使用效率低下以及与其他下游在线工艺(诸如过滤)有关的费用。美国专利No.8,025,712公开了一种用于在线铝处理的在线脱气装置和方法，该专利的公开内容通过引用并入本文。

还期望降低被铸造的熔融铝的非金属杂质含量。这通常通过利用一种或多种不同的助熔方法来实现，其中熔融金属与反应性气态或固态助熔剂(诸如卤素)接触。例如，可以利用氯气去除非金属杂质。

脱气工艺受到热力学定律的限制。当干燥的吹扫气体气泡被引入到熔体中时，它们在漂浮到表面时会收集氢气。在熔融边界层中的H₂浓度和吹扫气体气泡中的H₂分压之间迅速建立局部平衡。氢气从主体到边界层的扩散是速率受限的，而原子氢到分子氢的重组是非常快速的。从热力学角度来看，该工艺效率为约100％。但是随着熔体中气体含量的下降，气泡中氢气的平衡压力也会下降。因此，去除剩余氢气所需的吹扫气体的量必须增加。

目前还没有自动调整速度和气体流量的在线脱气系统。相反，铸造车间中广泛接受的是，脱气器被设定为一个先前验证确认的设定，并且对于几乎所有的滴状物(drop)都保持该方式，而无论金属流量、进入的氢气水平、合金类型或季节如何。

因此，典型的铸造车间方法使用太多的惰性气体来达到所期望的氢气水平。当然，这种低效率会导致不必要的成本增加和资源浪费。因此，需要实时提供有效处理并且气体消耗量对应较少的金属处理方法和装置。

发明内容

本发明涉及用于监测和减少熔融金属中不期望的杂质的方法和装置。为了方便起见，以下描述将针对铝的处理，尽管其他熔融金属体系可以受益于使用本公开的系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种当熔融铝在熔炉和铸造装置之间通过时对该熔融铝进行处理的方法。该方法包括监测熔融铝中的氢气浓度，并且计算达到熔融铝中的目标氢气浓度所需的惰性气体的量。该方法进一步包括基于上文的计算自动调整注入熔融铝中的惰性气体的量。

在本发明的一个实施方案中，脱气器自动调整从脱气器输出的惰性气体浓度和转子速度，以在熔融铝进入铸造装置时保持恒定的氢气水平。

根据本发明的另一个方面，分析器用于监测熔融金属中进入和出去的氢气水平，并且向脱气器发出信号以在铸造期间进行相应的调整。

根据本发明的一个方面，氢气浓度的监测是连续的。根据本发明的另一个方面，惰性气体浓度的监测是连续的。在本发明的一个实施方案中，对氢气浓度和惰性气体浓度进行测量。在本发明的另一个实施方案中，对氢气浓度和/或惰性气体浓度的监测定期地发生。

根据本发明的另一个方面，提供了一种使用气体测量系统测量熔融金属的气体含量的方法，该方法包括监测熔融金属中所含的氢气浓度，并且将惰性气体浓度使用与熔融金属中所含的氢气浓度相关，其中脱气器单元自动地调整脱气器单元的输出，以实时保持待铸造的熔融金属中基本恒定的氢气含量水平。如本文中所使用的，“基本恒定”是指铸件中氢气浓度的变化小于10％、或小于5％或小于1％。由分析单元连续地测量氢气浓度。分析单元还可以连续地测量惰性气体。在一些实施方案中，惰性气体是氩气，但是也可以使用其他惰性气体，诸如氮气。

本文中还公开了一种用于接收气体浓度进料和调整熔炉的装置。该装置包括脱气站，该脱气站包括用于测量熔融金属中的氢气浓度的第一传感器和用于测量惰性气体浓度的第二传感器。

在一些优选的实施方案中，用于测量熔融金属中的氢气浓度的第一传感器和用于测量惰性气体浓度的第二传感器为相同的感测设备。在其他优选的实施方案中，第一传感器和第二传感器是相同的传感器，并且同时测量氢气浓度和惰性气体浓度。该装置的其他方面包括用于接收气体浓度测量结果的控制单元(例如，可编程逻辑控制器“PLC”)。

在本发明的一些实施方案中，控制单元将熔融金属内的氢气浓度与熔融金属内和/或引入脱气单元的惰性气体浓度相关。在其他实施方案中，控制单元平衡惰性气体浓度与相关的氢气浓度，以保持恒定的出口氢气含量。

根据本发明的实施方案的传感器设备可以与熔融金属(诸如铝，或例如如在美国专利6,216,525中所公开的，其通过引用并入本文)接触。

根据本发明的实施方案的分析设备可以与熔融金属(诸如铝，或例如如在美国专利4,907,440中所公开的，其通过引用并入本文)接触。

在一些实施方案中，脱气单元为在线脱气系统。在一些实施方案中，在线脱气系统可以位于保温炉和铸造站之间。

一种合适的熔融铝脱气或金属精炼系统由Pyrotek以SNIF商标提供。关于Pyrotek产品的参考资料和信息可以在其网站www.pyrotek-inc.com上找到。

涉及此类系统的美国专利包括以下专利：美国专利No.9,127,332，用于熔融铝精炼和气体分散系统；美国专利No.5,198,180，用于熔融铝精炼的具有转子和定子的气体分散装置；美国专利No.5,846,481，用于熔融铝精炼装置；美国专利No.3,743,263，用于精炼熔融铝的装置；以及美国专利No.4,203,581，用于精炼熔融铝的装置；所有这些专利均通过引用并入本文。

附图说明

以下是附图的简要描述，呈现这些附图是出于说明本文中所公开的示例性实施方案的目的，而不是出于对其进行限制的目的。

图1图示了本公开的实施方案的示例性脱气方法的工艺流程；

图2图示了根据本公开的实施方案的示例性脱气装置的示意图；

图3a是表示铝铸件的正视图，图示了氢气浓度的影响；

图3b是图3a的铝铸件的视图；

图3c是展示图3b的铝铸件中所包含的氢气浓度水平的图形。

图3d是铝铸件中所包含的氢气浓度的正视图，其中图形展示了氢气浓度水平。

图4是表示在线金属处理系统的透视图；并且具有根据现有技术的挡板和旋转分配器；

图5是现有技术脱气转子的透视剖面图。

具体实施方式

本发明中所利用的许多部件是众所周知的，并且在所描述的本发明的领域中使用，并且它们的确切性质或类型对于本领域或科学领域技术人员理解和使用本发明不是必需的；因此，将不对它们进行更详细的讨论。通过参考附图，可以获得对本文中所公开的部件、方法和装置的更完整的理解。提供仅是示意性表示的附图是为了方便和易于展现本公开，因此并不旨在指示设备或其部件的相对大小和尺寸和/或限定或限制示例性实施方案的范围。

尽管为清楚起见，在以下描述中使用了特定术语，但这些术语旨在仅是指在附图中选择的用于说明实施方案的特定结构，并非旨在限定或限制本公开的范围。在下面的附图和以下描述中，应该理解的是，相同的附图标记表示相同功能的部件。

除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一个/一种(a)”、“一个/一种(an)”和“该个/所述(the)”包括复数指示物。

如说明书和权利要求书中所使用的，如本文中所使用的术语“包括(comprise(s))”、“包含(include(s))”、“具有(having)”、“具备(has)”、“可以(can)”、“含有(contain(s))”及其变体旨在是开放式过渡短语、术语或词语，其要求存在指定的部件/步骤，并且允许存在其他部件/步骤。然而，这种描述应该被解释为也将装备或设备或方法描述为“由所列举的部件/步骤组成”和“基本上由所列举的部件/步骤组成”，这允许仅存在指定的部件/步骤，而排除其他部件/步骤。

本申请的说明书和权利要求书中的数值应理解为包括当减少至相同数目的有效数字时相同的数值，以及与所述值之差小于本申请中所描述的类型的常规测量技术的实验误差来确定该值的数值。

本文中所公开的所有范围均包括所述端点，并且可独立组合(例如，“从2克至10克”的范围包括端点2克和10克以及所有中间值)。

由一个或多个术语(诸如“约”和“基本上”)修饰的值可能不限于指定的精确值。修饰语“约”也应该被认为公开了由两个端点的绝对值所定义的范围。例如，表述“从约2至约4”也公开了“从2至4”的范围。术语“约”可能是指所示数字的正或负10％。

术语“上部”和“下部”是相对于彼此的位置而言的，即上部部件位于比下部部件更高的高度处。

术语“水平”和“竖直”用于表示相对于绝对参考(即地平面)的方向。然而，这些术语不应被解释为要求类似描述的结构彼此绝对平行或绝对垂直。

下面的实施例1和2表明，离开熔炉的铝的氢气浓度通常在工艺开始时最高，并且在铸造期间逐渐降低。当脱气器被设定为一个固定参数时，在脱气器之后的氢气浓度也将遵循与进口氢气相同的路径，并且氢气去除效率将保持在相同水平左右。根据熔炉出口和脱气器的预设参数，这种方法产生具有不同氢气浓度的固体、板坯(slab)或坯料(billet)。当脱气器被设定为一个固定参数时，大部分时间它被设定为最高金属流量、最潮湿的季节，难以去除合金。因此，铸造操作几乎普遍过度处理熔融铝。

下面的实施例3至6展示了在不改变脱气器参数的情况下从两个单独的铸件中收集的数据。ALSCAN测试分别在两个不同的日期进行。实施例3和4是第一天取得的测试结果。实施例5和6是第3天取得的测试结果。发生的唯一变化是进入的金属温度和流槽(launder)中的金属水平。该方法使得进入的金属氢气含量水平偶尔会高于预期。然而，即使进入的氢气含量水平可能会较低，但在两种情况下，都观察到氢气水平随时间降低。

实验结果在图3a、3b和3c中示出。即使根据最硬的合金、最高的金属流速和最潮湿的季节等来选择脱气器，但当铸造车间冶金工程师在接近铸造结束时收集ALSCAN数字时，氢气浓度相对于铸造开始时相对较低。在这种情况下，可以选择弱参数组作为所有滴状物的标准配置。这对于铸造的前半部分来说可能是至关重要的，因为氢气水平可能高于可接受的水平。同样地，如图3d所示，如果在铸造开始时读取相同的读数，并且相应地设定脱气器参数，则脱气仅在最初是高效的，但对于铸造的其余部分来说将会变得非常强。在这种情况下，发生了不必要的氩气使用，这对于铸造车间的经济来说是不期望的。

图1图示了示例性脱气方法的工艺流程。方法100示出了当熔融铝在熔炉和铸造装置之间通过时对该熔融铝进行处理的方法。方法100包括监测熔融铝中的氢气浓度102和监测熔融铝中的惰性气体浓度104。方法100进一步包括将气体浓度使用与氢气浓度相关106。在一个实施方案中，在脱气站202处使用脱气器，并且该脱气器包括控制器，以自动调整从脱气器输出的惰性气体浓度106，以在熔融铝进入铸造装置时保持恒定的氢气水平。

图2图示了示例性脱气装置的示意图。装置200包括脱气站202。脱气站202包括用于测量熔融金属中的氢气浓度的第一传感器204a，以及用于测量惰性气体浓度的任选的第二传感器204b。在氢气和惰性气体被测量之后，信息被发送到控制单元212。控制单元212被配置为接收惰性气体浓度测量结果206。控制单元212将熔融金属内的氢气浓度与熔融金属内的惰性气体浓度相关。控制单元212平衡惰性气体浓度与相关的氢气浓度208，以保持恒定的出口氢气含量水平。控制单元212被配置成基于惰性气体浓度自动调整氢气输出210。

参考图4，图示了美国专利No.5,718,416所公开的现有技术实施方案。精炼容器的下部一般被称为桶组件301。桶组件301是两段精炼容器，其中铝或其他熔融金属通过金属进口302被引入容器的第一精炼段或第一精炼室中。

金属在第一精炼室中精炼后，流至第二精炼室，在第二精炼室中进一步精炼，然后通过金属出口303离开。精炼容器的设计使得金属的进口和出口可以颠倒，以适应使用它的设施的详情，即金属进口302可以用作出口，而金属出口303可以用作进口。然后，第一精炼室变成第二精炼室，反之亦然。通常，槽将熔融材料从被配置成将铝材料熔化成熔融金属合金的熔炉转移到铸造机构，以将熔融材料形成为所期望的形状。

圆顶盖组件305可以通过多种不同的已知方式牢固且密封地附接至密闭容器桶组件301的上部外表面。除了盖体顶部306d之外，圆顶盖体306还具有四个外壁，即盖体前壁306a、两个盖体侧壁306b和盖体后壁(未示出)。图4图示了盖体前壁6a和两个盖体侧壁306b如何向内倾斜。

前检修门(access door)307a包括圆顶盖前壁306a上的大部分区域，因此可能会非常重。为了更容易地打开前检修门307a，提供了液压缸组件8。侧检修门307b比前检修门307a小，并且更容易被工人处理，因此提供把手309以打开侧检修门307b，而不需要机械辅助。

安装在盖体顶部306d上的是两个旋转气体分散设备312，每个精炼室或精炼段一个旋转气体分散设备。

图5是由本发明设想的熔融金属精炼气体分散设备660的一个实施方案的透视剖面图。图6图示了注射器，在该实施方案中，该注射器包括定子662、转子轴661、在定子662和转子轴661之间的通道，气体664穿过该通道。旋转转子667包括刀片670(或叶片)，刀片670(或叶片)之间具有空间或距离671。包含气体的气泡677如箭头669和673所示被释放到熔融铝中用于分散。

图6还图示了中央通道666(或导管)，气体和熔剂如箭头663所示通过该中央通道666从外部源678引入，并且被注入或泵入中央通道666。图3还示出了定子662和转子轴661之间的气体通道659，气体通过该气体通道659被引入注射器660或熔融金属精炼系统(优选熔融铝)中。虽然通常熔剂可以以粉末或其他固体形式提供，并且与气体混合以将其注入熔融金属中，但是也可能存在诸如未来的应用的应用，其中利用液态或气态形式的熔剂。

本领域普通技术人员将理解，可以利用多种不同旋转转子中的任何一种，而无需特别要求实践本发明，所有这些均在本发明的料想范围内，并且取决于正在实施的本发明的实施方案的特定应用。

从图6中还可以看出，转子轴661可旋转地定位在定子662内的内腔内，使得该转子轴661可以由定子662腔内的电机或其他驱动器进行驱动。转子轴661可操作地附接至旋转转子667，使得喷嘴与转子轴661一起转动。气体通道也设置在定子662的内腔表面和转子轴661的外表面之间，使得气体664可以通过该通道，然后在定子662的底部和旋转转子667的顶部之间排出。气体被排出并且优选地在旋转转子667的顶部和定子662的底部之间被剪切，并且旋转转子667的叶片670有助于气泡677的剪切及其在旋转转子667周围的熔融金属内的分散。定子662可以是光滑的，包括叶片670，或者包括在其外表面上的多种不同表面和配置中的任何一种，而无需特别要求实践本发明。

图6还图示了转子轴661的外表面与定子662的内表面相互作用的位置，该交叉点被标识为项目679，其也可以被称为间隙679。交叉点679的区域可以被称为衬套、轴承或使用其他术语，并且在一些实施方案中，在两个部件之间可能有千分之二到千分之四英寸的间距。通常期望在间隙679中保持一定的气体压力，使得熔融金属不会在靠近旋转转子667的下端处进入间隙679。通常期望在间隙679下方保持一定的气体压力，使得熔融金属不会在靠近旋转转子667的下端处进入间隙679。

在利用间隙679的典型应用中，仅利用与定子和转子配置有关的气体，通过单独的注射器添加任何所期望的熔剂。然而，本发明的实施方案可以提供在利用定子内的旋转转子和轴的熔融金属加工系统中引入熔剂。

如本领域普通技术人员将理解的，气体和熔剂流速将取决于金属流速、给定应用中进入的金属中的杂质以及输出金属的所期望的质量。然而，在一个实施例中，气体的流量范围可能为至多5cfm(8Nm3/h)，典型的范围是2至4.5cfm(3至7Nm3/h)。典型应用中的熔剂材料可能利用高达20g/m或更高。本文给出的流速是每个喷嘴的流速，并且作为示例给出，并且不以任何方式限制本发明，因为它不依赖于金属加工系统中的任何特定范围或参数组。

尽管在给定实施方案中，与本发明组合使用的优选的气体为氩气，但是也可以利用氮气或其他气体。尽管本发明不限于任何特定的熔剂材料，但在给定的实施方案中，优选的熔剂材料可以是氯化镁和氯化钾的低共熔混合物(其通常由商标ProMag和Zendox所知)。

参考优选的实施方案描述了示例性实施方案。显然，其他人在阅读和理解前面的详细描述后会想到修改和改变。旨在将示例性实施方案解释为包括所有这样的修改和改变，只要它们落入所附权利要求或其等同物的范围内。

Claims (10)

1.一种当熔融铝在熔炉和铸造装置之间通过时对所述熔融铝进行处理的方法，所述方法包括：

确定所述熔融铝中的氢气浓度；以及

将惰性气体浓度使用与所述氢气浓度相关；以及

自动调整从脱气器输出的所述惰性气体和所述脱气器的转子rpm，以在所述熔融铝进入所述铸造装置时在所述熔融铝中提供基本恒定的氢气水平。

2.根据权利要求1所述的方法，其中连续地测量所述氢气浓度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中在特定的铸造期间定期测量所述氢气浓度。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述惰性气体是氩气。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述惰性气体是氮气。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述脱气器包括惰性气体分散转子。

7.根据权利要求1所述的方法，其中将氯气引入所述熔融铝中。

8.根据权利要求1所述的方法，其中PLC基于熔融金属配方和来自先前铸造的机器学习来设定所述脱气器的惰性气体水平和转子rpm。

9.一种用于接收气体浓度进料和调整熔炉的装置，包括：脱气站，所述脱气站包括用于测量熔融金属中的氢气浓度的第一传感器、用于测量熔融金属中的惰性气体浓度的任选的第二传感器、用于接收气体浓度测量结果的控制单元以及用于分散的转子，其中所述控制单元平衡与所述氢气浓度相关的所述惰性气体浓度，并且其中所述控制单元自动调整氢气输出。

10.根据权利要求9所述的装置，其中脱气器保持恒定的出口氢气含量水平。