RU2130502C1 - Method of electromagnetic refining of conducting melt - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy, in particular, intensification of technological processes in liquid metals for improvement of their qualities. SUBSTANCE: method of electromagnetic refining of conducting melt by exposure the melt to effect of travelling electromagnetic field consists in that travelling electromagnetic field acts by spiral trajectory on melt and current with density of not less than 10 A/sq.mm is passed through melt in zone of refining. Travelling electromagnetic field is sufficient for provision of rotation and translational motion of conducting melt of high intensity capable of separating the particles with different specific density into fractions located at different distances from rotation axis. Action of electrical current by means of electromagnetic forces intensifies separation of melt particles with different specific density by concentrating them at different distances from rotation axis and holding there for some time required for bringing impurities out of melt to ensure separation of conducting melt into fractions with high, low and medium specific density and subsequent withdrawal of fractions with high and low specific densities from the further technological process. EFFECT: improved qualities of refined liquid metals. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к способам интенсификации технологических процессов в жидких металлах. The invention relates to the field of metallurgy, in particular, to methods of intensification of technological processes in liquid metals.

Известен способ рафинирования электропроводных расплавов, положенный в основу работы "Системы рафинирования алюминия SNIF R-60/4", представленной в "Техническом описании", прилагаемом к заявке, где в камеры с электропроводным расплавом под давлением закачивается инертный газ или газопылевая смесь, которая механическим устройством перемешивается со средой электропроводного расплава. Пузырьки инертного газа или частицы газопылевой смеси, являясь ядрами и реагируя с примесями, собирают их вокруг себя, впоследствии, всплывая на поверхность, где примеси убираются или задерживаются в фильтрах. Однако, этот способ рафинирования имеет следующие недостатки:
1. Перемешивание инертного газа или газопылевой смеси со средой расплава происходит при помощи механических устройств, что не обеспечивает равномерного распределения инертного газа по всему объему обрабатываемого расплава.A known method of refining electrically conductive melts, which is the basis of the work of the "Aluminum refining system SNIF R-60/4", presented in the "Technical Description" attached to the application, where inert gas or gas-dust mixture is pumped into chambers with an electrically conductive melt, which is mechanically the device is mixed with a medium of electrically conductive melt. Inert gas bubbles or particles of a gas-dust mixture, being nuclei and reacting with impurities, collect them around themselves, subsequently floating up to the surface where impurities are removed or trapped in the filters. However, this refining method has the following disadvantages:
1. Mixing of an inert gas or gas-dust mixture with the melt medium occurs using mechanical devices, which does not ensure uniform distribution of inert gas throughout the volume of the processed melt.

2. Необходимость постоянной подачи инертного газа или газопылевой смеси значительно усложняет реализацию способа, увеличивает стоимость оборудования. 2. The need for a constant supply of an inert gas or gas-dust mixture significantly complicates the implementation of the method, increases the cost of equipment.

3. Наличие остаточных микрочастиц вдуваемой пыли в расплаве после рафинирования и фильтрации снижает качество отливаемых слитков. 3. The presence of residual microparticles of blown dust in the melt after refining and filtering reduces the quality of the cast ingots.

4. Наличие механических вращающихся роторов для перемешивания в установке, реализующей способ, которые находятся в высокотемпературной среде электропроводного расплава, приводит к быстрому выходу их из строя и выходу из строя установки в целом. Для увеличения срока службы роторов необходимо постоянное их охлаждение инертным газом, что является дорогостоящей процедурой. 4. The presence of mechanical rotating rotors for mixing in an installation that implements the method, which are located in a high-temperature medium of electrically conductive melt, leads to their rapid failure and failure of the installation as a whole. To increase the service life of the rotors, it is necessary to constantly cool them with an inert gas, which is an expensive procedure.

Наиболее близким к заявленному способу является способ магнитогидродинамического рафинирования ("МГД-устройства для приготовления высококачественных алюминиевых сплавов", В.Н. Тимофеев, С.А. Бояков, Р.М. Христинич, С.А. Рыбаков, Н. П. Маракушин, А. А. Темеров. Вестник Красноярского гос. техн. университета; Сб. научн. трудов; Под ред. В.В. Слабко/ КГТУ. Вып. 2. Красноярск, 1996, с. 13 - 18), в котором используется вращательное движение электропроводного расплава, созданное посредством бегущего электромагнитного поля с введением инертного газа или газопылевой смеси в расплав. Однако скорость вращения расплава при реализации способа достаточно низкая и может использоваться только для перемешивания инертного газа или газопылевой смеси. При этом скорость очистки расплава и эффективность полностью зависят от естественной скорости всплывания пузырьков инертного газа на поверхность расплава (флотации). Реализация способа без наличия инертного газа или газопылевой смеси не представляется возможной в данном варианте вообще. Closest to the claimed method is a method of magnetohydrodynamic refining ("MHD devices for the preparation of high-quality aluminum alloys", V. N. Timofeev, S. A. Boyakov, R. M. Khristinich, S. A. Rybakov, N. P. Marakushin , A. A. Temerov, Bulletin of the Krasnoyarsk State Technical University; Collected scientific papers; Edited by VV Slabko / KSTU, Issue 2. Krasnoyarsk, 1996, pp. 13-18), in which rotational movement of an electrically conductive melt created by a traveling electromagnetic field with the introduction of an inert gas or gas dust howl of the mixture in the melt. However, the melt rotation speed during the implementation of the method is quite low and can only be used to mix an inert gas or gas-dust mixture. In this case, the melt purification rate and efficiency completely depend on the natural rate of inert gas bubbles floating up on the melt surface (flotation). The implementation of the method without the presence of an inert gas or gas-dust mixture is not possible in this embodiment at all.

В основу изобретения положена задача разделения электропроводного расплава на фракции с высокой, низкой и средней (основной) удельными плотностями посредством центробежных сил, центростремительных сил и сил электромагнитного взаимодействия с последующим выведением фракций с высокой и низкой удельными плотностями из дальнейшего технологического процесса. The basis of the invention is the task of separating the electrically conductive melt into fractions with high, low and medium (main) specific densities by means of centrifugal forces, centripetal forces and electromagnetic forces, followed by the removal of fractions with high and low specific densities from a further technological process.

Поставленная задача решается тем, что в способе электромагнитного рафинирования электропроводного расплава посредством воздействия на него бегущим электромагнитным полем, это воздействие осуществляют полем, достаточным для создания вращательно-поступательного движения электропроводного расплава высокой интенсивности и выделения частиц с различной удельной плотностью, по спиральной траектории и одновременно пропускают через расплав электрический ток с плотностью не менее 10 А/мм². Это позволяет усилить разделение частиц расплава с различной удельной плотностью, концентрировать их на различных расстояниях от оси вращения и удерживать там некоторое время, достаточное для выведения из расплава.The problem is solved in that in the method of electromagnetic refining of an electrically conductive melt by exposing it to a traveling electromagnetic field, this effect is carried out by a field sufficient to create a rotational-translational motion of a high-intensity electrically conductive melt and to isolate particles with different specific densities along a spiral path and simultaneously pass through the melt an electric current with a density of at least 10 A / mm ² . This makes it possible to enhance the separation of melt particles with different specific densities, to concentrate them at various distances from the axis of rotation and to hold there for some time sufficient for removal from the melt.

На чертеже представлена схема, поясняющая реализацию способа электромагнитного рафинирования электропроводного расплава. The drawing shows a diagram explaining the implementation of the method of electromagnetic refining of an electrically conductive melt.

Источник электромагнитного поля 1 расположен снаружи металлотракта 2, внутри которого находится электропроводный расплав 3. Под воздействием электромагнитного поля он осуществляет движение по траектории 4. Через электропроводный расплав 3 пропускают электрический ток 5, плотность которого распределена неравномерно по сечению металлотракта 2. Электропроводный расплав 3 содержит частицы 6 примесей с удельной плотностью меньше основной удельной плотности расплава 3 (низкоплотные) и частицы 7 примесей с удельной плотностью больше основной удельной плотности расплава 3 (высокоплотные). The source of the electromagnetic field 1 is located outside the metal path 2, inside which there is an electrically conductive melt 3. Under the influence of an electromagnetic field, it moves along the path 4. An electric current 5 is passed through the electrically conductive melt 3, the density of which is unevenly distributed over the cross section of the metal path 2. The electrically conductive melt 3 contains particles 6 impurities with specific gravity less than the main specific gravity of melt 3 (low density) and particles of 7 impurities with specific gravity greater than the main specific melt density 3 (high density).

Способ реализуется следующим образом. The method is implemented as follows.

Источник электромагнитного поля 1 создает в области металлотракта 2, в котором находится электропроводный расплав 3, бегущее электромагнитное поле, которое наводит в электропроводном расплаве 3 электрические вихревые токи. Электрические вихревые токи создают свое электромагнитное поле, которое взаимодействует с внешним электромагнитным полем источника 1, приводит электропроводный расплав 3 во вращательно-поступательное движение, направленное по траектории 4. Для увеличения суммарной плотности тока в расплаве 3, находящемся в металлотракте 2, через него пропускают электрический ток 5 с плотностью не менее 10 А/мм². При этом интенсивности электромагнитного поля от источника 1 и плотность тока 5 должны быть достаточно высокими, чтобы создать не только интенсивное вращательно-поступательное движение расплава 3, но и электромагнитные силы, способные вытеснить неэлектропроводные частицы в зону меньшей плотности. Так как электромагнитное поле источника 1 является переменным, изменяющимся с частотой ω, то распределение плотности суммарного электрического тока по сечению металлотракта 2 будет иметь вид, представленный на чертеже. У стенки металлотракта 2 плотность суммарного электрического тока будет максимальной, а на оси - она может достигать значений, близких к нулю, если радиус r металлотракта больше, чем глубина проникновения электромагнитной волны Δ, то есть выполняется неравенство

где

Здесь ω - циклическая частота электромагнитного поля (c^-1), μ_a - удельная магнитная проницаемость электропроводного расплава (Гн/м), γ - удельная электропроводность расплава (См/м).The source of the electromagnetic field 1 creates in the area of the metal path 2, in which the electrically conductive melt 3 is located, a traveling electromagnetic field that induces eddy currents in the electrically conductive melt 3. Electric eddy currents create their own electromagnetic field, which interacts with the external electromagnetic field of the source 1, leads the electrically conductive melt 3 into a rotational-translational motion directed along the path 4. To increase the total current density in the melt 3, located in the metal path 2, an electric current is passed through it current 5 with a density of at least 10 A / mm ² . At the same time, the intensities of the electromagnetic field from source 1 and current density 5 must be high enough to create not only intense rotational-translational motion of melt 3, but also electromagnetic forces that can displace non-conductive particles into a zone of lower density. Since the electromagnetic field of source 1 is variable, changing with frequency ω, the distribution of the density of the total electric current over the cross section of the metal path 2 will have the form shown in the drawing. At the metal path wall 2, the density of the total electric current will be maximum, and on the axis it can reach values close to zero if the radius r of the metal path is greater than the penetration depth of the electromagnetic wave Δ, i.e., the inequality

Where

Here, ω is the cyclic frequency of the electromagnetic field (c ^-1 ), μ _a is the specific magnetic permeability of the electrically conductive melt (GN / m), γ is the specific electrical conductivity of the melt (S / m).

При достижении высокой скорости вращения электропроводным расплавом частицы с высокой удельной плотностью (с плотностью большей, чем основная плотность расплава) устремляются к стенке металлотракта и прижимаются к ней, а частицы с низкой удельной плотностью вытесняются к оси металлотракта, где линейная скорость значительно ниже, а непосредственно на оси - равна нулю. When a high rotational speed is achieved by an electrically conductive melt, particles with a high specific density (with a density higher than the main density of the melt) rush to the metal path wall and are pressed to it, and particles with a low specific gravity are displaced to the metal path axis, where the linear velocity is much lower and directly on the axis - is zero.

В то же время у стенки металлотракта плотность суммарного электрического тока в электропроводном расплаве значительно выше, чем у оси, и частицы 6, представляющие из себя неэлектропроводные или малоэлектропроводные примеси (газы, окислы), вытесняются под действием электромагнитных сил токов в область пониженной плотности тока - к оси металлотракта. Под действием центробежных сил к стенке металлотракта устремляются металлические примеси (галлий, натрий и т.п.), электропроводность которых высокая, и они не создают ощутимого сопротивления для протекания электрического тока. At the same time, the density of the total electric current in the electrically conductive melt near the wall of the metal path is much higher than that of the axis, and particles 6, which are non-conductive or low-conductivity impurities (gases, oxides), are displaced under the influence of electromagnetic currents into a region of reduced current density - to the axis of the metal path. Under the action of centrifugal forces, metal impurities (gallium, sodium, etc.) rush to the wall of the metal path, whose electrical conductivity is high, and they do not create any tangible resistance for the flow of electric current.

После концентрации частиц 7 примесей у стенки металлотракта, а частиц 6 примесей на его оси, происходит их удаление. Очищенный электропроводный расплав 3, который имеет усредненную плотность, располагается по радиусу металлотракта 2 в интервале

и беспрепятственно проходит по металлотракту для дальнейшего использования.After the concentration of particles of 7 impurities at the wall of the metal path, and particles of 6 impurities on its axis, they are removed. The purified electrically conductive melt 3, which has an average density, is located along the radius of the metal path 2 in the range

and freely passes through the metal path for further use.

Единых рекомендаций по скорости вращения электропроводного расплава, точному местоположению частиц с высокой и низкой удельными плотностями по радиусу металлотракта не существует, так как они зависят от основной плотности расплава, степени требуемой очистки, радиуса металлотракта и т.п. Однако, как показала апробация предложенного способа электромагнитного рафинирования на физической модели, с использованием в качестве моделирующего металла - галлия при достижении скорости вращения свыше 600 об/мин происходит разделение примесей с удельной плотностью, отличной от основной плотности моделирующего металла, по радиусу металлотракта, как описано выше. There are no unified recommendations on the speed of rotation of the electrically conductive melt, the exact location of particles with high and low specific densities along the radius of the metal path, since they depend on the main density of the melt, the degree of cleaning required, the radius of the metal path, etc. However, as shown by testing the proposed method of electromagnetic refining on a physical model, using gallium as the modeling metal, when the rotation speed exceeds 600 rpm, impurities are separated with a specific density different from the basic density of the modeling metal along the metal path radius, as described above.

Claims (1)

Способ электромагнитного рафинирования электропроводного расплава посредством воздействия на него бегущим электромагнитным полем, отличающийся тем, что бегущим электромагнитным полем, достаточным для создания вращательно-поступательного движения электропроводного расплава высокой интенсивности и выделения частиц с различной удельной плотностью, воздействуют по спиральной траектории и одновременно пропускают через расплав электрический ток с плотностью не менее 10 А/мм².A method of electromagnetic refining of an electrically conductive melt by exposing it to a traveling electromagnetic field, characterized in that the traveling electromagnetic field, sufficient to create a rotational-translational motion of a high intensity electrically conductive melt and the selection of particles with different specific densities, is acted on in a spiral path and at the same time an electric is passed through the melt current with a density of at least 10 A / mm ² .