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CN114703336A - 一种用于处理熔化的金属的旋转装置 - Google Patents

一种用于处理熔化的金属的旋转装置 Download PDF

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CN114703336A
CN114703336A CN202111555714.5A CN202111555714A CN114703336A CN 114703336 A CN114703336 A CN 114703336A CN 202111555714 A CN202111555714 A CN 202111555714A CN 114703336 A CN114703336 A CN 114703336A
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hollow shaft
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大卫·赫拉比纳
科林·鲍威尔
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Foseco International Ltd
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Abstract

处理熔化的金属的旋转装置和方法、旋转装置的管状套筒和旋转装置处理熔化的金属的用途。旋转装置包括：管状套筒，包括在一个端部的转子头，转子头包括将气体分散到熔化的金属中的气体出口；在管状套筒内延伸的空心轴，使空心轴的至少一部分被管状套筒包围，空心轴流体地连接到转子头的气体出口，管状套筒由抗腐蚀和抗热冲击的耐火材料形成，空心轴由包含石墨的材料形成。第一种方法包括：将一层合成渣材料施加到熔化的金属的暴露表面；使用包括转子头的旋转装置搅拌熔化的金属，使熔化的金属流过合成渣材料的层。第二种方法包括：将金属处理剂施加到熔化的金属；使用包括转子头的旋转装置搅拌熔化的金属；通过转子头将气体排放到熔化的金属中。

Description

一种用于处理熔化的金属的旋转装置
技术领域
本发明涉及一种用于处理熔化的金属的旋转装置和方法。特别地，本发明涉及一种用于从熔化的金属中去除不需要的杂质例如硫、溶解气体和固体夹杂物以及将金属处理添加剂加入熔化的金属中的旋转装置和方法。本发明还涉及一种用于旋转装置的管状套筒以及旋转装置在处理熔化的金属中的用途。
背景技术
熔化的金属中不需要的杂质在金属铸造过程中会导致严重问题，从而对成品铸件的质量产生不利影响。例如，固体夹杂物(通常是固体氧化物，如氧化铝和二氧化硅)会在金属中产生缺陷和不连续性并堵塞铸造中使用的喷嘴，而溶解气体(如氢气)会导致不良的孔隙率和/或脆性。黑色金属—尤其是钢—也可能包含来自熔炼过程中使用的原材料的残余硫，这会增加铸件的脆性。因此，重要的是尽可能多地从熔化的金属中去除杂质，以提高成品铸件的质量。
溶解气体和固体夹杂物通常通过不溶于金属的气体或气体混合物如氩气、氮气和/或一氧化碳净化熔化的金属而被去除。净化气体的气泡捕获在穿过熔化的金属时其遇到的溶解氢和固体夹杂物，并将它们提升到表面。传统上，这种净化是通过熔炉或浇铸钢包底部的多孔塞来执行的，它使净化气体产生气泡向上通过金属。另一种净化较低温度和较低密度熔化的金属例如铝(其熔点约为660℃，熔融时密度约为2.4g/cm3)的方法是通过端部连接转子的空心轴将气体注入金属中，转子旋转以将注入的气体分散到熔化的金属中。这种方法比使用多孔塞产生更细小的气泡，因为注入的气泡被旋转的转子头切碎，这提高了搅拌效率并允许细小的夹杂物从熔化的金属中脱离。在这种情况下，该过程可称为“脱气”。
出于多种原因，脱气转子通常不用于较高温度和较高密度的金属，例如铁和钢。铁和钢的熔点都在约1150-1550℃，熔化时的密度都在约7g/cm3。用于铝的转子通常由传统的耐火陶瓷材料制成，该耐火陶瓷材料在浸入铁水或钢水(熔化的铁或熔化的钢)之前需要先预热，否则它们会因热冲击而破碎。这种预热是困难且耗时的过程。铁水/钢水的极端温度和密度也可能在使用过程中根据转子的制造材料使转子头迅速翘曲和变形，这会降低转子的搅拌和净化效率。钢水—特别是金属表面的熔渣层，以及大块金属本身—也可能对一些耐火陶瓷材料有腐蚀性，一些用于制造用于熔化的铝的转子的耐火材料(例如石墨)可溶于钢水。因此，传统转子使用起来具有挑战性，并且在较高温金属例如铁和钢中的使用寿命往往非常短，因此在这些应用中通常首选多孔塞。
黑色金属的脱硫可以通过几种不同的方式执行。一种方法包括在Kanbara反应器中用脱硫添加剂处理熔化的金属，该反应器包括非常大的容器(通常具有至少100吨的容量)和用于搅拌熔化的金属的十字形叶轮。脱硫添加剂(通常是粉状氧化钙)通过叶轮的旋转被混合到熔化的金属中，添加剂与金属中的硫反应以形成固体产物(例如硫化钙)，该固体产物最终漂浮在金属表面以形成熔渣层，可以通过撇去而去除。如上所述，在Kanbara反应器的脱硫过程中，叶轮必须在浸入熔化的金属之前预热以避免开裂。
另一种脱硫黑色金属的方法涉及利用呈包芯线形式的脱硫添加剂处理熔化的金属，包芯线从线轴供给到金属中。包芯线包括由高熔点材料(例如钢)的护套围绕的脱硫添加剂的芯(通常含有钙和/或镁)。护套保护添加剂芯在与熔化的金属接触时不会立即氧化，并在包芯线供给到金属时逐渐熔化或溶解，以便在表面之下以预定深度释放添加剂芯，使得它可以渗透熔化的金属的前端。将包芯线供给到熔化的金属中的速率与外护套的熔化/溶解速率相平衡，以确保添加剂在所需的深度释放。这种方法通常与多孔塞结合使用，多孔塞使气体鼓泡通过金属，并帮助分散添加剂。
除了(或代替)脱硫，金属处理添加剂也可用于改变净化后残留的夹杂物的组成、形态和/或分布。例如，可在钢水中使用钙添加剂以与固体氧化物夹杂物(如氧化铝或二氧化硅)反应，并形成较低熔点的铝酸钙或硅酸钙，它们在钢的熔点下呈液态，因此不会堵塞铸造喷嘴。添加剂还可能改变在铸造金属中产生易于开裂的断层线的树枝状或板状夹杂物的形态，从而使夹杂物变得更加圆整，因此不会形成此类断层线。例如，钙添加剂可用于钢中以改变固体氧化物夹杂物的形态，而镁添加剂可用于铁中以改变碳夹杂物的形态。
将元素钙或镁引入熔化的黑色金属可能既困难又危险，因为钙和镁的沸点分别低于钢和铁的熔点。因此，如果一次添加太多，元素Ca/Mg在与铁水/钢水接触时可能会爆炸性汽化，或会迅速氧化。因此，添加剂通常以稳定的形式添加，例如硅钙(CaSi)、钙硅钡(CaSiBa)等，而不是元素形式。
本发明旨在提供一种用于处理熔化的金属的改进的设备和方法，或至少提供一种有用的替代方案。
发明内容
旋转装置
根据本发明的第一方面，提供了一种用于利用气体处理熔化的金属的旋转装置(这里也称为“转子”)。该装置包括在一个端部具有转子头的管状套筒以及在管状套筒内部延伸的空心轴，使得空心轴的至少一部分被管状套筒包围。转子头包括用于将气体排放到熔化的金属中的出气口，空心轴流体地连接到转子头的出气口。管状套筒和转子头由抗腐蚀和抗热冲击的耐火材料制成。空心轴由包含石墨的耐火材料形成。
本发明的发明人已经发现，由包含石墨的材料制成的内部空心轴和由更具效果的耐火材料制成的外部管状套筒和转子头的两部分式转子在较高温度的熔化的金属(例如钢)下具有优异的耐久性和寿命。本发明的实施例在钢水中反复测试后显示出很少或没有变形，同时还实现了良好的搅拌和净化效率。经发现，包含石墨的空心轴适当地耐受钢水的高温而不熔化或破碎，同时还具有足够程度的可塑性以安装在电机上，而不会在使用中断裂。不希望受理论所束缚，据认为由金属制成的内轴在铁水/钢水中所经历的温度下会软化非常多，而由陶瓷材料制成的内轴将会太脆，不能安装在电机上。因此，发明人发现石墨特别适用于本发明的空心轴。尽管石墨因为可以溶解在钢水中而通常不被认为适用于钢水，但在本发明中，包含石墨的空心轴受外部管状套筒保护。
在实施例中，管状套筒由耐火材料形成，该耐火材料包括：熔融二氧化硅；碳化硅；氧化铝；碳键合氧化铝；碳键合陶瓷；粘土石墨；氮化硅铝；包含金属氧化物、碳化物、或氮化物的等静压(也称为等压)耐火混合物；或涂覆有氧化铝和/或锆酸镁或金属氧化物的耐火基材；或其组合。转子头也可由耐火材料形成，该耐火材料包括：熔融二氧化硅；碳化硅；氧化铝；碳键合氧化铝；碳键合陶瓷；粘土石墨；氮化硅铝；包含金属氧化物、碳化物、或氮化物的等压耐火混合物；或涂覆有氧化铝和/或锆酸镁或金属氧化物的耐火基材；或其组合。在一些实施例中，管状套筒和转子头两者都由相同的材料制成。在替代实施例中，管状套筒和转子头由不同材料制成。
高耐火材料具有足够的抗腐蚀性和抗热冲击性，以用于钢水而不会降解或不需要预热，该耐火材料包括：熔融二氧化硅；碳化硅；氧化铝；碳键合氧化铝；碳键合陶瓷；粘土石墨；氮化硅铝；包含金属氧化物、碳化物、或氮化物的等压耐火混合物；或涂覆有氧化铝和/或锆酸镁或金属氧化物的耐火基材；或其组合。然而，这些材料可能非常昂贵。此外，这些材料相对易碎并且本发明的发明人已经发现它们不具有安装在电机上所必需的塑性。不希望受理论所束缚，据认为，完全由这种高抗性材料制成的单件转子在使用中可能容易受到振动的伤害，并且会在电机安装点附近开裂，使转子不稳定并且最终完全破裂。本发明的旋转装置包括仅由这种材料制成的外部套筒，通过减少所需的高耐火材料的量并通过提供由更具塑性的耐火材料(包括石墨)制成的内轴，解决了这些问题，更具塑性的耐火材料安装在电机上时不易破裂。
在实施例中，管状套筒和/或转子头由包括等压碳键合氧化铝的耐火材料形成，例如由Vesuvius Plc.制造的耐火材料，商标名为VisoTM。本发明的发明人已经发现，使用等压碳键合氧化铝制成的转子特别耐用，在渣料堆积阻止转子进一步使用之前，可持续使用多达18次而不会变形。
在实施例中，转子头与管状套筒一体成型。在其他实施例中，转子头是联接到管状套筒的端部的单独部件。在这样的实施例中，转子头可以通过例如穿线、推入配合等任何合适的方式联接到管状套筒的端部。
在实施例中，空心轴具有第一端部和第二端部，其中空心轴的第一端部被管状套筒包围。在实施例中，空心轴的第二端部被配置为联接到用于旋转旋转装置的设备(例如电机)。例如，空心轴的第二端部可包括构造成通过V形带连接到电机的皮带轮，或者空心轴的第二端部可构造成直接安装到电机轴上。在一些实施例中，空心轴的第二端部或者可以被配置为接收用于V型带的皮带轮的轴环，或者被配置为接收通过其他方式例如通过提供带有螺栓孔的法兰联接到电机轴的轴环。
空心轴可具有在第一端部和第二端部之间测量的长度。在实施例中，空心轴的长度的至少50％、至少60％、至少70％、至少80％或至少90％被管状套筒包围。在实施例中，空心轴基本上完全被管状套筒包围，尽管应当理解，在这样的实施例中，管状套筒在空心轴的第二端部附近是敞开的，使得空心轴的第二端部仍然可以联接到用于旋转旋转装置的设备。
在实施例中，空心轴的第一端部(其被管状套筒包围)包括锁定部分，该锁定部分被配置为与管状套筒内的互补接收部分接合。锁定和接收部分不仅可以帮助将管状套筒牢固地固定到空心轴上，而且还可以将空心轴和管状套筒锁定成相互旋转，以防止空心轴在使用中独立于管状套筒旋转。互补接收部分可位于包含转子头的管状套筒的端部处。在使用中，管状套筒可能会变软，且尽管由内部石墨空心轴支撑，转子处仍可能会发生一些扭曲。通过在包含转子头的管状套筒的端部提供接收部分，与从远离转子头的端部驱动管状套筒的情况相比，管状套筒的扭曲更少。应当理解，接收部分不一定必须在管状套筒的绝对端部处，其可以定位成与绝对端部间隔开。
在实施例中，锁定部分和接收部分具有多边形横截面。应当理解，在这样的实施例中，锁定部分和接收部分将具有相同的多边形横截面，其中锁定部分的直径略小以紧密地配合在接收部分内。锁定部分的边缘抵靠接收部分的边缘，以防止锁定部分在接收部分内旋转。在一些实施例中，多边形横截面包括至少3、4、5或6个顶点。优选地，多边形横截面包括不超过12、11或10个顶点，以确保多边形的边之间形成的角度是锐利的，足以防止锁定部分的顶点在接收部分的相邻顶点之间能够滑动。在其他实施例中，锁定部分和接收部分具有去除弦的圆形的横截面。
管状套筒可具有沿其纵向轴线测量的长度。在一些实施例中，空心轴在管状套筒内沿管状套筒长度的至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％或至少90％延伸。因此，空心轴可以终止于转子头上方，与延伸到转子头中相反。在实施例中，空心轴沿着管状套筒的基本上整个长度在管状套筒内延伸，使得空心轴的第一端部的定位直接邻近转子头。在空心轴不在管状套筒内沿管状套筒的基本上整个长度延伸且空心轴的第一端部不直接与转子头相邻的实施例中，管状套筒可包括将空心轴流体地连接到转子头的气体出口的导管或孔。
在一些实施例中，空心轴的第二端部可以通过夹紧机构固定到管状套筒。
转子头可以具有用于搅拌熔化的金属的任何合适的形状或构造。
在实施例中，转子头包括在垂直于管状套筒的纵向轴线方向上延伸的平坦表面(或板)，以及在基本平行于管状套筒的纵向轴线的方向上从平坦表面凸出的多个叶片。在这样的实施例中，气体出口可以包括在平坦表面中的孔。在实施例中，孔位于平坦表面的中心。在一些实施例中，转子头包括与第一平坦表面相对设置并且通过多个叶片或支柱连接到第一平坦表面的第二平坦表面(或板)。这样的实施例还可包括从第二板的基部凸出的叶片。(一个或多个)板在形状上可以为基本上圆形或多边形，例如方形。在实施例中，(一个或多个)板可以是具有凹边和截角的近似方形。
已经发现，单板转子头设计比双板设计更容易通过压制技术(例如使用等压碳键合氧化铝等材料)制造。虽然双板转子头的设计可以通过压制技术制造，但发现并不总能在整个转子头上实现完全致密化。单板转子头的设计可增加远离转子头的向下流动的量，而双板转子头的设计可增加远离转子头的侧向流动的量。
空心轴和管状套筒可以通过摩擦配合联接在一起。也可以使用其他联接机构和机制。
根据本发明的第二方面，提供一种与第一方面的旋转装置一起使用的管状套筒。
管状套筒可由耐火材料形成，该耐火材料包括：熔融二氧化硅；碳化硅；氧化铝；碳键合氧化铝；碳键合陶瓷；粘土石墨；氮化硅铝；包含金属氧化物、碳化物、或氮化物的等压耐火混合物；或涂覆有氧化铝和/或锆酸镁或金属氧化物的耐火基材；或其组合。
在一些实施例中，管状套筒包括在一个端部一体成型的转子头，转子头包括气体出口。在其他实施例中，管状套筒包括用于在一个端部联接到单独的转子头的机构，例如穿线的机构。
第二方面的管状套筒可具有沿其纵向轴线测量的长度。在实施例中，管状套筒包括用于接收空心轴的孔，其中孔在管状套筒内沿管状套筒的长度的至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％或至少90％延伸。在实施例中，用于接收空心轴的孔在管状套筒内沿着基本上管状套筒的整个长度延伸。在用于接收空心轴的孔不沿管状套筒的基本上整个长度在管状套筒内延伸的实施例中，管状套筒可进一步包含导管或孔，该导管或孔用于将接收空心轴的孔流体地连接到转子头的气体出口，或者连接到用于联接到转子头的机构。
在实施例中，管状套筒包括被构造成与空心轴上的互补锁定部接合的接收部分。在一些实施例中，接收部分具有多边形横截面。在一些实施例中，多边形横截面包括至少3、4、5或6个顶点。在一些实施例中，多边形横截面包括不超过12、11或10个顶点。在其他实施例中，锁定部分和接收部分具有去除弦的圆形的横截面。
将理解的是，关于第一方面描述的任何可选特征和实施例可同样适用于第二方面。
处理熔化的金属的方法
根据本发明的第三方面，提供一种用于处理熔化的金属的方法。该方法包括：
在熔化的金属的暴露表面施加一层合成渣材料；
使用包含转子头的旋转装置搅拌熔化的金属，使得熔化的金属流过表面上的合成渣材料层。
在实施例中，搅拌熔化的金属使得合成渣材料层的至少一部分在搅拌期间保留在所述表面上。
在实施例中，该方法还包括通过转子头将气体排放到熔化的金属中。在实施例中，气体包括一种或多种不溶于熔化的金属的气体。在实施例中，气体包括氩气、氮气、一氧化碳或其混合物。
本发明的发明人已经发现，将一层合成渣材料(也称为助熔剂)施加到金属上并使用旋转装置搅拌金属使其流过合成渣的表面层的组合在去除来自熔化的金属中的硫方面非常有效。不希望受理论所束缚，据认为，使用旋转装置来搅拌金属改善了流过合成渣的表面层的金属的循环，从而允许更多的硫被合成渣捕获。此外，通过转子头将气体排放到熔化的金属中可以改善固体夹杂物和溶解气体的去除。因此，本发明的方法提供了一种用于同时去除夹杂物、使熔化的金属脱硫和脱气的高效且有效的方法。
在实施例中，熔化的金属是黑色金属。在实施例中，熔化的金属是铁或钢。
在实施例中，旋转装置为根据第一方面的旋转装置，其特别适用于搅拌较高温度和较高密度的熔化的金属，例如铁或钢。
在实施例中，合成渣材料包含氧化钙、氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氧化钠、氧化钾、氧化铁(III)、二氧化碳和氟中的一种或多种。在一些实施例中，合成渣材料包含50-90wt％的氧化钙。在实施例中，合成渣材料包含5-30wt％的氧化铝。在实施例中，合成渣材料包含至多5wt％的二氧化硅、氧化镁、氧化钠、氧化钾、氧化铁(III)、二氧化碳和/或氟。
在实施例中，该方法进一步包括将包含金属处理添加剂的包芯线供给到熔化的金属中。在实施例中，包芯线包括包含高熔点金属例如铁或钢的外护套以及包含金属处理添加剂的内芯。在实施例中，金属处理添加剂包括脱硫添加剂、夹杂物改性添加剂或其混合物。如前所述，夹杂物改性添加剂是用于改变熔化的金属中固体夹杂物的组成、形态和/或分布的添加剂。在实施例中，金属处理添加剂包含呈元素或化合物形式的镁、硅铁镁合金、钙、氧化钙、碳化钙、钡、锶或其组合。
在使用中，外护套保护芯添加剂免于立即反应或氧化，并使其逐渐熔化或溶解以在熔化的金属表面下的预定深度释放添加剂。用包芯线和合成渣处理的组合可以进一步改进熔化的金属中夹杂物的处理和去除和/或脱硫。
在实施例中，该方法包括通过转子头或与其相邻排放固体金属处理添加剂。在实施例中，添加剂呈线或粉末形式。在实施例中，添加剂包含在包芯线中。通过转子头或与其相邻排放添加剂可使添加剂快速且有效地分散在整个熔化的金属中。本发明的发明人已经发现，这种快速分散允许使用元素Ca/Mg作为添加剂，由于Ca/Mg在其汽化或氧化之前快速分散在整个金属中，所以可显著降低一般在熔化的金属中使用元素Ca/Mg相关的风险。这反过来也减少了有效处理熔化的金属所需添加剂的量，减少了会导致成品铸件变脆的过量添加剂的积累。
通过转子头排放添加剂，特别是，还保护添加剂免于暴露在熔化的金属中，同时当被包含在旋转装置内时，并允许添加剂在与转子头的深度相应深度处释放到熔化的金属中，因此不一定需要保护涂层。然而，在其他形式的金属处理添加剂不可用的情况下，或者在添加剂释放到熔化的金属中之前需要达到较低深度的情况下，为了方便起见，可以使用包括保护涂层的包芯线。
在一些实施例中，旋转装置以至少50、至少100、至少200或至少300rpm的速度旋转以搅拌熔化的金属。在一些实施例中，旋转装置以不超过600、不超过500、不超过400或不超过300rpm的速度旋转以搅拌熔化的金属。在一些实施例中，旋转装置以50-600rpm、100-300rpm或100-200rpm例如150rpm的速度旋转。较高的转速可能会增加整体流动速度和从转子头向下流动的量(即，增加底部搅拌)，但也会增加进入熔化的金属的空气夹带。将转速提高到600rpm以上可能会导致涡流的形成，这将空气带回熔融物中，产生有害影响。在一些实施例中，旋转速度在该方法期间改变。在一些实施例中，在该方法期间，旋转速度可以从较高的起始旋转速度降低，因为熔化的金属的密度随着金属变冷而增加，所以增加搅拌所需的功率。例如，在该方法期间，旋转装置的旋转速度可以从200rpm开始并降低到120rpm。
第三方面的方法可适用于任何钢包或熔炉，包括无芯感应炉(CIF)或钢包炉(LF)。在该方法用于钢包的实施例中，熔化的金属可以从电弧炉(EAF)或CIF注入钢包中(倒出)。第三方面的方法特别适用于处理钢水，但也可用于处理其他需要脱硫和/或去除夹杂物的熔化的金属，例如铁。
根据本发明的第四方面，提供一种用于处理熔化的金属的方法。该方法包括：
将金属处理剂施加到熔化的金属；
使用包括转子头的旋转装置搅拌熔化的金属；以及
通过转子头将气体排放到熔化的金属中。
在实施例中，熔化的金属是黑色金属。在一些实施例中，熔化的金属是铁或钢。
在实施例中，金属处理剂包含至少一种选自于脱硫添加剂、夹杂物改性添加剂或其混合物的金属处理添加剂。如前所述，夹杂物改性添加剂是用于改变熔化的金属中固体夹杂物的组成、形态和/或分布的添加剂。在实施例中，至少一种金属处理添加剂包含呈元素或化合物形式的镁、硅铁镁合金、钙、氧化钙、碳化钙、钡、锶或其组合。
在实施例中，金属处理剂包括脱硫剂，该脱硫剂以合成渣材料的形式被施加到熔化的金属的表面。在一些这样的实施例中，使用旋转装置搅拌熔化的金属，使得至少一部分合成渣材料在搅拌期间保留在表面上的层中，且熔化的金属流过该表面上的合成渣材料层。
在实施例中，合成渣材料包含氧化钙、氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氧化钠、氧化钾、氧化铁(III)、二氧化碳和氟中的一种或多种。在一些实施例中，合成渣材料包含50-90wt％的氧化钙。在实施例中，合成渣材料包含5-30wt％的氧化铝。在实施例中，合成渣材料包含至多5wt％的二氧化硅、氧化镁、氧化钠、氧化钾、氧化铁(III)、二氧化碳和/或氟。
在实施例中，金属处理剂以粉末的形式被施加在熔化的金属的表面上。在一些这样的实施例中，使用旋转装置搅拌熔化的金属，使得粉末被夹带并分散在整个熔化的金属中。
在实施例中，金属处理剂以被供给到熔化的金属中的线的形式被施加。在实施例中，所述线是包括保护性外护套的包芯线，如上文关于第三方面所述。在实施例中，所述线连同旋转装置一起被供给到熔化的金属中。
在一些实施例中，旋转装置以至少50、至少100、至少200或至少300rpm的速度旋转以搅拌熔化的金属。在一些实施例中，旋转装置以不超过600、不超过500、不超过400或不超过300rpm的速度旋转以搅拌熔化的金属。在一些实施例中，旋转装置以50-600rpm、100-300rpm或100-200rpm例如150rpm的速度旋转。较高的旋转速度可能会增加整体流动速度和从转子头向下流动的量(即，增加底部搅拌)，但也可增加进入熔化的金属中的空气夹带。将旋转速度提高到600rpm以上可能会导致涡流的形成，这将空气带回熔融物中，产生有害影响。在一些实施例中，旋转速度在该方法期间改变。在一些实施例中，在该方法期间，旋转速度可以从较高的起始转速降低，因为熔化的金属的密度随着金属变冷而增加，所以增加搅拌所需的功率。例如，在该方法期间，旋转装置的旋转速度可以从200rpm开始并降低到120rpm。
第四方面的方法可适用于任何钢包或熔炉，包括无芯感应炉(CIF)或钢包炉(LF)。在该方法用于钢包的实施例中，熔化的金属可以从电弧炉(EAF)或CIF注入钢包中(倒出)。第三方面的方法特别适用于处理钢水，但也可用于处理其他需要脱硫和/或去除夹杂物的熔化的金属，例如铁。
在实施例中，旋转装置是根据第一方面的旋转装置。
根据本发明的第五方面，提供了根据本发明第一方面的旋转装置在处理熔化的金属中的用途。优选地，熔化的金属是钢水。
将理解的是，关于第三方面的方法描述的任何可选特征和实施例可同样适用于第四方面的方法。
附图说明
现在将仅通过示例的方式参考附图描述本发明的实施例，其中对应的附图标记表示对应的部件，并且其中：
图1显示了根据本发明的实施例的旋转装置。
图2是图1中所示的旋转装置的剖视图。
图3显示了用于根据本发明的实施例的旋转装置的空心轴。
图4是图3中所示的空心轴的剖视图。
图5显示了根据本发明的实施例的旋转装置。
图6是图5中所示的旋转装置的剖视图。
图7是本发明的实施例的装配有用于搅拌和处理熔化的金属的搅拌装置的旋转装置的示意图。
图8显示了以600rpm旋转的(a)双板转子头设计和(b)单板转子头设计的速度场模拟数据。
图9显示了对应于图10中所示的速度场模拟数据的呈比例的流动模式模拟数据；和
图10显示了以(a)100rpm、(b)200rpm和(c)300rpm旋转的单板转子头设计的速度场和呈比例的流动模式模拟数据。
具体实施方式
图1和图2显示了根据本发明实施例的旋转装置100。所述旋转装置100包括管状套筒1和延伸在管状套筒1内的空心轴3。
管状套筒1包括在一个端部一体成型的转子头5。转子头5是包括第一平坦表面(或板)7以及第二板9的标准双板设计，每个板均垂直于管状套筒1的纵向轴线延伸。第一板7和第二板9通过多个支柱11相互连接。转子头5进一步包括用于将气体排放到熔化的金属中的气体出口13，形式为穿过第一板7延伸的孔。
所述空心轴3包括第一端部15和第二端部17，第一端部15被封闭在管状套筒1内。空心轴3进一步包括延伸到其中的孔19(如图3所示)。管状套筒1包括导管21，导管21用于将空心轴3中的孔19流体地连接到转子头5的气体出口13，使得在使用中气体和/或固体金属处理添加剂可流过空心轴3，并通过转子头5流出到熔化的金属中。在一些实施例中(未示出)，空心轴3可包括多个延伸到其中的孔，以使得气体和固体金属处理添加剂可分别通过空心轴3被递送。
空心轴3的所述第一端部15包括锁定部分23，该锁定部分23与在管状套筒1中的互补接收部分25相接合。所述锁定部分23的横截面积为去掉了六条相邻弦的圆形，即所述锁定部分23的横截面通常为六边形。管状套筒1中的接收部分25具有相应的横截面形状，使得锁定部分23的边缘和顶点与接收部分25抵靠，并防止空心轴3在管状套筒1内独立旋转。
空心轴3的所述第二端部17突出于管状套筒1，且配置为联接到用于使旋转装置100旋转的装置(例如，如图7所示)。在示出的实施例中，空心轴的第二端部17包括轴向凹槽25。所述轴向凹槽25可作为通过V型带与电机连接的皮带轮。或者，轴向凹槽25可配置为与轴环接合(例如，如图6所示)，由此又可以作为通过V型带与电机连接的皮带轮或者作为通过其他机构连接到电机轴的法兰，其他方式例如螺母和螺栓。在示出的实施例中，空心轴3的第二端部17进一步包括用于与夹紧机构接合的缩进物27，该夹紧机构将空心轴3固定到管状套筒1上(例如，如图7所示)。
所述管状套筒1的长度LA是沿管状套筒1的纵向轴线测量的。空心轴3的长度LB是沿着所述纵向轴线测量的。管状套筒1沿着其长度方向从最大直径DA向内逐渐变细，使得管状套筒的直径朝着转子头5稍微减小。空心轴3也沿着其长度方向从第一端部17的最大直径DB向第二端部15的最小直径向内逐渐变细，对应于管状套筒1的内部尺寸。转子头的直径为DC。
图5显示了根据本发明的另一个实施例的旋转装置200。所述旋转装置200包括管状套筒31和空心轴33。管状套筒31和空心轴33与图1-4所示的管状套筒1和空心轴3基本相同，除了管状套筒1包括具有单板设计的转子头35。转子头35包括垂直于管状套筒31的纵向轴线A延伸的平坦表面(或板)37，叶片39从板37的底部凸出。板37一般为方形，具有凹边41和截角43。
旋转装置200包括用于将管状套筒31固定到空心轴33的夹紧机构45。旋转装置200还包括围绕空心轴33的第二端部装配的轴环47。轴环提供被构造为将旋转装置200联接到旋转设备上(例如，如图7所示)的法兰49。
图6显示了图5中旋转装置200的剖视图。空心轴33的第一端部被封闭在管状套筒31内且包括锁定部分51，该锁定部分与管状套筒31中的互补接收部分53接合。孔55延伸穿过空心轴33，并通过导管59、61流体地连接到转子头35的气体出口57。
空心轴33的第二端部包括与轴环47接合的周向凹槽63。夹紧机构45与轴环47配合将管状套筒31固定到空心轴33。
图7显示了根据本发明实施例的旋转装置300，其装配有用于旋转旋转装置300并将气体和/或金属处理添加剂通过旋转装置300注入熔化的金属中的设备置302。在使用中，旋转装置300下降到钢包304(或熔炉)中。钢包304可以在旋转装置300下降之前或之后装入熔化的金属。然后，旋转装置300用于处理熔化的金属，例如使用根据本发明的方法。
实施例1
根据本发明实施例的旋转装置由包含石墨的空心轴和包含熔融的二氧化硅的管状套筒制成。管状套筒包括一体成型的转子头。管状套筒沿其纵向轴线测量的长度为123cm(不包括转子头)。石墨轴沿管状套筒长度的100cm延伸到管状套筒中。石墨轴的最大直径为7.6cm。管状套筒的最大直径为11.6cm，壁厚为1.6cm。
转子头采用标准双板设计，包括两个平行的具有凹边和截角的方形板，由四个支柱连接。第一板包括位于中心的孔，用于将气体排放到熔化的金属中。板的直径为25cm。
该旋转装置被成功用于处理熔化的金属。反复使用最终会导致转子头由于熔融二氧化硅的轻微软化而出现一些翘曲和变形，从而降低了搅拌效率。
实施例2
根据本发明的实施例的另一旋转装置由包含石墨的空心轴和包含VISOTM等静压碳键合氧化铝的管状套筒制成。旋转装置的尺寸与实施例1中旋转装置的尺寸相同。
实施例1中的双板转子设计在等压成型时存在一些困难，在整个转子头上并不总能实现完全致密化。因此，实施例2的旋转装置包括改进的转子头设计，该设计包括单板和叶片。所述板一般为方形，具有凹边和截角，并且在每个角从板的底部延伸出四个叶片。该板包括位于中心的孔，用于将气体排放到熔化的金属中。板的直径为25cm。
实施例2的旋转装置成功地用于处理熔化的金属18次，而没有任何变形和最小磨损的迹象。然而，旋转装置上大量渣料的堆积开始降低搅拌效率。石墨轴没有出现故障的迹象，因此石墨轴仍然适合进一步用于更换外套筒。石墨轴被发现至少可以使用50次而不发生故障。
流动模式模拟
使用
Figure BDA0003418578450000151
软件执行流动模式模拟，以比较在各种不同转速下在钢水中单板和双板转子设计展现的流动速度和方向。结果如图8-10所示。
图8显示了(一个或多个)双板转子(a)和(一个或多个)单板转子(b)以600rpm转速旋转15秒后的速度场，而图9显示了呈比例的流动模式。两种设计达到的峰值流速相似。然而，流动的方向略有不同，双板转子出口的流动大多是水平的，而单板设计则显示出更多向下方向的流动。虽然单板转子的扭矩略高于双板转子设计(单板转子为271N.m，而双板转子为235N.m)，但是两种转子设计在钢水中都显示出良好的模拟搅拌性能。
图10显示了在(a)100rpm、(b)200rpm和(c)300rpm下将单板转子旋转15秒后的速度场和呈比例的流动模式。搅拌性能被显示为随着转速的增加而增加。
夹杂物去除和脱硫
对照用于脱硫的标准方法测试根据本发明实施例的方法。
在标准方法(方法1)中，将钢水从无芯感应炉(CIF)、电弧炉(EAF)或两者倒入浇注钢包中。在两者都有的情况下，来自CIF的金属在来自EAF的金属之前倒入。将包含铝的包芯线和包含SiCaBa的包芯线供给到钢水中。使用多孔塞将氩气冲入钢水中5-20分钟。
在本发明的方法(方法2)中，以与方法1相同的方式将钢水倒入浇注钢包中。将包含铝的包芯线和包含SiCa的包芯线供给到钢水中。使用实施例2的旋转装置排放氩气并以200-240rpm转速搅拌金属5-15分钟。
利用不同数量的钢水(2.5到18吨)执行多次方法1和方法2。在ThermoScientificTM ARL 4460光谱仪上使用Spark-DAT分析方法分析通过每种方法处理的钢水样品的夹杂物含量。Spark-DAT分析方法涉及用单个火花撞击样品区域。如果在被火花刺中的位置存在固体夹杂物，则会产生光谱仪峰。这个过程在整个样本区域重复进行。然后可以通过计算生成的峰的数量来确定样品区域中的夹杂物的数量。通过从上述多次重复过程中取平均夹杂物含量来计算方法1和2的平均夹杂物含量。结果如表1所示。
表1
Figure BDA0003418578450000161
与使用方法1(标准净化塞处理)处理的钢水相比，使用方法2处理的钢水含有平均少14-30％的小夹杂物和少50-60％大夹杂物平均减小。
还发现使用方法2处理的钢水比用方法1处理的钢水含有显著较低量的硫。使用方法1，典型的硫含量为来自EAF的约100ppm和来自CIF的约70ppm。使用方法2，硫含量降低到约20ppm。
由于方法2实现了改进的夹杂物去除，与标准方法相比，熔化的金属的浇注温度降低了20-30℃，提供了显著的能源节约。较低的金属温度还减少了耐火制品的磨损(从而增加了它们的寿命)，并减少了铸件凝固时的液体收缩，以及减少了金属表面的再氧化。

Claims (15)

1.一种用于利用气体处理熔化的金属的旋转装置，所述旋转装置包括：
管状套筒，所述管状套筒在一个端部包括转子头，转子头包括用于将气体分散到熔化的金属中的气体出口；和
空心轴，所述空心轴在管状套筒内延伸，使得空心轴的至少一部分被管状套筒包围，
其中空心轴流体地连接到转子头的气体出口，
管状套筒由抗腐蚀和抗热冲击的耐火材料形成，并且
空心轴由包含石墨的材料形成。
2.根据权利要求1所述的旋转装置，其中，所述管状套筒由耐火材料形成，所述耐火材料包括：熔融二氧化硅；氧化铝；碳化硅；碳键合氧化铝；碳键合陶瓷；粘土石墨；氮化硅铝；包含金属氧化物、碳化物、或氮化物的等压耐火混合物；等压碳键合氧化铝；涂覆有氧化铝和/或锆酸镁或金属氧化物的耐火基材；或其组合。
3.根据前述权利要求中任一项所述的旋转装置，其中，所述转子头与所述管状套筒一体成型，或者其中，所述转子头联接到所述管状套筒的端部。
4.根据前述权利要求中任一项所述的旋转装置，其中，所述空心轴具有第一端部和第二端部，并且其中，所述第一端部被所述管状套筒包围，可选地，其中所述空心轴的第二端部被配置为与用于旋转所述旋转装置的设备联接。
5.根据权利要求4所述的旋转装置，其中，所述空心轴的第一端部包括锁定部分，所述锁定部分被配置为与所述管状套筒内的互补接收部分接合，可选地，其中所述互补接收部分位于所述管状套筒的包含转子头的端部处。
6.根据权利要求5所述的旋转装置，其中，所述锁定部分和所述接收部分具有多边形截面或具有去除弦的圆形的截面，可选地，其中所述截面包括至少3、4、5或6个顶点。
7.一种与前述权利要求中任一项所述的旋转装置一起使用的管状套筒。
8.一种用于处理熔化的金属的方法，所述方法包括：
在熔化的金属的暴露表面上施加一层合成渣材料；和
使用包括转子头的旋转装置搅拌熔化的金属，使得熔化的金属流过合成渣材料层。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括通过转子头将气体分散到熔化的金属中。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述合成渣包含氧化钙。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中，所述方法进一步包括将包含金属处理添加剂的包芯线供给到所述熔化的金属中，可选地，所述包芯线包括包含高熔点金属的外护套以及包含金属处理添加剂的内芯，可选地，其中金属处理添加剂包括镁、硅铁镁合金、钙、氧化钙、碳化钙或其组合。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中，所述方法包括通过所述转子头排放金属处理添加剂，可选为固体金属处理添加剂。
13.一种用于处理熔化的金属的方法，包括：
将金属处理剂施加于熔化的金属；
使用包括转子头的旋转装置搅拌熔化的金属；和
通过转子头将气体排放到熔化的金属中。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，其中，所述熔化的金属是钢或铁。
15.根据权利要求1至6中任一项所述的旋转装置在熔化的金属处理中的用途。
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