本发明涉及金属液的精炼，更具体地是涉及一种自熔融的铝及其合金中去除溶解的气体和其它的可溶的或不溶的杂质的方法和设备。 在浇铸前，熔融铝中含有大量的杂质，如不将其去除，它们将造成很高的铸件废品损失，或换句话说，它们还产生质量低下的金属产品。典型的不希望有的，要求去除的杂质包括：溶解氢、碱金属或碱土金属元素以及不溶的非金属夹杂物。
向熔融铝喷入惰性或反应性气体混合物，是一种去除上述杂质而常用的技术。排除这些杂质所用的精炼气体的流量，在很大程度上取决于该气体是如何被喷入金属液的。当产生细小气泡而形成发生金属处理反应所需的大的界面接触面积时，及当这些气泡以均匀的形式被分布于金属流所能得到的整个横截面上时，这种类型的金属处理工艺的最佳效能就达到了。
使用旋转叶轮将气体喷入金属熔体，而不用过滤床的工艺是已知的。在这类工艺中所用的叶轮的功能是：生成细小气泡，并使其在欲被处理的金属的整个容积内均匀分布，或建立起一个使全部待处理的金属通过旋转叶轮的某一区域的金属流动模式。通用类型的工艺被述于美国专利4，634，105;4，426，068;4，357，004;3，870，511;3，849，119;3，839，019;3，767，383;和3，743，262中。这些通用工艺对于去除可溶杂质是最适宜的。在通过去除不溶的颗粒状杂质，或主要是使夹杂上浮而改进金属的纯洁度方面，这种工艺也有一些有利的作用。然而，由于对受到转动叶轮影响，金属液表面产生涡流扰动，使得这类去除夹杂工艺的可靠性变化不定。这种涡流 往往会将夹杂和浮渣重新带回来。
在一固定密封床内利用气-液对流去除熔融铝中的非金属夹杂是已知的。在该体系中，自熔融铝中去除非金属夹杂依赖于对流流动的气体混合物，该混合物起着使夹杂从金属液中解湿的作用，并通过使夹杂聚集成在金属表面上的浮渣而改善过滤效果。一般用一固定喷射装置产生气体喷射。在美国专利4，383，888;3，737，304;3，737，303;和3，707，305中描述了这类系统。
上述的气流对流系统有两个主要的缺点。第一，该系统不能在液态金属中有效地生成细小的，均匀分布的气泡。由于液态铝的表面张力很高，这一情况尤为突出。此外，由于大多数铝质耐火材料的润湿性很差，所以对产生一个细小分散的气-液体系增加了困难。当大气泡形成时，随着它们穿过该固定床，它们倾向于聚集在一起，结果造成高度的局部涡流，不均匀的气-液流的分布还可能搅动该床本身。
使用美国专利3，737，305中所公开的工艺的操作经验表明，去除夹杂无需大量的处理气体。该工艺所用的处理气体的流量一般在0.2-0.3升/每公斤被处理的铝的范围中。去除夹杂关键是使处理气体均匀地分布在整个固定床上。
然而，有效的去氢一般要求处理气体的流量在0.6-0.8升/公斤的范围内。这要求对于使用位于固定床下的固定气体喷射器的工艺是主要的难点。这样一来，用较高的，为有效地去除溶解氢所要求的气体流量，而没有转动的气体喷射器所提供的涡流剪切力，则处理气体的气泡是大的，而且分布不均匀。发生明显降低夹杂去除效率的固定床的搅动和/或移动，以及增加浮渣形成和金属喷溅，这二者都 是不希望有的。实际所用的最大的处理气体流量被限于一个较低地数值。美国专利3，737，305所列的操作条件是：金属流量为800磅/时（363公斤/时），固定床内的金属流通密度为12磅/时/吋
2（相当于一个666.7吋
2或4300cm
2的床面积）。该气体流量是40标英尺
3/分（18.941/分）的氩和1标英尺
3/分（0.47升/分）的氯。这相当于每公斤被处理的金属耗用0.32升的处理气体，并相当于0.0045升/厘米
2床/分。由前述的原因可知，处理气体的流量超过该值，则趋于移动该固定床。需要有一种能在固定密封床下方向铝熔体喷入容积足够大的处理气体，而又不产生不可接受的床搅动的的工艺。
其次是难于维修气体喷射器。通常只有在停止过滤操作及拆除滤床时才能将装配式或插入式的气体喷射器移去。这是一种困难而耗费很高的工序，结果是总不能按所需的频率更换有故障的气体喷射器。
本发明的目的是提供一种在一个单一单元中的有效的过滤和去气系统，与现有系统相比本系统更为有效。
本发明就其最宽的范围而言是涉及一种处理金属液的设备，它由如下部分组成：（a）一个加热容器，它具有使金属液向下连续流过该容器的进、出口装置，（b）一块水平延伸横过整个该容器的多孔板，该板将容器分为一上处理区和一下处理区，而该板则构成一中间处理区，及（c）一种向下处理区内的金属中，以小的分散的气泡的形式喷射气体的装置，该装置具有一根穿过多孔板上的开孔向下延伸的、中空的、可转动的轴，在该轴的上端装有驱动部件，在下处理区中的该轴的下端牢固地连接着一个带叶片的转轮，转轮内开有一个或多个将来自该轴内部的气体导入下处理区内的金属中的通道。当气 体穿过转轮排出，而转轮又在转动时，气体就以细小分散的形式被喷入金属液中，该气泡是均匀地分布在下处理区内的。在本发明的一个最佳实施例中，气泡一般以锥形流型自转轮向上和向外地运动而被分布于多孔板的整个底部，并向上穿过该板上的孔。
本发明还涉及一种处理金属液的工艺，它包括如下步骤：（a）使金属流股向下穿过耐火的加热容器，该容器具有一个上部静态区，一个以水平横截整个该容器的多孔板形式的中间流态调整区和一个下部涡流区，（b）设置一台浸没在下部涡流区内的金属液中的气体喷射装置，该装置具有一根穿过所说的多孔板的垂直的中空的传动轴，在其下端牢固地装有一带叶片的转轮，及设有将传动轴的中空部位和转轮叶片间的开口处连接起来的气体排放通道，（c）在足够的压力下将气体引入中空传动轴的上端，以将其喷入转轮叶片间的金属液内，（d）以足够在金属液中产生一个环流流型的速度使转轮旋转而将气体再分为细小分散的气泡，以使气泡被从所说的转轮中带走，并被均匀地分布于下处理区内。
为使气泡以向上、向外的方向运动，转轮叶片间的空隙最好是底部敞开而顶部封闭的。顶部封闭可位于转轮本身的任何部位，或将转轮适当地直接装在一固定轴套的下部，该轴套把持着该转轮的可转动的轴。若以后一种方式，轴套的底端就对叶片间的空隙的顶端进行了有效的封闭。
转轮被设计用来（a）提供足以产生细小气泡的涡流和剪切力;并（b）将机械能传递给金属液，以便产生大量的金属运动。所产生的气泡就这样地被金属环流带入，并从转轮处带走。
这种气泡的优选的分布形状是锥形的，借此气泡大致以向上、向 外的方向自转轮处移去，这就使得气泡被均匀地分布在多孔板的整个底部。这种气泡的分布形状决定于作用在气泡上的浮力，和因转轮转动而传递给金属液的机械力间的平衡。这种浮力对气泡的作用，结果引起气泡沿金属处理室中的涡流区的中心轴作向上的垂直运动。于是液态金属就被带入，并且大量的金属环流就这样形成了。设计转轮以便建立起一个由浮力驱动的，不被干扰的金属环流是重要的。
和转轮成一定角度的搅动作用相结合的，垂直取向的浮力驱动金属流使环形金属流场得以建立。由转轮所形成的气泡被这大量的金属流带入，并从转轮处带走。后续的又被带来的气泡产生所需的锥形分布。这样一来就形成了通过多孔板的均匀的气流，而在转轮以下的区域中的液态金属内则基本上没有气泡。
转轮的叶片的作用是对分布着气泡的熔池提供充分搅动，并提供产生细小气泡所需的，一定程度的涡流和剪切力。叶片间的敞开的空隙有助于通过气相和金属相的涡流搅动而形成小气泡。叶片间的空隙最好是底部敞开而顶部封闭。顶部的封闭可位于转轮本身的任何部分，或可将转轮适宜地直接装在一个把持着转轮的可转动的轴的固定轴套的下面。若以后一种方式，则轴套的底端就有效地封闭了叶片间的空隙的顶部。
上述的底部敞开，顶部封闭的结构是较好的，因为：（a）封闭的叶片间空隙的顶部抑制了涡流的形成;（b）转轮的设计与浮力驱动的金属是协调一致的，而不对其产生阻碍。在位于转动喷嘴的区域中的，浮力驱动的金属流被引导着垂直向上流动。转轮叶片间的空隙这样地在底部敞开，则使金属流自由地，不受阻碍地进入转轮叶片间的搅动区。
金属就是这样地向上穿过转轮的搅动区而流动，并与气体相迂。这样两相的涡流搅动就发生了。当金属和细小分散气泡相穿过转轮搅动区向上运动时，它们碰到了该搅动区的封闭的顶部，在这一点上，使气-液混合体向外加速运动。当两相混合体越过叶片外沿流动时，附加的剪切力确保形成足够细小的气泡。这样，由于喷嘴的旋转而产生的机械抽力作用就成了形成浮力驱动的金属流的原因之一，并使之加强。这确保了所需的，而不受浮力大小影响的环形金属流型的建立，而这样的流型的建立还取决于处理气体的流量。这就能根据冶金工艺的要求调节气流量，而又能始终维持所需的气泡锥形分布。
通过以上述方式使穿过转轮搅动区的金属产生环流，处理气体就可有效地被带离喷嘴搅动区。这使得用一个相对小的转轮就可得到所需的处理气流，并将其分散，而在转轮搅动区中没有超量气体聚集（称作液阻现象是已知的），由于这种聚集，进入反应器的搅动区的金属不够充分，结果导致有效气泡的形成不足，这就产生较大的气泡。
多孔板的功能是提供一个将下部涡流区和上部静态区分隔开的中间区。抑制了金属液表面上的涡流就使浮渣的形成减至最小，防止了上浮夹杂和浮渣被重新带回。
根据本发明的一个最佳实施例，将一个粒状惰性陶瓷或耐火颗粒的床置于多孔板的顶部，于是这一床和支撑多孔板一起就构成了一个中间处理区。多孔板上的孔眼约占该板表面积的25-45%。其孔径不应大于紧挨着多孔板的那些颗粒的平均直径。
孔眼最好是垂直开孔形式的，它们若是朝上锥形的则是有利的。支撑床上的颗粒的尺寸一般在3-25毫米的范围内，并且其形状以基本上呈球形为好。
转轮最好用单块陶瓷体构成。这种陶瓷体的材料性能必须适于抵御由于长期暴露在金属液中而产生的化学腐蚀和热浸蚀。它例如可用碳化硅、氧化铝、石墨等制成。转轮的叶片可简便地垂直排列，但由于转轮的转动方向使气泡的流动方向有一个向上分量，所以叶片可与垂直方向作最大为45°角倾斜。转轮叶片的轴向长度和径向宽度的长度比以1-5∶1为宜，而使用4-6片叶片是较好的。
根据本发明的另一最佳特性，转轮叶片的外径是小到足以能使整体转轮连同轴和轴套一起穿过多孔板垂直地抽出。为作到这一点，转轮的最大直径不得大于该轴直径的两倍。这就大大地简化了转轴的维修。
如前所述，本发明的处理容器包括一个上处理区、一个下处理区和一个中间处理区。上处理区基本上是两相静态区，该区可使进入的金属均匀地分布于整个进入中间区的入口处，并还提供一个使气体平稳地逸出和减少浮渣形成的自由金属表面。所形成的浮渣可被扒去，而不干扰固定床或多孔板。
中间处理区为一个三相流调整区。该区的主要功能是促进气-液接触。这样一来，当气体和金属液对流通过该区时，多孔板和任何的固定床就起了使气体和液态金属两者的流股达到均衡的作用。随着未被处理的金属因短程环流而被消除，每单位质量的金属都可与同体积的处理气体相接触。这就提高了金属处理的效能和可靠性。
当使气-液两相发生对流时，多孔板和其上面的任何的固定床有效地把位于其下的被充分搅动了的涡流区和上方的静态区隔离开来。这样有效的金属处理所需的小气泡就可通过转轮和所要求程度的涡流而产生，而与此同时，保持可聚集浮渣和上浮夹杂的平静的金属表面， 如果自由金属表面是高度涡流的，就将发生将浮渣和上浮夹杂重新混回金属的情况。市售的，采用转动式气体喷射器/扩散器的串联的脱气/精炼的工艺，其夹杂去除率一般很低，而且是高度可变的，部分原因就在于这种有涡流的金属表面。
可被用于本发明的工艺中的处理气体，是不与熔融铝反应的任何气体，而以氩气和氮气为好。
可往处理气体中加入反应性的组分，以便去除碱金属/碱土金属杂质，以及有助于去除夹杂的上浮过程。在该体系中，用非反应性的处理气体来排除溶解氢，并且该气体还起到了作为反应性组分的载体作用。处理气体中的反应性组分可以是氯气，一种含氟的气态混合物，或是上述二者的混合物，适宜的含氟气体的例子是：四氟化硅、六氟化硫，反应性气态混合物与惰性载气的比例，可依需去除的碱金属和碱土金属杂质的量，在很宽的范围内变化。然而这种反应性气体，通常以小于10%（体积）的量存在于气体混合物中。
通过采用本发明的工艺，就认识到明显优于现有的，使用固定床的过滤/去除夹杂的工艺的优点。因而在被进行的铸造开始之前，可将处理气体的流量和转轮的转速调节到所需的水平。这样就出现了一个精炼期，该期被用于在两次浇铸之间消除盛在本系统内的金属中的夹杂物，并使金属温度均匀化。当采用其它的串联过滤工艺时，通常可在浇铸开始时就观察到发生了夹杂物的冲出和温度波动。
本发明的工艺可将体积足够大的处理气体喷入固定密闭床下的铝熔体中以去除溶解氢，而没有该床的不可接受的搅动。可将最多为每公斤处理金属1升的处理气体喷入，而没有床搅动或床移动的问题。这就在固定床中提供了数量级为0.0375升/厘米
2床/分的处 理气体的气流密度。这大约是一般在现有工艺，如美国专利3，373，305中所公开的工艺所用的处理气体气流密度的8倍，并且提供了相当于如在美国专利3，743，263中所公开的串联脱气工艺的非常有效的脱氢。
通过例子和参看附图对本发明作图解说明，其中：
图1是示意的剖面正视图，它描绘根据本发明的改进体系的运行;
图2为图1中所示的转轮的剖面图;
图3为图2中所示的转轮的底视图;
图4为另一实施例中的转轮的局部剖面图;
图5为图4中所示的转轮的底视图;
图6为转轮的另一实施例的局部剖面图;
图7为图6中所示的转轮的底视图;
图8为转轮轴的局部剖面图;以及
图9为多孔板的局部剖面图。
现在参看图1，该系统包括一个用适宜的耐火材料构成的，或衬砌的盛放容器10，该容器上还带有一入口11和一出口12。出口12与一用来保持金属液水平面的支管（未示出）相通。
横向延伸于整个容器的多孔陶瓷板16将其分为在板16上方的上处理区和板16下方的下处理区。该板16与可置于其顶部的任何的粒状陶瓷固定床18一起构成了一中间处理区。使用本系统可带有或不带有多孔板顶部的固定床18。
在多孔板16的中心设有一孔30，装在该孔中的是固定套19，其作用是固定住任何的粒状陶瓷固定床18。
伸过固定套19的是一转动组件，它包括一根带有轴向空腔21 的传动轴20，空腔21用作气体通道。连接在该轴下端的是转轮22，它由中心轮毂部分23和四片径向伸出的叶片24组成。在轮毂部分的底部开有通槽25，它们用作气体自气体通道21进入叶轮24间的空隙27的通道。如从图2将可看出，这些通道25一直开到叶片24间的空隙27的内部。这些空隙27的底端是敞开的，而顶端被顶部封闭部分31封死。
转轮的另一实施例被示于图4和5。该实施例包括装在轴套36内用于旋转的传动轴35，而该轴内有一轴向延伸穿通的气体通道37。一个转轮被连接在传动轴35的底端，该转轮包括一个中心轮毂部分38，轮毂上带有6片自其径向外伸的叶片39。叶片间的空隙42的顶底端都是敞开的。然而，从图4可以看出，由于叶片39装在轴套36的正下方，轴套36的底端就有效地起到了对空隙42的顶部的封闭作用。轮毂38包括一轴向开孔40，它与传动轴35的轴向通孔37相吻合。横向连接于开孔40的是6条径向通道41，它们把气体通道40与叶片39间的空隙42连通。
本发明的转轮的又一实施例被示于图6和7。在这种布置中，转轮有一个主体部分，它带有自主体部分向下伸出的六片径向叶片71。在叶片71的内沿间形成了一个园筒形空腔73，而在主体部分70设有用于气体喷射的轴向空腔72。气体通过轴向出口74排入筒形空腔73。这种转轮与上述那些转轮以同样的方式运转，即随着叶片间的液态金属向上和向外流动，而使自出口74退出的气体加速。
用于转轮的传动轴的特殊布置被示于图8。一个轴套78固定在多孔板16上的开孔内，而该轴套78最好略高地伸出于装在多孔板16上的任何的固定床。如果轴套78的顶部留有开孔，并且此孔又 位于最高金属液面之下，则趋于使金属液自该设备的上处理区分流入下处理区。另一方面，如果轴套78伸出高于上处理区中的最高金属液面，则趋于在该套所伸出的高于金属的表面上形成和积聚氧化物，这就给维修和运行带来了问题。
优先选用图8所示的系统，在其中，该轴75有一个较大直径的上段76和缩小直径的下段77。在轴的两种直径之间形成了一个环形肩台81。肩台81座落在轴套78的顶端。最好带有一个可在传动轴75和轴套78之间起密封作用的，用可压缩陶瓷（如Fibrefrax
R或KaowooL
R制成的垫圈。以这种方式，轴套78支撑着传动轴75，而金属的分流就被消除。
正如从上述实施例可见，包括转轮叶的整体转轮组件的直径，包括转轮叶片是这样的，以使于组件整体可被垂直向上地穿过多孔板拉出并移去以便维修。
多孔板16被较详细地示于图9。这样可知，该板具有顶面46和底面47，其上带有一系列间隔相等的，从顶面46向下延伸的孔48。该板的底部包括一些倒锥形的部分49，它们为开孔48形成了彼此相通的通道50。这有助于使气泡穿过开孔48。
可在图1和2中极清楚地看到本发明的系统的运行。欲被处理的金属液流过入口11而进入上部两相静态区。这就使得进来的金属在向下移动之前就均匀地横漫地分布于该容器。然后，金属液向下穿过由多孔陶瓷板16和任何的粒状陶瓷固定床18构成的中间处理区而移动。穿过多孔板16后，金属进入发生剧搅动的下部涡流区。
处理气体穿过转轮22上的出口被排入转轮叶片间的空隙27中。叶片24间的开敞的空隙27有助于通过涡流搅动气-金属相而形成 气泡，并有助于在引发大量金属流动方面起有利的作用，这种流动对将气泡61分布成所需的锥形流型是必要的。这样一来，当气泡沿箭头62所示的途径向上穿过搅动区时，金属液就借箭头63所示的途径被带入，从而引起浮力驱动的流。由于搅动区的顶部是封闭的，随着转轮的转动，搅动区顶部的气体和金属沿箭头64所示的途径被向外增速。当两相混合物越过叶轮外缘引进时，附加的剪切力就确保了形成足够小的气泡。由于垂直取向的，被浮力驱动的金属流，和旋转喷嘴的成一定角度的搅动作用的结果，锥形金属流场就被建立起来了。气泡被这种大量的金属流带入，并被从转轮处带走。后续的气泡的再次带入产生所需的锥形的气泡分布。这些气泡借此被均匀地分布于多孔板的整个底部，并很容易地向上穿过通路50和垂直开孔48。
对于本系统，氢的去除是借助其从液态金属到上升气泡的化学转移而完成的。碱金属的去除是通过与处理气体中的反应性组分的反应去除的。非金属夹杂的去除是通过上浮去除的，所谓上浮是一种过程，通过它，夹杂被留在处理气泡的表面，并被带到自由金属表面，于此夹杂聚集成浮渣。气泡的涡流作用持续地清洗着固定床18。显然，所产生的气泡的数量，它们的尺寸，形状及其分布于金属中的方式，在影响金属处理效能方面是重要的因素。还将可被理解的是，金属在本发明的容器中的全部三个处理区中，即从气泡产生那点起，到处理气泡在自由金属表面离开处理室之处一直被处理着。
为适应所要处理的金属类型，多孔板及固定床可加以改变。增加固定床的厚度会提高夹杂的去除效率，但这对氢或碱金属的去除不是必要的。这样，如果产品不得含有非金属夹杂的话，一个厚的，如大于25厘米厚的床就可被使用。如果主要考虑去氢，固定床就可以 相当的薄，或不使用该床。多孔板和固定床的位置可设在金属处理室中的高的部位，其结果是大大地增加了下部涡流区的容积，这样一来，优化了氢和碱金属的去除。颗粒状材料的尺寸也可调节。可用细的材料来提高夹杂的去除效率，但这是以固定床的有效寿命为代价的。
实施例1
用图中所示的装置进行一系列试验，处理了4种具有铝业协会牌号AA3004、AA5052、AA5182和AA6201的不同的铝合金，并且确定了氢和碱金属的脱除百分率。
一般用Telegas仪测氢，而有一次测量是用重熔法作的。
所测得的碱金属是碱金属/碱土金属的总浓度。
工艺条件和所得结果示于下表1：
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