Вдосконалений бульбашковий насос, стійкий до руйнуючої дії розплавленого алюмінію

Реферат: Бульбашковий насос має внутрішню поверхню, утворену з матеріалу, стійкого до руйнуючої дії розплавленого алюмінію. Внутрішня поверхня може бути утворена з кераміки, яка може бути оксидом алюмінію, оксидом магнію, силікатом, карбідом кремнію або графітом, а також їх сумішшю. Переважно кераміка може бути вогнетривом, що не містить вуглецю, з 85 % Аl2О3 з фосфатним зв'язуючим. UA 115238 C2 (12) UA 115238 C2 UA 115238 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Область техніки Винахід відноситься до пристроїв для нанесення покриттів з розплавленого металу на сталь, зокрема, до бульбашкових насосів, використовуваних у ваннах з розплавленим металом для видалення поверхні шлаку з розплавленого металу поблизу сталевої смуги, що покривається. Конкретніше, винахід відноситься до захисту внутрішніх поверхонь бульбашкових насосів від агресивної дії і руйнування при контакті з розплавленим металом. Рівень техніки Впродовж багатьох років для покриття поверхні сталі застосовують розплавлений алюміній і розплавлений цинк. Один з етапів процесу нанесення покриття є зануренням сталевого листа в розплавлений алюміній або розплавлений цинк. Якість поверхні покриття дуже важлива для отримання продуктів високої якості. Проте вихід з алюмінійованою листовою сталлю на ринок США в 2007 році позначив достатньо серйозні проблеми ліній з алюмініювання. Ранні дослідження виявили більше 50 % браку через поверхневі дефекти виробів. Одним з основних джерел дефектів був шлак, плаваючий в алюмінієвій ванні в носку печі і прилипаючий до смуги. Для досягнення високої якості обробки поверхні плаваючий у ванні з розплавленим металом шлак і оксиди, особливо в обмежених областях усередині носка печі, необхідно відводити від поверхні, що покривається. Для видалення шлаку з зони нанесення покриття використовувався пневматичний насос з вуглецевої сталі для відкачування шлаку, також званий бульбашковим насосом. Впровадження зворотно-поступальних насосів зливного носка печі, призначених для видалення шлаку з поверхні розплаву усередині зливного носка печі, зробило можливим отримання високоякісних покриттів. У бульбашковому насосі (також відомому як насос для відкачування шлаку) використовують механізований спосіб підйому рідини, такої як вода або масло (або розплавлений метал, як в даному випадку), за допомогою введення бульбашок стиснених газів, повітря, водяної пари або інших пароподібних бульбашок у випускну трубу. Це викликає зниження гідростатичного тиску у випускній трубі в порівнянні з гідростатичним тиском на впускній трубі. Бульбашковий насос використовують у ванні з розплавленим металом на лінії нанесення металічних покриттів для видалення плаваючого шлаку з поверхні ванни для алюмінизації усередині носка з метою запобігання виникненню пов'язаних з шлаком дефектів на покритій смузі. Таким чином, бульбашковий насос є критично важливим компонентом устаткування для виробництва високоякісної алюмінійованої листової сталі для автомобільної промисловості. У патентах США №№ US 5 650 120, US 6 051 183 та US 6 039 917 розкриті будови насосів, що працюють під впливом газів, для рециркуляції розплавленого металу у ванні такого металу. У патенті США № 2005/013714 розкриті компоненти для насоса для викачування розплавленого металу. У патенті США № 2007/0253807 розкрито будову насоса для викачування розплавленого металу та пов'язані з ним компоненти, які не дозволяють, щоб газ випускався в потік розплавленого металу. Одним з основних чинників, що впливають на вартість виробництва, є відмови устаткування ванни для алюмініювання. Особливо помітною серед відмов устаткування є відмова бульбашкового насоса (насоса, що відкачує). Середній термін служби бульбашкових насосів, виготовлених з вуглецевої сталі, складає 8-12 годин, що призводить до використання 35-40 насосів кожного місяця (при тривалості виробничого циклу в 2 тижні). Заміна бульбашкових насосів з вуглецевої сталі під час виробництва призводить до порушення нормального виробничого процесу і забруднення ванни з розплавленим металом. Крім того, може знизитися "якість" сталевого листа з нанесеним покриттям (що призводить до меншої цінності продукту) в процесі заміни бульбашкового насоса з вуглецевої сталі. Крім того, заміни насосів вимагають зупинки і повторного пуску ліній, що призводить до надмірного зносу пускових обмоток. Середні втрати, викликані бульбашковими насосами, складають близько 1 мільйона доларів США на рік. Збільшення терміну служби бульбашкового насоса істотно знизить кількість сталевих листів погіршеної якості, а також зменшить час простою і собівартість продукції. Таким чином, в даній області існує потреба в бульбашкових насосах, призначених для роботи у ваннах з розплавленим металом, які можуть служити істотно довше, ніж гладкотрубні насоси з вуглецевої сталі. Розкриття винаходу Винахід відноситься до бульбашкового насоса, внутрішня поверхня якого утворена з матеріалу, стійкого до руйнуючої дії розплавленого алюмінію. Внутрішня поверхня може бути утворена з кераміки, яка може бути вибрана з групи: оксид алюмінію, оксид магнію, силікат, карбід кремнію або графіт, а також їх суміші. Кераміка може бути вогнетривким бетоном, що не містить вуглецю, з 85 % Al2O3 з фосфатним зв'язуючим. 1 UA 115238 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Зовнішня поверхня бульбашкового насоса може бути утворена трубою з вуглецевої сталі. Бульбашковий насос може бути утворений з декількох частин труб, сполучених між собою. Бульбашковий насос може включати 3 прямих ділянки труби і 3 колінних ділянки. Декілька частин труб можуть бути сполучені один з одним за допомогою компресійних фланцевих з'єднань. Компресійні фланцеві з'єднання можуть стискувати внутрішній керамічний матеріал так, щоб розплавлений алюміній не міг проникнути в з'єднання. Компресійні фланцеві з'єднання внутрішнього матеріалу, стійкого до руйнуючої дії розплавленого алюмінію, можуть утворювати з'єднання охоплюваних/охоплюючих частин під кутом 45° між частинами бульбашкового насоса. Короткий опис креслень На Фіг. 1 схематично, не в масштабі, показаний бульбашковий насос; на Фіг. 2 схематично показано з'єднання між частинами бульбашкового насоса, вигляд в подовжньому розрізі. Варіанти здійснення винаходу Метою винаходу є створення насоса з покращеними характеристиками та із значним збільшенням терміну його служби, переважно, до принаймні п'яти днів. Були проведені численні дослідження характеру відмов бульбашкових насосів з вуглецевої сталі. Ґрунтуючись на їх результатах, був розроблений вдосконалений бульбашковий насос з керамічним захисним футеруванням. Вдосконалений насос відповідно до одного з варіантів здійснення винаходу безвідмовно працював безперервно до 167 годин (~7 днів), демонструючи основну експлуатаційну перевагу над насосами з вуглецевої сталі, що мають звичайний термін служби в розплавленому алюмінії близько 8-12 годин. Основними чинниками удосконалення є зміни в конструкції насоса і впровадження литого вогнетривкого футерування. На Фіг. 1 схематично, не в масштабі, показаний бульбашковий насос. Бульбашковий насос включає вертикальну впускну ділянку 1; коліно 2, що сполучає вертикальну впускну ділянку з горизонтальною ділянкою 3; інше коліно 4, що сполучає горизонтальну ділянку 3 з вертикальною випускною ділянкою 5; і випускне коліно для спрямування витікаючого металу, що містить небажаний шлак, убік від зони нанесення покриття у ванні з розплавленим металом. До вертикальної випускної ділянки 5 приєднаний трубопровід 7 для впускання газу. Трубопровід 7 для впускання газу використовується для нагнітання газу в розплавлений метал, викликаючи зниження тиску у вертикальній випускній ділянці і призводячи до перетікання металу у вертикальну впускну ділянку 1 і вгору/з вертикальної випускної ділянки 5. Аналіз характеру відмов U-подібний бульбашковий насос працює в плавильному котлі при температурі 668 °C (1235 °F). Розплав, як правило, має наступний хімічний склад: Al – 9,5 % Si – 2,4 % Fe. Впускний отвір насоса розташований в межах ванни з розплавленим алюмінієм, усередині носка печі, а випускний отвір – за межами носка печі. Перекачування створюється бульбашками азоту у вертикальній ділянці насоса на стороні випуску. Азот при температурі навколишнього середовища вводиться під тиском 40 фунтів на квадратний дюйм з витратою ~120 стандартних кубічних футів в годину (станд. куб. фут/година, 90-150 станд. куб. фут/година). Розширення азоту створює бульбашки, які виходять через випускний отвір, витісняючи рідкий метал. Таке витіснення створює перепад тиску між двома сторонами насоса, викликаючи всмоктування, що дозволяє розплаву і плаваючому шлаку входити у впускний отвір. Цей процес є безперервним, дозволяючи тим самим безперервно видаляти шлак з носка печі і виводити його назовні. Є три основні області, що викликають відмови в бульбашкових насосах, в порядку серйозності відмов: 1) усередині випускної головки (коліно 6); 2) навколо впускного патрубка азоту у вертикальній ділянці на стороні випуску (вертикальна ділянка 5); 3) в середині вертикальної ділянки на впусканні (вертикальна ділянка 1). Щоб краще зрозуміти характер відмови, стандартний бульбашковий насос з вуглецевої сталі, що вийшов з ладу через 12 годин роботи, був розрізаний і вивчений. Аналіз показав, що горизонтальна нижня частина насоса залишилася в майже незмінному вигляді, тоді як впускна і випускна ділянки насоса виявилися серйозно пошкоджені. Також спостерігався знос матеріалу в основному на внутрішній поверхні бульбашкового насоса, при цьому зовнішній діаметр залишився незмінним. Ступінь руйнуючої дії був різним в різних місцях насоса. Водне моделювання бульбашкового насоса Було зроблено припущення, що на характер відмови впливає динаміка рідкого середовища усередині насоса. Проте конструктивні параметри, що впливають на потік рідини, не були достатньо ясними. Для дослідження впливу турбулентності розплаву була виготовлена зменшена модель бульбашкового насоса з органічного скла (масштаб 1:2) і запущена в дію на воді. Ця модель дозволила досліджувати вплив на роботу насоса та його продуктивність тиску газу, положення впускного отвору, радіусу коліна, орієнтації і форми випускного отвору. Були 2 UA 115238 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 визначені характеристики водного потоку в насосі під час його нормальної роботи і з'ясовано, що місця локалізації корозії і втрат металу, спостережувані в насосах, що вийшли з ладу, відповідають локалізаціям турбулентності в моделі з використанням води. Механізм руйнуючої дії алюмінію Механізм втрат матеріалу в насосі з вуглецевої сталі був досліджений за допомогою металографічних методів. Є декілька стадій руйнуючої дії алюмінію. У перші миті контакту алюмінію з насосом в результаті реакції між рідким алюмінієм і сталевою поверхнею утворюється твердий і крихкий інтерметалічний шар на внутрішній стінці. Цей шар значно обмежує дифузію алюмінію і заліза через нього і перешкоджає подальшій дії на сталь. Таким чином, цей інтерметалічний шар виконує функцію квазізахисного покриття для металічного корпусу. Проте при появі на поверхні механічної напруги в цьому крихкому шарі розвиваються мікротріщини і сколи сталевої поверхні, що створює глибокі виїмки. Оскільки дно виїмки виявляється не захищеним інтерметалічним шаром, воно піддається руйнуючій дії розплаву до тих пір, поки не утворюється новий шар. Цей процес повторюється у міру продовження виникнення напруги на сталевій поверхні, внаслідок чого збільшуються втрати металу. Напруга, що викликає руйнування, видно, є результатом турбулентності розплаву та/або ударної дії чужорідних механічних частинок в сприйнятливих місцях. Таким чином, процес руйнування може характеризуватися динамічною ерозією під дією рідкого алюмінію. Таким чином, вихід з ладу бульбашкових насосів з вуглецевої сталі під час експлуатації викликається динамічним викришуванням і абразивним зносом (динамічною ерозією). Ступінь руйнування в різних місцях є різним. Зовнішня поверхня насоса, яка не піддається дії турбулентності розплаву, страждає від пошкоджень у меншій мірі і, отже, зберігається в розплаві при мінімальному захисті. Руйнуюча дія розплаву і втрати металу прогресують в основному в напрямку зсередини назовні. Було встановлено, що покриття, які можуть витримувати руйнуючу дію розплавленого алюмінію в нерухомих розплавах, можуть бути зруйновані в умовах турбулентності, що виникають в насосі. Сильна адгезія покриття до корпусу насоса є ключовим чинником захисту в таких динамічних умовах. Також було встановлено, що для поліпшення характеристик насоса необхідно ізолювати внутрішню поверхню насоса від розплавленого алюмінію. Ізолюючий шар повинен бути в'язким, товстим і безперервним. Будь-які отвори в захисному шарі можуть призвести до виходу насоса з ладу. Вибір вогнетривкого матеріалу для захисного футерування Ґрунтуючись на знаннях, отриманих в результаті дослідження відмов і водного моделювання, був розроблений новий бульбашковий насос. До захисних футерувальних матеріалів пред'являлися наступні вимоги: 1) матеріали повинні бути незмочуваними, такими, що перешкоджають проникненню рідкого алюмінію; 2) матеріали повинні бути стійкими до розтріскування при різких перепадах температури і не допускати їх прогрівання (плавки); 3) матеріали повинні бути ерозійностійкими; 4) матеріали повинні мати низьку вартість; 5) матеріали повинні володіти конструкційною гнучкістю. Для забезпечення можливості відповідності даним вимогам були проведені пошук по довідковій літературі і лабораторні випробування. Був вибраний вогнетривкий бетон, що не містить вуглецю, з 85 % Al2O3 з фосфатним зв'язуючим. Конструкція насоса відповідно до винаходу Форма стандартного бульбашкового насоса з неіржавіючої сталі містить три зігнутих під кутом 90° колінних ділянки. Така складна форма сильно утрудняє заливку керамічного футерування всередину цілісної оболонки без з'єднань, тому виникла необхідність розрізання оболонки на декілька частин, відливання кожної частини окремо і подальшого збирання насоса. Також необхідно забезпечити з'єднання всіх збираних частин для підтримки цілісності під час експлуатації. Враховуючи такі жорсткі вимоги, при збиранні насоса були застосовані наступні положення: 1) унікальні з'єднання охоплюваних/охоплюючих частин під кутом 45° між ділянками вогнетривкого футерування; 2) два фланцеві з'єднання для збірки трьох деталей насоса, що забезпечують можливість стискування з'єднань керамічного захисного футерування; 3) безперервне керамічне футерування в колінах для зниження руйнуючої дії алюмінію через з'єднання; і 4) модифікація фланця в зоні випуску для розміщення керамічного футерування під впливом стискуючих сил. На Фіг. 2 схематично показано з'єднання між частинами бульбашкового насоса. З'єднання включає оболонку 8 з вуглецевої сталі бульбашкових насосів, відомої в даній області техніки, кожна частина якої футерована стійкою до дії розплавленого металу керамікою 9. Торці кераміки 9, які з'єднуються встик один з одним, нахилені під кутом біля 45°, що дозволяє забезпечити хорошу підгонку при стискуванні. Частини бульбашкового насоса сполучають між 3 UA 115238 C2 5 10 15 20 25 собою під впливом стискуючих сил за допомогою фланцевих з'єднань 10 за допомогою кріпильних засобів 11. Такі компресійні з'єднання використовуються для збереження стискування з'єднання захисного футерування, щоб герметизувати з'єднання захисного футерування від проникнення розплавленого металу. Захисне футерування може бути виконана з будь-якого матеріалу, стійкого до руйнуючої дії розплавленого алюмінію, такого як незмочувані матеріали, стійкі до розплавлених металів. Прикладами незмочуваних матеріалів є оксид алюмінію, оксид магнію, силікат, карбід кремнію або графіт, а також суміші цих керамічних матеріалів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Бульбашковий насос, внутрішня поверхня якого утворена з кераміки, стійкої до руйнуючої дії розплавленого алюмінію, причому його зовнішня поверхня утворена трубою з вуглецевої сталі. 2. Бульбашковий насос за п. 1, який відрізняється тим, що кераміка вибрана з групи: оксид алюмінію, оксид магнію, силікат, карбід кремнію або графіт, а також їх суміші. 3. Бульбашковий насос за п. 1, який відрізняється тим, що кераміка є вогнетривким бетоном, що не містить вуглецю, з 85 % Аl2О3 з фосфатним зв'язуючим. 4. Бульбашковий насос за п. 1, який відрізняється тим, що виконаний з принаймні двох частин труб, сполучених одна з одною. 5. Бульбашковий насос за п. 4, який відрізняється тим, що зазначені частини труб включають 3 прямих ділянки і 3 колінних ділянки. 6. Бульбашковий насос за п. 4, який відрізняється тим, що зазначені частини труб сполучено між собою за допомогою компресійних фланцевих з'єднань. 7. Бульбашковий насос за п. 6, який відрізняється тим, що компресійні фланцеві з'єднання виконані з можливістю стискування внутрішнього керамічного матеріалу для запобігання проникненню розплавленого алюмінію в них. 8. Бульбашковий насос за п. 7, який відрізняється тим, що компресійні фланцеві з'єднання внутрішнього матеріалу, стійкого до руйнуючої дії розплавленого алюмінію, утворюють з'єднання охоплюваних/охоплюючих частин під кутом 45° між частинами бульбашкового насоса. 4 UA 115238 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5