El rotor es el componente funcional central del equipo de desgasificación por chorro rotatorio, y su diseño estructural y propiedades de los materiales determinan directamente el efecto de refinamiento de las burbujas, la forma del campo de flujo del metal fundido y la eficiencia final de desgasificación. La estructura del rotor del equipo sumergido se divide principalmente en dos categorías: tipo de cizallamiento centrífugo de rotor puro y tipo de guía compuesta de rotor y estator; El material forma dos sistemas principales: grafito y cerámica de nitruro de silicio.

1. Tipos estructurales y diferencias de rendimiento de los rotores

Las boquillas de rotor puro, también conocidas como rotores de cizallamiento centrífugo, tienen un cuerpo giratorio con álabes o ranuras. El gas inerte se introduce desde el conducto de aire central del rotor y se pulveriza desde los orificios de aire inferiores o laterales del rotor; Al depender de las fuerzas centrífugas y de cizallamiento generadas por la rotación a alta velocidad del rotor, el flujo de aire continuo se desgarra en pequeñas burbujas, al tiempo que impulsa el metal fundido a realizar un flujo circular. Las estructuras comunes incluyen el tipo impulsor, el tipo poroso, el tipo turbina, etc., que son las configuraciones básicas más utilizadas en la industria.

Sus ventajas radican en:

• estructura simple, baja dificultad de fabricación y bajos costos de adquisición y reemplazo;
• El rotor tiene una fuerte fuerza de agitación, alta velocidad de circulación del metal fundido y buena adaptabilidad a metales fundidos de alta viscosidad y alta inclusión;
• El canal de flujo está abierto y no se bloquea fácilmente con escoria flotante, lo que es amigable para la línea de producción para fundir desechos sucios y con alta escoria, y tiene un ciclo de limpieza y mantenimiento prolongado.

Las limitaciones se reflejan en tres aspectos:

• en primer lugar, la uniformidad del tamaño de las burbujas es generalmente promedio, con algunas burbujas grandes que flotan rápidamente y tienen un corto tiempo de contacto gas-líquido, lo que limita la mejora adicional de la eficiencia de desgasificación;
• El segundo problema es que el metal fundido fluye principalmente en un flujo circular horizontal, con trayectorias cortas para que las burbujas asciendan y algunas burbujas escapen rápidamente de la superficie del líquido, lo que resulta en una liberación insuficiente del potencial de transferencia de masa;
• En tercer lugar, la agitación fuerte puede perturbar fácilmente la superficie del líquido, succionar aire y escoria flotante de la superficie, lo que puede exacerbar la oxidación y la contaminación por inclusiones del metal fundido.

La estructura compuesta de rotor y estator agrega una cubierta guía de estator fija alrededor del rotor giratorio, y el estator tiene orificios guía o álabes guía dispuestos regularmente. La mezcla gas-líquido expulsada por el rotor primero se somete a un cizallamiento secundario y guía de flujo por el estator, y el gas se dispersa aún más en microburbujas más uniformes. Al mismo tiempo, el estator guía el metal fundido para formar un flujo de circulación axial ascendente y descendente, lo que prolonga significativamente el tiempo de residencia de las burbujas en el metal fundido y aumenta el área de contacto gas-líquido.

La ventaja principal de esta estructura es alta eficiencia de purificación:

• el efecto de refinamiento de las burbujas es mejor, el tamaño es menor y la distribución es más uniforme, el área superficial específica gas-líquido es mayor, la eficiencia de transferencia de masa mejora significativamente y la eficiencia de desgasificación es un 15% a un 25% mayor que la del tipo de rotor puro en las mismas condiciones de trabajo;
• El campo de flujo de circulación axial extiende significativamente la trayectoria ascendente de las burbujas, prolonga el tiempo de contacto gas-líquido y utiliza completamente el potencial de purificación de los gases inertes;
• Al mismo tiempo, el flujo superficial del metal fundido es más suave, lo que reduce el riesgo de oxidación secundaria y atrapamiento de escoria causado por la perturbación del nivel del líquido, y la cantidad de escoria flotante producida es menor.

Sus desventajas son:

• la estructura de doble capa de estator y rotor es compleja, se requiere alta precisión de mecanizado y el costo de fabricación es significativamente mayor que el del rotor puro;
• El espacio entre el estator y el rotor es estrecho, lo que facilita el bloqueo por escoria flotante y escoria de óxido. Se requieren paradas y limpiezas regulares, y la frecuencia de mantenimiento es mayor;
• El alto requisito de limpieza del metal fundido y los desechos con alta escoria pueden causar fácilmente fallas de incrustación del estator, lo que lo hace inadecuado para líneas de producción de aluminio reciclado que utilizan principalmente desechos de aluminio muy contaminados como materia prima.

2. Diferencias en tipos y rendimiento de materiales de rotor

El rotor trabaja en metal fundido de aluminio a alta temperatura de 700-750 °C durante mucho tiempo, y está sujeto a erosión por el líquido de aluminio, choque térmico y corrosión química. Las propiedades del material determinan directamente la vida útil y la estabilidad operativa del rotor. Actualmente, los materiales de rotor principales en la industria se dividen en dos categorías: grafito y cerámica de nitruro de silicio.

Los rotores de grafito generalmente se procesan y forman utilizando grafito de prensado isostático de alta resistencia y alta densidad, y la superficie generalmente se trata con impregnación antioxidante, lo que lo convierte en el material de rotor más utilizado actualmente. Sus ventajas son muy destacadas:

• excelente rendimiento de procesamiento, capaz de procesar álabes complejos y estructuras de canales de flujo, adecuado para varios esquemas de diseño de rotores;
• Bajo costo, con un precio unitario de solo 1/5 ~ 1/3 de los rotores de nitruro de silicio, y bajos costos operativos de consumibles;
• Baja densidad y peso ligero, bajos requisitos para la carga del motor de accionamiento, fuerte adaptabilidad para la modificación de equipos;
• Buena resistencia al choque térmico, menos probable que explote bajo condiciones de trabajo alternas en frío y caliente, y alta tolerancia a fallas.
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Las desventajas también son obvias:

• la resistencia a la oxidación a alta temperatura es limitada, y el grafito por encima de 700 °C continuará oxidándose y perdiendo oxígeno en el aire. La vida útil de los rotores de grafito ordinarios suele ser de solo 1-3 meses, y los reemplazos frecuentes afectarán la continuidad de la producción;
• El desprendimiento de partículas de grafito puede entrar en el metal fundido y formar inclusiones de carbono, lo que representa un riesgo de contaminación para las aleaciones de aluminio limpio de alta gama;
• La resistencia general es relativamente baja, y si hay colisión o escoria desigual durante la rotación a alta velocidad, es fácil causar fallas de rotura de eje y fractura de álabes.

El rotor de nitruro de silicio (Si₃N₄) es una cerámica estructural basada en nitruro de silicio, que se prepara mediante un proceso de sinterización por reacción o sinterización por prensado en caliente. Tiene excelentes propiedades mecánicas a alta temperatura y resistencia a la corrosión por líquido de aluminio, y es el material de rotor preferido para la producción de aleaciones de aluminio limpio de alta gama. Sus ventajas se concentran en larga vida útil y alta limpieza:

• su capacidad para soportar altas temperaturas y corrosión por aluminio es mucho mejor que la del grafito, y apenas reacciona con el aluminio a altas temperaturas. Su vida útil normal puede alcanzar los 6-18 meses, lo que reduce en gran medida la frecuencia de reemplazo y mejora la eficiencia de producción continua;
• El material es puro y no introduce impurezas de carbono o metal en el metal fundido, cumpliendo plenamente los requisitos de pureza de las aleaciones de aluminio limpio de alta gama;
• Alta resistencia a la temperatura, resistente al desgaste y a la erosión, capaz de soportar velocidades de rotación más altas, efecto de refinamiento de burbujas más estable y mínima degradación del rendimiento a largo plazo.
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Las principales deficiencias radican en costo y fragilidad:

• altos costos de fabricación, materias primas y procesos de sinterización complejos, y gran inversión inicial de adquisición;
• Los materiales cerámicos tienen alta fragilidad, baja resistencia al choque térmico y son propensos a agrietarse o incluso fragmentarse debido a enfriamiento, calentamiento e impacto mecánico rápidos. Requieren estándares de instalación y operación estrictos;
• La dificultad de formar estructuras complejas es alta, y el grado de libertad en el diseño del rotor es menor que el de los materiales de grafito;
• Una vez que ocurre una fractura y no se puede reparar, el costo total de desecho es relativamente alto.