CN101660060B - 高纯铝超声波提纯装置 - Google Patents

Abstract

一种高纯铝超声波提纯装置，包括超声波处理系统，保温炉和垂直升降机构，超声波处理系统固定在保温炉一侧，保温炉与垂直升降机构连接，其中，超声波处理系统包括超声发生器，超声控制器，聚能器，变幅杆，挡片和支架，超声控制器与超声发生器连接，超声发生器上端固定在支架上，位于保温炉的正上方，下端连接聚能器，聚能器下端连接变幅杆，变幅杆与保温炉的炉口冲齐，变幅杆内部为密封空腔，外接冷却水管，变幅杆内部空腔通过挡片分隔使冷却水可以到达变幅杆的底部。使超声波通过已结晶体直接作用于固液界面，从而摆脱了原有固液界面粘滞层的影响，提高提纯效率，降低提纯晶体中杂质元素的微观偏析，同时细化晶粒组织。

Description

高纯铝超声波提纯装置

技术领域

本发明涉及的是一种铸造冶金技术领域的装置，特别是一种高纯铝超声波提纯装置。

背景技术

利用超声波可以对金属的凝固过程尤其是铝的定向凝固过程进行干涉。超声波作用于熔体后发生空化作用，同时伴有剧烈液流冲刷固液界面。这些作用可以减小液固界面前沿的溶质富集层的厚度，充分混合剩余熔体中的杂质，降低液固界面前沿杂质浓度。

经对现有技术的文献检索发现，日本专利号为：JP56-133434，名称为：Manufacture of high purity aluminum(高纯铝制备方法)，提出了一种在铝的定向凝固过程中通过对其液固界面进行超声干涉，控制提纯晶体微观组织和杂质元素分布的铝提纯装置。该装置利用可伸入铝熔体的超声波变幅杆向熔体中传送超声，结晶时以圆柱状晶体平界面生长方式为主，同时严格控制加热区和冷却区的温度，可使提纯晶体的微观组织细化，降低其中杂质元素的偏析程度。该装置虽然结构合理，工艺先进，操作简便，但超声的作用方式较为简单，超声主要作用于液态熔体，产生高速液流冲刷液固界面，受熔体在液固界面粘滞层的影响，对溶质富集层厚度的作用受到限制。

检索中还发现，中国发明专利：02111339.4，专利名称为：高纯铝的真空连续提纯净化方法，着重以控制熔体流场、控制晶体生长形态达到提高提纯效率的目的。该方法具有较好的提纯效果，但控制晶体生长形态提高提纯效率极易导致晶粒粗大，而且提纯效率同样受到固液界面粘滞层的影响，从而限制了提纯效率的进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高纯铝超声波提纯装置，该装置将超声的输送装置和结晶器连接在一起，在结晶过程中使超声波通过已结晶固体直接作用于定向凝固的固液界面，从根本上摆脱了原有固液界面粘滞层的影响，加快溶质元素在熔体中的混合与扩散，提高提纯效率，降低提纯晶体中杂质元素的微观偏析，同时细化晶粒组织。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括：超声波处理系统、保温炉和垂直升降机构，超声波处理系统固定在保温炉一侧，保温炉与垂直升降机构连接，其中：

超声波处理系统包括：超声发生器、超声控制器、聚能器、变幅杆、挡片和支架，超声控制器与超声发生器连接，超声发生器上端固定在支架上，位于保温炉的正上方，下端连接聚能器，聚能器下端连接变幅杆，变幅杆与保温炉的炉口冲齐，变幅杆内部为密封空腔，外接冷却水管，变幅杆内部空腔通过挡片分隔使冷却水可以到达变幅杆的底部。

所述保温炉由炉壳，保温层，炉盖，加热器，罩壳，引出装置，保护气体阀门，石墨坩锅，钢坩锅和底座组成，炉壳上接有罩壳，引出装置，炉盖中央开口，与上方结晶器冲齐，保温炉口一侧设置保护气体阀门，保温炉腔中内置钢坩锅，石墨坩锅置于钢坩锅中，保温炉腔内壁安装加热器，保温炉体下方设有底座。

所述垂直升降机构由吊架，丝杠，支撑座，电机和变速箱组成，吊架与保温炉紧密相连，并通过螺纹连接和丝杠连接在一起，由电机和变速箱带动，变速箱通过螺栓紧固件固定于支撑座上。

本发明采用上引定向凝固生长方式，在整个提纯过程中，被提纯4N纯铝在惰性气体保护下熔炼、保温。由于铝是一种较为活泼的金属，在熔融状态下很容易跟大气中的氧发生反应而被氧化，同时也会有一定的氢溶解在熔体中，从而导致提纯效果下降甚至不能得到合格的产品，所以在熔炼开始时通入保护性的惰性气体，并在整个结晶过程中一直保持通入，可以防止大气中的气体成分对提纯后的铝锭成分产生不利影响。

传统的定向凝固提纯技术，在提纯时由于杂质元素会从结晶的固相中排出，所以在液固界面，溶质元素会逐渐富集，形成一定厚度的溶质边界层。在没有外场干涉的情况下，由于扩散的困难，溶质元素的富集会使提纯效率降低，并最终影响提纯效果。本发明通过连接于超声发生装置的结晶器直接对凝固固液界面施加超声作用，可以通过超声作用于液态熔体时产生的气穴效应和振荡效应，显著减小凝固过程中的边界层厚度，从而使排除的溶质在熔体中迅速扩散，显著提高杂质元素的排除效率。

本发明采用超声场对定向凝固过程中液固界面的边界层进行干涉，通过超声的空化作用和振荡作用减小边界层的厚度，加快杂质富集区中杂质元素的扩散。但是从超声的作用方式上看，现有技术是通过超声变幅杆向熔体传送超声，通过超声对液态熔体的作用影响液固界面，超声的传递路线为超声传送杆-熔体-液固界面-结晶器。而本发明是将超声变幅杆和结晶器结合在一起，添加水冷系统后，变幅杆同时起到结晶器的作用。即通过固相直接向液固界面传送超声，然后再作用于液固界面附近的熔体。即本项目超声的传递路线为超声变幅杆-液固界面-熔体。

现有技术传递超声，由于变幅杆和液固界面之间隔着很多的液态熔体，大部分超声被熔体吸收了，转化为熔体的动能和热能，本发明中大部分的超声能仍旧被熔体吸收，但是几乎所有的超声都要经过液固界面，才能传到熔体中去，也就是通过液固界面的超声能量被显著提高了。由于液固界面是晶体形成和生长的地方，通过固体介质传递超声，就可以使超声作用的效果在最大程度上发挥出来，起到较好的提纯效果。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、通过连接于超声发生装置的变幅杆直接对固液界面施加超声作用，可以显著减小凝固过程中的边界层厚度，从而使排除的溶质在熔体中迅速扩散，显著提高杂质元素的排除效率。

2、在保护性气体下的熔炼和保温，大大降低了提纯过程中氧原子和氢原子的侵入。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图中：1超声波处理系统、2超声发生器、3超声控制器、4支架、5保温炉、6炉壳、7保温层、8加热器、9罩壳、10引出装置、11底座、12聚能器、13变幅杆、14冷却水管、15挡片、16保护气氛阀门、17炉盖、18石墨坩锅、19钢坩锅、20垂直升降机构、21吊架、22丝杠、23支撑座、24电机、25变速箱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本装置包括：超声波处理系统1，保温炉5和垂直升降机构20，超声波处理系统1固定在保温炉5一侧，保温炉5与垂直升降机构20连接，其中，超声波处理系统1包括超声发生器2，超声控制器3，聚能器12，传送杆13，结晶器15和支架4，超声控制器3与超声发生器2连接，超声发生器2上端固定在支架4上，位于保温炉5的正上方，下端连接聚能器12，聚能器12下端连接传送杆13，结晶器15与保温炉5的炉口冲齐，所述的传送杆13与结晶器15直接连接，结晶器15内部为密封空腔，外接冷却水管14，变幅杆13内部空腔通过挡片15分隔使冷却水可以到达变幅杆13的底部。

所述保温炉5由炉壳6，保温层7，炉盖17，加热器8，罩壳9，引出装置10，保护气体阀门16，石墨坩锅18，钢坩锅19和底座11组成，炉壳6上接有罩壳9，引出装置10，炉盖17中央开口，与上方变幅杆13冲齐，保温炉5口一侧设置保护气体阀门16，保温炉5腔中内置钢坩锅19，石墨坩锅18置于钢坩锅19中，保温炉5腔内壁安装加热器8，保温炉5体下方设有底座11。

引出装置是10一个安全装置，一旦发生熔体的泄漏，可以通过该部件将泄漏的熔体收集起来。

所述垂直升降机构20由吊架21，丝杠22，支撑座23，电机24和变速箱25组成，吊架21与保温炉5紧密相连，并通过螺纹连接和丝杠22连接在一起，由电机24和变速箱25带动，变速箱25通过螺栓紧固件固定于支撑座23上。

工作时，使保温炉5处于最低工位，将待处理的铝锭置于石墨坩锅18中，通过保护气体阀门16向保温炉5炉腔中通入惰性气体5min中后，接通保温炉5加热器8电源，提升炉温至铝的熔点(Tm＝660℃)以上，将熔化石墨坩锅18中的铝熔化。将熔化后的铝液升温，通过冷却水管14给变幅杆13通入冷却水，并开启超声波处理系统1。接通电机24电源，启动垂直升降机构20，使保温炉5炉体缓慢提升，通过变速箱25调节上移速度，当变幅杆13浸入铝液1-2cm时停止提升，将保温炉5炉体位置固定。结晶开始后，控制铝液温度，使之略高于熔点(660-700℃)，并以0.2-2.0mm/min的速度缓慢向下移动炉体，开始晶体生长过程，结晶完毕，关闭加热电源和超声电源，关闭冷却水和保护气氛阀门16，将保温炉5降至最低工位，关闭电机24电源，取下凝固提纯后的晶体。石墨坩锅18中加入铝锭，开始下一个工作循环。

超声通过变幅杆13传递到液固界面，使所有超声作用到液固界面，在超声带动下发生振动，阻止固液界面前沿边界层的形成或最大程度的减小该边界层的厚度，促进由于结晶而从固相中析出的杂质元素向液相扩散，从而使提纯效率得到提高，提纯效果得到改善。

4N精铝经一次提纯处理后固相纯度可达5N5，而且杂质元素在提纯晶体中分布均匀，晶粒均匀细小，平均晶粒尺寸在200μm以下。

所加超声具体的参数范围为：功率在0.2-10kW，频率10-50kHz，振幅为10-100μm。提纯结果表明，在目前的设备条件下，当功率10kW，频率20kHz，超声振幅为35μm，并将结晶速度控制在0.8mm/min时，提纯效果最好。

Claims (3)

1.一种高纯铝超声波提纯装置，包括：超声波处理系统、保温炉和垂直升降机构，其特征在于：超声波处理系统固定在保温炉一侧，保温炉与垂直升降机构连接，其中，超声波处理系统包括超声发生器、超声控制器、聚能器、变幅杆、挡片和支架，超声控制器与超声发生器连接，超声发生器上端固定在支架上，位于保温炉的正上方，下端连接聚能器，聚能器下端连接变幅杆，变幅杆与保温炉的炉口冲齐，变幅杆内部为密封空腔，外接冷却水管，变幅杆内部空腔通过挡片分隔使冷却水可以到达变幅杆的底部。

2.根据权利要求1所述的高纯铝超声波提纯装置，其特征是，所述保温炉由炉壳、保温层、炉盖、加热器、罩壳、引出装置、保护气体阀门、热电偶、石墨坩锅、钢坩锅和底座组成，炉壳上接有罩壳、引出装置，炉盖中央开口，与上方变幅杆冲齐，保温炉口一侧设置保护气体阀门，热电偶自炉盖一侧的小孔深入炉体，保温炉腔中内置钢坩锅，石墨坩锅置于钢坩锅中，保温炉腔内壁设置加热器，保温炉体下方设有底座。

3.根据权利要求1所述的高纯铝超声波提纯装置，其特征是，所述垂直升降机构由吊架、丝杠、支撑座、电机和变速箱组成，吊架与保温炉紧密相连，并通过螺纹连接和丝杠连接在一起，由电机和变速箱带动，变速箱通过螺栓紧固件固定于支撑座上。 

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