CN102140583A

CN102140583A - 一种功率超声场与电场组合作用净化金属熔体的方法

Info

Publication number: CN102140583A
Application number: CN2011100376891A
Authority: CN
Inventors: 王宏明; 张廷旺; 李桂荣; 赵玉涛; 张勋寅
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2011-02-15
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2011-08-03

Abstract

本发明涉及金属熔体精炼纯净化技术领域，特别涉及到一种在功率超声场与电场组合作用下净化金属熔体的方法。该方法的主要特征是向待净化的金属熔体同时施加功率超声场和直流电场作用，目的是利用超声波所具有的超声净化效应和电场的电净化效应协同作用，实现金属熔体的高效率快速净化。采用本发明的显著优势是：熔体中多个尺度量级的金属类夹杂和非金属类夹杂都能有效去除，并且具有显著的脱氧和脱气包括脱氢、脱氮效果，另外，采用本发明的设备简单，投资低，适合工业规模应用。

Description

一种功率超声场与电场组合作用净化金属熔体的方法

技术领域

本发明涉及金属熔体精炼纯净化技术领域，特别涉及到一种在功率超声场与电场组合作用下净化金属熔体的方法。

背景技术

在火法冶金领域，金属熔体中的夹杂物以及溶解的气体等对材料的性能有非常重要的影响，金属的纯净化是制备高性能金属材料的关键环节；目前，金属熔体的精炼去气去夹杂等主要依靠物理手段，例如吹气精炼广泛应用于有色金属冶金和钢铁冶金领域，但吹气精炼只对大颗粒夹杂物的去除有较明显效果，对于微纳米级别夹杂物影响很小；另外，过滤法也是一种传统的金属熔体净化法，该方法对细小夹杂也难以滤除；近年来，金属熔体在物理场下的净化研究广泛开展；例如，中国实用新型专利（申请号200720102544.4，一种铝硅合金溶液的直流电磁净化装置）和中国发明专利（申请号 CN201010264037.7，金属熔体在线电磁净化装置）都公开了利用电磁净化金属熔体的方法；电磁净化对非金属夹杂物的去除效果明显，对于导电性与金属差异较小的金属间化合物颗粒效果不明显，另外，电磁净化对熔体中气体的去除没有效果。

功率超声场对熔体内非金属夹杂物或气体具有超声凝聚效应，有利于非金属夹杂物颗粒或气泡的聚集和排出，因此，在理论上，功率超声场对金属熔体具有净化作用；关于功率超声场对悬浮溶液中颗粒的聚集效应很早就被人们所认识，在湿法冶金和化工领域已有应用，但将功率超声场用于对金属熔体的净化没有引起工业上的重视，相关研究也仅限于一些理论研究及物理模拟研究，尚未发现将功率超声场用于净化金属熔体的工业应用报道；分析目前将超声用于净化金属熔体困难的原因有两个方面：一是传统的功率超声场采用金属材质的变幅杆引入熔体，变幅杆往往会引起熔体的二次污染；二是功率超声场对金属熔体内颗粒相具有双重作用，当超声功率较弱时，熔体内的超声驻波增加了颗粒振动、碰撞直至聚合长大的机会，对净化有利，但由于功率超声场较弱，这种净化作用效果不明显，很少引起重视，而当超声场功率较强时，超声波对熔体内颗粒不再是聚集作用，而是使大颗粒细化分散，这对熔体净化是不利的；超声波对金属熔体内颗粒是超声凝聚净化效应还是超声细化分散效应不仅仅取决于超声波的功率，还与金属熔体的种类、颗粒的种类、熔池的尺寸等诸多因素有关，但超声净化只能用能量较低的功率超声场是一个不争的事实，要提高超声对细小颗粒的净化作用，不应简单的提高超声的功率，而应该探索其他的辅助净化方法。

申请者的最近研究表明，在金属熔体内通入直流电流，熔体内的细小颗粒有类似电泳现象的电场效应，即熔体内的微纳米颗粒由随机地布朗运动呈现定向运动的现象，具有一定的净化效果，特别是在施加功率超声场净化的同时，在熔体内通入直流电流，可明显提高熔体的净化效率和净化效果，证实了超声净化和电净化有作用互补和耦合增强的结果；经对现有技术进行检索，关于电净化的研究只在气体净化、除尘及电解质溶液电化学中有报道，用于金属熔体的报道尚未发现；考虑到目前金属熔体采用超声净化所面临的问题，发明一种将超声净化与电净化共同作用处理金属熔体的方法，提高熔体的净化效率和净化效果具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是：提供一种在功率超声场与电场组合作用下净化金属熔体的新方法，目的是利用超声波所具有的超声净化效应和电场的电净化效应协同作用，使金属熔体中多个尺度量级的金属类夹杂和非金属类夹杂及气体都能高效快速去除，实现高效率快速净化，解决目前传统净化方法存在的效率低，净化效果难以控制等问题。

实现本发明目的的方法是：

将待净化的金属熔体置于由耐火材料构成的保温容器内，对熔体同时施加功率超声场和直流电场，即利用功率超声场的超声净化作用和直流电场的电净化作用达到金属高效快速净化的目的；施加功率超声场的原理是利用超声波的声空化效应和声流冲击效应，对金属熔体脱气并促进大颗粒夹杂物（大于几个微米级别）的上浮，同时对微纳米级别的颗粒也有超声聚集作用，但单一超声对微纳米级别颗粒的聚集净化作用是比较弱的；在施加功率超声场的同时，向熔体内同时施加直流电场，使金属熔体中微纳米级别颗粒产生类似电泳现象的定向迁移予以去除；这样，对熔体同时采用超声净化与电净化，克服单一超声净化和单一电净化的不足，使其对金属熔体的净化作用互补，达最终实现金属熔体高效快速净化的目的。

以下结合本发明的示意图(见图1)，说明实现本发明的具体方案如下：

一种在功率超声场与电场组合作用下净化金属熔体的新方法，主要包括以下步骤：

a）将待净化的金属熔体置于由耐火材料构成的保温容器内；

b）将超声变幅杆浸入熔体，开启功率超声场电源，调整到规定参数，施加超声净化处理；

c）将电极插入熔体，接通电源并调整到规定参数，对熔体施加电净化作用；

d）作用时间到后，关闭超声和电场电源，取出电极和变幅杆，完成熔体净化；

实现本发明的装置方面的特征是：

e）引入功率超声场的变幅杆为绝缘的陶瓷材质或有陶瓷镀层或涂层的金属材质；

f）引入功率超声场的变幅杆由熔体上方插入熔体，其浸入深度控制在2-5mm；

g）直流电场的电流由分别安装在熔池底部和熔池上部的两个平行插入的电极引入；

实现本发明的功率超声场参数和电场参数方面的特征是：

h）施加的功率超声场参数为：超声波频率25-30 kHz，超声波强度为1-10 kW/m²，按照密度差异，对镁及其合金熔体，超声波强度为1-4kW/m²，对铝及其合金熔体，超声波强度为2-8kW/m²，对铁、铜等熔体，超声波强度为6-10kW/m²；

i）施加的电场为直流电场，该直流电场的电流密度为1-100A/m²；

j）功率超声场与直流电场同时作用的时间为15-65s。

采用本发明的关键特征是：利用功率超声场与直流电场的耦合作用对金属熔体进行净化处理；引入超声波的变幅杆采用陶瓷材质或有陶瓷镀层或涂层的金属材质，超声波的参数范围是：超声波频率25-30 kHz，超声波强度为1-10 kW/m²；施加的电场为直流电场，其电流密度为1-100A/m²；直流电场的电流由分别安装在熔池底部和熔池上部的两个平行插入的电极引入。

应当指出，从熔池的其它位置向熔池内引入超声和电场，即超声变幅杆和直流电场电极换装在熔池的其他部位，比如在熔池底部或侧部引入超声或电场电极，也属于本发明要保护的方案。

与现有技术相比本发明具有以下优点和效果：

本发明同时利用功率超声场的净化作用与直流电场的净化作用，提高了金属熔体净化速度和净化效果；比传统的过滤净化、沉淀净化以及单一的电磁净化、超声净化效率高，效果好，主要体现在以下方面：

1）功率超声场对较大尺寸的夹杂物（几个微米以上）有很好的去除作用，而直流电场对熔体中悬浮的微纳米颗粒有好的净化作用，因此，超声净化与电净化在去除的颗粒尺寸方面有互补作用，本发明采用超声净化和电净化耦合，熔体中多个尺度量级的颗粒都能有效去除，克服了传统的过滤净化、沉淀净化、电磁净化及单一超声净化只能去除大尺寸颗粒的不足；

2）功率超声场对非金属夹杂物的作用效果明显，直流电场净化对金属间化合物微纳米颗粒的净化效果显著，因此，超声净化与电净化在去除的颗粒种类方面有互补作用，实现了金属夹杂与非金属夹杂的同时去除；

3）试样中夹杂物的总去除率达到95%以上，而单独采用功率超声场时，夹杂物的最大去除效率不超过80%，而采用传统的吹氩精炼或静置沉降法，夹杂物的去除率不超过60%，所以本发明的效果较现有技术有明显提高；

4）功率超声场还具有独特的脱气净化作用，比传统的过滤净化以及电磁净化要好；

5）本发明中引入超声的变幅杆采用陶瓷材质或有陶瓷镀层或涂层的金属材质，不会污染金属，克服了传统电磁净化采用金属材质变幅杆污染熔体的弊端；

6）本发明所采用的功率超声场为低能功率超声场，所采用的电场为低电压直流电场，装备成熟，价格相对低廉，操作简单、安全，能耗低，易于工业采用；

7）本发明可以处理大容量熔体，是一种适合工业规模净化金属熔体的方法。

附图说明

图1 本发明方法的示意图

图注：1保温容器；2熔体；3超声变幅杆；4电极；5直流电源；6调压电阻。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的阐述；实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。

实施例1：净化金属镁合金熔体

在2Kg的石墨坩埚中进行AZ91D镁合金的净化试验，功率超声场变幅杆采用氧化铝陶瓷材质，镁合金在CO₂/SF₆混合气体（CO₂：SF₆=100：1）保护下熔炼和净化；采用的净化装置如图1所示，镁合金熔炼完毕，温度控制在685℃，净化处理时，超声变幅杆插入熔体内4mm，控制功率超声场的参数为：超声波频率30 kHz，超声波强度为2.0 kW/m²，所施加的直流电场的电流密度为50A/m²，超声与直流电场共同作用时间为35s；净化完毕，用石英管取样，经金相检测，夹杂物总量显著减少，试样中夹杂物的总去除率达到95%以上，而单独采用功率超声场时，夹杂物的最大去除效率不超过80%，所以本发明的效果较现有技术有明显提高。

实施例2：净化铝熔体

在2Kg的石墨坩埚中进行工业用纯铝的净化试验，功率超声场变幅杆采用涂有纳米氧化铝涂层的高铬钢材质；采用的净化装置如图1所示，工业铝熔炼完毕，温度控制在750℃，净化处理时，超声变幅杆插入熔体内2mm，控制功率超声场的参数为：超声波频率28 kHz，超声波强度为1.0 kW/m²，所施加的直流电场的电流密度为5A/m²，超声与直流电场共同作用时间为50s；净化完毕，用石英管取样，经金相检测，未发现夹杂物，而不采用净化措施时试样中明显存在较大尺寸的夹杂物，单独采用功率超声场时微米尺寸级别的夹杂物也很明显，所以本发明的效果较现有技术有明显提高。

实施例3：钢液净化

在100kg感应炉熔炼钢以后，将钢液转入铁水包中实施净化处理，超声变幅杆采用涂有纳米氧化铝涂层的镍基高温合金材质，超声变幅杆插入熔体内3mm，控制功率超声场的参数为：超声波频率25 kHz，超声波强度为6.0 kW/m²，所施加的直流电场的电流密度为25A/m²，超声与直流电场共同作用时间为60s；净化完毕，用石英管取样，经金相检测，试样中夹杂物的总去除率达到95%以上，而单独采用功率超声场时，夹杂物的最大去除效率不超过80%，而采用传统的吹氩精炼或静置沉降法，夹杂物的去除率不超过60%，所以本发明的效果较现有技术有明显提高。

实施例4：铜液净化

在200kg有芯感应炉熔炼纯铜以后，将铜液转入中间包中实施净化处理，超声变幅杆采用涂有氧化铝陶瓷材质，超声变幅杆插入熔体内3mm，控制功率超声场的参数为：超声波频率25 kHz，超声波强度为10 kW/m²，所施加的直流电场的电流密度为100A/m²，超声与直流电场共同作用时间为20s；净化完毕，用石英管取样，经金相检测，试样中夹杂物的总去除率达到95%以上，而单独采用功率超声场时，夹杂物的最大去除效率不超过80%，而采用传统的吹氩精炼或静置沉降法，夹杂物的去除率不超过60%，另外，采用本发明，铜中氧含量由15ppm下降到5ppm，达到高级无氧铜级别，所以本发明的效果较现有技术有明显提高。

Claims

1.一种功率超声场与电场组合作用净化金属熔体的方法，包括将待净化的金属熔体置于由耐火材料构成的保温容器内进行净化处理，其特征在于：对金属熔体同时施加功率超声场和直流电场，即利用功率超声场的超声净化作用和直流电场的电净化作用达到金属高效快速净化的目的。

2.如权利要求1所述的一种功率超声场与电场组合作用净化金属熔体的方法，其特征是：施加的功率超声场参数为：超声波频率25-30 kHz，超声波强度为1-10 kW/m²。

3.如权利要求1所述的一种功率超声场与电场组合作用净化金属熔体的方法，其特征是：施加的电场为直流电场，该直流电场的电流密度为1-100A/m²。

4.如权利要求1所述的一种功率超声场与电场组合作用净化金属熔体的方法，其特征是：功率超声场与直流电场同时作用的时间为15-65s。

5.如权利要求2所述的一种功率超声场与电场组合作用净化金属熔体的方法，其特征是：按照密度差异，对镁及其合金熔体，超声波强度为1-4kW/m²，对铝及其合金熔体，超声波强度为2-8kW/m²，对铁或铜熔体，超声波强度为6-10kW/m²。

6.如权利要求1所述的一种功率超声场与电场组合作用净化金属熔体的方法，其特征在于：将待净化的金属熔体置于由耐火材料构成的保温容器内，然后将超声变幅杆浸入熔体施加超声净化处理，开启超声后，将电极插入熔体，接通电源，对熔体施加声电耦合净化作用，作用时间到后，关闭超声和电场电源，取出电极和变幅杆，完成熔体净化。

7.如权利要求6所述的一种功率超声场与电场组合作用净化金属熔体的方法，其特征在于：引入功率超声场的变幅杆为绝缘的陶瓷材质或有陶瓷镀层或涂层的金属材质，变幅杆由熔体上方插入熔体，其浸入深度控制在2-5mm。

8.如权利要求6所述的一种功率超声场与电场组合作用净化金属熔体的方法，其特征在于：直流电场的电流由分别安装在保温容器的熔池底部和熔池上部的两个平行插入的电极引入。