CN102492852A - 合金熔体净化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种合金熔体净化装置及方法，装置包括驱动马达、连接轴、定子和转子，驱动马达与连接轴直接相连，连接轴端部固定连接转子，连接轴连同转子设置在圆筒形的定子内，定子嵌入固定在一个保温容器内，保温容器中盛装合金熔体，定子浸入合金熔体中，定子下端的壁上开设有孔，保温容器一侧设有通气管，通气管出气口对准转子下端；采用该装置对合金熔体进行净化的方法是通过转子的高速旋转将合金熔体和惰性气体吸入到装置中，利用定子、转子形成的高强度剪切作用，使合金熔体液面下产生可控强制对流，从而使通入的惰性气体气泡破碎为细小的气泡均匀分布于熔体中，细小的惰性气体气泡吸附熔体中的杂质气体并逸出液面，实现熔体的高效净化。
Description
技术领域
本发明属于合金熔体处理技术领域，具体涉及一种合金熔体净化装置及方法。
背景技术
铝合金熔体的净化是保证其冶金质量的关键技术，降低熔体中的氢含量是铝熔体净化的主要目的。铝合金在熔炼过程中，对氢或水蒸气非常敏感，不可避免地会吸收一定程度的氢。如果熔体不加处理就进行铸造（铸模铸造或连续铸造），就会产生气孔、疏松等缺陷，并可能引起铸锭或铸件的热裂，从而增加废品率。因此，一方面，在熔炼过程中，尽量减少氢的引入；另一方面，在铸造之前对熔体进行除气净化处理。除气处理通常也具有去除氧化物等夹杂的作用，有时也将除气处理称之为净化处理或精炼处理。
除氢方法按工作方式分为在线式和间歇式两种：在线连续除气法除氢效果好，能稳定地保证铝合金液质量且对环境污染小，在大型铝加工企业中获得广泛应用；间歇式，设备比较简单，操作方便，一般在中小型铝合金铸造厂采用。根据除气的机理，可分为吸附和非吸附除气两大类：吸附除气是指通过铝合金液直接与吸附剂（如各种气体、液体、固体精炼剂及过滤介质等）相接触，使吸附剂与铝合金液中的气体发生物理化学的、物理的或机械的作用，达到除气的目的，属于吸附净化的方法包括熔剂法、旋转除气法等；非吸附除气是指不依靠向熔体中加吸附剂，而通过某种物理作用（如真空、超声波等），改变金属气体系统的平衡状态，从而使气体和夹杂物从铝合金液中分离出来的方法，属于非吸附净化的方法包括真空处理、超声波处理等。
现常用的的除气方法主要有熔剂法、旋转除气法等，其中旋转除气应用最为广泛。目前除氢净化设备的技术水平大多可以将氢的含量从处理前的0.15-0.40ml/100gAl降低到0.10ml/100gAl左右。但是存在一些问题：污染环境，使用溶剂或者活性气体精炼合金时释放出腐蚀性、有毒的气体；在熔体中形成的气泡尺寸较大，约为10mm，故除气效率低，除气时间长，约10-20分钟；惰性气体使用量高，即使除气效果较好的SNIF和ALPURUR技术，气体消耗与金属比也达到了0.67-0.84L/kg；由于旋转除气，熔体中有严重的涡流，使得液面波动严重，导致氧化增加，不利于实现熔池内部的整体均匀除气。
发明内容
为克服现有铝合金熔体净化装置的缺陷与不足，本发明提供一种合金熔体净化装置及方法，提高除气效率，减少除气时间，降低气体用量，并减少液面波动所带来的二次吸氢和氧化问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：合金熔体净化装置，包括驱动马达、连接轴、定子和转子，驱动马达与连接轴直接相连，连接轴端部固定连接转子，连接轴连同转子设置在圆筒形的定子内，定子嵌入固定在一个保温容器内，保温容器中盛装合金熔体，定子浸入合金熔体中，定子下端的壁上开设有孔，保温容器一侧设有通气管，通气管出气口对准转子下端。
所述定子下端壁上开设的孔截面面积为0.5～400mm2。
所述转子设置有至少一个叶片，叶片形式为矩形片状结构或螺旋浆结构。
所述转子与定子的间隙为50μm至5mm。
一种合金熔体净化方法，采用上述合金熔体净化装置，通过转子的高速旋转将保温容器中的合金熔体和惰性气体吸入到上述装置中，并通过定子壁上的孔快速喷出，利用定子、转子形成的高强度剪切作用，使合金熔体液面下产生可控强制对流，从而使通入的惰性气体气泡破碎为细小的气泡均匀分布于熔体中，细小的惰性气体气泡吸附熔体中的杂质气体并逸出液面，实现熔体的净化，具体净化步骤为：
（1）预热该装置至接近于熔体温度；
（2）将合金熔体净化装置的定子伸入到保温容器内待处理合金熔体液面以下20～500mm的位置；
（3）向转子下方的合金熔体中通入惰性气体，惰性气体压力控制在0.01～0.5MPa，流量控制在0.02～20L/min；
（4）启动马达，驱动转子旋转，转子转速控制在100～20000 rpm，且转速由开始的高速逐渐转换为中速、低速运行，处理时间控制在10s至30 min；
（5）达到预定的除气时间或者除气效果后，停止通入惰性气体，关闭驱动马达并将装置从合金熔体中取出。
本发明的有益效果是：
（1）装置形成的强制对流的作用使得气泡非常均匀地分布于合金熔体中，有利于获得好的除气净化效果；
（2）利用本发明装置进行除气处理是合金熔体液面保持稳定，减少了气体和氧化皮的卷入，从而减少熔体的吸氢；
（3）由于剪切作用使得惰性气体气泡尺寸显著减小，尺寸可达到1mm以下，相同惰性气体流量的情况下，其接触面积显著增加，扩散面积也相应显著增加，从而提高除气净化效率；
（4）由于惰性气体气泡尺寸小，其在熔体中的运动速度显著降低，从而其在熔体中的停留时间显著增加，从而提高除气净化效率。
附图说明
图1是本发明的净化装置结构示意图；
图2是本发明的净化装置连续使用合金熔体净化处理的原理图；
图3是本发明实施例1的7075铝合金的密度和密度指数随着净化时间的变化曲线图；
图4是本发明实施例1的7075铝合金熔体除气净化前试样气孔情况示意图；
图5是本发明实施例1的7075铝合金熔体除气净化30秒后的试样气孔情况示意图；
图6是本发明实施例2的A356铝合金的密度和密度指数随着净化时间的变化曲线图；
图中：1驱动马达，2连接轴，3定子，4转子，5合金熔体，6保温容器，7通气管，8流槽，A第一净化装置，B第二净化装置，C第三净化装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明的铝合金熔体净化装置，包括驱动马达1、连接轴2、定子3和转子4，驱动马达1与连接轴2直接相连，连接轴2端部固定连接转子4，转子4设置有至少一个叶片，叶片形式为矩形片状结构或螺旋浆结构，连接轴2连同转子4设置在圆筒形的定子3内，定子3嵌入固定在一个保温容器6内，保温容器6中盛装合金熔体5，定子3浸入合金熔体5中，定子3下端的壁上开设有孔，保温容器6一侧设有通气管7，通气管7出气口对准转子4下端；转子4与定子3的间隙为50μm至5mm。
实施例1：
利用本发明装置对7075铝合金进行除气净化处理，装置中连接轴2、定子3和转子4的材料采用Sialon陶瓷，转子4设置有四个矩形片状叶片，四个叶片组成十字花形，定子3与转子4间隙设置为200μm，定子3下端壁上开设的孔的截面面积为4mm2，铝合金熔体5熔炼温度为750℃，首先，预热该装置至650℃～710 ℃；将合金熔体净化装置的定子3伸入到保温容器6内待处理合金熔体5液面以下50 mm的位置；向转子4下方的合金熔体5中通入氩气，氩气压力控制在0.15MPa，流量为1L/min；启动马达，驱动转子4旋转，转子4转速由开始的高速逐渐转换为中速、低速运行，；净化处理60s，停止通入氩气，关闭驱动马达1并将装置从合金熔体5中取出；
采用减压凝固法（The reduced pressure test，RPT)测定合金熔体5的洁净度，该方法综合反映熔体中夹杂和氢的含量。分别将约100g熔体浇注到两个薄壁不锈钢坩埚中，两个坩埚被分别放置在空气中和部分真空(80 mbar)中冷却，使其中的熔体在不同条件下凝固。铝合金试样的密度根据阿基米德定律测定，测定方法如下：
先测定其在空气中的质量（ 
），然后测定其在水中的质量（
），采用式（1）计算其密度D，
（1）
式中：
-试样在空气中的质量；
-试样在水中的质量。
然后根据式（2）计算出铝合金试样的密度指数
，
式中：
-试样密度指数，
-在空气中凝固试样的密度，
-在部分真空条件下凝固试样的密度；根据
的大小判断熔体中氢含量的多少即合金熔体5的洁净度，
越小说明熔体中氢含量越低，一般情况下，当值小于1%即合金熔体5中氢含量低于0.1ml/100g Al时，表示净化效果良好；
除气净化处理过程的7075铝合金熔体5的密度和密度指数随着净化时间的变化曲线如图3所示，由图3可以看出，净化处理30s后时
骤减，即合金熔体5中氢含量大幅减少；除气净化30秒后的试样气孔情况如图5所示，与图4所示的除气净化前试样气孔情况比较可明显看出，本发明装置及方法除气净化效果良好。
实施例2：
利用本发明装置对A356铝合金进行除气净化处理，本实施例的装置结构设置、除气净化过程和合金熔体5洁净度的测量过程与实施例1基本相同，不同之处在装置中连接轴2、定子3和转子4的材料采用带有MoSi2涂层的钼，净化时间为90s；
除气净化处理过程的A356铝合金熔体5的密度和密度指数随着净化时间的变化曲线如图6所示，由图可以看出，净化60秒后，A356铝合金的密度指数即可降到1%以下；
本发明装置及方法与常规合金熔体除气净化方法处理A356铝合金熔体的除气效果比较如表1所示：
表1
结合图6、表1可明显看出，本发明的合金熔体净化装置及方法较常规合金熔体除气净化方法具有显著的净化效果。
本发明的装置还可同时使用多个对合金熔体进行连续净化处理，将多个铝合金熔体净化装置并列设置在流槽8中，合金熔体从流槽8一侧流入，经净化后由流槽8另一侧流出，当同时使用2个净化装置时，熔体流入一侧装置的转子4采用高速5000～20000rpm，出口一侧装置的转子4采用低速100～2000 rpm；当同时使用3个净化装置时，如图2所示，熔体流入一侧的第一净化装置A的转子4采用高速5000～20000rpm，中间的第二净化装置B的转子4采用中速2000～5000 rpm，出口一侧的第三净化装置C采用低速100～2000 rpm；当同时使用4个净化装置时，熔体流入一侧的2个净化装置的转子4采用高速5000～20000rpm，熔体流出一侧的1个净化装置采用低速100～2000 rpm，出口一侧的1个净化装置采用中速2000～5000 rpm；当同时使用4个以上净化装置时，设净化装置数量为n，当n为奇数时，熔体流入一侧的个净化装置的转子4采用高速5000～20000rpm，熔体流出一侧的1个净化装置采用低速100～2000 rpm，其它采用中速2000～5000 rpm，当n为偶数时，熔体流入一侧的
个净化装置的转子4采用高速5000～20000rpm，熔体流出一侧的1个净化装置采用低速100～2000 rpm，其它采用净化装置中速2000～5000 rpm。
Claims (5)
1.一种合金熔体净化装置，其特征在于：包括驱动马达、连接轴、定子和转子，驱动马达与连接轴直接相连，连接轴端部固定连接转子，连接轴连同转子设置在圆筒形的定子内，定子嵌入固定在一个保温容器内，保温容器中盛装合金熔体，定子浸入合金熔体中，定子下端的壁上开设有孔，保温容器一侧设有通气管，通气管出气口对准转子下端。
2.根据权利要求1所述的合金熔体净化装置，其特征在于所述定子下端壁上开设的孔的截面面积为0.5～400mm2。
3.根据权利要求1所述的合金熔体净化装置，其特征在于所述转子设置有至少一个叶片，叶片形式为矩形片状结构或螺旋浆结构。
4.根据权利要求1所述的合金熔体净化装置，其特征在于所述转子与定子的间隙为50μm至5mm。
5.一种合金熔体净化方法，采用权利要求1所述的合金熔体净化装置，其特征在于：通过转子的高速旋转将保温容器中的合金熔体和惰性气体吸入到上述装置中，并通过定子壁上的孔快速喷出，利用定子、转子形成的高强度剪切作用，使合金熔体液面下产生可控强制对流，从而使通入的惰性气体气泡破碎为细小的气泡均匀分布于熔体中，细小的惰性气体气泡吸附熔体中的杂质气体并逸出液面，实现熔体的净化，具体净化步骤为：
（1）预热该装置至接近于熔体温度；
（2）将合金熔体净化装置的定子伸入到保温容器内待处理合金熔体液面以下20～500mm的位置；
（3）向转子下方的合金熔体中通入惰性气体，惰性气体压力控制在0.01～0.5MPa，流量控制在0.02～20L/min；
（4）启动马达，驱动转子旋转，转子转速控制在100～20000 rpm，且转速由开始的高速逐渐转换为中速、低速运行，处理时间控制在10s至30 min；
（5）达到预定的除气时间或者除气效果后，停止通入惰性气体，关闭驱动马达并将装置从合金熔体中取出。
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