CN105296768A - 一种复合式铝合金熔体净化装置及基于该装置的净化方法 - Google Patents

Abstract

一种复合式铝合金熔体净化装置及基于该装置的净化方法，属于铝合金熔体质量净化领域。本发明是为了解决现有铝合金熔体净化效果不佳，净化效率低和污染环境等缺点。它包括净化气瓶、直线导杆、支架、丝杠、电气控制柜、数据传输线、三相异步电机、浮动平台、功率超声工具杆、导气管、垫圈、功率超声发射体、坩埚。工作过程如下：打开净化气瓶的出气开关，使功率超声工具杆中导气管通入净化气体；同时启动功率超声发射体；通过三相异步电机使浮动平台产生向下位移，带动功率超声工具杆进入到坩埚中；在熔体中作用一段时间后，由电气控制柜控制浮动平台带动功率超声工具杆复位，之后切断净化气瓶的出气开关。本发明适用于对铝合金熔体快速净化处理。

Description

一种复合式铝合金熔体净化装置及基于该装置的净化方法

技术领域

本发明涉及的是铝合金熔体质量净化领域，具体涉及一种基于单管吹气法及功率超声的复合式铝合金熔体净化方法。

背景技术

铝合金铸件有着极其广泛的应用，在国防等重要的应用领域对铝合金铸件的综合性能要求也是越来越高。然而，铝合金在熔炼的过程中，极易产生吸气（主要为氢气）和氧化夹杂物，气孔和氧化夹杂物这都直接或者间接的影响着铝合金铸件的组织性能，是铝合金铸件在使用过程中产生应力集中或者产生裂纹源主要原因，这给铝合金铸件的可靠性带来极大的危害。铝合金熔体的质量对铝合金铸件的组织和性能都有着重要的影响，铝合金的净化处理是提高铝合金铸件质量的重要环节。

熔体净化是指利用物理或化学原理的工艺方法尽量除去液态合金中的有害气体、夹渣过程。吹气净化法是指净化气体在熔体中形成无氢气的净化气泡，在分压差作用下使熔体中的氢进入净化气泡，气泡不断长大并上浮，逸出熔体表面同时使氧化夹杂物上浮至熔体表面的净化技术，单管吹气法是吹气净化法的一种，由于设备简单操作方便，目前在工厂实际应用非常广泛。功率超声净化属于非吸附净化的一种，在熔体上的高速确定方向的往复振动，超声波的导入会引起无数显微空穴的产生，熔体中气体原子复合显微空穴成为微气泡，气泡上浮进而逸出熔体，使气体和夹杂物从熔体中分离的净化方法。吸附净化法已较成熟，能适应企业大规模熔体处理要求，但还存在净化作用单一，净化效率低和污染环境等缺点，非吸附净化法可实现绿色、高效净化，但处理大容量能力有限，而且设备复杂是主要限制因素。因此，为获得高质量铝合金构件，有必要研究并采用先进的铝熔体净化处理方法，去除铝液中的气体和夹杂物。兼具高效和工业大容量处理要求的铝合金熔体净化新技术及装置是铝合金熔体净化处理急需解决的问题。

发明内容

本发明为了解决现有铝合金熔体除气效果不佳，存在的除气效率不高以及高能耗的问题，提出了一种利用单管吹气法和功率超声复合式的铝合金熔体净化处理装置以及基于该装置的除气方法。

一种复合式铝合金熔体净化装置及基于该装置的净化方法，它包括净化气瓶、净化气体输出软管、直线导杆、上支架、右支架、下支架、左支架、丝杠、电气控制柜、第一数据传输线、第二数据传输线、三相异步电机、三相异步电机的输出轴、浮动平台、功率超声工具杆、导气管、垫圈、功率超声发射体、坩埚。所述的电气控制柜通过第一数据传输线与功率超声发射体电气连接。所述的浮动平台一端与直线导杆相连接，浮动平台另一端与丝杠。所述的直线导杆和丝杠一端固定在上支架，另一端固定在下支架上。所述的丝杠与三相异步电机的输出轴相连接。所述的三相异步电机通过第二数据传输线与电气控制柜电气连接。所述的上支架、右支架、下支架、左支架之间均为刚性连接。

所述的电气控制柜通过第二数据传输线启动三相异步电机工作，并通过输出轴带动丝杠和直线导杆运动使浮动平台产生向上或者向下的位移。

所述的上支架、右支架、下支架、左支架均为方管结构。

所述的净化气体输出软管与功率超声工具杆中的导气管是密封连接。

所述的功率超声发射体工作频率为20kHz，最大功率为2kW且功率在30%~100%范围内连续可调。

所述的功率超声发射体内部结构为左右对称的，它包括法兰、辐射板、导磁体、导向块、外壳、蝶形弹簧钢、激励线圈、线圈骨架、超磁伸缩棒、上永磁体、调节螺钉、下永磁体。

所述的功率超声发射体通过垫圈与功率超声工杆相连接，垫圈通过法兰固定在浮动平台上。

一种复合式铝合金熔体净化装置及基于该装置的净化方法包括以下步骤：

步骤一、打开净化气瓶的出气开关，使功率超声工具杆中导气管通入净化气体；

步骤二、电气控制柜发出控制信号，启动功率超声发射体，使功率超声工具杆产生超声振动；

步骤三、电气控制柜发出控制信号，启动三相异步电机，使浮动平台产生向下位移，带动功率超声工具杆进入到坩埚中；

步骤四、功率超声工具杆在铝合金熔体中作用一段时间后，由电气控制柜发出控制信号，使浮动平台产生向上位移，带动功率超声工具杆复位，之后切断净化气瓶的出气开关，完成除气工作。

有益效果：本发明通过对单管吹气和功率超声复合式净化关键技术进行研究，将两种除气净化方法进行有效复合，联合净化，进而研究复合式除气净化的工艺参数。生产实践证明，各种净化方法都有一定的局限性和优缺点，并且都有一种主要作用，但又兼有另一种作用，所以采用一种工艺要同时有效除气和排杂是困难的。因此，除气净化的发展趋势是从单一净化向复合净化发展，即集除气、排杂为一体的净化复合。与传统工艺比较，既体现了二者复合式高效除气净化的优势，既避免了单管吹气因净化时间长而需要耗费大量氮气或氩气和氯气的缺点，又体现了功率超声除气净化无排放无污染的优势，满足了现代航空航天、信息产业、交通运载等高技术领域对铝合金构件的高质量要求，又发挥了功率超声除气净化的优点，满足环保要求，有效节约能源，改善环境，提高生产效率。

附图说明

图1为具体实施方式一和具体实施方式八所述的一种复合式铝合金熔体净化装置及基于该装置的净化方法示意图。

图2为功率超声发射体和单管吹气复合式探头结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的一种复合式铝合金熔体净化装置及基于该装置的净化方法，它包括净化气瓶1、净化气体输出软管1-1、直线导杆2、上支架3、右支架3-1、下支架3-2、左支架3-3、丝杠4、电气控制柜5、第一数据传输线5-1、第二数据传输线5-2、三相异步电机6、三相异步电机的输出轴6-1、浮动平台7、功率超声工具杆8、导气管8-1、垫圈9、功率超声发射体10、坩埚11。所述的电气控制柜5通过第一数据传输线5-1与功率超声发射体10电气连接。所述的浮动平台7一端与直线导杆2相连接，浮动平台7另一端与丝杠4。所述的直线导杆2和丝杠4一端固定在上支架3，另一端固定在下支架3-2上。所述的丝杠4与三相异步电机6的输出轴6-1相连接。所述的三相异步电机6通过第二数据传输线5-2与电气控制柜5电气连接。所述的上支架3、右支架3-1、下支架3-2、左支架3-3之间均为刚性连接。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种复合式铝合金熔体净化装置及基于该装置的净化方法的区别在于，所述的电气控制柜5通过第二数据传输线6-2启动三相异步电机6工作，并通过输出轴6-1带动丝杠4和直线导杆2运动使浮动平台7产生向上或者向下的位移。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一所述的铝合金熔体高效除气装置及基于该装置的除气方法的区别在于，所述的上支架3、右支架3-1、下支架3-2、左支架3-3均为方管结构。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种复合式铝合金熔体净化装置及基于该装置的净化方法的区别在于，所述的净化气体输出软管1-1与功率超声工具杆8中的导气管8-1是密封连接。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种复合式铝合金熔体净化装置及基于该装置的净化方法的区别在于的区别在于，所述的功率超声发射体10工作频率为20kHz，最大功率为2kW且功率在30%~100%范围内连续可调。

具体实施方式六、结合图2说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种复合式铝合金熔体净化装置及基于该装置的净化方法的区别在于，所述的功率超声发射体10内部结构为左右对称的，它包括法兰9-1、辐射板10-1、导磁体10-2、导向块10-3、外壳10-4、蝶形弹簧钢10-5、激励线圈10-6、线圈骨架10-7、超磁伸缩棒10-8、上永磁体10-9、调节螺钉10-10、下永磁体10-11。

具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施方式一和具体实施方式六所述的一种复合式铝合金熔体净化装置及基于该装置的净化方法的区别在于，所述的功率超声发射体10通过垫圈9与功率超声工具杆8相连接，垫圈9通过法兰9-1固定在浮动平台7上。

测量原理：除气净化新技术、新方法都是围绕以下原则提出或改进的：①尽可能增加净化气泡数目，以增加铝液与气泡两相间的有效接触的表面积；②尽可能减小净化气泡直径，并设法增大净化气泡在铝液内的运动速度，提高其传质能力；③尽可能延长净化气泡在铝液中浮游的路程，从而提高除氢效率。单管向铝合金熔体中通入惰性气体，惰性气体以很高的速度喷出，产生大量的外来净化气泡。在铝熔体中的，外来的净化气泡的氢分压为零，因而铝熔体中的氢向净化气泡中扩散，直到净化气泡中氢分压与铝熔体内的氢含量达到一定平衡关系，净化气泡上浮直至离开熔体表面，与此同时，净化气泡还可以吸附铝熔体中的氧化夹杂，那些吸附在氧化夹杂上的氢也被带走。高能超声具有独特的声学效果，功率超声在熔体中传递时，在熔体中能产生空化效应和声流效应。当功率超声与液态金属作用时，其在熔体内产生交变压力，将在熔体中产生大量微小空化泡，使得熔体中的气体向空化泡中扩散，使气泡不断长大并上浮。此外，当功率超声和单管吹气复合时，超声波振动将单管吹入的净化气体的大气泡进一步打碎成小气泡。这些小气泡可长期存活并吸附通过声频感应流分布在熔体各个部位的气穴气泡。吸入小气泡的熔解气体在熔体表面排出，达到高效除气净化的目的。

此外，在铝合金熔体复合除气过程中，由于功率超声空化作用的存在，部分空化泡会发生崩溃现象。在崩溃瞬间，除了在崩溃微区与附近未崩溃微区间产生较大的压力梯度外，在崩溃微区与附近未崩溃微区间产生一定的瞬时局部温度梯度。局部瞬时温度梯度对气体原子的质量传输作用可定量表示为：

(1)

式中，Q_T为温度梯度引起的传质摩尔通量，kg/m²·s；c为比例系数；D_T为热扩散系数，m²/s；k_T为热扩散比；dlnT/dx为x方向的温度梯度，K/m。

由式（1）可知，dlnT/dx的值越大，在铝合金熔体中气体原子的扩散通量就越大，即气体由熔体向气泡表面的扩散传质越强烈。因此，由于空化泡崩溃引起的铝合金熔体微区的瞬时温度梯度也能对旋转吹气除气时气体原子的扩散传质起到促进作用，从而有效改善铝合金熔体复合除气动力学过程，使复合除气效率提升。

具体实施方式八、基于具体实施方式一所述的铝合金熔体高效除气装置及基于该装置的除气方法包括以下步骤：

步骤一、打开净化气瓶1的出气开关，使功率超声工具杆8中导气管8-1通入净化气体；

步骤二、电气控制柜5发出控制信号，启动功率超声发射体10，使功率超声工具杆8产生超声振动；

步骤三、电气控制柜5发出控制信号，启动三相异步电机6，使浮动平台7产生向下位移，带动功率超声工具杆8进入到坩埚11中；

步骤四、功率超声工具杆8在铝合金熔体中作用一段时间后，由电气控制柜5发出控制信号，使浮动平台7产生向上位移，带动功率超声工具杆8复位，之后切断净化气瓶1的出气开关，完成净化工作。

本实施方式中，对ZL114A进行了除气净化实验，测试结果如下，

表1功率超声和单管吹气除气净化实验的除气效果

Claims (8)

1.一种复合式铝合金熔体净化装置及基于该装置的净化方法，其特征在于，它包括净化气瓶(1)、净化气体输出软管(1-1)、直线导杆(2)、上支架(3)、右支架(3-1)、下支架(3-2)、左支架(3-3)、丝杠(4)、电气控制柜(5)、第一数据传输线(5-1)、第二数据传输线(5-2)、三相异步电机(6)、三相异步电机的输出轴(6-1)、浮动平台(7)、功率超声工具杆(8)、导气管(8-1)、垫圈(9)、功率超声发射体(10)、坩埚(11)；所述的电气控制柜(5)通过第一数据传输线(5-1)与功率超声发射体(10)电气连接；所述的浮动平台(7)一端与直线导杆(2)相连接，浮动平台(7)另一端与丝杠(4)；所述的直线导杆(2)和丝杠(4)一端固定在上支架(3)，另一端固定在下支架(3-2)上；所述的丝杠(4)与三相异步电机(6)的输出轴(6-1)相连接；所述的三相异步电机(6)通过第二数据传输线(5-2)与电气控制柜(5)电气连接；所述的上支架(3)、右支架(3-1)、下支架(3-2)、左支架(3-3)之间均为刚性连接。

2.根据权利要求1所述的一种复合式铝合金熔体净化装置及基于该装置的净化方法，其特征在于，所述的电气控制柜(5)通过第二数据传输线(6-2)启动三相异步电机(6)工作，并通过输出轴(6-1)带动丝杠(4)和直线导杆(2)运动使浮动平台(7)产生向上或者向下的位移。

3.根据权利要求1所述的一种复合式铝合金熔体净化装置及基于该装置的净化方法，其特征在于，所述的上支架(3)、右支架(3-1)、下支架(3-2)、左支架(3-3)均为方管结构。

4.根据权利要求1所述的一种复合式铝合金熔体净化装置及基于该装置的净化方法，其特征在于，所述的净化气体输出软管(1-1)与功率超声工具杆(8)中的导气管(8-1)是密封连接。

5.根据权利要求1所述的一种复合式铝合金熔体净化装置及基于该装置的净化方法，其特征在于，所述的功率超声发射体10工作频率为20kHz，最大功率为2kW且功率在30%~100%范围内连续可调。

6.根据权利要求1所述的一种复合式铝合金熔体净化装置及基于该装置的净化方法，其特征在于，所述的功率超声发射体(10)内部结构为左右对称的，它包括法兰(9-1)、辐射板(10-1)、导磁体(10-2)、导向块(10-3)、外壳(10-4)、蝶形弹簧钢(10-5)、激励线圈(10-6)、线圈骨架(10-7)、超磁伸缩棒(10-8)、上永磁体(10-9)、调节螺钉(10-10)、下永磁体(10-11)。

7.根据权利要求1和权利要求6所述的一种复合式铝合金熔体净化装置及基于该装置的净化方法，其特征在于，所述的功率超声发射体(10)通过垫圈(9)与功率超声工具杆(8)相连接，垫圈(9)通过法兰(9-1)固定在浮动平台(7)上。

8.基于权利要求1所述的一种复合式铝合金熔体净化装置及基于该装置的净化方法，其特征在于，它包括以下步骤：

打开净化气瓶(1)的出气开关，使功率超声工具杆(8)中导气管(8-1)通入净化气体；

电气控制柜(5)发出控制信号，启动功率超声发射体(10)，使功率超声工具杆(8)产生超声振动；

电气控制柜(5)发出控制信号，启动三相异步电机(6)，使浮动平台(7)产生向下位移，带动功率超声工具杆(8)进入到坩埚(11)中；

功率超声工具杆(8)在铝合金熔体中作用一段时间后，由电气控制柜(5)发出控制信号，使浮动平台(7)产生向上位移，带动功率超声工具杆(8)复位，之后切断净化气瓶(1)的出气开关，完成除气工作。