CN105463220A - 铝合金熔体高效除气装置及基于该装置的除气方法 - Google Patents

Abstract

铝合金熔体高效除气装置及基于该装置的除气方法，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除气效果不佳，除气效率不高以及高能耗的问题。它由净化气瓶、丝杠、功率超声变幅杆、功率超声发射体、支架、导杆、功率超声电源、电气控制柜、功率超声工具杆、石墨转子、第一异步电机、电机电源、第二异步电机、上下移动平台、石墨坩埚、熔炼炉、净化气体输送软管、丝杠螺母、四根数据传输线、第一异步电机输出轴、第二异步电机输出轴、上下移动平台支架组成。在电气控制柜的控制下，同时使功率超声工具杆和石墨转子作用在熔体中进行除气。本发明适用于对铝合金熔体快速除气处理。

Description

铝合金熔体高效除气装置及基于该装置的除气方法

技术领域

本发明涉及的是铝合金熔体质量净化领域，具体涉及一种基于功率超声及旋转吹气法的复合式铝合金熔体除气净化方法。

背景技术

随着大型铝合金构件的应用越来越多，对构件的要求也越来越高，除了要保证其化学成分、力学性能和尺寸精度外，还不允许铸件有缩孔、气孔、渗漏、夹渣等缺陷。然而，若没有高质量的铝合金熔液，即使后续的变质、晶粒细化处理再有效，铸造和热处理工艺再合理，加工成形控制技术再先进，缺陷一旦从开始产生，就会顽固地存在，并难以弥补，也就不可能获得高质量的构件。铝合金在熔炼过程中存在吸气（主要是氢气）的问题，由于氢在固态的铝合金中溶解度很小，当铝合金熔体开始凝固时，氢以气体的形态析出；凝固后，未能离开铝合金熔体的气体就会留在铸件中形成气孔或缩松等缺陷。这些缺陷的存在，会严重削弱铸件的强度、腐蚀抗性和导电性等，影响铸件表面质量，而铝合金熔体除气处理是消除缺陷保证生产高质量铝合金构件的基本措施之一，也是提高铝合金综合性能的主要手段。

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除气处理方法，去除铝液中的气体和夹杂物。已经发展了各种铝熔体除气处理方法，去除铝合金熔体中的气体和夹杂物。但生产中发现各种除气方法都有一定的局限性和优缺点：有的方法除氢除杂设备成本巨大，有的方法关键零部件使用寿命较短，有的方法污染比较严重，有的方法除气效果不佳。更为重要的是，采用单一方法很难达到高效除气的高要求。

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，提出了一种利用功率超声和旋转吹气法复合式的铝合金熔体除气装置以及基于该装置的除气方法。

铝合金熔体高效除气装置及基于该装置的除气方法，它包括净化气瓶、丝杠、功率超声变幅杆、功率超声发射体、第一支架、导杆、功率超声电源、电气控制柜、功率超声工具杆、石墨转子、第一异步电机、电机电源、第二异步电机、上下移动平台、石墨坩埚、熔炼炉、净化气体输送软管、丝杠螺母、第二支架、第三支架、第四支架、第五支架、第一数据传输线、第二数据传输线、第三数据传输线、第四数据传输线、第一异步电机输出轴、第二异步电机输出轴、上下移动平台支架组成。所述的净化气瓶安装在第五支架上，净化气瓶的气体输出端通过净化气体输送软管与石墨转子的进气端连接。所述的石墨转子通过与上下移动平台支架固定在上下移动平台上。所述的丝杠的两端和导杆的两端与第一支架和第三支架相连接。所述的石墨转子与第二异步电机的第二异步电机输出轴相连接。所述的功率超声电源通过第一数据传输线与功率超声发射体电气连接，功率超声发射体与功率超声变幅杆刚性连接，功率超声变幅杆与功率超声工具杆刚性连接，功率超声工具杆固定在上下移动平台上。所述的电气控制柜与功率超声电源电气连接。所述的上下移动平台一端通过丝杠螺母配合与丝杠相连接，上下移动平台另一端与导杆连接。所述的丝杠与第一异步电机的第一异步电机输出轴相连接。所述的第一异步电机通过第二数据传输线与电机电源电气连接。所述的第二异步电机通过第三数据传输线与电机电源电气连接。所述的电机电源通过第四数据传输线与电气控制柜电气连接。所述的第四数据传输线安装在支架、第一支架、第二支架中。所述的第一支架、第二支架、第三支架、第四支架、第五支架之间均为刚性连接。

所述的电气控制柜通过第四数据传输线控制电机电源，以及通过第一数据传输线控制率超声电源，电气控制柜可以同时启动功率超声电源和第二异步电机，实现功率超声工具杆和石墨转子在熔体中同时作用。电气控制柜也可以分别启动功率超声电源和第二异步电机，实现功率超声工具杆和石墨转子的分别在熔体中作用。

所述的电气控制柜通过第四数据传输线控制电机电源进而实现第一异步电机工作，并通过第一异步电机输出轴带动丝杠和导杆产生转动带动上下移动平台产生向上或者向下的位移。

铝合金熔体高效除气方法包括以下步骤：

步骤一、打开净化气瓶的出气开关，使石墨转子中通入净化气体；

步骤二、电气控制柜发出控制信号，启动第一异步电机，使上下移动平台产生向下位移，同时使功率超声工具杆和石墨转子进入到石墨坩埚中；

步骤三、电气控制柜发出控制信号，同时启动功率超声电源和第二异步电机，使功率超声工具杆和石墨转子同时在铝合金熔体中作用，即功率超声工具杆产生一定频率、振幅的超声振动，同时石墨转子以一定转数转动吹气；

步骤四、功率超声工具杆和石墨转子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，使上下移动平台产生向上位移，带动功率超声工具杆和石墨转子复位，之后切断净化气瓶的出气开关，完成除气工作。

有益效果：本发明通过对旋转吹气和功率超声复合除气关键技术进行研究，将两种除气方法进行有效复合，联合除气，进而研究复合式除气的工艺参数。与传统工艺比较，既体现了二者复合式高效除气的优势，既避免了单一旋转喷吹除气因除气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铝合金熔体高效除气装置及基于该装置的除气方法示意图。

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铝合金熔体高效除气装置及基于该装置的除气方法它包括净化气瓶1、丝杠2、功率超声变幅杆3、功率超声发射体4、第一支架5、导杆6、功率超声电源7、电气控制柜8、功率超声工具杆9、石墨转子10、第一异步电机11、电机电源12、第二异步电机13、上下移动平台14、石墨坩埚15、熔炼炉16、净化气体输送软管1-1、丝杠螺母2-1、第二支架5-1、第三支架5-2、第四支架5-3、第五支架5-4、第一数据传输线6-1、第二数据传输线12-1、第三数据传输线12-2、第四数据传输线12-3、第一异步电机输出轴11-1、第二异步电机输出轴13-1、上下移动平台支架14-1组成。所述的净化气瓶1安装在第五支架5-4上，净化气瓶1的气体输出端通过净化气体输送软管1-1与石墨转子10的进气端连接。所述的石墨转子10通过与上下移动平台支架14-1固定在上下移动平台14上。所述的丝杠2的两端和导杆6的两端与第一支架5和支架第三支架5-2相连接。所述的石墨转子10与第二异步电机13的第二异步电机输出轴13-1相连接。所述的功率超声电源7通过第一数据传输线6-1与功率超声发射体4电气连接，功率超声发射体4与功率超声变幅杆3刚性连接，功率超声变幅杆3与功率超声工具杆9刚性连接，功率超声工具杆9固定在上下移动平台14上。所述的电气控制柜8与功率超声电源7电气连接。所述的上下移动平台14一端通过丝杠螺母2-1配合与丝杠2相连接，上下移动平台14另一端与导杆6连接。所述的丝杠2与第一异步电机11的第一异步电机输出轴11-1相连接。所述的第一异步电机11通过第二数据传输线12-1与电机电源12电气连接。所述的第二异步电机13通过第三数据传输线12-2与电机电源12电气连接。所述的电机电源12通过第四数据传输线12-3与电气控制柜8电气连接。所述的第四数据传输线12-3安装在支架5-3、第一支架5、第二支架5-1中。所述的第一支架5、第二支架5-1、第三支架5-2、第四支架5-3、第五支架5-4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，所述的电气控制柜8通过第四数据传输线12-3控制电机电源12，以及通过第一数据传输线6-1控制率超声电源7，电气控制柜8可以同时启动功率超声电源7和第二异步电机13，实现功率超声工具杆9和石墨转子10在熔体中同时作用。电气控制柜8也可以分别启动功率超声电源7和第二异步电机13，实现功率超声工具杆9和石墨转子10的分别在熔体中作用。

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，所述的电气控制柜8通过第四数据传输线12-3控制电机电源12进而实现第一异步电机11工作，并通过第一异步电机输出轴11-1带动丝杠2和导杆6产生转动带动上下移动平台14产生向上或者向下的位移。

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，所述旋转吹气和功率超声可以同时在熔体中除气，也可以分别在熔体中除气。

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，所述第一支架5、第二支架5-1、第三支架5-2、第四支架5-3、第五支架5-4均为方管空心结构。

具体实施方式六、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，所述功率超声电源7为频率可调电源。

具体实施方式七、结合图1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，所述的功率超声电源7通过第一数据传输线6-1与功率超声发射体4电气连接，功率超声发射体4与功率超声变幅杆3刚性连接，功率超声变幅杆3与功率超声工具杆9刚性连接，功率超声工具杆9固定在上下移动平台14上。

测量原理：功率超声在合金熔体中作用时，由功率超声产生的空化泡在崩溃的过程中，空化泡的崩溃不仅对超声波除气本身有促进作用外，对复合式除气时的旋转吹气除气过程起到增强作用，其增强作用主要存在于气体原子从熔体向气泡表面的扩散传质阶段，而该过程正好是气泡长大的控制环节之一。空化泡在崩溃瞬间会在崩溃微区产生极高的压强，有研究者计算认为可达10⁷Pa级。当铝合金熔体微区受到如此高的压强时，其与未受到高压作用的崩溃微区附近的熔体微区之间就会产生一定的瞬间局部压力梯度，铝合金熔体中存在的压力梯度可以作为传质扩散驱动力，从而促进铝合金熔体中的气体原子向净化气体气泡表面的质量传输过程，该过程的传质通量如下式表示：

（1）

式中，Q_p为压力梯度引起的传质摩尔通量，kg/m²·s；c为比例系数；D为气体原子在铝合金熔体中的扩散系数，m²/s；M为气体原子的原子量，kg/mol；x为液相组分的摩尔分数；V为偏摩尔体积；ρ为密度，kg/m³；dP/dx为x方向的压力梯度，Pa/m。

由式（1）可知，保持其他条件不变时，加入超声波而引起的熔体微区瞬间局部压力梯度值是很大的，增强铝合金熔体旋转吹气除气动力学过程，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。

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：

(2)

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（2）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，使石墨转子10中通入净化气体；

步骤二、电气控制柜8发出控制信号，启动第一异步电机11，使上下移动平台14产生向下位移，同时使功率超声工具杆9和石墨转子10进入到石墨坩埚15中；

步骤三、电气控制柜8发出控制信号，同时启动功率超声电源7和第二异步电机13，使功率超声工具杆9和石墨转子10同时在铝合金熔体中作用，即功率超声工具杆9产生一定频率、振幅的超声振动，同时石墨转子10以一定转数转动吹气；

步骤四、功率超声工具杆9和石墨转子10在铝合金熔体中作用一段时间后，由电气控制柜8发出控制信号，使上下移动平台14产生向上位移，带动功率超声工具杆9和石墨转子10复位，之后切断净化气瓶1的出气开关，完成除气工作。

本实施方式中，对ZL114A进行了除气实验，测试结果如下，

表1功率超声和旋转吹气除气实验的除气效果

Claims (8)

1.铝合金熔体高效除气装置及基于该装置的除气方法，其特征在于，它包括净化气瓶(1)、丝杠(2)、功率超声变幅杆(3)、功率超声发射体(4)、第一支架(5)、导杆(6)、功率超声电源(7)、电气控制柜(8)、功率超声工具杆(9)、石墨转子(10)、第一异步电机(11)、电机电源(12)、第二异步电机(13)、上下移动平台(14)、石墨坩埚(15)、熔炼炉(16)、净化气体输送软管(1-1)、丝杠螺母(2-1)、第二支架(5-1)、第三支架(5-2)、第四支架(5-3)、第五支架(5-4)、第一数据传输线(6-1)、第二数据传输线(12-1)、第三数据传输线(12-2)、第四数据传输线(12-3)、第一异步电机输出轴(11-1)、第二异步电机输出轴(13-1)、上下移动平台支架(14-1)组成；所述的净化气瓶(1)安装在第五支架(5-4)上，净化气瓶(1)的气体输出端通过净化气体输送软管(1-1)与石墨转子(10)的进气端连接；所述的石墨转子(10)通过与上下移动平台支架(14-1)固定在上下移动平台(14)上；所述的丝杠(2)的两端和导杆(6)的两端与第一支架(5)和支架第三支架(5-2)相连接；所述的石墨转子(10)与第二异步电机(13)的第二异步电机输出轴(13-1)相连接；所述的功率超声电源(7)通过第一数据传输线(6-1)与功率超声发射体(4)电气连接，功率超声发射体(4)与功率超声变幅杆(3)刚性连接，功率超声变幅杆(3)与功率超声工具杆(9)刚性连接，功率超声工具杆(9)固定在上下移动平台(14)上；所述的电气控制柜(8)与功率超声电源(7)电气连接；所述的上下移动平台(14)一端通过丝杠螺母(2-1)配合与丝杠(2)相连接，上下移动平台(14)另一端与导杆(6)连接；所述的丝杠(2)与第一异步电机(11)的第一异步电机输出轴(11-1)相连接；所述的第一异步电机(11)通过第二数据传输线(12-1)与电机电源(12)电气连接；所述的第二异步电机(13)通过第三数据传输线(12-2)与电机电源(12)电气连接；所述的电机电源(12)通过第四数据传输线(12-3)与电气控制柜(8)电气连接；所述的第四数据传输线(12-3)安装在支架(5-3)、第一支架(5)、第二支架(5-1)中；所述的第一支架(5)、第二支架(5-1)、第三支架(5-2)、第四支架(5-3)、第五支架(5-4)之间均为刚性连接。

2.根据权利要求1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，其特征在于，所述的电气控制柜(8)通过第四数据传输线(12-3)控制电机电源(12)，以及通过第一数据传输线(6-1)控制率超声电源(7)，电气控制柜(8)可以同时启动功率超声电源(7)和第二异步电机(13)，实现功率超声工具杆(9)和石墨转子(10)在熔体中同时作用；电气控制柜(8)也可以分别启动功率超声电源(7)和第二异步电机(13)，实现功率超声工具杆(9)和石墨转子(10)的分别在熔体中作用。

3.根据权利要求1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，其特征在于，所述的电气控制柜(8)通过第四数据传输线(12-3)控制电机电源(12)进而实现第一异步电机(11)工作，并通过第一异步电机输出轴(11-1)带动丝杠(2)和导杆(6)产生转动带动上下移动平台(14)产生向上或者向下的位移。

4.根据权利要求1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，其特征在于，所述旋转吹气和功率超声可以同时在熔体中除气，也可以分别在熔体中除气。

5.根据权利要求1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，其特征在于，所述第一支架(5)、第二支架(5-1)、第三支架(5-2)、第四支架(5-3)、第五支架(5-4)均为方管空心结构。

6.根据权利要求1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，其特征在于，所述功率超声电源(7)为频率可调电源。

7.根据权利要求1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，其特征在于，所述的功率超声电源(7)通过第一数据传输线(6-1)与功率超声发射体(4)电气连接，功率超声发射体(4)与功率超声变幅杆(3)刚性连接，功率超声变幅杆(3)与功率超声工具杆(9)刚性连接，功率超声工具杆(9)并固定在上下移动平台(14)上。

8.基于权利要求1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，其特征在于，它包括以下步骤：

打开净化气瓶(1)的出气开关，使石墨转子(10)中通入净化气体；

电气控制柜(8)发出控制信号，启动第一异步电机(11)，使上下移动平台(14)产生向下位移，同时使功率超声工具杆(9)和石墨转子(10)进入到石墨坩埚(15)中；

电气控制柜(8)发出控制信号，同时启动功率超声电源(7)和第二异步电机(13)，使功率超声工具杆(9)和石墨转子(10)同时在铝合金熔体中作用，也就是功率超声工具杆(9)产生一定频率、振幅的超声振动和石墨转子(10)以一定转数转动吹气；

功率超声工具杆(9)和石墨转子(10)在铝合金熔体中作用一段时间后，由电气控制柜(8)发出控制信号，使上下移动平台(14)产生向上位移，带动功率超声工具杆(9)和石墨转子(10)复位，之后切断净化气瓶(1)的出气开关，完成除气工作。