CN105886790A - 一种金属熔体高效净化装置及基于该装置的净化方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属熔体高效净化装置及基于该装置的净化方法，涉及金属熔体质量净化领域。本发明是为了解决现有金属熔体除气净化效率不高以及高能耗的问题。它由旋转喷头、旋转喷头空心导杆、密封套、功率超声工具杆、功率超声变幅杆小端、功率超声变幅杆大端、功率超声发射体、第一电机、第一电机输出轴、第一电机传动带、第一支架、第一数据传输线、第二数据传输线、丝杠、惰性气体导管、电气控制柜、第一丝杠螺母、第二丝杠螺母、移动平台、第二支架、第三数据传输线、第二电机、第二电机输出轴、第二电机传动带组成。功率超声工具杆和旋转喷头同时作用在金属熔体中进行除气净化。本发明适用于对金属熔体快速除气净化处理。

Description

一种金属熔体高效净化装置及基于该装置的净化方法
技术领域
本发明涉及的是金属熔体质量净化领域，具体涉及一种金属熔体高效净化装置及基于该装置的净化方法。
背景技术
所谓金属熔体的净化就是利用一定的物理化学原理和相应的工艺措施，去除液态金属中的气体、夹杂物和有害元素的过程，金属中的气体和夹杂物的存在破坏金属基体的连续性，从而降低金属材料的力学性能。氢是唯一能大量溶解于金属熔体尤其是铝镁合金熔体中的气体，氢占到85%以上，一般认为熔体中“含气量”可以近似地认为是“含氢量”。金属熔体中夹杂物主要是指液相线温度以上的任何固相或液相的外生杂质，主要为金属氧化物、金属碳化物及非金属夹杂。 净化已经成为许多金属尤其是有色金属及合金重要的生产环节。金属熔体净化工艺是金属产品的首道工序，若净化质量不高，不能及时排除气体和各种冶金缺陷，缺陷一旦在此环节产生，就很难消除掉，因此，研究高效的金属熔体的净化装置和净化方法十分必要。
目前，已发展了各种金属熔体净化装置和方法，去除金属熔体中的气体和夹杂物。但生产实践证明单一的金属熔体净化方法都有一定的局限性和优缺点，主要表现为：净化时间长，而且净化装置中一些关键零部件使用寿命较短，后期的维修费用昂贵，这些因素造成金属熔体净化效率低，同时也增加了企业的生产成本；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净化的高要求。因而，为提高金属熔体的净化效率及纯净度，优化金属铸件的质量，提升产品综合性能，金属熔体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，同时为满足环保的要求，节约能源，改善环境，提高生产效率。
发明内容
本发明为了解决现有金属熔体单一净化装置及方法净化效率不高，以及高能耗的问题，提出了一种利用旋转喷吹复合功率超声高效的金属熔体净化装置以及基于该装置的净化方法。
一种金属熔体高效净化装置及基于该装置的净化方法，本具体实施方式所述的一种金属熔体高效净化装置及基于该装置的净化方法它包括旋转喷头、旋转喷头空心导杆、密封套、功率超声工具杆、功率超声变幅杆小端、功率超声变幅杆大端、功率超声发射体、第一电机、第一电机输出轴、第一电机传动带、第一支架、第一数据传输线、第二数据传输线、丝杠、惰性气体导管、电气控制柜、第一丝杠螺母、第二丝杠螺母、移动平台、第二支架、第三数据传输线、第二电机、第二电机输出轴、第二电机传动带。所述的旋转喷头空心导杆出气端与旋转喷头螺纹连接，旋转喷头空心导杆进气端与惰性气体导管通过密封套相连接。所述的功率超声工具杆与功率超声变幅杆小端螺纹连接。所述的功率超声变幅杆小端与功率超声变幅杆大端为一个整体。所述的功率超声变幅杆大端与功率超声发射体刚性连接。所述的第一电机与第一支架刚性连接，第一电机通过第一电机输出轴控制第一电机传动带与旋转喷头空心导杆相连接。所述的第一支架通过第一丝杠螺母与丝杠相连接。所述的移动平台一端与功率超声变幅杆大端刚性连接，另一端通过第二丝杠螺母与丝杠相连接。所述的第一数据传输线与功率超声发射体电气连接，第二数据传输线一端与第一电机电气连接，第三数据传输线与第二电机电气连接。所述的惰性气体导管与电气控制电气控制柜相连接。所述的电气控制柜与第一数据传输线、第二数据传输线和第三数据传输线电气连接。所述的第二电机与第二支架刚性连接，第二电机输出轴通过第二电机传动带与丝杠相连接。
所述的功率超声工具杆、功率超声变幅杆小端、功率超声变幅杆大端、功率超声发射体均为内径相同的空腔结构，旋转喷头空心导杆可以在该空腔结构中转动。
所述的电气控制柜可以同时分别通过第一数据传输线控制功率超声发射体启动和停止、第二数据传输线控制第一电机带动旋转喷头空心导杆连接的旋转喷头旋转，实现功率超声工具杆和旋转喷头同时作用在金属熔体中。
所述的密封套一端与惰性气体导管密闭连接，另一端与旋转喷头空心导杆通过密封套内置轴承套密闭连接，可以实现旋转喷头空心导杆在密封套中转动。
所述的功率超声工具杆、旋转喷头空心导杆的材质均为45号钢，旋转喷头材质为石墨，变幅杆即变幅杆大端和变幅杆小端材质均为硬铝合金。
所述的电气控制柜中包括超声发射电源、电机控制系统、供气单元。
所述的电气控制柜通过第三数据传输线控制第二电机带动连接在丝杠上的移动平台和第一支架同步上下移动。
所述的密封套一端与惰性气体导管密闭连接，另一端与旋转喷头空心导杆通过密封套内置轴承套密闭连接，可以实现旋转喷头空心导杆在密封套中转动。
所述的功率超声变幅杆包括功率超声变幅杆小端与功率超声变幅杆大端，功率超声变幅杆形状为阶梯型变幅杆。
铝合金熔体高效除气方法包括以下步骤：
步骤一、打开电气控制柜中惰性气瓶，通过惰性气体导管和旋转喷头空心导杆使旋转喷头中通入惰性气体；
步骤二、电气控制柜发出控制信号通过第三数据传输线控制第二电机带动连接在丝杠上的移动平台和第一支架同步向下移动，产生向下位移，同时使功率超声工具杆和旋转喷头浸入到被测熔体一定深度；
步骤三、电气控制柜分别通过第一数据传输线控制功率超声发射体启动，使功率超声工具3产生超声振动，同时电气控制柜通过第二数据传输线控制第一电机带动旋转喷头空心导杆连接的旋转喷头旋转以一定转数转动吹气。
步骤四、功率超声工具杆和旋转喷头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，使移动平台产生向上位移，带动功率超声工具杆和旋转喷头复位，之后切断惰性气体出气开关，完成铝熔体除气净化工作。
有益效果：本发明通过对复合式功率超声和旋转喷吹除气净化装置进行研究，从理论上对两种除气净化净化方法的优势组合进行分析，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，同时避免了单一功率超声除气净化不能处理大体积熔体，无法工业化的弊端，也克服了旋转喷吹除气为使熔体气泡弥散而转速过大产生的熔体表面翻滚，除气时间长而需要耗费大量净化气体的缺点，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九所述的一种金属熔体高效净化装置及基于该装置的净化方法示意图。
图2为相同作用时间下功率超声除气与功率超声与旋转喷吹复合除气平均除气率的对比图。
图3为相同作用时间下旋转吹气除气与功率超声与旋转喷吹复合除气平均除气率的对比图。
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金属熔体高效净化装置及基于该装置的净化方法它包括旋转喷头1、旋转喷头空心导杆2、密封套2-1、功率超声工具杆3、功率超声变幅杆小端4、功率超声变幅杆大端5、功率超声发射体6、第一电机7、第一电机输出轴7-1、第一电机传动带7-2、第一支架8、第一数据传输线9、第二数据传输线10、丝杠11、惰性气体导管12、电气控制柜13、第一丝杠螺母14、第二丝杠螺母14-1、移动平台15、第二支架16、第三数据传输线17、第二电机18、第二电机输出轴18-1、第二电机传动带18-2。所述的旋转喷头空心导杆2出气端与旋转喷头1螺纹连接，旋转喷头空心导杆2进气端与惰性气体导管12通过密封套2-1相连接。所述的功率超声工具杆3与功率超声变幅杆小端4螺纹连接。所述的功率超声变幅杆小端4与功率超声变幅杆大端5为一个整体。所述的功率超声变幅杆大端5与功率超声发射体6刚性连接。所述的第一电机7与第一支架8刚性连接，第一电机7通过第一电机输出轴7-1控制的第一电机传动带7-2与旋转喷头空心导杆2相连接。所述的第一支架8通过第一丝杠螺母14与丝杠11相连接。所述的移动平台15一端与功率超声变幅杆大端5刚性连接，另一端通过第二丝杠螺母14-1与丝杠11相连接。所述的第一数据传输线9与功率超声发射体6电气连接，第二数据传输线10一端与第一电机7电气连接，第三数据传输线17与第二电机18电气连接。所述的惰性气体导管12与电气控制电气控制柜13相连接。所述的电气控制柜13与第一数据传输线9、第二数据传输线10和第三数据传输线17电气连接。所述的第二电机18与第二支架16刚性连接，第二电机输出轴18-1通过第二电机传动带18-2与丝杠11相连接。
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金属熔体高效净化装置及基于该装置的净化方法的区别在于，所述的功率超声工具杆3、功率超声变幅杆小端4、功率超声变幅杆大端5、功率超声发射体6均为内径相同的空腔结构，旋转喷头空心导杆2可以在该空腔结构中转动。
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一种金属熔体高效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13可以同时分别通过第一数据传输线9控制功率超声发射体6启动和停止、第二数据传输线10控制第一电机7带动旋转喷头空心导杆2连接的旋转喷头1旋转，实现功率超声工具杆3和旋转喷头1同时作用在金属熔体中。
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金属熔体高效净化装置及基于该装置的净化方法的区别在于，所述的功率超声工具杆3、旋转喷头空心导杆2的材质均为45号钢，旋转喷头1材质为石墨，变幅杆即变幅杆大端5和变幅杆小端4材质均为硬铝合金。
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金属熔体高效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13中包括超声发射电源、电机控制系统、供气单元。
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一种金属熔体高效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13通过第三数据传输线17控制第二电机18带动连接在丝杠11上的移动平台15和第一支架8同步上下移动。
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一种金属熔体高效净化装置及基于该装置的净化方法的区别在于，所述的密封套2-1一端与惰性气体导管12密闭连接，另一端与旋转喷头空心导杆2通过密封套2-1内置轴承套密闭连接，可以实现旋转喷头空心导杆2在密封套2-1中转动。
具体实施方式八、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种金属熔体高效净化装置及基于该装置的净化方法的区别在于，所述的功率超声变幅杆包括功率超声变幅杆小端4与功率超声变幅杆大端5，功率超声变幅杆形状为阶梯型变幅杆。
净化原理：旋转喷吹净化处理方法是通旋转喷头向金属液中通入惰性气体，通过旋转作用，将导入的气泡弥散到金属液中。惰性气泡净化主要是利用分压脱气原理，即初始通入的惰性气泡中的氢的分压力PH2=0，溶于金属液中的氢按照氢动力学原理会不断进入气泡中，直到气泡中氢的分压力PH2增加到与熔体中氢的浓度达到平衡，此时熔体中的氢不在向惰性气泡中迁移，气泡浮出液面，气泡中的氢逸出熔体表面。而在旋转喷吹除气过程中添加了功率超声后，空化作用产生的大量气泡核和旋转喷吹吹入的气泡都在超声波作用下长大，当吹入气泡尺寸超过一定值后，超声波的继续作用会使之破裂，产生空化现象，破裂后的气泡的尺寸减小，数量增加，气泡半径减小。气泡半径减小，氢原子从合金熔体内部向熔体表面或气泡表面迁移阶段的速度将加快。同时气泡的半径越小，气泡上浮速度也越慢，除气时间将增长，除气效果加强。由于气泡半径减小，气体总体积不变的情况下气泡总表面积必定增加，提高除气的效果，同时，大量的空化泡溃灭时产生了温度场、压力场及浓度流场，流场对熔体中氢向净化气泡扩散传质具有重要的促进作用。因此，从理论上复合除气方法较单一旋转喷吹除气方法有优势。此外，超声空化泡和惰性气泡在上浮过程中兼有除杂的作用，假设金属熔体中的夹杂物被气泡吸附后，彼此相接触的面积为S，则吸附后在面积S上所具有的表面自由能F2可用下式表示：
（1）
式中，σG-1为气泡与夹杂物之间的表面自由能即表面张力，吸附前夹杂物和气泡都与金属熔体接触，但彼此不接触，故吸附前面积S上的表面自由能可用下式表示：
（2）
式中，σM-1金属熔体与夹杂物之间的表面自由能，σM-G金属熔体与气泡之间的表面自由能，由式（1）和式（2）之差，即F1与F2的差值为：
（3）
由于金属熔体与夹杂物之间互不润湿,其接触角θ大于120°，由杨氏方程可得：
（4）
因为θ>90°,所以cosθ<0，且已知表面张力均为正值，因此有：
（5）
因此，ΔF<0根据热力学第二定律，一个系统表面能降低的方向，为过程自动进行的方向，因此金属液中的夹杂物能自动吸附在气泡上，并随其上浮而被带出液面，故通过超声空化泡和惰性气泡上浮过程也可去除夹杂物。
具体实施方式九、基于具体实施方式一所述的一种金属熔体高效净化装置及基于该装置的净化方法包括以下步骤：
步骤一、打开电气控制柜13中惰性气瓶，通过惰性气体导管12和旋转喷头空心导杆2使旋转喷头1中通入惰性气体；
步骤二、电气控制柜13发出控制信号通过第三数据传输线17控制第二电机18带动连接在丝杠11上的移动平台15和第一支架8同步向下移动，产生向下位移，同时使功率超声工具杆3和旋转喷头1浸入到被测熔体一定深度；
步骤三、电气控制柜13分别通过第一数据传输线9控制功率超声发射体6启动，使功率超声工具杆3产生超声振动，同时电气控制柜13通过第二数据传输线10控制第一电机7带动旋转喷头空心导杆2连接的旋转喷头1旋转以一定转数转动吹气；
步骤四、功率超声工具杆3和旋转喷头1在铝合金熔体中作用一段时间后，由电气控制柜13发出控制信号，使移动平台15产生向上位移，带动功率超声工具杆3和旋转喷头1复位，之后切断惰性气体出气开关，完成铝熔体除气净化工作。
本实施方式中，对ZL105进行了功率超声与旋转喷吹复合式除气实验与单一功率超声测试结果对比图如图2；对ZL105进行了功率超声与旋转喷吹复合式除气实验与及单一旋转喷吹对比实验图3所示。

Claims (8)

1.一种金属熔体高效净化装置及基于该装置的净化方法，其特征在于，它包括旋转喷头（1）、旋转喷头空心导杆（2）、密封套（2-1）、功率超声工具杆（3）、功率超声变幅杆小端（4）、功率超声变幅杆大端（5）、功率超声发射体（6）、第一电机（7）、第一电机输出轴（7-1）、第一电机传动带（7-2）、第一支架（8）、第一数据传输线（9）、第二数据传输线（10）、丝杠（11）、惰性气体导管（12）、电气控制柜（13）、第一丝杠螺母（14）、第二丝杠螺母（14-1）、移动平台（15）、第二支架（16）、第三数据传输线（17）、第二电机（18）、第二电机输出轴（18-1）、第二电机传动带（18-2）；所述的旋转喷头空心导杆（2）出气端与旋转喷头（1）螺纹连接，旋转喷头空心导杆（2）进气端与惰性气体导管（12）通过密封套（2-1）相连接；所述的功率超声工具杆（3）与功率超声变幅杆小端（4）螺纹连接；所述的功率超声变幅杆小端（4）与功率超声变幅杆大端（5）为一个整体；所述的功率超声变幅杆大端（5）与功率超声发射体（6）刚性连接；所述的第一电机（7）与第一支架（8）刚性连接，第一电机（7）通过第一电机输出轴（7-1）控制的第一电机传动带（7-2）与旋转喷头空心导杆（2）相连接；所述的第一支架（8）通过第一丝杠螺母（14）与丝杠（11）相连接；所述的移动平台（15）一端与功率超声变幅杆大端（5）刚性连接，另一端通过第二丝杠螺母（14-1）与丝杠（11）相连接；所述的第一数据传输线（9）与功率超声发射体（6）电气连接，第二数据传输线（10）一端与第一电机（7）电气连接，第三数据传输线（17）与第二电机（18）电气连接；所述的惰性气体导管（12）与电气控制电气控制柜（13）相连接；所述的电气控制柜（13）与第一数据传输线（9）、第二数据传输线（10）和第三数据传输线（17）电气连接；所述的第二电机（18）与第二支架（16）刚性连接，第二电机输出轴（18-1）通过第二电机传动带（18-2）与丝杠（11）相连接。
2.根据权利要求1所述的一种金属熔体高效净化装置及基于该装置的净化方法，其特征在于，所述的功率超声工具杆（3）、功率超声变幅杆小端（4）、功率超声变幅杆大端（5）、功率超声发射体（6）均为内径相同的空腔结构，旋转喷头空心导杆（2）可以在该空腔结构中转动。
3.根据权利要求1所述的一种金属熔体高效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（13）可以同时分别通过第一数据传输线（9）控制功率超声发射体（6）启动和停止、第二数据传输线（10）控制第一电机（7）带动旋转喷头空心导杆（2）连接的旋转喷头（1）旋转，实现功率超声工具杆（3）和旋转喷头（1）同时作用在金属熔体中。
4.根据权利要求1所述的一种金属熔体高效净化装置及基于该装置的净化方法，其特征在于，所述的功率超声工具杆（3）、旋转喷头空心导杆（2）的材质均为45号钢，旋转喷头（1）材质为石墨，变幅杆即变幅杆大端（5）和变幅杆小端（4）材质均为硬铝合金。
5.根据权利要求1所述的一种金属熔体高效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（13）通过第三数据传输线（17）控制第二电机（18）带动连接在丝杠（11）上的移动平台（15）和第一支架（8）同步上下移动。
6.根据权利要求1所述的一种金属熔体高效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（13）中包括超声发射电源、电机控制系统、供气单元。
7.根据权利要求1所述的一种金属熔体高效净化装置及基于该装置的净化方法，其特征在于，所述的密封套（2-1）一端与惰性气体导管（12）密闭连接，另一端与旋转喷头空心导杆（2）通过密封套（2-1）内置轴承套密闭连接，可以实现旋转喷头空心导杆（2）在密封套（2-1）中转动。
8.基于权利要求1所述的一种金属熔体高效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：
打开电气控制柜（13）中惰性气瓶，通过惰性气体导管（12）和旋转喷头空心导杆（2）使旋转喷头（1）中通入惰性气体；
电气控制柜（13）发出控制信号通过第三数据传输线（17）控制第二电机（18）带动连接在丝杠（11）上的移动平台（15）和第一支架（8）同步向下移动，产生向下位移，同时使功率超声工具杆（3）和旋转喷头（1）浸入到被测熔体一定深度；
电气控制柜（13）分别通过第一数据传输线（9）控制功率超声发射体（6）启动，使功率超声工具杆（3）产生超声振动，同时电气控制柜（13）通过第二数据传输线（10）控制第一电机（7）带动旋转喷头空心导杆（2）连接的旋转喷头（1）旋转以一定转数转动吹气；
功率超声工具杆（3）和旋转喷头（1）在铝合金熔体中作用一段时间后，由电气控制柜（13）发出控制信号，使移动平台（15）产生向上位移，带动功率超声工具杆（3）和旋转喷头（1）复位，之后切断惰性气体出气开关，完成铝熔体除气净化工作。
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