CN106367615B - 一种铝熔体净化用整体式炭陶复合材料转子及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝熔体净化用整体式炭陶复合材料转子，包括C/C复合材料上段和C/C复合材料下段，以及位于C/C复合材料上段和C/C复合材料下段之间的C/C‑SiC复合材料段，所述C/C复合材料上段、C/C‑SiC复合材料段和C/C复合材料下段为一体式结构。另外，本发明还公开了该转子的制备方法。本发明相对传统的石墨转子及改进型转子，利用C/C‑SiC复合材料代替原有的涂层或者陶瓷套管，利用SiC材料优异的抗氧化性能和抗腐蚀性能，从根本上解决了石墨转子材料本身固有的缺陷，避免了分段式改进型石墨转子存在的同心度差、螺纹连接处易断裂的问题。

Description

一种铝熔体净化用整体式炭陶复合材料转子及其制备方法
技术领域
本发明属于有色金属冶炼技术领域，具体涉及一种铝熔体净化用整体式炭陶复合材料转子及其制备方法。
背景技术
采用旋转转子喷吹惰性气体来祛除铝液中的氢气和氧化夹杂物是当今世界上一项先进的铝液净化技术，该项技术自20世纪70年代在国外问世以来，实现了熔铸生产在线连续净化和自动化，其先进合理的净化工艺给生产厂家带来了巨大的技术和经济效益。在这些在线净化系统中，利用转子将介质气体如高纯氩气(或氮气)输送到铝液的底部，并进行搅拌，基于高能扩散和化学驱动原理，通过气泡将铝液中的氢氧杂质带出，达到脱气除杂的效果。
目前，转子主要采用石墨材料，这是由于石墨材料具有高温强度高、导电传热性好、抗热震、耐腐蚀和具有自润滑性的特点，是一种较好的铝液净化转子材料。但是石墨材料本身存在两个较为严重的缺陷：一是石墨属于脆性材料，强度和韧性较差；二是石墨材料在空气中超过450℃开始氧化，较差的力学性能和弱的抗氧化性能导致石墨转子使用寿命较低，因此如何提高石墨转子的使用寿命一直是铝精炼行业使用者和转子制造厂家重要的研究课题之一。一般地，高寿命石墨转子应从三个途径进行开发，一是提高石墨材质，二是针对局部损耗较大的部位，进行特殊处理，如涂料保护法，套筒保护法等。但是石墨材料本身固有的缺陷无法从根本上解决。三是针对局部损耗较大的部位，采用其他材料(如C/C-SiC复合材料)替代，与上下端石墨材料通过螺纹连接组合，这种分段式的改进型石墨转子存在同心度差，螺纹连接处易断裂的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种铝熔体净化用整体式炭陶复合材料转子。该转子相对传统的石墨转子及改进型转子，利用C/C-SiC复合材料代替原有的涂层或者陶瓷套管，利用SiC材料优异的抗氧化性能和抗腐蚀性能，从根本上解决了石墨转子材料本身固有的缺陷。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种铝熔体净化用整体式炭陶复合材料转子，其特征在于，包括C/C复合材料上段和C/C复合材料下段，以及位于C/C复合材料上段和C/C复合材料下段之间的C/C-SiC复合材料段，所述C/C复合材料上段、C/C-SiC复合材料段和C/C复合材料下段为一体式结构。
另外，本发明还提供了一种制备上述整体式炭陶复合材料转子的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将密度为0.20g/cm3～0.50g/cm3的炭纤维预制体增密，得到密度为1.20g/cm3～1.40g/cm3的C/C复合材料；
步骤二、将步骤一中所述C/C复合材料机械加工成直径为50mm～200mm，高度为500mm～2000mm的炭/炭复合材料转子；
步骤三、将石墨工装套装于步骤二中所述C/C复合材料转子的中段，所述石墨工装包括石墨套筒和位于石墨套筒下方的石墨挡圈，所述石墨挡圈的内壁与C/C复合材料转子的外壁紧密配合，石墨套筒的内壁与C/C复合材料转子的外壁之间形成空隙，向所述空隙中填充硅粉，形成组合件；
步骤四、将步骤三中所述组合件置于加热炉中进行反应熔渗处理，或将多个步骤三中所述组合件叠放或并列置于加热炉中进行反应熔渗处理，出炉后拆除石墨工装，在套装石墨工装的部位形成密度为1.50g/cm3～2.10g/cm3的C/C-SiC复合材料，得到整体式炭陶复合材料转子。
上述的方法，其特征在于，步骤三中所述空隙的厚度为2mm～6mm。
上述的方法，其特征在于，步骤三中所述硅粉的质量纯度不小于99.99％，硅粉的粒径不大于2mm。
上述的方法，其特征在于，步骤四中所述反应熔渗处理的温度为1550℃～1750℃，保温时间为6h～10h。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明相对传统的石墨转子及改进型转子，利用C/C-SiC复合材料代替原有的涂层或者陶瓷套管，利用SiC材料优异的抗氧化性能和抗腐蚀性能，从根本上解决了石墨转子材料本身固有的缺陷。
2、本发明整体式炭陶复合材料转子的设计避免了分段式改进型石墨转子存在的同心度差、螺纹连接处易断裂的问题。
3、本发明采用石墨工装，通过仿生结构设计，将硅粉置于石墨套筒内壁和C/C复合材料外壁之间，在C/C复合材料局部外表面形成一层10mm～25mm厚的碳化硅陶瓷基体，所获得的炭陶复合材料转子不需要进行机械加工，大幅度降低了陶瓷材料的加工成本。
4、本发明制备的炭陶复合材料转子改性区域长度和位置可调控，能适应各种生产工况，有效降低了生产成本。
5、本发明通过将多个组合件叠放或并列放置进行反应熔渗，大幅度提高了生产效率，降低了生产成本。
6、采用本发明的方法制备的整体式炭陶复合材料转子相对于传统石墨转子，使用寿命提高6～10倍，可达到5个月以上；与分段式改进型石墨转子相比稳定性更高。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
附图说明
图1为本发明整体式炭陶复合材料转子的结构示意图。
图2为本发明组合件的结构示意图。
附图标记说明：
1—C/C复合材料上段； 2—C/C复合材料下段；
3—C/C-SiC复合材料段； 4—石墨套筒； 5—石墨挡圈；
6—硅粉； 7—C/C复合材料转子。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例的铝熔体净化用整体式炭陶复合材料转子，包括C/C复合材料上段1和C/C复合材料下段2，以及位于C/C复合材料上段1和C/C复合材料下段2之间的C/C-SiC复合材料段3，所述C/C复合材料上段1、C/C-SiC复合材料段3和C/C复合材料下段2为一体式结构。
本实施例的整体式炭陶复合材料转子的制备方法包括以下步骤：
步骤一、根据所要制备炭陶复合材料转子的形状和性能要求，采用常规方法利用炭纤维、炭布和网胎制成密度为0.20g/cm3的炭纤维预制体，然后将所述炭纤维预制体增密，得到密度为1.20g/cm3的C/C复合材料；
步骤二、将步骤一中所述C/C复合材料机械加工成直径为50mm，高度为500mm的炭/炭复合材料转子7；
步骤三、将石墨工装套装于步骤二中所述C/C复合材料转子7的中段，所述石墨工装包括石墨套筒4和位于石墨套筒4下方的石墨挡圈5，所述石墨挡圈5的内壁与C/C复合材料转子7的外壁紧密配合，石墨套筒4的内壁与C/C复合材料转子7的外壁之间形成空隙，向所述空隙中填充硅粉6，形成组合件(如图2所示)；所述空隙的厚度为2mm；所述硅粉的质量纯度不小于99.99％，硅粉的粒径为1mm；
步骤四、将2～4个步骤三中所述组合件叠放置于加热炉中进行反应熔渗处理，出炉后拆除石墨工装，在套装石墨工装的部位形成密度为1.50g/cm3的C/C-SiC复合材料，得到整体式炭陶复合材料转子；所述反应熔渗处理的温度为1550℃，保温时间为6h。
实施例2
如图1所示，本实施例的铝熔体净化用整体式炭陶复合材料转子，包括C/C复合材料上段1和C/C复合材料下段2，以及位于C/C复合材料上段1和C/C复合材料下段2之间的C/C-SiC复合材料段3，所述C/C复合材料上段1、C/C-SiC复合材料段3和C/C复合材料下段2为一体式结构。
本实施例的整体式炭陶复合材料转子的制备方法包括以下步骤：
步骤一、根据所要制备炭陶复合材料转子的形状和性能要求，采用常规方法利用炭纤维、炭布和网胎制成密度为0.40g/cm3的炭纤维预制体，然后将所述炭纤维预制体增密，得到密度为1.30g/cm3的C/C复合材料；
步骤二、将步骤一中所述C/C复合材料机械加工成直径为100mm，高度为800mm的炭/炭复合材料转子7；
步骤三、将石墨工装套装于步骤二中所述C/C复合材料转子7的中段，所述石墨工装包括石墨套筒4和位于石墨套筒4下方的石墨挡圈5，所述石墨挡圈5的内壁与C/C复合材料转子7的外壁紧密配合，石墨套筒4的内壁与C/C复合材料转子7的外壁之间形成空隙，向所述空隙中填充硅粉6，形成组合件(如图2所示)；所述空隙的厚度为4mm；所述硅粉的质量纯度不小于99.99％，硅粉的粒径为1.5mm；
步骤四、将2～4个步骤三中所述组合件并列置于加热炉中进行反应熔渗处理，出炉后拆除石墨工装，在套装石墨工装的部位形成密度为1.85g/cm3的C/C-SiC复合材料，得到整体式炭陶复合材料转子；所述反应熔渗处理的温度为1600℃，保温时间为8h。
实施例3
如图1所示，本实施例的铝熔体净化用整体式炭陶复合材料转子，包括C/C复合材料上段1和C/C复合材料下段2，以及位于C/C复合材料上段1和C/C复合材料下段2之间的C/C-SiC复合材料段3，所述C/C复合材料上段1、C/C-SiC复合材料段3和C/C复合材料下段2为一体式结构。
本实施例的整体式炭陶复合材料转子的制备方法包括以下步骤：
步骤一、根据所要制备炭陶复合材料转子的形状和性能要求，采用常规方法利用炭纤维、炭布和网胎制成密度为0.50g/cm3的炭纤维预制体，然后将所述炭纤维预制体增密，得到密度为1.40g/cm3的C/C复合材料；
步骤二、将步骤一中所述C/C复合材料机械加工成直径为200mm，高度为2000mm的炭/炭复合材料转子7；
步骤三、将石墨工装套装于步骤二中所述C/C复合材料转子7的中段，所述石墨工装包括石墨套筒4和位于石墨套筒4下方的石墨挡圈5，所述石墨挡圈5的内壁与C/C复合材料转子7的外壁紧密配合，石墨套筒4的内壁与C/C复合材料转子7的外壁之间形成空隙，向所述空隙中填充硅粉6，形成组合件(如图2所示)；所述空隙的厚度为6mm；所述硅粉的质量纯度不小于99.99％，硅粉的粒径为2mm；
步骤四、将步骤三中所述组合件置于加热炉中进行反应熔渗处理，出炉后拆除石墨工装，在套装石墨工装的部位形成密度为2.10g/cm3的C/C-SiC复合材料，得到整体式炭陶复合材料转子；所述反应熔渗处理的温度为1750℃，保温时间为10h。
对本发明的炭陶复合材料转子的使用寿命与石墨转子的使用寿命进行比较，结果见下表：
表1不同材料铝熔体净化处理用转子使用寿命对比
材料 使用寿命(天)
石墨转子 20
分段式改进型石墨转子 80
实施例1制备的炭陶复合材料转子 120
实施例2制备的炭陶复合材料转子 150
实施例3制备的炭陶复合材料转子 180
从表1中可以看出，本发明的炭陶复合材料转子在使用过程中，其使用寿命比石墨转子明显延长，也比改进型石墨转子稳定性高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种铝熔体净化用整体式炭陶复合材料转子，其特征在于，包括C/C复合材料上段(1)和C/C复合材料下段(2)，以及位于C/C复合材料上段(1)和C/C复合材料下段(2)之间的C/C-SiC复合材料段(3)，所述C/C复合材料上段(1)、C/C-SiC复合材料段(3)和C/C复合材料下段(2)为一体式结构。
2.一种制备如权利要求1所述整体式炭陶复合材料转子的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将密度为0.20g/cm3～0.50g/cm3的炭纤维预制体增密，得到密度为1.20g/cm3～1.40g/cm3的C/C复合材料；
步骤二、将步骤一中所述C/C复合材料机械加工成直径为50mm～200mm，高度为500mm～2000mm的炭/炭复合材料转子(7)；
步骤三、将石墨工装套装于步骤二中所述C/C复合材料转子(7)的中段，所述石墨工装包括石墨套筒(4)和位于石墨套筒(4)下方的石墨挡圈(5)，所述石墨挡圈(5)的内壁与C/C复合材料转子(7)的外壁紧密配合，石墨套筒(4)的内壁与C/C复合材料转子(7)的外壁之间形成空隙，向所述空隙中填充硅粉(6)，形成组合件；
步骤四、将步骤三中所述组合件置于加热炉中进行反应熔渗处理，或将多个步骤三中所述组合件叠放或并列置于加热炉中进行反应熔渗处理，出炉后拆除石墨工装，在套装石墨工装的部位形成密度为1.50g/cm3～2.10g/cm3的C/C-SiC复合材料，得到整体式炭陶复合材料转子。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤三中所述空隙的厚度为2mm～6mm。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤三中所述硅粉的质量纯度不小于99.99％，硅粉的粒径不大于2mm。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤四中所述反应熔渗处理的温度为1550℃～1750℃，保温时间为6h～10h。
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