CN109628960B - 电解原位制备铝合金的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电解原位制备铝合金的装置，涉及铝合金的制备装置技术领域。所述装置在一个电解系统中通过设计隔离结构电解形成铝硅合金熔体，通过控制电极上的电流来任意控制铝硅合金熔体的成分，然后通过电磁软接触连铸将铝硅合金进行提纯和连铸来制备铝硅合金锭，电极上的电流比及连铸速度决定了铝硅合金锭的组织及成分。同时所述装置可以实现铝硅合金的精炼除气和除渣回熔，并能够实现铝硅合金锭的连续制备，因此所述装置具有节能、高效和经济的特点。

Description

电解原位制备铝合金的装置
技术领域
本发明涉及铝合金的制备装置技术领域，尤其涉及一种电解原位制备铝合金的装置。
背景技术
铝合金由于其重量轻、耐腐蚀、强度较高的特点使其广泛应用于航空、航天、汽车、船舶制造等领域，是机械制造、电气制造、化工等领域最重要的有色金属合金，是即钢铁材料后又一重要的结构材料。铝硅合金是铝合金中最重要的一种合金体系，可用于铸造、焊接、锻造及机械加工等。由于铝的化学性质较为活泼，通常铝是是通过氧化铝电解来制备，电解后的铝在和其他元素进行熔合制备成铝硅合金。冶金行业中的硅元素通常通过还原法或者电解法来获得硅单质。因此分别制备两种元素降温后再熔炼和精炼及浪费能源且效率低下，铝合金的熔炼过程本身也污染环境。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种节能、效率高且成本低的电解原位制备铝合金的装置。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种电解原位制备铝合金的装置，其特征在于：包括炉体，所述炉体内设置有电解合成槽，所述合成槽的上端设有开口，所述合成槽的下端设置有连通管，所述连通管延伸至所述炉体底部的外侧，炉体内连通管的外侧设置有第一加热器，所述电解合成槽的底部设置有第二加热器，所述电解合成槽的侧壁上设置有第三加热器，所述连通管的下端开口与定向连铸坩埚的上端开口相连通，所述定向连铸坩埚的外侧设置有电磁约束器；所述合成槽内设置有可升降的绝缘隔离筒，所述隔离筒内设置有共用电解阴极，所述共用电解阴极的外侧套设有硅电解阳极，所述共用电解阴极与所述硅电解阳极之间设置有电极绝缘层，铝电解阳极位于所述绝缘隔离筒外侧的电解合成槽内，所述绝缘隔离筒上侧的炉体上设置有二氧化硅投料筒，用于向所述隔离筒内投入硅电解质或二氧化硅，绝缘隔离筒与电解合成槽之间的炉体顶部设置有三氧化二铝投料管，用于向所述电解合成槽内投入铝电解质或三氧化二铝。
进一步的技术方案在于：所述共用电解阴极包括共用电解阴极主轴，其上设置有主气道，所述电解阴极主轴的中下部设置有第一电解分阴极，所述第一电解分阴极上设置有若干个与主气道相连通的第一分气道，所述第一分气道的外侧形成有第一送气孔，所述第一电解分阴极为圆环状设置；所述第一电解分阴极下侧的电解阴极主轴上设置有若干个呈辐射状设置的第二电解分阴极，所述第二电解分阴极上设置有若干个与主气道相连通的第二分气道，所述第二分气道的外侧形成有第二送气孔。
进一步的技术方案在于：所述二氧化硅投料筒的外侧以及三氧化二铝投料管的外侧设置有辅助预热电阻丝，用于对投料管内的物料进行加热。
进一步的技术方案在于：所述炉体上设置有排气管，所述排气管上设置有阀门。
进一步的技术方案在于：所述电解合成槽以及绝缘隔离筒内设置有测温热电偶，用于测量相应位置物料的温度。
进一步的技术方案在于：所述定向连铸坩埚包括位于上侧的绝缘垫圈，所述绝缘垫圈的下侧设置有若干根坩埚瓣，所述坩埚瓣与坩埚瓣之间的空隙形成坩埚缝。
进一步的技术方案在于：所述电磁约束器的下侧设置有冷却管，用于对连铸坩埚排出的连铸铝硅锭进行冷却。
进一步的技术方案在于：所述炉体的外侧设置有共用电解阴极驱动装置，用于驱动所述共用电解阴极转动，使所述第二电解分阴极形成搅拌作用。
进一步的技术方案在于：所述主气道的进口为送气主孔，精炼气体通过送气主孔进入主气道后被送至第一分气道以及第二分气道内，并通过第一分气道以及第二分气道上的第一分送气孔和第二分送气孔排出，排出精炼气体进入铝硅合金熔体中，实现熔体的精炼。
进一步的技术方案在于：所述的精炼气体包括氮气、氩气和/或氯气；所述第一电解分阴极和第二电解分阴极浸入铝硅合金熔体的部分使用硼化钛、石墨或钇材料制备。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述装置在一个电解系统中通过设计隔离结构电解形成铝硅合金熔体，通过控制电极上的电流来任意控制铝硅合金熔体的成分，然后通过电磁软接触连铸将铝硅合金进行提纯和连铸来制备铝硅合金锭，电极上的电流比及连铸速度决定了铝硅合金锭的组织及成分。同时所述装置可以实现铝硅合金的精炼除气和除渣回熔，并能够实现铝硅合金锭的连续制备，因此所述装置具有节能、高效和经济的特点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例所述装置的结构示意图；
图2是本发明实施例所述装置中共用电解阴极的结构示意图；
图3是本发明实施例所述装置中定向连铸坩埚的结构示意图；
其中：1：共用电解阴极；1-1：送气主孔；1-2：电解阴极主轴；1-3：第一电解分阴极；1-4：第一分送气孔；1-5：第二电解分阴极；1-6：第二分送气孔；2：硅电解阳极；3：电极绝缘层；4：二氧化硅投料管；5：炉体；6：绝缘隔离筒；7：铝电解阳极；8：电解合成槽；9：铝电解质；10：硅电解质；11：铝硅合金熔体；12：电磁约束器；13：定向连铸坩埚；13-1：坩埚瓣；13-2：坩埚缝；14：冷却管；15：连铸铝硅锭；16：第一加热器；17：第二加热器；18：第三加热器；19：测温热偶；20：辅助预热电阻丝；21：排气管；22：三氧化二铝投料口；23：绝缘垫圈。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本发明实施例公开了一种电解原位制备铝合金的装置，包括炉体5，所述炉体5内设置有电解合成槽8，所述合成槽的上端设有开口，所述合成槽的下端设置有连通管，所述连通管延伸至所述炉体5底部的外侧。炉体5内连通管的外侧设置有第一加热器16，所述电解合成槽8的底部设置有第二加热器17，所述电解合成槽8的侧壁上设置有第三加热器18。所述连通管的下端开口与定向连铸坩埚13的上端开口相连通，所述定向连铸坩埚13的外侧设置有电磁约束器12。所述合成槽内设置有可升降的绝缘隔离筒6，所述隔离筒内设置有共用电解阴极1，所述共用电解阴极1的外侧套设有硅电解阳极2，所述共用电解阴极1与所述硅电解阳极2之间设置有电极绝缘层3，铝电解阳极7位于所述绝缘隔离筒6外侧的电解合成槽8内。所述绝缘隔离筒6上侧的炉体5上设置有二氧化硅投料筒4，用于向所述隔离筒内投入硅电解质或二氧化硅，绝缘隔离筒6与电解合成槽8之间的炉体顶部设置有三氧化二铝投料管22，用于向所述电解合成槽8内投入铝电解质或三氧化二铝。
如图2所示，所述共用电解阴极1包括共用电解阴极主轴1-2，其上设置有主气道，所述电解阴极主轴1-2的中下部设置有第一电解分阴极1-3，所述第一电解分阴极1-3上设置有若干个与主气道相连通的第一分气道，所述第一分气道的外侧形成有第一送气孔1-4，所述第一电解分阴极1-3为圆环状设置；所述第一电解分阴极1-3下侧的电解阴极主轴1-2上设置有若干个呈辐射状设置的第二电解分阴极1-5，所述第二电解分阴极1-5上设置有若干个与主气道相连通的第二分气道，所述第二分气道的外侧形成有第二送气孔1-6。
所述炉体5的外侧设置有共用电解阴极驱动装置，用于驱动所述共用电解阴极1转动，使所述第二电解分阴极1-5形成搅拌作用。所述主气道的进口为送气主孔1-1，精炼气体通过送气主孔1-1进入主气道后被送至第一分气道以及第二分气道内，并通过第一分气道以及第二分气道上的第一分送气孔1-4和第二分送气孔1-6排出，排出的精炼气体进入铝硅合金熔体11中，实现熔体的精炼。
通过第一加热器16、第二加热器17以及第三加热器18给电解合成槽8中的铝电解质9，硅电解质10及铝硅合金熔体11加热。通过共用电解阴极1与硅电解阳极2进行二氧化硅的电解，在硅电解质10与铝硅合金熔体11界面处形成硅元素并进入到铝硅合金熔体11中，通过共用电解阴极1与铝电解阳极7进行三氧化二铝的电解，在铝电解质9与铝硅合金熔体11界面处形成铝元素并进入到铝硅合金熔体11中。随着电解的进行共用电解阴极1不断旋转，通过第二电解分阴极1-5凸起搅拌铝硅合金熔体11，使得铝硅合金熔体11与铝电解质9和硅电解质10界面上的元素进入铝硅合金熔体11中。
经过送气主孔1-1将精炼气体送入铝硅合金熔体11中，实现对铝硅合金熔体11的精炼。经过精炼的熔体进入定向连铸坩埚13中实现铝硅合金熔体11的连铸。伴随着电解过程的进行，通过二氧化硅投料口4和三氧化二铝投料口22不断的补充硅元素及铝元素进入电解-合成-连铸体系中。所述的精炼气体包括氮气、氩气和/或氯气等；所述第一电解分阴极1-3和第二电解分阴极1-5浸入铝硅合金熔体11的部分使用硼化钛、石墨或钇材料制备。
如图1所示，所述二氧化硅投料筒4的外侧以及三氧化二铝投料管22的外侧设置有辅助预热电阻丝20，用于将三氧化二铝和二氧化硅预热至铝电解质9和硅电解质10的电解温度，防止较冷三氧化二铝和二氧化硅投入引起铝硅合金熔体11中凝固结晶。所述炉体5上设置有排气管21，所述排气管21上设置有阀门，用于向外排出气体。所述电解合成槽8以及绝缘隔离筒6内设置有测温热电偶19，用于测量相应位置物料的温度。
如图1和图3所示，所述定向连铸坩埚13包括位于上侧的绝缘垫圈23，所述绝缘垫圈23的下侧设置有若干根坩埚瓣13-1，所述坩埚瓣13-1与坩埚瓣13-1之间的空隙形成坩埚缝13-2。所述电磁约束器12的下侧设置有冷却管14，用于对连铸坩埚13排出的连铸铝硅锭15进行冷却。
本发明还公开了一种电解原位制备铝合金的方法，使用上述电解原位制备铝合金的装置，包括如下步骤：
将单质铝及硅按着所需熔配合金的化学元素比放置在炉体5内部的电解合成槽8的底部，通过电解合成槽8外侧的第一加热器16、第二加热器17和第三加热器18给电解合成槽8中铝及硅加热使其熔配为铝硅合金熔体11，使其升温至800-1000℃，启动炉体外侧的电磁约束器12；
将绝缘隔离筒6的下端下降至铝硅合金熔体11中，共用电解阴极1部分进入铝硅合金熔体11中，其中，共用电解阴极1中的第一电解分阴极1-3布置在绝缘隔离筒6浸入铝硅合金熔体11上侧端面以上的部分，共用电解阴极1中的第二电解分阴极1-5布置接近电解合成槽8的底部；
通过炉体5上部的三氧化二铝投料管22将铝电解质9投入电解合成槽8与绝缘隔离筒6之间的空间内，通过二氧化硅投料口4将硅电解质10投入至绝缘隔离筒6内侧；铝电解质和硅电解质受热熔化后，将铝电解阳极7及硅电解阳极2分别浸入铝电解质9和硅电解质10中；
通过控制电解合成槽8与绝缘隔离筒6之间的铝电解阳极7以及共用电解阴极外侧的硅电解阳极2与共用电解阴极1的电流比来控制铝元素和硅元素的电解速率和电解摩尔量，进而控制铝硅合金熔体11的成分；随着电解的进行，通过三氧化二铝投料管22和二氧化硅投料管4分别投入三氧化二铝和二氧化硅至相应的电解质中；三氧化二铝和二氧化硅投料量中铝元素及硅元素的物质的量和电解过程中铝硅合金熔体11与电解质界面上形成的铝及硅元素的物质的量相同；
随着电解的进行，控制电解合成槽8下端排料口上的定向连铸坩埚13中连铸铝硅锭15的下拉速率，使其与铝硅合金熔体11与电解质界面上生成的铝及硅元素的物质的量相等，以保证系统的稳定性；同时通过冷却口14给连铸铝硅锭15冷却；
随着电解的进行，通过三氧化二铝投料口22和二氧化硅投料口4分别投入三氧化二铝和二氧化硅至相应的电解质中，并且随着连铸铝硅锭15的下拉，实现连铸铝硅锭15连续不断的形成。
硅电解质10包括：主要由CaO和CaCl2组成的熔盐电解质：SiO2、CaO、CaCl2及Ca2SiF6的质量百分比为1~35∶1∶0.01~0.2∶0~0.1，电解温度为800~1000℃；主要由Na3AlF6和LiF组成的熔盐电解质：Na3AlF6和LiF的混合熔盐摩尔比为1~90:1，或者再添加K2SiF6并占电解质重量百分比为10~20%，SiO2占Na3AlF6、LiF和K2SiF6混合熔盐的重量百分比为4~10%，电解温度为800~1000℃。
铝电解质9包括： NaF与AlF3的摩尔比为：2.6~2.8，Al2O3占混合熔盐的重量百分比为1~8%；在电解质中还可添加重量百分比为2~5%的NaCl，或者重量百分比为1~5%的CaF2，或者再添加重量百分比为1~5%的CaF2与重量百分比为1~5%的AlF3，电解温度为700~1000℃。
另外，该方法还可以用于连续铸造过程，将定向连铸坩埚13改为铸型，即可实现铝硅合金的连续铸造过程。
所述装置及方法在一个电解系统中通过设计隔离结构电解形成铝硅合金熔体，通过控制电极上的电流来任意控制铝硅合金熔体的成分，然后通过电磁软接触连铸将铝硅合金进行提纯和连铸来制备铝硅合金锭（所述软接触为电磁约束器的作用，用于减少连铸件与铸型的接触，使得连铸过程顺畅，并提高连铸件的表面质量，同时保证电解坩埚与定向凝固坩埚不会流出合金熔体），电极上的电流比及连铸速度决定了铝硅合金锭的组织及成分。同时所述装置及方法可以实现铝硅合金的精炼除气和除渣回熔，并能够实现铝硅合金锭的连续制备，因此所述装置及方法具有节能、高效和经济的特点。

Claims (5)

1.一种电解原位制备铝合金的装置，其特征在于：包括炉体（5），所述炉体（5）内设置有电解合成槽（8），所述合成槽的上端设有开口，所述合成槽的下端设置有连通管，所述连通管延伸至所述炉体（5）底部的外侧，炉体（5）内连通管的外侧设置有第一加热器（16），所述电解合成槽（8）的底部设置有第二加热器（17），所述电解合成槽（8）的侧壁上设置有第三加热器（18），所述连通管的下端开口与定向连铸坩埚（13）的上端开口相连通，所述定向连铸坩埚（13）的外侧设置有电磁约束器（12）；所述合成槽内设置有可升降的绝缘隔离筒（6），所述隔离筒内设置有共用电解阴极（1），所述共用电解阴极（1）的外侧套设有硅电解阳极（2），所述共用电解阴极（1）与所述硅电解阳极（2）之间设置有电极绝缘层（3），铝电解阳极（7）位于所述绝缘隔离筒（6）外侧的电解合成槽（8）内，所述绝缘隔离筒（6）上侧的炉体（5）上设置有二氧化硅投料管（4），用于向所述隔离筒内投入硅电解质或二氧化硅，绝缘隔离筒（6）与电解合成槽（8）之间的炉体顶部设置有三氧化二铝投料管（22），用于向所述电解合成槽（8）内投入铝电解质或三氧化二铝；
所述共用电解阴极（1）包括电解阴极主轴（1-2），其上设置有主气道，所述电解阴极主轴（1-2）的中下部设置有第一电解分阴极（1-3），所述第一电解分阴极（1-3）上设置有若干个与主气道相连通的第一分气道，所述第一分气道的外侧形成有第一分送气孔（1-4），所述第一电解分阴极（1-3）为圆环状设置；所述第一电解分阴极（1-3）下侧的电解阴极主轴（1-2）上设置有若干个呈辐射状设置的第二电解分阴极（1-5），所述第二电解分阴极（1-5）上设置有若干个与主气道相连通的第二分气道，所述第二分气道的外侧形成有第二分送气孔（1-6）；所述二氧化硅投料管（4）的外侧以及三氧化二铝投料管（22）的外侧设置有辅助预热电阻丝（20），用于对投料管内的物料进行加热；所述炉体（5）上设置有排气管（21），所述排气管（21）上设置有阀门；
所述炉体（5）的外侧设置有共用电解阴极驱动装置，用于驱动所述共用电解阴极（1）转动，使所述第二电解分阴极（1-5）形成搅拌作用；所述主气道的进口为送气主孔（1-1），精炼气体通过送气主孔（1-2）进入主气道后被送至第一分气道以及第二分气道内，并通过第一分气道以及第二分气道上的第一分送气孔（1-4）和第二分送气孔（1-6）排出，排出的精炼气体进入铝硅合金熔体（11）中，实现熔体的精炼。
2.如权利要求1所述的电解原位制备铝合金的装置，其特征在于：所述电解合成槽（8）以及绝缘隔离筒（6）内设置有测温热电偶（19），用于测量相应位置物料的温度。
3.如权利要求1所述的电解原位制备铝合金的装置，其特征在于：所述定向连铸坩埚（13）包括位于上侧的绝缘垫圈（23），所述绝缘垫圈（23）的下侧设置有若干根坩埚瓣（13-1），所述坩埚瓣（13-1）与坩埚瓣（13-1）之间的空隙形成坩埚缝（13-2）。
4.如权利要求1所述的电解原位制备铝合金的装置，其特征在于：所述电磁约束器（12）的下侧设置有冷却管（14），用于对连铸坩埚（13）排出的连铸铝硅锭（15）进行冷却。
5.如权利要求1所述的电解原位制备铝合金的装置，其特征在于：所述的精炼气体包括氮气、氩气和/或氯气；所述第一电解分阴极（1-3）和第二电解分阴极（1-5）浸入铝硅合金熔体（11）的部分使用硼化钛、石墨或钇材料制备。
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