CN116463517A - 一种炉外法冶炼钒铝合金的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种炉外法冶炼钒铝合金的装置与方法，属于冶金技术领域，用于降低现有钒铝合金炉外法生产时的杂质含量，改善传统混料机混料不均匀、反应与凝固区域偏析大、氧化膜多的问题。炉外法冶炼钒铝合金的装置包括基底、以及基底上部连接的铜坩埚；基底的底部为半球形，半球形的底部空腔体积≥所需冶炼的合金锭体积；基底的底部设有毛细管吹气元件；铜坩埚为圆柱桶形，铜坩埚作为反应炉。本发明的炉外法冶炼钒铝合金的装置能够降低钒铝合金炉外法生产时带入的杂质含量，能够降低氧化物杂质的产生。

Description

一种炉外法冶炼钒铝合金的装置与方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种炉外法冶炼钒铝合金的装置与方法。

背景技术

目前，“一步法”制备钒铝合金一般使用耐火材料砌炉，采用在密闭式反应器内低压反应或者开放式反应器(炉外法)内常压反应方式进行。由于铝热法自身的局限，反应时夹杂物不但会从原料、点火剂、炉壁耐火材料以及周围气氛等进入反应产物，而且反应体系中比钒容易还原的杂质元素如硅、铁、钼、碳等都被铝还原出来，从而导致“一步法”钒铝合金纯度较低。

炉外法(即“一步法”的开放式反应器)冶炼钒铝合金时，由于炉外法冶炼炉为简单的圆柱筒状耐材反应器，反应结束后形成一个圆形扁平的薄金属锭，厚度小，即其铝热反应后熔池浅，熔池浅而热损失快、凝固快，并且与底部耐材和顶部渣接触面大，钒铝合金中氧化膜裂纹较多，凝固不均匀。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种炉外法冶炼钒铝合金的装置与方法，用以降低钒铝合金炉外法生产时耐材、渣料带入的杂质含量，改善传统混料机混料不均匀、反应与凝固区域偏析大、氧化膜多等问题之一，提高钒铝合金锭的质量。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种炉外法冶炼钒铝合金的装置，炉外法冶炼钒铝合金的装置包括基底、以及基底上部连接的铜坩埚；基底的底部为半球形，半球形的底部空腔体积≥所需冶炼的合金锭体积；基底的底部设有毛细管吹气元件；铜坩埚为圆柱桶形，铜坩埚作为反应炉。

进一步的，铜坩埚的直径D1与基底的底部的半球形的直径D2相同。

进一步的，基底的底部中间区域预留两个电极孔。

进一步的，电极孔的形状为上小下大。

进一步的，铜坩埚的外侧设有冷却水管道，冷却水管道的靠近基底一侧设有进水口，远离基底一侧设有出水口。

进一步的，铜坩埚的顶部安装吹气套环，吹气套环为圆形管路，吹气套环的内直径与外直径与铜坩埚匹配，在吹气套环的管路内圈开设环形出气带。

进一步的，炉外法冶炼钒铝合金的装置还包括布料系统，布料系统包括料筒以及与料筒连接的旋转机构；料筒内包括多个料仓，每个料仓的底部均设置下料控制插板。

进一步的，炉外法冶炼钒铝合金的装置还包括加热电极，加热电极设置在铜坩埚上部。

本发明还提供了一种炉外法冶炼钒铝合金的方法，炉外法冶炼钒铝合金的方法采用上述炉外法冶炼钒铝合金的装置，包括如下步骤：

步骤1、布料前，小流量顶底复合供气；

步骤2、小流量顶底复合供气的同时在铜坩埚内分层布料：先铺一层五氧化二钒，再铺一层铝粒，最后铺一层造渣剂；再次，先铺一层五氧化二钒，再铺一层铝粒，最后铺一层造渣剂；按照上述顺序，依次往上铺料，直到所铺物料重量达到锭型重量冶炼要求；

步骤3、引燃电极通电，同时大流量顶底复合供气，进行铝热反应冶炼；

步骤4、铝热反应结束后，小流量顶底复合供气，加热电极接触铝热反应后金属熔池上部形成的渣层，通电加热，并在0.5～5小时后断电，实现金属熔池缓慢凝固；

步骤1中的底部供气流量L_底1、顶部供气流量为L_顶1与步骤3中的底部供气流量L_底2、顶部供气流量为L_顶2与步骤4中的底部供气流量L_底3、顶部供气流量为L_顶3符合如下关系：L_底1＜L_底2，L_顶1＜L_顶2，L_底3＜L_底2，L_顶3＜L_顶2。

进一步的，步骤1之前还包括烘烤物料。

与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：

(1)本发明的炉外法冶炼钒铝合金的装置的基底的底部为半球形，使得铝热反应后高温金属熔池在底部，熔池小而深，避免快速凝固而形成严重偏析；基底的底部设有毛细管吹气元件，能够底供气，排除反应器内残留的空气(氧气)而降低氧化物杂质的产生。炉外法冶炼钒铝合金的装置中采用铜坩埚，铜坩埚具有导热性好，无杂质污染进入高温金属熔池的优点，能够降低钒铝合金炉外法生产时带入的杂质含量。

(2)本发明的炉外法冶炼钒铝合金的装置设有冷却水管道，能够确保冷却水带走反应热，避免铜坩埚受高温变形。

(3)本发明的炉外法冶炼钒铝合金的装置包括吹气套环，吹气套环所吹气体在铜坩埚的顶部形成封闭气流保护气氛，能够降低氧化物杂质的产生。

(4)本发明的炉外法冶炼钒铝合金的方法，布料前及布料时小流量顶底复合供气能够不吹动五氧化二钒、铝粒、造渣剂布料并缓慢排除空气；铝热反应时，大流量顶底复合供气能够确保反应热蒸发气搅动空气进入反应容器，铝热反应结束后，小流量顶底复合供气保证空气不进入反应容器；并且在铝热反应结束后，采用加热电极接触铝热反应后金属熔池上部形成的渣层，通电加热，实现金属熔池缓慢凝固，进而减小偏析，提高均匀性。通过采用分层布料，并且控制每层物料的厚度，能够避免任一物料在反应器内局部分布不均匀、保证整体物料的反应均匀性，提高钒铝合金锭的质量。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1为实施例1的炉外法冶炼钒铝合金的装置的结构示意图；

图2为实施例1的炉外法冶炼钒铝合金的装置的剖视图；

图3为实施例1的炉外法冶炼钒铝合金的装置的引燃电极的示意图；

图4为实施例1的布料系统三维示意图；

图5为实施例1的布料系统的底部下料控制插板示意图。

附图标记

1-基底、2-铜坩埚、3-毛细管吹气元件、4-电极孔、5-冷却水管道、6-进水口、7-出水口、8-吹气套环、9-加热电极、10-基座、11-旋转机构、12-料筒、13-下料控制插板、14-支架、15-引燃电极。

具体实施方式

以下结合具体实施例对一种炉外法冶炼钒铝合金的装置与方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。

本发明提供了一种炉外法冶炼钒铝合金的装置，包括基底1、以及基底1上部连接的铜坩埚2；基底1可以是整体式、也可以是砌筑式；基底1的底部为半球形，半球形的底部空腔体积≥所需冶炼的合金锭体积；基底1的底部设有毛细管吹气元件3；铜坩埚2为圆柱桶形，铜坩埚2作为反应炉。

具体的，毛细管吹气元件3用于底供气，底供气的气体可以为氩气、CO、其他惰性气体或无危险的还原性气体等。

与现有技术相比，本发明的炉外法冶炼钒铝合金的装置的基底的底部为半球形，使得铝热反应后高温金属熔池在底部，熔池小而深，避免快速凝固而形成严重偏析；基底的底部设有毛细管吹气元件，能够底供气，排除反应器内残留的空气(氧气)而降低氧化物杂质的产生。炉外法冶炼钒铝合金的装置中采用铜坩埚，铜坩埚具有导热性好，无杂质污染进入高温金属熔池的优点，能够降低钒铝合金炉外法生产时带入的杂质含量。

具体的，基底1可以是耐火砖基底，基底1的材质可以为高纯氧化铝材质、高纯氧化镁材质、高纯氧化钙材质、镁碳材质。

具体的，铜坩埚2的直径D1(单位为mm)与基底1的底部的半球形的直径D2相同。此设计使得铝热反应后高温金属熔池在底部，熔池小而深，避免快速凝固而形成严重偏析。

具体的，基底1的底部中间区域预留两个电极孔4，电极孔4的形状为上小下大以便于电极插入和抽出，具体的，电极孔4的上端直径d1为3～10mm，电极孔4的下端直径d2为(1.2～2)*d1；电极孔4内插入两根通体同直径的引燃电极15，引燃电极15为石墨材质，引燃电极15包括圆柱形杆身和顶部端头，引燃电极15的顶部端头为圆锥尖头形；考虑到引燃电极15的杆身的直径d3过大不便于插入电极孔4中，d3过小将使得引燃电极插入反应炉过深，导致高温反应后熔掉电极而污染金属锭。因此，控制引燃电极的杆身的直径d3为电极孔4的上端直径d1的1.1～1.2倍；圆锥尖头形的高度过大使得引燃电极插入反应炉过深，导致高温反应后熔掉电极而污染金属锭，过小将与反应物料接触太小而导致发热量不足。因此，控制圆锥尖头形的高度为(1～1.5)*d3，引燃电极用于引燃铝热反应。

具体的，当引燃电极因点火、熔化等因素消耗后，需要将引燃电极修模成顶部端头为圆锥尖头形；下次开始反应时再深入插入，堵住电极孔的上部孔洞，防止高温液体流出。具体的，每次布料前，应先安装好引燃电极。

具体的，上述的基底1，也可以为水冷铜基底。水冷铜基底与耐火砖基底的功能设计相同，但区别有：基底1为水冷铜基底时，插入石墨电极时需要将石墨电极外层包裹绝缘层，防止与铜基底接触而短路。

具体的，铜坩埚2的外侧设有冷却水管道5，冷却水管道5的靠近基底1一侧设有进水口6，远离基底1一侧设有出水口7；冷却水管道5的出水温度高于进水温度，具体的，出水温度与进水温度的温度差值≤10℃，进而确保水流量足够带走反应热，避免铜坩埚受高温变形。

具体的，为了确保有足够冷却能力或安全性，冷却水管道5的进水口管径比出水口管径大1.2～1.5倍，或进水压力为出水压力的2～3倍。

具体的，铜坩埚2也可以由多个带有独立冷却水系统的铜坩埚组合而成，便于铝热反应完毕后，在渣层高度以上的水冷铜坩埚组合段，可以拆除用于其他反应炉使用、或停水以节能降耗。

具体的，铜坩埚2的顶部安装吹气套环8(气体为氩气、CO、其他惰性气体或无危险的还原性气体等，顶部与底部供气应优选同类气源)，吹气套环8为圆形管路，吹气套环8的内直径与外直径与铜坩埚2匹配，在吹气套环8的管路内圈开设宽度2～3mm的环形出气带，使得所吹气体在铜坩埚2的顶部形成封闭气流保护气氛，能够降低氧化物杂质的产生。

具体的，吹气套环8在点火反应前小流量吹，点火后反应时大流量吹，反应完毕后小流量吹，与底吹气混合后防止炉料、高温熔池、高温凝固锭被空气氧化。

具体的，本发明的炉外法冶炼钒铝合金的装置还包括布料系统，布料系统包括料筒12以及与料筒12连接的旋转机构11；料筒12内包括多个料仓，例如3个，3个料仓分别用于装五氧化二钒、铝粒、造渣剂，如果需要加入其他少量辅料，可以与高纯造渣剂混合后装入同一料仓。每个料仓的底部均设置下料控制插板13，布料时，打开底部的下料控制插板13，由旋转机构11带动料筒12进行旋转，下料量、三种料的下料比例由旋转机构11的转速和下料控制插板13的开口角度进行调节。

具体的，上述布料系统还包括与料筒12连接的支架14，支架14的底部安装滚轮，方便将料筒12移动到反应炉体上方。

具体的，上述炉外法冶炼钒铝合金的装置还包括加热电极9，加热电极9设置在铜坩埚2上部，加热电极9是石墨材质，加热电极9可以移动，可以实现高度升降、且可以在水平方向旋转。具体的，在铝热反应前，加热电极9上升至高位，旋转离开铜坩埚2正上方，在铝热反应结束后，加热电极9旋转至铜坩埚2上方，下降至铜坩埚2内部，加热电极9接触铝热反应后金属熔池上部形成的渣层，通电加热，达到保持反应渣液高温状态，为金属熔池保温或加热(所用功率Q＝(1～2)*M，单位kw，并在0.5～5小时后断电；M为加入物料的总质量，单位为Kg，实现金属熔池缓慢凝固。

具体的，上述炉外法冶炼钒铝合金的装置还包括基座10，基底1安装在基座10上，基座10可以为移动小车。

本发明还提供了一种炉外法冶炼钒铝合金的方法，包括如下步骤：

步骤1、布料前，小流量顶底复合供气：开启底部的毛细管吹气元件和顶部的吹气套环供气；

步骤2、小流量顶底复合供气的同时在铜坩埚内分层布料：先铺一层五氧化二钒，再铺一层铝粒，最后铺一层造渣剂；再次，先铺一层五氧化二钒，再铺一层铝粒，最后铺一层造渣剂；按照上述顺序，依次往上铺料，直到所铺物料重量达到锭型重量冶炼要求；

步骤3、引燃电极通电，同时大流量顶底复合供气，进行铝热反应冶炼；

步骤4、铝热反应结束后，小流量顶底复合供气，加热电极接触铝热反应后金属熔池上部形成的渣层，通电加热，并在0.5～5小时后断电，实现金属熔池缓慢凝固；其中，步骤1中的底部供气流量L_底1、顶部供气流量为L_顶1与步骤3中的底部供气流量L_底2、顶部供气流量为L_顶2与步骤4中的底部供气流量L_底3、顶部供气流量为L_顶3符合如下关系：L_底1＜L_底2，L_顶1＜L_顶2，L_底3＜L_底2，L_顶3＜L_顶2。

具体的，本发明的方法中，总体原则为布料前及布料时小流量顶底复合供气能够不吹动五氧化二钒、铝粒、造渣剂布料并缓慢排除空气；铝热反应时，大流量顶底复合供气能够确保反应热蒸发气搅动空气进入反应容器，铝热反应结束后，小流量顶底复合供气保证空气不进入反应容器；并且在铝热反应结束后，采用加热电极接触铝热反应后金属熔池上部形成的渣层，通电加热，实现金属熔池缓慢凝固，进而减小偏析，提高均匀性。

具体的，上述步骤2中，如果需要采用其他辅料，其他辅料可以与造渣剂混合后使用，后文中为方便描述，将其他辅料与造渣剂混合后的物料也简称为造渣剂。

具体的，上述步骤1之前还包括将五氧化二钒、铝粒、造渣剂等物料在100～200℃下烘烤1～3个小时，备用。基底1与铜坩埚2组成的反应炉也需要在100～300℃温度下烘烤1～3个小时，备用；烘烤的目的是脱水，以防止水分的存在引起爆炸。

具体的，上述步骤2中，为了减少杂质含量，五氧化二钒、铝粒、造渣剂等物料均采用高纯物料。

具体的，上述步骤1中，流量单位L/min。底部供气流量L_底1为3*H≤L_底1≤(0.1～0.3)*D1，其中H为单层五氧化二钒+单层铝粒+单层造渣剂的料层厚度；顶部供气流量L_顶1为(1～8)*D1≥L_顶1≥(0.1～0.8)*D1。

具体的，上述步骤3中，流量单位L/min。底部供气流量L_底2为(6～9)*H≤L_底2≤(0.3～0.5)*D1，顶部供气流量L_顶2为(4～20)*D1≥L_顶2≥(0.4～2)*D1。

具体的，上述步骤4中，流量单位L/min。底部供气流量L_底3为3*H≤L_底3≤(0.1～0.3)*D1，顶部供气流量L_顶3为(1～8)*D1≥L_顶3≥(0.1～0.8)*D1。

具体的，上述步骤2中，为了防止料筒12和吹气套环8发生碰撞，布料系统进行布料时，料筒12的底部要高于吹气套环8的上部约1～5cm。

具体的，上述步骤2中，五氧化二钒料层的厚度为H1，H1的单位为mm，为了保证底部所吹气体能够穿透炉料上升到炉口，即炉料布料具有透气性，H1一般控制在1～5mm，五氧化二钒的粒度控制为1～3mm；铝粒料层厚度为(0.1～10)*H1(需要根据不同铝热合金的成分比例计算配加铝量)，铝粒的粒度为1～3mm；造渣剂料层厚度为(0.1～3)*H1，粒度为1～3mm。

与现有技术相比，本发明的炉外法冶炼钒铝合金的方法，布料前及布料时小流量顶底复合供气能够不吹动五氧化二钒、铝粒、造渣剂布料并缓慢排除空气；铝热反应时，大流量顶底复合供气能够确保反应热蒸发气搅动空气进入反应容器，铝热反应结束后，小流量顶底复合供气保证空气不进入反应容器；并且在铝热反应结束后，采用加热电极接触铝热反应后金属熔池上部形成的渣层，通电加热，实现金属熔池缓慢凝固，进而减小偏析，提高均匀性。通过采用分层布料，并且控制每层物料的厚度，能够避免任一物料在反应器内局部分布不均匀、保证整体物料的反应均匀性，提高钒铝合金锭的质量。

采用本发明的装置和方法可以降低钒铝合金炉外法生产时耐材、渣料带入的杂质含量，改善传统混料机混料不均匀、反应与凝固区域偏析大、氧化膜多等质量问题，提高钒铝合金锭的质量。

实施例1

如图1-图5所示，本实施例提供了一种炉外法冶炼钒铝合金的装置，包括基底1、以及基底1上部连接的铜坩埚2；基底1是耐火砖基底，基底1的材料为高纯氧化铝材质，基底1是整体式；基底1的底部为半球形，半球形的底部空腔体积≥所需冶炼的合金锭体积；基底1的底部设有毛细管吹气元件3；铜坩埚2为圆柱桶形。

具体的，铜坩埚2的直径D1为1000mm，与基底1的底部的半球形的直径D2相同。

具体的，基底1的底部中间区域预留两个电极孔4，电极孔4的形状为上小下大，具体的，电极孔4的上端直径d1为5mm，电极孔4的下端直径d2为7mm；电极孔4内插入两根通体同直径的引燃电极15，引燃电极15为石墨材质，如图3所示，引燃电极15包括圆柱形杆身和顶部端头，引燃电极15的顶部端头为圆锥尖头形；引燃电极15的杆身的直径d3为6mm，圆锥尖头形的高度7.2mm，引燃电极15用于引燃铝热反应。每次布料前，先安装好引燃电极。

具体的，铜坩埚2的外侧设有冷却水管道5，冷却水管道5的靠近基底1一侧设有进水口6，远离基底1一侧设有出水口7；冷却水管道5的出水温度高于进水温度，具体的，出水温度与进水温度的温度差值≤8℃。冷却水管道5的水流量在800L/min。

具体的，冷却水管道5的进水口管径比出水口管径大1.3倍。

具体的，铜坩埚2的顶部安装吹气套环8，吹气套环8为圆形管路，吹气套环8的内直径与外直径与铜坩埚2匹配，在吹气套环8的管路内圈开设宽度2mm的环形出气带，使得所吹气体在铜坩埚2的顶部形成封闭气流保护气氛。

具体的，本发明的炉外法冶炼钒铝合金的装置还包括布料系统，如图4所示，布料系统包括料筒12以及与料筒12连接的旋转机构11；料筒12内包括3个料仓，3个料仓分别用于装五氧化二钒、铝粒、造渣剂，如果需要加入其他少量辅料，可以与造渣剂混合后装入同一料仓。料筒12底部设置下料控制插板13，布料时，打开底部的下料控制插板13，由旋转机构11带动料筒12进行旋转，下料量、三种料的下料比例由旋转机构11的转速和下料控制插板13的开口角度进行调节。

具体的，上述布料系统还包括与料筒12连接的支架14，支架14的底部安装滚轮，方便将料筒12移动到反应炉体上方。

具体的，上述炉外法冶炼钒铝合金的装置还包括加热电极9，加热电极9设置在铜坩埚2上部，加热电极9是石墨材质，加热电极9可以移动，可以实现高度升降、且可以在水平方向旋转。

具体的，上述炉外法冶炼钒铝合金的装置还包括基座10，基底1安装在基座10上。

实施例2

本实施例提供了一种炉外法冶炼钒铝合金的方法，采用实施例1的装置，包括如下步骤：

步骤1、布料前，小流量顶底复合供气：开启底部的毛细管吹气元件和顶部的吹气套环供气；供气的气体为氩气，底部供气流量L_底1为30L/min，顶部供气流量为L_顶1为200Lmin；

步骤2、小流量顶底复合供气的同时在铜坩埚内分层布料：先铺一层五氧化二钒，再铺一层铝粒，最后铺一层造渣剂；再次，先铺一层五氧化二钒，再铺一层铝粒，最后铺一层造渣剂；按照上述顺序，依次往上铺料，直到所铺物料重量达到锭型重量冶炼要求；五氧化二钒、铝粒、造渣剂的平均粒度在1mm；五氧化二钒料层单层厚度约为2mm，铝粒料层单层厚度约为3mm，造渣剂料层单层厚度约为1.8mm；

布料时，打开下料控制插板(五氧化二钒的料仓下料控制插板开度角度5度、铝粒的料仓下料控制插板开度角度6度、造渣剂的料仓下料控制插板开度角度4度)，由旋转机构带动料筒进行旋转，转速为20r/min；布料时，料筒的高度高于吹气套环上部约3cm；

具体的，五氧化二钒、铝粒、造渣剂先在150℃下烘烤3个小时再使用，基底1与铜坩埚2组成的反应炉也需要在150℃温度下烘烤3个小时再使用；

步骤3、引燃电极通电，同时大流量顶底复合供气，进行铝热反应冶炼；底部供气流量为60L/min，顶部供气流量为L_顶2为600L/min；

步骤4、铝热反应结束后，小流量顶底复合供气(底部供气流量L_底3为30L/min，顶部供气流量为L_顶3为200L/min)，加热电极接触铝热反应后金属熔池上部形成的渣层，通电加热(所用功率200kw)，并在1小时后断电，实现金属熔池缓慢凝固，得到钒铝合金。

实施例3

本实施例提供了一种炉外法冶炼钒铝合金的方法，采用实施例1的装置，包括如下步骤：

步骤1、布料前，小流量顶底复合供气：开启底部的毛细管吹气元件和顶部的吹气套环供气；供气的气体为氩气，底部供气流量L_底1为40L/min，顶部供气流量为L_顶1为220Lmin；

步骤2、小流量顶底复合供气的同时在铜坩埚内分层布料：先铺一层五氧化二钒，再铺一层铝粒，最后铺一层造渣剂；再次，先铺一层五氧化二钒，再铺一层铝粒，最后铺一层造渣剂；按照上述顺序，依次往上铺料，直到所铺物料重量达到锭型重量冶炼要求；五氧化二钒、铝粒、造渣剂的平均粒度在1.5mm；五氧化二钒料层单层厚度约为2.5mm，铝粒料层单层厚度约为3.2mm，造渣剂料层单层厚度约为2mm；

布料时，打开下料控制插板(五氧化二钒的料仓下料控制插板开度角度5度、铝粒的料仓下料控制插板开度角度6度、造渣剂的料仓下料控制插板开度角度4度)，由旋转机构带动料筒进行旋转，转速为20r/min；布料时，料筒的高度高于吹气套环上部约3cm；

具体的，五氧化二钒、铝粒、造渣剂先在200℃下烘烤2个小时再使用，基底1与铜坩埚2组成的反应炉也需要在200℃温度下烘烤2个小时再使用；

步骤3、引燃电极通电，同时大流量顶底复合供气，进行铝热反应冶炼；底部供气流量为90L/min，顶部供气流量为L_顶2为800L/min；

步骤4、铝热反应结束后，小流量顶底复合供气(底部供气流量L_底3为40L/min，顶部供气流量为L_顶3为220L/min)，加热电极接触铝热反应后金属熔池上部形成的渣层，通电加热(所用功率200kw)，并在1小时后断电，实现金属熔池缓慢凝固，得到钒铝合金。

采用实施例2-3的方法进行冶炼，结果如下，与对比例1相比，实施例2的钒铝合金的凝固偏析降低约15％，氧化膜减少约30％以上，杂质含量较低，钒铝合金锭质量有所改善。与对比例1相比，实施例3的钒铝合金的凝固偏析降低约17％，氧化膜减少约32％以上，杂质含量较低，例如，钒铝合金中的Si含量0.035wt％以下，O含量0.03wt％以下，钒铝合金锭质量有所改善。杂质含量对比情况如下表1。

表1钒铝合金产品杂质含量情况对比(wt％)

对比例1

本对比例提供了一种现有的炉外法冶炼钒铝合金的方法，采用搅拌机式混料搅拌器进行五氧化二钒、铝粒、造渣剂三种炉料的混合，利用耐火砖砌筑底部平面，并与放置在底部平面上的圆筒状石墨坩埚组成反应容器，将混匀好的物料倒入反应容器，利用在物料顶部表面镁条燃烧热或底部电极引燃方式进行实验/生产，所得产品指标见表1。

发明人在研究过程中进行了大量参数的研究，现将其中效果不好的方案作为对比例列举如下：

对比例2

本对比例提供了一种炉外法冶炼钒铝合金的方法，整体步骤与实施例1大致相同，不同之处在于：

步骤3中，底部供气流量为30L/min，顶部供气流量为L_顶2为200L/min。

与对比例1相比，对比例2的钒铝合金的凝固偏析降低约8％，氧化膜减少约10％，杂质含量如表1。

对比例3

本对比例提供了一种炉外法冶炼钒铝合金的方法，整体步骤与实施例1大致相同，不同之处在于：

步骤4中，铝热反应结束后，小流量顶底复合供气，实现金属熔池缓慢凝固，得到钒铝合金，即不采用加热电极接触铝热反应后金属熔池上部形成的渣层。

与对比例1相比，对比例3的钒铝合金的凝固偏析降低约5％，氧化膜减少约15％，杂质含量如表1。

通过对比实施例2、实施例3和对比例1，可见，采用本发明的方法进行冶炼，钒铝合金的凝固偏析降低约15％，氧化膜减少约30％以上，杂质含量较低，钒铝合金锭质量有所改善。

通过对比实施例2、实施例3和对比例2，可见，采用本发明的方法进行冶炼时，通过精确控制各个步骤和参数，能更好的达到降低偏析，减少氧化膜，减少杂质含量的效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种炉外法冶炼钒铝合金的装置，其特征在于，所述炉外法冶炼钒铝合金的装置包括基底(1)、以及所述基底(1)上部连接的铜坩埚(2)；所述基底(1)的底部为半球形，半球形的底部空腔体积≥所需冶炼的合金锭体积；所述基底(1)的底部设有毛细管吹气元件(3)；所述铜坩埚(2)为圆柱桶形，所述铜坩埚(2)作为反应炉。

2.根据权利要求1所述的炉外法冶炼钒铝合金的装置，其特征在于，所述铜坩埚(2)的直径D1与基底(1)的底部的半球形的直径D2相同。

3.根据权利要求1所述的炉外法冶炼钒铝合金的装置，其特征在于，所述基底(1)的底部中间区域预留两个电极孔(4)。

4.根据权利要求3所述的炉外法冶炼钒铝合金的装置，其特征在于，所述电极孔(4)的形状为上小下大。

5.根据权利要求1所述的炉外法冶炼钒铝合金的装置，其特征在于，所述铜坩埚(2)的外侧设有冷却水管道(5)，所述冷却水管道(5)的靠近基底(1)一侧设有进水口(6)，远离基底(1)一侧设有出水口(7)。

6.根据权利要求1所述的炉外法冶炼钒铝合金的装置，其特征在于，所述铜坩埚(2)的顶部安装吹气套环(8)，所述吹气套环(8)为圆形管路，所述吹气套环(8)的内直径与外直径与铜坩埚(2)匹配，在所述吹气套环(8)的管路内圈开设环形出气带。

7.根据权利要求1所述的炉外法冶炼钒铝合金的装置，其特征在于，所述炉外法冶炼钒铝合金的装置还包括布料系统，所述布料系统包括料筒(12)以及与所述料筒(12)连接的旋转机构(11)；所述料筒(12)内包括多个料仓，每个料仓的底部均设置下料控制插板(13)。

8.根据权利要求1至7任一项所述的炉外法冶炼钒铝合金的装置，其特征在于，所述炉外法冶炼钒铝合金的装置还包括加热电极(9)，所述加热电极(9)设置在所述铜坩埚(2)上部。

9.一种炉外法冶炼钒铝合金的方法，其特征在于，所述炉外法冶炼钒铝合金的方法采用权利要求1至8任一项所述的炉外法冶炼钒铝合金的装置，包括如下步骤：

步骤1、布料前，小流量顶底复合供气；

步骤2、小流量顶底复合供气的同时在铜坩埚内分层布料：先铺一层五氧化二钒，再铺一层铝粒，最后铺一层造渣剂；再次，先铺一层五氧化二钒，再铺一层铝粒，最后铺一层造渣剂；按照上述顺序，依次往上铺料，直到所铺物料重量达到锭型重量冶炼要求；

步骤3、引燃电极通电，同时大流量顶底复合供气，进行铝热反应冶炼；

步骤4、铝热反应结束后，小流量顶底复合供气，加热电极接触铝热反应后金属熔池上部形成的渣层，通电加热，并在0.5～5小时后断电，实现金属熔池缓慢凝固；

步骤1中的底部供气流量L_底1、顶部供气流量为L_顶1与步骤3中的底部供气流量L_底2、顶部供气流量为L_顶2与步骤4中的底部供气流量L_底3、顶部供气流量为L_顶3符合如下关系：L_底1＜L_底2，L_顶1＜L_顶2，L_底3＜L_底2，L_顶3＜L_顶2。

10.根据权利要求9所述的炉外法冶炼钒铝合金的方法，其特征在于，所述步骤1之前还包括烘烤物料。