CN117587239A - 一种精炼剂与精炼气体共吹的合金熔体净化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铝合金熔体处理技术领域，具体为一种精炼剂与精炼气体共吹的合金熔体净化方法，采用内部具有双层通道的中空石墨转子，通过输送气体经由内层通道将精炼剂喷吹到合金熔体，经由外层通道向合金熔体喷吹精炼气体；精炼剂与精炼气体共吹过程根据内层通道中的高温区长度和外层通道宽度确定精炼气体喷吹流量，本发明通过高压气体喷吹结合喷头高速旋转的方式，使得精炼剂与铝液间的润湿性得到显著改善，降低了精炼剂添加难度，此外，吹入熔体底部的精炼剂在高速转子的搅拌作用下可以被均匀分散到熔体各个区域，精炼剂的吸附净化作用可以发挥得更充分，精炼效果相应提升。
Description
技术领域
本发明属于有色金属或合金的熔体处理技术领域，尤其涉及合金熔体的净化处理，具体涉及一种精炼剂与精炼气体共吹的合金熔体净化方法。
背景技术
为应对日益严峻的能源危机和环境问题，轻量化已成为航空航天、汽车、轨道交通等领域的必然发展趋势。铝合金具有轻质、高比强度、加工性能好等一系列优点，是一种极具发展潜力的轻量化材料。广义来说，几乎所有铝合金产品在加工过程中都要经历熔炼环节。由于高温下铝熔体易于空气中的氧及水蒸气发生反应，熔炼过程中不可避免的会引入大量的氢及氧化铝等杂质。这些杂质若不能被有效去除，凝固后就会形成气孔及夹杂缺陷，显著降低产品性能并导致废品率上升。因此，为保证产品质量，对铝液进行净化处理是必不可少的关键步骤。
目前铸造铝合金行业中普遍采用添加精炼剂（主要成分为NaCl和KCl）与旋转喷吹惰性气体（主要为氮气或氩气）相结合的方式对铝液进行复合精炼。其中，精炼剂主要用于去除熔体中的氧化铝夹杂以及碱金属和碱土金属杂质元素；惰性气体主要用于去除熔体中的氢；高速旋转的转子主要用于破碎精炼气泡以及加强精炼介质与铝熔体间的接触及相互作用。在前述复合精炼工艺中，主要是通过人工抛洒或送料斗将精炼剂添加到熔体表面，再通过高速旋转的转子将精炼剂卷入熔体内部。由于精炼剂粉末与铝熔体润湿性较差，这种添加方式不可避免的存在添加困难的问题，导致精炼剂难以进入到熔体内部去充分发挥其净化作用。此外，此方法还存在烟尘排放多的问题，会对车间环境和操作工人的健康造成不利影响。上世纪90年代提出的旋转喷吹熔剂法通过将精炼剂与精炼气体同时吹入熔体中的方式来解决前述精炼剂添加困难以及烟尘排放多的问题。但此方法主要应用于变形铝合金，所采用的精炼剂主要用于去除熔体中的碱金属成分，熔点较低，不存在通道堵塞的问题。而在铸造铝合金的应用中，由于精炼剂成分的不同，在高温下会变软而粘附于管道内部，导致喷吹过程中转子容易被精炼剂堵塞而无法正常工作。因此该方法尚未获得推广应用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种精炼剂与精炼气体共吹的合金熔体净化方法。采用精炼剂喷吹通道外套精炼气体喷吹通道的方式解决转子易被精炼剂堵塞的问题；通过独立调节两个通道的喷吹压力，在实现精炼剂有效添加的同时获得细小的精炼气泡，显著提升了旋转喷吹法的精炼效果。
为实现上述目的，本发明完整的技术方案包括：
一种精炼剂与精炼气体共吹的合金熔体净化方法，采用双层通道的中空石墨转子，
所述中空石墨转子包括转杆和位于转杆下方的喷头，所述转杆设有内层通道和外层通道，所述内层通道和外层通道均包括入口和出口，其中内层通道位于转杆中央，内层通道的出口设于喷头的下方，外层通道位于内层通道外侧，外层通道的出口设于喷头的侧面；内层通道和外层通道的入口均位于转杆上方并与对应的喷吹管连接，内层通道与外层通道之间不连通；
所述精炼剂与精炼气体共吹的合金熔体净化方法包括：通过输送气体经由所述内层通道将精炼剂喷吹到合金熔体，经由外层通道向合金熔体喷吹精炼气体；精炼剂与精炼气体共吹过程根据内层通道中的高温区长度和外层通道宽度确定精炼气体喷吹流量，所述高温区长度是指合金熔体净化过程中内层通道中温度大于540℃区域的长度。
进一步的，所述精炼剂与精炼气体共吹的合金熔体净化方法包括如下步骤：
S1：将所需处理的合金锭熔化并升温至预定温度后保温，得到合金熔体；
S2：称取所需质量的精炼剂并将其放置于送料器中；
S3：下降中空石墨转子至合金熔体内部，开启旋转并提升至预定转速；
S4：开启内层通道的精炼剂喷吹与外层通道的精炼气体喷吹，进入精炼剂与精炼气体共吹模式，根据内层通道中的高温区长度和外层通道宽度，采用如下方式确定精炼气体喷吹流量：
当10mm≤外层通道宽度＜15mm时，；
当15mm≤外层通道宽度＜20mm时，；
当20mm≤外层通道宽度≤25mm时，；
其中，为高温区长度，单位为mm，/>的取值范围为15≤Q≤60L/min；
S5：精炼剂添加完毕后，关闭内层通道，只进行精炼气体喷吹；达到预定处理时间后，将中空石墨转子从合金熔体中移出，完成合金熔体净化。
进一步的，所述内层通道截面形状为圆形，直径为10-50mm。
进一步的，所述外层通道截面形状为环形，外层通道宽度是指环形截面的外圆半径与内圆半径的差值。
进一步的，合金熔体的单次处理量为200-1000kg。
进一步的，所述合金熔体为铝液。
进一步的，S1中，预定温度为700-750℃。
进一步的，精炼剂为NaCl、KCl、MgCl2、Na3AlF6、KF中的一种或多种组合，精炼剂添加量占合金熔体质量的0.1-1.0wt.%。
进一步的，S3中，石墨转子喷头下降至距合金熔体底部20-50mm处，预定转速为200-600r/min。
进一步的，精炼气体为氮气或氩气，纯度≥99.99%，用于喷吹精炼剂的输送气体为氮气或氩气，纯度≥99.99%。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）设计了专门的通道将精炼剂直接经由石墨转子送入铝合金熔体内部，规避了表面添加时存在的由于润湿性差导致的精炼剂添加困难问题，以及由于精炼剂在熔体表面停留时间过长导致的烟尘排放问题。通过高压气体喷吹结合喷头高速旋转的方式，可以有效改善铝合金熔体与精炼剂之间的润湿情况，降低精炼剂添加难度。此外，吹入熔体底部的精炼剂在高速转子的搅拌作用下可以被均匀分散到熔体各个区域，精炼剂的吸附净化作用可以发挥得更充分，精炼效果相应提升。
（2）采用精炼剂通道外套精炼气体通道的双通道喷出方法，有效解决了现有单通道旋转喷吹熔剂法中容易出现的精炼剂堵塞转子问题。与单通道时喷吹管道直接与高温熔体接触不同，采用双通道喷吹时，热量需要通过外层通道中导热系数较低的精炼气体传导至内层通道，从了有效减缓了精炼剂在喷吹过程中的受热升温。外层通道的隔热效果保证了喷吹过程中精炼剂温升不会过高，可以始终保持较好的流动性，不会出现精炼剂高温下变软后粘附于管道内壁而堵塞转子的情况。
（3）相比于单通道旋转喷吹法，本发明提供了通道尺寸可独立设计、喷吹压力可独立调节的双通道喷吹系统，可以进行更为灵活多样的喷吹工艺参数设计，更有利于同时充分发挥精炼剂和精炼气体的吸附精炼效果。在精炼剂喷吹方面，可以通过适当扩大通道尺寸并辅以高压喷吹的方式来实现精炼剂的顺利添加；在精炼气体喷吹方面，可以通过适当减小通道尺寸并将通道出口设置在剪切作用最强的喷头侧壁来实现小尺寸精炼气泡的获得。
附图说明
图1为本发明提出的双通道旋转喷吹转子结构示意图。
图2为本发明提出的双通道旋转喷吹转子工作示意图。
图中：1-转杆，2-喷头，3-内层通道，4-外层通道。
具体实施方式
下面结合本发明的附图和实施例，对本发明的技术方案进行进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅作为例示，并非用于限制本次申请。
参见附图1，本发明提出的双通道转子的材质为石墨，由转杆1和喷头2组成，两者通过螺纹连接。石墨转子具有互不连通的内层通道3和外层通道4，内层通道3的出口设置在喷头2的底部中心处，外层通道4的出口设置在喷头2的侧壁处，数量为5-8个。
参见附图2，精炼过程中，精炼剂以惰性气体（氮气或氩气）为载体经由转子内层通道被喷吹入铝熔体中。与此同时，精炼气体（氮气或氩气）经由转子外层通道被喷吹入铝熔体中。喷吹过程中，外层通道中的精炼气体对内层通道起到了很好的隔热和冷却效果，保证了精炼剂在输送过程中不会温升过高，从而不会出现由于精炼剂在高温下变软而堵塞转子的情况。精炼剂与精炼气体共吹过程根据内层通道中的高温区长度和外层通道宽度确定精炼气体喷吹流量，所述高温区长度是指合金熔体净化过程中内层通道中温度大于540℃区域的长度。
精炼剂与精炼气体共吹的合金熔体净化方法包括如下步骤：
S1：将所需处理的合金锭熔化并升温至预定温度后保温，得到合金熔体；
S2：称取所需质量的精炼剂并将其放置于送料器中；
S3：下降中空石墨转子至合金熔体内部，开启转动并提升至预定转速；
S4：开启内层通道的精炼剂喷吹与外层通道的精炼气体喷吹，进入精炼剂与精炼气体共吹模式，根据内层通道中的高温区长度和外层通道宽度，采用如下方式确定精炼气体喷吹流量：
当10mm≤外层通道宽度＜15mm时，；
当15mm≤外层通道宽度＜20mm时，；
当20mm≤外层通道宽度≤25mm时，；
其中，为高温区长度，单位为mm，/>的取值范围为15≤Q≤60L/min。
在该步骤中， 由于本发明的主要目的是通过增加冷却通道对转杆内层精炼剂喷吹通道进行冷却降温，从而缩短精炼剂喷吹通道内壁高温区（＞540℃）长度，防止精炼喷吹过程中精炼剂过早接触到高温壁面而变软堵塞通道。在该过程中，压缩空气喷吹流量为一个重要的参数，过小的流量不足以使冷却并避免精炼剂软化，而过大的流量则会导致能耗的增加，且没有必要。因而本发明在实际应用中根据选用的冷却通道尺寸和所需冷却效果（对高温区长度的要求），通过上述公式确定出所需的临界（最低）压缩空气流量。同时在实际应用中，部分流量可根据现场需求进行适应性调整，部分采用的参数如表1所示。
表1不同冷却通道宽度下根据高温区长度确定的压缩空气流量
当精炼剂添加完毕后，关闭内层通道，只进行精炼气体喷吹；当达到预定处理时间后，将中空石墨转子从合金熔体中移出。
对常规单通道旋转喷吹转子以及本发明提出的的双通道旋转喷吹转子在750℃铝合金熔体中工作的传热情况进行了仿真并进行对比，结果表明：
常规单通道旋转喷吹转子的转轴在750℃铝液中工作时，石墨转轴中心精炼剂通道直径30mm；石墨转轴外直径90mm。没有外层通道设计的冷却作用，转杆在750℃铝液中迅速升温，在一分钟之内，大部分达到和铝液相同的较高温度。
本发明提出的双通道旋转喷吹转子在750℃铝液中工作时，双通道转子的内层通道直径为15mm，外层通道内直径为30mm，外直径为80mm。外层通道中精炼气体流量为47L/min，在此条件下，内层精炼剂通道约3/4部分处于500℃以下，与单通道旋转喷吹相比，有明显的降温效果。
实施例1
一种实现精炼剂与精炼气体共吹的A356合金熔体旋转喷吹净化方法，所采用双通道转子的内层通道直径为10mm，外层通道内直径为30mm，外直径为50mm。
净化处理过程的具体步骤如下：
步骤1：称取400kg的A356合金新锭，将其置于熔炼炉中加热至完全熔化后转入中间包。调整中间包加热功率，将铝液温度控制在710±10℃；
步骤2：称取1kg精炼剂，将所称取精炼剂在150℃下烘干1h后，放置于石墨转子上方的送料器中；
步骤3：开启石墨转子转动，调整转速至200r/min，将转子下降至距中间包内铝液底部50mm处，然后将转速提升至500r/min。
步骤4：开启精炼剂喷吹通道与精炼气体喷吹通道，两通道所用气体均为纯度≥99.99%的氮气。设置内层精炼剂喷吹通道的气体压力为0.8MPa，精炼剂添加速率为5g/s，设置外层精炼气体喷吹压力为0.6MPa，气体流量为30L/min。待步骤2中所称取精炼剂添加完毕后，关闭精炼剂喷吹通道。当精炼时间达到20min后，关闭精炼气体喷吹通道，并移出石墨转子，完成精炼。经旋转喷吹处理后的铝液密度大于2.63g/cm3，纯净度满足生产质量要求。
实施例2
一种实现精炼剂与精炼气体共吹的再生A356合金熔体旋转喷吹净化方法，所采用的双通道转子的内层通道直径为10mm，外层通道内直径为30mm，外直径为60mm。
净化处理过程的具体步骤如下：
步骤1：称取120kgA356合金回炉料和280kgA356合金新锭，将其置于熔炼炉中加热至完全熔炼后转入中间包。调整中间包加热功率，将铝液温度控制在720±10℃；
步骤2：称取1.2kg精炼剂，将精炼剂在150℃下烘干1h后，放置于石墨转子上方的送料器中；
步骤3：开启石墨转子转动，调整转速至200r/min，将转子下降至距中间包内铝液底部50mm处，然后将转速提升至550r/min。
步骤4：开启精炼剂喷吹通道与精炼气体喷吹通道，两通道所用气体均为纯度≥99.99%的氮气。设置内层精炼剂喷吹通道的气体压力为0.8MPa，精炼剂添加速率为5g/s，设置外层精炼气体喷吹压力为0.6MPa，气体流量为25L/min。待步骤2中所称取精炼剂添加完毕后，关闭精炼剂喷吹通道。当精炼时间达到25min后，关闭精炼气体喷吹通道，并移出石墨转子，完成精炼。经旋转喷吹处理后的铝液密度大于2.63g/cm3，纯净度满足生产质量要求。
以上申请的仅为本申请的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种精炼剂与精炼气体共吹的合金熔体净化方法，其特征在于，采用双层通道的中空石墨转子，
所述中空石墨转子包括转杆和位于转杆下方的喷头，所述转杆设有内层通道和外层通道，所述内层通道和外层通道均包括入口和出口，其中内层通道位于转杆中央，内层通道的出口设于喷头的下方，外层通道位于内层通道外侧，外层通道的出口设于喷头的侧面；内层通道和外层通道的入口均位于转杆上方并与对应的喷吹管连接，内层通道与外层通道之间不连通；
所述精炼剂与精炼气体共吹的合金熔体净化方法包括：通过输送气体经由所述内层通道将精炼剂喷吹到合金熔体，经由外层通道向合金熔体喷吹精炼气体；精炼剂与精炼气体共吹过程根据内层通道中的高温区长度和外层通道宽度确定精炼气体喷吹流量，所述高温区长度是指合金熔体净化过程中内层通道中温度大于540℃区域的长度。
2.根据权利要求1所述的一种精炼剂与精炼气体共吹的合金熔体净化方法，其特征在于，所述精炼剂与精炼气体共吹的合金熔体净化方法包括如下步骤：
S1：将所需处理的合金锭熔化并升温至预定温度后保温，得到合金熔体；
S2：称取所需质量的精炼剂并将其放置于送料器中；
S3：下降中空石墨转子至合金熔体内部，开启旋转并提升至预定转速；
S4：开启内层通道的精炼剂喷吹与外层通道的精炼气体喷吹，进入精炼剂与精炼气体共吹模式，根据内层通道中的高温区长度和外层通道宽度，采用如下方式确定精炼气体喷吹流量：
当10mm≤外层通道宽度＜15mm时，；
当15mm≤外层通道宽度＜20mm时，；
当20mm≤外层通道宽度≤25mm时，；
其中，为高温区长度，单位为mm，/>的取值范围为15≤Q≤60L/min；
S5：精炼剂添加完毕后，关闭内层通道，只进行精炼气体喷吹；达到预定处理时间后，将中空石墨转子从合金熔体中移出，完成合金熔体净化。
3.根据权利要求2所述的一种精炼剂与精炼气体共吹的合金熔体净化方法，其特征在于，所述内层通道截面形状为圆形，直径为10-50mm。
4.根据权利要求2所述的一种精炼剂与精炼气体共吹的合金熔体净化方法，其特征在于，所述外层通道截面形状为环形，外层通道宽度是指环形截面的外圆半径与内圆半径的差值。
5.根据权利要求2所述的一种精炼剂与精炼气体共吹的合金熔体净化方法，其特征在于，合金熔体的单次处理量为200-1000kg。
6.根据权利要求2所述的一种精炼剂与精炼气体共吹的合金熔体净化方法，其特征在于，所述合金熔体为铝液。
7.根据权利要求6所述的一种精炼剂与精炼气体共吹的合金熔体净化方法，其特征在于，S1中，预定温度为700-750℃。
8.根据权利要求6所述的一种精炼剂与精炼气体共吹的合金熔体净化方法，其特征在于，精炼剂为NaCl、KCl、MgCl2、Na3AlF6、KF中的一种或多种组合，精炼剂添加量占合金熔体质量的0.1-1.0wt.%。
9.根据权利要求6所述的一种精炼剂与精炼气体共吹的合金熔体净化方法，其特征在于， S3中，石墨转子喷头下降至距合金熔体底部20-50mm处，预定转速为200-600r/min。
10.根据权利要求6所述的一种精炼剂与精炼气体共吹的合金熔体净化方法，其特征在于，精炼气体为氮气或氩气，纯度≥99.99%，用于喷吹精炼剂的输送气体为氮气或氩气，纯度≥99.99%。
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