CN117604311B - 一种基于三通道转子的铝合金旋转喷吹精炼方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铝合金熔体处理技术领域，具体为一种基于三通道转子的铝合金旋转喷吹精炼方法，三通道转子包括用于吹送精炼剂的内层通道，输送压缩空气的中间层通道和外层通道，中间层通道和外层通道构成冷却通道，旋转喷吹精炼过程中，压缩空气位于冷却通道内部且不与铝合金熔体接触；旋转喷吹精炼过程根据内层通道中的高温区长度和冷却通道宽度确定压缩空气喷吹流量，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，并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。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
本发明属于铝合金熔体处理技术领域，尤其涉及铝合金熔体的旋转喷吹净化处理，具体涉及一种基于三通道转子的铝合金旋转喷吹精炼方法。
背景技术
铸造铝合金具有轻质、高比强度、加工性能好等一系列优点，是一种十分理想的轻量化材料，在航空航天、汽车、轨道交通等领域均具有广阔的应用前景。获得纯净度达标的合金熔体是制备高性能铝合金铸件的必要前提条件，由于高温下铝熔体容易与空气中的水蒸气及氧气发生反应，熔炼过程中不可避免的存在吸氢和吸氧现象，从而导致熔体中氢和氧化铝夹杂的含量升高。这些杂质若不能在浇注前被有效去除，凝固后就会形成气孔及夹杂缺陷，显著削弱铸件性能，甚至造成产品报废。因此，为使其纯净度满足要求，对铝合金熔体进行纯净化处理是生产中必不可少的关键环节。
目前铸造铝合金行业内主要基于气泡浮游法和熔剂法对铝合金熔体进行纯净化处理，普遍采用添加精炼剂（主要成分为NaCl和KCl）与旋转喷吹精炼气体（主要为氮气或氩气）相结合的方式对铝合金熔体进行复合精炼，依靠精炼介质的吸附作用来达到除气除杂的目的。其中，精炼剂主要用于去除氧化铝夹杂以及碱金属和碱土金属杂质元素；精炼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合金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。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
为解决上述问题，本发明提供了一种具有三通道的旋转喷吹转子结构来解决传统单通道转子在喷吹精炼剂时存在的转子通道易被堵塞问题。
为实现上述目的，本发明完整的技术方案包括：
一种基于三通道转子的铝合金旋转喷吹精炼方法，所述三通道转子包括内层通道、中间层通道和外层通道，其中，内层通道截面为圆形，其轴线与转子中心轴线重合；中间层通道截面为环形，并环绕在内层通道外围；外层通道截面为环形，并环绕在中间层通道外围；所述内层通道用于喷吹精炼剂，所述中间层通道和外层通道构成冷却通道，用于喷吹压缩空气，压缩空气经由中间层通道自上而下进入转子，然后再经由外层通道自下而上离开转子，旋转喷吹精炼过程中，压缩空气位于冷却通道内部且不与铝合金熔体接触；
所述铝合金旋转喷吹精炼方法包括如下步骤：
S1：将铝合金锭熔化并升温至预定温度后保温，得到铝合金熔体；
S2：称取所需质量的精炼剂并将其放置于送料器中；
S3：下降三通道转子至铝合金熔体内部，开启旋转并提升至预定转速；
S4：开启用于精炼剂喷吹的内层通道以及用于压缩空气喷吹的中间层通道和外层通道，将精炼剂喷吹入铝合金熔体中；根据内层通道中的高温区长度和冷却通道宽度确定压缩空气喷吹流量，所述高温区长度是指旋转喷吹精炼过程中内层通道温度大于540℃区域的长度，所述冷却通道宽度是指中间层通道和外层通道环形截面的外圆半径与内圆半径的差值，采用如下方式确定压缩空气喷吹流量：
当10mm≤冷却通道宽度＜12mm时，；
当12mm≤冷却通道宽度＜16mm时，；
当16mm≤冷却通道宽度≤20mm时，；
其中，为高温区长度，单位为mm，/>的取值范围为10≤Q≤80L/min；
S5：精炼剂添加完毕后，停止中间层通道和外层通道的压缩空气喷吹，内层通道则继续喷吹精炼气体；当达到预定处理时间后，将转子从铝合金熔体中移出，完成精炼。
进一步的，所述三通道转子还包括转杆和喷头两部分；转杆一端与喷吹管相连，另一端与喷头相连；精炼剂与精炼气体由内层通道进入转子，并通过设置于喷头中心底部的出口进入铝合金熔体中；压缩空气由中间层通道进入转子，当到达转杆与喷头连接处后反向进入外层通道，并通过外层通道流出转子。
进一步的，所述精炼剂为NaCl、KCl、MgCl2、Na3AlF6、KF中的一种或多种组合；其软化点为：540~580℃。
进一步的，铝合金熔体单次处理量为200-1000kg。
进一步的，S1中，预定温度为700-750℃。
进一步的，S2中，精炼剂的质量占铝合金熔体质量的0.1-1.0wt.%。
进一步的，S3中，转子喷头下降至距铝合金熔体底部20-50mm处，预定转速为200-600r/min。
进一步的，所述精炼气体为氮气或氩气，纯度≥99.99%。
进一步的，S4中，精炼剂的添加速率为5-20g/s。
进一步的，S4中，精炼气体的喷吹压力为0.3-0.8MPa，流量为10-20L/min。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）实现了精炼剂与精炼气体的同步旋转喷吹，规避了常规工艺中向铝合金熔体表面添加精炼剂时存在的由于润湿性差导致的添加困难问题，以及由于精炼剂在铝合金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，使得精炼剂与铝合金熔体间的润湿性得到显著改善，降低了精炼剂添加难度。此外，吹入铝合金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）采用三通道转子结构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，采用三通道转子喷吹时，热量需要通过外层通道和中间层通道才能传导至用于精炼剂喷吹的内层通道。此外，在中间层通道和外层通道中高速流动的压缩空气可以对内层通道起到显著的隔热冷却作用，保证了喷吹过程中内层通道中的精炼剂温升不会过高，可以始终保持良好的流动性，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。
附图说明
图1为本发明提出的三通道旋转喷吹转子结构示意图。
图2为本发明提出的三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-中间层通道，5-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。
如图1所示，本发明提出的三通道转子结构由转杆1和喷头2组成，两者通过螺纹连接。转杆1中开有三层通道：内层通道3、中间层通道4和外层通道5。其中，内层通道横截面为圆形，其轴线与转子中心轴线重合；中间层通道横截面为环形，并环绕在内层通道外围；外层通道横截面为环形，并环绕在中间层通道外围。
所述内层通道用于喷吹精炼剂，喷头2中开有一个与转杆1内层通道连通的通道，通道出口设置在喷头2底部中心处。
中间层通道和外层通道构成冷却通道，用于喷吹压缩空气，中间层通道与外层通道在转杆底部相互连通，压缩空气经由中间层通道自上而下进入转子，然后再经由外层通道自下而上离开转子。转杆1内层通道与中间层通道和外层通道均不连通， 旋转喷吹精炼过程中，压缩空气位于冷却通道内部且不与铝合金熔体接触。
如图2所示，精炼过程中，精炼剂以精炼气体（氮气或氩气）为载体经由转杆内层通道及喷头被送入铝合金熔体中。与此同时，起隔热冷却作用的压缩空气从转杆顶部的中间层通道自上而下进入转杆中，到达转杆底部后在连通处由中间层通道进入外层通道，同时改变流动方向，自下而上的经由外层通道流出转杆。
所述铝合金旋转喷吹精炼方法具体包括如下步骤：
S1：将所需处理的铝合金锭熔化并升温至预定温度后保温，得到铝合金熔体。
S2：称取所需质量的精炼剂并将其放置于送料器中。
S3：下降三通道转子至铝合金熔体内部，开启转动并提升至预定转速。
S4：开启用于精炼剂喷吹的内层通道以及用于压缩空气喷吹的中间层通道和外层通道，将精炼剂喷吹入铝合金熔体中；该过程根据内层通道中的高温区长度和冷却通道宽度确定压缩空气喷吹流量，所述高温区长度是指旋转喷吹精炼过程中内层通道中温度大于540℃区域的长度，所述冷却通道宽度是指中间层通道和外层通道环形截面的外圆半径与内圆半径的差值，采用如下方式确定压缩空气喷吹流量：
当10mm≤冷却通道宽度＜12mm时，；
当12mm≤冷却通道宽度＜16mm时，；
当16mm≤冷却通道宽度≤20mm时，；
其中，为高温区长度，单位为mm，/>的取值范围为10≤Q≤80L/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
S5：精炼剂添加完毕后，停止中间层通道和外层通道的压缩空气喷吹，内层通道则继续喷吹精炼气体；当达到预定处理时间后，将转子从铝合金熔体中移出，结束精炼。
对常规单通道旋转喷吹转子以及本发明提出的三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℃铝合金熔体中工作时，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℃铝合金熔体中迅速升温，在一分钟之内，大部分达到和铝合金熔体相同的较高温度。
本发明提出的三通道旋转喷吹转子在750℃铝合金熔体中工作时，转轴内层通道直径20mm；中间层通道内直径25mm，外直径45mm；外层通道内直径50mm，外直径70mm。内层通道氮气流量为20L/min，同时将压缩空气通入转杆中间层通道中，压缩空气流量为42L/min。温度场情况达到稳定后，转轴内层精炼剂通道约5/6部分处于540℃以下，与单通道旋转喷吹相比，有明显的降温效果。
实施例1
一种采用三通道转子对A356合金熔体进行旋转喷吹净化的方法，所采用的通道尺寸为：内层通道直径10mm；中间层通道内直径30mm，外直径50mm；外层通道内直径70mm，外直径90mm。
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，将铝合金熔体温度控制在710±10℃；
步骤2：称取1kg精炼剂，将所称取精炼剂在150℃下烘干1h，放置于三通道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合金熔体底部50mm处，然后将转速提升至500r/min。
步骤4：开启精炼剂喷吹通道，以纯度≥99.99%的氮气为载体将精炼剂经由转杆内层通道喷吹入铝合金熔体中。精炼剂添加速率为5g/s，氮气喷吹压力为0.8MPa，气体流量为20L/min。喷吹精炼剂时，同步将压缩空气通入转杆中间层通道中，压缩空气喷吹压力为0.8MPa，气体流量为30L/min。待步骤2中所称取精炼剂添加完毕后，停止压缩空气喷吹，保持氮气喷吹。当精炼时间达到20min后，关闭氮气喷吹，并移除转子，完成精炼。经三通道旋转喷吹处理后的铝合金熔体密度大于2.63g/cm3，纯净度满足生产质量要求。
实施例2
一种采用三通道转子对再生A356合金熔体进行旋转喷吹净化的方法，所采用的通道尺寸为：内层通道直径10mm；中间层通道内直径30mm，外直径60mm；外层通道内直径70mm，外直径100mm。
步骤1：称取120kg的A356合金回炉料和280kgA356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，将铝合金熔体温度控制在720±10℃；
步骤2：称取1.2kg精炼剂，将所称取精炼剂在150℃下烘干1h，放置于三通道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合金熔体底部50mm处，然后将转速提升至550r/min。
步骤4：开启精炼剂喷吹通道，以纯度≥99.99%的氮气为载体将精炼剂经由转杆内层通道喷吹入铝合金熔体中。精炼剂添加速率为5g/s，氮气喷吹压力为0.8MPa，气体流量为20L/min。喷吹精炼剂时，同步将压缩空气通入转杆中间层通道中，压缩空气喷吹压力为0.8MPa，气体流量为30L/min。待步骤2中所称取精炼剂添加完毕后，停止压缩空气喷吹，保持氮气喷吹。当精炼时间达到25min后，关闭氮气喷吹，并移除转子，完成精炼。经三通道旋转喷吹处理后的铝合金熔体密度大于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 (9)
1.一种基于三通道转子的铝合金旋转喷吹精炼方法，其特征在于，所述三通道转子包括内层通道、中间层通道和外层通道，其中，内层通道截面为圆形，其轴线与转子中心轴线重合；中间层通道截面为环形，并环绕在内层通道外围；外层通道截面为环形，并环绕在中间层通道外围；所述内层通道用于喷吹精炼剂，所述中间层通道和外层通道构成冷却通道，用于喷吹压缩空气，压缩空气经由中间层通道自上而下进入转子，然后再经由外层通道自下而上离开转子，旋转喷吹精炼过程中，压缩空气位于冷却通道内部且不与铝合金熔体接触；
所述三通道转子还包括转杆和喷头两部分；转杆一端与喷吹管相连，另一端与喷头相连；精炼剂与精炼气体由内层通道进入转子，并通过设置于喷头中心底部的出口进入铝合金熔体中；压缩空气由中间层通道进入转子，当到达转杆与喷头连接处后反向进入外层通道，并通过外层通道流出转子；
所述铝合金旋转喷吹精炼方法包括如下步骤：
S1：将铝合金锭熔化并升温至预定温度后保温，得到铝合金熔体；
S2：称取所需质量的精炼剂并将其放置于送料器中；
S3：下降三通道转子至铝合金熔体内部，开启旋转并提升至预定转速；
S4：开启用于精炼剂喷吹的内层通道以及用于压缩空气喷吹的中间层通道和外层通道，以精炼气体为载体将精炼剂喷吹入铝合金熔体中；根据内层通道中的高温区长度和冷却通道宽度确定压缩空气喷吹流量，所述高温区长度是指旋转喷吹精炼过程中内层通道温度大于540℃区域的长度，所述冷却通道宽度是指中间层通道和外层通道环形截面的外圆半径与内圆半径的差值，采用如下方式确定压缩空气喷吹流量：
当10mm≤冷却通道宽度＜12mm时，；
当12mm≤冷却通道宽度＜16mm时，；
当16mm≤冷却通道宽度≤20mm时，；
其中，为高温区长度，单位为mm，/>的取值范围为10≤Q≤80L/min；
S5：精炼剂添加完毕后，停止中间层通道和外层通道的压缩空气喷吹，内层通道则继续喷吹精炼气体；当达到预定处理时间后，将转子从铝合金熔体中移出，完成精炼。
2.根据权利要求1所述的一种基于三通道转子的铝合金旋转喷吹精炼方法，其特征在于，所述精炼剂为NaCl、KCl、MgCl2、Na3AlF6、KF中的一种或多种组合；其软化点为：540~580℃。
3.根据权利要求1所述的一种基于三通道转子的铝合金旋转喷吹精炼方法，其特征在于，铝合金熔体单次处理量为200-1000kg。
4.根据权利要求3所述的一种基于三通道转子的铝合金旋转喷吹精炼方法，其特征在于，S1中，预定温度为700-750℃。
5.根据权利要求4所述的一种基于三通道转子的铝合金旋转喷吹精炼方法，其特征在于，S2中，精炼剂的质量占铝合金熔体质量的0.1-1.0wt.%。
6.根据权利要求5所述的一种基于三通道转子的铝合金旋转喷吹精炼方法，其特征在于，S3中，转子喷头下降至距铝合金熔体底部20-50mm处，预定转速为200-600r/min。
7.根据权利要求6所述的一种基于三通道转子的铝合金旋转喷吹精炼方法，其特征在于，所述精炼气体为氮气或氩气，纯度≥99.99%。
8.根据权利要求7所述的一种基于三通道转子的铝合金旋转喷吹精炼方法，其特征在于，S4中，精炼剂的添加速率为5-20g/s。
9.根据权利要求8所述的一种基于三通道转子的铝合金旋转喷吹精炼方法，其特征在于，S4中，精炼气体的喷吹压力为0.3-0.8MPa，流量为10-20L/min。
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