CN117701893B - 一种合金熔体旋转喷吹精炼装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于有色金属或合金的精炼技术领域，具体公开了一种合金熔体旋转喷吹精炼装置及方法，所述旋转喷吹精炼装置包括转子和定子，所述转子包括转轴和设置于转轴下端的桨叶，所述转轴中心设有气体通道，底部设有出气孔，所述定子为圆柱形空心结构并位于转子外侧，定子外壳上设有孔洞；所述转轴能够带动桨叶进行旋转，所述定子能够在垂直方向上下移动，并包围转子，所述定子和转子之间存在间隙；本装置进行旋转喷吹精炼过程分为两个阶段：精炼剂精炼阶段和气体精炼阶段，能够有效的添加精炼剂粉末，和减少铝液页面漩涡导致的卷气，提高了精炼效果。

Description

一种合金熔体旋转喷吹精炼装置及方法

技术领域

本发明属于有色金属或合金的精炼技术领域，尤其涉及铝合金的精炼，具体涉及一种合金熔体旋转喷吹精炼装置及方法。

背景技术

在金属铝熔炼的过程中，由于氢元素在铝液中的溶解度较高，而在固态金属铝中溶解度急剧下降，导致氢元素在铝液凝固的过程中，在夹杂物、第二相等形核点上聚集形核，并形成气孔等缺陷，最终导致铸件的密度较低，性能较差，产品的力学性能参数下降等。同时，由于夹杂物和氢元素之间特定的关系，必须在去除氢元素含量的同时也必须除去铝液中的夹杂物，以实现铝液净化的目的。

目前铝合金铸造行业内常用的铝液净化的方法是旋转喷吹法。即通过带有出气孔的石墨转子向铝液中鼓吹惰性气体，同时石墨转子以一定速度转动，以达到破碎和分散气泡的效果。气泡中的氢元素蒸汽压未达到饱和蒸汽压，因此铝液中的氢元素向气泡内部进行扩散，从而实现减小铝液中氢元素含量的目的。扩散的速率与气泡和铝液的接触面积相关，更大的接触面积扩散的速率越大。同时，由于铝液与氧化夹杂物的润湿性比气泡与氧化夹杂物的润湿性差，气泡与铝液中的氧化夹杂物接触之后，对氧化夹杂物进行包覆，并裹挟夹杂物一起上浮至铝液表面，从而实现铝液中氧化夹杂物的去除。

熔剂法也是净化铝液的手段之一。在净化的过程中，向铝液中加入用于吸附氧化夹杂物的精炼剂，包括覆盖剂、除杂剂等。其中，除杂剂的作用原理可分为物理净化和化学净化。起物理净化作用的除杂剂成分主要为NaCl、KCl等。这些物质与铝液中氧化夹杂物的润湿性较好，可以通过毛细效应充分裹挟氧化夹杂物，同时以低于铝液的密度依靠浮力的作用上浮至铝液表面，从而实现净化作用。起化学净化作用的除杂剂成分主要为NaF、KF等，这些成分与铝液中的氧化夹杂物反应，生成AlF₃，该物质在750℃下为气态，可作为废气排出，从而达到净化的目的。

然而，行业内目前在旋转喷吹法和熔剂法的使用上仍然存在问题，这些问题仍然需要对这些方法进一步的改进方法来解决，从而提升净化的效率。

首先，精炼剂难以添加到铝液中是熔剂法净化铝液最主要的问题之一。精炼剂的添加方式主要是抛洒在铝液表面，或者通过石墨转子转轴的出气孔添加到铝液内部。对于将精炼剂抛洒在铝液表面这种方法，目前存在的难题主要是精炼剂与铝液之间的润湿性较差，并且精炼剂的密度小于铝液的密度。若想使精炼剂能够进入到熔体内部，必须使提供给精炼剂向下作用力大于铝液对精炼剂的浮力。而使用石墨转子转轴的出气孔同时向铝液中鼓吹精炼剂和惰性气体，则容易导致石墨转子的出气孔堵塞，较少石墨转子的寿命。同时，出气孔喷出的精炼剂粉末仍然难以充分在铝液内部分布，铝液内部的净化效果不均匀。

目前针对精炼剂的添加问题，主要是通过增加石墨转子的转速，使液面形成较大的漩涡，同时向漩涡中心喷洒精炼剂粉末，使精炼剂粉末能够依靠漩涡的作用进入到熔体内部。然而，目前市场上所使用的旋转喷吹转子形状的设计是出于剪切产生细小气泡的目的，无法有效提供给精炼剂进入铝液内部的力，因此在添加精炼剂的过程中需要很高的转速才可以通过漩涡将浮在表面的精炼剂卷入铝液内部。

使用旋转喷吹法的过程中，一般通过较大的转速来获得尺寸较小的气泡来提升气体净化的效果。当转速达到一定大小时，液面漩涡较大，发生卷气。卷气是指在旋转喷吹精炼的过程中，石墨转子带动铝液转动的同时铝液液面裹挟空气进入到内部。空气中的水蒸气、氧气等进入铝液内部发生反应形成新的氧化夹杂物，最终导致铝液质量下降。这种卷气现象在夏天空气较为潮湿的环境下尤为严重。综上所述，获得较小气泡的方式与减少液面扰动的目的互相矛盾。因此，需要一种改进方法来减少液面的扰动，同时减小气泡的尺寸。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明设计并公开了一种合金熔体旋转喷吹精炼装置及方法，具体为一种可调节定子外壳的定子-转子结构的旋转喷吹设备。其中，石墨转子桨叶设计为与转轴轴线存在一定角度倾斜的结构，以解决以上问题。该设备存在两种精炼模式，即精炼剂精炼模式和气体精炼模式。在精炼剂精炼模式下，定子外壳抬起，倾斜搅拌桨叶高速旋转以提供精炼剂较大的力，使精炼剂能够进入铝液内部并且充分与铝液接触，提升精炼剂精炼效果。在气体精炼模式下，定子外壳降下，将转子包裹，转子高速旋转切割气泡，同时定子外壳降低液面扰动。可以同时实现漩涡作用时精炼剂进入到铝液内部扩散均匀，和精炼阶段减少铝液卷气，从而提高铝液净化效果。

为实现上述目的，本发明完整的技术方案包括：

一种铝合金旋转喷吹精炼装置，所述旋转喷吹精炼装置位于铝合金熔炼炉内，包括转子和定子，所述转子包括转轴和设置于转轴下端的转子叶片，所述转轴中心设有气体通道，底部设有出气孔，所述定子为圆柱形空心结构并位于转子外侧，定子外壳上设有孔洞；

所述转轴能够带动转子叶片进行旋转，所述定子能够在垂直方向上下移动，并包围转子，所述定子和转子之间存在间隙。

进一步的， 定子和转子之间的间隙为10mm至100mm。

进一步的，所述定子外壳上的孔洞为圆孔，所述圆孔直径为10-30mm，圆孔之间间距为1-10mm、圆孔的数量为10-50个。

进一步的，所述定子外壳上的圆孔尺寸相同。

进一步的，所述转子叶片为倾斜的转子叶片。

进一步的，其特征在于，所述转子叶片沿长度方向与转轴中心线形成夹角，夹角为10-50°。

进一步的，转轴直径为50-100mm。

进一步的，所述的出气孔直径为10-30mm。

利用所述的装置进行铝合金旋转喷吹精炼的方法，包括如下步骤：

（1）定子在垂直方向向上移动离开转子，通过转轴中心的气体通道输送惰性气体，惰性气体通过出气孔被鼓吹到铝合金液中并形成气泡，并在铝合金液表面加入精炼剂粉末，转轴带动转子叶片对铝合金液进行旋转搅拌，在转子叶片的搅拌作用下，铝合金液表面产生漩涡，熔炼炉中心位置铝合金液向下流动，且熔炼炉边缘位置铝合金液向上流动，带动精炼剂粉末从铝合金液液面中心进入到铝合金液内部，之后再沿着外侧炉壁上浮至铝合金液表面实现精炼剂精炼；

（2）精炼剂精炼结束后，定子在垂直方向向下移动覆盖转子，继续通入惰性气体，在转子叶片剪切作用下形成气泡，并通过定子外壳上的孔洞分散到铝合金液中进行除氢。

进一步的，所述步骤（1）中，通过对铝合金液不同区域的活跃程度进行表征，得到所采用的转子的转速和惰性气体的流量。

具体包括：

（1）建立铝合金旋转喷吹精炼整体装置的有限元模型，对不同转子转速、精炼气体流量、转子直径、炉体内径、金属熔体高度、精炼剂加入量的旋转喷吹精炼过程进行仿真，并得到金属熔体流动场数据；

（2）从仿真结果中提取相关数据对混合均匀性进行表征：

在金属熔体不同的位置选择对应的点作为特征点，并提取特征点在旋转喷吹精炼过程中的速度数据，形成关于每个特征点的速度时序向量，针对每个特征点的速度时序向量，计算均值：

式中，代表第/>个特征点在第/>个采集时刻的速度；/>为采集时刻的数目。

随后计算：

采用如下方式计算并表征整个熔体的运动速度活跃情况：

为所有特征点/>值的平均值，/>是特征点的数量。

计算每个点的值：

为采集的时刻之间的时间差。随后计算：

为所有点的/>值的平均值。

得到：

作为熔体活跃程度的表征参数。

根据上述仿真结果形成数据集，以熔体活跃度为因变量，并利用数据集对各参数之间的关系进行拟合，得到转子直径和炉体内径。针对上述转子直径和炉体内径，从上述数据集选择转子转速和惰性气体流量。

本发明是一种带有可移动定子的定子-转子结构，能够有效的添加精炼剂粉末，和减少铝液页面漩涡导致的卷气，主要体现如下：

(1) 使用该结构进行旋转喷吹精炼过程分为两个阶段：精炼剂精炼阶段和气体精炼阶段。

(2) 在精炼剂精炼阶段，定子外壳抬起，露出石墨转子倾斜桨叶。倾斜桨叶高速转动，形成漩涡，提供给精炼剂粉末较大的轴向作用力。精炼剂在轴向作用力的作用下进入到铝液内部，增大与铝液中的夹杂物的接触概率，提升精炼效果。

(3) 在气体精炼阶段，定子外壳放下，包裹住石墨转子倾斜桨叶。在定子外壳的作用下，铝液液面的漩涡减小，卷气作用下降。

附图说明

图 1是本发明公开的旋转喷吹精炼装置进行精炼剂精炼阶段示意图。

图 2是本发明公开的气体精炼阶段的示意图。

图3是本发明公开的旋转喷吹精炼装置的正视图。

图4是本发明公开的旋转喷吹精炼装置的俯视图。

图中：1-石墨转子转轴，2-定子外壳，3-熔炼炉，4-铝液，5-定子圆孔，6-转子叶片，7-精炼剂粉末，8-惰性气体气泡，9-石墨转子出气孔，10-定子-转子结构，11-除气结构。

具体实施方式

下面结合本发明的附图，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-图4所示，本发明公开的旋转喷吹精炼装置11，包括定子-转子结构10，具体包括石墨转子转轴1、定子外壳2、定子外壳上的定子圆孔5、固定在石墨转子转轴上的倾斜转子叶片6以及石墨转子出气孔9。石墨转子转轴为中空结构，内壁设有出气通道。转轴外围均布有起搅拌作用的倾斜转子叶片，倾斜转子叶片的根部与转轴外周相连。转子外围是带有孔洞的定子。

包裹在转子外围的定子，可以在垂直方向上自由移动；与转子之间存在空隙，空隙的大小为10mm至100mm。

定子圆孔的尺寸相同，直径为10-30mm，孔与孔之间间距为1-10mm，孔的数量为10-50个。

连接在转轴上的倾斜转子叶片，沿长度方向与转轴中心线形成夹角，夹角为10-50°。

石墨转子转轴直径为50-100mm。

石墨转子出气孔直径为10-30mm。

本发明的旋转喷吹定子-转子结构精炼剂精炼阶段的工作原理如图 1所示。转子首先浸没到熔炼炉3内的铝液4中，以一定转速进行搅拌，同时向铝液中鼓吹惰性气体，形成惰性气体气泡8，并往铝液表面抛洒精炼剂粉末7。在倾斜转子叶片6的搅拌作用下，铝液4表面产生漩涡。产生的漩涡按照如箭头所示的迹线，裹挟精炼剂粉末7从铝液液面中心进入到铝液内部，之后再沿着外侧炉壁上浮至铝液表面，实现与铝液进行充分接触，从而获得较好的精炼效果。

本发明的旋转喷吹定子-转子结构气体精炼阶段的工作原理如图2所示。待精炼剂精炼阶段结束之后，将定子外壳降下，至完全覆盖石墨转子。此时铝液液面的漩涡减小，铝液液面的卷气降低。同时，在转子搅拌的作用下，鼓吹出的惰性气体被剪切成细小的气泡，分散到铝液中进行除氢。

在上述铝合金旋转喷吹精炼过程中，由于粉末状精炼剂是抛洒在金属熔体表面，通过倾斜桨叶的搅拌从金属熔体液面中心进入到金属熔体内部，这个过程中，精炼剂的混合均匀性是关键的问题，混合均匀程度越高，金属熔体的精炼效果越好。

其中，金属熔体和精炼剂的混合均匀性，与搅拌速度、方式、流体性质、温度压力等多个影响因素的协同影响有关。为了确定优化的旋转喷吹定子-转子结构、熔炼炉形状尺寸，以及转速和流量参数。本发明采取如下的方式：

（一）金属熔体精炼剂混合均匀性表征

为了能够对设计参数进行优化，首先要得到不同参数下，金属熔体混合均匀程度的表征，由于铝合金液熔炼的温度较高，无法对精炼剂在金属熔体内部的分布情况进行直接观测，因而本发明采用如下方式：

1）建立铝合金旋转喷吹精炼整体装置的有限元模型，并进行网格划分；

影响金属熔体流动场的因素包括转子转速、精炼气体流量、转子直径、炉体内径、金属熔体高度、碳化硅加入量、熔体粘度、密度等，由于本发明主要用于铝合金精炼，为简化模型，将部分参数（如熔体的密度和粘度）设置为定值。

2）采用仿真软件对不同条件下的旋转喷吹精炼过程进行仿真，并得到整个金属熔体流动场数据。

3）从仿真结果中提取相关数据对混合均匀性进行表征：

首先在金属熔体不同的位置选择对应的特征点，在本实施方式中在靠近炉壁、炉中心，炉壁与炉中心的中间位置，以及炉体上、中、下等多个不同位置选择点，作为表征金属熔体混合程度的特征点，每个特征点代表局部区域的流体活动情况。

提取这些点在旋转喷吹精炼过程中的速度数据，形成关于每个点速度时序向量，其中，/>为采集的时刻数量，/>代表第/>个特征点在第/>个采集时刻的速度。

针对每个点速度时序向量，计算均值：

随后计算：

该值反映了每个特征点所代表的局部区域内流体的运动剧烈情况，其值越大，表示该区域内的流体运动速度变化越大，即认为该区域内流体运动越剧烈。

通过研究发现，对于不同的条件下，炉体中央靠近转子附近的流体运动情况基本固定，因而可以将该位置处的流动运动情况作为参照，而作为整体而言，希望所有熔体区域内均有较强的剧烈运动，如果有的地方值较大，而有些区域的/>值较小，则表明某些区域（如炉壁下方处）的熔体运动速度变化不大，存在搅拌混合的不活跃区域，而这种情况是不希望发生的。

因而继续采用如下方式计算并表征整个熔体的运动速度活跃情况：

为所有点的/>值的平均值，/>是特征点的数量。

越小，说明整体熔体区域的活跃程度越接近。该值表征了各个区域内熔体活动的均匀程度，即相对均匀性。

此外，还希望熔体整体的平均速度更大，因而计算每个点的值：

为采集的时刻之间的时间差。随后计算：

为所有点的/>值的平均值。

最后得到：

作为熔体活跃程度的表征参数。

形成数据集：所述的数据集包括不同的熔体活跃度，转速、流量、直径、内径和金属熔体高度。并以此为基础,以熔体活跃度为因变量，并利用数据集对各参数之间的关系进行拟合，得到转子直径、炉体内径的优化尺寸。

对于优化过的固定尺寸的炉子和转子，从上述得到的数据集选择熔体活跃程度更均匀的转子转速和惰性气体流量。

下面通过具体实施实例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，但是本发明并不限于这些实施实例。

实施例1

(1)将812.6kg融化后的A356铝液倒入熔炼炉中，并将熔炼炉移动至使用该石墨转子的除气机下。除气之前先对铝液进行扒渣处理。

(2)将步骤(1)所述的使用该石墨转子的除气机开启，将转速调至600rpm，惰性气体流量调至15L/min。将除气机悬臂降下，下降直至石墨转子底部距转运包底部高度为100mm，同时保持定子外壳处于升起状态，此时铝液表面开始出现明显的漩涡。开启除气机的加粉装置，向铝液表面添加精炼剂粉末，并持续除气5min。

(3)将步骤(2)所述的精炼剂粉末全部加入到铝液中，将定子外壳降下，直至定子外壳底部与转子底部达到相同深度，此时铝液液面漩涡消失。

(4)继续通气精炼10min，待除气精炼完毕之后，将除气机悬臂升起，使除气装置上升到距离铝液液面一定高度后，进行表面扒渣处理，完成铝液处理。取部分处理后的铝液进行抽真空凝固，并检测凝固后A356铝锭的密度。使用该方法处理熔融的A356铝锭后得到的铝锭密度高达2.650g/cm³，满足后续压铸使用需求。相比于传统的精炼方式，该方法大幅降低了处理时间和成本，提高了熔体处理的效果。

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 (8)

1.一种利用合金熔体旋转喷吹精炼装置进行合金熔体旋转喷吹精炼的方法，其特征在于，所述旋转喷吹精炼装置位于铝合金熔炼炉内，包括转子和定子，所述转子包括转轴和设置于转轴下端的转子叶片，所述转轴中心设有气体通道，底部设有出气孔，所述定子为圆柱形空心结构并位于转子外侧，定子外壳上设有孔洞；

所述转轴能够带动转子叶片进行旋转，所述定子能够在垂直方向上下移动，并包围转子，所述定子和转子之间存在间隙；包括如下步骤：

（1）定子在垂直方向向上移动离开转子，通过转轴中心的气体通道输送惰性气体，惰性气体通过出气孔被鼓吹到铝合金液中并形成气泡，并在铝合金液表面加入精炼剂粉末，转轴带动转子叶片对铝合金液进行旋转搅拌，在转子叶片的搅拌作用下，铝合金液表面产生漩涡，熔炼炉中心位置铝合金液向下流动，且熔炼炉边缘位置铝合金液向上流动，带动精炼剂粉末从铝合金液液面中心进入到铝合金液内部，之后再沿着外侧炉壁上浮至铝合金液表面实现精炼剂精炼；

通过对铝合金液不同区域的活跃程度进行表征，得到所采用的转子的转速和惰性气体的流量；具体包括：

1）建立铝合金旋转喷吹精炼整体装置的有限元模型，对不同转子转速、精炼气体流量、转子直径、炉体内径、金属熔体高度、精炼剂加入量的旋转喷吹精炼过程进行仿真，并得到金属熔体流动场数据；

2）从仿真结果中提取相关数据对混合均匀性进行表征：

在金属熔体不同的位置选择对应的点作为特征点，并提取特征点在旋转喷吹精炼过程中的速度数据，形成关于每个特征点的速度时序向量，针对每个特征点的速度时序向量，计算均值：

式中，代表第/>个特征点在第/>个采集时刻的速度；/>为采集时刻的数目；

随后计算：

采用如下方式计算并表征整个熔体的运动速度活跃情况：

为所有特征点/>值的平均值，/>是特征点的数量；

计算每个点的值：

为采集的时刻之间的时间差；随后计算：

为所有点的/>值的平均值；

得到：

作为熔体活跃程度的表征参数；

根据上述仿真结果形成数据集，以熔体活跃度为因变量，并利用数据集对各参数之间的关系进行拟合，得到转子直径和炉体内径；针对上述转子直径和炉体内径，从上述数据集选择转子转速和惰性气体流量；

（2）精炼剂精炼结束后，定子在垂直方向向下移动覆盖转子，继续通入惰性气体，在转子叶片剪切作用下形成气泡，并通过定子外壳上的孔洞分散到铝合金液中进行除氢。

2.根据权利要求1所述的合金熔体旋转喷吹精炼的方法，其特征在于，定子和转子之间的间隙为10mm至100mm。

3.根据权利要求1所述的合金熔体旋转喷吹精炼的方法，其特征在于，所述定子外壳上的孔洞为圆孔，所述圆孔直径为10-30mm，圆孔之间间距为1-10mm、圆孔的数量为10-50个。

4.根据权利要求3所述的合金熔体旋转喷吹精炼的方法，其特征在于，所述定子外壳上的圆孔尺寸相同。

5.根据权利要求1所述的合金熔体旋转喷吹精炼的方法，其特征在于，所述转子叶片为倾斜的转子叶片。

6.根据权利要求1所述的合金熔体旋转喷吹精炼的方法，其特征在于，所述转子叶片沿长度方向与转轴中心线形成夹角，夹角为10-50°。

7.根据权利要求1所述的合金熔体旋转喷吹精炼的方法，其特征在于，转轴直径为50-100mm。

8.根据权利要求1所述的合金熔体旋转喷吹精炼的方法，其特征在于，所述的出气孔直径为10-30mm。