CN216308584U - 锂合金熔炼浇铸设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及锂合金熔炼浇铸设备，包括熔炼浇铸室，所述熔炼浇铸室的内腔由隔板分隔为熔炼腔和浇铸腔，所述熔炼腔位于浇铸腔上方，所述熔炼腔内设置有熔炼系统，所述浇铸腔内设置有模具，所述熔炼系统通过浇铸通道与模具连通，所述浇铸通道上设置有阀门。通过将熔炼腔和浇铸腔设置在同一个熔炼浇铸室内，熔炼系统将锂合金熔炼好后，可以立即通过浇铸通道通入模具，锂合金浇铸锭成型后，可以通过控制浇铸腔内的温度对锂合金浇铸锭进行热处理，改善锂合金浇铸锭性能，同时不需要转移锂合金浇铸锭，防止锂合金浇铸锭暴露在空气中，保证了锂合金浇铸锭的品质。

Description

锂合金熔炼浇铸设备

技术领域

本实用新型涉及锂合金制备设备领域，尤其是一种锂合金熔炼浇铸设备。

背景技术

锂离子电池技术在人类利用可再生能源过程中将扮演的重要角色，为满足社会对更高能量密度、更长使用寿命与更加安全锂离子电池的需求，科学界与工业界共同不断对电池体系进行技术迭代以达到所追求目标。然而自上世纪九十年代第一颗锂离子电池商业化以来，电池体系中的关键核心材料(如正负极)的技术开发已趋近物理化学的理论极限，若要大幅度提高系统性能，需对基础材料进行颠覆性的技术革新。锂合金作为一种突破方向被高校及新能源企业广泛研究。但由于熔融态金属锂具有较强的腐蚀性，同时与空气中大多数成分反应，生成不稳定的化合物，其制备工艺较为困难。较为核心的问题有：合成容器的选材、较为严苛的温控、严控的气氛环境、杂质去除及浇铸工艺、合金锭储存时效性，均可通过对制备设备的改进得以解决。

现有锂合金制备工艺为，先通过电解或者其他工艺制备金属锂，再将熔融态金属锂中添加掺杂元素，充分搅拌混合，保温一定时间后浇铸成锭，在此过程中熔炼釜的温度控制受釜体材质限制，一般不可超过500℃。而在锂合金体系中，绝大部分金属间化合物熔点均大于500℃，这就导致当目标掺杂元素含量过大时很难通过简单的机械搅拌得到目标成分的熔融态锂合金。实际的改善方法是通过长时间在较高温度下保温一段时间，使得熔融态锂合金各组分之间通过形成稳定的扩散，最终越过金属间化合物的形成能势垒得到目标成分锂合金。在浇铸工艺中，采用传统的伴热管道使得熔融态合金液保持液态，最终于干燥间或手套箱中完成浇铸。

现有常用的熔炼釜存在以下问题：锂合金浇铸锭成型后如果需进行热处理工艺，则要将锂合金浇铸锭移入惰性气氛环境中再进行热处理，在移动的过程中锂合金浇铸锭暴露在空气中，增加产品暴露在空气中的时间，氧化风险较大。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种锂合金熔炼浇铸设备，可实现锂合金熔炼、浇铸和简单的热处理，减少锂合金浇铸锭暴露在空气中的时间。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：锂合金熔炼浇铸设备，包括熔炼浇铸室，所述熔炼浇铸室的内腔由隔板分隔为熔炼腔和浇铸腔，所述熔炼腔位于浇铸腔上方，所述熔炼腔内设置有熔炼系统，所述浇铸腔内设置有模具，所述熔炼系统通过浇铸通道与模具连通，所述浇铸通道上设置有阀门。

进一步地，所述熔炼系统包括熔炼釜和升降式搅拌机构，所述熔炼釜上设置有温控系统，所述升降式搅拌机构安装于熔炼浇铸室的顶部，且升降式搅拌机构的搅拌片位于熔炼釜内；所述熔炼腔的侧壁设置有熔炼腔门，所述熔炼腔内设置有旋转支架，所述旋转支架的一侧与熔炼腔内壁铰接且通过可拆卸定位件定位，熔炼釜固定安装于旋转支架的另一侧；所述浇铸通道包括上部管道和下部管道，所述上部管道的上端与熔炼釜固定连接，上部管道的下端与下部管道的上端可拆卸连接，下部管道的下端与模具连通。

进一步地，所述升降式搅拌机构包括搅拌电机、安装架、搅拌轴和升降机构，所述升降机构固定安装在熔炼浇铸室的上表面，所述安装架与升降机构相连，所述搅拌电机安装于安装架，所述搅拌轴竖直设置且与搅拌电机相连，搅拌轴贯穿熔炼浇铸室的顶壁并伸入熔炼釜内，所述搅拌片安装在搅拌轴的下端。

进一步地，所述升降机构为升降电机驱动的丝杆螺母机构。

进一步地，所述上部管道的下端通过活接口连接阀门，所述阀门连接有过滤器，所述过滤器与下部管道相连。

进一步地，所述熔炼釜的顶部设置有顶盖，所述顶盖的中心向下凹陷形成导向斜面，且顶盖的中心设置有通孔，所述升降式搅拌机构穿过通孔，所述通孔的上方设置有进料机构。

进一步地，所述熔炼釜的底部铺设有粗过滤网。

进一步地，所述浇铸通道外设置有伴热系统。

进一步地，所述熔炼腔和浇铸腔均连接有真空系统，所述熔炼腔和浇铸腔的侧壁均设置有气压表，且熔炼浇铸室的侧壁设置有用于测量熔炼腔和浇铸腔压差的压差表。

进一步地，所述阀门的把手延伸至熔炼浇铸室之外。

本实用新型的有益效果是：通过将熔炼腔和浇铸腔设置在同一个熔炼浇铸室内，熔炼系统将锂合金熔炼好后，可以立即通过浇铸通道通入模具，锂合金浇铸锭成型后，可以通过控制浇铸腔内的温度对锂合金浇铸锭进行热处理，改善锂合金浇铸锭性能，同时不需要转移锂合金浇铸锭，防止锂合金浇铸锭暴露在空气中，保证了锂合金浇铸锭的品质。

附图说明

图1是本实用新型的整体主视图；

图2是本实用新型的侧视图；

图3是图1中A部分的放大示意图；

附图标记：1—熔炼浇铸室；2—隔板；3—熔炼腔；4—浇铸腔；5—模具；6—阀门；7—熔炼釜；8—搅拌片；9—熔炼腔门；10—旋转支架；11—上部管道；12—下部管道；13—搅拌电机；14—搅拌轴；15—升降机构；16—安装架；17—活接口；18—过滤器；19—伴热系统；20—顶盖；21—进料机构；22—粗过滤网；23—气压表；24—压差表；25—把手。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1、图2所示，本实用新型的锂合金熔炼浇铸设备，包括熔炼浇铸室1，所述熔炼浇铸室1的内腔由隔板2分隔为熔炼腔3和浇铸腔4，所述熔炼腔3位于浇铸腔4上方，所述熔炼腔3内设置有熔炼系统，所述浇铸腔4内设置有模具5，所述熔炼系统通过浇铸通道与模具5连通，所述浇铸通道上设置有阀门6。

熔炼腔3用于对锂合金进行熔炼，浇铸腔4用于成形锂合金浇铸锭，并且浇铸腔4内可以设置加热机构、温度检测机构等，以便于对锂合金浇铸锭进行简单的热处理。模具5具有型腔，用于控制锂合金浇铸锭的形状。阀门6用于控制浇铸通道的通断，可采用针形阀。熔炼时，将原料通入熔炼系统，熔炼好后开启阀门6，打开浇铸通道，熔炼系统中的锂合金液则通过浇铸通道注入模具5，锂合金熔融液冷却后形成锂合金浇铸锭。如果需要对锂合金浇铸锭进行热处理，则根据热处理工艺控制浇铸腔4中的温度。热处理完成后，即可取出锂合金浇铸锭，为了便于取出锂合金浇铸锭，浇铸腔4的侧壁设置有可开闭的浇铸腔门。

熔炼系统的主体为熔炼釜7，可采用现有的熔炼釜7，但现有的熔炼釜7为上下封口的密封式设备，不同批次的产品在熔炼前均需要对熔炼釜7进行彻底的清理，采用管道清洗的话操作不便，且清洗效果较差，因此需要人工手动拆卸后清洗。由于熔融态金属锂的腐蚀性，釜体材质一般为316L，容积35L左右的釜体其质量约为95Kg(内部尺寸：直径300mm*高度500mm,壁厚20mm)，重量大，增大了拆卸难度，此外，拆卸时面临保温层在拆卸过程中与外釜体反复摩擦并暴露与空气中，易造成损坏，若采用面拆卸清洗方式则需对保温层、强弱电路进行防水处理，同时防水工艺设备作为易损件增加设备维护成本。

为了解决熔炼釜7清洗难的问题，本实用新型的熔炼系统包括熔炼釜7和升降式搅拌机构，所述熔炼釜7上设置有温控系统，所述升降式搅拌机构安装于熔炼浇铸室1的顶部，且升降式搅拌机构的搅拌片8位于熔炼釜7内；所述熔炼腔3的侧壁设置有熔炼腔门9，所述熔炼腔3内设置有旋转支架10，所述旋转支架10的一侧与熔炼腔3内壁铰接且通过可拆卸定位件定位，熔炼釜7固定安装于旋转支架10的另一侧；所述浇铸通道包括上部管道11和下部管道12，所述上部管道11的上端与熔炼釜7固定连接，上部管道11的下端与下部管道12的上端可拆卸连接，下部管道12的下端与模具5连通。

本实用新型的熔炼釜7的釜体材质为316L，壁厚5mm，重量更轻，移动时省力。温控系统用于控制熔炼温度，包括温度检测元件和加热元件，具体地，配置2枚热电偶，一枚用于测量熔炼釜7外壁的温度，一枚用于测量熔融金属液的温度；加热元件采用电阻丝，均匀设置在熔炼釜7的外壁。为了提高保温效果，熔炼釜7外壁包覆保温层，加热元件位于保温层和熔炼釜7之间。由于每次制备完成后都需要将熔炼釜7取出清洗，故保温层必须选择耐磨不掉渣的材料。

旋转支架10即可以旋转的支架，将熔炼釜7安装在旋转支架10上，当推动旋转支架10转动时，熔炼釜7也随着旋转支架10转动，从而可以将熔炼釜7转动至熔炼腔门9处。工作时，通过可拆卸定位件将旋转支架10固定，此时熔炼釜7位于熔炼腔3的中间位置且悬挂安装，熔炼腔门9处于关闭状态；当需要对熔炼釜7进行清洗时，则打开熔炼腔门9，解除可拆卸定位件对旋转支架10的固定，转动旋转支架10，带动熔炼釜7朝着熔炼腔门9的方向转动，使得熔炼釜7到达熔炼腔门9，且部分熔炼釜7位于熔炼浇铸室1之外，此时即可方便快速地对熔炼釜7进行清洗，清洗完成后，再转动旋转支架10，使熔炼釜7复位。可拆卸定位件可以采用定位销、栓等现有常规定位件。

升降式搅拌机构用于对熔炼釜7中的物料进行搅拌，为了适应熔炼釜7的转动，升降式搅拌机构设计为可以升降的结构，即工作时，升降式搅拌机构位于熔炼釜7内，清洗时，升降式搅拌机构向上移动至熔炼釜7之外，清洗完成后再回到熔炼釜7中。

具体地，所述升降式搅拌机构包括搅拌电机13、安装架16、搅拌轴14和升降机构15，所述升降机构15固定安装在熔炼浇铸室1的上表面，所述安装架16与升降机构15相连，所述搅拌电机13安装于安装架16，所述搅拌轴14竖直设置且与搅拌电机13相连，搅拌轴14贯穿熔炼浇铸室1的顶壁并伸入熔炼釜7内，所述搅拌片8安装在搅拌轴14的下端。搅拌轴14与熔炼浇铸室1的顶壁滑动配合，且要保证良好的密封性。升降机构15带动安装架16升降，搅拌电机13、搅拌轴14等即可同步升降。搅拌电机13带动搅拌轴14转动，即可使搅拌片8转动，实现对物料的搅拌。

升降机构15可以是液压缸等，优选的，所述升降机构15为升降电机驱动的丝杆螺母机构。

当熔炼釜7转动时，浇铸通道需打断，因此，将浇铸通道设计为上部管道11和下部管道12，上部管道11的上端可与熔炼釜7焊接连接，以保证密封性。上部管道11和下部管道12可拆卸连接，清洗熔炼釜7时，将上部管道11从下部管道12上拆下。

具体地，所述上部管道11的下端通过活接口17连接阀门6，所述阀门6连接有过滤器18，所述过滤器18与下部管道12相连。活接口17便于上部管道11的拆卸和安装，过滤器18可过滤掉锂合金熔融液中的固体杂质，减少锂合金浇铸锭的缺陷。为了便于操作阀门6，阀门6的把手25延伸至熔炼浇铸室1之外。

熔炼釜7的顶部可以完全敞口，为了降低散热速度，降低能耗，所述熔炼釜7的顶部设置有顶盖20，所述顶盖20的中心向下凹陷形成导向斜面，且顶盖20的中心设置有通孔，所述升降式搅拌机构穿过通孔，所述通孔的上方设置有进料机构21。进料机构21用于将物料加入熔炼釜7，顶盖20可以设置为锥形，物料掉落在导向斜面上时会沿着导向斜面滑落至通孔并掉入熔炼釜7。

所述熔炼釜7的底部铺设有粗过滤网22，粗过滤网22采用200目厚1.7mm带支撑滤片，可防止物料还未熔化就进入浇铸通道。

所述浇铸通道外设置有伴热系统19，用于对浇铸通道进行预热和保温，防止锂合金熔融液在浇铸通道中凝固。具体地，伴热系统19包括伴热加热带和伴热控温热电偶，伴热加热带为绝缘耐高温材质，包裹在浇铸通道外，伴热控温热电偶则用于测量浇铸通道内的温度。

熔炼时一般需要在真空环境中进行，因此，所述熔炼腔3连接有真空系统。由于锂合金熔融液具有较大的表面张力，导致浇铸时下液困难，需要在锂合金熔融液上方加压，使锂合金熔融液上方与模具内腔之间存在压差方可顺利浇铸，因此，浇铸腔4也连接有真空系统，所述熔炼腔3和浇铸腔4的侧壁均设置有气压表23，且熔炼浇铸室1的侧壁设置有用于测量熔炼腔3和浇铸腔4压差的压差表24。真空系统包括机械泵、真空管路、真空电磁阀门、数显真空计、氩气洗气系统等，机械泵配合真空管路用于出熔炼腔3和浇铸腔4中的空气，真空电磁阀门设置在真空管路上，用于断开和封闭真空管路。气压表23用于检测熔炼腔3和浇铸腔4中的气压。氩气洗气系统用于向熔炼腔3中通入氩气。浇铸时，通过真空系统控制熔炼腔3和浇铸腔4的压力，使熔炼腔3的压力高于浇铸腔4的压力，在压力差的作用下，锂合金熔融液就能够快速通过浇铸通道进入模具5。

本实用新型的用电设备如温控系统、真空系统、升降机构15、搅拌电机13、伴热系统19等均可以通过数控系统进行智能化控制。

本实用新型的工作过程为：

将设备置于干燥间或产线上；

投入适量金属锂，掺杂元素于进料机构21中，模具5涂油，放置指定位置，关闭设备门；

常规洗气步骤，使熔炼腔3和浇铸腔4处于氩气气氛环境下；

设置调节温控系统的升温速率及保温时间；

待金属锂融化以后，下降搅拌片8，将锂熔融液搅拌均匀，投入掺杂元素，再搅拌均匀；

设置保温时间，按需求设置搅拌速度，保温时间结束前半小时开启伴热系统19；待保温时间到达后，升起搅拌片8，静置数分钟后，打开阀门6，浇铸完成后关闭阀门6；浇铸完成后关闭伴热系统19及熔炼釜7的温控系统；监控铸锭温度，待冷却后，排出设备内氩气，冲入干燥间空气，取出铸锭；

清洗时需待所有加热部位均冷却，解下伴热带，取下旋转支架10的可拆卸定位件，将熔炼釜7旋转出腔门，将熔炼釜7放置空旷干燥处钝化一晚，再用水消解清理，即刻吹干后安装待用。

本实用新型具有以下优点：

1、上下分腔设计可以独立熔炼和浇铸，可以产生压差进行过滤。

2、熔炼腔3内含敞开式熔炼釜7，熔炼釜7的壁厚更薄，极大的降低熔炼釜7的质量，降低设备制备及维护成本；中空漏斗盖，便于投料及搅拌片8升降。

3、活动密封只有搅拌轴14与熔炼浇铸室1的顶壁连接处，密封面与热源之间有足够的距离，可避免采用冷却水对密封部位进行降温。

4、完善的搅拌及过滤系统，有助于合金充分熔解，轻质及泡沫杂质上浮，大杂志颗粒将会被多次滤网过滤。

5、极大提升清洗效率，节约人力成本。

6、独立的浇铸腔4可以保证独立的铸锭环境，可添加热处理及均匀化处理，取锭时铸锭已经结构稳定。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.锂合金熔炼浇铸设备，其特征在于：包括熔炼浇铸室(1)，所述熔炼浇铸室(1)的内腔由隔板(2)分隔为熔炼腔(3)和浇铸腔(4)，所述熔炼腔(3)位于浇铸腔(4)上方，所述熔炼腔(3)内设置有熔炼系统，所述浇铸腔(4)内设置有模具(5)，所述熔炼系统通过浇铸通道与模具(5)连通，所述浇铸通道上设置有阀门(6)。

2.如权利要求1所述的锂合金熔炼浇铸设备，其特征在于：所述熔炼系统包括熔炼釜(7)和升降式搅拌机构，所述熔炼釜(7)上设置有温控系统，所述升降式搅拌机构安装于熔炼浇铸室(1)的顶部，且升降式搅拌机构的搅拌片(8)位于熔炼釜(7)内；所述熔炼腔(3)的侧壁设置有熔炼腔门(9)，所述熔炼腔(3)内设置有旋转支架(10)，所述旋转支架(10)的一侧与熔炼腔(3)内壁铰接且通过可拆卸定位件定位，熔炼釜(7)固定安装于旋转支架(10)的另一侧；所述浇铸通道包括上部管道(11)和下部管道(12)，所述上部管道(11)的上端与熔炼釜(7)固定连接，上部管道(11)的下端与下部管道(12)的上端可拆卸连接，下部管道(12)的下端与模具(5)连通。

3.如权利要求2所述的锂合金熔炼浇铸设备，其特征在于：所述升降式搅拌机构包括搅拌电机(13)、安装架(16)、搅拌轴(14)和升降机构(15)，所述升降机构(15)固定安装在熔炼浇铸室(1)的上表面，所述安装架(16)与升降机构(15)相连，所述搅拌电机(13)安装于安装架(16)，所述搅拌轴(14)竖直设置且与搅拌电机(13)相连，搅拌轴(14)贯穿熔炼浇铸室(1)的顶壁并伸入熔炼釜(7)内，所述搅拌片(8)安装在搅拌轴(14)的下端。

4.如权利要求3所述的锂合金熔炼浇铸设备，其特征在于：所述升降机构(15)为升降电机驱动的丝杆螺母机构。

5.如权利要求2所述的锂合金熔炼浇铸设备，其特征在于：所述上部管道(11)的下端通过活接口(17)连接阀门(6)，所述阀门(6)连接有过滤器(18)，所述过滤器(18)与下部管道(12)相连。

6.如权利要求2所述的锂合金熔炼浇铸设备，其特征在于：所述熔炼釜(7)的顶部设置有顶盖(20)，所述顶盖(20)的中心向下凹陷形成导向斜面，且顶盖(20)的中心设置有通孔，所述升降式搅拌机构穿过通孔，所述通孔的上方设置有进料机构(21)。

7.如权利要求2所述的锂合金熔炼浇铸设备，其特征在于：所述熔炼釜(7)的底部铺设有粗过滤网(22)。

8.如权利要求1所述的锂合金熔炼浇铸设备，其特征在于：所述浇铸通道外设置有伴热系统(19)。

9.如权利要求1所述的锂合金熔炼浇铸设备，其特征在于：所述熔炼腔(3)和浇铸腔(4)均连接有真空系统，所述熔炼腔(3)和浇铸腔(4)的侧壁均设置有气压表(23)，且熔炼浇铸室(1)的侧壁设置有用于测量熔炼腔(3)和浇铸腔(4)压差的压差表(24)。

10.如权利要求1所述的锂合金熔炼浇铸设备，其特征在于：所述阀门(6)的把手(25)延伸至熔炼浇铸室(1)之外。

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