專利名稱：鎂合金液攪拌精煉器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種鎂合金熔煉中金屬液的處理設(shè)備，尤其屬于鎂液合金化和精煉處理的工具，適用于鎂合金鑄造、鎂和鎂合金鑄錠、鎂犧牲陽極的生產(chǎn)、鎂合金連鑄、鎂的廢品回收等生產(chǎn)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鎂合金制品的生產(chǎn)，一般都需要把原材料先熔化為鎂合金液，然后再用鎂合金液澆注產(chǎn)品。鎂合金煉制過程包括基體態(tài)金屬鎂原材料的熔化，把合金元素以金屬或化合物的形式加入并使之均勻散布在整個熔池內(nèi)，然后再排除熔體中的各種非金屬夾雜物即精煉，從而得到成分符合要求、有害雜質(zhì)少、能用此金屬液進(jìn)一步制成需要的產(chǎn)品的高質(zhì)量鎂熔融體。
目前鎂錠存在的問題成分不合格、雜質(zhì)超標(biāo)、表面質(zhì)量差；鑄件存在的問題成分不合格、雜質(zhì)超標(biāo)。
許多鎂的工業(yè)生產(chǎn)要求達(dá)到很高的精煉標(biāo)準(zhǔn)，尤其是鑄造生產(chǎn)的鑄件，高級鎂合金板材的鑄坯，高純鑄錠、鎂合金犧牲陽極，成分準(zhǔn)確均勻、氧化夾雜和熔劑夾雜限制極其嚴(yán)格。由于鎂液極易氧化、燃燒，容易卷入氧化皮和熔劑形成夾雜，使精煉工序復(fù)雜化。鎂及鎂合金的合金化和精煉大多是采用對液體金屬的攪拌實現(xiàn)的，因此攪拌在大多數(shù)鎂和鎂合金生產(chǎn)過程中顯得十分重要。鎂的生產(chǎn)中也有不采用攪拌的方式，既不用合金化也不用精煉，僅將爐料重熔，該生產(chǎn)方式限于壓鑄鎂合金零件的熔煉，該重熔工藝要求原料必須是成分和潔凈度都符合要求的母合金。也有采用沉淀凈化、過濾凈化、氣泡浮游法精煉的，但都必須和攪拌操作的工藝方式聯(lián)合，只是作為攪拌的補(bǔ)充。例如沉淀凈化需要長的停留時間、大容積的鎂合金液、合理的熔池溫度梯度，避免鎂合金液熔池中熱對流引起的攪動而影響沉淀效果。過濾凈化法目前大多用于鑄造生產(chǎn)，也有采用過濾凈化批量鎂合金液的。過濾精煉的目的是在金屬液的最后階段去除在合金液中流動的二次氧化物，不適合用來凈化含大量夾雜的金屬液。由于鎂合金的活性，除個別情況外一般不采用氣泡浮游法。
在鎂制品的生產(chǎn)中需要生產(chǎn)現(xiàn)場在線合金化和精煉的占大多數(shù)，絕大多數(shù)鎂合金的生產(chǎn)必須通過攪拌進(jìn)行合金化和精煉，尤其是對于含鋯鎂合金、需要變質(zhì)處理以控制組織的鎂合金、皮江法生產(chǎn)的含有大量氧化物的粗鎂熔煉，攪拌是絕對必要的。實現(xiàn)攪拌的操作目前多采用人工攪拌，由于高溫環(huán)境的勞動條件惡劣、攪拌技術(shù)規(guī)范要求達(dá)到一定的時間長度，使得人工攪拌操作勞動強(qiáng)度極大，形成必要的融體流場對技術(shù)要求很高，人工操作無法保證質(zhì)量。規(guī)模生產(chǎn)時熔煉合金液的坩堝太深，人力也難于實現(xiàn)預(yù)定操作。有人曾把化工單元操作的攪拌器移植到鎂合金的熔煉生產(chǎn)中，效果不好，達(dá)不到技術(shù)要求；機(jī)械攪拌不成功的另一個原因是攪拌器故障率高，使用麻煩。由此可見，目前人工攪拌和機(jī)械攪拌器械不能完全滿足鎂工業(yè)生產(chǎn)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計機(jī)械攪拌精煉設(shè)備，克服現(xiàn)有攪拌器械的不足。新的設(shè)備應(yīng)能實現(xiàn)鎂合金熔煉所需要的液體流場，達(dá)到合金元素均勻化，夾雜聚集，熔劑和雜質(zhì)結(jié)合并粗化、沉淀，改善勞動條件，提高合金化和精煉質(zhì)量，保證產(chǎn)品的合格率。攪拌精煉器結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、故障率低、維護(hù)容易。
攪拌過程中液體流動呈三維性、隨機(jī)性、非線性和邊界條件的不確定性。鎂合金液的攪拌，采用攪拌葉輪將機(jī)械能傳遞給合金液，使合金液產(chǎn)生需要的運動，完成合金元素的混合和分散，氧化物和熔劑的結(jié)合、聚集、沉淀并在融池底部聚合成渣相集合體。要求攪拌在宏觀上液體形成回轉(zhuǎn)，局部的形成渦流、原子尺度的擴(kuò)散，宏觀和微觀的金屬液體對流運動使物料均勻化，運動時非金屬互相碰撞。攪拌過程必須平穩(wěn)，不引起鎂的劇烈氧化和燃燒，不能讓熔池底部的熔渣泛起，在攪拌時液體上表面氧化膜始終保持完整、不破裂；攪拌過程要求在熔池的上表面形成一定高度的單駝峰。
根據(jù)流體力學(xué)的理論，要達(dá)到鎂及鎂合金液生產(chǎn)工藝需要的攪拌效果，對整個金屬液熔池攪拌的液體運動方式應(yīng)該是三種不同運動的結(jié)合(1)形成主體對流，整個金屬液有秩序的從液面到底部的大范圍回旋運動，實現(xiàn)不同區(qū)域的“團(tuán)塊”與“團(tuán)塊”的混合。由于鎂合金一般都是在鋼板焊接的坩堝中進(jìn)行熔煉，鎂液在垂直截面應(yīng)呈由下到上的橢圓運動。
(2)形成渦流擴(kuò)散，主體對流不能使小范圍的液體進(jìn)行均勻混合，在主體對流的不同流層應(yīng)該有速度差，從而使不同速度的層與層的界面產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切作用，從而產(chǎn)生大量的旋渦，造成大量小范圍內(nèi)的對流運動，這些旋渦把“團(tuán)塊”與“團(tuán)塊”的不均勻性降低到渦旋本身大小。
(3)形成原子擴(kuò)散，合金要求元素達(dá)到原子尺度的均勻混合，旋渦運動能產(chǎn)生此種效果，旋渦越小原子的布朗運動效果越好。
液體攪拌一般使用兩種葉輪攪拌，即徑向葉輪和軸向葉輪。軸向葉輪的推進(jìn)式能產(chǎn)生較好的液體宏觀對流，但要達(dá)到鎂及鎂合金液生產(chǎn)工藝需要的大范圍回旋運動效果還是不可能的。這是因為鎂熔煉的坩堝尺寸很大(深度多在1至2米)，僅靠推進(jìn)式葉輪的推動尚不足于得到需要的主體對流。為此增加導(dǎo)流筒輔助，使坩堝內(nèi)所有金屬液能通過導(dǎo)流筒進(jìn)行強(qiáng)制的長距離循環(huán)。為了增加渦流擴(kuò)散，還需要通過調(diào)整葉輪的轉(zhuǎn)速，使攪拌雷諾數(shù)達(dá)到湍流區(qū)的數(shù)值范圍，在導(dǎo)流筒中出現(xiàn)渦流，必然形成強(qiáng)烈短程擴(kuò)散。此外，由于金屬液的粘滯作用，在導(dǎo)流筒外進(jìn)行長距離循環(huán)運動的不同液層間所產(chǎn)生剪切也能產(chǎn)生旋渦。為在熔池的上表面形成一定高度的駝峰，導(dǎo)流筒液體出口設(shè)計成圓滑的彎頭，以限制液體輸出時的側(cè)向發(fā)散并形成類似人工攪拌時的液面駝峰，在駝峰上撒入的新熔劑能分散得更為均勻并在液體中的停留時間延長。此外通過改變攪拌器沉入深度、馬達(dá)轉(zhuǎn)速，也能配合達(dá)到調(diào)節(jié)運動速度和流場、改變液面駝峰高度的效果，以適應(yīng)不同的操作要求，獲得最佳效果。
鎂合金液使攪拌器處于很嚴(yán)酷的環(huán)境，尤其是在高溫金屬液中的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障多、可靠性很差。為此本發(fā)明盡量簡化設(shè)計，通過改變?nèi)~輪在導(dǎo)流筒的位置，盡量縮短傳動軸長度，以防運動部件卡死。使用氣動馬達(dá)驅(qū)動，也可以使用電動機(jī)驅(qū)動，但此時最好采用防卡死的聯(lián)軸器，如摩擦聯(lián)軸器以保護(hù)電動機(jī)。
鎂合金液攪拌精煉器工作于嚴(yán)酷的環(huán)境，應(yīng)采用無鎳、鈷的耐熱鋼制造。


攪拌精煉器的結(jié)構(gòu)如圖所示，由葉輪1、轉(zhuǎn)軸2，軸承3，連軸器4，馬達(dá)5，導(dǎo)流筒6，出液彎管7，支架8，掛鉤(吊鉤)9組成。
葉輪1可采用直葉片設(shè)計、也可采用其它類型的葉片。轉(zhuǎn)軸2應(yīng)盡可能減少長度，因為當(dāng)其很長時，需要復(fù)雜的防止轉(zhuǎn)動時擺動的機(jī)構(gòu)。連軸器4過載分離型，當(dāng)轉(zhuǎn)動被卡死時，使馬達(dá)脫離，以保護(hù)馬達(dá)5，也可使用氣動馬達(dá)。導(dǎo)流筒6和葉輪1的葉尖留有適當(dāng)?shù)拈g隙，既保證液體的有效定向運動，又防止兩者接觸。采用滑動軸承3，與軸間的間隙必須考慮高溫和液體金屬的特征，防止摩擦力過大和擺動，軸承3能經(jīng)受鎂液的侵蝕。出液彎管7的曲率半徑取決于坩堝容量和尺寸。支架8、掛鉤或吊鉤9的設(shè)置，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)的操作要求，例如當(dāng)攪拌精煉器用吊鉤吊起操作，則安裝吊鉤9；如把攪拌精煉器裝在可升降的移動推車上操作，則不須掛鉤9，直接把攪拌精煉器支架8固定在推車的懸臂前端上。
具體實施方法實施例一150公斤容量的坩堝用攪拌精煉器，設(shè)計數(shù)據(jù)為六片葉輪，葉輪1的直徑為80毫米，寬度為30毫米。導(dǎo)流筒6的總長度為600毫米，直徑為100毫米，出液管彎頭中軸彎曲半徑為250毫米，馬達(dá)轉(zhuǎn)速可調(diào)為50～250轉(zhuǎn)/分。
實施例二500公斤容量的坩堝用攪拌精煉器，設(shè)計數(shù)據(jù)為六片葉輪，葉輪1的直徑為140毫米，寬度為40毫米。導(dǎo)流筒6的總長度為1200毫米，直徑為150毫米，出液管彎頭中軸彎曲半徑為550毫米，馬達(dá)轉(zhuǎn)速可調(diào)為50～250轉(zhuǎn)/分。
權(quán)利要求
1.一種用于鎂合金熔煉過程金屬液合金化和精煉處理的鎂合金液攪拌精煉器，由葉輪(1)、轉(zhuǎn)軸(2)、軸承(3)、連軸器(4)、馬達(dá)(5)、導(dǎo)流筒(6)、出液彎管(7)、支架(8)、掛鉤(9)組成，其特征在于當(dāng)葉輪(1)轉(zhuǎn)動時，能使熔池中金屬液在導(dǎo)流筒(6)的約束下由上到下整體做回轉(zhuǎn)運動，不同金屬液流層相互做剪切運動，使添加物質(zhì)與金屬液充分混合，達(dá)到添加元素均勻分散，精煉熔劑同非金屬夾雜互相碰撞、吸附、聚集，并沉于熔池底部的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金液攪拌精煉器，其特征在于攪拌葉輪(1)外部有導(dǎo)流筒(6)，導(dǎo)流筒(6)上端出液口呈圓滑的彎管(7)，葉輪(1)用短的轉(zhuǎn)軸(2)和馬達(dá)(5)聯(lián)接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金液攪拌精煉器，其特征在于既可對金屬液進(jìn)行合金化操作，又可對金屬液進(jìn)行精煉操作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金液攪拌精煉器，其特征在于出液口帶有圓滑的出液彎管(7)造成液面出現(xiàn)平穩(wěn)的運動液體駝峰。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鎂或鎂合金液處理設(shè)備，用于鎂及鎂合金鑄造、鑄錠、重熔和廢鎂回收生產(chǎn)中的鎂和鎂合金液的合金化和精煉。鎂和鎂合金熔煉過程的合金化和精煉通常都是通過對金屬液攪拌實現(xiàn)的，本發(fā)明能獲得鎂合金熔煉需要的液體流動方式，達(dá)到合金元素在金屬液中分布均勻，非金屬夾雜物聚集，熔劑和雜質(zhì)結(jié)合并粗化、沉淀。本發(fā)明可以最大限度地減少熔劑的使用量，降低勞動強(qiáng)度、提高合金化和精煉質(zhì)量，保證金屬液的高質(zhì)量。
文檔編號C22B9/00GK1544670SQ20031011407
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月11日
發(fā)明者李華倫, 黃育宏, 李書偉, 楊仲可 申請人:福州華鎂新技術(shù)開發(fā)有限公司, 西北工業(yè)大學(xué)