一种镁合金锭坯潜流式过滤纯净化模铸装置的制作方法

本实用新型属于金属锭坯制备领域，特别涉及一种镁合金锭坯潜流式过滤纯净化模铸装置。

背景技术：

镁合金产品分为铸造镁合金和变形镁合金两大类，变形镁合金是锭坯经锻造、挤压、轧制等塑性变形方法制备的锻件、挤压材、板材和带材。与铸造镁合金相比，变形镁合金通常具有更加优异的力学性能，可以用作承力结构件。变形镁合金锭坯常用的制造方法为半连续铸造和模铸，半连续铸造的生产效率高，凝固组织细小，对于合金化程度低且热裂倾向小的变形镁合金锭坯，通常采用半连续铸造。对于合金化程度高、热裂倾向大、凝固收缩大的变形镁合金锭坯，如高稀土含量镁合金，通常采用模铸。

变形镁合金产品的质量在很大程度上取决于铸锭的纯净度，这与熔体净化效果密切相关。镁合金熔体的化学性质活泼，极易与空气中的氧气和氮气反应，生成氧化物和氮化物夹杂；同时，镁合金工业化熔炼通常使用熔剂进行熔体保护和精炼，因而会引入液态熔剂夹杂；另外，镁合金熔体的吸气严重，如果除气不充分，则在凝固后容易出现气孔和疏松等缺陷。这些缺陷会破坏镁合金材料的连续性，严重恶化力学性能和耐蚀性，是导致变形镁合金产品不合格的首要因素。

为了获得高品质铸锭，工业化生产中需要对熔体进行纯净化处理，通常包括：熔剂精炼净化、除气净化、过滤净化和真空净化。(1)熔剂精炼净化的原理：熔剂接触熔体后立即形成液体，在熔体表面铺开，在搅拌的作用下，熔剂液滴与熔体中的夹杂颗粒发生碰撞，在碰撞过程中熔剂充分润湿夹杂颗粒，使夹杂物团聚形成较大颗粒，经过一定时间的静置后沉淀到坩埚底部，从而实现夹杂与熔体分离。(2)除气净化的原理是：镁合金熔体中要去除的气体主要是氢气，氢气主要来源于熔剂中的水分和金属表面吸附的潮气。惰性气体(通常为氩气)气泡进入熔体后，由于气泡中氢的分压为零，借助镁液与气泡中氢分压差，氢便会不断扩散进入气泡，浮出液面被去除，气泡表面吸附的夹杂物也随之上浮而排除。其中，旋转吹气法的净化效果优异，利用吹气头的快速旋转作用在熔体深处形成快速运动的气液涡流，使通入熔体的气体被破碎成均匀分布的细小气泡群，从而显著提高除气和浮游精炼的效果。吹气净化的效果一方面取决于惰性气体的性质和纯度，更主要的取决于气泡的大小和气泡在熔体中的分散程度。如果气泡直径越小，分布越均匀弥散，则气泡比表面积越大，熔体中的氢扩散进气泡的路程越短，气泡上浮越慢，除气率越高。(3)过滤净化常用的过滤体为泡沫陶瓷片和陶瓷颗粒堆积层，其净化机理为：过滤体内部存在曲折迂回的孔道，可增加接触表面积，有利于对夹杂物的捕获。固态夹杂物颗粒被阻挡在各个孔洞处或沉淀于内部一些角落而去除，另外，陶瓷表面还可以吸附固态微细夹杂和液体熔剂夹杂。所以，过滤净化法不但可以滤掉合金熔体中小至10～20μm的微细夹杂物颗粒，而且能滤掉用一般过滤介质难以滤除的液态熔剂夹杂。陶瓷材料通常选择MgO，这是因为MgO陶瓷可以在高温镁合金熔体中长时间浸泡而不与镁发生反应，同时能充分润湿熔体中的氧化物夹杂和液态熔剂液滴，从而能同时吸附这两种夹杂物，实现熔体净化目的。过滤净化效果与过滤体的孔隙率和过滤层厚度密切相关。(4)真空净化的原理与吹气净化类似，在熔体液面上方制造真空(减压)环境，熔体的吸气倾向趋于零，而压差的存在使得氢从熔体中析出的倾向很强烈，形成的氢气泡在上浮过程中也能带走一部分非金属夹杂，使熔体进一步得到净化。

对高稀土含量、热裂倾向大、凝固收缩大或(超)大截面的变形镁合金锭坯，模铸纯净化的难点在于同时去除细小的固态夹杂和液态熔剂夹杂。模铸技术常用的过滤净化方法是发明专利ZL200910077936.3所记载的过滤方法，即将过滤器安装在熔体输送泵的入口或出口处，其中，过滤器为多层结构，包含不锈钢网、不锈钢屑和MgO陶瓷过滤体。受限于输送泵入口或出口的尺寸，过滤器的体积有限，面对上百公斤熔体的过滤要求，过滤陶瓷对夹杂物的容纳能力有限，过滤效果逐渐衰退；同时，在高温熔体的不断冲击下，过滤器边缘与管道之间的密封性会变差，容易造成漏渣。另一方面，通常的模铸技术利用转液泵、漏斗、分流盘等将熔体从熔炼炉浇注到锭模中，熔体容易接触空气发生氧化，需要在漏斗和分流盘处设置气体保护，不仅增加了成本和操作难度，而且无法彻底避免氧化，同时，由于存在高落差，难以形成稳定的静态液面，容易产生紊流和卷气。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型针的目的是提供一种镁合金锭坯潜流式过滤纯净化模铸装置，其特征在于，所述装置由顺次连通的熔炼系统1、输液系统2和锭模系统3组成；

所述熔炼系统1为熔炼坩埚4置于熔炼炉5中，在熔炼坩埚4的中下部设置出液管6，其中出液管6通过阀门7与输液系统2连接；

所述输液系统2为输液管8外部设有加热丝9和保温套10，排液阀门11设置在输液管8底部；其中输液管8末端为圆锥状，输液系统2通过输液管8与锭模系统3连通；

所述锭模系统3为锭模12的底板中心存在通孔，带柄堵头14置于锭模12底板通孔中，堵头罩盖16倒扣在带柄堵头14上方并且底边焊接于锭模12的底板上，MgO陶瓷颗粒过滤层13位于堵头罩盖16上方、锭模12底部，隔板17位于MgO陶瓷颗粒过滤层13上方，陶瓷颗粒加热炉15设置在MgO陶瓷颗粒过滤层13外部，保温层18设置在锭模12外部，密封盖19固定于锭模12上口，带控制阀的真空泵管20、气压传感器21、带控制阀的保护气体管22和液面高度传感器23设置在密封盖19上；其中堵头罩盖16和隔板17上存在通孔。

所述锭模12的底板中心孔，孔的上下均为喇叭口，上方喇叭口与带柄堵头14的圆锥面紧密配合，下方喇叭口与输液管8的末端紧密配合。

所述圆锥状堵头罩盖16和带柄堵头14的旋转对称轴在一条直线上。

所述堵头罩盖16和隔板17上存在的通孔直径为5～15mm。

所述MgO陶瓷颗粒过滤层13中的陶瓷颗粒粒径范围为5～15mm，优选为平均粒径为5mm的颗粒与平均粒径为10mm的颗粒搭配使用。

本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型简化了过滤器的制造，便于根据熔体体积对MgO陶瓷颗粒用量进行调整，同时能有效避免过滤器边缘漏渣问题；

(2)本实用新型利用熔炼炉与锭模之间的高落差，以及对锭模中惰性气体压力的精确控制，能够实现熔体以潜流形式自下而上平稳的穿过陶瓷颗粒层，不仅能有效避免熔体转移时氧化的发生，而且有利于形成稳定的静态液面，从而有效避免通常熔体转注存在的紊流和卷气情况。

附图说明

图1为一种镁合金锭坯潜流式过滤纯净化模铸装置的整体构造图，图中各标号具体含义如下：1-熔炼系统，2-输液系统，3-锭模系统；

图2为熔炼系统1的构造图，图中各标号具体含义如下：4-熔炼坩埚，5-熔炼炉，6-出液管，7-阀门；

图3为输液系统2的构造图，图中各标号具体含义如下：8-输液管，9-加热丝，10-保温套，11-排液阀门；

图4为锭模系统3的构造图，图中各标号具体含义如下：12-锭模，13-MgO陶瓷颗粒过滤层，14-带柄堵头，15-陶瓷颗粒加热炉，16-堵头罩盖，17-隔板，18-保温层，19-密封盖，20-带控制阀的真空泵管，21-气压传感器，22-带控制阀的保护气体管，23-液面高度传感器；

图5为锭模系统3和输液系统2之间相互连通时的局部放大图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种镁合金锭坯潜流式过滤纯净化模铸装置，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示的一种镁合金锭坯潜流式过滤纯净化模铸装置，包括顺次连通的熔炼系统1、输液系统2和锭模系统3。

如图2所示的熔炼系统1为熔炼坩埚4置于熔炼炉5中，在熔炼坩埚4的中下部设置出液管6，其中出液管6通过阀门7与输液系统2连接。

如图3所示的输液系统2为输液管8外部设有加热丝9和保温套10，排液阀门11设置在输液管8底部；其中加热丝9、保温套10分别用于加热、保温输液管8，输液管8末端为圆锥状，输液系统2通过输液管8与锭模系统3连通。

如图4所示的锭模系统3为锭模12的底板中心打孔，锭模12底板中心孔的上下均加工成喇叭口，保证上方喇叭口与带柄堵头14的圆锥面紧密配合，下方喇叭口与输液管8的末端紧密配合；带柄堵头14置于锭模12底板通孔中，堵头罩盖16倒扣在带柄堵头14上方、底边焊接于锭模12的底板上，堵头罩盖16和带柄堵头14的旋转对称轴在一条直线上；MgO陶瓷颗粒过滤层13位于堵头罩盖16上方、锭模12底部，隔板17位于MgO陶瓷颗粒过滤层13上方，堵头罩盖16和隔板17上存在直径5～15mm的通孔；陶瓷颗粒加热炉15设置在MgO陶瓷颗粒过滤层13外部，保温层18设置在锭模12外部，密封盖19固定于锭模12上口，带控制阀的真空泵管20、气压传感器21、带控制阀的保护气体管22和液面高度传感器23设置在密封盖19上；其中，陶瓷颗粒加热炉15用于加热MgO陶瓷颗粒过滤层13，保温层18用于保温转移后的熔体，带控制阀的真空泵管20用于移除锭模12和输液管8内部的空气，气压传感器21、带控制阀的保护气体管22用于测定、控制和调整锭模12的内部气压。

实施例

对VW75(名义成分Mg-7wt.％Gd-5wt.％Y-1wt.％Nd-0.5wt.％Zr)稀土镁合金进行模铸。

投料和熔体转移情况：投料重量550Kg，转移熔体重量360Kg，锭模12内腔规格：直径410mm，高1700mm。

步骤1：装配熔炼系统1和输液系统2

在熔炼之前，熔炼坩埚4为冷态时，通过阀门7连接出液管6和输液管8，连通熔炼系统1和输液系统2。

步骤2：锭模系统3的装配

(a)在锭模12底部中心打孔，孔的上下均加工成喇叭口，保证上方喇叭口与带柄堵头14的圆锥面紧密配合，下方喇叭口与输液管8的末端紧密配合；

(b)将带柄堵头14的柄穿过底部通孔，使其圆锥面与孔的上方喇叭口紧密配合；

(c)将圆锥状堵头罩盖16倒扣在带柄堵头14上方，保证两者的旋转对称轴在一条直线上，将堵头罩盖16的底边焊接于锭模12的底板；

(d)按照转移熔体：过滤材料重量比为30:1，确定MgO陶瓷颗粒的用量为12Kg，平均粒径为5mm的颗粒与平均粒径为10mm的颗粒搭配使用，用高压气体吹去陶瓷颗粒表面粉尘，再经过高温烘干，然后将陶瓷颗粒置于锭模12底部，形成MgO陶瓷颗粒过滤层13，保证其内部堆积密实和上部平整；

(e)在MgO陶瓷颗粒过滤层13上方放置隔板17；

(f)将密封盖19固定于锭模12上口；

(g)在锭模12外部加保温层18。

步骤3：熔炼

在熔炼系统1中依次进行镁锭熔化、合金化、机械搅拌、旋转喷吹除气净化和静置，在上述过程中，阀门7一直处于关闭状态；

步骤4：在熔炼过程中，同步进行熔体转移的准备工作

(a)锭模系统3和输液系统2配合：将装配好的锭模系统3转移至输液系统2的输液管8末端上方，使带柄堵头14的柄进入输液管8内，锭模系统3缓慢下降，直到输液管8末端圆锥面与锭模12底部下喇叭口紧密配合，同时带柄堵头14被顶起，带柄堵头14不再与锭模12底部通孔的上喇叭口结合，此时，输液管8和锭模系统3连通，如图5所示；

(b)关闭保护气体管22的控制阀，打开真空泵管20的控制阀，启动真空泵，尽可能多得移除锭模12和输液管8内部的空气，之后关闭真空泵管20的控制阀，打开保护气体管22的控制阀，将保护气体通入锭模12和输液管8内部，通过气压传感器21测量锭模12的内部气压，通过控制保护气体输入量来调整锭模12内的气压，锭模12内部气压调整为周围环境大气压，然后关闭保护气体管22的控制阀；

(c)启动陶瓷颗粒加热炉15和输液管加热丝9，将输液管8和MgO陶瓷颗粒过滤层13的温度升高到650℃左右。

步骤5：熔体转移

(a)打开阀门7，熔体通过输液管8进入锭模系统3，并缓慢平稳的经过MgO陶瓷颗粒过滤层13，熔体中的固态氧化物夹杂和液态熔剂夹杂被充分滤除；

(b)锭模12内的熔体液面平稳上升，通过带控制阀的真空泵管20控制锭模12内部气压稳定，使其基本处于周围环境大气压水平，直到液面与液面高度传感器23接触报警，然后关闭阀门7，熔体转移结束；

(c)将锭模系统3缓慢升起，锭模系统3与输液管8分离的同时，带柄堵头14下落，将锭模12底部通孔封闭，随后，断开密封盖19上方的管路和线缆，将锭模系统3转移至控制冷却系统进行凝固。

步骤6：清空残留熔体

熔体转移完成后，关闭阀门7，打开排液阀门11，将残留在输液管8中的熔体清空，之后关闭排液阀门11。

之后重复进行上述步骤2-5，完成下一炉次熔炼和熔体转移。