一种铸造铝合金熔体复合除气和晶粒细化的装置及使用方法与流程

本发明涉及有色金属铸造中成型过程中熔体净化和晶粒细化工艺装置，具体为一种铸造铝合金熔体复合除气和晶粒细化装置及使用方法。

背景技术：

铸造铝合金具有比强度高、密度低、铸造成型性好、导热性优良等优点，广泛应用于航空、航天和机动车用发动机活塞、缸体、缸盖、支架等工业生产中。但铝合金在熔炼过程中液态熔体易溶解大量的氢原子，使得熔体中含氢量凝固态高几十倍，并随温度升高而增加更多，使得铸件中形成针孔、夹杂缺陷，降低其机械性能。再者，铝合金在浇注过程中，因为熔体在模具中凝固时间较长，容易形成粗大晶粒，也会造成机械性能下降。综上所述，铝合金熔体除气净化和凝固晶粒细化是生产高品质铸件的重要保证措施，并是提高铸件综合性能的常用手段。

因此，为获得高质量铝合金构件，有必要研究并采用先进的铝熔体除气处理方法，去除铝液中的气体和夹杂物。目前除气和晶粒细化的主要手段是化学熔剂(六氯乙烷c2cl6)除气和贵金属晶粒细化，或者通过旋转喷吹惰性气体，但是使用化学熔剂的除气效率低，通入惰性气体的除气效果不稳定，气泡尺寸大或者产生合泡时效果不好。

目前用于铝熔体的除气装置多是由真空系统和真空炉膛组成，依靠真空装置对铝合金熔体进行抽真空以达到降低熔体氢含量，减少铸件中气孔的目的，但是单一的真空除气装置除气速度慢，浪费能源，除气效果欠佳，并且由于长时间的除气造成熔体中部分合金元素被烧损，从而影响合金成分，不适合工业化生产。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种铸造铝合金熔体复合除气和晶粒细化的装置及使用方法，该装置将旋转除气和真空除气相结合，且使用超声波对晶粒进行细化，结构合理，除气效果好，实现了熔体净化和晶粒细化的复合功能；同时该装置的使用方法简单，能够有效缩短生产周期，节能环保。

本发明提供一种铸造铝合金熔体复合除气和晶粒细化的装置，包括装置主体；

装置主体包括互相配合的熔炼炉和炉盖，熔炼炉上还设置有用于控制炉盖升降的炉盖升降系统；

炉盖中部通过高温密封轴承贯穿连接有转轴，转轴顶部与旋转电机连接，转轴底部连接有旋转除气转子，转轴为中空结构，且内部设置有与旋转除气转子连通的氩气通道，氩气通道的另一端部连接有氩气供气单元，炉盖上位于转轴四周还均匀设置有超声发射器，超声发射器穿过炉盖并向熔炼炉内延伸，炉盖上还贯穿设置有负压表；

熔炼炉上还连通设置有向外延伸的抽气管，抽气管的另一端连接有废气冷却系统，废气冷却系统的另一端与负压泵连接。

优选的，熔炼炉内部紧贴炉壁设置有钢制坩埚，钢制坩埚与炉盖的连接部位处均设置有第一高温密封圈，熔炼炉外侧和炉盖上对应设置有用于固定的定位锁紧螺栓。

优选的，炉盖升降系统为电动推杆，电动推杆的顶部通过连接块与炉盖连接。

优选的，转轴顶部设置有从动轮，旋转电机的输出轴上设置有主动轮，主动轮和从动轮通过皮带连接。

优选的，氩气供气单元为氩气瓶，氩气瓶上设置有压力阀和压力表。

优选的，废气冷却系统由冷却管和冷却槽组成，冷却管的一端与抽气管连通，另一端与负压泵连通，冷却管浸入放置有冷却液的冷却槽中。

优选的，冷却管呈螺旋状结构。

优选的，超声发射器伸入熔炼炉的长度为熔炼炉高度的十分之一。

优选的，超声发射器与炉盖连接的部位设置有第二高温密封圈。

本发明还保护上述装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一、打开炉盖，将铝合金置于熔炼炉中，使用熔炼炉将铝合金熔化，并升温直到铝液温度为700～740℃时保温；

步骤二、关闭炉盖，锁紧定位锁紧螺栓，使炉盖与熔体炉密封连接，启动负压泵，待熔炼炉中负压达到-0.06mpa～-0.1mpa时启动旋转除气转子，转速为800～1500r/min；同时通过氩气通道进行吹气，气压为0.3～0.6mpa；保持10～15min，然后关闭旋转除气转子，继续保持负压保持15～20min；

步骤三、待铝液温度为680～730℃后，开启超声波发射器，超声波触头伸入液面10～20mm，超声功率为2000w，超声时间为5～10min，然后关闭负压泵，待压力卸载后，将熔体升温至740℃～780℃，打开炉盖并进行浇注零部件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明结构合理，操作简单，通过旋转除气转子和负压泵将旋转除气和真空除气两种除气方式相结合，利用传统除气工艺过程的保温时间即可完成除气，除气效果好，耗时短，节约能源；

2、本发明通过多个超声发射器发射的超声波对晶粒进行细化，省去了金属粒细化剂，有效降低了成本，实现了熔体净化和晶粒细化的复合功能；

3、本发明装置的使用方法简单，利用传统除气工艺过程的保温时间即可完成除气和晶粒细化，有效缩短了生产周期，耗时短，节能环保。

附图说明

图1是本发明一种铸造铝合金熔体复合除气和晶粒细化的装置的左视图；

图2是本发明一种铸造铝合金熔体复合除气和晶粒细化的装置的右视图

图3是实施例1和对比例1的样品的图片，图中(a)为对比例1的样品，(b)为实施例1的样品；

图4是实施例1和对比例1的样品的金相组织图，图中(a)为对比例2的样品，(b)为实施例1的样品。

图中：1、超声发射器；2、旋转除气转子；3、氩气通道；4、旋转电机；5、炉盖；6、第二高温密封圈；7、负压表；8、高温密封轴承；9、熔炼炉；10、钢制坩埚；11、负压泵；12、废气冷却系统；13、炉盖升降系统。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

本实施例提供一种铸造铝合金熔体复合除气和晶粒细化的装置，如图1和图2所示，包括装置主体，装置主体用于进行铝合金熔体的复合除气和晶粒细化；

装置主体包括互相配合的熔炼炉9和炉盖5，为了保证熔炼炉9内的真空环境，熔炼炉9内部紧贴炉壁设置有钢制坩埚10，钢制坩埚10与炉盖5的连接部位处均设置有第一高温密封圈，也就是钢制坩埚10与炉盖5通过高温密封圈密封连接，熔炼炉9外和炉盖5上对应设置有用于固定的定位锁紧螺栓，在将炉盖5盖合在熔炼炉9上以后，操作定位锁紧螺栓将炉盖5和熔炼炉9紧固连接；

熔炼炉9上还设置有用于控制炉盖5升降的炉盖升降系统13，炉盖升降系统13用于向上升起炉盖或者向下降下炉盖；为了便于操作升降炉盖，将炉盖升降系统13设置为电动推杆，电动推杆的顶部通过连接块与炉盖5连接，也就是炉盖5的外端固定设置有连接圈，连接圈上设置有连接块，电动推杆顶部与连接块连接，电动推杆上设置有用于控制电动推杆伸长和收缩以及伸长长度的开关，在操作中通过开关控制电动推杆升降，从而使炉盖5向上伸起远离熔炼炉9，在需要关闭时，操作电动推杆使其收缩，通过电动推杆使炉盖5与熔炼炉9贴合，然后操作定位锁紧螺栓将炉盖5和熔炼炉9紧固连接；

炉盖5中部通过高温密封轴承8贯穿连接有转轴，转轴顶部与旋转电机4连接，转轴底部连接有旋转除气转子2，转轴为中空结构，且内部设置有与旋转除气转子2连通的氩气通道3，氩气通道3的另一端部连接有氩气供气单元，为了便于充气，氩气供气单元为氩气瓶，氩气瓶上设置有压力阀和压力表，在需要充气时，启动氩气瓶即可进行，也就是转轴内贯穿设置有用于向熔炼炉9内通气的氩气通道3，氩气通道3的底部与旋转除气转子2连通，顶部通过管道与氩气供气单元连通，将旋转除气和真空除气结合；

为了保证氩气通道3的安全使用，转轴顶部设置有从动轮，旋转电机4的输出轴上设置有主动轮，主动轮和从动轮通过皮带连接，使用时，启动旋转电机4，带动主动轮转动，主动轮转动带动从动轮转动，从而驱使转轴转动，最终实现旋转除气转子2的转动；

炉盖5上位于转轴四周还均匀设置有超声发射器1，超声发射器1的目的是超声处理铝液使晶粒细化，为了保证真空环境，超声发射器1与炉盖5连接的部位设置有第二高温密封圈6，超声发射器1穿过炉盖5并向熔炼炉9内延伸，超声发射器1伸入熔炼炉9的长度为熔炼炉9高度的十分之一，这样盖上炉盖5以后，超声发射器1能够伸入钢制坩埚10内铝液内10-20mm，从而以铝液为超声波传播介质，实现超声处理细化铸造铝合金晶粒的效果，炉盖5上还贯穿设置有用于检测装置主体内部压力的负压表7，负压表7用于测量和指示工作状态下熔炼炉9内的压力；

熔炼炉9上设置有抽气管，抽气管贯穿熔炼炉9向外延伸，且端部连接有废气冷却系统12，废气冷却系统12的另一端与负压泵11连接，负压泵11的型号为dg卧式多级泵或同等功能的负压泵，负压泵11启动后将熔炼炉9内的废气抽出，其中废气冷却系统12用于防止高温气体将负压泵烧坏，废气冷却系统12由冷却管和冷却槽组成，冷却管的一端与抽气管连通，另一端与负压泵11连通，冷却管浸入放置有冷却液的冷却槽中，为了强化冷却效果，冷却管呈螺旋状结构。

本实施例还提供上述装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一、打开炉盖5，将铝合金置于熔炼炉9中，使用熔炼炉9将铝合金熔化，并升温直到钢制坩埚10内铝液温度为740℃时保温；

步骤二、关闭炉盖5，锁紧定位锁紧螺栓，使炉盖5与熔体炉9密封连接，启动负压泵11，待熔炼炉9中负压达到-0.1mpa时启动旋转除气转子2，转速为1500r/min；同时通过氩气通道3进行吹气，气压为0.3mpa；利用转子转动将熔体中的悬浮气泡破裂或形成微小气泡，再通过氩气将这些气泡浮出熔体液面，通过负压系统将排出的气体抽出，通过冷却系统冷却气体，防止负压泵过烧，然后排放到除尘环保设备中降尘过滤后排放到大气中，保证设备运行中无烟尘，确保工人的安全；旋转除气保持10min，关闭旋转除气转子2，继续保持负压保持20min，确保浮出的气泡全部排出炉体，并且负压同时可以使熔体中的悬浮气泡上升出液面排出，以达到有效的除气；

步骤三、待钢制坩埚10内铝液温度为730℃后，开启超声波发射器1，超声波触头伸入液面10～20mm，超声功率为2000w，超声时间为5min，然后关闭负压泵11，超声波可以有效分散合金形核质点和晶粒，达到晶粒细化和晶粒均匀分布的效果；待压力卸载后，将熔体升温至740℃，打开炉盖并进行浇注零部件。

实施例2

与实施例1的结构相同，不同的是使用过程中的条件，本实施例提供的使用方法为：

本实施例还提供上述装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一、打开炉盖5，将铝合金置于熔炼炉9中，使用熔炼炉9将铝合金熔化，并升温直到钢制坩埚10内铝液温度为700℃时保温；

步骤二、关闭炉盖5，锁紧定位锁紧螺栓，使炉盖5与熔体炉9密封连接，启动负压泵11，待熔炼炉9中负压达到-0.06mpa时启动旋转除气转子2，转速为800r/min；同时通过氩气通道3进行吹气，气压为0.6mpa；利用转子转动将熔体中的悬浮气泡破裂或形成微小气泡，再通过氩气将这些气泡浮出熔体液面，通过负压系统将排出的气体抽出，通过冷却系统冷却气体，防止负压泵过烧，然后排放到除尘环保设备中降尘过滤后排放到大气中，保证设备运行中无烟尘，确保工人的安全；旋转除气保持15min，关闭旋转除气转子2，继续保持负压保持15min，确保浮出的气泡全部排出炉体，并且负压同时可以使熔体中的悬浮气泡上升出液面排出，以达到有效的除气；

步骤三、待钢制坩埚10内铝液温度为680℃后，开启超声波发射器1，超声波触头伸入液面10～20mm，超声功率为2000w，超声时间为10min，然后关闭负压泵11，超声波可以有效分散合金形核质点和晶粒，达到晶粒细化和晶粒均匀分布的效果；待压力卸载后，将熔体升温至780℃，打开炉盖并进行浇注零部件。

实施例3

与实施例1的结构相同，不同的是对装置的操作进行了优化，也就是在熔炼炉9外壁上设置有plc控制系统，plc控制系统包括plc电控板、超声波发射器控制开关、旋转电机控制开关、炉盖升降系统控制开关、负压泵控制开关和时间继电器，plc电控板设置于熔炼炉9外壁，plc电控板上焊接有超声波发射器控制开关、旋转电机控制开关、炉盖升降系统控制开关、负压泵控制开关和时间继电器，超声波发射器控制开关与超声发射器1电性连接，旋转电机控制开关与旋转电机4电性连接、炉盖升降系统控制开关与炉盖升降系统13电性连接、负压泵控制开关与负压泵11电性连接。

具体实施时，通过plc电控板控制超声波发射器控制开关、旋转电机控制开关、炉盖升降系统控制开关、负压泵控制开关等开关的启闭，从而实现超声波发射器1、旋转电机4、炉盖升降系统13和负压泵11的启动和停止。

对比例1

使用传统方法中的化学试剂和旋转除气方式结合进行除气的零部件。

对比例2

使用晶粒细化剂细化后的零部件。

本发明的实施例1和实施例3得到的样品均具有较好的性能，我们以实施例1得到的零部件为例，将实施例1的装置处理后的零部件和对比例1的样品进行了性能对比，图3是实施例1和对比例1的样品的图片，表1是实施例1和对比例1的样品的性能对比表，其中(a)为对比例1的样品，(b)为实施例1的样品，从图3可以看出，对比例1的样品存在明显的气泡，而实施例1的样品表面平整，没有气泡；从表1可以看出，实施例1样品的性能明显优于对比例1样品的性能。

表1样品性能对比表

我们将使用实施例1的装置处理后的零部件和对比例2的样品进行了性能对比，图4是实施例1和对比例1的样品的金相组织图，表1是实施例1和对比例2的样品的性能对比表，其中(a)为对比例2的样品，(b)为实施例1的样品，从图4可以看出，实施例1的样品的晶粒更加细化；从表1可以看出，实施例1样品的性能明显优于对比例1样品的性能。

表2样品性能对比表

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。