一种镁合金熔体机械旋转搅拌喷吹处理装置及处理方法
阅读说明：本技术 一种镁合金熔体机械旋转搅拌喷吹处理装置及处理方法 (Mechanical rotary stirring and blowing treatment device and treatment method for magnesium alloy melt ) 是由 李翔光 倪明 邵军 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种镁合金熔体机械旋转搅拌喷吹处理装置及处理方法,包括气体供应装置、混气装置、动力系统、盖板、叶轮转子、导流筒,导气管,坩埚,壳体,其中,气体供应装置出气口与混气装置进气口连接,混气装置出气口与动力系统进气口连接,动力系统出气口与导气管进气口固定连接,导气管穿过导流筒顶部并伸入至导流筒下部,导气管与导流筒顶部固定连接,导流筒设置在坩埚下部,导气管出气口处设置有叶轮转子,叶轮转子与动力系统连接,壳体顶部设置有盖板,导气管穿过盖板伸入坩埚内。使用本发明装置与处理方法所制备的合金,能够明显提高镁合金熔体的处理质量,同时提升了生产效率。(The invention discloses a magnesium alloy melt mechanical rotation stirring and blowing treatment device and a treatment method, and the device comprises a gas supply device, a gas mixing device, a power system, a cover plate, an impeller rotor, a guide cylinder, a gas guide tube, a crucible and a shell, wherein a gas outlet of the gas supply device is connected with a gas inlet of the gas mixing device, a gas outlet of the gas mixing device is connected with a gas inlet of the power system, a gas outlet of the power system is fixedly connected with a gas inlet of the gas guide tube, the gas guide tube penetrates through the top of the guide cylinder and extends into the lower part of the guide cylinder, the gas guide tube is fixedly connected with the top of the guide cylinder, the guide cylinder is arranged at the lower part of the crucible, the impeller rotor is arranged at the gas outlet of the gas guide tube, the. The alloy prepared by the device and the treatment method can obviously improve the treatment quality of the magnesium alloy melt and simultaneously improve the production efficiency.)
技术领域
本发明属于合金制备技术领域，尤其涉及一种镁合金熔体机械旋转搅拌喷吹处理装置及处理方法。
背景技术
镁合金作为一种优质金属结构材料，具有高的比强度和比刚度、优良的铸造性能和机械加工性能，被誉为“21世纪的绿色工程材料”，在航空航天、电子和汽车领域有着广泛的应用。由于镁合金性质活泼，合金在熔炼时易燃烧和氧化从而形成夹杂物。为了确保合金液的质量，防止氧化夹杂，需对合金液进行精炼处理。目前镁合金精炼主要采用的是“下部溶剂法”和“气体喷吹精炼法”，市场上未有成熟的镁合金精炼设备，而现有铝合金精炼设备和精炼方法也无法适用于镁合金精炼。
“下部溶剂法”即操作者手持经过溶剂洗涤的搅拌勺，将勺伸入镁液深处，进行捞底搅动，使镁液在垂直方向产生强烈的上下循环对流，同时不断在镁液表面撒充分脱水的精炼溶剂，使其随着上下翻动的液流和镁液充分接触，多次循环把悬浮在镁液中的夹杂物俘获、沉淀到坩埚底部。精炼约7-12分钟，直到镁液表面不再有白色氧化物从熔池底部翻上来，页面呈现光亮的镜面为止。
“气体喷吹精炼法”即通过导气管向合金液内喷吹干燥的氩气，形成密集氩气小气泡，在镁液深度处冒出，气泡在上升过程中与金属液充分接触。由于氩气分压较高，金属中的氢气会不断进入气泡，气泡浮出后，气泡中的氢气随之溢出，从而达到除氢的目的。气泡在上升过程中还能吸附较小的夹杂物，并随其上浮而排除,起到一定的除渣作用。密集气泡的上升还能带动镁液在垂直方向产生强烈的上下循环对流，在镁液表面不断均匀地撒溶剂，溶剂能够随着上下翻动的液流和镁液充分接触，有效防止镁液燃烧，并把悬浮在镁液中的夹杂物俘获、沉底，从而实现溶剂精炼和溶剂保护的双重的效果。
采用搅拌勺进行捞底搅拌精炼需要操作者具有较高的操作技能，劳动强度非常大，精炼效果受操作者影响很大，搅动的稳定性差，容易产生溶剂、氧化夹渣等缺陷问题，溶液质量难以得到保证。同时，采用精炼勺精炼的方法还无法达到除气的效果。
采用气体喷吹精炼的方法虽然解决了“下部溶剂法”操作难度大，精炼劳动强度高，精炼效果不稳定，无法进行除气等问题，实现了氩气与溶剂的复合精炼。但采用该精炼方法对粘度较大的稀土镁合金进行精炼时，存在合金液上下翻动力度不够的问题，从而无法实现溶剂与夹渣的充分接触，极易出现氧化与溶剂夹渣。
同时，镁铝系镁合金在熔炼过程中需进行变质处理，使δ(Mg) 基体细化。未经变质处理的镁合金，晶粒会比较粗大，在铸件壁厚处更为明显。晶粒粗大将使合金的缩松和热裂倾向大大加剧，力学性能明显下降。目前镁合金变质广泛采用的是菱镁矿，通过菱镁矿主要成分MgCO3与合金液的反应，生成大量弥散分布的Al4C3质点，增加结晶晶核，使晶粒细化。但菱镁矿作为天然矿产，不同批次的菱镁矿中 MgCO3的含量相差会比较明显，这对变质效果产生比较大的影响，极易产生变质不完全的情况。同时，采用菱镁矿进行变质时还会带入一些杂质和杂质元素，这也在一定程度上影响了合金液的质量。同时，镁合金菱镁矿变质需在镁合金精炼前进行，增加了熔炼工序，延长了镁合金熔炼时间，降低了效率，增加了镁合金元素的烧损。
为此，针对镁合金特性和目前主要镁合金熔体处理方法的特点，将气体精炼、化学精炼及气体变质相结合，设计一种镁合金熔体机械旋转搅拌喷吹处理装置，并提出相应的镁合金熔体处理方法，弥补“下部溶剂法”、“气体喷吹精炼法”以及镁合金菱镁矿变质的不足，实现对镁合金熔体的高质、高效机械化处理。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种镁合金熔体机械旋转搅拌喷吹处理装置及处理方法，可以解决现有技术镁合金熔体处理质量不够理想及效率低的问题。
本发明通过以下技术方案得以实现。
一种镁合金熔体机械旋转搅拌喷吹处理装置，包括气体供应装置、混气装置、动力系统、盖板、叶轮转子、导流筒，导气管，坩埚，壳体，其中，气体供应装置出气口与混气装置进气口连接，混气装置出气口与动力系统进气口连接，动力系统出气口与导气管进气口固定连接，导气管穿过导流筒顶部并伸入至导流筒下部，导气管与导流筒顶部固定连接，导流筒设置在坩埚下部，导气管出气口处设置有叶轮转子，叶轮转子与动力系统连接，壳体顶部设置有盖板，导气管穿过盖板伸入坩埚内。
优选地，所述气体供应装置供应氩气和二氧化碳。
优选地，所述动力系统为电机，动力系统设置有轴，动力系统与叶轮转子通过轴同轴连接。
优选地，所述叶轮转子的搅拌头为3片对称分布的桨叶。
优选地，所述壳体侧面设置有溶剂定量供应系统，溶剂定量供应系统的导液管从壳体上部伸入至坩埚顶部。
优选地，所述壳体顶端设置有升降臂，装置升降臂顶部与盖板连接。
一种镁合金熔体机械旋转搅拌喷吹处理方法，包括以下步骤：
S1：合金液完全熔化后，将熔体温度调节到780至820℃，将预热到500至700℃的导流筒和叶轮转子伸入到熔体深度的2/3处，盖上盖板，
S2：开启气体供应系统，调节二氧化碳气体流量为0.5至1.8L/min，氩气流量为0.6至2.0L/min，开启动力系统，调整叶轮转子转速为100 至300r/min，开启溶剂定量供应系统，将溶剂供应速率设定为100至 1000g/min，进行处理10至30min，
S3：熔体处理完毕后，先关闭动力系统，再关闭溶剂定量供应系统，关闭气体供应系统，然后移出叶轮转子，
S4：去除熔体表面的熔渣层并通过溶剂定量供应系统均匀撒下一层溶剂A，调整温度为780至820℃，保温静置10至50min，然后调节熔体温度至680至760℃后进行浇注。
优选地，所述步骤S2中，调节二氧化碳气体流量为1.0L/min，氩气流量为1.2L/min，开启动力系统，调整叶轮转子转速为150r/min，叶轮转子为顺时针转动，开启溶剂定量供应系统，将溶剂供应速率设定为110g/min，进行处理12min。
优选地，所述步骤S4中，溶剂A为RJ-2或RJ-5。
优选地，所述步骤S4中，调整温度为800℃，保温静置12min，然后调节熔体温度至720℃后进行浇注。
本发明的有益效果在于：
1、使用本发明的装置对镁铝系镁合金熔体处理时，混气装置2 将氩气和二氧化碳以调节设定的比例均匀混合，通过叶轮转子6中心通入熔体内，氩气和二氧化碳在旋转叶轮转子6的作用下，打碎成弥散细小的气泡，提高气体与熔体的接触面积。细小的氩气泡可吸附熔体内的夹杂物，实现对熔体的物理净化；细小的二氧化碳气泡与镁合金熔体反应生成细小的Al4C3粒子，实现对熔体的变质处理，提高变质效果及效率。通过该装置，可以实现熔体气相变质、气相净化、化学净化同时进行以及气体保护和溶剂保护的结合，提高熔体处理质量及效率。
2、利用本发明处理的ZM5合金与常规方法相比，抗拉强度、延伸率方面分别提高18％和8％，熔体处理时间比现有常用的技术缩短 15％，有效提高了生产效率。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图；
图中：1-气体供应装置，2-混气装置，3-动力系统，4-溶剂定量供应系统，5-盖板，6-叶轮转子，7-导流筒，8-导气管，9-坩埚，10- 壳体，11-升降臂。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
实施例1：
如图1所示，一种镁合金熔体机械旋转搅拌喷吹处理装置，包括气体供应装置1、混气装置2、动力系统3、盖板5、叶轮转子6、导流筒7，导气管8，坩埚9，壳体10，其中，气体供应装置1出气口与混气装置2进气口连接，混气装置2出气口与动力系统3进气口连接，动力系统3出气口与导气管8进气口固定连接，导气管8穿过导流筒7顶部并伸入至导流筒7下部，导气管8与导流筒7顶部固定连接，导流筒7设置在坩埚9下部，导气管8出气口处设置有叶轮转子6，叶轮转子6与动力系统3连接，壳体10顶部设置有盖板5，导气管8穿过盖板5伸入坩埚9内。
所述气体供应装置1供应氩气和二氧化碳。
为了防止叶轮转子6搅动时造成坩埚9内金属液旋转形成涡流，加剧合金液的氧化、卷气，所以在叶轮转子6外面增加一个导流筒7，不与叶轮转子6连接。
所述动力系统3为电机，动力系统3设置有轴，动力系统3与叶轮转子6通过轴同轴连接，电机带动叶轮转子6以设定的转速转动。
所述叶轮转子6的搅拌头为3片对称分布的桨叶，搅拌头转动时，桨叶可带动合金液上下翻动。
为了防止叶轮转子6搅动时造成坩埚9内金属液旋转形成涡流，加剧合金液的氧化、卷气，所以在叶轮转子6外面增加一个导流筒7，不与叶轮转子6连接。
所述壳体10侧面设置有溶剂定量供应系统4，溶剂定量供应系统4 的导液管从壳体10上部伸入至坩埚9顶部。
针对人工撒溶剂存在的溶剂用量、抛洒速率难以控制的问题，在装置中加入一个溶剂定量供应系统4，使得溶剂抛洒速率可调节。
所述壳体10顶端设置有升降臂11，装置升降臂11顶部与盖板5连接。
为了加强对合金熔体的保护，设置了盖板5，精炼时，盖上盖板5，通过叶轮转子6搅拌头中心喷吹出的气体从合金熔体内浮出后，被盖板5强行阻拦(镁合金蒸气分压较氩气高，不用盖板覆盖，镁蒸气会冲开氩气与空气接触)，气体覆盖在合金熔体表面，实现合金熔体的气体保护。
一种镁合金熔体机械旋转搅拌喷吹处理方法，包括以下步骤：
S1：合金液完全熔化后，将熔体温度调节到800℃，将预热到600℃的导流筒7和叶轮转子6伸入到熔体深度的2/3处，盖上盖板5，
S2：开启气体供应系统1，调节二氧化碳气体流量为1.0L/min，氩气流量为1.2L/min，开启动力系统3，调整叶轮转子6转速为150r/min，叶轮转子6为顺时针转动，开启溶剂定量供应系统4，将溶剂供应速率设定为110g/min，进行处理12min，
S3：熔体处理完毕后，先关闭动力系统3，再关闭溶剂定量供应系统4，关闭气体供应系统，然后移出叶轮转子6，
S4：去除熔体表面的熔渣层并通过溶剂定量供应系统4均匀撒下一层溶剂A，调整温度为800℃，保温静置12min，然后调节熔体温度至720℃后进行浇注。
所述步骤S4中，溶剂A为RJ-2。
实施例2：
如图1所示，一种镁合金熔体机械旋转搅拌喷吹处理装置，包括气体供应装置1、混气装置2、动力系统3、盖板5、叶轮转子6、导流筒7，导气管8，坩埚9，壳体10，其中，气体供应装置1出气口与混气装置2进气口连接，混气装置2出气口与动力系统3进气口连接，动力系统3出气口与导气管8进气口固定连接，导气管8穿过导流筒7顶部并伸入至导流筒7下部，导气管8与导流筒7顶部固定连接，导流筒7设置在坩埚9下部，导气管8出气口处设置有叶轮转子6，叶轮转子6与动力系统3连接，壳体10顶部设置有盖板5，导气管8穿过盖板5伸入坩埚9内。
所述气体供应装置1供应氩气和二氧化碳。
所述动力系统3为电机，动力系统3设置有轴，动力系统3与叶轮转子6通过轴同轴连接，电机带动叶轮转子6以设定的转速转动。
所述叶轮转子6的搅拌头为3片对称分布的桨叶，搅拌头转动时，桨叶可带动合金液上下翻动。
为了防止叶轮转子6搅动时造成坩埚9内金属液旋转形成涡流，加剧合金液的氧化、卷气，所以在叶轮转子6外面增加一个导流筒7，不与叶轮转子6连接。
所述壳体10侧面设置有溶剂定量供应系统4，溶剂定量供应系统4 的导液管从壳体10上部伸入至坩埚9顶部。
针对人工撒溶剂存在的溶剂用量、抛洒速率难以控制的问题，在装置中加入一个溶剂定量供应系统4，使得溶剂抛洒速率可调节。
所述壳体10顶端设置有升降臂11，装置升降臂11顶部与盖板5连接。
为了加强对合金熔体的保护，设置了盖板5，精炼时，盖上盖板5，通过叶轮转子6搅拌头中心喷吹出的气体从合金熔体内浮出后，被盖板5强行阻拦(镁合金蒸气分压较氩气高，不用盖板覆盖，镁蒸气会冲开氩气与空气接触)，气体覆盖在合金熔体表面，实现合金熔体的气体保护。
一种镁合金熔体机械旋转搅拌喷吹处理方法，包括以下步骤：
S1：合金液完全熔化后，将熔体温度调节到780℃，将预热到500℃的导流筒7和叶轮转子6伸入到熔体深度的2/3处，盖上盖板5，
S2：开启气体供应系统1，调节二氧化碳气体流量为0.5L/min，氩气流量为0.6L/min，开启动力系统3，调整叶轮转子6转速为100r/min，开启溶剂定量供应系统4，将溶剂供应速率设定为100g/min，进行处理10min，
S3：熔体处理完毕后，先关闭动力系统3，再关闭溶剂定量供应系统4，关闭气体供应系统，然后移出叶轮转子6，
S4：去除熔体表面的熔渣层并通过溶剂定量供应系统4均匀撒下一层溶剂A，调整温度为780℃，保温静置10min，然后调节熔体温度至680℃后进行浇注。
所述步骤S4中，溶剂A为RJ-5。
实施例3：
如图1所示，一种镁合金熔体机械旋转搅拌喷吹处理装置，包括气体供应装置1、混气装置2、动力系统3、盖板5、叶轮转子6、导流筒7，导气管8，坩埚9，壳体10，其中，气体供应装置1出气口与混气装置2进气口连接，混气装置2出气口与动力系统3进气口连接，动力系统3出气口与导气管8进气口固定连接，导气管8穿过导流筒7顶部并伸入至导流筒7下部，导气管8与导流筒7顶部固定连接，导流筒7设置在坩埚9下部，导气管8出气口处设置有叶轮转子6，叶轮转子6与动力系统3连接，壳体10顶部设置有盖板5，导气管8穿过盖板5伸入坩埚9内。
所述气体供应装置1供应氩气和二氧化碳。
所述动力系统3为电机，动力系统3设置有轴，动力系统3与叶轮转子6通过轴同轴连接，电机带动叶轮转子6以设定的转速转动。
所述叶轮转子6的搅拌头为3片对称分布的桨叶，搅拌头转动时，桨叶可带动合金液上下翻动。
为了防止叶轮转子6搅动时造成坩埚9内金属液旋转形成涡流，加剧合金液的氧化、卷气，所以在叶轮转子6外面增加一个导流筒7，不与叶轮转子6连接。
所述壳体10侧面设置有溶剂定量供应系统4，溶剂定量供应系统4 的导液管从壳体10上部伸入至坩埚9顶部。
针对人工撒溶剂存在的溶剂用量、抛洒速率难以控制的问题，在装置中加入一个溶剂定量供应系统4，使得溶剂抛洒速率可调节。
所述壳体10顶端设置有升降臂11，装置升降臂11顶部与盖板5连接。
为了加强对合金熔体的保护，设置了盖板5，精炼时，盖上盖板5，通过叶轮转子6搅拌头中心喷吹出的气体从合金熔体内浮出后，被盖板5强行阻拦(镁合金蒸气分压较氩气高，不用盖板覆盖，镁蒸气会冲开氩气与空气接触)，气体覆盖在合金熔体表面，实现合金熔体的气体保护。
一种镁合金熔体机械旋转搅拌喷吹处理方法，包括以下步骤：
S1：合金液完全熔化后，将熔体温度调节到820℃，将预热到700℃的导流筒7和叶轮转子6伸入到熔体深度的2/3处，盖上盖板5，
S2：开启气体供应系统1，调节二氧化碳气体流量为1.8L/min，氩气流量为2.0L/min，开启动力系统3，调整叶轮转子6转速为300r/min，开启溶剂定量供应系统4，将溶剂供应速率设定为1000g/min，进行处理30min，
S3：熔体处理完毕后，先关闭动力系统3，再关闭溶剂定量供应系统4，关闭气体供应系统，然后移出叶轮转子6，
S4：去除熔体表面的熔渣层并通过溶剂定量供应系统4均匀撒下一层溶剂A，调整温度为820℃，保温静置50min，然后调节熔体温度至760℃后进行浇注。
所述步骤S4中，溶剂A为RJ-2。
将实施例1-3所制备而成的镁合金与市售冶航镁业公司的ZM5镁合金依据GB/T228.1-2010进行测试，测试结果如表1所示。
表1ZM5镁合金力学测试结果
抗拉强度(MPa)
延伸率(％)
实施例1
277
15.1
实施例2
265
13.8
实施例3
269
14.4
市售ZM5合金
217
12.7
由表1可知，实施例中ZM5镁合金的抗拉强度和延伸率至少比现有技术分别提升了18％、8％，说明本发明的装置与方法对提升镁合金的质量产生了积极的作用。
本发明的工作原理：镁合金熔炼时，需对合金液进行变质处理。通过反应生成Al4C3粒子，成为合金的结晶晶核，从而实现对合金组织的细化。二氧化碳与镁铝合金在高温下可以通过反应生成Al4C3粒子。
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