文：天津立中集团股份有限公司程书建、邱立宝、刘峰、张晓光

摘要 采用水模拟试验研究了两种旋转喷吹转子对气泡的影响,并分别采用透气砖､旋转喷吹和双重除气工艺对铝合金熔体除气,开发出一种双重除气工艺｡结果表明,转子形状对铝液除气效果有较大影响,双层转子能够充分破碎气泡,并使气泡更加分散,起到良好的除气效果｡旋转喷吹对底部铝液除气效果较差,而透气砖除气效率较低,采用透气砖和旋转喷吹双重除气,能够充分处理底部铝液中的气体,显著提高除气效率｡

关键词：旋转喷吹;透气砖;除气

氢在铝合金熔体中的溶解度较高,是固态铝中溶解度的20倍｡而且氢是引起铸造针孔的主要原因,因此,在铸造前要对铝合金熔体进行除气净化处理,尤其是含Sr的铝合金｡铝合金熔体除气方法主要有熔剂法､旋转喷吹除气法､真空除气法､超声振动除气法､透气砖除气法等｡目前,透气砖和旋转喷吹是应用较为广泛的除气方法,二者都是通过细小的气泡,利用吸附原理和分压将铝合金熔体中的氢和杂质带出至液面,从而起到净化效果｡气泡直径越小,比表面积越大,对氢和杂质的吸附作用越强｡透气砖为多孔结构,气体通过透气砖被分割成细小的气泡;旋转喷吹是气体在旋转转子的剪切作用下被打散,形成细小的气泡｡

透气砖除气是在熔炼炉､保温炉､中转包底部安装透气砖,惰性气体通过透气砖的孔隙形成细小的气泡,气泡在上浮的过程中吸附氢和杂质,从而净化铝液｡该方法操作简单,但是前期投入较大,透气砖需要长期处在铝液液面以下,适合连续作业｡旋转喷吹除气法利用旋转的转子剪切气体,但是,形成的细小气泡只能达到转子周围,无法处理容器底部铝液｡本课题通过水模拟试验对比分析了两种转子对气体的剪切效果,研究了气体流量对铝液除气效果的影响,获得了最优的除气工艺参数范围｡

1、试验方法

试验材料为A356铝合金,其化学成分见表1,合金在反射式熔化炉中进行熔炼,并在熔炼炉内进行精炼,精炼温度为720~740℃｡选用保护气体为高纯氮气｡

在中转包内进行除气净化处理,分别研究了气体流量对旋转喷吹､透气砖除气效果的影响,除气前铝液温度为(735±3)℃,除气后铝液温度为(725±3)℃｡水模拟试验在透明树脂容器内进行,容器各部分尺寸与中转包相当｡容器直径为900mm,高为1000mm,采用数码相机记录气泡尺寸及分布规律,转子转速为0~800r/min,N2流量为1~80L/min,压力为0~1MPa｡

2、试验结果及分析

2.1 水模拟试验

试验主要对比了两种转子对气泡尺寸及分布规律的影响,转子深入水面以下800mm,气体流量为30L/min,压力为0.30MPa,转子转速为420r/min,接近中转包铝液除气工艺｡两种转子结构见图1,分别为单层､双层转子｡

图2为采用两种转子在相同工艺下的模拟除气效果｡

可见单层转子的剪切作用较弱,形成的气泡较少,气泡直径较大,双层转子形成气泡数量较多,并且分布更加均匀,容器侧壁也有较多的气泡｡因此,单层转子形成的气泡比表面积小,除气效果较弱｡此外,气泡上下分布规律不同,单层转子气泡更加集中,且气泡不能到达容器底部,双层转子气泡能够到达转子以下较长距离｡采用旋转喷吹除气时,优先选用双层转子,能够处理到底层铝液,且气泡数量多､比表面积大,除气效果好｡

2.2 旋转喷吹除气

通过水模拟试验发现两种转子形成的气泡效果不同,相同工艺参数下双层转子形成的气泡更加细小､分布范围更广,因此试验采用双层转子除气｡试验在生产现场进行,气体压力根据转子进入铝液深度确定,转子进入铝液深度为800mm,气体压力设定为0.3MPa,气体流量分别为24､28､32､36L/min,除气时间为10min,采用减压凝固法测量氢含量,负压为-0.09~-0.10MPa,天平精度为0.01g,每个试验条件下测量300组数据求平均值｡

采用旋转喷吹除气后,减压凝固试样密度见图3｡随着气体流量增加,试样密度不断增大,铝液中氢含量逐渐降低｡气体流量达到32L/min后,再增加气体流量,铝液密度增加幅度减小,当气体流量达到36L/min时,铝液表面运动更加剧烈,导致表层铝液氧化加剧,因此,气体流量32L/min为最佳除气流量｡

2.3 透气砖除气

在中转包底部安装透气砖对铝熔体除气净化处理,在中转包底部均匀布置4块透气砖,透气砖尺寸及其与中转包的结构关系见图4,透气砖与中转包底面高度一致｡透气砖平均孔隙直径小于1μm,孔隙率高于35%,以保证透气性良好且铝熔体不能进入透气砖｡中转包内装满铝液后,氮气通过气体管道进入透气砖被剪切为细小气泡｡根据分压差和吸附原理,气泡在上浮的过程中将氢和杂质带出铝液｡气体压力为0.3MPa,气体流量分别为24､28､32､36L/min,除气时间为10min｡

采用透气砖除气,随着气体流量增加,试样密度不断增大,铝液氢含量逐渐降低,减压凝固试样密度增大,见图5,每个试验条件下测量300组数据求平均值｡透气砖在中转包的底部,使整个中转包内的铝液全部被净化处理｡但是,透气砖除气反应更加剧烈,铝液表面氧化膜不断被破坏,增加了铝液的氧化｡

2.4 双重除气

两种除气方式均能够起到除气净化的效果,但是,从水模拟试验来看,旋转喷吹除气不能处理中转包底部铝液;透气砖除气效率偏低,表层铝液氧化严重｡采用透气砖､旋转喷吹除气双重除气工艺,能够显著降低铝熔体中的氢含量｡透气砖在除气净化的同时起到搅拌的作用,使中转包的底层铝液向上运动,底层铝液能够被除气效率较高的旋转喷吹除气｡为了减少表面铝液氧化,透气砖除气压力为0.3MPa,气体流量为24L/min,旋转喷吹除气采用双层转子,气体压力为0.3MPa,气体流量为32L/min,除气时间分别为3､5､7､9min,除气后减压凝固试样密度见图6,每个试验条件下测量300组数据求平均值｡除气0~5min时,减压凝固试样密度增长较快,5min时铝液中密度达到2.643g/cm³,满足铸造使用要求,铝液中的氢含量较低,延长除气时间凝固试样密度变化不大｡采用透气砖､旋转喷吹除气5min时铝液中的氢含量与采用单一方式除气10min时,铝液氢含量相当,因此,采用双重除气效率更高｡双重除气能够对转包内全部铝液进行除气精炼处理,表层铝液氧化较少,与单一除气净化相比优势明显｡对铝液含氢量要求较高的铸件可采用透气砖+旋转喷吹双重除气｡

3、结 论

(1)旋转喷吹除气转子形状影响气泡尺寸及分布规律,双层转子对气体的剪切作用更强,形成的气泡更加细小,分布更加均匀｡

(2)旋转喷吹除气在一定范围内随气体流量的增加,铝液氢含量降低,气体流量为32L/min,除气时间为10min,减压凝固试样密度为2.641g/cm³｡透气砖除气表现出同样的规律,气体流量为32L/min,除气时间为10min,减压凝固试样密度为2.629g/cm³｡

(3)透气砖､旋转喷吹双重除气效率高,除气效果好,除气5min时,减压凝固试样密度达到2.643g/cm³｡