鋁合金熔鑄在線除氣設(shè)備的設(shè)計(jì)

崔健 程昊 張之磊 李小龍 鄭祎凡 曾凡宇 朱翠玉

摘 要：為了解決在鋁合金鑄造中含氫量對(duì)鑄件性能的影響，遼寧忠旺機(jī)械設(shè)備制造有限公司設(shè)計(jì)了一種新型鋁液在線除氣設(shè)備，該設(shè)備除氣效率高、使用穩(wěn)定，全自動(dòng)操作，維護(hù)保養(yǎng)方便，該設(shè)備可以廣泛應(yīng)用于鋁合金熔鑄生產(chǎn)線。

關(guān)鍵詞：金屬;鋁液;除氫;氬氣;氯氣;凈化

Abstract：In order to solve the hydrogen content in aluminum alloy casting effect on the properties of the casting. Liaoning Zhongwang Group Co design a new type of liquid aluminum degassing equipment online. The equipment degassing efficiency is high、Use of stable、Automatic operation、Maintenance is convenient. The device can be widely applied in the aluminum alloy casting production line

Key words： metal;molten aluminum;degassing of hydrogen;argon;chlorine;Purification

隨著鋁及鋁合金材料在各個(gè)行業(yè)的大量應(yīng)用，逐漸取代鋼鐵材料，行業(yè)對(duì)鋁及鋁合金的性能品質(zhì)要求越來(lái)越高，因此，鋁熔體的氫含量指標(biāo)一直受到行業(yè)的高度重視?，F(xiàn)有鋁熔體除氫技術(shù)的理論依據(jù)是氣泡浮游原理，其中應(yīng)用最廣泛的是旋轉(zhuǎn)噴吹除氣技術(shù)，根據(jù)生產(chǎn)使用效果標(biāo)明，其效果十分明顯。因此開發(fā)一種高效穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便的新型在線除氣設(shè)備勢(shì)在必行。

1? 旋轉(zhuǎn)噴吹除氣原理

旋轉(zhuǎn)噴吹除氣技術(shù)是將工藝氣體（氬氣）通過(guò)旋轉(zhuǎn)的石墨轉(zhuǎn)子通入鋁液中，并將氣體打散成細(xì)小氣泡，以增加氣體與鋁液的接觸面積，使工藝氣體與鋁液充分接觸，在工藝氣體從鋁液底部緩慢向液面浮動(dòng)過(guò)程中，由于這些氬氣氣泡內(nèi)氫氣分壓為零，鋁液中的氫氣不斷向氬氣氣泡擴(kuò)散，前期速度快，隨著氬氣氣泡內(nèi)氫氣分壓逐漸增加，達(dá)到平衡后，氫氣不再向氬氣擴(kuò)散，直到氬氣氣泡浮出液面，將氣泡內(nèi)所含的氫氣完全帶出鋁液。

根據(jù)除氣原理不難看出，增加單位時(shí)間內(nèi)氬氣氣泡和鋁液的接觸面積是提高在線除氣設(shè)備除氣效率的決定性因素，因此增加轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和氬氣氣體流量，使氣泡更加細(xì)小和分布更加密集是完全由必要的。

2? 除氣箱體

由箱體鋼結(jié)構(gòu)、耐火預(yù)制內(nèi)襯和保溫上蓋，耐火內(nèi)襯為燒結(jié)預(yù)制可更換，包含兩個(gè)隔板及三個(gè)底部阻流板。鋼結(jié)構(gòu)由10mm鋼板及10#槽鋼焊接制作，箱體內(nèi)襯由于與鋁液接觸，需耐腐蝕、耐沖刷，因此選擇高鋁澆注料制作的預(yù)制件，方便更換。內(nèi)襯與鋼結(jié)構(gòu)之間選用先進(jìn)的干式保溫澆注料和納米板，施工方便，保溫效果極佳。

為了降低能源的消耗，保證操作安全，防止人員燙傷，對(duì)設(shè)備保溫層厚度進(jìn)行計(jì)算，各層保溫材料導(dǎo)熱率及厚度見表1，箱體內(nèi)鋁液溫度按照高溫度取730℃，穩(wěn)定態(tài)爐腔散熱損失按下公式計(jì)算。

式中? ? q——爐腔散熱損失（W/㎡）

t1——爐膛溫度（℃）

tω——周圍大氣溫度（℃）

αω——爐墻外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)≈9.3+0.06tω[W/（㎡·℃）]

δ1，δ2，δ3——爐墻各層保溫材料厚度（m）

λ1，λ2，λ3——爐墻各層保溫材料導(dǎo)熱率[W/（m·℃）]

由多成平壁導(dǎo)熱公式推導(dǎo)出外表面界面溫度

此時(shí)計(jì)算出的箱體外表面溫度約等于64.5℃，小于工業(yè)爐外表面要求溫度75℃，滿足車間使用要求。工作層根據(jù)箱體大小，強(qiáng)度及防滲要求選擇90mm厚度，保溫層厚度可按照外表溫度要求，根據(jù)上式計(jì)算為依據(jù)，進(jìn)行略微調(diào)整。

箱體內(nèi)襯預(yù)制件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，箱體內(nèi)鋁水流向應(yīng)防止短路，減少未通過(guò)氬氣氣泡密集區(qū)而從短路位置直接流過(guò)，影響過(guò)濾效果。設(shè)計(jì)內(nèi)腔是應(yīng)該遵循以下原則，1、鋁水進(jìn)出口需要做自密封結(jié)構(gòu)，保證箱體內(nèi)處于微正壓狀態(tài)，防止外界水氣進(jìn)入到爐腔內(nèi)，再次與鋁液反應(yīng);2、鋁水流向轉(zhuǎn)子，增加鋁水的垂直方向流動(dòng)，鋁水需要流經(jīng)石墨轉(zhuǎn)子葉輪后流向出口，3結(jié)構(gòu)合理，內(nèi)襯澆筑方便。

除氣上蓋由上蓋體鋼結(jié)構(gòu)、耐火澆注料、陶瓷纖維板、陶瓷纖維毯、密封件組成。鋼結(jié)構(gòu)由10mm鋼板及10#槽鋼焊接制作，上蓋保溫層同樣采用了多成復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)，工作層為100mm高強(qiáng)耐火澆注料，其具有密度低，強(qiáng)度高，導(dǎo)熱率低，具有耐火隔熱功能，保溫層為100mm陶瓷纖維板，地導(dǎo)熱率保溫材料，具有一定強(qiáng)度，和30mm陶瓷纖維毯，總體耐材厚度為230mm。

3? 除氣轉(zhuǎn)子

除氣轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)眾多，不同結(jié)構(gòu)有不同的效果，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分為常用幾種，見表2。

根據(jù)長(zhǎng)期的使用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合不同的轉(zhuǎn)子各有優(yōu)勢(shì)，本設(shè)計(jì)采用國(guó)內(nèi)最新型國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)子，材質(zhì)為陶瓷氮化硅轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子特點(diǎn)使用壽命超長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，高轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)能夠最大限度的破碎及彌散氣泡，葉輪厚度小，轉(zhuǎn)子直徑小，能最大限度的減小對(duì)鋁熔體的攪拌力。

4? 除氣加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)由硅碳加熱棒、控溫?zé)犭娕?、氮化硅保護(hù)套管及管內(nèi)固定塊組成，硅碳加熱棒耐溫高，升溫快，壽命長(zhǎng)，方便更換。保護(hù)套管選用氮化硅陶瓷，耐高溫，抗溫度沖擊能力強(qiáng)，耐鋁液腐蝕與沖刷，加熱組件通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)整體固定在除氣上蓋上。

為了保證除氣設(shè)備在待機(jī)狀態(tài)時(shí)，箱體內(nèi)留存的鋁液不會(huì)凝固，鋁液溫度710℃，加熱系統(tǒng)必須提供鋁液20℃/h的升溫能力，并且可以將鋁液的溫度精確控制在理想狀態(tài)，以下為加熱功率計(jì)算。

通過(guò)能量守恒進(jìn)行計(jì)算

散熱損耗功率

P散=qS箱

P散=507×23.5≈12kw

P散——箱體散熱速度（kw）

S箱——箱體表面積（m2）

煙氣損耗功率

除氣設(shè)備待機(jī)狀態(tài)下氬氣流量為15L/min，排氣溫度為700℃。

P排——箱體排氣散熱速度（kw）

C——比熱容（kj/（kgk））

M——質(zhì)量（kg）

T——時(shí)間（s）

Δt——溫差（k）

鋁液升溫所需功率

鋁液保溫狀態(tài)為700℃-730℃，設(shè)計(jì)要求最低升溫速度20℃/h，箱體鋁液容積5700kg，鋁水在700℃下比熱容C=1.18103J/（kg*k）。

箱體需求總功率

P升=P散+P排+P升

P總=12kw+0.17kw+37.4kw≈49.6kw

加熱管根據(jù)箱體結(jié)構(gòu)選擇3根，均勻排布，每根加熱管功率20kw。

5? 箱體安裝與烘烤

本設(shè)備箱體采用耐火預(yù)制內(nèi)襯為工作層，由專業(yè)耐火材料廠家預(yù)制燒結(jié)，保溫層由干式澆注料以及陶瓷纖維保溫材料組成。鋪設(shè)纖維材料時(shí)，保證接縫整齊，不變形，無(wú)間隙，接縫處由鋁箔膠帶粘接，纖維板與鋼構(gòu)交接處用鋁箔膠帶粘緊實(shí)。纖維板與耐火內(nèi)襯之間的間隙由干式澆注料填實(shí)，進(jìn)鋁口、出鋁口、放流口位置需注意澆注料填充，防止有空洞，由于保溫層采用澆注料澆筑，后期烘干期間會(huì)出現(xiàn)水汽，需在箱體鋼結(jié)構(gòu)制作中預(yù)留大量排氣孔。

箱體耐材組裝完成后需要高溫烘烤保證耐火材料固化，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的硬度計(jì)隔熱性能。烘烤如果操作失誤，工作層容易出現(xiàn)裂紋和脫落。因此要求嚴(yán)格遵守烘爐工藝。

（1）陰干，時(shí)間7-14天，根據(jù)不同季節(jié)天氣酌情選著，冬季、雨季等適當(dāng)延長(zhǎng)。

（2）烘烤，烘烤過(guò)程嚴(yán)格按照烘爐工藝曲線執(zhí)行，見圖2。

在烘爐過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控箱體狀態(tài)，觀察箱體放氣孔等位置，是否有水珠或蒸汽出現(xiàn)，如有發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增加烘烤時(shí)間，直至蒸汽或水珠小時(shí)，在繼續(xù)執(zhí)行升溫曲線。

7? 結(jié)語(yǔ)

本文為除氣設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程，除氣設(shè)備投入使用至今，運(yùn)行平穩(wěn)。在使用本設(shè)備前后鋁棒質(zhì)量對(duì)比表明，本設(shè)備對(duì)鋁合金熔液有明顯的凈化效果，通過(guò)專業(yè)測(cè)氫儀檢測(cè)，氫含量低于0.11ml/100g，提高了鋁產(chǎn)品合格率。

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