镁合金液搅拌精炼器 【技术领域】
本发明属于一种镁合金熔炼中金属液的处理设备，尤其属于镁液合金化和精炼处理的工具，适用于镁合金铸造、镁和镁合金铸锭、镁牺牲阳极的生产、镁合金连铸、镁的废品回收等生产领域。
背景技术
镁合金制品的生产，一般都需要把原材料先熔化为镁合金液，然后再用镁合金液浇注产品。镁合金炼制过程包括基体态金属镁原材料的熔化，把合金元素以金属或化合物的形式加入并使之均匀散布在整个熔池内，然后再排除熔体中的各种非金属夹杂物即精炼，从而得到成分符合要求、有害杂质少、能用此金属液进一步制成需要的产品的高质量镁熔融体。
目前镁锭存在的问题：成分不合格、杂质超标、表面质量差；铸件存在的问题：成分不合格、杂质超标。
许多镁的工业生产要求达到很高的精炼标准，尤其是铸造生产的铸件，高级镁合金板材的铸坯，高纯铸锭、镁合金牺牲阳极，成分准确均匀、氧化夹杂和熔剂夹杂限制极其严格。由于镁液极易氧化、燃烧，容易卷入氧化皮和熔剂形成夹杂，使精炼工序复杂化。镁及镁合金的合金化和精炼大多是采用对液体金属的搅拌实现地，因此搅拌在大多数镁和镁合金生产过程中显得十分重要。镁的生产中也有不采用搅拌的方式，既不用合金化也不用精炼，仅将炉料重熔，该生产方式限于压铸镁合金零件的熔炼，该重熔工艺要求原料必须是成分和洁净度都符合要求的母合金。也有采用沉淀净化、过滤净化、气泡浮游法精炼的，但都必须和搅拌操作的工艺方式联合，只是作为搅拌的补充。例如：沉淀净化需要长的停留时间、大容积的镁合金液、合理的熔池温度梯度，避免镁合金液熔池中热对流引起的搅动而影响沉淀效果。过滤净化法目前大多用于铸造生产，也有采用过滤净化批量镁合金液的。过滤精炼的目的是在金属液的最后阶段去除在合金液中流动的二次氧化物，不适合用来净化含大量夹杂的金属液。由于镁合金的活性，除个别情况外一般不采用气泡浮游法。
在镁制品的生产中需要生产现场在线合金化和精炼的占大多数，绝大多数镁合金的生产必须通过搅拌进行合金化和精炼，尤其是对于含锆镁合金、需要变质处理以控制组织的镁合金、皮江法生产的含有大量氧化物的粗镁熔炼，搅拌是绝对必要的。实现搅拌的操作目前多采用人工搅拌，由于高温环境的劳动条件恶劣、搅拌技术规范要求达到一定的时间长度，使得人工搅拌操作劳动强度极大，形成必要的融体流场对技术要求很高，人工操作无法保证质量。规模生产时熔炼合金液的坩埚太深，人力也难于实现预定操作。有人曾把化工单元操作的搅拌器移植到镁合金的熔炼生产中，效果不好，达不到技术要求；机械搅拌不成功的另一个原因是搅拌器故障率高，使用麻烦。由此可见，目前人工搅拌和机械搅拌器械不能完全满足镁工业生产的需要。
【发明内容】
本发明的目的是设计机械搅拌精炼设备，克服现有搅拌器械的不足。新的设备应能实现镁合金熔炼所需要的液体流场，达到合金元素均匀化，夹杂聚集，熔剂和杂质结合并粗化、沉淀，改善劳动条件，提高合金化和精炼质量，保证产品的合格率。搅拌精炼器结构简单、使用方便、故障率低、维护容易。
搅拌过程中液体流动呈三维性、随机性、非线性和边界条件的不确定性。镁合金液的搅拌，采用搅拌叶轮将机械能传递给合金液，使合金液产生需要的运动，完成合金元素的混合和分散，氧化物和熔剂的结合、聚集、沉淀并在融池底部聚合成渣相集合体。要求搅拌在宏观上液体形成回转，局部的形成涡流、原子尺度的扩散，宏观和微观的金属液体对流运动使物料均匀化，运动时非金属互相碰撞。搅拌过程必须平稳，不引起镁的剧烈氧化和燃烧，不能让熔池底部的熔渣泛起，在搅拌时液体上表面氧化膜始终保持完整、不破裂；搅拌过程要求在熔池的上表面形成一定高度的单驼峰。
根据流体力学的理论，要达到镁及镁合金液生产工艺需要的搅拌效果，对整个金属液熔池搅拌的液体运动方式应该是三种不同运动的结合：
(1)形成主体对流，整个金属液有秩序的从液面到底部的大范围回旋运动，实现不同区域的“团块”与“团块”的混合。由于镁合金一般都是在钢板焊接的坩埚中进行熔炼，镁液在垂直截面应呈由下到上的椭圆运动。
(2)形成涡流扩散，主体对流不能使小范围的液体进行均匀混合，在主体对流的不同流层应该有速度差，从而使不同速度的层与层的界面产生强烈的剪切作用，从而产生大量的旋涡，造成大量小范围内的对流运动，这些旋涡把“团块”与“团块”的不均匀性降低到涡旋本身大小。
(3)形成原子扩散，合金要求元素达到原子尺度的均匀混合，旋涡运动能产生此种效果，旋涡越小原子的布朗运动效果越好。
液体搅拌一般使用两种叶轮搅拌，即径向叶轮和轴向叶轮。轴向叶轮的推进式能产生较好的液体宏观对流，但要达到镁及镁合金液生产工艺需要的大范围回旋运动效果还是不可能的。这是因为镁熔炼的坩埚尺寸很大(深度多在1至2米)，仅靠推进式叶轮的推动尚不足于得到需要的主体对流。为此增加导流筒辅助，使坩埚内所有金属液能通过导流筒进行强制的长距离循环。为了增加涡流扩散，还需要通过调整叶轮的转速，使搅拌雷诺数达到湍流区的数值范围，在导流筒中出现涡流，必然形成强烈短程扩散。此外，由于金属液的粘滞作用，在导流筒外进行长距离循环运动的不同液层间所产生剪切也能产生旋涡。为在熔池的上表面形成一定高度的驼峰，导流筒液体出口设计成圆滑的弯头，以限制液体输出时的侧向发散并形成类似人工搅拌时的液面驼峰，在驼峰上撒入的新熔剂能分散得更为均匀并在液体中的停留时间延长。此外通过改变搅拌器沉入深度、马达转速，也能配合达到调节运动速度和流场、改变液面驼峰高度的效果，以适应不同的操作要求，获得最佳效果。
镁合金液使搅拌器处于很严酷的环境，尤其是在高温金属液中的旋转机械故障多、可靠性很差。为此本发明尽量简化设计，通过改变叶轮在导流筒的位置，尽量缩短传动轴长度，以防运动部件卡死。使用气动马达驱动，也可以使用电动机驱动，但此时最好采用防卡死的联轴器，如摩擦联轴器以保护电动机。
镁合金液搅拌精炼器工作于严酷的环境，应采用无镍、钴的耐热钢制造。
附图说明：搅拌精炼器的结构如图所示，由叶轮1、转轴2，轴承3，连轴器4，马达5，导流筒6，出液弯管7，支架8，挂钩(吊钩)9组成。
叶轮1可采用直叶片设计、也可采用其它类型的叶片。转轴2应尽可能减少长度，因为当其很长时，需要复杂的防止转动时摆动的机构。连轴器4过载分离型，当转动被卡死时，使马达脱离，以保护马达5，也可使用气动马达。导流筒6和叶轮1的叶尖留有适当的间隙，既保证液体的有效定向运动，又防止两者接触。采用滑动轴承3，与轴间的间隙必须考虑高温和液体金属的特征，防止摩擦力过大和摆动，轴承3能经受镁液的侵蚀。出液弯管7的曲率半径取决于坩埚容量和尺寸。支架8、挂钩或吊钩9的设置，应根据生产的操作要求，例如当搅拌精炼器用吊钩吊起操作，则安装吊钩9；如把搅拌精炼器装在可升降的移动推车上操作，则不须挂钩9，直接把搅拌精炼器支架8固定在推车的悬臂前端上。
具体实施方法
实施例一
150公斤容量的坩埚用搅拌精炼器，设计数据为六片叶轮，叶轮1的直径为80毫米，宽度为30毫米。导流筒6的总长度为600毫米，直径为100毫米，出液管弯头中轴弯曲半径为250毫米，马达转速可调为50～250转/分。
实施例二
500公斤容量的坩埚用搅拌精炼器，设计数据为六片叶轮，叶轮1的直径为140毫米，宽度为40毫米。导流筒6的总长度为1200毫米，直径为150毫米，出液管弯头中轴弯曲半径为550毫米，马达转速可调为50～250转/分。