專利名稱：金屬熔煉中添加元素的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬熔煉中添加元素的裝置及方法，屬于金屬熔煉技術領域。
背景技術：
向金屬熔體中添加元素的方法大致可分為添加單質、中間合金、化合物等幾類。
采用單質和中間合金添加元素時，可直接將單質或中間合金加入金屬熔體，待單質或中間合金熔融、熔蝕后，進入金屬熔體，實現元素的添加。該方法亦稱為“對摻法”。該方法的主要優點是操作簡便，計量較為準確。但是，由于預先制備的單質或中間合金的微觀組織一般具有遺傳性，一些不良組織將導致添加的元素不能賦予金屬良好的技術性能，二是預先制備好的單質和中間合金在重熔時需再次消耗能源，而且添加活潑元素時，燒損嚴重，導致其經濟性也較差。
化合物添加法直接將欲添加的合金元素的化合物加入金屬熔體，在化學、物理等作用下，由化合物釋放出單質元素，實現合金元素的添加。該方法亦稱謂“熔浸還原法”。該方法可克服單質或中間合金添加法中重熔耗能、燒損、不良組織遺傳等問題，而且因其添加的是新生態的高活性元素，可賦予金屬一些優良的性能，因而可獲得良好技術經濟性。該方法的不足之處是，有時熔浸還原的動力學、熱力學條件不足，還原速度和還原率低下，導致生產效率低、化合物的利用率較低，合金元素添加量低，致使該方法的應用受到較大限制。
熔鹽電解法通過電解熔融的鹽(化合物)，實現化合物中元素的還原釋放，可看作是以電解強化了的熔浸還原法。電解過程的加入，可有效改善還原的動力學、熱力學條件，還原速度快、材料利用率高、合金元素添加量高。
現有的熔鹽電解裝置由電解槽、電極、電解電源等組成，通過插入熔鹽的通電電極實現熔鹽電解。熔鹽電解在電解槽內進行，電解產物存于電解槽底部，有時電解槽底部放置電解產物接受器以方便電解產物的取出。
現有的熔鹽電解裝置和熔鹽電解方法已用于多種純金屬和中間合金的制備。用于向制備工程材料的金屬熔體中添加元素的熔鹽電解裝置和熔鹽電解方法目前尚未見報道。
發明內容
本發明的目的是提供一種通過熔鹽電解直接向制備工程材料的金屬熔體中添加元素的裝及利用這種裝置進行熔鹽電解的方法。
發明的技術方案是(1)金屬熔煉中添加元素的裝置由熔煉爐1、坩鍋2、電解槽5、導線6、電解電源7、電極8、電極9、夾持機構10等組成，其特征是電解槽5與坩鍋2相通；電解槽5的容積為坩鍋2的容積的0.2-15％；電極8的一端通過導線6與電解電源7連接而另一端插入熔鹽中，電極9的一端通過導線6與電解電源7連接而另一端插入金屬熔體中；電解槽5、電極8及電極9夾持在夾持機構10上。當熔鹽電解裝置中的電解槽5或坩鍋2是電導體時，可用其中之一替代電極9。裝置中可同時設置電解槽加熱器11、金屬熔體攪拌裝置12、熔鹽攪拌裝置13等輔助裝置。
(2)利用本發明的金屬熔煉中添加元素的裝置進行元素添加的方法的工藝過程為先在坩鍋2中熔煉金屬得到金屬熔體3，然后安裝電解槽5并加入待電解的鹽，在電解槽內的鹽熔化成為熔鹽4后，安裝電極8和9并用導線6連接到電解電源7并通電電解，最后去除電解后的殘渣，得到含電解產物的金屬熔體，其特征是熔鹽質量為金屬熔體質量的0.2-15％。
本發明的有益效果主要體現在將熔鹽電解技術有機融入了金屬的熔煉過程中，通過在小體積電解槽5中高效率、高還原率地電解熔鹽，獲得新生態的、高活性的擬添加元素，并通過電解槽5與金屬熔體3間的通道直接注入金屬熔體3中，實現用化合物直接向制備工程材料的金屬熔體3中快速地、高還原率地、高添加量地添加元素。相對于現有技術，金屬材料制造流程短、生產效率高、材料利用率高、制備的工程材料技術性能好，擁有良好的綜合技術經濟效益。同時，本發明中設置的電解槽加熱器11，可實現用較小的加熱功耗進行高溫電解。本發明中設置的攪拌金屬熔體攪拌裝置12和熔鹽的攪拌裝置13，可使熔鹽電解過程更易于進行，并使金屬熔體3成分更均勻。
本發明可用于向金屬熔體中添加改善金屬材料組織、性能的合金元素及金屬熔煉工藝過程需要的變質元素、細化元素等工藝元素。
圖1為金屬熔煉中添加元素的裝置的基本組成、結構的示意圖。其中1-熔煉爐、2-坩鍋、3-金屬熔體、4-熔鹽、5-電解槽、6-導線、7-電解電源、8-電極、9-電極、10-夾持機構。
圖2為圖1所示的裝置中用導電性的電解槽5兼作電極9的情形。
圖3為圖1所示的裝置中用導電性的坩鍋2兼作電極9情形。
圖4為圖1所示的裝置中增加了電解槽加熱器11的情形。
圖5圖1所示的裝置中增加了金屬熔體攪拌裝置12的情形。
圖6圖1所示的裝置中增加了熔鹽攪拌裝置13的情形。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明的實施方式說明如下按附圖所示，構建金屬熔煉中添加元素的裝置，在坩鍋2中熔煉金屬得到金屬熔體3，安裝電解槽5并加入待電解的鹽，在電解槽內的鹽熔化成為熔鹽4后，安裝電極8和9并用導線6連接到電解電源7并通電電解，最后去除電解后的殘渣，得到含電解產物的金屬熔體。
以下結合具體實施例對本發明進行進一步說明。
實施例1Mg-Al-Sr耐熱鎂合金合金熔煉中添加合金元素Sr的裝置及方法1.裝置如圖1所示構建金屬熔煉中添加元素的裝置。其中熔煉爐1為電阻爐；坩鍋2為不銹鋼材質，容積為0.0015M3；電解槽5為石墨材質，容積為0.000225M3；電解電源7為10KVA直流電源；電極8和9為石墨材質。
2.方法Mg-Al合金熔體配制坩鍋中加入金屬鎂2Kg，加熱至700℃，加入金屬鋁0.12Kg，攪拌直到金屬鋁熔化，得到Mg-Al合金熔體。
熔鹽配制配方SrO 100g，KCl 50g，冰晶石30g。烘干，混合均勻，加入已安裝好的電解槽內的Mg-Al合金熔體表面，等待5min，形成熔鹽。
熔鹽電解電解電壓8V、電流密度5300A/m2，電解時間15min。
3.效果獲得的Mg-Al-Sr合金中，Sr含量2.6％，Sr化合物還原率70.8％。與金屬鍶對摻法相比，添加Sr元素的成本降低39％。
實施例2Mg-Al-Sr合金熔煉中添加合金元素Sr的裝置及方法除裝置如圖2所示外，余同實施例1。
實施例3Mg-Al-Sr合金熔煉中添加合金元素Sr的裝置及方法除裝置如圖3所示外，余同實施例1。
實施例4ZL101合金熔煉中添加細化元素Ti制備ZL101A合金的裝置及方法1.裝置如圖4所示構建金屬熔煉中添加元素的裝置。其中熔煉爐1為電阻爐；坩鍋2為石墨材質，容積為0.18M3；電解槽5為石墨材質，容積為0.0015M3；電解電源7為10KVA直流電源；電極8和9為石墨材質。電解槽加熱器11功率為5KVA。
2.方法ZL101合金熔體配制采用GB/T8733-2000規定方法配制ZL101合金熔體450Kg。熔體溫度720℃熔鹽配制配方鈦白粉700g，CaCl2500g，冰晶石150g。烘干，混合均勻，加入已安裝好的電解槽內的ZL101合金熔體表面，開啟電解槽加熱器將電解槽內溫度升高至1000℃，形成熔鹽。
熔鹽電解電解電壓9V、電流密度60000A/m2，電解時間15min。
3.效果與采用Al-Ti中間合金相比，采用本發明的方法后，ZL101A抗拉強度提高19％，延伸率提高33％，添加Ti元素的成本降低22％。與含鈦20％(其中金屬鈦約5％，其余為鈦化合物)的鈦添加劑熔浸還原法相比，采用本方法后，ZL101A抗拉強度提高12％，延伸率提高13％，添加Ti元素的成本降低39％。
實施例5ZL101A合金熔煉中添加變質及針孔抑制元素La的裝置及方法1.裝置如圖4和圖5所示構建金屬熔煉中添加元素的裝置。其中熔煉爐1為電阻爐；坩鍋2為石墨材質，容積為0.18M3；電解槽5為石墨材質，容積為0.00036M3；電解槽加熱器11功率為5KVA；電解電源7為10KVA直流電源；電極8和9為石墨材質。攪拌裝置12的攪拌葉片為石墨材質，葉片直徑為坩鍋直徑的80％，葉片寬度0.05m，仰角5°，轉速為50rpm。
2.方法ZL101合金熔體配制采用GB/T8733-2000規定方法配制ZL101A合金熔體350Kg，加入回爐料100Kg。控制熔體溫度720℃。
熔鹽配制配方LaCl3120g，KCl 300g，CaF25g。烘干，混合均勻，分批加入已安裝好的電解槽內的ZL101A合金熔體表面，開啟電解槽加熱器11，形成熔鹽并升溫至1000℃。
熔鹽電解電解電壓12V、電流密度80000A/m2，電解時間20min。
3.效果與采用Al-La中間合金相比，采用本發明的方法后，ZL101A抗拉強度提高23％，延伸率提高51％，針孔減少69％，添加La元素的成本19％。
實施例6ZL101A合金熔煉中添加變質及精煉元素La的裝置及方法除取消攪拌裝置12，增加裝置13(攪拌葉片為石墨材質，葉片直徑為電解槽直徑的50％，葉片寬度0.04m，仰角5°，轉速為50rpm)外，余同實施例5。
權利要求
1.一種金屬熔煉中添加元素的裝置，包含熔煉爐(1)、坩鍋(2)、電解槽(5)、導線(6)、電解電源(7)、電極(8)、電極(9)、夾持機構(10)等，其特征是電解槽(5)與坩鍋(2)相通，電解槽(5)的容積為坩鍋(2)的容積的0.2-15％，電極(8)的一端通過導線(6)與電解電源(7)連接而另一端插入熔鹽中，電極(9)的一端通過導線(6)與電解電源(7)連接而另一端插入金屬熔體中，電解槽(5)、電極(8)及電極(9)夾持在夾持機構(10)上。
2.根據權利要求1所述的金屬熔煉中添加元素的裝置，其特征是用導電性的電解槽(5)或導電性的坩鍋(2)兼作電極(9)。
3.根據權利要求1所述的金屬熔煉中添加元素的裝置，其特征是裝置中設置電解槽加熱器(11)。
4.根據權利要求1所述的金屬熔煉中添加元素的裝置，其特征是裝置中設置金屬熔體攪拌裝置(12)。
5.根據權利要求1所述的金屬熔煉中添加元素的裝置，其特征是裝置中設置熔鹽攪拌裝置(13)。
6.一種利用權利要求1所述的金屬熔煉中添加元素的裝置進行元素添加的方法，其工藝過程為先在坩鍋(2)中熔煉金屬得到金屬熔體(3)，然后安裝電解槽(5)并加入待電解的鹽，在電解槽內的鹽熔化成為熔鹽(4)后，安裝電極(8)和(9)并用導線(6)連接到電解電源(7)并通電電解，最后去除電解后的殘渣，得到含電解產物的金屬熔體，其特征是熔鹽質量為金屬熔體質量的0.2-15％。
全文摘要
一種金屬熔煉中添加元素的裝置及方法，技術方案是(1)金屬熔煉中添加元素的裝置由熔煉爐1、坩鍋2、電解槽5、導線6、電解電源7、電極8、電極9、夾持機構10等組成，其特征是電解槽5與坩鍋2相通；電解槽5的容積為坩鍋2的容積的0.2－15％；電極8的一端通過導線6與電解電源7連接而另一端插入熔鹽中，電極9的一端通過導線6與電解電源7連接而另一端插入金屬熔體中；電解槽5、電極8及電極9夾持在夾持機構10上。當熔鹽電解裝置中的電解槽5或坩鍋2是電導體時，可用其中之一替代電極9。裝置中可同時設置電解槽加熱器11、金屬熔體攪拌裝置12、熔鹽攪拌裝置13等輔助裝置。(2)利用本發明的熔鹽電解裝置進行熔鹽電解方法的工藝過程為先在坩鍋2中熔煉金屬得到金屬熔體3，然后安裝電解槽5并加入待電解的鹽，在電解槽內的鹽熔化成為熔鹽4后，安裝電極8和9并用導線6連接到電解電源7并通電電解，最后去除電解后的殘渣，得到含電解產物的金屬熔體，其特征是熔鹽質量為金屬熔體質量的0.2－15％。
文檔編號C25C3/36GK1807696SQ20051005748
公開日2006年7月26日 申請日期2005年12月30日 優先權日2005年12月30日
發明者謝衛東, 李玉蘭, 劉方, 魏群義, 彭曉東 申請人:重慶大學