CN109518040B - 利用超声处理连续制备Al-Ti-B晶粒细化剂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用超声处理连续制备Al‑Ti‑B晶粒细化剂的方法，包括：称取氟钛酸钾和氟硼酸钾；加热流槽并保温，引入呈Z型分布的超声波探头；向流槽中注入氟钛酸钾和氟硼酸钾混合盐，纯铝及混合盐熔液在流槽中流动时开启超声波设备，施加持续超声波处理；超声处理后的混合熔液进入中转包，分离反应熔渣和Al－Ti－B熔体，流入静置保温炉的Al－Ti－B熔体经除气除渣后，进入铸造得到晶粒细化剂。本发明可实现500－8000公斤/小时级别超声处理大规模连续制备晶粒细化剂，突破传统超声处理工艺制备时产能严重受限的不足，制备Al－Ti－B晶粒细化剂细化的工业纯铝铸态晶粒尺寸明显优于传统晶粒细化剂的细化效果。

Description

利用超声处理连续制备Al-Ti-B晶粒细化剂的方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料领域的晶粒细化剂制备方法，具体是一种利用超声处理大规模连续制备Al-Ti-B晶粒细化剂的方法。
背景技术
目前，国内外普遍采用氟盐反应法制备铝工业中广泛使用的Al-Ti-B晶粒细化剂。经对现有技术的文献检索发现，B.S.Murty在《International Materials Reviews》杂志2002年第47卷第1期3-29页发表的文章“Grain refinement of aluminium and its alloyby heterogeneous nucleation and alloying”详细介绍了Al-Ti-B晶粒细化剂的氟盐反应制备工艺；氟盐反应制备工艺过程通常是将氟钛酸钾(K2TiF6)和氟硼酸钾(KBF4)混合盐加入到750℃以上的铝熔体中，施加机械或电磁搅拌，经过一个小时以上的反应，获得Al-Ti-B晶粒细化剂。采用此法制备的Al-Ti-B晶粒细化剂对工业纯铝及其合金具有一定的细化效果，但是为了保证氟盐与铝熔体的充分反应，需要对反应熔体进行长达一个小时以上的机械或电磁搅拌，制备周期长、能耗大、金属的氧化烧损严重；更为不利的是，长时间制备导致反应不同阶段所形成的TiB2粒子尺寸差别巨大，并在最后组织中呈现不均匀聚集团状分布；同时，细化剂中的TiAl3相尺寸多为80μm以上，晶粒细化时熔解响应滞后；采用常规氟盐反应工艺所制备Al-Ti-B晶粒细化剂的细化能力存在极限，仅能将工业纯铝铸态晶粒最小细化至150μm左右。
专利ZL200410084303.2提出在氟盐反应过程中施加超声处理的方法制备Al-Ti-B晶粒细化剂，将制备周期缩短为2-10分钟，同时细化剂组织中TiAl3相尺寸、TiB2粒子分布状态得到有益的改善，实现了Al-Ti-B晶粒细化剂的细化能力提升。由于超声波探头在铝熔体中的有效作用空间有限，通常为500cm3左右，采用该工艺方法制备Al-Ti-B晶粒细化剂，产能受限，通常低于10公斤/小时，这远远无法满足工业生产的要求。
发明内容
本发明的目的是克服以上所述技术的不足和缺陷，提供了一种利用超声处理大规模连续制备Al－Ti－B晶粒细化剂的方法，实现组织形态优良、细化性能优异Al－Ti－B晶粒细化剂500－8000公斤/小时级别的大规模制备。
为实现上述目的，本发明所述利用超声处理连续制备Al-Ti-B晶粒细化剂的方法，包括：
S1，根据所要制备的Al－Ti－B晶粒细化剂目标成分，称取氟钛酸钾K2TiF6、氟硼酸钾KBF4，将K2TiF6、KBF4均匀混合得到K2TiF6和KBF4混合盐；
S2，将流槽加热到750℃－1200℃，并保温，为了保证超声波作用范围遍及整个铝液近表面区域，在流槽上部引入呈Z型分布的圆柱形超声波探头；
S3，在流槽上端口处，连续引入温度为750℃－1000℃工业纯铝熔液，为了保证超声波能够作用至铝液底部，促进氟盐与铝液充分反应，控制流槽中铝液高度为8－10cm，流过整个流槽时间为3－10分钟；同时连续注入S1中配制好的K2TiF6和KBF4混合盐，根据所要制备的Al－Ti－B晶粒细化剂目标成分及铝液流量，控制K2TiF6和KBF4混合盐的加入量；
S4，纯铝及混合盐熔液在流槽中流动时，开启超声波设备，在流槽上部施加持续超声波处理；
S5，超声处理后的混合熔液经流槽下端口进入中转包，反应熔渣由中转包上开口流出，Al－Ti－B熔体经中转包下开口流入静置保温炉，在静置保温炉中经除气除渣后，铸造，得到Al－Ti－B晶粒细化剂。
优选地，S1中，所述Al－Ti－B晶粒细化剂中，Ti重量百分含量为1.00－7.00％，B重量百分含量为0.50－1.30％，在该条件下可以更好的提高本发明所制备晶粒细化剂的细化性能。
优选地，S2中，所述流槽总长度为2－12m，流槽截面为U型，截面尺寸为：下底宽6－12cm，上口宽15－25cm，高15－25cm，在该条件下可以更好的保证铝液和混合氟盐的配比要求。
优选地，S2中，所述流槽加热到800℃－1000℃，保温8－24小时，在该条件下可以充分保证铝液的温度和流动性。
优选地，S2中，所述超声波探头数量为10－50个，探头相邻探头间距15－30cm，探头底端面距离流槽底部8－12cm，在该条件下可以更好的实现超声作用遍及铝液全部区域。
优选地，S3中，所述工业纯铝熔液温度为800℃－900℃，在该条件下可以更好的提高本发明所制备晶粒细化剂的细化性能。
优选地，S3中，所述铝液流过整个流槽时间为5－8分钟，在该条件下可以更好的提高本发明所制备晶粒细化剂的细化性能。
优选地，S4中，所述超声波频率为20±1kHz、功率为500－5000W，在该条件下可以更好的提高本发明所制备晶粒细化剂的细化性能。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明实现了超声处理大规模连续制备Al－Ti－B晶粒细化剂，Al－Ti－B晶粒细化剂的产量达到500－8000公斤/小时级别，突破了传统超声处理工艺制备Al－Ti－B晶粒细化剂时产能严重受限的不足。
用本发明所制备的Al－Ti－B晶粒细化剂中，TiB2粒子尺寸差异性小、均匀弥散分布，TiAl3相为30μm以下块状(见图2)；经过本发明所制备Al－Ti－B晶粒细化剂细化的工业纯铝铸态晶粒尺寸明显优于传统Al－Ti－B晶粒细化剂的细化效果(见图3、图4)
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1a、图1b为本发明一实施例中超声处理连续制备Al－Ti－B晶粒细化剂的核心工艺装备示意图；
图1a、图1b中：1-超声探头，2-流槽，3-内衬，4-加热盖，5-流槽外壳；
图2采用本发明实施例5所制备Al－Ti－B晶粒细化剂微观组织扫描电镜形貌图；
图3添加0.20％重量百分比传统Al－5Ti－1B细化后的工业纯铝金相宏观晶粒组织；
图4添加实施例5所制备0.20％重量百分比Al－5Ti－1B细化后的工业纯铝金相宏观晶粒组织。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图1a、图1b所示，为超声处理连续制备Al－Ti－B晶粒细化剂核心工艺装备示意图，其中：1-超声探头，2-流槽，3-内衬，4-加热盖，5-流槽外壳；通过该工艺装备可以实现利用超声处理大规模连续制备Al－Ti－B晶粒细化剂。
以下实施例1－7采用上述的装备，并可以按照如下步骤进行实施：
(1)根据所要制备的Al－Ti－B晶粒细化剂目标成分，Ti重量百分含量为1.00－7.00％，B重量百分含量为0.50－1.30％，按照生成的重量百分比，称取相应比例的氟钛酸钾(K2TiF6)、氟硼酸钾(KBF4)，并将K2TiF6和KBF4均匀混合，装入料斗中备用。
(2)将总长度为2－12m的U型截面流槽加热到750℃－1200℃，并保温8-24小时，在流槽上部引入呈Z型分布的10－50个圆柱形超声波探头，探头相邻探头间距15－30cm，探头底端面距离流槽底部8－12cm。
(3)在流槽上端口处，连续引入温度为750℃－1000℃工业纯铝熔液，控制流槽中铝液高度为8－10cm，流过整个流槽时间为3－10分钟；同时连续注入步骤(1)中配制好的K2TiF6和KBF4混合盐，根据所要制备的Al－Ti－B晶粒细化剂目标成分及铝液流量，控制混合氟盐加入量。
(4)铝熔体及混合盐熔液在流槽中流动时，开启超声波设备，在流槽上部引入持续超声波处理，超声波频率为20±1kHz、功率为500－5000W。
(5)超声处理后的混合熔液经流槽下端口进入中转包，反应熔渣由中转包上开口流出，Al－Ti－B熔体经中转包下开口流入静置保温炉，所制备的Al－Ti－B熔体在静置保温炉中经除气除渣后，进入铸造生产线，得到Al－Ti－B晶粒细化剂。
细化试验：500克工业纯铝，加热熔化至730℃，按照0.2克/100克铝的量加入所制备的Al－Ti－B晶粒细化剂，保温15分钟，浇入雷诺标准高尔夫T型模，测量距试样底面51mm处的晶粒尺寸。
具体实施例1－7的参数以及实施效果见下表：
Figure BDA0001956594550000051
本发明上述实施例利用如图1a、图1b所示的工艺装备，实现了超声处理连续大规模制备Al－Ti－B晶粒细化剂，突破了传统超声处理工艺制备Al－Ti－B晶粒细化剂时产能严重受限的不足，比如上述实施例6中Al－Ti－B晶粒细化剂产量达到6800公斤/小时级别；用本发明实施例5所制备的Al－Ti－B晶粒细化剂中，TiB2粒子均匀弥散分布，TiAl3相为30μm以下块状(见图2)；经过本发明上述实施例所制备Al－Ti－B晶粒细化剂细化的工业纯铝铸态晶粒尺寸明显优于传统Al－Ti－B晶粒细化剂的细化效果，比如上述实施例5中细化后工业纯铝晶粒尺寸可以达到90μm。
如图2所示，为采用本发明实施例5所制备Al－Ti－B晶粒细化剂微观组织扫描电镜形貌图；
如图3所示，为添加0.20％重量百分比传统Al－5Ti－1B细化后的工业纯铝金相宏观晶粒组织，其中，柱状晶得以明显细化，细化后的晶粒尺寸约150μm。
如图4所示，为添加实施例5所制备0.20％重量百分比Al－5Ti－1B细化后的工业纯铝金相宏观晶粒组织，其中，相比于图3，晶粒细化效果更优，细化后的晶粒尺寸为90μm左右，突破了Al－Ti－B系晶粒细化剂对铝合金的细化极限。
综上，本发明上述实施例通过各个参数和操作的连续配合，可实现500－8000公斤/小时级别超声处理大规模连续制备晶粒细化剂，突破传统超声处理工艺制备Al－Ti－B晶粒细化剂时产能严重受限的不足，制备Al－Ti－B晶粒细化剂细化的工业纯铝铸态晶粒尺寸明显优于传统Al－Ti－B晶粒细化剂的细化效果。
应当理解的是，上述实施例是本发明的部分实施例，仅仅是为了更好的了解本发明的实施例而提供的，并不是本发明的所有实施例。实际应用中，通过调整本发明中上述各个组分的含量以及组分之间的组合方式，可以获得不同的、无数的实施例，这些均在本发明的涵盖范围内。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种利用超声处理连续制备Al-Ti-B晶粒细化剂的方法，其特征在于，包括：
S1，根据所要制备的Al－Ti－B晶粒细化剂目标成分，称取氟钛酸钾K2TiF6、氟硼酸钾KBF4，将K2TiF6、KBF4均匀混合得到K2TiF6和KBF4混合盐；
S2，将流槽加热到750℃－1200℃，并保温，为了保证超声波作用范围遍及整个铝液近表面区域，在流槽上部引入呈Z型分布的圆柱形超声波探头；所述流槽总长度为2－12m，流槽截面为U型，截面尺寸为：下底宽6－12cm，上口宽15－25cm，高15－25cm；所述超声波探头数量为10－50个，相邻探头的间距为15－30cm，探头底端面距离流槽底部距离为8－12cm；
S3，在流槽上端口处，连续引入温度为750℃－1000℃工业纯铝熔液，为了保证超声波能够作用至铝液底部，促进氟盐与铝液充分反应，控制流槽中铝液高度为8－10cm，流过整个流槽时间为3－10分钟；同时连续注入S1中配制好的K2TiF6和KBF4混合盐，根据所要制备的Al－Ti－B晶粒细化剂目标成分及铝液流量，控制K2TiF6和KBF4混合盐的加入量；所述超声波频率为20±1kHz、功率为500－5000W；
S4，纯铝及混合盐熔液在流槽中流动时，开启超声波设备，在流槽上部施加持续超声波处理；
S5，超声处理后的混合熔液经流槽下端口进入中转包，反应熔渣由中转包上开口流出，Al－Ti－B熔体经中转包下开口流入静置保温炉，在静置保温炉中经除气除渣后，铸造，得到Al－Ti－B晶粒细化剂。
2.根据权利要求1所述的利用超声处理连续制备Al-Ti-B晶粒细化剂的方法，其特征是，S1中，所述Al－Ti－B晶粒细化剂中，Ti重量百分含量为1.00－7.00％，B重量百分含量为0.50－1.30％。
3.根据权利要求1所述的利用超声处理连续制备Al-Ti-B晶粒细化剂的方法，其特征是，S2中，所述流槽加热到800℃－1000℃，保温8－24小时。
4.根据权利要求1所述的利用超声处理连续制备Al-Ti-B晶粒细化剂的方法，其特征是，S3中，所述工业纯铝熔液温度为800℃－900℃。
5.根据权利要求1所述的利用超声处理连续制备Al-Ti-B晶粒细化剂的方法，其特征是，S3中，所述铝液流过整个流槽时间为5－8分钟。
6.根据权利要求1-5任一项所述的利用超声处理连续制备Al-Ti-B晶粒细化剂的方法，其特征是，所述方法能实现500－8000公斤/小时级别超声处理大规模连续制备Al－Ti－B晶粒细化剂。
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