用于向熔融鋁熔體中添加熔融鋰的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及含有目的量的鋰作為合金元素的鋁合金的制造。具體而言，本發(fā)明涉及用于向熔融鋁或鋁合金的熔體中添加熔融鋰的系統(tǒng)、方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]包含鋰的鋁合金對用于航空航天工業(yè)而言非常有益，這是由于目的性地添加鋰可降低鋁合金的密度并提高彈性模量，加入lwt%的鋰可降低約3%的鋁合金密度并提高約6%的彈性模量。為了使這些合金被選用于飛機中，它們在其它工程性能方面的表現(xiàn)必須與常用的合金一樣好，尤其是在靜態(tài)機械強度性能和損傷容限性能之間的折衷方面。隨著時間的推移，以相應的大量的熱-機械加工路線開發(fā)出了大量的鋁-鋰合金。然而，關(guān)鍵的加工路線仍然是錠(ingots)或坯(billets)的鑄造，錠或坯用于通過擠壓、鍛造和/或乳制進行進一步加工。已證明在錠和坯的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)中，鑄造工藝仍然是有問題的加工步驟。例如在爐中、轉(zhuǎn)移槽中和鑄造本身的過程中，存在關(guān)于熔融金屬氧化的其它問題。
[0003]對于鋁-鋰合金的工業(yè)規(guī)模制造，可通過向爐中的鋁合金熔體添加固體形式的鋰來生產(chǎn)。隨后，將所得到的Al-Li合金轉(zhuǎn)移至鑄造工段，以鑄成適于通過例如擠壓、鍛造和/或乳制進行進一步加工的錠或坯原料。
[0004]美國專利文件US-2011/0036534_A1(轉(zhuǎn)讓給 AMLI Materials Technology)公開了用于生產(chǎn)含鋰合金材料的方法，該方法包括:(1)將至少一種合金元素、特別是鋰放入真空感應熔融爐的熔鍋中；(2)在真空感應熔融爐中通過感應加熱將鋰熔融成合金熔體(alloy melt) ; (3)將合金熔體澆注到用非活性氣體保護并預填充有鋰材料的鋼包(ladle)中；(4)振搖鋼包，以將鋰材料與合金熔體強力地沖刷并混合，由此形成熔融鋰合金；以及(5)將熔融鋰合金澆注到模具中以形成錠，從而形成鋰合金。該方法具有多種缺點，并且由于所需的鋼包振搖操作，對于用于乳制、擠壓或鍛造的DC-鑄造原料的熔融鋁-鋰合金的大量生產(chǎn)而言是不可行的。
[0005]美國專利號4，761，266(轉(zhuǎn)讓給Kaiser Aluminum)公開了以預選的招與鋰的比例制備鋁-鋰合金的方法。該方法包括制備大量的熔融鋰和大量的熔融鋁熔體。使用不銹鋼過濾器對熔融鋰進行過濾，以從熔融鋰中移除固體、特別是鋰的氧化物和氫氧化物。在與熔融鋰混合之前，通過脫氣對熔融鋁熔體進行熔融處理。在包含渦流碗(vortex bowl)的復合裝置中對熔融鋰和熔融鋁進行混合。渦流的漩渦作用(swirling act1n)使鋁和鋰混合，然后作為均勻混合物向下進行，穿過漏斗底部的出口通道?；旌衔镞M入脫氣室，其中，用氬對混合物進行吹掃。然后，使經(jīng)吹掃的混合物穿過過濾器，以移除可能已進入系統(tǒng)中的任何氧化物以及難恪(refractory)碎片。然后，恪融混合物進入錠的鑄造工段(stat1n)。該方法具有多種缺點。例如對合金的粘度敏感，并由此對渦流碗中的金屬的溫度波動敏感。雖然該系統(tǒng)被籠罩在非活性氣氛中，但是熔融金屬中將會夾帶氣體和氧化物，該氣體和氧化物隨后必須被移除。合金化系統(tǒng)是復雜的動態(tài)途徑，藉此金屬流(metal flow)中的小變化可導致最終的錠中的合金組成的不期望改變。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供生產(chǎn)熔融鋁-鋰合金原料的方法學(該方法學使得能夠以更可靠且更穩(wěn)健的方式制備大量的此類原料)、或者至少提供生產(chǎn)熔融鋁-鋰合金的替代方法學。
[0007]本發(fā)明達到或超越了這一目的和其它目的以及進一步的優(yōu)勢，并且提供了用于向處于保溫爐(holding furnace)或熔融爐中的熔融鋁或鋁合金的熔體中添加熔融鋰和非活性氣體的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含:
[0008]-熔鍋，該熔鍋限定用于熔融和儲存熔融金屬、特別是熔融鋰的腔室；
[0009]-該熔鍋配備的密封蓋，該密封蓋用于使熔鍋保持氣密；
[0010]-非活性氣體輸送系統(tǒng)，該非活性氣體輸送系統(tǒng)被布置用于使用非活性氣體維持熔鍋的腔室中的過壓；
[0011]-導管，該導管用于從熔鍋中抽出部分熔融金屬、優(yōu)選熔融鋰，該導管具有導管入口和導管出口，并且其中相對于熔鍋或密封蓋，該導管被可移動地布置，以使在操作中導管入口能夠可控地在熔融金屬的表面水平之下和之上移動，并且其中當導管入口在熔融金屬的表面水平之下或浸入熔融金屬中時，導管被布置用于在過壓的幫助下從熔鍋向分離的熔融金屬保溫爐中供給熔融金屬，而當導管入口在熔融金屬的表面水平之上時，導管被進一步布置用于從熔鍋向分離的熔融金屬保溫爐中供給非活性氣體。
[0012]根據(jù)本發(fā)明，已發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)以及相應的方法和裝置在操作中可具有用于兩用功能的儀器，即，用于以受控的方式將熔融鋰輸送到處于分離的保溫爐和/或熔融爐中的熔融鋁或鋁合金的熔體，以及還用于將非活性氣體輸送到相同的熔融鋁以降低氫含量(脫氣)以及從熔融鋁合金中移除顆粒。該兩用功能通過使用以受控的方式具有非活性氣體(例如氦或氬，并藉此優(yōu)選氬)的過壓的氣密熔鍋與相對于熔鍋或蓋可移動地布置的導管的組合來實現(xiàn)。取決于導管入口在熔融鋰的表面水平之上還是之下，可將導管用于以受控的方式將熔融鋰或非活性氣體熔劑輸送到熔融鋁熔體。當在熔融鋰的受控轉(zhuǎn)移之后直接實施非活性氣體助熔時，還避免了熔融鋰殘留在導管中或者可能殘留在用于處于分離的保溫爐中的熔融鋁的擴散器(diffuser)中。這能夠使導管受控冷卻，從而降低了損壞導管的風險，并且避免了殘留于導管中且仍處于高溫下的任何的鋰起火。
[0013]當與熔融鋰一起運作時，熔鍋優(yōu)選處于鋼器皿或鋼容器的形式，該鋼器皿或鋼容器優(yōu)選由低碳鋼或不銹鋼制成。優(yōu)選鋼器皿或鋼容器由不銹鋼制成。并且優(yōu)選在該器皿或容器的內(nèi)部不使用難熔材料，該難熔材料可能導致在熔融鋰中不利地挾取難熔碎片，而難熔碎片可能最終在熔融鋁合金中并影響原料質(zhì)量。
[0014]熔鍋、鋼器皿或鋼容器可用于僅儲存熔融鋰，并藉此使鋰在分離的爐中熔融，并被用于再補充本發(fā)明所述的熔鍋、鋼器皿或鋼容器，且用于將熔融鋰的水平維持在一定的期望的參數(shù)內(nèi)。
[0015]或者，可將鋰在熔鍋、鋼器皿或鋼容器本身中熔融并儲存。
[0016]為了以受控的方式將熔融鋰維持在高溫下以及還適合于熔融鋰金屬的位置處，該系統(tǒng)具有一個或多個加熱單元、以及溫度測量和控制工具?？蓪⒓訜釂卧贾糜米魑挥谄髅髢?nèi)部的直接加熱源(例如，諸如封裝在鋼柱塞、優(yōu)選不銹鋼柱塞中的電阻加熱件)。在另一實施方式中，加熱工具可被布置以間接地發(fā)揮作用，例如使用圍繞器皿或容器外部的至少一部分的電阻或油浴。優(yōu)選使用油浴，因為油浴允許精確的溫度控制，并避免了熔融鋰的任何局部過熱。作為熱浴的替代，還可將加熱套(heating mantle)或isomantle用于實施對器皿或容器的加熱。
[0017]當將熔融鋰從熔鍋轉(zhuǎn)移或運輸?shù)教幱诜蛛x的保溫爐中的熔融鋁時，熔融鋰優(yōu)選處于低于260°C、優(yōu)選195°C _230°C、例如210°C或220°C的金屬溫度下。
[0018]在一個實施方式中，系統(tǒng)進一步包含加壓非活性氣體的供應罐，該供應罐通過氣體輸送系統(tǒng)與熔鍋的腔室連通，該氣體輸送系統(tǒng)包含壓力調(diào)節(jié)器和安裝在用于熔鍋的供應管上的至少一個閥。非活性氣體用于將熔融鋰從熔鍋轉(zhuǎn)移到處于分離的保溫爐中的熔融鋁中，并且還用于在所述保溫爐中的熔融鋁的助熔。
[0019]在系統(tǒng)的工業(yè)規(guī)模布置中，取決于處于分離的保溫爐中的熔融鋁的表面水平與恪融鋰的表面水平之間的高度差，過壓的工作范圍可為約15mbar-200mbar、優(yōu)選約40mbar_80mbaro
[0020]使用非活性氣體(例如氬)對熔鍋或器皿進行加壓，以使熔融鋰經(jīng)導管流入具有處于靜止狀態(tài)的熔融鋁的分離的爐中。可通過用于閥上啟動的控制器采集來自連接至熔鍋的壓力調(diào)節(jié)器的信號，從而在供給過程中對熔鍋中的壓力的任何損失或過剩進行仔細控制。換能器與控制器一起使得系統(tǒng)能夠?qū)赡艽嬖谟谙到y(tǒng)中的任何壓力泄漏進行自動補償，并使得可能非常精細地控制熔鍋中的內(nèi)部壓力。
[0021]通過對熔融鋰的表面水平的下降進行測量，在熔鍋中的過壓的幫助下，熔融鋰經(jīng)導管向分離的熔融金屬保溫爐中的轉(zhuǎn)移或運輸是可控的。配置傳感器以通過對熔鍋中的熔融鋰的高度的降低進行測量，從而間接測量熔融金屬流。傳感器可為(通過說明而非限制的方式)眾多傳感設備中的任一種，諸如電容傳感器、渦電流探針或激光水平傳感器。
[0022]在可選的優(yōu)選實施方式中，通過對由熔融鋰的轉(zhuǎn)移導致的熔鍋的重量損失進行測量，在熔鍋中的過壓的幫助下，熔融鋰經(jīng)導管向分離的熔融金屬保溫爐中的轉(zhuǎn)移是可控的。這可通過將熔鍋放置在一定的布置中來實現(xiàn)，其中，一個或多個壓力傳感器被布置于熔鍋下或者被布置在放置該熔鍋的平臺下。
[0023]另外，壓力傳感器與測量熔融鋰的表面水平下降的組合顯然是可行的。
[0024]在另一實