返回料闭环纯净化再生系统及工艺的制作方法

本技术涉及合金循环再生，具体为返回料闭环纯净化再生系统及工艺。

背景技术：

1、镍基高温合金因具备稳定的高温力学性能与抗氧化性能，被应用于航空航天及能源动力领域的关键热端部件制造。在相关部件的加工与制造环节中，通常会产生磨削切屑、雾化粉末以及铸造废锭等类型的金属返回料。为了提高资源利用率并控制制造成本，工业上通常采用返回料再生制备系统对这些金属废料进行回收、预处理以及真空感应熔炼，以此获取符合成分标准的再生母合金。

2、现有的返回料再生装置通常包含废料收集槽、常规的表面清洗设备以及真空感应熔炼炉。在使用现有装置进行回收作业时，混合收集的金属废料经由统一的清洗或者简单的抛丸打磨处理后，直接通过进料机构集中送入真空感应熔炼炉的坩埚内进行高温熔化，随后依靠熔炼炉内部的精炼工序来脱除物料中夹带的杂质，最后将其浇注成型为合金铸锭。

3、然而，现有装置在处理形态复杂的混合废料时存在局限性。由于缺乏对磨削切屑、雾化粉末及铸造废锭的有效分类与物理隔离传输机制，不同形态的废料在共线处理与转运过程中容易发生交叉污染。常规单一的预处理设备难以针对切屑表面的残余切削液、粉末表层的致密氧化膜以及废锭外侧的硬质皮层进行定制化的脱气与深度除杂。前期空间隔离与形态定制化处理结构的缺失，导致表层氧化物及附着杂质在熔炼初始阶段便混入熔池，从物理和化学层面降低了原料的基础纯净度，增加了后续高温精炼工序的除杂难度。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本技术提供了返回料闭环纯净化再生系统及工艺，解决了现有装置缺乏对混合废料的分类隔离与定制化预处理，导致不同形态废料交叉污染以及表层杂质提前混入熔池，进而降低原料基础纯净度并增加后续精炼难度的问题。

2、第一方面提出了返回料闭环纯净化再生系统，包括：

3、返回料智能分类分拣单元、分形态定制预处理模组、真空感应熔炼vim炉本体、多级梯度净化集成模组、熔体在线成分纯净度检测单元、三段式精准补料机构、闭环调控核心控制器以及熔体浇注过滤成型单元；

4、所述返回料智能分类分拣单元的物料输出端连接所述分形态定制预处理模组的物料接收端，所述分形态定制预处理模组的物料输出端连通至所述真空感应熔炼vim炉本体的进料口；

5、所述多级梯度净化集成模组安装于所述真空感应熔炼vim炉本体内部，对其内熔化形成的液态合金熔池执行除杂净化动作；所述熔体在线成分纯净度检测单元布置于所述真空感应熔炼vim炉本体侧边并对其内部的所述液态合金熔池进行实时数据采集；

6、所述熔体在线成分纯净度检测单元的信号输出端连接所述闭环调控核心控制器的信号输入端，所述闭环调控核心控制器的控制端分别连接所述三段式精准补料机构与所述多级梯度净化集成模组，所述闭环调控核心控制器被配置为根据采集的数据动态调节所述多级梯度净化集成模组的运行参数，并控制所述三段式精准补料机构向所述真空感应熔炼vim炉本体内定量投料；

7、所述真空感应熔炼vim炉本体的流出端连接所述熔体浇注过滤成型单元，所述熔体浇注过滤成型单元的废料输出端通过废料回流传送带连接至所述返回料智能分类分拣单元的物料接收端，形成闭环物料循环体系。

8、在一些实施例中，所述返回料智能分类分拣单元包括视觉识别相机、粒度筛分机构、磁选分选机、物料输送轨道和废料缓存仓；

9、所述视觉识别相机布置于物料接收端上方，依据轮廓特征参数识别并分离出铸造废锭，所述粒度筛分机构执行物理筛分分离雾化粉末与磨削切屑，所述磁选分选机根据磁性差异分离所述磨削切屑中的铁屑杂质，所述物料输送轨道具有三条独立空间隔绝的物理传输通道，分别将完成分类的磨削切屑、雾化粉末以及铸造废锭独立输送对接至所述废料缓存仓内部对应的三个独立存储腔室，所述废料缓存仓的底部安装有称重传感器与计量阀门。

10、在一些实施例中，所述分形态定制预处理模组内部并列设置有切屑预处理子模块、雾化粉末预处理子模块和废锭预处理子模块，所述切屑预处理子模块依次包括热碱喷淋装置、热风烘干装置、滚磨除皮机构以及真空预脱气炉，以顺序执行表面除油、烘干、机械除皮及恒温真空脱氧脱氮处理；

11、所述雾化粉末预处理子模块依次包括等离子清洗腔、真空焙烧炉以及金属箔封装机，以顺序利用低温等离子体物理轰击、高温真空还原氧化铝成分并进行惰性气体保护下的压合封口，所述废锭预处理子模块依次包括双级梯度抛丸机、破碎切割机与真空均匀化炉，以顺序利用抛丸介质剥离氧化层、切割成块并在真空环境下执行恒温扩散均匀化保温操作。

12、在一些实施例中，所述多级梯度净化集成模组包括碳粉预脱氧机构、稀土复合净化剂添加机构、等离子体电弧精炼单元以及炉内旋流除渣机构，所述碳粉预脱氧机构向所述液态合金熔池添加高纯石墨碳粉执行一级预脱氧动作，所述稀土复合净化剂添加机构向所述液态合金熔池注入稀土复合净化剂生成硫化物与氮化物微观渣层执行二级净化动作；

13、所述等离子体电弧精炼单元向所述液态合金熔池表面施加高温等离子体电弧以强化杂质上浮并气化痕量重金属执行三级净化动作；所述炉内旋流除渣机构通过底部布置的电磁感应线圈施加定向电磁旋转力场产生离心旋流剥离悬浮夹杂执行四级净化动作。

14、在一些实施例中，所述分形态定制预处理模组的物料输出端与所述真空感应熔炼vim炉本体的进料口之间连通有密封进料通道，所述密封进料通道内部依次物理连接有一级过渡舱室、真空插板阀以及二级过渡舱室，所述一级过渡舱室的侧壁通过抽气管道与外部真空泵组相连通，所述外部真空泵组将所述一级过渡舱室内部的气压抽至与所述真空感应熔炼vim炉本体内部相等的极限真空状态；

15、所述真空插板阀在所述一级过渡舱室与所述真空感应熔炼vim炉本体达到压力平衡状态时开启，使预处理后的物料沿所述二级过渡舱室的物理滑道滑落进入所述真空感应熔炼vim炉本体内设置的熔炼坩埚中。

16、在一些实施例中，所述熔体在线成分纯净度检测单元内部配置有高温熔体直读光谱探头以及杂质快速质谱检测模块，所述高温熔体直读光谱探头穿过所述真空感应熔炼vim炉本体侧壁上设置的防污染石英观察窗，提取所述液态合金熔池表面的合金元素含量数据，所述杂质快速质谱检测模块通过真空微量取样气路采集所述液态合金熔池上方的挥发气相样本，测定氧、硫、氮元素浓度，并内置气液相平衡热力学转换模型将气相浓度换算为实际杂质含量并发送至所述闭环调控核心控制器。

17、在一些实施例中，所述闭环调控核心控制器内部署有专属元素损耗预测模型，对于任意目标合金元素，所述闭环调控核心控制器根据所述称重传感器获取的磨削切屑、雾化粉末与铸造废锭的质量数据以及所述目标合金元素在所述磨削切屑、雾化粉末与铸造废锭中的初始质量分数，调用理论初始质量计算公式获取所述目标合金元素的理论初始质量，所述闭环调控核心控制器结合所述目标合金元素在所述磨削切屑、雾化粉末与铸造废锭物料中的特定烧损系数，调用综合预测损耗质量计算公式获取所述目标合金元素的综合预测损耗质量。

18、在一些实施例中，所述三段式精准补料机构内部物理划分有熔化中期补料仓、精炼中期补料仓以及浇注前微调补料仓，所述闭环调控核心控制器被配置为基于所述熔体在线成分纯净度检测单元回传的实时检测信号执行三段动态微调执行算法，针对熔化中期、精炼中期与浇注前微调阶段，所述闭环调控核心控制器结合检测到的目标合金元素的实际质量分数、设定的标准质量分数、熔体的实时评估总质量以及投料过程中中间合金的二次烧损补偿因子，调用中间合金补偿质量计算公式得出所需投放的中间合金补偿质量，并在对应阶段驱动相应的补料仓投放所述中间合金补偿质量。

19、在一些实施例中，所述熔体浇注过滤成型单元内部依次物理连接有三级梯度泡沫陶瓷过滤器与密闭浇注成型模具，底部配置有废渣收集管网，所述废料回流传送带布设于所述密闭浇注成型模具的侧边，用于承接所述密闭浇注成型模具在伴随脱模动作产生并经过机械切割分离的浇道废料以及冒口废料，并将所述浇道废料以及冒口废料向所述返回料智能分类分拣单元的物料接收端物理输送。

20、第二方面基于第一方面提出了返回料闭环纯净化再生系统的工艺，包括以下闭环执行步骤：

21、对输入的混合废料执行智能分类分拣工序分离计量为磨削切屑、雾化粉末和铸造废锭，经分形态定制预处理工序分别完成清洗脱气、破膜还原以及除皮均化预处理后，执行真空感应熔炼工序加热熔化形成液态合金熔池；

22、在熔化中期阶段，通过多级梯度净化工序执行一级预脱氧，基于在线成分与纯净度检测工序获取的首次熔体数据，执行熔化中期精准补料工序以补偿烧损的铝、钛元素，接着通过所述多级梯度净化工序执行硫化物、氮化物的脱除及痕量元素气化挥发；

23、进入精炼中期阶段，基于二次熔体数据执行精炼中期精准补料工序补偿钨、钽、硼、锆元素，并根据杂质浓度数据动态调整等离子体电弧精炼工序的运行功率；

24、到达精炼末期阶段，通过炉内旋流除渣工序分离悬浮杂质，依据终检数据执行浇注前微调补料工序进行微量合金元素添加，达标的合金熔体进入熔体浇注过滤成型工序拦截杂质并浇注凝固为再生母合金，产生的生产残余物料返回至所述智能分类分拣工序循环使用。

25、本技术提供了返回料闭环纯净化再生系统及工艺。具备以下有益效果：

26、1、本技术通过设置返回料智能分类分拣单元与分形态定制预处理模组，将输入的混合废料分离为磨削切屑、雾化粉末以及铸造废锭并分别进行空间隔离传输，随后针对不同形态的物料对应执行除油除皮、真空脱氧脱氮及高温还原等定制化预处理操作，依靠前置处理结构有效避免不同形态废料在回收过程中的交叉污染，从物理和化学源头降低表层氧化物及附着杂质的混入概率，为后续的高温熔炼工序提供具备较高基础纯净度的原料。

27、2、本技术通过在真空感应熔炼vim炉内部集成多级梯度净化集成模组，在液态合金熔化与精炼阶段依次执行碳粉预脱氧、稀土复合反应脱硫脱氮、等离子体电弧挥发重金属以及电磁离心旋流除渣操作，将化学反应靶向脱除与物理场力分离相协同，多维度剥离熔池中残留的溶解氧、有害气相杂质及微米级非金属悬浮夹杂物，进而提升再生母合金内部的结构致密性与整体冶金纯净度。

28、3、本技术通过构建由熔体在线成分纯净度检测单元、闭环调控核心控制器和三段式精准补料机构组成的动态补偿闭环，利用直读光谱与质谱技术实时采集熔池数据，并结合专属元素损耗预测模型计算出各合金元素的综合预测损耗质量，进而在熔化中期、精炼中期以及浇注前三个阶段基于实时反馈数据按需定量投放中间合金，解决传统工艺中因易氧化元素不规则烧损而导致的成分失控问题，保障再生合金最终成分的稳定性。