CN102355966A - 通过循环相变使熔体均匀化的方法及实施该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冶金领域。将熔体加热至液相线以上的过热温度，然后倒入到有内衬的并加热的模中。随着熔体的整体冷却，在超声波发射器产生的力场中进行熔体的诱导结晶。在熔体的中心区诱发起始结晶，并且结晶锋面向熔体的周边传播。凝固之后，将坯料加热直至完全熔化，停止加热并产生熔体的自然结晶，以便结晶锋面从结晶器壁向熔体中心传播。按需要循环重复诱导结晶和自然结晶和熔化过程多次，以使成分在坯料中实现所需的混合均匀度。通过超声波测量系统记录完成相变的时点。通过包含温度传感器和熔体相态传感器的控制单元来启动并关闭加热器和超声波发射器。结果是提高了混合均匀度。

Description

通过循环相变使熔体均匀化的方法及实施该方法的装置

技术领域

本发明涉及冶金领域，并具体地涉及在冶金转化过程中用于改善各种添加剂在溶液和混合物中的分布均匀性的方法及装置。

背景技术

对实现令人满意的溶液均匀性和特别是机械混合物的均匀性的问题的关注一直没有变。由于大量不同的初始条件，即组分的化学组成、它们相互作用的能力、重量和空隙率、互溶性特征、和形成混合物或溶液的成分的初始精细粉碎等，该问题的复杂性对科学和技术一直都极端重要。无论如何，液体和固体溶液的形成以实现所需的均匀性的一组特性为特征，而机械混合物的形成或机械成分在液体或固体溶液中的分布则以另一组特性为特征。公知有各种方法可解决获取所需均匀性的溶液和混合物的问题。最通用的方式是机械混合、提高溶液化过程的温度、在机械破碎阶段混合、使用分配混合器、使用固体或液体添加合金(该合金可以是溶液或混合物)。并且，特殊处理过程也被广泛应用，其被用来改善结构的均匀性。例如，在冶金领域使用了均匀化(扩散退火)和时效处理过程。当其发生时，实现了组分在溶液或混合物中必要的分布，同时初始的精细粉碎从几十微米的尺寸开始转变为一个复杂的工程问题。在相似的初始条件下，具有小于1微米尺寸的和更低至纳米颗粒尺寸的颗粒注入的问题是主要的科学技术问题。该问题的复杂性在相当程度上减慢了可使用纳米尺寸的组分以获得新型材料的技术能力的应用。当今科学技术在各种材料的纳米尺寸组分领域的成就为材料工程师寻找新一代材料提供了广泛的机会。一般而言，混合不同组分的问题是一个独立的科学和工程挑战。就其本身而言，可以使用大量方法以解决该问题也证实了它的复杂性和所需多样性方法的匮乏。影响所述过程的单独的复合体就能够创造出一组适当的先决条件以解决混合纳米尺寸组分的问题变得越来越清晰。

公知的用于均匀化溶液-熔体或熔体的方法是在具有立式布置有组合分段加热元件的再热炉中生长单晶。其中，将装料加热以获得熔体，然后将炉的各段间隔地逐一切断以确保对流熔体流或溶液-熔体的会聚中心点从中心向坩埚壁的连续转移(RU2164561C1，公开日：2001.03.27)。当执行此操作时，在坩埚中设置不规则对流模式以促进溶液-熔体的均匀化。实施该方法的装置包含置于再热炉中的坩埚。在马弗炉周围，布置有15个立式加热元件以及连接至温度调节器的温度传感器(在炉的内部)，和一个用于转换加热元件开/关的开关。

对流混合不能保证团块(即，添加至熔体的成分颗粒)的碎裂。对流混合阶段在自然结晶阶段之后，所述自然结晶以可缓慢迁移颗粒并确保其碎裂的宽热锋面为特征。

发明内容

本发明的技术效果是改善的均匀化程度，其是通过从中心向周边连续引发结晶、熔化和熔体的自然结晶而实现的。当执行此操作时，该引发的结晶具有快速移动的锋面，该锋面对成分的团块产生碎裂作用。另外，该锋面对团块不断变化的冲击矢量也有利于它们的碎裂。

所述技术效果是按如下实现的。熔体均匀化方法包括在坩埚中将具有待溶解的添加成分的装料或熔体加热以完全溶液化，并加热至基底金属或熔体的液相线以上的过热温度。然后，停止加热，在单调整体(bulk)冷却过热溶液的条件下，在超声波力场中将溶液诱导结晶。该结晶过程开始于熔体的中心区，并且结晶锋面向周边传播直到自然结晶开始。一旦熔体凝固，就将该铸锭在坩埚中加热以完全溶液化，停止加热并确保熔体自然结晶，结晶锋面从坩埚壁向熔体的中心传播。一旦熔体凝固，就将其再次过热并按需要重复诱导结晶和自然结晶和熔化的过程多次，以使成分在铸锭中实现预先确定的混合均匀度。

所述超声波力场是通过两个完全相对放置的同频率超声波发射器以180度的相位差聚焦于熔体的中心区来生成的。

在每次或至少一次加热铸锭的混合物以完成熔化之后，将该熔体暴露于上方空蚀动力的超声波振荡中是有利的。

所述技术效果也是在用于均匀化熔体的装置的协助下实现的，该装置包含：具有加热器的内衬铸锭模，位于该模相对两侧的两个超声波发射器，位于该模中的温度传感器，超声波熔体相态检测器的发射器和接收器(也在该模中)，和连接至该加热器和该相态检测器的控制单元；该控制单元在熔体于该模中凝固之后能启动该加热器并在熔体过热之后能将其关闭，并且能够在过加热熔体时启动这些超声波发射器并在熔体凝固之后将其关闭。

本发明提出的方法和装置确保了3D结晶锋面连续地从模中心至其周边并在重复熔化之后再从周边至模中心的循环运动。当此发生时，在所述锋面的两相区的邻接区域发生待分散的成分团块的碎裂过程。通过增加或减少循环的次数，可以实现所需的熔体/铸锭的混合均匀度。

附图说明

图1和图2说明了结晶过程阶段。

图3显示了实施该方法的装置。

具体实施方式

本发明是基于利用材料在平面结晶(凝固)锋面的两相区的相转变中发生的过程的构想，以及基于在驻波超声波的脉动结构中循环重复这些过程以分散颗粒群的构想。简而言之，所考虑的该过程产生了特定组合的分离力，该分离力出现并作用于随机分散于液体材料(即，金属熔体)中的成分颗粒的聚集体上。当颗粒的聚集体出现在最接近于结晶(凝固)锋面的区域并且当该聚集体被锋面的两相区吸收时，这些分离力达到最大值。然后，当处于固相时，分离过程终止或根本上减慢。在循环相变过程的条件下，在两相熔融区的分离过程再次变得更加活跃。因此，使用足够大的循环次数，可以确保在基质体内小尺寸掺杂物分布的必要的混合均匀度。团块碎裂过程的额外的激活是通过足够强度的(上方空蚀)超声波的叠加来实现的，具体地是在作为诱导结晶中心的驻波区，脉动力以双重频率的超声波振荡和急剧变化的力矢量(180度)作用于边缘区来实现的。至于在空蚀熔体液体中发生的过程，它们是公知的。一般而言，本发明提议的用于在铸件的主体中实现小尺寸和纳米尺寸组分的所需分布均匀性的规则包括安排连续重复的过程，其中定向容积结晶(凝固)锋面从模(坩埚)的周边向中心传播，随后返回液相并从中心向周边进行3D结晶锋面的反向传播，再返回液相。这种循环的次数应当足够高，从而实现必要掺杂物分布所需的均匀性。在液相阶段，在某些情况下，使用不同功率的超声波，包括上方空蚀来进行处理是有利的。

在图1和图2中对诱导结晶过程进行了说明。高压区(EPZ)(2)是在聚焦于熔体1上所需点的干涉超声波的波腹压力点上产生的。

EPZ 2(图1)的作用像泵，其泵送(通过自身)过热的液体熔体直至熔体完全结晶化。熔体的这种运动是由地球重力场来确保的，晶体结构中出现的碎片(在高压区)沉淀到模的底部(由于其密度比包封熔体更高)，从而激活熔体并在底部和EPZ间创造出诱导结晶区。

在冷却的同时，熔体1的运动持续进行直到当内衬模3的内容物变得均匀。此时，熔体的粘度逐步地上升。如此，该过程的第一阶段完成。

在图2中描述了第二阶段，其特征是在EPZ 2中出现了结晶锋面(CF)(4)，其向模3的周边移动。

在最终形成固相之前，在EPZ 2上方会形成收缩孔5。与自然结晶情况相比，该孔的形成更加少。通过移动EPZ 2，可以改变收缩孔5的位置。

对于冶金领域来说，本发明提议的纳米尺寸高度熔融掺杂物的分布均匀化方法可以如下实施。将所需化学组成的熔体倒入至加热的任意形状的内衬模中，该化学组成具有特定含量的在熔体形成过程中任意分散于熔体中的纳米尺寸掺杂物。模的热力学特性取决于内衬的质量，采用加热装置通过整体加热熔体至预先确定的液相线以上的温度，随后沿着给定金属或合金的相图整体冷却到预先确定的液相线以下的温度。为了明确计量测定倒入到模具中的金属(合金)的相态，模具上装有伸入至铸件材料中的声速的超声波测量仪的发射/接收探头。基于给定的铸件化学组成在不同的相态下有不同的该速率，可以导出相变的计量学模型并输入到过程控制系统中。为了从所述模的中间诱导出的结晶中心上开始设置3D结晶锋面，在穿过模3D中心的参考直线的相对两端，为模额外地提供至少两个超声波定向发射器(相互面对)。原则上讲，可以设置若干这种探头，但应遵守‘2n’规则。为了通过超声波对熔体进行额外处理，该模安装有能够将上方空蚀动力的超声波辐射传递入熔体的超声波发射器。基于数字处理器的控制系统确保过程的指定算法。

一旦模中充满高于液相线温度的熔体，控制处理器就关闭模的加热并启动超声系统以通过上方空蚀动力的超声波处理熔体。随着熔体冷却(以整体上准均匀的方式)至液相线温度，由于公知的原因，在铸件的周边出现3D结晶锋面，然后向铸件的中心移动，但受制于内部散热。通过测定铸件体中的声速，超声波计量系统记录下完成相变的时刻，即，熔体结晶。控制处理器接通系统加热模中的铸件。当将熔体加热至液相线以上的温度时，铸件中的金属(合金)返回至液相。在接收到超声波计量系统发出的信号显示相变已经完成且熔体达到了液相线以上的必要温度之后，控制处理器关闭模的加热并启动用于在模的3D中心在微弱过热的熔体中引发结晶的系统。在由两个相同频率的反相位超声波定向发射器产生的驻波力场的作用下，在模的3D中心区创建了一个局部高压区，在铸件中熔体均匀整体冷却的条件下，其足以导致优先结晶化。所生成的3D结晶锋面从模中心向周边传播。在接收到超声波计量系统发出的信号显示完成了至固态的相变并且熔体达到了液相线以下的必要温度之后，控制处理器关闭引发结晶的超声波系统并启动用于加热模的系统。一旦熔体的温度达到液相线以上的必要温度，并且从超声波计量系统接收的信号显示完成了至液态的相变并且熔体达到了液相线以上预先确定的温度，处理器就启动模的加热。在金属(合金)处于液相时，可以通过上方空蚀动力的力场以及其它力场的作用以进行额外的超声处理。在此之后，按技术需要重复该过程循环多次。为了加快该处理过程、改善混合器模的体积热力学特性和在熔体中创造额外电动的熔剂，使用感应加热器或微波加热器以加热模是有利的。

制造了用于实施上述方法的装置以作为实验用铸造装置(图3)。

该装置包含具有内衬7的锅6和感应加热器8。在锅6的相对两侧，安置有两个超声波发射器9和10。同时，锅6装有温度传感器11、熔体相态的超声波检测器18的发射器12和接收器13。控制单元14与高频发生器15相连接，高频发生器15与感应加热器8相连接，超声波发生器16和17与超声波发射器9和10、温度传感器11及超声波检测器18相连接。控制单元14用于当锅6中的熔体凝固完成时启动感应加热器8，并在熔体过热时关闭；并且用于在熔体过热的情况下启动超声波发射器9和10，并在凝固之后关闭。

内衬7确保在所需的时间内锅6中一定量的熔体过热在液相线以上，同时保持化学中性。

锅6的用途随着过程的特定阶段而变。在熔化阶段，锅6起感应电炉坩埚的作用。只要锅6处于由高频发生器15提供电磁能量的感应加热器8的区域内，则在其中首先加热、熔化并过热(到预先确定的温度)装料(铸件)，然后是熔体。不管怎样，将感应加热器8冷却以保持其温度稳定性。通过温度传感器11测试熔体的温度并将测试结果连续地传入控制单元14。

只要熔体达到液相线温度以上的预先确定的过热温度，控制单元14就全部或部分关闭高频发生器15，向感应加热器8的电磁能量的供应停止或基本减弱，熔体开始冷却。当此发生时，内衬锅6的作用变换为结晶桶的角色，在其中过热的熔体开始以由内衬锅6的热力学特性和高频发生器15的操作条件确定的速率来冷却。

结晶桶(锅6)的操作域由控制单元14来确定并且随结晶锋面(两相区)的移动而连续变化，所述移动即为当锋面从周边向内衬锅6的中心移动时的自然结晶(凝固)，和当锋面从锅的中心向周边移动时的诱导结晶。为了布置熔体以结晶锋面(两相区)由内衬锅6的中心到周边的诱导结晶(凝固)模式，装有两个径向放置的超声波发射器9和10，其由发生器16和17提供超声波频率的电磁能量。通过单元14的控制，它们共同在内衬锅6的中央生成了所需功率的驻波超声波的波腹点，其足以在正冷却的熔体的该区域诱导结晶。为了防止超声波发射器9和10的过热，可以使用任意手段对其进行冷却。

从一个阶段转换至另一个阶段和在控制单元14的操作模式间转换的原因在于内衬锅6中的内容物的相态。相态是由包含超声波发射器12和超声波接收器13的相态检测器18来确定的。基于由超声波发射器12发出的超声波通过内衬锅6的内容物到接收器13(位于径向相对)的速率的差异，控制单元14辨别内衬锅6中材料的相态(液态或固态)。

该装置的操作次序如下：熔化并过热内衬锅中的材料→冷却和自然结晶(凝固)→熔化并过热该材料→冷却和该材料的诱导结晶(凝固)→熔化并过热内衬锅中的该材料，并按所需如此重复多次，以实现铸件结构中的掺杂物的必要混合均匀度。

在一系列供选择的添加氧化铝细粉的商业纯铝A99的铸件中，在测试用铸件装置(图3)上实施了本发明提出的方法，随后研究铸件结构的均匀性。向具有A99铝熔体的锅中加入以A99粉末和SiO₂粉末的混合物形式的添加物。在添加物完全溶液化之后(通过陶瓷实验室搅拌器非常小心地混合熔体)，将熔体过热至850℃。启动超声处理系统以在内衬锅的3D中心开始结晶。在这种条件下，结晶过程以结晶锋面由中心向周边移动的方式产生。在铸件冷却至380℃之后，关闭超声处理，并在铸件完全冷却之后，再将其熔化并加热至750℃。然后，在没有超声处理的自然冷却期间，发生自然结晶过程，结晶锋面由周边向中心移动。一旦铸件冷却，就将其取出，切割下若干样板以研究混合均匀度。然后，一旦检测完样板，就将铸件和样板一起装入锅中以进行下一次再熔化循环。

在测试装置上进行了四次实验熔化操作，并随之使用Plush法测定相似铸件样板上的N/mm值(N为计算的氧化物颗粒数；mm为样板的平方毫米)。表1中提供的研究结果显示N/mm值有稳定的下降。

表1

循环号/样板号	1	2	3	4
					1	5	20	17	-
2	4	12	9	5
					3	4	8	5	5
4	5	3	4	3

作为在上述装置上进行了四次实验再熔化循环系列的结果，获得了具有SiO₂添加物的商业纯铝(A99)的铸件(见表1)，其中添加物在铸件的整体中具有很高的混合均匀度，由此可以得出本发明的方法具有很高的效率的结论。

该方法可被广泛地应用于冶金领域和其它材料生产领域。该方法在以微米和纳米尺寸分散的应用中最为有效。

Claims (4)

1.使熔体均匀化的方法，包括：在坩埚中将具有待溶解的添加成分的装料或熔体加热以完全溶液化，并加热至基底金属或熔体的液相线温度以上的过热温度；然后，停止加热，并在单调整体冷却过热溶液的条件下，在超声波力场中将溶液诱导结晶；该结晶过程开始于熔体的中心区，并且结晶锋面向周边传播直至自然结晶开始；一旦熔体凝固，就在坩埚中加热该铸锭以完全溶液化，停止加热并确保熔体自然结晶，结晶锋面从坩埚壁向熔体中心传播；一旦铸锭凝固，就将其再次过热并按需要重复诱导结晶和自然结晶和熔化过程多次，以使成分在铸锭中实现预先确定的混合均匀度。

2.根据权利要求1的方法，所述超声波力场是通过两个完全相对放置的同频率超声波发射器以180度的相位差聚焦于熔体中心区来产生的。

3.根据权利要求1的方法，其中该熔体在处于液相时用上方空蚀动力的超声波进行处理。

4.使熔体均匀化的装置，包含：具有加热器的内衬铸锭模，位于该模的相对两侧的两个超声波发射器，位于该模中的温度传感器，同样位于该模中的超声波熔体相态检测器的发射器和接收器，和连接至该加热器及该相态检测器的控制单元；该控制单元在熔体于该模中凝固之后能启动该加热器并在熔体过热之后能将其关闭，并且能够在过加热熔体时启动这些超声波发射器并在熔体凝固之后将其关闭。

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