CN102978412A - 一种超声波处理金属熔体的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超声波处理金属熔体的装置，其中，所述装置包括：超声波能量控制及发生器、超声波传导架、自耗式变幅杆及盛装有金属熔体的坩埚，所述超声波传导架连接于所述超声波能量控制及发生器，所述自耗式变幅杆一端连接于所述超声波传导架，所述自耗式变幅杆另一端插入到金属熔体中，所述自耗式变幅杆的材质与金属熔体相同。本发明通过将变幅杆设置为自耗式变幅杆，从而使变幅杆在超声处理时自身熔于金属熔体中，从而提高金相组织的一致性，解决了金相组织一直以来存在的缺陷，并提高了金属熔体的细化效果。

Description

一种超声波处理金属熔体的装置
技术领域
本发明涉及冶金行业熔融铸造技术领域，尤其涉及一种超声波处理金属熔体的装置。
背景技术
现有技术中，在金属的凝固过程中会引入超声波介入方式，从而使金属熔体中的凝固组织从粗大的柱状晶变为细小的等轴晶，金属的宏观和微观偏析都能够得到改善。但是目前超声波介入金属熔体的工艺，在超声波声场能量分布控制上存在不够均匀的问题，使得冷却后的金相组织一致性不够完善，金相组织缺陷也一直是传统工艺中难以解决的问题，这导致后工序加工时出现整体材料物理特性不一致的问题。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超声波处理金属熔体的装置，旨在解决现有金属熔体超声波处理方式声场能量分布不均匀导致金相组织不一致的问题。
本发明的技术方案如下：
一种超声波处理金属熔体的装置，用于对金属熔体进行晶粒细化，其中，其包括：超声波能量控制及发生器、超声波传导架、自耗式变幅杆及盛装有金属熔体的坩埚，所述超声波传导架连接于所述超声波能量控制及发生器，所述自耗式变幅杆一端连接于所述超声波传导架，所述自耗式变幅杆另一端插入到金属熔体中，所述自耗式变幅杆的材质与金属熔体相同。
所述的超声波处理金属熔体的装置，其中，所述金属熔体材质为碳钢。
所述的超声波处理金属熔体的装置，其中，所述变幅杆设置有2~8根。
所述的超声波处理金属熔体的装置，其中，所述变幅杆设置有4~6根。
所述的超声波处理金属熔体的装置，其中，所述坩埚为凸底坩埚。
所述的超声波处理金属熔体的装置，其中，在所述凸底坩埚的外壁和凸底通过超声波对金属熔体进行晶粒细化处理。
有益效果：本发明通过将变幅杆设置为自耗式变幅杆，从而使变幅杆在超声处理时自身熔于金属熔体中，从而提高金相组织的一致性，解决了金相组织一直以来存在的缺陷，并提高了金属熔体的细化效果。
附图说明
图1为本发明超声波处理金属熔体的装置较佳实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种超声波处理金属熔体的装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1为本发明超声波处理金属熔体的装置，用于对金属熔体进行晶粒细化，如图所示，所述装置包括：超声波能量控制及发生器100、超声波传导架200、自耗式变幅杆300、盛装有金属熔体400的坩埚500，所述超声波传导架200连接于所述超声波能量控制及发生器100，所述自耗式变幅杆300一端连接于所述超声波传导架200，所述自耗式变幅杆300另一端插入到金属熔体400中，所述自耗式变幅杆300的材质与金属熔体相同。
本发明中对超声波处理装置的变幅杆进行了改进，变幅杆是配合超声波能量控制及发生器改变超声波振动幅度的功能组件。其主要作用是增大振幅、提高振速比、提高效率，提高机械品质因数，加强耐热性，扩大适应温度范围，延长使用寿命。本发明中，将变幅杆的材质设置为与金属熔体的材质相同，即将变幅杆设置为自耗式变幅杆，那么变幅杆在进行超声波处理的过程中，会熔于金属熔体中，这样的处理方式，经实践证明，能够显著提高金属熔体冷却后的金相组织的一致性，从而解决了传统技术中一直存在的金相组织缺陷的问题。
这样的自耗式变幅杆300的介入方式尤其适用于液相线较高的材料，例如碳钢材料，其液相线在1300℃以上，传统的超声波处理方法在对这种液相线较高的材料进行晶粒细化处理时，超声波声场能量分布难以控制均匀，通过将变幅杆设置为碳钢材料，即自耗式变幅杆，变幅杆在超声处理时，会慢慢熔于金属熔体中，凝固组织得到明显的细化，有利于金属熔体的晶粒细化。
本发明的超声波能量控制及发生器优选采用最大功率为0~3000W（可连续调节）、频率为20kHz，处理金属熔体时，超声波功率优选采用0~1000W，不同超声波功率条件下，细化程度不同，在小功率条件下，随着超声波功率的提高，凝固组织的细化程度提高，当超声波功率提高到一定程度后，其凝固组织的细化程度不再明显增加，超声波功率为300W，仍为发达的树枝晶，当超声波功率提高到600W时，超声波处理对其细化效果不明显，进一步增大超声波功率到1000W时，凝固组织得到明显的细化，发达的树枝晶变为均匀而细小的枝晶，超声波功率为1300W时，晶粒细化效果比1000W时略微变差一点，这可能是由于高功率的超声波在钢液中传播时会产生强烈的热效应，强烈的热效应产生大量的热量被钢液吸收导致钢液过度增大所致。1000W的超声波功率配合本发明的自耗式变幅杆能够更好的将金属熔体的晶粒进行细化，还使得在细化的条件下，能够提高金相组织的一致性。
本发明还优选在金属熔体中加入稀土元素，例如铈，稀土元素铈的化学性质活泼，与氧、硫的亲和力较强，高碳钢液中加入稀土元素，能生成稀土氧化物、稀土硫化物以及稀土氧硫化物，这些物质的生成将有利于晶粒的细化。
由于本发明中的变幅杆为自耗式的，所以需要不断调节其插入状态，以保持变幅杆的插入深度一致。另外，本发明中的变幅杆可设置为2~8根，更优选的是4~6根，例如4、5或6根，以提高金相组织的一致性。
本发明中，超声处理温度在液相线以上，例如在液相线以上20~50℃范围内，，即高于金属熔体液相线20~50℃，其具有较佳的细化效果。当超声处理温度过低时，随着金属凝固的进行，金属熔体的粘度逐渐增加，超声波处理过程产生的空化泡的变大和溃灭将变得极为缓慢，空化作用的细化效果将大为降低甚至消失，金属熔体流速不断减小，超声波声流的作用也不断减弱，对金属熔体的扰动减小，细化效果减弱，超声处理温度过低，超声空化效应和声流效应出现降低甚至出现消失，对细化作用将会变差。而当超声处理熔体温度过高时，由于热效应，将会使凝固组织粗化；另外由于空化泡内的压力降增大，从而使空化强度减弱，使细化作用不明显，因此，熔体温度过高和过低都会影响超声波对凝固组织的细化作用，超声处理温度在液相线以上20~50℃范围内具有较佳的细化效果。
为了获得良好的金相组织，需要采用合适的超声处理时间，超声处理时间较短时，金属熔体内部的晶核形成还不充分，获得的等轴晶区域较小；如果超声处理的时间太长，则产生发热效应，导致金属熔体温度上升，使原来已经被细化，等轴晶区域减少，所以，本发明优选采用100s的超声处理时间，以得到晶粒更加细化和金相组织更一致的凝固组织。
超声处理后的冷却方式可以是炉冷、空冷和水冷，本发明中可以选择水冷方式来进行冷却。 
本发明中，还可以将坩埚设置为凸底坩埚。然后在所述凸底坩埚的外壁和凸底通过超声波对金属熔体进行晶粒细化处理，这样的处理方式将更进一步的改善金相组织的一致性，并细化晶粒。
综上所述，本发明通过将变幅杆设置为自耗式变幅杆，从而使变幅杆在超声处理时自身熔于金属熔体中，从而提高金相组织的一致性，解决了金相组织一直以来存在的缺陷，并提高了金属熔体的细化效果。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种超声波处理金属熔体的装置，用于对金属熔体进行晶粒细化，其特征在于，其包括：超声波能量控制及发生器、超声波传导架、自耗式变幅杆及盛装有金属熔体的坩埚，所述超声波传导架连接于所述超声波能量控制及发生器，所述自耗式变幅杆一端连接于所述超声波传导架，所述自耗式变幅杆另一端插入到金属熔体中，所述自耗式变幅杆的材质与金属熔体相同。
2.根据权利要求1所述的超声波处理金属熔体的装置，其特征在于，所述金属熔体材质为碳钢。
3.根据权利要求1所述的超声波处理金属熔体的装置，其特征在于，所述变幅杆设置有2~8根。
4.根据权利要求3所述的超声波处理金属熔体的装置，其特征在于，所述变幅杆设置有4~6根。
5.根据权利要求1所述的超声波处理金属熔体的装置，其特征在于，所述坩埚为凸底坩埚。
6.根据权利要求5所述的超声波处理金属熔体的装置，其特征在于，在所述凸底坩埚的外壁和凸底通过超声波对金属熔体进行晶粒细化处理。
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