CN103097846A - 用于液体金属处理的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过强熔体剪切处理液体金属的设备(高剪切装置)和方法。该设备包括在其之间具有小的间隙的定子和转子以提供强熔体剪切，用于在液体金属中有效地分散并均匀地分布气相、液相和固相而不在熔体表面产生严重的湍流。该装置可以通过同心地(一个套一个)或垂直地排列单独的转子/定子组合体而扩展为多级高剪切泵。可以容易地将该装置和高剪切泵集成至现有铸造工艺中。该装置适合于在包括以下各项的铸造工艺中使用：高压模铸、低压模铸、重力模铸、砂型铸造、熔模铸造、直接冷硬铸造、双辊连铸以及需要液体金属作为原料的任何其他铸造工艺。此外，该装置特别适合于提供用于金属材料的形状铸造和连续(或半连续)铸造两者的调节过的液体金属、制备高品质半固体浆料、颗粒加强的金属基体复合材料的固化加工、混合不相混的金属液体以及液体金属在任何铸造工艺之前的脱气。

Description

用于液体金属处理的设备和方法
本发明总体上涉及在金属材料的固化加工之前的液体金属处理，并且尤其涉及用于剪切液体金属的装置。本发明提供用于下列方面的手段：控制夹杂物和气体元素，均质化熔体组成和温度，促进用于涉及液相的任何化学反应或相转化的动力学，混合含有异质相的材料，精炼铸造微组织并消除/减少铸造缺陷。本发明可应用至多种铸造技术，如高压模铸、低压模铸、重力模铸、砂型铸造、熔模铸造、直接冷硬铸造、双辊连铸，以及需要液体金属作为原料的任何其他铸造工艺。
发明背景
多种铸造工艺需要固化加工之前的液体金属处理，所述多种铸造工艺包括，但是不限于，砂型铸造、永久铸模铸造、高压模铸、直接冷硬铸造、双辊连铸等，其用于以下目的：晶粒细化、熔体清洁、均质化显微构造和化学组成的均匀性、内源和外源粒子两者的分散和分布。
用于液体金属处理的现有方法主要包括，通过叶轮机械搅拌、电磁搅拌，以及一些其他方法如气体诱生的液体流动。
通过叶轮的机械搅拌是处理液体金属的非常简单的方式。它仅提供叶轮周围温和的熔体剪切，但导致液体金属中的严重涡旋和液体表面附近的严重湍流，导致来自熔体表面的气体和其他污染物的严重夹带。存在数种方式解决这个问题。
授予Kraemer等的美国专利号3,785,632公开了一种用于加速冶金反应的工艺和设备。该工艺包括在熔融浴与反应物之间的边界处使用双叶轮的机械搅拌。当该设备开始搅拌时产生离心力分量并且产生朝向钢包边界不同的曲率，这导致熔融金属材料与反应物之间的化学反应的加速。
授予McRae等的美国专利号4,743,428公开了一种用于制备合金的液体金属的机械搅拌的方法。该工艺引入搅动装置主要用于加速合金元素的溶解并减缓浮渣的形成。
授予Flemings等的美国专利号3,902,544公开了通过机械搅拌处理液体金属以获得具有非枝状初级固体的半固体金属材料的连续工艺。在该工艺中，引入三个螺旋转并且使其位于三个分开的搅动区。与双叶片叶轮比较螺旋转更加有效。将搅动区的内表面与螺旋转的外表面之间的距离保持为足够小，以使得可以在多个搅动区中将高剪切力施加至材料。
授予Shingu等的美国专利号4,373,950通过叶轮将机械搅拌引入至直接冷硬铸造工艺中以提纯铝。铝熔体通过使用机械搅拌设备提纯以打破液体与固体之间的界面处的枝晶，并且分散由枝晶释放至整个液体中的杂质。
授予Duenkelmann的美国专利号4,931,060公开了一种包括空心轴和连接至轴的空心转子的旋转装置，所述旋转装置用于分散熔融金属中的气体。该装置将惰性气体从轴的顶部引入并且将大体积的惰性气体递送至熔体用于液体金属的脱气。
上面讨论的发明全部包括机械搅拌。它们既没有提供用于熔体调节(conditioning)所需的高剪切速率，也没有避免来自熔体表面的气体和其他污染物的夹带的问题。
美国专利号4,960,163在直接冷硬铸造中引入机械搅拌器，用于获得细小的晶粒组织，并且引入分隔以将DC铸造机中的空间分割为供料储存器和固化储存器，用于避免供料储存器中液体表面附近的湍流而不减弱固化储存器中的搅拌。通过该发明获得特定程度的晶粒细化但是每批次的结果不一致。
授予Ernst的美国专利号6,618,426公开了一种处理液体金属的电磁搅拌工艺。该工艺使用具有不同的方向的多级螺旋以减少液体表面附近的湍流。然而，通过电磁搅拌的剪切速率低并且设备的成本高。
WO2010/032550(Nippon Light Metal Co.Ltd)公开了用于在浇铸室中使用的金属熔体精炼机。它基本上是用于将液体金属脱气和除渣的多叶片搅拌器。然而它具有非常小的分散和分布能力并且整个组装体不适合于直接结合在现有的铸造工艺中。
WO2010/150656(Eddy Plus Co.Ltd)公开了基于离心力的分布混合装置。它具有低剪切速率和不足的分散能力。
EP1779924(Prosign)公开了用于分布混合的圆盘-叶片混合器。它具有不足的分散能力。
US4,684,614(Ceskoslovenka akademie ved)公开了一种用于混合、泵送和驱散液体的无叶片混合器，尤其用于食品工业中。它将仅适合于低温度应用，并且不能用于剪切液体金属。
US4,046,559(Kennecott Copper Corporation)公开了用于混合不同密度的两种液体的基于圆盘叶片的分布混合器。它具有不足的分散能力。
US2010/0300304(Shimizu)公开了用于在厨房中混合小量的家用食物的手动工具。它将不适合于剪切液体金属。该类型的其他食品混合器公开在WO2007/042635(Seb S.A.)中。
目前的用于处理液体金属的机械或电磁搅拌在液体表面附近产生湍流，这对于大部分铸造工艺有害。因此，必须限制搅拌速度以便获得相对稳定的液体表面，并且结果液体金属处理的有效性和效率两者都被折衷。
因此，有益的是提供一种这样的方法和设备，其可以容易地应用至现有铸造工艺并且可以提供强熔体剪切，同时避免熔体表面夹带气体和其他污染物。
本发明的主要目标是提供一种用于提供处理过的/调节过的液体金属作为用于金属材料的进一步固化加工的原料、颗粒加强的金属基体复合材料(MMC)和不相混的合金的设备和方法。
本发明的另一个目标是提供一种可以均质化化学组成、将气相、液相和固相分散并分布在液体金属或金属基体复合材料(MMC)中的设备和方法。
本发明的再另一个目标是促进用于涉及至少一个液相的化学反应和相转化的动力学条件。
本发明的另一个目标是提供一种用于制备具有细化的显微构造和减少的铸造缺陷的高品质金属材料或金属基体复合材料(MMC)的设备和方法。
本发明的再另一个目标是提供一种用于在不在液体表面附近产生严重湍流的情况下在高剪切速率下分散混合和在液体金属的整个体积中以宏观流动分布混合的方式。
参考以下说明、实施方案和实施例，将更加完整地理解和认识本发明的这些和其他目标和益处。
发明概述
本发明提供一种用于液体金属的强剪切以提供适合于多种铸造工艺的固化加工的调节过的液体金属的设备和方法。
在本发明的第一方面，提供一种用于剪切液体金属的装置，所述装置包括：
定子，所述定子为第一空心圆筒的形式，所述第一空心圆筒具有开口末端以允许液体金属进入所述圆筒，以及所述圆筒壁中的至少一个开口以允许液体金属离开所述圆筒，
转子，所述转子包括其上具有至少一个可旋转元件的轴，所述轴基本上平行于所述圆筒的纵轴，并且所述可旋转元件被安置在所述圆筒内并安排为当由发动机驱动时绕所述轴旋转，
其中所述可旋转元件与所述圆筒的内壁之间的最小间隙为10μm至10mm，并且其中所述装置由具有不低于200℃，优选不低于600℃，并且最优选不低于1000℃的熔点的一种或多种材料形成。
所述装置的部件的相对高的熔点使得它适合于在液体金属加工的高温环境中使用。
用于液体金属的强剪切的设备(高剪切装置)，所述设备优选包括：
·定子，所述定子是在定子壁中具有至少一个开口的空心圆筒；
·转子，所述转子具有至少一个叶片并且以高速在定子内旋转；
·所述转子与定子之间的小的间隙确保高剪切速率；
·外壳，所述外壳使用于转子/定子组合体的所述定子、所述转子和转子轴成为整体；
·发动机，安置在平台上的所述发动机连接至所述转子轴以驱动转子；
·刷，所述刷可以固定在所述外壳上或所述转子轴上。
在一个实施方案中，高剪切装置包括：
·定子，所述定子是固定在所述外壳上的空心圆筒并且在其壁中具有至少一个开口，并且优选所述开口是具有0.5mm至10mm的直径的圆孔；
·转子，定子内的通过轴连接至发动机的所述转子具有至少一个叶片，并且优选所述转子的转速为1RPM至50000RPM；
·所述定子与转子之间足够小的间隙以确保足够高的剪切速率，用于所需的液体金属剪切的目的，并且优选的所述间隙为10μm至10mm；
·发动机，设置在平台上的所述发动机连接至轴以驱动转子；
·外壳，用于固定定子并支撑转子轴的所述外壳固定在平台上以定位所述高剪切装置；
·刷，所述刷可以固定在所述外壳上或所述转子轴上。
所述转子和定子可以以这样的方式组装：使得该设备成为多级高剪切泵以分批地或连续地将调节过的液体金属提供至所考虑的铸造工艺。
因此，在备选的实施方案中，所述设备是用于将处理过的/调节过的液体金属作为原料提供至连续或形状铸造工艺的高剪切泵，所述高剪切泵包括：
·至少两组转子/定子组装体，所述转子/定子组装体可以或者同心地或者垂直地排列以形成多级高剪切装置；
·所述转子/定子组装体内所述定子与转子之间存在足够小的间隙，以确保足够高的剪切速率用于所需的液体金属处理目的。优选的所述间隙为10μm至10mm，优选定子(或转子)中的开口是具有0.5mm至10mm的直径的圆孔，并且优选所述转子的转速为1RPM至50000RPM。
·泵室，所述泵室容纳多级转子/定子组装体；
·阻挡板，其用于在所述泵外壳内分隔高剪切区和积累区；
·发动机，设置在平台上的所述发动机连接至轴以驱动转子；
·刷，所述刷可以固定在所述泵外壳上或所述转子轴上；
·入口，所述入口允许液体金属流至泵室中；
·出口管，所述出口管允许将调节过的熔体提供至铸造机。
在操作过程中，发动机经由转子轴传送功率至转子并且驱动转子以在定子内旋转，并且将液体金属在所述转子与所述定子之间的间隙中并且也在所述定子的所述开口中强剪切。
该方法是通过使用所述高剪切装置或所述高剪切泵等在不改变其精神的情况下分布地或连续地液体金属的强剪切。该方法还包括，但不限于，液体金属的脱气、制备半固体浆料、制备金属基体复合材料、混合不相混的金属液体、提供用于现有的铸造工艺的进一步固化加工的调节过的液体金属。
根据本发明的多种形式中的设备和方法的功能包括，但是不限于，以下各项：
·所述高剪切装置和所述高剪切泵可以在液体金属中有效地分散并均匀地分布固体粒子、液滴和气泡。
·所述高剪切装置和所述高剪切泵可以减小液体金属中固体粒子、液滴或气泡的尺寸。
·所述高剪切装置和所述高剪切泵可以提高液体金属中化学组成和温度场的均匀性。
·所述高剪切装置和所述高剪切泵可以通过活化液体金属中内源和外源固体粒子两者对金属和合金提供物理晶粒细化，产生金属材料的显著晶粒细化。
·所述高剪切装置和所述高剪切泵可以促进用于涉及至少一个液相的化学反应和相转化的动力学条件。
本发明的应用总结如下：
(1)可以使用所述高剪切装置和所述高剪切泵将具有低气体含量、良好分散的氧化物膜和其他包含物、均匀的温度和均匀的化学组成的调节过的液体金属作为适合于多种铸造工艺的固化加工的原料进行提供。
(2)所述高剪切装置和所述高剪切泵可以用作现有的用于晶粒细化的铸造工艺的附件，用于促进铸造工艺并且用于提高铸造产品的品质。例如，但是不限于，高剪切装置可以直接应用至直接冷硬铸造和双辊连铸工艺中，用于促进等轴固化，以及应用至形状铸造工艺中，作为定量泵以直接提供调节过的液体金属。
(3)可以使用所述高剪切装置和所述高剪切泵以将气体、液体和离散的固体相分散和分布至液体基体中，例如，以高效率脱气、混合不相混的金属液体以产生细微分散的显微构造、产生具有良好分散的并且均匀地分布的细固体粒子的金属基体复合材料，并且促进异相之间的化学反应。
附图简述
将参考附图描述本发明的数个优选的实施方案，其中：
图1是作为根据本发明的一个实施方案的高剪切装置的示意图。
图2是作为根据本发明的一个实施方案的另一个高剪切装置的示意图。
图3是根据本发明的具有同心转子/定子排列的用于提供连续地处理过的/调节过的液体金属的多级高剪切泵的实施方案的示意图。
图4是根据本发明的具有垂直转子/定子排列的用于提供连续地处理过的/调节过的液体金属的所述多级高剪切泵的另一个实施方案的示意图。
图5是使用图2中所示的高剪切装置的液体金属调节工艺的示意图。
图6是使用图2中所示的高剪切装置的液体金属脱气工艺的示意图。
图7是通过将常规DC铸造工艺与图2中所示的高剪切装置集成的直接冷硬(DC)铸造工艺的示意图。
图8显示通过使用根据本发明的高剪切装置的半固体工艺制备的AZ91D镁合金的显微构造。
图9显示基于通过使用根据本发明的高剪切装置的强熔体剪切制备的金属基体复合材料的AZ91D镁合金的显微构造。
图10a显示通过常规DC铸造工艺制备的AZ31镁合金的显微构造。
图10b显示通过使用根据本发明的高剪切装置的强熔体剪切的DC铸造工艺制备的AZ31镁合金的显微构造。
图11a显示通过常规DC铸造工艺制备的AA7075铝合金的显微构造。
图11b显示通过使用根据本发明的高剪切装置的强熔体剪切的DC铸造工艺制备的AA7075铝合金的显微构造。
图12a显示通过常规双辊连铸工艺制备的5mm厚的AZ31镁合金带的显微构造。
图12b显示通过常规双辊连铸工艺与根据本发明的多级高剪切泵的集成制备的5mm厚的AZ31镁合金带的显微构造。
发明详述
本发明提供一种高剪切装置、一种高剪切泵和用于通过强熔体剪切处理/调节液体金属的方法。可以使用所述高剪切装置和高剪切泵以提供调节过的液体金属用于使用多种铸造工艺的固化加工。所述高剪切装置和高剪切泵也可以直接整合至特定的铸造工艺用于促进铸造工艺并提高铸造产品的品质。现在参考附图和显微照片，在下面的段落中详细描述本发明。
参考图1，所述高剪切装置(1)的实施方案主要包括转子(4)和定子(7)。包括转子轴和转子叶片的所述转子(4)由发动机(未显示)驱动。包括外壳板(3、5、8)和系杆(2)的外壳固定至平台(未显示)。定子(7)通过外壳板(3，8)使用至少两个固定螺栓(9)固定。存在固定在外壳板(3)上的刷(10)以定位转子轴和提供密封。
所述转子(4)包括至少一个叶片以在操作过程中驱动所述液体金属。在该实施方案中，根据本发明，优选的叶片数目是四。所述叶片可以平行于所述转子的轴或与所述转子的轴成角度。所述叶片的形状可以是圆筒、方柱、棱柱，以及规则的或不规则的任何其他几何体，条件是实际上可以制造并组装它们。单独的叶片的形状可以彼此不同，并且一个叶片的表面可以是平的或弯曲的或通过不同的几何表面组合。可以使用不同的叶片用于相同的转子。转子轴周围叶片的分布不需要是对称的。
所述定子(7)是在其壁上具有至少一个开口的空心圆筒。所述定子壁上开口的形状可以是圆孔、方孔、缝等，条件是将所述液体金属有效率地并且实际地剪切。优选的开口是适当尺寸的圆孔。
在操作过程中，所述转子(4)由发动机(未显示)通过所述轴驱动。所述转子叶片在剪切室内在离心力下将液体金属向外移动，在所述剪切室内建立负压。所述负压将液体金属通过所述底部外壳板(8)上的开口吸至剪切室。在转子与定子之间的间隙和定子壁中的开口两者中都存在强熔体剪切。剪切的强度是所述转子与所述定子之间的间隙、所述定子上所述开口的尺寸以及所述转子的转速的函数。更小的间隙、更小的开口以及更块的转子转速有利于更高的剪切强度。优选所述间隙是10μm至10mm，优选所述开口是具有0.5mm至10mm的直径的圆孔，并且优选所述转子的所述转速是1RPM至50000RPM。
参考图2，所述高剪切装置(13)的另一个实施方案主要包括一体式转子(4)、管状定子(17)和刷(15)。所述实施方案类似于图1中所示的前一个实施方案，但更易于使用基于陶瓷的材料构建部件，并且更适合于腐蚀性液体金属(如铝)和高熔融温度合金。参考图2的该实施方案的工作原理与参考图1的前一个实施方案的完全相同。
图3是显示所述多级高剪切泵的实施方案的示意图，其中所述转子和定子一个套一个同心地排列。参考图3，所述多级高剪切泵主要包括转子(1)、定子(6)、外壳环(5)、上部外壳板(4)、刷(3)和出口管(7)。所述转子是一体式部件，包括转子轴、多个转子叶片和具有开口的转子环，所述开口可以是圆孔、方孔、规则的缝或任何其他几何形状。所述定子是附着至定子板的具有开口的定子环，并有位于中心的开口作为用于所述液体金属的入口。所述转子/定子组装体被容纳在包括定子板、上外壳板(4)、外壳环(5)和刷(3)的泵室中。所述转子/定子组装体、泵外壳和转子轴经由固定系杆(2)集成。
在图3中，为了简洁仅给出了一个定子环和一个转子环。在实践中，可以使用多于一组转子/定子环以依赖于所需熔体处理的特定目的而确保剪切的效率。
在操作过程中，所述转子(1)由发动机(未显示)驱动，并且所述转子叶片的旋转将在泵室中建立负压。所述负压进而将液体金属通过所述定子板上的所述开口吸入至所述泵室中。在通过转子叶片建立的离心力下，迫使所述液体金属向外流动并且最终通过出口管(7)泵出。转子叶片、一个或多个定子环和一个或多个转子环之间的相对运动将使所述液体金属在所述泵室中经历极其高的剪切和湍流。剪切速率是转子转速、定子与转子环之间的间隙和定子和转子环两者上的开口的尺寸的函数。可以通过改变转子的转速和转子叶片的尖端与定子环之间的间隙而控制泵送速率。所述参数的优化的组合将提供所需的泵送速率。优选所述间隙是10μm至10mm，优选所述开口是具有0.5mm至10mm的直径的圆孔，并且优选所述转子的所述转速是1RPM至50000RPM。
图4是显示所述多级高剪切泵的另一个实施方案的示意图，其中所述转子和定子垂直排列。参考图4，所述多级高剪切泵包括4组转子(1)和定子(8、10、11)，它们在管状泵室(13)中垂直组装。所述转子可以或者通过将转子轴和多组转子叶片结合为一个部件(如所示)制成一体式的，或者是连接至转子轴的单独的转子叶片的组装体的形式。在定子壁中具有开口的定子包括入口定子(11)、两个中间定子(10)和出口定子8。所述定子可以由相同的设计或不同的设计制成。在定子之间有阻挡板(9)以将泵送室分割为单独的高剪切区。所述高剪切区通过熔体积累区分离。所述转子/定子组装体通过转子外壳(5)、刷(4)和(6)、系杆(2)和固定螺栓(12)固定在管状泵室(13)中。
在图4中，用于示例的目的显示了四组转子/定子组装体。在实践中，可以使用任意数目的转子/定子组以依赖于所需熔体剪切的特定目的而适合于特定的应用。
在操作过程中，转子(1)由发动机(未显示)驱动，并且入口定子内转子叶片的旋转将在泵室中建立负压，其进而将液体金属通过入口定子的底部的开口吸入入口定子中。在由转子叶片建立的离心力下，强迫液体金属向外流动并且最终收集在入口定子之上的积累区中。在所有可得的高剪切区中重复该过程，之后将调节过的液体金属最终通过出口管(7)泵出。工作原理与图3中所示的所述实施方案相同。
通过图1-4中所示的所述实施方案或与本发明相同或类似精神的任何其他实施方案的设备构造的材料选择必须满足以下需要：
·它们在应用温度应当是高强度的和高耐久性的；
·它们必须是耐腐蚀的以耐受液体金属的腐蚀性；
·它们必须易于使用可得的生产工艺制造；
·它们必须是容易可得的以节约成本。
可以使用陶瓷、石墨、钢、高温合金和任意其他材料用于制造高剪切装置，条件是它们在加工温度具有足够的强度和化学稳定性。例如，无镍高温钢是用于建造用于处理/调节液体镁合金的所述高剪切装置的优选材料。石墨、涂布有MoSi2的钼和陶瓷是用于建造用于处理/调节铝合金的所述高剪切装置的优选材料。合适的陶瓷材料包括，但是不限于，氮化物、硅化物、氧化物、碳化物、赛隆和其他混合陶瓷。特别优选的陶瓷包括碳化硅、氧化铝、氮化硼、氮化硅和赛隆。应该注意，石墨在所有的实施方案中是用于刷的合适的材料。
图5是显示根据本发明的用于处理/调节液体金属的实施方案的示意图。参考图5，将强剪切设备(13)固定在可调节的平台(未显示)上，并且转子轴由发动机(未显示)驱动。通过调节平台控制所述强剪切设备(13)的位置部分地浸渍在坩埚(20)中容纳的液体金属(21)中。可以通过多种方式加热坩埚(20)以将熔体保持在所需的温度。
在操作过程中，液体金属(22)被从强剪切设备(13)的底部吸至高剪切室中，并且使所述液体金属经受强剪切。被剪切的液体金属(23)驱动坩埚内的液体金属形成宏观流型，如通过(24)和(25)所示。所述宏观流动将液体金属供应至高剪切室，其中坩埚中的所有液体金属经受重复的高剪切处理。此外，宏观流动还促进熔体温度和化学组成两者的空间均匀性。
通过所述高剪切装置提供的所述强熔体剪切分散氧化物团簇、氧化物膜和液体金属中存在的任何其他金属或非金属夹杂物。所述宏观流动将所有分散的粒子均匀地遍及所述坩埚中的全部熔体分布。应当指出的是坩埚中的所述宏观流动在熔体表面附近将是弱的，并且因此，所述宏观熔体流动将保持相对静止的熔体表面，从而避免气体、浮渣或任何其他潜在的污染物的可能的夹带。这使得调节过的液体金属特别适合于制造高品质铸造物。
所述高剪切装置的其他主要功能是将外源固体粒子分散至液体金属中。所述外源固体粒子可以是晶粒细化剂粒子，用于金属基体复合材料(MMC)的陶瓷粒子或用于纳米金属基体复合材料(NMMC)的制备的纳米粒子。所述高剪切装置将分散固体粒子团块，将所分散的固体粒子均匀地分布在液体金属中，并且强迫固体粒子被液体金属润湿。
可以使用参考图5的设备和方法或者在合金液相线之上处理液体金属以调节液体金属或者在合金液相线之下处理液体金属以制成半固体浆液。
当在液相线之上处理液体金属时，所述设备和方法可以通过将氧化物膜和/或团簇分散为单独的粒子而增加潜在成核位置，从而提高可润湿性和液体金属中的空间分布。这对于晶粒细化是非常有帮助的，而不需要加入任何化学晶粒细化剂。这被称为物理晶粒细化。
当在它们的液相线之下处理金属时，所述设备和方法可以提供具有细小尺寸和窄尺寸分布的固体粒子的半固体浆液。此外，所述设备和方法可以大量提供高品质半固体浆液。
可以将在合金液相线之上或之下处理过的所述调节过的液体金属分批或连续地提供至特定的铸造工艺，所述铸造工艺包括高压模铸、低压模铸、重力模铸、砂型铸造、熔模铸造、直接冷硬铸造、双辊连铸，以及需要液体或半固体金属作为原料的任何其他铸造工艺。
图6显示使用根据本发明的所述高剪切装置的液体金属脱气工艺的实施方案的示意图。参考图6，将高剪切装置(13)固定在可调节平台(未显示)上以将所述高剪切装置定位在液体金属中。通过调节平台控制所述高剪切装置(13)的位置以部分地浸渍在坩埚(20)中容纳的液体金属(21)中。可以将坩埚(20)通过多种加热方式加热，以将熔体保持在所需的温度。将管26设置在坩埚(20)中并且管的一端位于高剪切装置(13)之下。用于液体金属的脱气的目的，将惰性气体(27)如Ar、N2等通过管(26)引入至液体金属中。
在操作过程中，液体金属和所引入的惰性气体气泡28被从高剪切装置(13)的底部吸入高剪切室中，并且通过定子壁中的开口被强迫以高速离开，这在高剪切室和宏观熔体流动两者中产生强熔体剪切，如图5中所示。在该工艺的过程中，所述强熔体剪切可以将大的惰性气体气泡(28)分散为小得多的气泡(29)。所述宏观液体流动可以将细小的气泡均匀地分布遍及坩埚(20)中的液体金属，从而产生显著地增加的气体/液体界面区。液体金属中所溶解的气体将归因于惰性气体中比液体金属中低得多的分压而扩散至惰性气体气泡(29)。在浮力下并且在宏观熔体流动的协助下，含有溶解的气体的惰性气泡(29)将从熔体表面脱离，从而导致液体金属中显著降低的气体含量。
当使用图6中的实施方案脱气时，可以通过调节转子与定子之间的间隙、定子壁中的开口的尺寸和形状以及所述高剪切装置中转子轴的转速而控制液体金属中的惰性气泡的尺寸。优选所述间隙为10μm至10mm，优选所述开口为具有0.5mm至10mm的直径的圆孔，并且优选所述转子的所述转速为1RPM至50000RPM。
参考图6的所述实施方案也可以用于通过将输入的惰性气体(27)改变为陶瓷粉末如碳化硅、氧化铝等而制备金属基体复合材料(MMC)。所述强熔体剪切可以提高粒子的均匀性和可润湿性，其对于制备高品质MMC材料是非常重要的。
也可以使用参考图6的所述实施方案以通过将输入惰性气体(27)改变为反应性气体以原位形成加强粒子从而原位制备金属基体复合材料(MMC)。一个实例是将氧引入至液体铝合金以制备氧化铝粒子加强的铝MMC。
也可以使用参考图6的所述实施方案以通过将输入惰性气体(27)改变为与坩埚(20)中的液体金属(21)不相混的液体金属从而混合不相混的金属。所述强熔体剪切可以均匀地分散并分布不相混的金属液体。
通过使用空心转子轴以将惰性气体、陶瓷粒子、不相混的液体金属等引入至液体金属(21)用于脱气、制备MMC、混合不相混的金属液体等的目的，在不脱离本发明的精神的情况下也可以修改参考图6的所述实施方案。
图7显示常规直接冷硬(DC)铸造工艺与根据本发明的高剪切装置的直接集成形成高剪切DC铸造工艺的实施方案的示意图。参考图7，将高剪切装置(13)固定在用于定位的可调节平台(未显示)上。将所述高剪切装置浸入至具有热顶(hot-top)(31)和安装有石墨环(35)的DC铸模(30)的常规DC铸造机的储槽中。所述高剪切装置(13)的底部的优选的位置高于糊状区0-300mm。
在DC铸造的过程中，将液体金属(36)通过进料管(32)连续地提供至DC铸模(30)并且通过高剪切装置(13)连续地剪切。含有减少的溶质元素和糊状区(37)中的固体粒子的液体金属被从固化立面吸入至高剪切装置中，经受强熔体剪切并且之后被迫使以高速通过定子壁中的开口离开。所述强剪切熔体在DC铸造机的槽中产生宏观流型(40、41)。所述宏观流型将进而导致所述高剪切装置周围的液体金属中温度和化学组成的均匀化。这建立DC铸造机的槽中独特的固化条件，产生具有细和均匀的显微构造、均匀的化学组成和减少的/消除的铸造缺陷的铸造铸锭(38)。
参考图5-7的以上所述实施方案意图示例用于液体金属处理的所述高剪切装置和高剪切泵的具体应用，不意图作为本发明的限制。可以使用以下简述作为本发明的进一步示例，尤其是，所述高剪切泵作为用于对多种铸造工艺提供调节过的液体金属的装置。
本发明的另一个实施方案是参考图3和4的所述高剪切泵在熔炉或保温炉中的整合，以将调节过的液体金属提供至用于高品质铸锭的生产的连续铸锭铸造机。含有良好分散的氧化物粒子的所述铸锭具有自晶粒细化能力，并且可以用作用于高品质铸造用铸造室的原料。
本发明的再另一个实施方案是参考图3和4的所述高剪切泵在熔炉或保温炉中的整合，以将调节过的液体金属提供至连续(或半连续)铸造工艺。所述连续工艺包括，但不限于，用于薄带的双辊连铸、用于铸锭和板坯的直接冷硬铸造、用于棒的上引铸造(up-casting)和需要液体金属作为原料的任何其他连续(或半连续)铸造工艺。可以通过改变转子速度和转子/定子组合体的设计控制所述调节过的熔体的提供速率。
本发明的再另一个实施方案是所述高剪切泵参考图3和4在熔炉或保温炉中的整合，以将调节过的液体金属提供在形状铸造工艺以产生成形的部件。所述形状铸造工艺包括，但不限于，高压模铸、低压模铸、重力模铸、砂型铸造、熔模铸造以及需要液体金属作为原料的任何其他形状铸造工艺。所述调节过的熔体的定量可以通过改变转子速度和转子/定子组合体的设计控制。
以下实施例用于示例实施根据本发明的高剪切装置和高剪切泵的效果，并且不意图作为本发明的限制。
实施例1
将AZ91D镁合金在680℃熔融并且之后通过用参考图3的方法和设备进行强熔体剪切而在低于液相线的温度进行调节。将调节过的AZ91D半固体浆液进料至标准冷室高压模铸机以铸造拉伸测试样品。图8显示通过根据本发明的半固体加工制备的AZ91D样品的均匀的和细小的显微构造。
实施例2
将LM24铸造铝合金和AA7075锻造铝合金在700℃熔融并且之后用根据本发明的图6中实现的方法和设备脱气。使用密度指数作为熔体中气体含量的指示(密度指数越高，气体含量越高)通过减压测试(RPT)评价液体铝合金中的气体含量。对于再循环的LM24合金，在用图6中所示的实施方案的方法和设备脱气1分钟之后，密度指数从13.60％降低至2.66％。对于新鲜的AA7075合金，密度指数从9.32％降低至0.69％。
实施例3
在630℃根据本发明根据参考图6的方法和设备用强熔体剪切制备基于AZ91D镁合金的MMC。将AZ91D镁合金在650℃熔融。参考图6，将预热的碳化硅粒子通过进料管(26)借助于强熔体剪切加入至熔体，并且之后将熔体与碳化硅粒子强剪切另外5分钟。之后将所制备的Mg/SiC浆液进料至标准冷室高压模铸机以铸造MMC样品。图9显示细小的并且均匀的组织和在Mg基体中良好分布的碳化硅粒子。
实施例4
将AZ31镁合金在680℃熔融。将未进行熔体调节的液体金属在670℃通过常规DC铸造工艺铸造，以产生图10a中所示的结果。之后将相同的液体金属使用参考图7的本发明的实施方案铸造，以产生图10b中所示的结果。图10a与10b之间的比较显示高剪切DC铸造工艺(图7)可以在不使用任何晶粒细化剂添加的情况下产生具有细小的并且均匀的显微构造的Mg-合金铸锭。
实施例5
将AA7075铝合金在720℃熔融。将未进行熔体调节的液体金属在700℃通过常规DC铸造工艺铸造，以产生图11a中所示的结果。之后将相同的液体金属使用参考图7的本发明的实施方案铸造，以产生图11b中所示的结果。图11a与11b之间的比较显示高剪切DC铸造工艺(图7)可以在不使用任何晶粒细化剂添加的情况下产生具有细小的并且均匀的显微构造的Al-合金铸锭。
实施例6
将AZ31镁合金在680℃熔融。将未进行熔体调节的液体金属在650℃通过常规双辊连铸工艺铸造以产生图12a中所示的结果。之后将相同的液体金属使用高剪切泵(参考图4)和常规双辊连铸机的整合的实施方案铸造，以产生图12b中所示的结果。图12a与12b之间的比较显示高剪切双辊连铸工艺可以产生具有遍及整个厚度的细小的和均匀的显微构造、具有消除的/减少的中线偏析的Mg-合金带。

Claims (48)

1.一种用于剪切液体金属的装置，所述装置包括：
定子，所述定子为第一空心圆筒的形式，所述第一空心圆筒具有开口末端以允许液体金属进入所述圆筒，以及所述圆筒壁中的至少一个开口以允许液体金属离开所述圆筒，
转子，所述转子包括其上具有至少一个可旋转元件的轴，所述轴基本上平行于所述圆筒的纵轴，并且所述可旋转元件被安置在所述圆筒内并安排为当由发动机驱动时绕所述轴旋转，
其中所述可旋转元件与所述圆筒的内壁之间的最小间隙为10μm至10mm，并且其中所述装置由具有不低于600℃的熔点的一种或多种材料形成。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个开口是具有0.5mm至10mm的直径的圆孔。
3.如权利要求1或2所述的装置，所述装置还包括发动机以使所述可旋转元件以1rpm至50,000rpm的速度旋转。
4.如任一在前权利要求所述的装置，其中所述装置的部件独立地由石墨、陶瓷、钢或带有或不带有MoSi2涂层的钼形成。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述陶瓷是赛隆陶瓷。
6.如任一在前权利要求所述的装置，其中所述轴上具有至少一个另外的可旋转元件，所述另外的可旋转元件被安排成当由发动机驱动时绕所述圆筒的纵轴旋转。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述另外的可旋转元件安置在所述圆筒的外侧。
8.如权利要求7所述的装置，其中所述另外的可旋转元件是具有至少一个开口的板，所述板被弯曲成与所述圆筒的弯曲匹配。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述另外的可旋转元件是环绕所述圆筒并且与其基本上同心的空心套筒。
10.如权利要求7至9中的任一项所述的装置，所述装置还包括环绕所述至少一个另外的可旋转元件的空心圆筒形式的至少一个另外的定子。
11.如权利要求6所述的装置，其中所述另外的可旋转元件与所述第一个沿所述轴的长度隔开。
12.如权利要求11所述的装置，所述装置还包括用于所述另外的可旋转元件的至少一个另外的定子，所述另外的定子是至少一个另外的空心圆筒的形式，所述至少一个另外的空心圆筒中具有至少一个开口以允许液体金属由所述第一圆筒进入所述另外的圆筒，并且在所述另外的圆筒壁中具有至少一个开口，以允许液体金属离开所述另外的圆筒。
13.如权利要求11或12所述的装置，所述装置还包括与所述第一圆筒和所述另外的圆筒连通的室，从而在使用时，来自所述第一圆筒的液体金属可以在进入所述另外的圆筒之前积累在所述室中。
14.如权利要求13所述的装置，其中所述第一和另外的圆筒安置在外壳中，其中所述室在所述圆筒的外壁和所述外壳的内壁之间形成。
15.如权利要求6至14中的任一项所述的装置，所述装置具有串联的多组另外的转子和定子，从而在使用时，所述液体金属从第一组至最后一组通过。
16.如权利要求15所述的装置，所述装置还包括与最后的一组转子和定子连通的出口管，液体金属可以通过所述出口管离开所述装置。
17.一种用于通过强熔体剪切提供处理过的/调节过的液体金属的方法，所述方法使用如任一在前权利要求中所述的装置。
18.权利要求17所述的方法，其中所述强剪切提供在高剪切速率下的有效的分散混合和有效率的分布混合，同时防止所述液体表面附近的湍流。
19.权利要求17所述的方法，其中所述强剪切或者在合金液相线之上进行以为了晶粒细化而调节液体金属，或者在合金液相线之下进行以制成半固体浆液。
20.权利要求17所述的方法，其中将所述在液相线之上或之下调节过的液体金属作为原料提供给连续(或半连续)铸造工艺，所述连续(或半连续)铸造工艺包括连续铸锭铸造、用于铸锭或板坯的直接冷硬铸造、用于薄带的双辊连铸、用于棒的上引铸造以及需要液体或半固体金属作为原料的任何其他连续(或半连续)铸造工艺。
21.权利要求17所述的方法，其中将在所述液相线之上或之下调节过的液体金属作为原料提供给形状铸造工艺，所述形状铸造工艺包括：高压模铸、低压模铸、重力模铸、砂型铸造、熔模铸造以及需要液体金属作为原料的任何其他铸造工艺。
22.一种用于将液体金属脱气的方法，所述方法通过将惰性气体引入至熔体并通过使用如权利要求1至16中的任一项所述的装置进行强熔体剪切而进行。
23.如权利要求22所述的方法，其中将所述惰性气体通过外部管或通过所述装置的空心轴引入。
24.如权利要求22所述的方法，其中所述强熔体剪切将大的惰性气体气泡分散为较细小的气泡，并且因此在防止熔体表面附近的湍流的同时提高脱气效率。
25.如权利要求22所述的方法，其中将通过所述强熔体剪切脱气的液体金属分批地或连续地提供至特定的铸造工艺，所述铸造工艺包括：高压模铸、低压模铸、重力模铸、砂型铸造、熔模铸造、直接冷硬铸造、双辊连铸以及需要液体或半固体金属作为原料的任何其他铸造工艺。
26.一种用于制备金属基体复合材料(MMC)的方法，所述方法通过将固体粒子经由通过使用如权利要求1至16中的任一项所述的装置进行的强熔体剪切引入至液体金属熔体而进行。
27.权利要求26所述的方法，其中将所述固体粒子或者通过外部管或者通过所述装置的空心轴引入。
28.权利要求26所述的方法，其中所述强熔体剪切提供所述固体粒子的有效的分散混合和有效率的分布混合。
29.权利要求26所述的方法，其中所述强熔体剪切强制润湿所引入的固体粒子。
30.权利要求26所述的方法，其中所述强熔体剪切在所述熔体表面附近产生非常弱的流动，从而防止在所述熔体表面附近的气体和污染物的夹带。
31.权利要求26所述的方法，其中将通过所述强熔体剪切混合有加强固体粒子的所述液体金属分批地或连续地提供至特定的铸造工艺，所述铸造工艺包括：高压模铸、低压模铸、重力模铸、砂型铸造、熔模铸造、直接冷硬铸造、双辊连铸以及需要液体金属作为原料的任何其他铸造工艺。
32.一种用于制备金属基体复合材料(MMC)的方法，所述方法通过将活性气体引入至所述液体金属并且用如权利要求1至16中的任一项所述的装置进行强熔体剪切而进行。
33.权利要求32所述的方法，其中将所述活性气体或者通过外部管或者通过所述装置的空心轴引入。
34.权利要求32所述的方法，其中将氧引入至铝液体金属以原位形成作为用于铝基MMC的加强相的氧化物粒子。
35.权利要求32所述的方法，其中使用所述强熔体剪切增加所述反应性气体与所述液体金属之间的反应速率，从而分散所原位形成的粒子，并且将所分散的粒子均匀地分布在所述液体金属中。
36.权利要求32所述的方法，其中所述强熔体剪切在所述熔体表面附近产生非常弱的流动，从而避免在所述熔体表面附近的气体和污染物的夹带。
37.权利要求32所述的方法，其中将通过所述强熔体剪切产生的含有加强固体粒子的所述液体金属提供至砂型铸造、高压模铸、直接冷硬铸造或双辊连铸工艺。
38.一种用于混合不相混的液体金属的方法，所述方法通过将一种不相混的液体金属引入至另一种液体金属并且用如权利要求1至16中的任一项所述的装置强熔体剪切而进行。
39.权利要求38所述的方法，其中将所述不相混的液体金属或者通过外部管或者通过所述装置的空心轴引入。
40.权利要求38所述的方法，其中所述强熔体剪切将所述不相混的液体金属均匀地混合。
41.权利要求38所述的方法，其中所述强熔体剪切在所述液体金属表面附近产生非常弱的流动，从而避免在所述液体金属表面附近的气体和污染物的夹带。
42.权利要求38所述的方法，其中将通过所述强熔体剪切混合的不相混的液体金属分批地或连续地提供至特定的铸造工艺，所述铸造工艺包括高压模铸、低压模铸、重力模铸、砂型铸造、熔模铸造、直接冷硬铸造、双辊连铸，或需要液体金属作为原料的任何其他铸造工艺。
43.一种用于通过强熔体剪切而连续地或半连续地直接冷硬(DC)铸造具有细小且均匀的显微构造并且没有化学偏析的铸锭或板坯的方法，其中通过使用如权利要求1至16中的任一项所述的装置将熔融的金属在DC铸造机的储槽中连续地并且强烈地剪切。
44.权利要求43所述的方法，所述方法在所述铸锭中产生显著的晶粒细化和减少的铸造缺陷。
45.权利要求43所述的方法，其中所述装置在所述DC铸模的储槽中提供强液体流动，从而导致所述铸锭的显微构造和化学组成的均匀化。
46.权利要求43所述的方法，其中所述装置在所述DC铸造机中的液体表面附近提供非常弱的液体流动，从而减少/避免在所述液体金属表面附近的气体和污染物的夹带。
47.如权利要求17至46中的任一项所述的方法，其中所述强剪切在1RPM至50000RPM范围内的转速进行。
48.一种用于连续地或半连续地直接冷硬(DC)铸造具有细小且均匀的显微构造并且没有化学偏析的铸锭或板坯的设备，所述设备包括常规DC铸造机和如权利要求1至16中的任一项所述的装置。
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