CN104384483A - 一种处理高温熔体的超声波导入装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种对高温金属熔体进行超声波连续处理的超声波导入装置，主要由换能器（1）、T形组合式变幅杆（2）和直立式陶瓷工具头（3）组成，T形组合式变幅杆由第一级水平方向变幅杆和第二级竖直方向变幅杆组成，第一级变幅杆为传播纵向机械振动的直棒，第二级变幅杆为传播横向机械振动的双头直棒，第一级变幅杆与第二级变幅杆之间，直立式陶瓷工具头、换能器与T形组合式变幅杆之间均采用丝杆相连接。该装置克服了高温金属熔体对换能器与变幅杆的直接热辐射，合理规避高温金属熔体对换能器的热冲击，并能显著降低金属熔体对工具头的熔蚀，从而实现超声波在高温金属熔体中的长期高效传递。

Description

一种处理高温熔体的超声波导入装置
技术领域
本发明涉及高温金属熔体凝固成形领域，具体地说是一种大功率超声波在高温金属熔体中的能量传输装置，可用于超声波铸造的工业化生产。
背景技术
超声波按其使用功能可分为检验超声和功率超声，在冶金过程中常使用的为低频、高功率的超声波，又被称之为功率超声，超声波在金属熔体中传递时，使金属熔体内部产生交变振动，形成一定的空化效应和声流效应，从而去除金属熔体中的氧化夹杂物和有害气体，细化晶粒，减小成分偏析等。
虽然国内外学者对铝合金、镁合金等低熔点金属的超声处理进行了较多的研究，但到目前为止尚未实现工程化应用，而对于熔化温度更高的钢铁进行超声处理则研究更少，仅个别学者在实验室的小型平台上从事了简单的实验研究，离工程化应用还有很大的差距。
目前，超声波在金属熔体凝固成形领域的工程化应用存在的主要瓶颈问题是如何有效且稳定地将超声波能量导入金属熔体。在目前常用的直杆式导入装置中，超声波换能器、变幅杆与工具头为同一轴线的直线连接，其能量密度最大面为与轴线垂直的端面，超声波在金属熔体中的作用面积有限，处理高温金属熔体时，高温熔体会对其上方的超声波换能器、变幅杆与工具头产生很强的直接热辐射，导致超声波换能器在短时间内就无法工作，而且目前工具头常用的材质为不锈钢或者钛合金，这两种材质虽然传导超声的效率高，但其在高温金属熔体中极易与熔体形成合金而被熔蚀，在铝熔体中可连续工作2—3小时，在钢铁中仅1—2分钟，服役寿命短，从而满足不了工程化应用的要求。
发明内容
本发明的目的在于解决超声波导入杆在处理高温金属熔体时服役寿命短的问题，提供一种能实现对高温金属熔体进行超声波连续处理的超声波导入装置。该超声波导入装置可用来处理温度高达1600℃的金属熔体，且服役寿命长。
一种处理高温熔体的超声波导入装置，其特征在于由换能器、T形组合式变幅杆和直立式陶瓷工具头组成。
T形组合式变幅杆由第一级水平方向变幅杆和第二级竖直方向变幅杆组成，第一级变幅杆为传播纵向机械振动的直棒，第二级变幅杆为传播横向机械振动的双头直棒。
T形组合式变幅杆的第一级变幅杆为直径50mm-55mm，长度260mm- 270mm的圆棒，第二级变幅杆为中间直径60mm-65mm，两端直径50mm- 55mm，长度130mm-135mm的圆棒，第一级变幅杆与第二级变幅杆采用丝杆相连接。换能器与T形组合式变幅杆采用丝杆相连接。
超声波导入装置包括2个直立式陶瓷工具头，工作时可交替变换使用，每个工具头为直径50mm-60mm，长度130mm-135mm的圆棒，陶瓷工具头与T形组合式变幅杆采用丝杆相连接。
T形组合式变幅杆所用材料为TC4钛合金，工具头材料为氮化硅（Si3N4）陶瓷。
本发明具有如下特点：
1）本发明中一级、二级钛合金变幅杆以T形组合而成，这可将纵向传递的正弦波变换成横向传递的畸变波，使插入金属熔体的工具头在端面和圆柱面上都有强超声波传导出来，从而强化超声波在熔体中的机械振动和声流效应。此外，每一级变幅杆的尺寸以及陶瓷工具头的尺寸设计符合超声波在固体中传播时的半波长设计要求，使得超声波的输出最大。
2）本发明中变幅杆由一级、二级钛合金变幅杆以T形组合而成，使得工作时超声波换能器不处于高温金属熔体的上方，可有效避免高温热流对换能器的直接热辐射，从而延长超声换能器的寿命，使得超声波能量能源源不断地输入金属熔体中。
3）本发明中变幅杆的输出端同时连接2个陶瓷工具头，工作时可交替使用，该工具头采用氮化硅（Si3N4）陶瓷材料经过热压烧结而成，Si3N4的熔点高达1900℃，在1200℃以下不被氧化，在1200℃—1600℃间生成的保护膜可阻止进一步氧化；Si3N4的抗冷热冲击性好，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂；而且Si3N4不会与金属熔体形成合金，使得Si3N4陶瓷工具头能长期浸没在高温金属熔体中，因而本发明所提供的超声波导入装置可实现对高温金属熔体进行长时间超声波连续处理。
附图说明
图1为超声波导入装置的二维CAD图；
图2为超声波导入装置的实物照片。
具体实施方式
以下实施例旨在进一步说明本发明，这将有助于对本发明及其优点的进一步理解，这些实例不作为对本发明的限定，本发明的保护范围由权利要求书来决定。
实施例1：
将超声波导入装置用于铝合金连续铸轧的超声波处理：将超声波导入装置安装在水平式铸轧机铸嘴前部流槽旁边，让氮化硅工具头（3）插入流槽中铝熔体（约700℃）中，超声波导入装置中T形组合式变幅杆（2）的第一级变幅杆为直径50mm，长度260mm，第二级变幅杆为中间直径60mm，两端直径50mm，长度130mm；氮化硅工具头（3）为直径50mm，长度130mm。开启超声波控制器，逐步增大功率到超声波发生器允许的最大输出值，然后连续工作24小时。24小时后，超声波导入装置中换能器（1）仍然正常工作，而T形变幅杆输出端的氮化硅工具头未出现熔蚀现象。表1为超声铸轧24小时后获得的铝合金板带与常规铸轧板带的力学性能比较，由表可知，超声波的施加能显著提升铸轧板带的力学性能，这也说明超声波导入装置有效地将超声波能量导入进了铝合金熔体中。
表1 铝合金铸轧板带的力学性能比较
实施例2：
将超声波导入装置用于合金钢连续铸造的超声波处理：将超声波导入装置安装在连铸机结晶器旁，让氮化硅工具头（3）插入结晶器中钢熔体（约1600℃）中，超声波导入装置中T形组合式变幅杆（2）的第一级变幅杆为直径50mm，长度270mm，第二级变幅杆为中间直径60mm，两端直径50mm，长度135mm；氮化硅工具头（3）为直径50mm，长度135mm。开启超声波控制器，逐步增大功率到超声波发生器允许的最大输出值，然后连续工作2小时，处理钢熔体25吨。2小时后，超声波导入装置中换能器（1）仍然正常工作，而T形变幅杆输出端的氮化硅工具头未出现熔蚀现象。表2为在连续铸造过程中施加超声波2小时后钢锭与常规钢铸锭的微观组织比较，由表可知，由表可知，超声波的施加能显著提高钢锭的等轴晶率，并能降低组织缺陷，这也说明在2小时的工作时间内超声波导入装置有效地将超声波能量导入进了钢熔体中。
表2连铸钢锭的微观组织与缺陷比较
试  样 等轴晶率（%） 中间裂纹（级） 缩孔残余（级） 中心疏松（级）
超声铸锭 61.5 0 0 1.0
常规铸锭 28.8 3.0 1.0 2.0

Claims (5)

1.一种处理高温金属熔体的超声波导入装置，其特征在于：由换能器、T形组合式变幅杆和直立式陶瓷工具头组成，T形组合式变幅杆由第一级水平方向变幅杆和第二级竖直方向变幅杆组成，第一级变幅杆为传播纵向机械振动的直棒，第二级变幅杆为传播横向机械振动的双头直棒，第一级变幅杆与第二级变幅杆采用丝杆相连接；直立式陶瓷工具头与T形组合式变幅杆采用丝杆相连接,换能器与T形组合式变幅杆采用丝杆相连接。
2.根据权利要求1所述的处理高温金属熔体的超声波导入装置，T形组合式变幅杆的第一级变幅杆为直径50mm-55mm，长度260mm-270mm的圆棒，第二级变幅杆为中间直径60mm-65mm，两端直径50mm-60mm，长度130mm-135mm的圆棒。
3.根据权利要求1所述的处理高温金属熔体的超声波导入装置，其特征在于：直立式陶瓷工具头为直径50mm-60mm，长度130mm-135mm的圆棒。
4.根据权利要求1所述的处理高温金属熔体的超声波导入装置，其特征在于：T形组合式变幅杆所用材料为TC4钛合金，陶瓷工具头所用材料为氮化硅陶瓷。
5.根据权利要求1所述的处理高温金属熔体的超声波导入装置，其特征在于：处理高温金属熔体的超声波导入装置的工作温度范围是室温至1600℃。
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