CN105108147A - 一种实现锭坯连续喷射沉积的生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现锭坯连续喷射沉积的生产工艺，采用的装置包括位于沉积室中的收集盘，收集盘的顶部设置有用于储存液态金属的漏包和连接在漏包底部并与收集盘上表面相对的雾化喷嘴；所述的收集盘为可旋转的沉积基底，所述漏包的底部设置有圆锥形漏斗，漏斗的出口由可上、下移动的堵杆打开或封闭，漏斗的出口通过导液管与漏嘴连接，所述漏嘴的端部为雾化喷嘴；所述的堵杆下端部加工成球面，与圆锥形漏斗的圆锥面接合时将出口堵住，所述的堵杆为空心结构，另外还包括拉杆上的加热气体吹扫装置和收集盘上的位置控制装置，还包括应用双速电机提高复位速度。解决了金属残液冷却堵塞流道、收集盘机构精确复位等问题，实现喷射成形锭坯的连续生产。

Description

一种实现锭坯连续喷射沉积的生产工艺

技术领域

本发明涉及圆柱锭坯喷射沉积生产工艺，特别涉及实现喷射沉积制备圆柱锭坯的高效连续的技术。

背景技术

喷射沉积是在传统的快速凝固/粉末冶金工艺基础上发展起来的制备金属材料坯件的先进材料制备技术，较好地解决了熔铸工艺缓慢凝固、宏观偏析、组织粗大等问题，又突破了粉末冶金工艺难以致密化、构件规格小的技术瓶颈，在一道工序中制造近终形和复合产品。尤其适合于高合金含量的金属或金属基复合材料的加工，如7000系高强或超高强铝合金、高硅铝合金、耐热铝合金、铝锂合金、高性能合金钢等高性能材料。

喷射沉积生产效率是制约该技术在规模化生产和降低成本的主要因素，就喷射沉积过程本身而言，以双喷嘴工艺生产铝合金为例，其沉积效率可达到20-30kg/min，达到或超过了半连续铸造的生产效率水平。但其在锭坯生产后续处理和准备时间较长，严重影响该工艺的总的生产效率。

在目前现有的锭坯喷射沉积生产工艺中，一般一天只能生产一个锭坯。当一个锭坯生产完成后，需要等待熔炉、中间包、移液槽、漏包等炉体冷却后进行清理熔渣，然后炉体重新涂料，导液管、漏嘴中的残液将凝固堵塞，也要等待冷却后进行清理，对于石墨或陶瓷材料制成的漏嘴，在清理过程中极易损坏，需要重新更换和安装调整。因此，相对于有效的喷射沉积过程时间，生产后处理的辅助时间占据极大比重，带来了生产效率低、劳动力成本高、工作强度大、辅材消耗高等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种进行喷射沉积连续生产的装置及方法。主要解决金属残液冷却堵塞金属液流道、收集器机构的快速复位等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种实现锭坯连续喷射沉积的装置，包括位于沉积室中的收集盘，收集盘的顶部设置有用于储存液态金属的漏包和连接在漏包底部并与收集盘上表面相对的雾化喷嘴；所述的收集盘为可旋转的沉积基底，所述漏包的底部设置有圆锥形漏斗，漏斗的出口由可上、下移动的堵杆打开或封闭，漏斗的出口通过导液管与漏嘴连接，所述漏嘴的端部为雾化喷嘴；所述导液管外周设置有导液套，所述的堵杆下端部加工成球面，与圆锥形漏斗的圆锥面接合时将出口堵住，所述的堵杆为空心结构。

所述的堵杆的材料为陶瓷材料，所述的堵杆的上端与拉杆连接，所述的拉杆的上端与气缸的活塞杆相连，并且在拉杆与气缸活塞杆之间的连接处设置有缓冲弹簧，所述的气缸通过控制阀由PLC控制系统控制。

所述的漏嘴采用陶瓷材料制成，所述的漏嘴与导液套之间用耐火泥密封，并用压板压紧，所述的导液套可从漏嘴上拆卸掉，在漏嘴的四周设有电加热装置进行加热、保温。

所述的导液套的材料为不锈钢，导液套的上部通过法兰结构与漏包底部连接，并用耐火泥密封、用螺钉夹紧，导液套的下部为一斜面，导液管从导液套的斜面上的导液孔伸出，导液套在安装前将导液孔的表面用涂料涮涂，防止金属液的侵蚀，所述漏嘴的四周设有电加热装置进行加热、保温。

所述的收集盘的可旋转轴通过变极双速电机驱动升降运动，所述的变极双速电机分别具有2个磁极对数和4个磁极对数，对应输出两种最高转速1440rpm和750rpm，极对数的改变和控制通过PLC、继电器、接触器构成的控制电路实现，每种极对输出时，外接变频器无级调速。

还包括加热气体吹扫装置：在所述的拉杆的侧面开进气孔，安装气接头，所述的气接头通过耐高温管与先导式电磁阀门相连，所述的先导式电磁阀门由控制系统控制其开、闭。

还包括收集盘位置控制装置和警报装置，设置了七个位置传感器，所述的位置传感器采用磁性接近开关或机械式限位开关，设置在收集盘的侧面，从上至下依次为：上限位开关、上接近开关、复位控制接近开关、喷射沉积初始工作位置开关、取锭坯位置接近开关、下接近开关和下限位开关；所述的上限位开关、上接近开关用于控制收集盘运动的上端机械极限位置，当收集盘机构向上运动到上限位开关或上接近开关的位置时，警报装置进行报警；所述的下接近开关、下限位开关用于控制收集盘运动的下端机械极限位置，当收集盘机构向下运动到下限位开关或下接近开关的位置时，警报装置进行报警；所述的喷射沉积初始工作位置开关处为每次喷射生产开始的收集盘工作沉积位置，用于定位，为了定位更精确，在喷射沉积初始工作位置开关的上方增设复位控制接近开关，复位运动时，收集盘首先向上运动，达到复位控制接近开关处时，改变电机转向向下运动，到达喷射沉积初始工作位置开关处时停止，复位完成。

采用上述装置实现锭坯连续喷射沉积的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）根据喷射沉积材料、锭坯直径的要求制订喷射沉积工艺参数，并根据这些参数对装置进行调整或在控制系统中进行设定；

（2）金属熔体在一个或多个熔炉中进行熔炼，并进行精炼处理，同时需要保温，以供喷射沉积使用，熔炼炉中的熔体通过熔体转移装置或系统向漏包移液，并在控制系统控制下保持漏包中的液位稳定在设定的高度；

（3）喷射沉积生产的初始工作状态为：收集盘复位至初始工作位置，双速电机工作于四磁极对状态，堵杆下落堵住漏包的出口，拉杆上的加热气体吹扫装置的阀门关闭，漏包液位到达设定高度，喷嘴雾化气阀关闭；

（4）生产开始时，顺次进行以下工作：收集盘旋转启动→喷嘴扫描启动→延时10秒→堵杆提升→喷嘴的雾化器阀打开→收集盘下降启动→沉积室抽气机打开，该步骤由PLC控制系统自动完成；

（5）当一个锭坯生产完成后，顺次进行一下工作：堵杆下落堵住出水口→延时0.5s后，打开加热气体吹扫装置的控制阀门，加热气体吹扫1-2秒后关闭阀门→喷嘴雾化器阀关闭→收集盘旋转停止→收集盘下降停止→将双速电机磁极对改为两对，变频器工作频率50HZ→收集盘下降打开，以最高速度运动→收集盘运动至取锭坯位置接近处停止→取出锭坯；

（6）锭坯取出后，将收集盘复位至初始工作位置，按步骤（4）进行下一个锭坯的生产。

所述的工艺参数包括：喷嘴偏心距、喷嘴扫描范围角度、喷嘴扫描频率、收集盘初始工作高度、收集盘下降速度、收集盘旋转速度、漏嘴孔径、漏包液位高度、溶液喷射温度、喷嘴雾化气压力、喷嘴出气口面积。

有益效果：

本发明的实现锭坯连续喷射沉积的装置采用空心堵杆，若采用实心封闭堵杆，当堵杆堵住时，将在导液管中形成负压，阻碍其中金属残液流出，因此设计堵杆为空心结构，当堵杆堵住时，避免在导液通道中形成负压，阻碍其中金属残液流出。

由于导液管和漏嘴的加热装置电阻丝加热能力难以达到铝合金的熔点温度，内部残留的铝液将会凝固将流道堵塞。设计了加热气体吹扫装置，通过高温高压气体将残留铝液吹扫干净。

喷射沉积生产时，收集盘工作于较低的转速下降运动（30mm/min），当锭坯生产完成后，需要快速下降至取工件位置，而且在下一个锭坯生产时，需要快速上升至初始工作位置，为了减小两个锭坯之间的时间间隔，两种运动需要工作在较高转速下。

如果使用单极对电机，采用变频器对其速度进行调节，在锭坯生产低速运动时，为避免电机在长时间低频工作而造成对电机散热的不利影响，通过增大减速机传动比使其工作在较高频率下，但该方式将降低最高输出转速，增加了复位时间间隔。

收集盘升降运动驱动电机为变极双速电机，分别具有2个磁极对数和4个磁极对数，对应输出两种最高转速1440rpm和750rpm。极对数的改变和控制通过PLC、继电器、接触器等构成的控制电路实现，每种极对输出时，外接变频器无级调速。沉积生产过程中处于下降运动状态，所采用的4级对低速输出；当处于复位工作状态时，采用2级对高速输出。

一个锭坯生产完成后需要取出，下个锭坯生产前需要将收集盘复位至于初始沉积位置，为了实现收集盘位置的自动控制，因此设置了七个位置传感器。

本发明不仅适用于斜喷式喷射沉积锭坯工艺，同样适用于直喷式，包含单喷嘴、多喷嘴，以及管坯喷射沉积工艺。

附图说明

图1：本发明的实现锭坯连续喷射沉积的装置的结构示意图。

图2：收集盘周围七个位置传感的示意图。

图中：1-雾化喷嘴，2-漏嘴，3-导液套，4-漏包，5-堵杆，6-拉杆，7-气缸，8-三位四通阀门，9-先导式电磁阀门；10-上限位开关，11-上接近开关，12-复位控制接近开关，13-喷射沉积初始工作位置，14-取锭坯位置接近开关，15-下接近开关，16-下限位开关，17-可旋转轴。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种实现锭坯连续喷射沉积的装置，连续喷射沉积装置包括位于沉积室中的收集盘，收集盘的顶部设置有用于储存液态金属的漏包4和连接在漏包4底部并与收集盘上表面相对的雾化喷嘴1；所述的收集盘为可旋转的沉积基底，所述漏包4的底部设置有圆锥形漏斗，漏斗的出口由可上、下移动的堵杆5打开或封闭，漏斗的出口通过导液管与漏嘴2连接，所述漏嘴2的端部为雾化喷嘴1；所述导液管外周设置有导液套3，所述的堵杆5下端部加工成球面，与圆锥形漏斗的圆锥面接合时将出口堵住，所述的堵杆5为空心结构。

所述的堵杆5的材料为陶瓷材料，所述的堵杆5的上端与拉杆6连接，所述的拉杆6的上端与气缸7的活塞杆相连，并且在拉杆6与气缸7活塞杆之间的连接处设置有缓冲弹簧，所述的气缸7通过控制阀（三位四通阀门8）由PLC控制系统控制。

所述的漏嘴2采用陶瓷材料制成，所述的漏嘴2与导液套3之间用耐火泥密封，并用压板压紧，所述的导液套3可从漏嘴2上拆卸掉，在漏嘴2的四周设有电加热装置进行加热、保温。

所述的导液套3的材料为不锈钢，导液套3的上部通过法兰结构与漏包4底部连接，并用耐火泥密封、用螺钉夹紧，导液套3的下部为一斜面，导液管从导液套3的斜面上的导液孔伸出，导液套3在安装前将导液孔的表面用涂料涮涂，防止金属液的侵蚀，所述漏嘴2的四周设有电加热装置进行加热、保温。

所述的收集盘的可旋转轴17通过变极双速电机驱动升降运动，所述的变极双速电机分别具有2个磁极对数和4个磁极对数，对应输出两种最高转速1440rpm和750rpm，极对数的改变和控制通过PLC、继电器、接触器构成的控制电路实现，每种极对输出时，外接变频器无级调速。

还包括加热气体吹扫装置：在所述的拉杆6的侧面开进气孔，安装气接头，所述的气接头通过耐高温管与先导式电磁阀门9相连，所述的先导式电磁阀门9由控制系统控制其开、闭。所采用的吹扫气体为氮气，并经过加热，加热温度高于150度，气体压力为0.8-1.0MPa，吹扫时间1-2s。当一定锭坯完成喷射沉积生产后，气缸7推动堵杆5下落，堵住出水口，堵杆5、导液套3及漏嘴2内的一部分金属液由于自重流出，一部分金属液将粘附在孔壁上，延时0.5s后，打开吹扫气体控制阀门，高温高压氮气将残留铝液吹扫干净。

还包括收集盘位置控制装置和警报装置，设置了七个位置传感器，所述的位置传感器采用磁性接近开关或机械式限位开关，设置在收集盘的侧面，从上至下依次为：上限位开关10、上接近开关11、复位控制接近开关12、喷射沉积初始工作位置13开关、取锭坯位置接近开关14、下接近开关15和下限位开关16；所述的上限位开关10、上接近开关11用于控制收集盘运动的上端机械极限位置，当收集盘机构向上运动到上限位开关10或上接近开关11的位置时，警报装置进行报警；所述的下接近开关15、下限位开关16用于控制收集盘运动的下端机械极限位置，当收集盘机构向下运动到下限位开关16或下接近开关15的位置时，警报装置进行报警；所述的喷射沉积初始工作位置13开关处为每次喷射生产开始的收集盘工作沉积位置，用于定位，为了定位更精确，在喷射沉积初始工作位置13开关的上方增设复位控制接近开关12，复位运动时，收集盘首先向上运动，达到复位控制接近开关12处时，改变电机转向向下运动，到达喷射沉积初始工作位置13开关处时停止，复位完成。

采用上述装置实现锭坯连续喷射沉积的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）根据喷射沉积材料、锭坯直径的要求制订喷射沉积工艺参数，并根据这些参数对装置进行调整或在控制系统中进行设定；

（2）金属熔体在一个或多个熔炉中进行熔炼，并进行精炼处理，同时需要保温，以供喷射沉积使用，熔炼炉中的熔体通过熔体转移装置或系统向漏包4移液，并在控制系统控制下保持漏包4中的液位稳定在设定的高度；

（3）喷射沉积生产的初始工作状态为：收集盘复位至初始工作位置，双速电机工作于四磁极对状态，堵杆5下落堵住漏包4的出口，拉杆6上的加热气体吹扫装置的阀门关闭，漏包4液位到达设定高度，喷嘴雾化气阀关闭；

（4）生产开始时，顺次进行以下工作：收集盘旋转启动（收集盘开始旋转）→喷嘴扫描启动（喷嘴扫描启动是由外部的电机和机械机构实现喷嘴的往复扫描运动）→延时10秒→堵杆5提升→喷嘴的雾化器阀打开→收集盘下降启动（收集盘开始下降）→沉积室抽气机打开，该步骤由PLC控制系统中自动完成；

（5）当一个锭坯生产完成后，顺次进行一下工作：堵杆5下落堵住出水口→延时0.5s后，打开加热气体吹扫装置的控制阀门，加热气体吹扫1-2秒后关闭阀门→喷嘴雾化器阀关闭→收集盘旋转停止→收集盘下降停止→将双速电机磁极对改为两对，变频器工作频率50HZ→收集盘下降打开（收集盘开始下降），以最高速度运动→收集盘运动至取锭坯位置接近处停止→取出锭坯；

（6）锭坯取出后，将收集盘复位至初始工作位置，按步骤（4）进行下一个锭坯的生产。

所述的工艺参数包括：喷嘴偏心距、喷嘴扫描范围角度、喷嘴扫描频率、收集盘初始工作高度、收集盘下降速度、收集盘旋转速度、漏嘴2孔径、漏包4液位高度、溶液喷射温度、喷嘴雾化气压力、喷嘴出气口面积。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种实现锭坯连续喷射沉积的装置，其特征在于：连续喷射沉积装置包括位于沉积室中的收集盘，收集盘的顶部设置有用于储存液态金属的漏包和连接在漏包底部并与收集盘上表面相对的雾化喷嘴；所述的收集盘为可旋转的沉积基底，所述漏包的底部设置有圆锥形漏斗，漏斗的出口由可上、下移动的堵杆打开或封闭，漏斗的出口通过导液管与漏嘴连接，所述漏嘴的端部为雾化喷嘴；所述导液管外周设置有导液套，所述的堵杆下端部加工成球面，与圆锥形漏斗的圆锥面接合时将出口堵住，所述的堵杆为空心结构。

2.如权利要求1所述的实现锭坯连续喷射沉积的装置，其特征在于：所述的堵杆的材料为陶瓷材料，所述的堵杆的上端与拉杆连接，所述的拉杆的上端与气缸的活塞杆相连，并且在拉杆与气缸活塞杆之间的连接处设置有缓冲弹簧，所述的气缸通过控制阀由PLC控制系统控制。

3.如权利要求1所述的实现锭坯连续喷射沉积的装置，其特征在于：所述的漏嘴采用陶瓷材料制成，所述的漏嘴与导液套之间用耐火泥密封，并用压板压紧，所述的导液套可从漏嘴上拆卸掉，在漏嘴的四周设有电加热装置进行加热、保温。

4.如权利要求1所述的实现锭坯连续喷射沉积的装置，其特征在于：所述的导液套的材料为不锈钢，导液套的上部通过法兰结构与漏包底部连接，并用耐火泥密封、用螺钉夹紧，导液套的下部为一斜面，导液管从导液套的斜面上的导液孔伸出，导液套在安装前将导液孔的表面用涂料涮涂，防止金属液的侵蚀，所述漏嘴的四周设有电加热装置进行加热、保温。

5.如权利要求1所述的实现锭坯连续喷射沉积的装置，其特征在于：所述的收集盘的可旋转轴通过变极双速电机驱动升降运动，所述的变极双速电机分别具有2个磁极对数和4个磁极对数，对应输出两种最高转速1440rpm和750rpm，极对数的改变和控制通过PLC控制系统、继电器、接触器构成的控制电路实现，每种极对输出时，外接变频器无级调速。

6.如权利要求1所述的实现锭坯连续喷射沉积的装置，其特征在于：还包括加热气体吹扫装置：在所述的拉杆的侧面开进气孔，安装气接头，所述的气接头通过耐高温管与先导式电磁阀门相连，所述的先导式电磁阀门由控制系统控制其开、闭。

7.如权利要求1所述的实现锭坯连续喷射沉积的装置，其特征在于：还包括收集盘位置控制装置和警报装置，设置了七个位置传感器，所述的位置传感器采用磁性接近开关或机械式限位开关，设置在收集盘的侧面，从上至下依次为：上限位开关、上接近开关、复位控制接近开关、喷射沉积初始工作位置开关、取锭坯位置接近开关、下接近开关和下限位开关；所述的上限位开关、上接近开关用于控制收集盘运动的上端机械极限位置，当收集盘机构向上运动到上限位开关或上接近开关的位置时，警报装置进行报警；所述的下接近开关、下限位开关用于控制收集盘运动的下端机械极限位置，当收集盘机构向下运动到下限位开关或下接近开关的位置时，警报装置进行报警；所述的喷射沉积初始工作位置开关处为每次喷射生产开始的收集盘工作沉积位置，用于定位，为了定位更精确，在喷射沉积初始工作位置开关的上方增设复位控制接近开关，复位运动时，收集盘首先向上运动，达到复位控制接近开关处时，改变电机转向向下运动，到达喷射沉积初始工作位置开关处时停止，复位完成。

8.采用权利要求1至7所述的装置实现锭坯连续喷射沉积的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）根据喷射沉积材料、锭坯直径的要求制订喷射沉积工艺参数，并根据这些参数对装置进行调整或在控制系统中进行设定；

（2）金属熔体在一个或多个熔炉中进行熔炼，并进行精炼处理，同时需要保温，以供喷射沉积使用，熔炼炉中的熔体通过熔体转移装置或系统向漏包移液，并在控制系统控制下保持漏包中的液位稳定在设定的高度；

（3）喷射沉积生产的初始工作状态为：收集盘复位至初始工作位置，双速电机工作于四磁极对状态，堵杆下落堵住漏包的出口，拉杆上的加热气体吹扫装置的阀门关闭，漏包液位到达设定高度，喷嘴雾化气阀关闭；

（4）生产开始时，顺次进行以下工作：收集盘旋转启动→喷嘴扫描启动→延时10秒→堵杆提升→喷嘴的雾化器阀打开→收集盘下降启动→沉积室的抽气机打开，该步骤由PLC控制系统自动完成；

（5）当一个锭坯生产完成后，顺次进行一下工作：堵杆下落堵住出水口→延时0.5s后，打开加热气体吹扫装置的控制阀门，加热气体吹扫1-2秒后关闭控制阀门→喷嘴雾化器阀关闭→收集盘旋转停止→收集盘下降停止→将双速电机磁极对改为两对，变频器工作频率50HZ→收集盘下降打开，以最高速度运动→收集盘运动至取锭坯位置接近处停止→取出锭坯；

（6）锭坯取出后，将收集盘复位至初始工作位置，按步骤（4）进行下一个锭坯的生产。

9.如权利要求8所述的实现锭坯连续喷射沉积的方法，其特征在于：所述的工艺参数包括：喷嘴偏心距、喷嘴扫描范围角度、喷嘴扫描频率、收集盘初始工作高度、收集盘下降速度、收集盘旋转速度、漏嘴孔径、漏包液位高度、溶体喷射温度、喷嘴雾化气压力、喷嘴出气口面积。