CN106270420A - 金属熔体均匀化处理的切割破散装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属熔体均匀化处理的切割破散装置与方法，属于冶金、铸造等金属材料热加工领域。该装置包括切割片、旋转轴、液面保护罩和电机；切割片安装在旋转轴上，旋转轴与电机连接，通过电机的正、反转交互变换使旋转轴实现上下往复移动，切割片和旋转轴置于金属熔体的保温容腔内，液面保护罩置于保温容腔内金属熔体液面的上方或下方，切割片为刀型，旋转前端锐利，侧面呈斜面、水平面或曲面。该装置还可包括移动轨或升降台。旋转轴带动切割片在保温容腔内高速旋转的同时还能沿轴向上下往复运动，在制造“可控紊流”的同时兼有“切割破散”效应，使铸造前金属熔体内的溶质高度弥散均匀化，进而获得均匀细小、优良致密的铸件凝固组织。

Description

金属熔体均匀化处理的切割破散装置与方法

技术领域

本发明涉及一种金属熔体均匀化处理的切割破散装置与方法，特别涉及一种用于金属熔体的高度分散、均匀化处理，或金属半固态浆料制备的特殊装置与方法，属于冶金、铸造等金属材料热加工领域。

背景技术

在冶金、铸造等金属材料热加工领域中，人们已经对金属熔体施加了各种“搅拌”处理(例如半固态金属浆料制备、电磁搅拌、机械搅拌等)，为的是熔体能在一定尺度上的温度和成分均匀化，从而增加凝固过程中的有效形核数量、削减结晶界面前沿的成分过冷现象、使晶体发达的迅速长大受到抑制，结晶成为细小的等轴晶组织。虽然目前关于金属搅拌凝固的机制有上述“结晶抑制”理论和其它如“枝晶折断”理论等多种解释，但多数人认为，通常的“搅拌”力度无法达到折断枝晶的程度，熔体内的微小固相、氧化皮等物质只能在搅拌时发生“折叠”或“熔断”。那么，能否发明一种易行的装置和方法，能有效促进合金各组份溶解或相的均质化，并共同借助“抑制”和“折断”两种基体结晶机制来高效、优质地进行铸造熔体的均匀化处理呢？这就是本发明的“切割破散”装置和方法所要解决的问题。

发明内容

为了发挥多种机制优势，实现简单高效、优质无害地均匀化处理金属熔体的要求，本发明研制了金属熔体及其复合材料的“切割破散”装置与方法。

本发明的金属熔体均匀化处理的切割破散装置包括以下三种方式：

一种金属熔体均匀化处理的切割破散装置，该装置包括切割片、旋转轴、液面保护罩和电机等；所述的切割片安装在旋转轴上，所述的旋转轴与电机连接，通过电机的正、反转交互变换，使旋转轴实现上下往复移动，所述的切割片和旋转轴置于金属熔体的保温容腔内，所述的液面保护罩置于保温容腔内金属熔体液面附近的上方或下方，所述的切割片似刀型，旋转前端锐利，侧面呈斜面、水平面或曲面。

一种金属熔体均匀化处理的切割破散装置，该装置包括切割片、旋转轴、液面保护罩、电机和移动轨等；所述的切割片安装在旋转轴上，所述的旋转轴与电机连接，所述的电机安装在可上、下移动的移动轨上，电机可进行单向(正向或反向)转动，或者进行正、反向转交互变换，所述的切割片和旋转轴置于金属熔体的保温容腔内，所述的液面保护罩置于保温容腔内金属熔体液面附近的上方或下方，所述的切割片似刀型，旋转前端锐利，侧面呈斜面、水平面或曲面。

一种金属熔体均匀化处理的切割破散装置，该装置包括切割片、旋转轴、液面保护罩、电机和升降台等；所述的切割片安装在旋转轴上，所述的旋转轴与电机连接，所述的切割片和旋转轴置于金属熔体的保温容腔内，金属熔体的保温容腔置于升降台上，电机可进行单向(正向或反向)转动，或者进行正、反向转交互变换，所述的液面保护罩置于保温容腔内金属熔体液面附近的上方或下方，所述的切割片似刀型，旋转前端锐利，侧面呈斜面、水平面或曲面。

在上述三种形式的切割破散装置中，还包括联轴器，所述的联轴器一端与旋转轴连接，另一端与电机连接，即旋转轴与电机之间通过联轴器相连接。

所述的液面保护罩上设置通孔，通孔可用于联通保护罩上部和下部熔体。

该装置还包括热电偶；所述的热电偶通过液面保护罩上的通孔或液面保护罩与容腔内壁的间隙置于金属熔体中。

所述的切割片可为2个以上，所述的切割片布置在一个或数个旋转面上。优选的，所述的切割片为3个，形状为刀型，旋转前端锋利，下侧面是水平面，上侧面是斜面，所述的切割片布置在3个旋转面上，沿旋转轴周向对称分布。切割片还可具有双向的尖锐旋转前端。

上述三种形式的装置，通过电机的正反转交互变换，或者电机沿移动轨上下移动，或者升降台的升降，实现了旋转轴相对于金属熔体保温容腔的上下往复移动，这样，电机就能在驱动旋转轴带动切割片在保温容腔内高速旋转的同时还带动它们沿轴向相对于保温容腔上下往复运动。在旋转轴位于金属熔体液面上方处，设置一个联轴器，以快速连接和分开电机部件，转移容腔内的熔体进行铸造。

该装置机构非常简单，装置的型号尺寸与熔体容腔的尺寸相匹配，无任何增加技术成本的复杂机械结构或是电磁搅拌线圈。

一种金属熔体均匀化处理的切割破散方法，用于在浇铸前均匀化处理金属熔体，包括如下步骤：

①先将金属熔体所需的添加剂预热；

②在处于保温容腔内即将浇铸的金属熔体中，按比例加入预热的添加剂后，进行切割破散的均匀化处理；或者按流量比例连续加入预热的添加剂，同时进行连续地切割破散的均匀化处理；

③进行切割破散时，旋转轴和切割片在保温容腔内高速旋转的同时还沿轴向相对于保温容腔进行上下往复运动，通过切割片的高速旋转和相对于保温容腔的上下移动，在熔体内形成无液面翻腾的可控多向紊流，同时还直接切割、破散(或分散)熔体内的微小固相、第二相、氧化物和夹杂物等，使铸造前金属熔体内的溶质高度弥散均匀化；

④在金属熔体温度降低达到浇铸温度时，停止切割破散的均匀化处理，将切割片和旋转轴升出液面后转移保温容腔，并浇铸已高度均质化的金属熔体(T_浇≥T_L)或半固态浆料(T_S＜T_浇＜T_L)，从而获得均匀细小、优良致密的铸件凝固组织。

步骤①中，所述的添加剂为细化剂、微合金或复合材料颗粒等元素或中间合金，预热温度为50℃～T_RL+50℃，T_RL为添加剂的液相线温度。

步骤②中，对于连续铸造，容腔内的金属熔体是连续流过，添加剂是按流量比例连续供给，切割破散的均匀化处理也是连续运行；对于间歇铸造(例如模铸)，容腔内是定量的金属熔体，添加剂是“实时的”定量加入。

步骤③中，进行切割破散时，旋转轴可进行单向旋转，或者可进行正、反向交互变换旋转，如上升时顺时针旋转，下降时逆时针旋转，或上升时逆时针旋转，下降时顺时针旋转。

通过电机的正、反转交互变换实现旋转轴的上下移动，或者电机沿移动轨上下移动带动旋转轴上下移动，或者通过升降台的升降带动保温容腔上下移动，来实现旋转轴和切割片沿轴向相对于保温容腔内熔体的上下往复运动。

在保温容腔内金属熔体液面附近的上方或下方安装液面保护罩，液面保护罩上有通孔，可联通保护罩上部和下部熔体。

步骤④中，浇铸温度T_浇：T_S＜T_浇＜T_L+50℃，T_S、T_L分别为金属固、液相线温度。电机和旋转轴之间可以采用联轴器连接，以实现电机与旋转轴的快速连接和分开；在此情况下则需分开联轴器，迅速转移保温容腔机构(包含脱离联轴器后留下的旋转轴和切割片等所有部件)进行浇铸。

对从熔炼保温炉内流出或定量舀出的、即将浇铸的金属熔体“实时”添加细化剂、微合金或复合材料颗粒等元素是本发明的主要创造之一。在金属连铸行业中，连续的“喂丝”就是一种实时的细化剂添加方法。但是，对于间歇式的“模铸”，细化剂等元素的添加一般是提前在熔炼保温炉内进行的，由于量大、铸造周期慢长，这就使得批次先后取出的金属熔体内的元素含量不均匀、偏析，甚至细化剂效果衰退。本发明理念是：首先在大熔炼保温炉内进行细化剂等元素的初步预混后，对定量取出且即将浇铸的熔体再次“实时的”进行余量的细化剂等元素添加，不但能充分保证批次的各元素组分含量均等，而且能最大程度地防止元素效力衰退。

对上述即将铸造的金属熔体进行实时的、促进各组分溶解扩散或分散的均匀化处理是本发明的主要创造之二。为了能更好地促进元素溶解和熔体成分以及所有相的分布均匀，充分发挥各元素的特殊作用，在金属凝固前继续进行实时的均匀化处理是一种创新的技术理念。

金属熔体均匀化处理采用“切割破散”的方法与装置是本发明的主要创造之三。发明所设计的切割片装置似刀型：其旋转前端尖锐，产生的高强剪切作用能直接切割、破散熔体内所有微小固相、第二相、氧化物、夹杂甚至分子有序排列；如果切割片前端是渐窄的设计，可以用于分散、混合金属基复合材料；切割片的侧面呈斜面、水平面或曲面，根据调整不同的斜度和曲度来调整“搅拌”效应：斜度和曲度越大，则“搅拌翻腾”作用越剧烈；如果斜度很小接近于水平面，则旋转周向的流动接近层流。在适当侧面斜度和曲度的几何设计下，“切割破散”装置和方法使得容腔内金属熔体经受的扰动是“范围和强度可控”的，局部有序层流但整体紊流，旋转轴可以带动切割片在保温容腔内高速旋转的同时还能沿轴向上下往复运动，就能将这种局部有序的可控流动施加到全部熔体中，无液面翻腾。因此，这种切割破散装置和方法是在制造“可控紊流”的同时兼有“切割破散”效应。相比较其它借助电磁力或机械力对金属熔体实施单纯的“搅拌”处理装置和方法，本发明简单高效，在金属熔体处理和铸造的原理上实现了重要创新。

本发明还具有以下优点：

1、结构简单，使用方便，处理效果好。

2、无液面翻腾，消除了诸如其它搅拌引起的卷渣、卷气污染。

3、可分别进行熔体浆料的批次或连续处理。

附图说明

图1为金属熔体的切割破散装置与使用方法示意图。

图2为容腔内切割片机构的俯视示意图。

图3为旋转轴双向旋转时切割片截面的A-A向示意图。

主要附图标记说明：

1 切割片 2 旋转轴

3 液面保护罩 4 联轴器

5 热电偶 6 电机

7 移动轨 8 保温容腔

9 通孔 10 金属液面

具体实施方式

本发明提供了一种金属熔体均匀化处理的切割破散装置与方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，是本发明装置的主要构造和使用方法示意图，该装置由切割片1、旋转轴2、液面保护罩3、联轴器4、热电偶5、电机6和移动轨7等几部分组成。切割片1布置安装在旋转轴2上，旋转轴2与电机6之间通过联轴器4相连接，即联轴器4一端与旋转轴2连接，另一端与电机6连接，电机6安装在可上、下移动的移动轨7上，并可沿移动轨7上下移动，切割片1和旋转轴2置于金属熔体的保温容腔8内，液面保护罩3置于保温容腔8内的金属液面10下方，液面保护罩3上设置通孔9，通孔9用于联通液面保护罩3上部和下部金属熔体，热电偶5通过通孔9或液面保护罩3与保温容腔8内壁的间隙置于金属熔体中，用于测量金属熔体的温度。

切割片1似刀型(见A-A向)：其旋转前端锐利(或渐窄)，侧面呈斜面、水平面或曲面。数个切割片1是在一个或数个旋转面上布置。

在需要旋转轴2进行正反向交互变换旋转的情况下，采用的切割片1具有双向的尖锐旋转前端如图2所示，其截面的A-A向示意图如图3所示。

电机6部件可以沿移动轨7上下移动，这样，电机6就能在驱动旋转轴2高速旋转的同时还带动它上下往复运动，进而旋转轴2可以带动切割片1在保温容腔8内高速旋转的同时还能沿轴向上下往复运动。在旋转轴2的金属液面10上方处，可以增加一个联轴器4，以快速连接和分开电机6部件，转移保温容腔8内的熔体进行铸造。

如图1所示的装置中，还可以直接通过电机6的正反转交互变换实现旋转轴2相对于保温容腔8的上下移动，或者采用一个升降台，将保温容腔8置于升降台上，通过升降台的升降实现保温容腔8相对于旋转轴2的上下往复移动，这样同样可以使电机6在驱动旋转轴2带动切割片1在保温容腔8内高速旋转的同时还带动它们沿轴向相对于保温容腔8上下往复运动。

上述装置可用于在浇铸前均匀化处理金属熔体，该金属熔体均匀化处理的切割破散方法，包括如下步骤：

①.先将金属熔体所需细化剂、微合金或复合材料颗粒等元素R(或其中间合金R)预热至50℃～T_RL+50℃(T_RL为R的液相线温度)。

②.对处于容腔内即将浇铸的金属熔体，实时按比例加入预热的R后，立即进行“切割破散”的均匀化处理。

③.电机6沿移动轨7上下移动带动旋转轴2上下移动，或通过电机6的正、反转实现旋转轴2的上下移动，或通过升降台的升降带动保温容腔8上下移动，这样旋转轴2和切割片1在保温容腔8内高速旋转的同时它们还沿轴向相对于保温容腔进行上下往复运动；保温容腔8内金属熔体液面附近的下方(或上方)装有液面保护罩3，液面保护罩3上有通孔，可联通保护罩上部和下部熔体；通过尖锐切割片1的高速旋转和上下移动，不但在整体熔体内制造无液面翻腾的可控多向紊流，还直接切割、破散(或分散)熔体内所有微小固相、第二相、氧化物、夹杂甚至分子有序排列，使铸造前金属熔体内的溶质高度弥散均匀化。

④.对于连续铸造，容腔内的金属熔体是连续流过，R的添加是按流量比例连续供给，切割破散的均匀化处理也是连续运行；对于间歇铸造(例如模铸)，容腔内是定量的金属熔体，R是“实时的”定量加入，切割破散处理直至金属温度降低达到浇铸温度T_浇：T_S＜T_浇＜T_L+50℃时(T_S、T_L分别为金属固、液相线温度)，停止切割，分开联轴器(或将切割片机构升出液面)，迅速转移保温容腔并浇铸已高度均质化的金属熔体(T_浇≥T_L)或半固态浆料(T_S＜T_浇＜T_L)。从而获得均匀细小、优良致密的铸件凝固组织。

在一些情况下，采用尖锐旋转前端为双向的切割片1如图2所示，其截面的A-A向示意图如图3所示，旋转轴2进行正反向交互变换旋转，例如上升时顺时针旋转，下降时逆时针旋转，或上升时逆时针旋转，下降时顺时针旋转。

下面是采用金属熔体的切割破散装置与方法对AZ91镁合金进行实时均匀化处理并流变压铸汽车连杆的应用实例。

切割片装置采用3个切割片1(形状如图2所示，切割片似刀型(见A-A向)，旋转前端锋利，下侧面是水平面，上侧面是斜面)、3个旋转面、周向对称的结构布置。使用时：①.先将AZ91镁合金所需的细化剂元素C(1wt.％的Mg-Al-C中间合金)在保护气氛下预热至660℃(645℃为Mg-Al-C中间合金的液相线温度)。②.在SF₆保护气氛下，用保温容器舀取定量的金属熔体950g，实时加入30g预热的C后，立即使用上述装置进行“切割破散”的均匀化处理。③.通过尖锐切割片1的高速旋转和匀速上下移动，不但在整体熔体内制造无液面翻腾的可控多向紊流，还直接切割、破散熔体内所有微小固相、第二相、氧化物、夹杂甚至分子有序排列，使铸造前金属熔体内的溶质高度弥散均匀化。④.切割破散处理直至合金温度降低达到浇铸温度605℃时(595℃为AZ91镁合金的液相线温度)，停止切割，分开联轴器4，迅速转移保温容腔8将已高度均质化的镁合金熔体浇入压射腔中，快速压铸获得均匀细小、优良致密的铸件凝固组织。

本发明在金属熔体的高度分散、均匀化处理中，旋转轴可以带动切割片在保温容腔内高速旋转的同时还能沿轴向上下往复运动。这种几何设计和工作方式，使得容腔内金属熔体经受的扰动是“范围和强度可控”的，且呈离心径向、旋转周向、上下轴向的多向紊流。这种可控紊流更配有液面保护罩，就能在整体均匀化处理金属熔体的同时，避免诸如其它发明是“搅拌翻腾”所引起的卷气卷渣弊端。进一步地，锐利切割片的高强剪切作用还直接切割、破散熔体内所有微小固相、第二相、氧化物、夹杂甚至分子有序排列，使铸造前金属熔体内的溶质高度弥散均匀化，在快速凝固后获得均匀细小、优良致密的铸件组织。因此，这种切割破散方法是在制造“可控紊流”的同时兼有“切割破散”效应。相比较其它借助电磁力或机械力对金属熔体实施单纯的“搅拌”处理方法，本发明简单高效，还引入独特的细化剂预热且在浇铸前实时添加的方法。这些都在金属熔体处理和铸造的原理上实现了重要创新。

Claims (10)

1.一种金属熔体均匀化处理的切割破散装置，其特征在于：该装置包括切割片、旋转轴、液面保护罩和电机；所述的切割片安装在旋转轴上，所述的旋转轴与电机连接，所述的切割片和旋转轴置于金属熔体的保温容腔内，所述的液面保护罩置于保温容腔内金属熔体液面的上方或下方，所述的切割片为刀型，旋转前端锐利，侧面呈斜面、水平面或曲面。

2.根据权利要求1所述的金属熔体均匀化处理的切割破散装置，其特征在于：该装置还包括移动轨，所述的电机安装在可上、下移动的移动轨上。

3.根据权利要求1所述的金属熔体均匀化处理的切割破散装置，其特征在于：该装置还包括升降台，金属熔体的保温容腔置于升降台上。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的金属熔体均匀化处理的切割破散装置，其特征在于：该装置还包括联轴器，所述的联轴器一端与旋转轴连接，另一端与电机连接。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的金属熔体均匀化处理的切割破散装置，其特征在于：该装置还包括热电偶；所述的液面保护罩上设置通孔；所述的切割片为2个以上，所述的切割片布置在一个或数个旋转面上。

6.一种金属熔体均匀化处理的切割破散方法，包括如下步骤：

①先将金属熔体所需的添加剂预热；

②在处于保温容腔内即将浇铸的金属熔体中，按比例加入预热的添加剂后，进行切割破散的均匀化处理；或者按流量比例连续加入预热的添加剂，同时进行连续地切割破散的均匀化处理；

③进行切割破散时，旋转轴和切割片在保温容腔内高速旋转的同时还沿轴向相对于保温容腔进行上下往复运动，通过切割片的高速旋转和相对于保温容腔的上下移动，在熔体内形成无液面翻腾的可控多向紊流，同时还直接切割、破散熔体内的微小固相、第二相、氧化物和夹杂物，使铸造前金属熔体内的溶质弥散均匀化；

④在金属熔体温度降低达到浇铸温度时，停止切割破散的均匀化处理，将切割片和旋转轴机构升出液面，转移保温容腔并浇铸已均质化的金属熔体或半固态浆料，从而获得均匀细小、优良致密的铸件凝固组织。

7.根据权利要求6所述的金属熔体均匀化处理的切割破散方法，其特征在于：所述的添加剂为细化剂、微合金或复合材料颗粒。

8.根据权利要求6所述的金属熔体均匀化处理的切割破散方法，其特征在于：所述的添加剂预热温度为50℃～T_RL+50℃，T_RL为添加剂的液相线温度。

9.根据权利要求6所述的金属熔体均匀化处理的切割破散方法，其特征在于：进行切割破散时，旋转轴进行单向旋转，或者进行正、反向交互变换旋转。

10.根据权利要求6所述的金属熔体均匀化处理的切割破散方法，其特征在于：所述的浇铸温度T_S＜T_浇＜T_L+50℃，T_S、T_L分别为金属的固、液相线温度。