CN107073564A - 用于高剪切液体金属处理的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高剪切液体金属处理装置(1)。装置(1)包括筒(2)、转子轴(5)、多个转子风扇(6、7、8)和多个定子板(9、10、11)。筒(2)具有在上端和下端之间延伸的纵向轴线，并且在所述筒的上端和下端处具有开口(4、3)。转子轴(5)居中穿过并且平行于筒(2)的纵向轴线安装。多个转子风扇(6、7、8)沿轴(5)的轴向长度安装并且安装在筒(2)内，每个转子风扇(6、7、8)形成为使得其外端在筒(2)的内壁的最小距离内。多个定子板(9、10、11)形成在筒(2)的内表面上，定子板(9、10、11)位于相邻的转子风扇(6、7、8)之间，每个定子板从内表面基本上延伸到转子轴(5)，每个定子板具有贯穿其形成的至少一个通道(17)，以允许流体经过该板；并且每个定子板的上表面和下表面形成为在相邻的转子风扇(6、7、8)的最小距离内。最小距离在10μm和10mm之间。本发明还提供使用该装置(1)的高剪切液体金属处理方法。本发明允许在加工过程中改进液体金属和半液体金属的处理。

Description

用于高剪切液体金属处理的装置和方法

技术领域

本发明总体涉及用于在完成金属材料的固化加工之前的半固体和液体金属处理的方法和系统，更具体地，本发明涉及用于剪切半固体和液体金属的装置。

背景技术

众所周知，液体金属包含变化量的非金属成分，即气体和非金属夹杂物，而且它们的存在可造成最终产物中的缺陷。已提出许多程序用于移脱气体和夹杂物。

在固化加工之前的液体金属处理对于各种铸造工艺是必需的，该铸造工艺包括但不限于砂模铸造、永久模铸造、高压压铸、直接冷铸、双辊铸造等，用于晶粒细化、熔体清洁、均匀微结构和化学组成的均匀性，分散和分布内源颗粒和外源颗粒两者。

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引发的液体流。

通过叶轮机械搅拌是处理液体金属的非常简单的方式。其仅提供叶轮周围的适度熔体剪切，但导致液体金属中的严重漩涡和液体表面附近的严重湍流，引起气体和其他污染物从熔体表面的剧烈截留。存在解决此类问题的数个方法。

授予Kraemer等人的美国专利No.3,785,632公开了用于加速冶金反应的工艺和设备。该工艺包括使用双泵叶轮在熔池和反应物之间边界的机械搅拌。离心力分量在设备开始搅拌时被创建并引起朝向长柄勺边缘的不同弯曲，这使得在熔融金属材料和反应物之间的化学反应加速。

授予McRae等人的美国专利No.4,743,428公开了机械搅拌液体金属用于生产合金的方法。工艺包括主要加速合金元素溶解并减缓浮渣形成的搅动装置。

授予Flemings等人的美国专利No.3,902,544公开了通过机械搅拌处理液体金属以获得具有非树状初级固体的半固体金属材料的连续工艺。在该工艺中，三个螺旋钻被引入并且位于三个分离的搅动区域中。螺旋钻相比双叶片叶轮更有效。在搅动区的内表面和螺旋钻的外表面之间的距离保持足够小，使得高剪切力可施加到搅动区中的材料。

授予Shingu等人的美国专利No.4,373,950将通过叶轮机械搅拌引入到直接冷铸工艺中以净化铝。通过使用机械搅拌设备破坏在液体和固体之间分界面的树枝晶并将从树枝晶释放的杂质分散到整个液体中，铝熔体被净化。

授予Duenkelmann的美国专利No.4,931,060公开了旋转装置，其包括空心轴和附接到该轴用于将气体分散在熔融金属中的空心转子。该装置将惰性气体从轴顶部引入，并且输送巨大体积的惰性气体到熔体中用于对液体金属脱气。

上述发明均涉及机械搅拌。它们既不提供熔体调节所需的高剪切速率，也不避免气体和其他污染物从熔体表面截留的问题。

美国专利No.4,960,163将机械搅拌器引入直接冷铸中用于实现细粒结构和分隔以将DC铸造机中的空间分成供应储存器和固化储存器，用于避免接近供应储存器中液体表面的湍流，而不弱化在固化储存器中的搅拌。通过该发明实现一定程度的晶粒细化，但结果不逐批一致。

授予Ernst的美国专利No.6,618,426公开了电磁搅拌以处理液体金属的工艺。该工艺使用具有不同方向的多个线圈以减小接近液体表面的湍流。然而，电磁搅拌的剪切速率为低并且设备成本为高。

WO 2010/032550(日本轻金属有限公司(Nippon Light Metal Co.Ltd))公开了用于浇铸室的金属熔体精炼器。其实质上为用于将液体金属脱气和除渣的多叶片搅拌器。然而，其具有非常小的分散和分布功率，并且整个组件不适用于在现有铸造工艺中的直接结合。

存在用于通过使用电磁场在熔炉的容器中搅拌熔融金属的已知方法和设备。正在运行的磁场的感应器沿熔炉的垂直壁安置。熔炉包含用于熔融金属的通道。熔融金属从通道至容器中的进入流主要沿容器壁被引导。然而，设备及其系统不能实现目的，因为在容器中部中的喷射混合的强度低于沿壁自身。因此，对于容器中部中固体金属的熔融，需要另外的机械接触搅拌。而且，搅拌的另一方式借助于在然后以循环方式移动的熔融金属内放置磁珠由此搅拌液体。限制所述方法和设备的使用的另一缺点是用于感应器拆卸和更换板以从通道移除炉渣的熔炉长期停工的必要性。

在另一种现有技术中，已知具有沿熔炉端部的固定囊袋的熔炉，感应器放置在该固定囊袋下面。囊袋底部与熔炉底部齐平定位。金属沿囊袋泵送并通过容器壁中的窗口进入容器中。在容器中部中的搅拌强度低于在容器侧面上。

关于另一种现有技术，其目标为提供用于搅拌的设备，该设备不需要熔炉的任何实质性重构，并且必须保证熔炉容器中熔融金属的有效喷射混合。在间歇体制下实现搅拌。未达到设定目标，因为可以以射流的形式丢弃到熔炉容器中的熔融金属的质量不能超过设备管道的容量。所述设备的缺点是从管道移除炉渣的艰巨，以及机械驱动泵的管道行进的复杂性。

根据又一种现有技术，提供用于处理熔融金属的旋转装置，其中腔室、具有比顶部和基部中的入口和切口更大的横截面的出口的组合引起熔融金属的改进的脱气和改进的混合两者，使得可减小转速同时维持相同的脱气/混合效率，由此延长轴和转子寿命，或可在相同转子转速更有效地实现脱气/混合时间，提供减小处理时间的机会。然而，根据熔融金属的粘性与腔室、出口和入口的尺寸，转速的受控调节是困难的任务。在液体金属中形成的漩涡和接近液体表面的严重湍流导致气体和其他污染物的剧烈截留。

根据又一种现有技术，提供振动流体搅拌设备，其包括用于容纳流体的储箱；包含振动器的振动生成部分；布置在储箱和振动生成部分之间的振动吸收部分；可操作地连接到振动生成部分并在储箱中延伸的振动杆；以及附接到振动杆的振动翼片，其中振动吸收构件包括橡胶板或橡胶板和金属板的层合体。系统性能取决于振动吸收构件，并且因为振动频率的受控调节非常困难，所以系统还具有将液体散布到储箱外的缺陷。

用于处理液体金属的当前的机械或电磁搅拌导致接近液体表面的湍流，其对大多数铸造工艺是有害的。因此，搅拌速度必须受限以便实现相对稳定的液体表面，并因此液体金属处理的效用和效率被折衷。

出于将在阅读和理解本说明书时对本领域技术人员显而易见的上述原因，在本领域中需要用于在固化加工之前的液体金属处理的系统和方法，其是可缩放的并且对于新技术平台是独立的/兼容的，使用容易且成本有效地维持的最少资源，并且是便携的，并且可在非常短的时间内部署在任何地方。

因此，提供可以容易地应用于现有铸造工艺并可提供强熔体剪切同时避免来自熔体表面的气体和其他污染物的截留，以及通过将下游加工所需的液体或半固体浆/原料加压来向下游供应此剪切熔体的方法和设备将是有利的。

发明内容

本发明提供一种高剪切液体金属处理装置，包括：

筒，其具有在第一端和第二端之间延伸的纵向轴线，并且在筒的第一端和第二端处具有开口；

转子轴，其居中穿过并且平行于筒的纵向轴线安装；

多个转子风扇，其沿轴的轴向长度安装并且安装在筒内，每个转子风扇形成为使得其外端在筒的内壁的最小距离内；以及

多个定子板，其形成在筒的内表面上，该定子板位于相邻的转子风扇之间，每个定子板从内表面基本上延伸到转子轴，每个定子板具有贯穿其形成的至少一个通道，以允许流体经过该板；以及每个定子板的上表面和下表面形成为在相邻的转子风扇的最小距离内；

其中，该最小距离在10μm与10mm之间。

本发明还提供一种使用本发明的装置处理液体金属的方法，其中液体金属通过筒从第一端传递到第二端，同时转子风扇以1rpm和50,000rpm之间的速度旋转。

即，本发明是一种用于提供经处理/调节的液体金属作为用于金属材料特别是增强型金属基复合材料(MMC)和不混溶合金的进一步固化处理的原料的装置和方法。

本发明的装置和方法可使化学成分均匀，在液体金属或金属基复合材料(MMC)中分散和分布气相、液相和固相。进一步地，该装置和方法可在各种铸造工艺结构中实施。本发明的方法可实施为独立或嵌入的系统。

本发明可用于在金属材料固化加工之前的液体金属处理。特别地，由于可应用高剪切，所以液体金属可通过本装置进行处理。这提供了控制夹杂物和气态元素、使熔体组成和温度均匀化、增强涉及液相的任何化学反应或相变的动力学、混合含有非均相的材料、精细铸造微结构以消除/减少铸造缺陷以及分散各种试剂的手段。因此，本发明适用于各种铸造技术，诸如但不限于高压压铸、低压压铸、重力压铸、砂型铸造、熔模铸造、直接冷铸、双辊铸造和需要液体金属作为原料的任何其他铸造工艺。

本发明的主要目的是提供设备和方法，其用于提供处理/调节的液体金属或半固体浆料作为用于金属材料、颗粒增强金属基复合材料(MMC)和不混溶合金的进一步固化加工的原料。本发明的另一目的是提供设备和方法，其可使化学组成均匀化，在将与金属反应以形成金属基复合材料(MMC)的液体金属或颗粒或气体中分散和分布气相、液相和固相。本发明的设备和方法可用于增强涉及至少一个液相的化学反应和相变的动力学条件。

本发明有利于处理金属材料的半固体浆料。特别地，剪切对半固体浆料的影响是破坏任何形成的树枝晶，并且从而确保微结构为等轴的/保持等轴。这可为特别重要的，因为金属材料的屈服应力与晶粒尺寸成反比，屈服应力继而与剪切速率成反比。进一步地，如果金属在此类环境中(甚至部分地)固化，如果半固体浆料经受足够的剪切足够的时间，那么所得的晶粒结构趋于为等轴的。

本发明有利于处理全液体金属材料。特别地，本发明可将颗粒均匀地分布在液体材料内，从而提供成核位点的均匀分布，这可在所得固体材料中导致细小和均匀的微结构。

本发明可用于生产高品质金属材料以及金属基复合材料(MMC)和具有精细微结构和减少铸造缺陷的金属泡沫。

本发明可用于在高剪切速率下的分散混合，和在液体金属的整个体积中具有宏观流动而没有在液体表面附近引起严重的湍流的分布混合。

本发明的装置可用作在线合金化炉。另选地，装置可在铸造环境中用作用于液体金属的泵，同时提供剪切的精细材料。另选地，装置可用作回收金属的潜在研磨机。作为另外的替代方案，根据本发明的装置可通过附接简单成型模具来生产挤出件而用作挤出工艺中的压力提供者，所述挤出件也可以用于形成金属片的半固态形式供给到一组辊中。

转子轴和转子风扇的旋转可以以对本领域技术人员显而易见的任何方式来实现。在本发明的一些实施方案中，轴和风扇的旋转可以通过在压力下将流体供应到装置来实现，使得当流体被迫通过装置时，其用于使风扇和轴旋转。为了实现这一点，将需要以合适的方式形成风扇，本领域技术人员将容易地理解其中可形成风扇以实现该结果的各种方式。

另选地或另外地，本发明的装置还可包括连接到转子轴的马达以使转子风扇旋转。马达可直接或间接地连接到转子轴。马达可设置在平台上并连接到转子轴以驱动转子风扇。

通常，本发明的装置将在正统的取向中应用，由此当装置在使用中时，筒的第一端是最上面的。然而，装置也可在替代取向中使用。例如，装置可在基本上反向取向中使用，其中筒的第一端最低并且液体金属向上泵送通过筒。如果装置用于脱气和/或用于生产MMRC，那么这可为优选的。如果在反向取向中使用，那么气体可通过穿过装置的液体金属鼓泡，从而通过气体与液体金属的反应形成氧化物、碳化物或其他夹杂物。

根据本发明的装置可包括在筒的第一端处形成的储存器。在储存器之后将是定子板和包封在筒内的转子风扇的交替布置。储存器阶段可包括内部挡板，以防止容纳在其中的液体金属旋动。定子板可形成储存器的下部，并且可形成挡板以防止由定子板正下方的转子风扇引起的上游旋动。

定子板可以本领域技术人员显而易见的任何形式形成。可优选的是，每个定子板由圆形板的两个半部组成，所述两个半部通过筒装配并保持在一起，其中在中心形成转子轴可贯穿的孔。

定子板通常形成为使得它们用于将旋动流体(液体金属)中的动能转换成流体中的压力，因为流体被迫通过穿过板形成的至少一个通道。

每个定子板具有贯穿其形成的至少一个通道。可优选的是，每个定子板具有贯穿其形成(例如钻孔)的多个孔，以允许液体金属从其中通过。孔的直径可为任何合适的尺寸，并且优选地可在0.5mm和10mm之间。定子板中的孔的直径可沿筒的纵向长度一致，或者可以任何适当的方式变化。然而，可优选的是，孔的直径沿筒的纵向长度减小。即，定子板中的孔的直径将由定子板沿筒的纵向轴线的位置来确定，其中靠近筒的第一端的板具有比靠近筒的下端的板相对更大的孔。

应当理解，本发明的装置应当由在其中预期使用装置的温度下不过度熔融或劣化的材料形成。因此，优选的是，装置由熔点不低于200℃，甚至更优选地不低于600℃，并且最优选地不低于1000℃的一种或多种材料形成。由具有此类高熔点的材料形成的装置使其适用于液体金属加工的高温环境中。

本发明的每个转子风扇优选地包括至少一个叶片。每个叶片可形成为使得当旋转时，其将能量添加到液体金属并且用于将其向下推动通过相邻的定子板。

由本发明的装置产生的高剪切是每个转子风扇和相邻的定子板之间的最小距离的结果。特别地，位于10μm和10mm之间的最小距离内的转子风扇确保了当转子风扇旋转时，装置内的液体金属经受高剪切。

优选地，本发明的装置另外包括保护壳体，其中定子板、筒和转子风扇都容纳在壳体内。

优选地，本发明的装置包括衬套。衬套被固定在所述壳体上或所述转子轴上。

本发明的转子轴可为带螺纹的，使得转子风扇可容易地安装在其上并使用螺母保持在适当的位置。

本发明的方法可使用本发明的装置分批地或连续地强烈地剪切液体金属。这可以作为处理液体金属的方法的一部分，该方法还包括但不限于液体金属的脱气、制备半固体浆料、制备金属基复合材料、制备金属泡沫、混合不混溶金属液体、回收、合金化、泵送液体金属、提供用于进一步固化的调节的液体金属，或在现有铸造工艺中的液体金属加工。

在操作期间，可操作马达以驱动转子轴，并且从而使转子风扇在定子板之间旋转。如果适当地形成风扇，那么这将导致装置内的液体上向下作用的负压和液体的旋动。当液体跨越定子板旋动时，液体金属由于转子风扇和定子板之间的小间隙而被剪切。转子风扇可以高速旋转，并且这将导致液体金属的剪切，因为风扇切过液体金属，且液体被迫跨越风扇。

风扇的旋转也将推动液体金属通过形成在每个定子板中的至少一个通道，并且这将进一步剪切液体金属。当液体金属穿过定子板时，液体金属中的流动的任何旋动元件都减少，这导致跨越定子板的压力上的增加。

在本发明的一些实施方案中，筒的直径可从其第一端到其第二端减小。在这些实施方案中，一旦液体金属已经穿过形成在定子板中的至少一个通道，如上所述，液体金属就将被迫进入形成在其已经穿过的定子板和随后的定子板之间的较小体积中。这是由于筒的直径减小造成的。这在现阶段增加了液体金属的压力。在穿过定子板之后，液体金属遇到另一个转子风扇，并且重复上述工艺，直到液体金属从筒体的下端流出。

根据本发明的装置将包括足够的转子风扇和定子板，使得穿过装置的液体金属将遭受足够强烈的剪切并且经受足够的压力以便发生液体金属的期望处理。必要的剪切和压力将由装置的实施方案的具体预期用途来确定。

每个转子风扇可包括一个或多个风扇叶片。每个叶片可与筒的纵向轴线平行或成一定角度，或者它们可为弯曲的，使得它们相对于筒的纵向轴线的取向沿其长度变化。每个叶片的形状可为圆柱体、方柱、棱镜和任何其他规则或不规则的几何体，只要它们可以实际制造和组装。单个叶片的形状可彼此不同，并且一个叶片的表面可为平坦的或弯曲的或由不同的几何表面组合。单个转子风扇可包括不同形状的叶片。转子风扇的叶片围绕转子轴的分布不必是对称的，尽管其可为优选的。为了结构稳定性的目的，特别是在考虑较大的陶瓷变体时，转子风扇可包括用于接合转子风扇的所有叶片的外部尖端/边缘的外周环，从而保持风扇的结构完整性，并且因此可以减少在由离心力使用装置期间在叶片上的拉伸应力。

根据本发明的装置的一个或多个转子风扇的叶片可为中空的并且形成为使得空气或另一种材料可以通过风扇进入液体金属到。以这种方式形成转子风扇将允许将空气或MMRC颗粒(或任何其他合适的材料)引入到液体金属中以增强液体金属的加工。

通过每个定子板形成的孔的形状可为圆孔、方孔、狭槽等，只要装置内的液体金属被有效和实际地剪切。通常优选的是具有适合尺寸的圆孔。定子板的功能是提供剪切以及通过将其转换成压力能量来减少液体流动中的动能，从而帮助压力积聚和装置的输送能力。

本发明的定子板可由定子叶片而不是实心板组成，以提供剪切并且减小流动的动能，从而将动能转化为压力能量。也就是说，作为将定子板形成为具有贯穿其形成的一个或多个孔的实心板的替代方案，一个或多个定子板可以由从筒的内壁伸出/附接到/插入到筒的内壁中的叶片环组成。这些叶片可成形为实现与动能转化为压力能量相同的功能，以提供高剪切。对于本领域技术人员显而易见的是，叶片的形状可以是圆柱体、正方形柱体、棱柱和任何其他规则或不规则的几何体，只要它们可以实际制造和组装。单个叶片的形状可彼此不同，并且一个叶片的表面可以是平坦的或弯曲的或由不同的几何表面组合。不同的叶片可用于同一定子板。叶片围绕定子板的分布无需对称。定子叶片可弯曲并且/或者在其中具有孔。在操作期间，马达经由转子轴向转子传递动力，并驱动转子在定子之间旋转。

如果一个或多个定子板由叶片形成，则在使用时，液体金属将经过定子板和叶片之间。在使用时，由于转子风扇和定子板之间的间隙小，所以其间的液体金属经受高剪切。由于旋转的转子风扇产生的离心力，所以也产生向外流动的分量。受这种情况影响的液体金属将在转子风扇的外边缘和内筒壁之间在两者的窄间隙内剪切。

在使用时，本发明的装置的转子轴和转子风扇可以以任何适当的速度操作。通常，优选的是，转子轴将以1rpm和50,000rpm之间的速度旋转。可以设想，本领域的技术人员将能够容易地确定优选的旋转速度。

根据本发明的装置的一个或多个转子风扇可包括围绕形成每个转子风扇的任何叶片的顶端形成的外周环。如果转子风扇由陶瓷基材料形成，则该构造是有益的，因为它允许更简单的构造。它也特别适用于旨在用于加工更多腐蚀性液体金属诸如铝和高熔点合金的装置。外周环的存在可导致更均匀地沿转子风扇传递径向应力。

在本发明的方法的一些实施例中，在使用期间，根据本发明的装置可以完全浸入正在加工的材料的桶中。

在本发明的装置的一些实施例中，转子轴可以在装置(以及任何储存器(如果存在))的第一端的上方延伸，并且由此可由中空管支撑以防止其在使用期间翘曲。

本发明的装置的筒的内壁围绕其纵向轴线基本上是圆柱形对称的。这允许转子风扇的外端维持在内壁的最小距离内。本发明的筒的内壁可包括周向狭槽，以允许定子板容易地安装并保持在其中。

根据本发明的装置可沿其纵向轴线具有任何合适的横截面轮廓。可优选的是，筒在其第一端处最宽并且朝向其下端逐渐变窄。这可以是优选的，因为其在液体金属经过筒时有助于液体金属压力的增加。另选地，筒可沿其纵向轴线具有基本上恒定的直径。

作为另外的替代方案，筒可以成形为类似文丘里计，并且具有宽-窄-宽的横截面。作为另外的替代方案，筒可以以相反的方式成形为具有窄-宽-窄的横截面。这两个横截面均可使经过该装置的液体压缩并膨胀，从而提供压力的循环变化，压力的循环变化可用来增加剪切/混合/加工时间。

在本发明的装置的一些实施例中，转子风扇和/或定子板将被形成为当转子风扇旋转时汲取液体使其通过该装置。在这些实施例中，装置可以在位于第一端处的开口浸入液体金属中的情况下进行操作，使得液体金属通过开口被自动地汲取到装置中。

在本发明的一些实施例中，一个或多个转子风扇可以由彼此纵向间隔开的两组叶片形成。类似地，一个或多个定子板可以由两个纵向间隔开的平板形成。以这种方式形成的转子风扇和定子板可以提供更强烈的压力积聚，并且然后提供流动扩散。

在本发明的一些实施例中，转子风扇可以以螺旋形配置围绕并沿转子轴布置，并且定子板可以以协作的螺旋形配置围绕筒的内壁布置。如将容易理解的那样，为实现这一点，每个定子板和每个转子风扇可不是完全圆形的，而是仅必须围绕转子轴延伸一部分。然而，在沿筒的纵向轴线的方向上，转子风扇和定子板保持交替定位。

本发明的桶可以以对本领域技术人员显而易见的任何方式构造。例如，该筒可构造成两个分开的半部，它们随后接合在一起以组装所述筒。这可以使用保持环来实现：在筒的第一端处或附近围绕筒形成的第一保持环，以及在筒的第二端处或附近围绕筒形成的第二保持环。另选地，两个半部可简单地紧密地螺栓连接在一起，并且可使用螺栓连接的简单的凸缘来实现两个半部之间的密封。

此外，如上所述，筒可容纳在壳体内，使得在筒部件的任何破损的情况下，液体金属仍保持容纳在壳体中。

在本发明的一些实施例中，装置可进一步包括一个或多个加热器，该一个或多个加热器位于筒的外部或与筒成一体，以便控制筒内材料的温度(例如，确保筒内材料的正确温度梯度)。加热器可以以对本领域技术人员显而易见的任何方式形成。

制成根据本发明的装置的材料将必须满足对本领域技术人员将立即显而易见的材料要求。这些要求包括但不限于：

它们在使用该装置的温度下应具有高强度和高耐久性；

它们必须具有耐腐蚀性，以承受使用它们的液体金属的腐蚀性质；

它们必须易于使用可用的制造技术制造；以及

它们必须具有合适的成本。

陶瓷、石墨、钢、高温合金和任何其他材料可用于制造高剪切装置，只要它们在期望温度下具有足够的强度和化学稳定性，期望温度由使用该装置的液体金属限定。例如，无镍高温钢是用于构造处理/调节液体镁合金的所述高剪切装置的优选材料。石墨、涂覆有M0S12的钼和陶瓷是用于构造处理/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。应当注意，在本发明的所有实施例中，石墨是用于衬套的合适材料中的一种。

本发明的装置具有许多应用。作为用于将调节过的液体金属供应到各种铸造工艺诸如轧制、挤出、拉伸等的高剪切泵，该装置特别有用。

本发明的装置还可整合到熔炉或保温炉中，以将调节过的液体金属供应到用于高品质铸锭的生产的连续铸锭铸造机。所述铸锭可包含良好分散的氧化物颗粒并具有自晶粒细化能力，并且可以用作用于高品质铸件的铸造室的原料。

本发明的装置可整合在熔炉或保温炉中，以将调节过的液体金属供应到连续(或半连续)铸造工艺。所述连续工艺包括但不限于用于薄条的双辊铸造、用于铸锭和板坯的直接铸造、用于棒的上引铸造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。通过改变转子速度和装置的转子风扇和/或定子板的设计可控制所述调节过的熔体的供应速率。

本发明的装置可整合在熔炉或保温炉中，以将调节过的液体金属供应给形状铸造工艺以产生成形部件。所述形状铸造工艺包括但不限于高压压铸、低压压铸、重力压铸、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。通过改变转子速度和装置的转子风扇和/或定子板的设计可控制所述调节过的熔体的配量。

本发明的装置可用于生产具有以下特性的液体金属。这些示例仅是说明性的，并非全面的。

该装置可以生产具有低气体含量、良好分散的氧化物膜和其他夹杂物、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用于使用各种铸造工艺进行固化加工的原料。

该装置可用于晶粒细化，以有助于铸造工艺并且改善铸造产物的质量。例如，该装置可直接实施为直接冷铸和双辊铸造工艺用于促进等轴固化，并且实现为成形铸造工艺，作为配量泵以提供直接调节的液体金属。

该装置可用于将气相、液相和离散固相分散和分布到液体基体中，诸如高效脱气，混合不混溶金属液体以产生精细分散的微结构，生产具有良好分散且均匀分布的精细固体颗粒的金属基复合材料，并增强杂相之间的化学反应。

该装置可用于在铸造环境中泵送熔融金属。该装置可用作在线合金化炉。该装置可用于有效回收废金属。该装置可用于为一系列可改进的半固态成形方法包括挤出、轧制、拉伸坯料和板的线材铸件提供上游压力。

该装置可用于将固体颗粒、液滴和气泡有效地分散和均匀地分布在液体金属中。该装置可用于减小液体金属中的固体颗粒、液滴或气泡的尺寸。该装置可用于改善液体金属中的化学组成和温度场的均匀化。

装置可用于通过在液体金属中激活内源性固体颗粒和外源性固体颗粒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。装置可用于提高化学反应的动力学条件和涉及至少一个液相的相变。

从在附图中说明和在以下描述的优选实施例可以更好地理解本发明。

附图说明

图1包括根据本发明的装置的第一实施例及其组成部分的示意性说明；

图2为根据本发明的装置的第二实施例的示意性说明；

图3为使用图1装置的液体金属调节加工的示意性说明；

图4为使用图1所示装置的液体金属脱气加工的示意性说明；

图5为利用图1装置整合常规DC铸造加工的直接激冷(DC)铸造过程的示意性说明；以及

图6示出本发明装置实施例的各种转子风扇和定子板的示意性说明。

根据本发明的装置1的实施例及其组成部分示意性地示出在图1中。装置1包括筒2，筒2具有上端3和下端4的和在其间延伸的纵向轴线。筒2的直径在其上端3和其下端4之间以恒定比率降低，使得筒2为倒置的截锥体。

转子轴5沿纵向轴线在上端3和下端4之间延伸通过筒2。三个转子风扇6、7、8安装在转子轴5上。三个定子板9、10、10安装在筒2的内壁上并且从内壁延伸到转子轴5。储存器12形成在上转子风扇6上方在筒2的上端3处。储存器12含有防止液体在储存器内旋动的挡板13并且具有安装在其上端处的板15。板15形成储存器12的上端并且具有在其中形成的允许液体金属进入储存器的开口16。衬套14在转子轴5上端附近安装在转子轴5上。

每个转子风扇6、7、8的细节示出在图1中。上转子6由十六个基本上平坦的转子叶片组成，中间转子风扇7由八个基本上平坦的转子叶片组成，并且下转子风扇8由四个基本上平坦的转子叶片组成。每个风扇的转子叶片都与转子轴5对准并且围绕转子风扇6、7、8沿圆周方向等间距间隔开。形成转子风扇6、7、8使得每个叶片的径向外端定位在筒2内壁的最小距离内，并且使得每个叶片的上表面和下表面定位在相邻转子板9、10、11的最小距离内。最小距离为小于10mm。将容易理解的是，由于图1为示意图，在图中夸大了定子板6、7、8和转子风扇9、10、11之间的间隙

图1也示出了定子板9、10、11的细节。定子板包括具有贯穿其形成的多个孔17的基本上平坦板。孔允许液体金属穿过板9、10、11。图1也示出了挡板13的细节。挡板13包括具有贯穿其形成的多个孔的板，从挡板13的表面延伸以防止液体在储存器内旋动的许多垂直叶片。如图1的左下角所示，筒2和定子板9、10、11形成在随后紧固在一起的两个半部中。

在使用中，将液体金属通过上板15中的孔16提供到装置1中。这种液体金属进入储存器12，然后穿过挡板13和上定子板9，并且进入筒2中。液体金属可然后穿过装置1，之后在筒2下端4处离开筒2。在其穿过装置1期间，转子轴5以及因此转子风扇5以1rpm和50,000rpm之间的速度旋转。这用于剪切在转子叶片和筒的内壁之间或转子叶片和定子板9、10、11之间的金属。由于转子叶片在内壁和定子板9、10、11两者的最小距离内，液体金属经受高剪切并且被处理。

根据本发明的装置1的替代实施例示出在图2中。图2的装置1类似于图1的装置，并且根据与图1的装置相同的原则操作，同样地在适当情况下装置1的相同部件使用相同参考标号标记，并将不会详细解释，除了在存在显著的结构差异情况下。

图2的装置1与图1的装置1不同之处在于，筒2基本上是圆柱形并且沿其纵向轴线具有恒定的直径。结果，定子板9、10、11中的每个与彼此等同并且转子风扇6、7、8中的每个与彼此等同。另外，定子板9、10、11由多个沿圆周方向等间距间隔的叶片形成，其中在相邻叶片之间形成通道。叶片为平坦的并且与筒2的纵向轴线有一定角度。转子风扇6、7、8以类似方式形成，虽然它们包括更少的叶片并且因此叶片之间的通道更大。转子风扇6、7、8和定子风扇9、10、11两者均具有用于支撑叶片的径向外环。当装置1在操作中，转子风扇6、7、8的叶片经形成以通过筒2汲取液体金属。

图4、图5和图6示出根据图1实施例的装置1的潜在应用。在这些图中，装置1由三角形示意性地表示。图4为使用装置1的液体金属调节工艺的示意性说明。图5为使用装置1的液体金属脱气工艺的示意性说明。图6为使用装置1的直接激冷铸造工艺的示意性说明。本领域技术人员将容易地理解常规方式，其中通常进行这些工艺中的每个工艺使得在此将不再重复。相反，将参考相关工艺中的每个工艺来解释使用本发明装置1的实施方案。

在图4示出的工艺中，装置1固定在可调节平台22上并且转子轴5由马达(未示出)驱动。装置1的位置受到控制，使得通过调节平台的位置使装置1局部浸没在坩埚20中容纳的液体金属21中。加热坩埚20以使液体金属21保持在期望温度下。

在操作期间，液体金属21通过转子风扇的旋转经由装置上端汲取到装置中并且经受高剪切。液体金属21然后从装置1下端离开装置1。通过转子风扇的运转液体金属21穿过装置1，在坩埚中产生了如图中箭头所指示的宏观流型。这种宏观流型将液体金属21传送到装置1，使得在坩埚20中的所有液体金属将经受重复的高剪切处理。此外，宏观流动也提高了熔融温度和化学组成的空间均匀性。

这种高剪切处理分散存在于液体金属21中的氧化物簇、氧化物膜以及任何其他金属或非金属夹杂物。宏观流动使分散的颗粒均匀地分布在整个液体金属21中。将指出的是，在坩埚20中的宏观流动将在液体金属21的表面附近处是弱的，并因此，宏观流动将保持相对未扰动的金属表面，从而避免可能的包载液体金属21中的气体、浮渣或任何其他潜在污染物。这使得经调节的液体金属特别适用于制造高品质铸造。

图4的工艺也可将外源性固体颗粒分散到液体金属21中。外源性固体颗粒可为晶粒更精细的颗粒，用于金属基复合材料(MMC)的陶瓷颗粒或用于产生纳米金属基复合材料(NMMC)的纳米颗粒。装置1将分散固体颗粒，将分散的固体颗粒均匀地分布在液体金属20中，并且迫使固体颗粒被液体金属21润湿。

图4的工艺可以用于在合金液相线上方的液体金属以调节液体金属或处理在合金液相线下方的液体金属以制备半固体浆料。当处理在液相线上方的液体金属21时，通过将氧化物膜和/或氧化物簇分散到单独颗粒中，提高在液体金属中的可润湿性和空间分布，该工艺可增加潜在的成核位点。这对晶粒细化非常有用而不需要添加任何化学晶粒细化剂。这被称为物理晶粒细化。当处理在其液相线下方的金属时，该工艺可提供半固体浆料具有细化尺寸的固体颗粒和窄尺寸分布。此外，所述设备和方法可提供大量的高品质半固体浆料。

由图4的工艺调节，在合金液相线上方或下方处理的液体金属21可以分批或连续地供应到特定的铸造工艺，例如，高压压铸、低压压铸、重力压铸、砂型铸造、熔模铸造、直接冷铸、双辊铸造或需要液体或半固体金属作为原料的任何其他铸造工艺。

在图5示出的工艺等同于图4的工艺，不同之处在于，用于将气体输入到液体金属21中的管26通过平台22形成，使得每个管的端部直接位于装置1上方。出于对液体金属21脱气的目的，将惰性气体，诸如氩气、氮气等，通过管26引入到液体金属中，使得其直接在装置上方进入液体金属21。

在工艺操作期间，液体金属21和气体两者都以与图4工艺相同的方式通过装置1汲取。这使液体金属21和气体经受高剪切并且产生液体金属21的宏观流动。这将大的惰性气泡分散成小得多的惰性气泡。另外，宏观流动可使惰性气泡均匀地分布在坩埚20中的整个液体金属21中，从而产生显著增加的气体/液体界面面积。因为在惰性气体中的分压比在液体金属21中的分压低得多，所以在液体金属21中溶解的气体将扩散到惰性气泡中。由于气泡浮力，以及借助宏观流动，含有溶解气体的惰性气泡将从液体金属21的熔融表面逃离，从而在液体金属中产生显著降低的气体含量。

当使用图5的工艺进行脱气时，可以通过改变所使用的装置1的具体实施例来控制液体金属中的惰性气泡的尺寸。具体地，以下参数将影响惰性气泡的尺寸：装置1的最小距离；定子板中通道的尺寸和形状；转子风扇和转子轴旋转的速度；转子风扇和定子板的数量；转子风扇的尺寸、形状和构造；以及筒的尺寸和形状。

图5的工艺也可以用于通过用陶瓷粉末诸如碳化硅、氧化铝等代替输入的惰性气体来制备金属基复合材料(MMC)。本发明的装置1所施加的高剪切力可以改善颗粒的均匀性和润湿性，这对于制备高品质的MMC材料是非常重要的。

图5的工艺也可用于通过将输入的惰性气体改变为反应气体以原位形成增强颗粒来制备原位金属基复合材料(MMC)。一个示例是将氧气引入液体铝合金以制备氧化铝颗粒增强铝MMC。

图5的工艺也可用于通过将输入的惰性气体改变为与坩埚20中的液体金属21不混溶的液体金属来混合不混溶金属。该工艺可以均匀地分散和分布不混溶金属液体。

也可以通过使用中空转子轴5将惰性气体、陶瓷颗粒、不混溶液体金属等引入液体金属21中以进行脱气、制备MMC、混合不混溶金属液体等来修改图5的工艺。

图6示出常规直接冷硬(DC)铸造工艺与本发明的装置1的直接集成从而形成高剪切DC铸造工艺的示意图。将高剪切装置1固定在用于定位的可调节平台(未示出)上。假设常规DC铸造工艺的特征对于本领域技术人员而言是众所周知的，因此这里不再重复。将装置1浸入DC铸造机的贮槽中。装置1的底部的优选位置比糊状区域高0mm至300mm。

在DC铸造期间，液体金属通过进料管被连续地供应到DC模具，并通过本发明的装置1连续地剪切。含有排斥溶质元素和糊状区域中的固体颗粒的液体金属被从固化前沿吸入装置中，经受强烈剪切，并且之后被迫离开。强烈剪切的熔体以与上述工艺相同的方式在DC铸造机的贮槽中产生宏观流型。所述宏观流型导致装置1周围的液体金属中温度和化学组成的均匀化。这在DC铸造机的贮槽中产生独特的固化条件，导致具有精细且均匀的微观结构、均匀的化学组成和减少的/消除的铸造缺陷的铸锭。

图7示出了可以形成根据本发明的装置的一部分的多个定子板9、10、11和转子风扇6、7、8。定子板9、10、11和转子风扇6、7、8基本上与图1所示的装置1相同，但是还包括围绕其外部径向边缘形成的周边环40。该外环40为本发明的一些实施例中可需要的定子板9、10、11和转子风扇提供结构加固。

Claims (20)

1.一种高剪切液体金属(21)处理装置(1)，其包括：

筒(2)，其具有在第一端(3)和第二端(4)之间延伸的纵向轴线，并且在所述筒(2)的第一端(3)和第二端(4)处具有开口；

转子轴(5)，其居中穿过并且平行于所述筒(2)的所述纵向轴线安装；

多个转子风扇(6、7、8)，其沿所述轴(5)的轴向长度安装并且安装在所述筒(2)内，每个转子风扇(6、7、8)形成为使得其外端在所述筒(2)的内壁的最小距离内；以及

多个定子板(9、10、11)，其形成在所述筒(2)的内表面上，所述定子板(9、10、11)位于相邻的转子风扇(6、7、8)之间，每个定子板(9、10、11)从内表面基本上延伸到所述转子轴(5)，每个定子板(9、10、11)具有贯穿其形成的至少一个通道(17)，以允许流体经过所述板(9、10、11)；每个定子板(9、10、11)的上表面和下表面形成为在相邻的转子风扇(6、7、8)的所述最小距离内；

其中，所述最小距离在10μm与10mm之间。

2.根据权利要求1所述的装置(1)，其中所述筒(2)具有从其第一端(3)到其第二端(4)的减小直径。

3.根据权利要求1所述的装置(1)，其中所述筒(2)在其第一端(3)处的直径和所述筒(2)在其第二端(4)处的直径是相同的，并且所述筒(2)的所述直径在它们之间变化。

4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的装置(1)，进一步包括在所述筒(2)的所述第一端(3)处形成的储存器(12)。

5.根据权利要求4所述的装置(1)，其中所述储存器(12)包括内部挡板(13)，所述内部挡板(13)被定位成防止容纳在所述储存器(12)中的液体金属(21)旋动。

6.根据任一前述权利要求所述的装置(1)，其中所述定子板(9、10、11)为大体圆形的，并且由圆形板的两个半部形成。

7.根据任一前述权利要求所述的装置(1)，其中所述定子板(9、10、11)是盘，所述盘具有贯穿其形成的至少一个孔，以允许流体经过所述板。

8.根据权利要求7所述的装置(1)，其中每个孔的所述直径在0.5mm和10mm之间。

9.根据权利要求7或权利要求8所述的装置(1)，其中每个定子板(9、10、11)具有贯穿其形成的多个孔(17)。

10.根据权利要求7至权利要求9中任一项所述的装置(1)，其中穿过所述定子板(9、10、11)形成的所述孔(17)的所述直径沿所述筒(2)的所述纵向轴线减小。

11.根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的装置(1)，其中一个或多个定子板(9、10、11)由叶片环组成。

12.根据任一前述权利要求所述的装置(1)，还包括连接到所述转子轴(5)以旋转所述转子风扇(6、7、8)的马达。

13.根据任一前述权利要求所述的装置(1)，其基本上由熔点不低于200℃的材料形成。

14.根据权利要求13所述的装置(1)，其基本上由熔点不低于600℃的材料形成。

15.根据权利要求14所述的装置(1)，其基本上由熔点不低于1000℃的材料形成。

16.根据任一前述权利要求所述的装置(1)，其中所述筒(2)由两个半部形成，所述两个半部用螺栓连接在一起并使用凸缘密封。

17.根据任一前述权利要求所述的装置(1)，其中在使用中，所述筒(2)的所述第一端在所述筒(2)的所述第二端之上，使得流体从所述筒(2)的所述第一端到所述筒(2)的所述第二端的传递由重力辅助。

18.根据任一前述权利要求所述的装置(1)，其中所述转子风扇(6、7、8)形成为使得当所述转子轴(5)旋转时，所述转子风扇(6、7、8)能够操作以将流体从所述筒(2)的所述第一端(3)汲取到所述第二端(4)。

19.根据任一前述权利要求所述的装置(1)，其中所述筒(2)被包封在保护壳体中。

20.一种使用根据任一前述权利要求所述的装置(1)处理液体金属(21)的方法，其中液体金属(21)通过所述筒(2)从所述第一端传递到所述第二端，同时所述转子风扇(6、7、8)以1rpm和50,000rpm之间的速度旋转。