TWI782807B - 熔煉爐的投料裝置 - Google Patents

Abstract

一種熔煉爐的投料裝置，包含一可轉動地伸入該熔煉爐內部的混拌單元、一投料單元，及一進氣單元。該混拌單元具有與該熔煉爐內部相通的一料道。該投料單元包括一連通該料道的料筒，及一可轉動地伸入該料筒的進料螺桿，該進料螺桿具有一朝向該料道之方向延伸並供氣體流動的氣流道。該進氣單元包括一連通該氣流道並用以供氣體通入的一進氣管路。

Description

熔煉爐的投料裝置

本發明是有關於一種投料裝置，特別是指一種用於金屬基複合材料攪拌熔煉的投料裝置。

金屬基複合材料是一種兩相或兩種材料以上混合的金屬材料，相關製程發展至今已出現了攪拌鑄造、原位自生、擠壓鑄造、鑄鍛複合製程、及半固態鑄造等不同設計的金屬製程技術。參閱圖1，是一種習知用於攪拌除氣除渣的除氣裝置1，包含一盛裝熔融金屬湯液2的熔煉爐爐體11、一由上而下地伸置於該爐體11內的中空攪拌棒12、一固定於該攪拌棒12上並且可通惰性氣體的中空攪拌盤13，及一位於該爐體11上方且可帶動該攪拌棒12旋轉的馬達14。透過該馬達14可帶動該攪拌棒12及該等攪拌盤13旋轉並同時通惰性氣體，以攪動該爐體11中的金屬湯液2，使其金屬湯液2中所含的氣體隨惰性氣體帶動向上，離開金屬湯液2，更進一步設有兩片石墨擾流板15，以防止金屬湯液2濺出。

前述的除氣裝置1也可應用於輔助人工添加顆粒型強化相(如碳化矽)的鋁基複合材料，其特色在於質輕及具較佳的熱傳性質，在精密機械加工上有廣泛的應用。當以該除氣裝置1製備前述的鋁基複合材料時，需由外部將碳化矽等添加材料投入盛有鋁湯的該爐體11中，但碳化矽容易和鋁湯表面的氧化層產生反應，造成熔湯潤濕不易，甚至有碳化矽團聚的現象產生，導致鋁基複合材料在鑄造時容易產生鑄造孔洞缺陷，並產生強化相散佈不均勻等缺陷。而金屬湯液2表面的表面張力也會對添加材料造成潤濕障礙，上述氧化層及表面張力使得添加材料不易進入熔湯中，導致添加材料四散而逸出該爐體11外，造成材料之損耗，而人工投料輔助添加方式則容易使金屬湯液2濺出以及粉塵所造成的工安問題，此外，人工投料也不易控制添加材料每次的投入量，導致添加材料容易產生局部團聚於坩堝壁邊之現象，這也會造成添加材料難以均勻分散及潤濕於熔湯中，降低強化相材料利用率。

因此，本發明之目的，即在提供一種可提高添加材料之熔解或潤濕效率，並避免團聚現象的投料兼具攪拌之裝置。

於是，本發明熔煉爐的投料裝置，用以搭配一熔煉爐，該熔煉爐的投料裝置包含一可轉動地伸入該熔煉爐內部的混拌單元、一投料單元，及一進氣單元。該混拌單元具有與該熔煉爐內部相通的一料道。該投料單元包括一連通該料道的料筒，及一可轉動地伸入該料筒的進料螺桿，該進料螺桿具有一朝向該料道之方向延伸並供氣體流動的氣流道。該進氣單元包括一連通該氣流道並用以供氣體通入的一進氣管路。

本發明之功效在於：該裝置可自由移動，搭配任意熔煉/溶解爐，利用該進料螺桿可將該料筒內的添加材料向下進料，使添加材料進入該混拌單元的料道，並送入該熔煉爐所盛裝的鋁湯或其他金屬湯液中，此種進料方式可突破金屬湯液表面的氧化層，以將添加材料直接送入金屬湯液的液面下，減少氧化層與添加材料的反應，抑或阻礙材料進入金屬湯液之中，並提高熔解或潤濕之效率。該進料螺桿之氣流道能讓惰性氣體通過，且同樣經由該料道進入金屬湯液中，以達到兼具除氣除渣且可輔助投料之功效。此外，該進料螺桿結合進氣的螺旋進料方式，除了可避免產生壓力差而造成堵塞之外，還能防止添加材料團聚而保持均勻分散，此外，葉片旋轉所造成之剪切力可進一步提升兩相潤濕效率。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖2，本發明熔煉爐A的投料裝置之一第一實施例，是應用於一盛裝鋁湯等金屬湯液的熔煉爐A，在該第一實施例中，該熔煉爐A為石墨坩堝且內、外徑分別為307mm及375mm，底徑及高度分別為250mm及540mm，該熔煉爐A上可設置有鐵環墊及耐火綿墊環B，前述配置方式、尺寸及材質僅為例示，實際應用上並不以此為限。該投料裝置包含一混拌單元3、一設置於該混拌單元3上的投料單元4，及一連接該投料單元4的進氣單元5。該混拌單元3包括一可拆離地設置於該熔煉爐A上的腳架31、一位於該腳架31下方且向下伸置於該熔煉爐A中的軸管32、一連接於該軸管32底端而位於該熔煉爐A中的攪拌件33、一固定於該腳架31上的旋動軸承34、一固定於該腳架31上且可帶動該軸管32旋轉的旋轉馬達35，及一由該腳架31向下延伸至該熔煉爐A中且沿徑向位於該軸管32外側的擋流板36。

該腳架31可由該熔煉爐A上拆卸，不僅便於拆換維修，且可在所設置的熔煉爐A需要靜置時，安裝至另一個熔煉爐A上進行作業，提高作業效率。該軸管32是呈中空狀而圍繞出一料道321的石墨管，以石墨為材料可防止該軸管32與金屬湯液產生反應。該攪拌件33為扇葉且具有一個或多個連通該料道321及該熔煉爐A的出料口331。該旋轉馬達35可透過齒輪或皮帶輪等方式帶動該軸管32轉動(圖2中以齒輪方式顯示)，進而驅使該攪拌件33於金屬湯液的液面下旋轉攪動。該旋動軸承34為複合式軸承，例如複式止推滾珠軸承，其可使由兩端插設的兩個軸狀件可相對彼此旋轉，但當然也可以透過類似的機構或配置達成，不以前述傳動方式及配置為限。該擋流板36以石墨製成且同樣伸置於金屬湯液的液面下，其可達到穩流之作用卻又不至於使該攪拌件33所帶起之漩渦消散。

該投料單元4包括一設置於該腳架31上的箱殼體41、一設置於該箱殼體41內且底端插置於該旋動軸承34中的料筒42、一圍繞於該料筒42頂緣且緊抵該箱殼體41之內頂壁的密封環43、一固定於該箱殼體41上的轉接軸承44、一個頂端插置於該轉接軸承44中且在向下穿設該箱殼體41後伸置於該料筒42內的進料螺桿45、一設置於該箱殼體41外且可帶動該進料螺桿45轉動的驅動馬達46，及一用於使該料筒42震動的震動器47。該箱殼體41通常採具有可開啟上蓋之設計，以能在開啟後對該料筒42投入碳化矽(SiC)等添加材料，該密封環43可避免該箱殼體41之上蓋與該料筒42間產生縫隙而破壞密封性。該料筒42是用於盛裝金屬基複合材料等添加材料，其較佳以不鏽鋼製成且內表面經抗靜電表面處理而可避免添加材料沾附。該料筒42具有一筒狀部421、一連接該筒狀部421且直徑由上而下逐漸減少的錐狀部422，及一由該錐狀部422向下延伸而插置於旋動軸承34中的管狀部423。該筒狀部421頂緣緊抵該箱殼體41的內頂壁，且外圍被該密封環43環繞，在本第一實施例中，該筒狀部421的半徑為150mm。該管狀部423透過該旋動軸承34而與該軸管32同軸設置且彼此相互連通，當該旋轉馬達35帶動該軸管32旋轉時，該管狀部423不會跟著旋轉，使得該軸管32可相對於該料筒42轉動。該進料螺桿45的頂端向上穿出於該箱殼體41外之且插置於該轉接軸承44，而底端則延伸至該管狀部423，但實際應用時，該進料螺桿45也可視添加材料之粒徑及特性不同而僅延伸至該錐狀部422。該進料螺桿45具有一朝向該料道321之方向延伸並供氣體流動的氣流道451。此外，該進料螺桿45之外螺紋的峰部與該管狀部423的內壁面沿徑向的間距小於1mm，以使添加材料得以通過，而前述間距的大小尚可依添加材料的粒徑及特性變更，以使添加材料的流量能保持最佳化。該驅動馬達46同樣是以齒輪或皮帶輪等結構帶動該進料螺桿45(圖2中以齒輪方式顯示)。

該進氣單元5包括一連接該轉接軸承44之內環而與該進料螺桿45相連通的進氣管路51，及一連接該進氣管路51並提供惰性氣體的供氣源52。由於該轉接軸承44同樣是選用複式軸承，因此當該進料螺桿45被該驅動馬達46帶動旋轉時，該進氣管路51不會被帶動旋轉。

以下說明本第一實施例的運作方式:當該熔煉爐A盛裝鋁湯等金屬湯液後，可將該腳架31安裝固定於該熔煉爐A上，使該攪拌件33沒入金屬湯液中且位於液面下。接著開啟該供氣源52使惰性氣體以1.5kg/cm ³的流量輸入該進料螺桿45中，惰性氣體在通過該氣流道451後，會經由該管狀部423進入該軸管32的料道321中，最後通過該出料口331進入金屬湯液液面下，達到除氣及除渣之功效。接著該旋轉馬達35帶動該軸管32及該攪拌件33旋轉，以對金屬湯液進行攪拌，配合底端呈斜面的單片擋流板36可達到半穩流之效果。該旋轉馬達35的轉速可透過自動化的程控箱進行控制，以根據所需的除氣效益來控制該軸管32的轉速，一般而言，除渣及攪拌時的轉速控制在600rpm~3600rpm，且可視需求變速調控，以使除渣氬流量為每分鐘3公升且攪拌氬流量為每分鐘1公升，而該熔煉爐A中的除渣溫度為攝氏720度。

接著開啟該箱殼體41並將添加材料進料至該料筒42中，該震動器47產生的震動及該料筒42抗靜電的內表面，都可避免添加材料的沾附，然後透過該驅動馬達46帶動該進料螺桿45旋轉，該進料螺桿45可以透過旋轉的外螺紋將添加材料穩定地進料至該管狀部423，此種施壓進料的方式可避免較輕的添加材料逸散，也能避免添加材料團聚而造成堵塞，並解決該管狀部423及該筒狀部421間壓力差之問題。送入該該管狀部423的添加材料會與通過該進料螺桿45的惰性氣體混合，最後在通過該料道321後由該出料口331進入金屬湯液中完成投料，如此可直接突破金屬湯液表面氧化層及表面張力等阻礙，減少氧化層與添加材料的反應，提高溶解或潤濕的效率。該驅動馬達46也可透過程控箱進行控制，其轉速可依投料的批次量來決定。透過程控箱可分別控制該旋轉馬達35及該驅動馬達46的轉速，可將攪拌及進料程序分別進行，並達到更精密的參數控制，配合自動化的導入，也可減少人工添料的成本及工安意外的發生。

通常在除氣進行30分後，需要靜置10分鐘，該熔煉爐A便處於無法作他用的情形，這時就可將該腳架31拆下並安裝至下一個熔煉爐A上，以繼續進行除氣作業，增加整體作業效率，且不需改變現有的熔煉爐A之設計。本第一實施例除了可配合電阻爐進行重鑄外，也可直接整合應用於真空下吸鑄造、離心鑄造、擠壓鑄造、高壓鑄造及重力鑄造等，具有較佳的泛用性。

參閱圖3，為本發明熔煉爐A的投料裝置之一第二實施例，該第二實施例大致上是與該第一實施例相同，不同之處在於：該第二實施例之進氣單元5還包括一進氣支管53，該進氣支管53一端連通該管狀部423且鄰近該氣流道451的開口處，另一端連通該供氣源52以供氣體通入。透過該進氣支管53可增加惰性氣體的流量，除了能避免阻塞外，還可應對不同類型的合金湯液，提升使用穩定性及泛用性。此外，該進氣支管53除了連接該供氣源52外，也可以連接其他獨立的氣體供應來源，以達到更精細的通氣量控制。

綜上所述，本發明可對金屬湯液進行除渣、除氣及投料，且投入的添加材料可直接突破金屬湯液表層而進入液面下，減少氧化層與添加材料的反應，提高溶解或潤濕的效率，該進料螺桿45可透過施壓的方式進料，可避免團聚現象的產生及防止質輕的添加材料逸散，惰性氣體經由中空的進料螺桿45直接送入該管狀部423的設計，可避免因直接將氣體送入該筒狀部421，而造成該筒狀部421及該管狀部423間產生壓力差之情事，進一步避免管道堵塞，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

3:混拌單元 31:腳架 32:軸管 321:料道 33:攪拌件 331:出料口 34:旋動軸承 35:旋轉馬達 36:擋流板 4:投料單元 41:箱殼體 42:料筒 421:筒狀部 422:錐狀部 423:管狀部 43:密封環 44:轉接軸承 45:進料螺桿 451:氣流道 46:驅動馬達 47:震動器 5:進氣單元 51:進氣管路 52:供氣源 53:進氣支管 A:熔煉爐 B:鐵環墊及耐火綿墊環

本發明之其它的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一示意圖，說明一習知的除氣裝置； 圖2是一示意圖，說明本發明熔煉爐的投料裝置之一第一實施例；及 圖3是一示意圖，說明本發明熔煉爐的投料裝置之一第二實施例。

3:混拌單元

31:腳架

32:軸管

321:料道

33:攪拌件

331:出料口

34:旋動軸承

35:旋轉馬達

36:擋流板

4:投料單元

41:箱殼體

42:料筒

421:筒狀部

422:錐狀部

423:管狀部

43:密封環

44:轉接軸承

45:進料螺桿

451:氣流道

46:驅動馬達

47:震動器

5:進氣單元

51:進氣管路

52:供氣源

A:熔煉爐

B:鐵環墊及耐火綿墊環

Claims (12)

1. 一種熔煉爐的投料裝置，用以搭配一熔煉爐，該熔煉爐的投料裝置包含： 一混拌單元，可轉動地伸入該熔煉爐內部，且具有與該熔煉爐內部相通的一料道； 一投料單元，包括一連通該料道的料筒，及一可轉動地伸入該料筒的進料螺桿，該進料螺桿具有一朝向該料道之方向延伸並供氣體流動的氣流道；及 一進氣單元，包括一連通該氣流道並用以供氣體通入的一進氣管路。
2. 如請求項1所述熔煉爐的投料裝置，其中，該混拌單元包括一內部形成該料道且一端與該料筒相接的軸管，及一設置於該軸管之另一端的攪拌件，該攪拌件具有至少一與該料道相連通的出料口。
3. 如請求項2所述熔煉爐的投料裝置，其中，該投料單元之進料螺桿伸置於該料筒與該軸管相接處。
4. 如請求項2所述熔煉爐的投料裝置，其中，該投料單元之料筒具有一筒狀部、一連接該筒狀部且直徑由上而下逐漸減少的錐狀部，及一由該錐狀部向下延伸且連通該軸管的管狀部，該進料螺桿延伸至該管狀部中。
5. 如請求項2所述熔煉爐的投料裝置，其中，該混拌單元還包括一供該軸管上端及該料筒下端設置的旋動軸承，該旋動軸承使該軸管可相對於該料筒旋轉。
6. 如請求項1所述熔煉爐的投料裝置，其中，該投料單元還包括一供該進料螺桿上端及該進氣管路末端設置的轉接軸承，該轉接軸承使該進料螺桿可相對於該進氣管路旋轉。
7. 如請求項6所述熔煉爐的投料裝置，其中，該混拌單元還包括一可拆離地設置於該熔煉爐上的腳架，該投料單元還包括一設置於該腳架上且用於容裝該料筒的箱殼體，該進料螺桿向上穿出該箱殼體，該轉接軸承位於該箱殼體外。
8. 如請求項7所述熔煉爐的投料裝置，其中，該投料單元還包括一圍繞於該料筒頂緣且緊抵該箱殼體的密封環。
9. 如請求項2所述熔煉爐的投料裝置，其中，該混拌單元還包括一可拆離地設置於該熔煉爐上的腳架，及一由該腳架向下伸置於該熔煉爐中且以石墨製成的擋流板，該擋流板沿該軸管的徑向位於該軸管的外側。
10. 如請求項1所述熔煉爐的投料裝置，其中，該進氣單元還包括一連通該料筒的進氣支管，該進氣支管連通該料筒的一端鄰近該氣流道的開口處，另一端則是供氣體通入。
11. 如請求項1所述熔煉爐的投料裝置，其中，該投料單元之該料筒的內表面經抗靜電表面處理。
12. 如請求項1所述熔煉爐的投料裝置，其中，該投料單元還包括一可使該料筒震動的震動器。

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