专利名称：合金铸锭的喷射铸造方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于通过利用喷射铸造工艺来制造金属或合金铸锭的方法和设备。更详细地说，本发明的特征在于，通过多个气体喷雾器来提高铸造速度并且能够通过让喷射液滴沉积在铸锭顶面上的更大区域上来生产其微观结构均匀的大直径铸锭。
背景技术：
喷射铸造工艺是用来生产合金铸锭的最新铸造技术，该技术包括通过高压气体使熔融的金属或合金雾化成喷射的液滴，然后通过将下落的部分固化液滴沉积到下面的捕获板上来形成合金铸锭。这时，根据捕获板的形状和运动，可以生产出棒状、管状或板状合金物体。一般来说，为了生产出棒状铸锭，捕获板在铸锭块长大时以固定的速度转动并且下降。
图1说明了如在美国专利Nos.4697631(1987)和4938275(1990)中所示一样的喷射铸造工艺。图2为在图1中所示的扫描气体喷雾器的放大视图。当熔融金属或合金(1)在中间包(2)下面流动并且穿过熔融喷口(3)时，流经气体喷雾器(6)的熔融流(4)在气体喷流(7)涌出时转变成喷射的细小液滴(8)。这些喷射的液滴朝着在喷射路径和捕获板(10)之间保持特定角度的捕获板下落并且最终沉积在捕获板的表面上。这时，捕获板转动以使喷射液滴在铸锭(9)的整个顶面上形成均匀的沉积。棒状铸锭将随着喷射液滴均匀地沉积在捕获板上而逐渐长大，并且该捕获板以和铸锭的生长相同的速度下降。这样，当在喷射沉积的速率和铸锭生长之间实现平衡时，可以生产出直径均匀的长铸锭。虽然可以通过降低捕获板的下降速度来增加铸锭的直径，但是应该避免出现这种情况，因为太剧烈的下降会导致铸锭顶面的中心出现陡峭的凹陷并且导致大量的大孔隙。一般来说，使用扫描气体喷雾器(6a)来扩大喷射液滴的沉积面积，因为在没有它的情况下，铸锭直径的扩大只限于在150mm和200mm之间的直径。
图2a为扫描气体喷雾器的示意图，说明了在高压供气管道(5)以摆动的方式转动时与该供气管道连接的气体喷雾器(6b)也是怎样摆动的。该转动振动使气体喷流(7)相对于熔融流(4)的碰撞角度发生变化并且使喷射液滴(8)左右摆动，并且可以扩大喷射液滴在铸锭顶面上的沉积面积。
如在图2b中所示一样，气体喷雾器的转动摆动使熔融流(4)左右摇晃并且导致在铸锭顶面上方直线前后扫描运动。这反过来使得喷射液滴能够均匀沉积在更大的区域上。利用扫描气体喷雾器可以产生250mm的最大铸锭直径。而且，其优点在于，与利用固定的气体喷射器相比能够制造均匀度更高的铸锭。
但是，因为扫描气体喷雾器的摆动运动会导致熔融流(4)和气体喷流(7)之间的碰撞角度出现突然变化，所以它会导致产生降低气体雾化效率的缺点。当扫描气体喷雾器(6a)摆动时，熔融流(4)偏离气体喷雾器的中央，并且因此喷射的气体喷流(7)和熔融流(4)不会在一个地方会聚并且在更广阔的空间中碰撞。这引起喷射液滴出现严重偏离的尺寸分布，这会阻碍形成具有良好微观结构的铸锭。而且，碰撞角度变化和气体喷雾器的转动摆动的组合导致在熔融流周围突然产生涡流。这个涡流很可能导致在熔融喷口(3)的顶端周围出现反压，从而由于熔融流固化而导致喷口堵塞。为了避免出现这种危险，扫描气体喷雾器的转动摆动角度限制在大约2度，并且不可避免的是，它减小了通过利用扫描气体喷雾器来扩大喷射沉积面积的效率。因为熔融金属或合金高度密集，所以喷射液滴的运动不容易由于气体喷流的碰撞角度的突然变化而改变。因此，难以实时地改变喷射液滴的飞行方向。由于这些原因，所以可以判定，与其用于扩大喷射沉积面积的目的，还不如该扫描气体喷雾器更适用于在液滴飞行期间均匀地混合各种尺寸的液滴。
如在图3a和3c中所示一样，用于生产铸锭的传统喷射铸造工艺可以在铸锭的纵向方向上分成三种垂直的、倾斜的和水平的方法。在垂直方法(图3a)的情况中，虽然更容易在喷射铸造期间保持铸锭的均匀形状，但是由于该气体喷雾器的喷射轴向与垂直方向倾斜大约35度所以它需要高水平的气体喷雾器技术。另一方面，在倾斜方法(图3b)的情况中，气体雾化最稳定，因为相应的喷射轴是垂直的。但是，因为铸锭是倾斜生长，所以该方法的缺点在于，在要考虑重力时会在生产重型铸锭中产生问题。在水平方法(图3c)的情况中，由于喷射轴与垂直方向高度倾斜，所以更难以进行气体雾化控制。而且，虽然它具有在特定高度限制内生产长水平铸锭的优点，但是它难以为水平生长的长铸锭提供均匀的支撑。由于这些原因，所以垂直铸锭喷射铸造工艺最广泛地用在商业实践中。但是，上述采用单个气体喷雾器的铸锭喷射铸造工艺的缺点在于，生产的铸锭其直径相对更小并且喷射铸造产出率更低为60％-70％。因此，当前使用双气体喷雾器技术来改善上述缺点。
图4显示出如在美国专利No.5472038(1995)中所示一样在铸锭喷射铸造期间两个气体喷雾器的应用。通过允许在捕获板(10)的中心和周边区域中单独沉积喷射液滴，从而可以形成大直径铸锭。而且，另外期望提高铸造速度并且改善产出率。该喷雾器的扫描运动需要复杂的装置例如凸轮和马达，因此由于可用的空间有限所以只扫描了两个喷雾器中的一个。一般来说，沉积在捕获板的中心区域中的喷射液滴被扫描，并且固定的气体喷雾器用于周边区域。垂直和水平方法都可以用在利用了两个气体喷雾器的工艺中。所生产出的铸锭的最大直径公知大约为350mm。
如上所述，用于通过利用喷射铸造工艺制造金属或合金铸锭的传统方法具有以下问题。
首先，对于在铸锭的喷射铸造中的扫描气体喷雾器的使用而言(i)喷射液滴的不均匀的分布会助长最终铸锭的不均匀微观结构；(ii)气体压力的涡流和聚集容易在熔融喷口的顶端处出现，这会导致喷口堵塞；(iii)因为只能在大约为2度的有限转动摆动角度内期望扫描效果，所以喷射沉积区域的有益针对扩大不是值得注意的；(iv)当采取使用两个或多个扫描喷雾器时，因为由必须提供为每个气体喷雾器提供扫描装置而产生的空间限制，所以其缺点在于设计复杂。
第二，采用传统的喷射铸造方法，非常难以生产具有均匀微观结构的直径超过400mm的大直径铸锭。
第三，因为传统喷射铸造工艺使用了一个或两个气体喷雾器，所以与连续方坯铸造或铸锭铸造工艺相比其铸造速度低许多。
第四，因为用于生产铸锭的传统喷射铸造工艺使用了以单向方式设置的气体喷雾器，所以难以在其有限的可用空间内使用多个气体喷雾器。
第五，用于生产铸锭的传统喷射铸造工艺只能制造圆形铸锭，并且不能生产方形铸锭。
发明概述本发明是为了解决传统现有的喷射铸造所碰到的上述问题。因此，其目的在于提供一种用于容易通过控制喷雾器的空间布置来制造其直径相对较大的喷射铸造铸锭的方法和设备。这些喷射液滴从至少一个或多个气体喷雾器中流出，并且可以通过分别控制每个熔融喷射在铸锭顶面上的沉积位置来扩大整体喷射沉积面积。同时，通过控制气体喷雾器和铸锭之间的相对转动，从而喷射液滴均匀地沉积在铸锭的整个顶面上。
而且，本发明的另一个目的在于提供一种用于通过采用气体喷雾器和铸锭之间沿着铸锭纵向方向的相对往复运动来制造同时具有均匀的微观结构和扩大的铸锭直径的喷射铸造铸锭的方法和设备。通过周期性地改变气体喷雾器和生长铸锭的顶面之间的相互距离可以实现所喷射液滴在铸锭顶面的每个沉积区域周围更加均匀的质量分布。也就是说，通过使喷雾器和/或铸锭沿着铸锭长大方向进行往复运动来使整个喷射沉积面积更加扩大。
本发明还有一个目的在于，提供一种用于制造喷射铸造铸锭的方法和设备，它们通过使用多个气体喷雾器从而显著地提高的铸造速度。
另外，本发明还有一个目的在于，提供一种用于通过适当地控制气体喷雾器和铸锭之间的转动和往复运动来制造形状为多边形尤其是方形的喷射铸造铸锭的方法和设备。
附图的简要说明图1的示意图显示出用于制造合金铸锭的传统喷射铸造方法和设备；图2a和2b的示意图显示出在传统铸锭喷射铸造工艺中所采用的扫描气体喷雾器的原理，具体地说，图2a显示出气体喷雾器的转动摆动运动，而图2b显示出由扫描气体喷雾器所引起的雾化的不对称性；图3a至3c为用于合金铸锭生产的传统喷射铸造方法的示意图，详细地说，图3a显示出垂直喷射铸造方法，图3b显示出倾斜喷射铸造方法，而图3c显示出水平喷射铸造方法。
图4a和4b为使用了两个气体喷雾器的用于合金铸锭生产的传统喷射铸造方法的示意图，具体地说，图4a显示出垂直喷射铸造方法，而图4b显示出水平喷射铸造方法；图5为根据本发明的用于合金铸锭生产的喷射铸造方法的透视图；图6为根据本发明的用于合金铸锭生产的多气体喷雾器喷射铸造方法的示意图，其中每个喷雾器位于在基底轴线上对中的圆周上；图7为根据本发明的用于合金铸锭生产的多气体喷雾器喷射铸造方法的示意图，其中每个气体喷雾器的方位被调节成使相应的熔融喷射在铸锭顶面上的不同径向位置上沉积；图8为根据本发明的用于合金铸锭生产的多气体喷雾器喷射铸造方法的示意图，其中捕获板相对于气体喷雾器的方位被调节成让每个熔融喷射在铸锭顶面上的不同径向位置处沉积；图9显示出通过将铸锭顶面分隔成几个区域元件来建立熔融喷射的各个沉积比的本发明的方法；图10为当气体喷雾器和铸锭顶面之间的距离沿着基础轴线改变时铸锭顶面上的喷射沉积区域的径向往复运动；图11为本发明的九种不同类型的喷射铸造方法的示意图，这些方法用于通过绕着基础轴线的相对转动和沿着在气体喷雾器和捕获板之间的基础轴线之间的基础轴线的相对往复运动的各个组合来进行铸锭生产；图12a和12b说明了喷射液滴在铸锭顶面上的运动以便使铸锭产生均匀的高度生长，具体地说，图12a说明喷射液滴沿着径向方向的往复运动的速度应该根据喷射液滴在铸锭顶面上的径向沉积位置来改变，而图12b显示出用于均匀喷射沉积在铸锭的整个顶面上的喷射液滴的沉积路径；图13a至13d为用来确保喷射液滴均匀沉积在铸锭顶面上的喷射液滴的理论运动的曲线图，详细地说，图13a显示出喷射液滴随着时间在顶面上的径向沉积位置，图13b显示出喷射液滴的径向运动相对于时间的速度，图13c显示出由气体喷雾器和/或捕获板的往复运动而导致的相互位移，而图13d显示出气体喷雾器和/或捕获板的往复运动的速度。
图14a至14d的曲线图显示出为了在铸锭顶面上在大致数值范围内使喷射液滴产生均匀的沉积而进行的喷射液滴的连续运动，详细地说，图14a显示出喷射液滴随着时间在顶面上的径向沉积位置，图14b显示出喷射液滴的径向运动相对于时间的速度，图14c显示出由气体喷雾器和/或捕获板的往复运动而导致的相互位移，图14d显示出气体喷雾器和/或捕获板的往复运动的速度；图15a至15d显示出根据往复运动与喷射液滴的转动的循环比喷射液滴在铸锭顶面上的沉积路径，详细地说，图15a显示出往复运动与转动的循环比为8.375∶1的沉积路径，图15b显示出往复运动与转动的循环比为8∶1的沉积路径，图15c显示出往复运动与转动的循环比为1∶8.375的沉积路径，而图15d显示出往复运动与转动的循环比为1∶8的沉积路径；图16为由气体喷雾器为了生产方铸锭而进行的转动或往复运动的示意图；图17显示出气体喷雾器由气体喷雾器的转动和往复运动以及捕获板的往复运动组成的为了生产具有长边的方铸锭的同时运动；图18a和18b显示出根据捕获板往复运动循环和气体喷雾器转动循环喷射液滴在铸锭顶面上的沉积路径，具体地说，图18a显示出当捕获板往复运动与气体喷雾器转动的循环比为2.375时的沉积路径，并且图18b显示出当捕获板往复运动与气体喷雾器转动的循环比正好为2时的沉积路径；图19为根据本发明用于制造金属或合金铸锭的喷射铸造合金设备的剖视图；图20为根据本发明用于制造金属或合金铸锭的喷射铸造合金设备的剖视图，该设备另外还具有用来使气体喷雾器和/或捕获板进行往复运动的装置。1.熔融合金2.中间包3.熔融喷口4.熔融流5.高压供气管道6.气体喷雾器6a.扫描气体喷雾器 6b.固定气体喷雾器7.气体喷流8.喷射液滴9.铸锭10.捕获板11.喷射腔 12.捕获板驱动轴13.通风口 31.基础轴线32.熔融合金 33.中间包34.熔融喷口 35.喷射角度36.塞子 37.中间包塞子38.中间包滑门 39.高压进气口40.供气管道支座 41.供气管道42.气体喷雾器外壳 43.气体喷雾器44.喷射轴 45.气体喷流46.气体喷雾器心轴 47.供气管道支撑稳定装置48.供气管道转动轴承 49.气体喷雾器固定销50.上腔室转动轴承 51.密封件52.上腔室 53.上腔室支撑件54.气体喷雾器往复运动装置凸轮 55.上腔室转动马达56.上腔室驱动轴57.直角交叉齿轮58.喷射液滴59.单个喷射沉积区域60.铸锭顶面61.铸锭62.捕获板 63.后备捕获板64.铸锭固定销 65.捕获板驱动轴66捕获板驱动部件 67.捕获板驱动外壳68.捕获板驱动部分支撑件69.捕获板往复运动凸轮70.捕获板往复机构导向件71.捕获板转动马达72.内部花键轴 73.外部花键轴74.捕获板马达 75.链条76.链轮77.螺纹轴78.螺母板 79.喷射腔室80.通风口 81.喷射腔室支撑件82.气体喷雾器转动装置 83.捕获板转动装置84.捕获板线性驱动装置 85.捕获板旋转轴线86.气体喷雾器往复运动装置 87.捕获板往复运动装置具体实施方式
为了实现上述目的，根据本发明形成金属或合金铸锭的方法包括以下步骤围绕着基础轴线设置多个喷雾器，其中所述喷雾器的喷射轴在角度上与所述基础轴线向间隔0-90度；从所述喷雾器中喷射出熔融金属或合金的液滴；将捕获板设置在所述喷射液滴的路径中；通过将所述喷射液滴连续沉积在所述捕获板顶面上形成铸锭块，从而使所述铸锭沿着所述基础轴线长大；使所述喷雾器和/或所述捕获板绕着所述基础轴线转动以便使所述喷射液滴在所述铸锭顶面上沿着圆周均匀散布；使所述喷雾器和/或所述捕获板沿着所述基础轴线连续移动以便保持在每个所述喷雾器和所述铸锭顶面之间均匀的间距；并且作为附加的步骤，使所述喷雾器和/或所述捕获板沿着所述基础轴线往复运动以便使所述喷射液滴在所述铸锭顶面上沿着径向线来回运动。
根据本发明形成金属或合金铸锭的另一个方法包括以下步骤从喷雾器中喷射出熔融金属或合金液滴，所述喷雾器的轴线在角度上与基础轴线相隔0-90度；将捕获板设定在所述喷射液滴的路径中；通过将所述喷射液滴连续沉积在所述捕获板的顶面上来形成铸锭块，从而使所述铸锭沿着所述基础轴线生长；使所述喷雾器和/或所述捕获板绕着所述基础轴线转动以便使所述喷射液滴沿着在所述铸锭顶面上的圆周均匀分布；并且使所述喷雾器和/或所述捕获板沿着所述基础轴线连续运动以便使所述气体喷雾器和所述铸锭顶面之间的距离周期性变化。
根据本发明的形成金属或合金铸锭的设备包括以下装置装有熔融金属或合金的中间包；在所述中间包下面围绕着基础轴线设置的一个或多个气体喷雾器，其中所述气体喷雾器的喷射轴在角度上与所述基础轴线相距0-90度；设置在从所述喷雾器喷出的喷射液滴路径中的捕获板；用于使所述喷雾器和/或所述捕获板绕着所述基础轴线转动的装置；用于使所述喷雾器和/或所述捕获板沿着所述基础轴线进行连续运动的装置；以及作为附加元件，用于使所述喷雾器和/或所述捕获板沿着所述基础轴线往复运动的装置。
下面，将参照附图对本发明的优选实施方案进行详细地说明。[实施方案1]图5显示出根据本发明用来生产金属或合金铸锭的喷射铸造方法的理想实施方案。将至少一个气体喷雾器(43)设在围绕着任意基础轴线(31)的圆周上，在那里这些气体喷雾器的喷射轴(44)在角度上与基础轴线(31)相隔0-90度。这时，喷射轴(44)面对着捕获板(63)，并且要求将多个气体喷雾器设置成与基础轴线(31)360度转动同心。在熔融合金通过安装在中间包(33)下面的熔融喷口(34)时，多个气体喷雾器用来生产熔融金属或合金喷射。这些喷射液滴(58)迅速下降并且在它们碰到喷射气体喷流时受到冷却并且固化。当捕获板(62)位于在使液滴垂直于基础轴线飞行的路径中时，部分固化的液滴将沉积在捕获板的表面上并且所要求的铸锭块(61)将开始形成。为了让喷射液滴沉积在捕获板的整个顶面上，要将气体喷雾器(43)和/或捕获板(62)设定成相对于基础轴线(31)转动。通过使气体喷雾器(43)和/或捕获板(62)沿着铸锭生长方向连续移动可以生产出长铸锭。这时，铸锭的形状是由下落的喷射液滴沉积在铸锭(60)的顶面上的径向位置所决定的。下落的喷射液滴应该被控制成均匀地沉积在铸锭的整个顶面上以便确保铸锭的整个顶面垂直于基础轴线正确的高度生长。
如上述一样，当同时使用多个气体喷雾器时，喷射铸造的生产速度可以与所应用的气体喷雾器数量成比例地增加。在用于铸锭的传统喷射铸造方法的情况中，如在图3和4中所示一样，因为气体喷雾器(6，6a，6b)以单向图案设置在基础轴线的一个侧面上，所以有限的剩余空间使得难以采用许多气体喷雾器。在本发明的情况中，如图5中所示一样，多个气体喷雾器(43)以圆形图案沿着基础轴线(31)设置。气体喷雾器的这种同心布置的优点在于，能够安装比传统喷射铸造工艺更多的气体喷雾器。对于本发明而言，采用多个气体喷雾器能够提高铸造速度，并且另外能够扩大喷射液滴沉积在铸锭顶面上的区域。
同时应用多个气体喷雾器的方法根据如何确定铸锭顶面上的沉积半径而分成两种方法，从每个气体喷雾器中流出的每个熔融喷射物沉积在所述沉积半径上。
首先，将气体喷雾器(43)的位置和喷射角度(35)调节成使它们的熔融喷射物相对于基础轴线(31)成相同的半径沉积在铸锭(60)的顶面上。喷雾器位置与喷射角度的组合有许多种情况，这些情况满足在铸锭顶面上相同沉积半径的条件。除了那些之外，在图6中所示的方法显示出沿着与基础轴线成同心圆的圆周均匀地设置每个气体喷雾器并且将每个气体喷雾器(43)的喷射角度(35)调节成相等的过程。采用该方法是理想的，因为气体喷雾器的空间布置简单。图6显示出使用四个气体喷雾器，并且其优点在于生产相同直径铸锭的速度是使用单个气体喷雾器的四倍。该方法适用于批量生产直径一致的铸锭，因为喷雾器的喷射轴相对于基础轴线是对称的。
第二，将气体喷雾器(43)的位置、喷射角度(35)或捕获板(62)的位置调节成使每个熔融喷射物在铸锭(60)顶面上的相应不同径向位置中碰撞。每个喷射物以不同半径沉积的这种方法可以生产比以相同半径沉积的方法直径大得多的铸锭。在该方法中，简单地将多个气体喷雾器设置成具有相同的喷射角度以便相对于铸锭顶面彼此设置在不同的高度处。作为详细的说明，图7显示出这样的布置，多个气体喷雾器(43)以相同的喷射角度(35)设置在围绕着基础轴线对中的锥形表面上，并且它们在铸锭顶面上方的高度是变化的。该方法有利于生产大直径铸锭，并且具有设计简单的优点。但是，其缺点在于，当想要生产不同直径的铸锭时必须重新调节每个气体喷雾器的位置。而且，因为相应的高度在多个气体喷雾器中是有差异的，所以使用假定相同量的装在中间包(33)中的熔融内容物，从而可以改变熔融合金通过每个气体喷雾器的流出速率。该方法可能在确定每个熔融喷射物的适当沉积半径上需要一些时间和努力，因为如果每个气体喷雾器的熔融流出速率是不同的话则由每个喷射物所得到的沉积量是变化的。
如果每个气体喷雾器的高度不同，则熔融合金的流出速率也将是不同的。因此，必须使每个气体喷雾器的高度相等，而且必须让每个熔融喷射物沉积在不同半径上。通过调节喷射角度(35)以及每个气体喷雾器离基础轴线(31)的距离同时保持每个气体喷雾器(43)的高度相同来使来自每个气体喷雾器的熔融喷射物沉积在不同半径位置处，这存在许多种情况。除了那些情况之外，如在图8种所示，一种容易且简单的方法在于控制沉积半径同时将具有相同喷射角度的气体喷雾器设置成位于围绕着基础轴线(31)对中的同心圆周上。也就是说，这些气体喷雾器可以以与在图6中相同的方式设置，另外如在图6中的箭头所示一样，捕获板沿着与基础轴线(31)垂直的方向的特殊运动会导致每个熔融喷射物沉积在不同的半径位置处。这样，可以很容易通过使捕获板相对于气体喷雾器进行适当的水平运动来控制铸锭直径。同时，由于采用简单的气体喷雾器布置，所以从每个喷雾器喷射出的熔融喷射物的量彼此相等。
在试图采用如上所述的多气体喷雾器方法来控制喷射液滴在大直径铸锭顶面上均匀沉积的情况中，每个熔融喷射物在铸锭顶面上的沉积半径必须进行适当的调节。在本发明中，将提供四气体喷雾器模式的详细说明来作为多气体喷雾器方法的典型实施例。如在图9中所示一样，铸锭顶面沿着其半径方向被分成四个区域单元A1、A2、A3、A4，四个熔融喷射物I、II、III和IV分别沉积在上述四个区域单元处。假定由每个熔融喷射物所形成的沉积量是相同的，则耽搁区域单元的范围必须是相同的以便实现铸锭顶面均匀生长。在铸锭顶面上确定径向边界(在这些边界处这些区域单元的每个范围相互相等)的半径分别为S1＝0.50R、S2＝0.71R、S3＝0.87R并且S4＝R(其中R为铸锭的半径)。每个熔融喷射物必须沉积在位于被限定作为在两个相邻径向边界之间的区域的相应区域单元内的位置处。例如，当推定每个熔融喷射物沉积在相应区域单元的中间中时，熔融喷射物的沉积半径分别为r1＝0.25R，r2＝0.60R，r3＝0.79R并且r4＝0.93R。如果由每个熔融喷射物形成的沉积区域大于相应区域单元的宽度的话，则相邻熔融喷射物将在径向边界周围部分重叠，从而导致均匀沉积在铸锭的整个顶部表面上。在使用n组气体喷雾器的情况中，限定第k个区域单元的半径sk根据以下数学公式来确定。[数学公式1]sk=kn·R]]>通过利用数学公式1，从而可以确定这些区域单元的径向边界。当调节这些气体喷雾器以便使每个熔融喷雾器沉积在位于相应区域单元内的适当位置中时，以生产出大直径铸锭，并且其生长速度在其整个顶面上是均匀的。
如同上面一样，即使每个熔融喷射物的沉积半径受到适当地控制，也必须进行特定的转动运动以确保喷射液滴沉积在铸锭的整个顶面上。也就是说，喷射液滴(58)绕着基础轴线(31)的转动可以使喷射液滴在铸锭顶面上沿着圆周分布。为了使喷射液滴在铸锭顶面上方沿着特定的圆周相对转动，气体喷雾器(43)和/或捕获板(62)必须绕着基础轴线(31)转动。下面是三种适用于本发明的实现喷射液滴相对于铸锭的相对转动效果的有效方法(i)只是气体喷雾器转动；(ii)只是捕获板转动；并且(iii)气体喷雾器和捕获板同时转动。而且，在生产圆形铸锭时必须采用固定角速度转动。
根据本发明实现喷射液滴的相对转动效果的方法是，首先使气体喷雾器(43)绕着基础轴线(31)转动并且保持捕获板(62)不转动。如果气体喷雾器以这种方式转动，则喷射液滴(58)将在它们下落时转动并且可能使得各个液滴在喷射物内部空间混合。喷射液滴由各种尺寸的液滴组成，在铸锭上方的空间中混合，并且以更加均匀的空间分布转变成喷射物。在喷射物内部的这种混合效果导致喷射液滴在铸锭顶面上均匀的沉积。飞行液滴的实时混合使得最终铸锭(61)的微观结构更加均匀。在传统喷射铸造方法的情况中，铸锭粘附在转动捕获板上，并且因此铸锭的长度有限制。由于连接捕获板和铸锭的稳定装置销有几个，所以不可能在传统方法中使长转动铸锭稳定。但是，本发明的优点在于能够沿着基础轴线安全地生产长铸锭，因为该铸锭不会转动。在使气体喷雾器转动的情况中，气体喷雾器应该与装有熔融物的中间包一起同时转动，因此由于涉及在装在中间包的熔融合金上的安全，所以转动速度不能高。
根据本发明实现喷射液滴的相对转动效果的第二种方法在于只是使捕获板(62)转动同时保持气体喷雾器(43)不转动。在使捕获板转动的情况中，转速可以相对较高，并且具有机器设计更简单的优点。根据本发明实现喷射液滴的相对转动效果的第三种方法在于，使气体喷雾器(43)和捕获板(62)同时转动。这时，气体喷雾器和捕获板必须沿着相对方向相互转动以从喷射液滴在飞行期间的混合效果中得到好处并且实现喷射液滴相对于铸锭更高的相对转动速度。
如果可以适当地控制每个熔融喷射物的沉积半径并且使气体喷雾器和/或捕获板绕着基础轴线转动，则他将导致喷射液滴在铸锭的整个顶面上均匀的沉积。这时，铸锭(61)将沿着基础轴线(31)的方向长大，并且每个气体喷雾器和铸锭顶面之间沿着基础轴线的相互距离应该保持均匀以便生产以特定速率生长的直径均匀的铸锭。因此，为了保持相互距离均匀，气体喷雾器(43)和/或捕获板(62)必须沿着基础轴线连续地移动以便抵销铸锭生长的幅度。下面使适用于本发明的三种保持相互距离的有效方法(i)只是移动气体喷雾器；(ii)只是移动捕获板；(iii)同时使气体喷雾器和捕获板移动。这些气体喷雾器应该沿着基础轴线在铸锭生长的方向中连续移动，同时捕获板已经该沿着基础轴线在铸锭生长的相对方向中连续地移动。
铸锭的平均直径与气体喷雾器和/或捕获板沿着基础轴线的连续运动速度密切相关。在喷射液滴经过一段时间的总体沉积量是均匀的情况中，由于气体喷雾器和/或捕获板的单独或混合运动速度必须与铸锭平均直径的平方成反比。换句话说，当判断喷射液滴均匀地沉积在铸锭的整个顶面上并且保持沉积量在一段时间上是相同的话，沿着基础轴线的连续运动的上述速度必须与铸锭直径的平方成反比地降低。
在铸造圆形铸锭的情况中，为了产生喷射液滴在铸锭的整个顶面(60)上均匀沉积，适当调节每个熔融喷射物的沉积半径以及喷射液滴由于喷射液滴的相对转动运动而在圆周方向上的分布就足够了。但是，在试图生产更大直径的铸锭的情况中，必须额外控制喷射液滴沿着径向方向的质量分布。也就是说，如果每个区域单元在顶面上的宽度大于由相应的熔融喷射物形成的沉积区域，则可以通过使喷射液滴沿着铸锭顶面上的半径在直线中前后运行来控制喷射液滴沿着径向方向的质量分布。因此，通过圆周方向的运动和附加的径向运动来同时控制质量分布将在直径更大的铸锭的整个顶面上产生一种更加均匀的生长。
为了使喷射液滴在铸锭顶面的中心和外面之间的径向直线中行进，气体喷雾器必须沿着径向直线路径摇晃并且保持均匀的高度。但是，对于这种运动而言，喷雾器和与该喷雾器相连的中间包(33)以及在中间包内的熔融合金应该一起进行来回运动。因此，中间包的来回运动使得难以安全地将熔融合金内容物装在中间包内并且很容易引起与工作相关的意外事故。而且，在使用多个气体喷雾器的情况中，难以单独地使气体喷雾器来回运动。因此，在本发明中，气体喷雾器(43)和/或捕获板(62)沿着基础轴线(31)往复运动，并且因此沿着基础轴线在每个气体喷雾器(43)和铸锭(60)的顶面之间的相互距离周期性地变化。
图10显示出喷射液滴在铸锭顶面上根据沿着基础轴线在气体喷雾器(43)和铸锭(60)的顶面之间的相互距离的变化而进行的径向往复运动。如果沿着基础轴线的相互距离较小，如在H0中，则喷射液滴将沉积在铸锭顶面的外径向区域上，并且喷射液滴的沉积将随着相互距离增加而朝着中心半径区域移动。当最大相互距离到达时，如在H1中，则喷射液滴将沉积在中心半径区域处。喷射液滴从最大外径(rmax)经过最小内径(rmin)然后再次会到最大外径所需要的时间是往复运动周期(t0)，并且Δh(＝H1-H0)为往复运动幅度。
如上所述，为了使喷射液滴相对于铸锭沿着基础轴线转动，气体喷雾器(43)和/或捕获板(62)必须被设定成绕着基础轴线(31)转动。同样，为了使喷雾器和铸锭顶面之间沿着基础轴线的相互距离周期性变化，气体喷雾器(43)和/或捕获板(62)必须被设定成沿着基础轴线(31)进行往复运动。
图11显示出源于气体喷雾器和铸锭的相对运动和往复运动的九种不同组合的用于铸锭的喷射铸造方法。方法1-3(在这种情况中，气体喷雾器往复运动但是捕获板没有往复运动)分别对应于只是气体喷雾器转动、只是捕获板转动以及气体喷雾器和捕获板同时转动。方法4-6(在这种情况中，捕获板往复运动但是气体喷雾器没有往复运动)分别对应于只是喷雾器转动、只是捕获板转动以及气体喷雾器和捕获板同时转动。方法7-9(在这种情况中，气体喷雾器和捕获板同时进行往复运动)分别对应于只是喷雾器转动、只是捕获板转动以及气体喷雾器和捕获板同时转动。
在方法1-3中，气体喷雾器沿着基础轴线往复运动。在气体喷雾器沿着基础轴线上升时，喷射液滴的沉积位置朝着铸锭顶面的中心移动；并且在气体喷雾器沿着基础轴线下降时，沉积位置向外移动。气体喷雾器的往复运动扩大了喷射液滴沿着铸锭顶面的半径的沉积面积，并且有助于在铸锭顶面上方的空间中混合飞行的液滴。在方法1的情况中，因为气体喷雾器往复运动并且转动，飞行液滴实际上在三维上沿着圆周方向和垂直方向混合。因此，如果采用方法1的话，则它提供喷射液滴的最均匀的沉积。如果采用方法2的话，则因为气体喷雾器往复运动并且捕获板转动，所以它是一种合适的用于大直径铸锭的生产方法。
在方法4-6中，捕获板(62)沿着基础轴线往复运动。当捕获板沿着基础轴线上升时，喷射液滴的沉积位置向外；相反，当捕获板下降时，沉积位置向内移动。当捕获板只是往复运动时，难以使喷射液滴实际上在铸锭顶面上方的空间中混合，并且这些喷射液滴仅仅在它们沉积在铸锭顶面上时混合。与使气体喷雾器往复运动相比这更容易实现使捕获板往复运动的设计。在方法4中，气体喷雾器转动同时捕获板往复运动，并且在方法5中，捕获板同时转动和往复运动。方法4和5有助于相对容易地安装以生产大直径铸锭。
一般来说，喷射铸造铸锭超过1m长，而且较重。因此，由于铸锭长度较长且重量较重，所以不容易实现附着在捕获板上的铸锭以较高的运动速度和较宽的幅度变化进行往复运动。同样，对于气体喷雾器而言也难以产生高幅度的往复运动，因为装有熔融合金的中间包必须一起进行往复运动。在这种情况中，如在方法7-9中一样，气体喷雾器(43)和捕获板(62)可以同时沿着相反的方向往复运动。通过这种同步运动，往复运动的相应幅度可以减半，因此可以实现实际上提高幅度的效果。这时，当气体喷雾器上升时，捕获板必须下降；另一方面，当气体喷雾器下降时，捕获板应该上升。这两种彼此相反的运动必须同时出现。而且，与方法1-4相比，因为它通过两种相反的同时运动而使相应的幅度减半并且将往复运动周期减半，所以它有利于在相同的时间段内产生更大的运动和更频繁的运动循环。
另外，如图10中所示，气体喷雾器和铸锭顶面之间沿着基础轴线的相互距离在循环中是变化的。当相互距离减小时，喷射液滴在铸锭顶面上的沉积位置向外移动；而当相互距离增加时，沉积位置向内移动。而且，在相互距离更大的情况中，由于飞行距离更长并且另外在沉积位置处喷射宽度增加，所以飞行的液滴经历更长的时间才被冷却或固化直到它们沉积。因此，当相互距离增加时，喷射液滴温度在沉积位置处降低，并且加宽的喷射宽度促进了含在喷射液滴中的热量有效地散发出。当相互距离较小时，则喷射液滴的温度在沉积位置处较高。而且，因为喷射宽度在沉积位置处较窄，所以它具有将热量聚集在较小区域中的效果。一般来说，由于散热困难，所以铸锭的内部非常热，相反由于雾化气体所以铸锭的外部不受欢迎地被冷却。因此，这个过程在铸锭内部和外部之间产生巨大的温差。这种巨大温差会使在铸锭内部出现局部微观结构不均匀，并且会在热膨胀系数更高的合金中产生内部裂纹。但是，在采用相互距离是周期性变化的本发明中，温度更低的喷射液滴沉积在铸锭顶面中心附近，而温度更高的液滴堆积在铸锭顶面的外半径上。因此，本发明的方法有利于有效地减小在传统可用的喷射铸造方法中出现的铸锭内部的温度梯度。
为了促进铸锭的整个顶面均匀生长，应该避免喷射液滴沿着径向方向进行速度固定的往复运动，并且往复运动速度应该被控制作为沉积半径的函数。也就是说，当喷射液滴的沉积位置在中央时，往复运动速度应该较高；另一方面，当它们的沉积位置向外移动时往复运动速度应该降低。通过这种控制，喷射液滴的沉积量可以在铸锭的整个顶面上均匀，并且可以实现均匀的生长速度。
如在图12a中所示一样，如果假定喷射液滴围绕着基础轴线以固定的角速度转动同时沿着径向方向在直线中以变化的速度进行往复运动，则可以计算出往复运动速度v和径向位置r之间的关系。喷射液滴应该位于在径向位置r1处并且以往复运动速度v1行进。喷射液滴在无穷小的时间Δt期间的运动在铸锭顶面上覆盖着ΔA1的沉积面积。另一方面，在半径r2处并且往复运动速度为v2的喷射液滴在无穷小的时间Δt期间运行了ΔA2的沉积面积。这些面积ΔA1和ΔA2必须相同以便产生均匀的铸锭生长速度，因为喷射液滴在一段时间上的沉积量在相应的沉积区域处是相同的。这个关系可以用<数学公式2>来表示。[数学公式2](2r1+Δr1)·Δr1＝(2r2+Δr2)·Δr2这里，Δr＝vΔt，并且(2r+Δr)可以大约为2r。将它们代入<数学公式2>得到以下结论，r乘以v必须是与径向位置无关的常数，从而给出<数学公式3>。[数学公式3]r1·v1＝r2·v2＝常数这意味着，喷射液滴的往复运动速度与径向位置成反比。即，这些喷射液滴在铸锭顶面的中心处必须移动得更快，而在它们向外移动时移动得更慢以便使这些喷射液滴均匀地沉积。
图12b显示出当喷射液滴以固定的角速度转动并且以与径向位置成反比的速度往复运动时在铸锭(60)顶面上的沉积位置的路径。铸锭顶面的外部区域接收到更少量的喷射液滴，因为它们必须以更大的切向速度沿着更大的圆周运行。为了补偿沿着半径的这个减小的沉积量，往复运动速度必须降低以增加沿着相邻半径的喷射延迟时间。因此，在转动的切向速度较高的外部区域中，喷射液滴应该以更密集的径向间隔沉积；并且当它们向内移动时，因为转动的切向速度降低所以径向间隔应该加大。
将v(t)＝dr(t)/dt代入<数学公式3>中得出差分方程。通过使用初始边界条件，该差分方程可以被解出并且最终用下面作为时间函数的位移和速度的方程式简化为<数学公式4>。[数学公式4]r(t)＝rmax·f(t)，v(t)=umintanφ·f(t)]]>h(t)＝rmax·tanφ·[1-f(t)]，u(t)=uminf(t)]]>f(t)=1-2·umin·trmax·tanφ]]>在该公式中，r(t)代表随着时间在铸锭(60)顶面上的径向位置；v(t)代表喷射液滴在铸锭顶面上沿着径向方向的运动速度；h(t)代表由气体喷雾器和/或捕获板沿着基础轴线的往复运动而产生的位移距离；u(t)代表气体喷雾器和/或捕获板沿着基础轴线的往复运动速度；rmax代表喷射液滴沉积处的最大外半径；umin代表气体喷雾器和/或捕获板的最小往复运动速度；φ代表气体喷雾器的喷射轴(44)和铸锭(60)的顶面之间的夹角；t代表时间。
上述<数学公式4>只在0-t0/2的时间范围内有效。当超出这个范围时，如在图13中所示，通过以周期性方式施加上述运动公式曲线来完成该运动。为了说明图13b，首先喷射液滴以最小速度(-vmin负值)从铸锭外面移动到中心。该运动速度随着它们靠近中心移动而增加。在t0/2处，喷射液滴达到最小径向位置，在该位置处获得最大速度(-vmax负值)。在该最小径向位置处，运动方向必须沿着相反的方向瞬时变化。这时，运动开始以最大速度(vmax正值)并且运动速度随着喷射液滴向外移动而减慢。在t0处，当它们到达最大径向位置时获得最小速度(vmin正值)。之后，将这个设定作为运动循环，然后重复该循环。
但是如上所述，因为产生均匀沉积的径向运动的理论速度是不连续的，并且具体地说运动方向必须瞬时改变到最大数值，因此这在实际上是难以进行的。因此，其速度在大多数路程上与径向位置成反比的连续往复运动是理想的。图14b显示出根据本发明在整个路程上的连续运动。这样，在运动速度中的连续性可以获得，因为运动方向设置可以在最大速度处平稳地变化。这个连续性有利于使气体喷雾器(43)或捕获板(62)往复驱动且没有过多的负载。图14a显示出径向位置的变化，并且与图13a相比，显示出运动方向变化的更平稳的过渡。图14c显示出作为时间函数的气体喷雾器和/或捕获板的相对往复运动的位移的变化。这没有尖头，从而显示出平稳运动的特征。
如在图12b中所示一样，因为喷射液滴相对于生长铸锭进行同时转动和往复运动，所以该往复循环必须根据转动循环进行适当地调节以便在铸锭的顶面(60)上具有均匀的沉积。图15a和15b显示出当往复运动循环比转动循环长得多时即在每一个往复运动循环中有多个转动循环的情况中喷射液滴在铸锭顶面上的沉积路径。图15a显示出当往复运动和转动的循环比为8.375时在采用图14的连续往复运动时喷射液滴的沉积路径。这显示出喷射液滴均匀沉积在铸锭的整个表面上。具体地说，通过更频繁地将喷射液滴重叠在外部区域上可以增加在顶面的外部区域上的沉积量。一般来说，在传统喷射铸造方法的情况中，由于更多量的喷射液滴流进中心区域而已经获得了凸起顶面。但是，本发明的工艺降低了凸起顶面并且形成平坦的顶面。
另一方面，图15b显示出当往复运动与转动运动的循环比正好为8时喷射液滴的沉积路径。每一个往复循环具有8次转动的路径与下一个循环相同，因此伴随着相同的曲线。因此，当往复运动与转动比为正整数时，因为重复进行喷射液滴的准确路径，所以在铸锭的整个顶面上难以获得均匀的喷射沉积。
图15c和15d显示出当转动循环相对于往复运动循环长得多时即当喷射液滴在每一个转动循环中进行许多个往复运动循环时的喷射液滴的沉积路径。图15c显示出当转动与往复运动的循环比为8.375时的喷射液滴的沉积路径。发现喷射液滴均匀地沉积在铸锭的顶面上。在该情况中，因为通过使喷射液滴在中心区域中更频繁地重叠从而使中心区域比外部区域接收到更多量的喷射液滴，所以可能出现一种凸起顶面。
另一方面，图15d显示出当转动与往复运动的循环比正好为8时的喷射液滴的沉积路径。因为每一个转动循环中有8个往复运动循环，所以喷射液滴不会均匀地沉积在铸锭顶面上。可以生产出具有八根对称轴的八叶形铸锭，并且在横断面铸锭的八个叶之间填充有许多孔隙。因此，即使在转动与往复运动循环的比率正好为正整数的情况中，与在图15b中所示的情况一样，因为喷射液滴保持沿着相同路径进行正确地运动，所以难以在铸锭顶面上获得均匀的喷射沉积。考虑到上述四种情况，最理想的情况是当往复运动循环比转动循环长得多并且往复运动与转动循环的比率不是正数时，因为它导致在铸锭顶面上形成最均匀的喷射液滴沉积。[实施方案2]在实施方案1的情况中，因为气体喷雾器的相对转动运动的角速度是很定的，所以可以生产圆形铸锭。通过使气体喷雾器相对于捕获板的相对转动的角速度周期性变化，从而可以生产三角形、方形或五边形铸锭。图16显示出在生产方形钢锭中气体喷雾器所必须进行的运动。为了形成方形钢锭的四个角，每个角部必须接收额外的喷射液滴沉积。因此，气体喷雾器的转动角速度必须在气体喷雾器相对于不转动的捕获板转动每1/4圈时周期性地降低。另一方面，当气体喷雾器没有转动而捕获板转动时，也可以通过在捕获板相对于气体喷雾器转动每1/4圈时周期性地降低角速度来生产出方形铸锭。
下面对在方形铸锭生产中所用的气体喷雾器(43)和/或捕获板(62)的转动运动进行详细地说明。气体喷雾器或捕获板的相对转动的角速度必须被控制成为转动中心角度(θ)的函数以便生产出方形钢锭。换句话说，在方形钢锭的四个侧面的中心处的运动应该较快，而在靠近四个角部时转动速度必须降低。这样，通过将每个中心角度的平均沉积量控制成相等，从而可以实现铸锭均匀生长。如图16b中所示，通过假定喷射液滴相对于不转动的捕获板以周期性变化的角速度ω(t)绕着基础轴线转动，从而可以计算出角速度ω和转动中心角θ之间的关系。
假定喷射液滴应该位于中心角θ1处并且以转动角速度ω1行进。喷射液滴在无穷小的时间Δt内的转动在铸锭顶面上覆盖了ΔA1的沉积区域。另一方面，在中心角度θ2处并且角速度为ω2的喷射液滴在无穷小的时间Δt内经过了ΔA2的沉积区域。这些区域ΔA1和ΔA2必须相同以便形成均匀的铸锭生长速度，因为喷射液滴经过一段时间的沉积量在相应的沉积区域处是相同的。这种关系可以以下面的<数学公式5>来表示。[数学公式5]sinΔθcosθ1cos(θ1+Δθ1)=sinΔθ2cos2cos(θ2+Δθ2)]]>这里，Δθ＝ωΔt，并且因为Δθ非常小，所以θ+Δθ大约等于θ，并且sinΔθ大约等于Δθ。将它们代入<数学公式5>得出下面的<数学公式6>。[数学公式6] 将ω(t)＝dθ(t)/dt代入<数学公式6>得出一种差分方程。通过使用初始边界条件，该差分方程可以被解出并且最终用下面作为时间函数的中心角度和角速度的方程式简化为<数学公式7>。
θ(t)＝ArcTan(ω0t)ω(t)=ω01+(ω0t)2]]>在该数学公式中，θ(t)代表在铸锭(60)的顶面上随着时间的转动中心角度；ω(t)代表在中心角度θ(t)处喷射液滴的角速度；ω0代表初始角速度；并且t代表时间。
当气体喷雾器的转动循环为tr时，<数学公式7>的有效范围在0≤t≤tr/8(1/8转动或0°≤θ≤45°)。一旦超出这个范围，如图15c中所示，通过以周期的方式实施上述运动公式曲线来实现该运动。首先，喷射液滴的转动以初始角速度ω0开始，然后该角速度降低近乎成扇形，并且当到达角部时它为初始数值ω0的一半。
仅仅通过气体喷雾器相对于捕获板进行相对转动运动就可以进行方形铸锭生产，所述转动运动被控制成在每1/4圈周期性地降低其角速度。但是，除了该转动运动之外，如果喷射液滴沉积路径被调节为方形，则它将在生产方形铸锭中更加有效。为了使喷射沉积在铸锭顶面上形成如在图16b中的虚线中所示的有限方形路径，气体喷雾器或捕获板应该在气体喷雾器或捕获板每转动1/4圈时沿着基础轴线进行往复运动。
下面对在生产方形铸锭中气体喷雾器的转动和往复运动进行详细说明。如由图16b中的虚线所示一样，气体喷雾器(43)必须适当地绕着基础轴线转动并且沿着基础轴线进行往复运动以便使喷射液滴在铸锭的顶面上沿着方形路径沉积。这时，气体喷雾器在每转动1/4圈时完成依次往复运动循环，并且两个运动的起始点和终点应该彼此一致。通过简单的几何考虑，如在<数学公式8>中所示一样，可以计算出作为时间函数的方形路径沉积的往复运动位移y(t)及其所得到的喷射液滴的沉积半径r(t)。
y(t)=b·tanφ·(2-1+(ω0t)2),]]>r(t)=b·1+(ω10t)2]]>这里，上述<数学公式8>在0≤t≤tr/8(0°≤θ≤45°)的范围内有效，并且b代表喷射液滴的最小沉积半径。如在图15d和15e中所示，一旦超出这个范围，则当将上述运动曲线周期性地应用到连续运动时该运动继续。喷射液滴最初沉积在径向位置b中，并且气体喷雾器在它转动时逐渐朝着铸锭顶面运动。当它已经转动了45度时，喷射液滴的沉积半径增加到1.414b。如果它进一步转动，则气体喷雾器移动离开铸锭的顶面，并且当转动过90度时，沉积径向位置再次降低到b。如果这个过程连续地重复进行的话，则可以通过在方形的每个角部周围降低气体喷雾器的转动速度并且因此在铸锭的顶面上形成正方形沉积路径，从而可以获得具有均匀生长速度的方形铸锭。如上所述，可以通过在每转动1/4圈改变气体喷雾器的角速度和相对高度来在固定捕获板的条件下生产出方形铸锭。相反，当气体喷雾器是固定的时，也可以在转动捕获板在每转动1/4圈改变其角速度并且在每转动1/4圈按照y(t)进行往复运动时生产出一个方形铸锭。
除了方形铸锭之外，可以通过本发明的生产方法生产三角形或五边形铸锭。如果我们希望生产具有n条边的规则多边形铸锭的话，则应该在每转动1/n圈中周期性改变转动角速度和相对高度差。可以通过经过<数学公式5>到<数学公式8>的类似过程来获得用于上述过程的适当的运动方程。而且，在方形铸锭生产过程中所使用的气体喷雾器数量必须为4的约数1、2或4以便能够形成方形形状。同样，在n边形铸锭中使用的喷雾器数量必须为n的约数。
当生产如在图16中所示的方形铸锭时，因为喷射液滴在它们转动期间跟随这相同的沉积路线，所以难以生产出具有长边的方形铸锭。如果想要生产具有较长边的方形铸锭的话，则要进行以下步骤以扩大喷射液滴的沉积区域(i)当气体喷雾器转动并且进行往复运动时，如在图14中所示一样，使捕获板按照h(t)函数进行往复运动；(ii)当捕获板正在转动并且进行往复运动时，使气体喷雾器按照h(t)函数进行往复运动。
图17显示出气体喷雾器的角速度ω(t)在每转动1/4圈中的周期性变化，有助于方形沉积路径的气体喷雾器的往复运动位移y(t)，以及捕获板沿着基础轴线按照h(t)函数进行的附加往复运动，以便扩大沉积区域。如在图17b中所示，通过这三种类型的运动，喷射液滴在铸锭顶面的边缘周围画出方形沉积路径并且在铸锭顶面的中心周围画出星形沉积路径。图17e显示出当捕获板往复运动与气体雾化器的循环比为2.375时铸锭顶面上的喷射液滴的沉积半径。这里，气体喷雾器具有相对较低的往复运动幅度Δy，从而有助于形成方形沉积路径，同时捕获板往复运动以便扩大具有相对较高幅度Δh的沉积区域。如在图17e中所示，在由上述两种往复运动的组合形成的沉积半径的取向中形成锯齿形突起。
在生产如上所述具有长边的铸锭的情况中，为了使喷射液滴在铸锭(60)的顶面上形成均匀的沉积，捕获板往复运动与气体喷雾器转动的循环比必须进行适当地调节。图18a显示出在上述循环比为2.375的情况中在经过50次转动之后这些喷射液滴的沉积路径。发现这些喷射液滴在铸锭的顶面边缘处沿着方形路径沉积。当它们移动到中心时，沉积路径改变成星形图案，并且在整个顶面上可以获得相对均匀的沉积。这样，通过利用上述过程，可以通过使喷射液滴在铸锭的整个顶面上均匀沉积来生产出具有长边的铸锭。
另一方面，图18b显示出当捕获板往复运动与气体喷雾器转动的循环比为正数2时喷射液滴的沉积路径。在采用正整数比率的情况中，我们发现因为喷射液滴的沉积路径反复地跟随相同的路径，所以不能得到均匀的沉积。如上所述，生产具有长边的铸锭不仅涉及气体喷雾器的转动ω(t)和往复运动y(t)而且还涉及捕获板的附加往复运动h(t)。相反，可以通过转动捕获板在每1/4转的周期性角速度变化ω(t)同时使捕获板进行往复运动位移y(t)以形成方形沉积路径并且使气体喷雾器沿着基础轴线进行附加的往复运动h(t)以扩大沉积区域来实现相同的效果。
图19显示出根据本发明的另一个优选实施方案的用于喷射铸造金属和合金铸锭的设备。正好在装有熔融金属或合金(32)的中间包(33)的下面，设有一个或多个围绕着基础轴线连接在圆周上的气体喷雾器(43)。这些气体喷雾器具有0-90度的喷射角度(35)，并且它们的喷射轴(44)面对着捕获板(62)，从空间控制的方面看，最好使它们围绕着基础轴线沿着环形布置。捕获板(62)应该设置成处于下落喷射液滴的路径中并且垂直于基础轴线。为了使气体喷雾器(43)和/或捕获板(62)绕着基础轴线转动，设有气体喷雾器转动装置(82)或捕获板转动装置(83)。一旦喷射铸造正在进行并且铸锭生长进行，则捕获板线性驱动装置(84)准备使捕获板(62)沿着基础轴线连续运动以便使在气体喷雾器和生长铸锭的顶面之间的距离保持均匀。而且，另外可以设置气体喷雾器往复运动装置(86)或捕获板往复运动装置(87)以便使气体喷雾器(43)和/或捕获板(62)沿着基础轴线(31)进行往复运动。
下面将结合铸锭喷射铸造的实时过程来对该实施方案的详细结构和操作进行说明。
在基础轴线(31)周围设有形状为矩形或圆形的长的、竖立和固定的喷射腔室(79)。上喷射腔室(52)覆盖着喷射腔室，并且该上喷射腔室具有切开的锥形顶视图。装有熔融金属或合金(32)的中间包(33)位于上喷射腔室的上方。将通过采用电弧炉或感应熔融炉提前熔融的熔融合金提供给中间包(33)。熔融喷口(34)位于中间包(33)和气体喷雾器(43)之间，从而穿透到中间包的底部。另外，塞子(36)正好设置在每个熔融喷口(34)上面并且控制熔融合金向下流到气体喷雾器。最初，正好安装在中间包下面的熔融喷口(34)由塞子(36)关闭。但是，一旦将熔融合金(32)放进中间包，则熔融合金到达特定的水平，塞子打开，并且熔融合金通过熔融喷口(34)并且向下流到气体喷雾器(43)。
通过沿着基础轴线(31)位于中间的供气管道(41)来提供用于气体喷雾器的高压气体。从供气管道的中央发出，该供气管道分开并且通向每个喷雾器外壳(42)。这些气体喷雾器(43)安装在每个气体喷雾器外壳的特定位置处并且穿透进相应的气体喷雾器外壳。气体喷雾器固定销(49)正好设在上腔室(52)下面以固定进上喷射腔室中。因此，这些气体喷雾器(43)和上腔室(52)相连并且成一体地运动。通过气体喷雾器的熔融合金(32)通过气体喷流(45)转变成喷射液滴，从而在气体喷雾器的下面部分流出，并且喷射液滴朝着捕获板下落。飞行特定距离的喷射液滴附着在捕获板(62)上并且继续沉积，并且铸锭生长。
气体喷雾器(43)和/或捕获板(62)必须绕着基础轴线(31)转动以便将具有圆周方向均匀性的喷射液滴沉积在铸锭的顶面上。虽然气体喷雾器和捕获板可以相互转动，但是处于简化设计的考虑，更容易使其中一个转动。因此，使气体喷雾器转动装置(82)或捕获板转动装置(83)中的一个绕着基础轴线转动就足够了。
气体喷雾器转动装置(82)由上腔室驱动轴(56)、直角交叉齿轮(57)和上腔室转动马达(55)构成。使上腔室转动的上腔室转动马达(55)设置在上腔室支撑件(53)下面。上腔室(52)的转动通过直角交叉齿轮(57)和上腔室驱动轴(56)传递。因此，该运动也导致气体喷雾器外壳(42)和气体喷雾器(43)转动，它们通过气体喷雾器固定销(49)组合在一起。对于直角交叉齿轮而言，可以使用零交叉齿轮、螺旋交叉齿轮、直角交错轴双曲面齿轮或蜗轮。
捕获板转动装置(83)的设置必须与捕获板线性驱动装置(84)一起考虑，因为捕获板必须沿着铸锭生长方向的相反方向运动。捕获板转动装置(83)由捕获板转动马达(71)、内部花键轴(72)和外部花键轴(73)构成。内部花键轴(72)与其长凹槽一起与捕获板转动马达(71)的中心轴连接，并且外部花键轴(73)可以上下运动，并且被内部花键轴(72)穿透。外部花键轴固定在捕获板上并且与之一起运动。当捕获板转动马达(71)转动时，内部花键轴(72)、外部花键轴(73)、捕获板(62)和铸锭(61)都转动。
而且，捕获板线性驱动装置(84)由捕获板马达(74)、螺纹轴(77)、螺母板(78)、捕获板驱动轴(65)和外部花键轴(73)组成。当捕获板驱动马达(74)转动时，转动通过连接链条(75)传递给链轮(76)和螺纹轴(77)上。螺纹轴(77)的转动将转变成螺母板(78)的线性运动。这时，位于螺母板上方的捕获板驱动轴(65)、外部花键轴(73)、捕获板(62)和铸锭(61)都将沿着基础轴线连续运动。尤其是，因为外部花键轴(73与内部花键轴(72)一起转动并且同时绕着它滑动，所以可以实现捕获板进行转动并且连续线性运动。
对于喷射铸造工艺而言使气体喷雾器(43)或捕获板(62)中的一个转动就足够了。但是，当两者都转动时，捕获板和气体喷雾器必须控制成沿着相反的方向转动。除了这个转动运动之外，气体喷雾器和/或捕获板沿着基础轴线的往复运动将是更加有益于制备大直径铸锭。在本发明的情况中，如图20中所示，另外可以设有气体喷雾器往复运动装置(86)或捕获板往复运动装置(87)。它们用于使气体喷雾器(43)和/或捕获板(62)沿基础轴线(31)往复运动。虽然可以将往复运动施加给气体喷雾器和捕获板，但是由于简化设计的缘故，更容易设置一个往复运动装置。因此，仅仅设置一个气体喷雾器或捕获板的往复运动装置就足够了。
至于气体喷雾器往复运动装置(86)，最简单的方法是安装具有在图10中所示的轮廓的凸轮。除了该方法之外，可以采用程序控制的步进马达或液压伺服马达。在其它设计细节中，可以将气体喷雾器往复运动装置凸轮(55)安装在上腔室支撑件(53)下面，并且上腔室支撑件(53)在气体喷雾器往复运动装置凸轮(54)转动时沿着基础轴线往复运动。因为气体喷雾器外壳(42)和上腔室(52)通过气体喷雾器固定销(49)组合在一起，所以上腔室、气体喷雾器外壳(42)和气体喷雾器(43)都可以进行往复运动。
在捕获板往复运动装置(87)的情况中，其结构与气体喷雾器往复运动装置(86)非常类似。捕获板驱动部分支撑件(68)支撑着捕获板驱动外壳(67)并且安装在它下面；然后捕获板往复运动凸轮(69)安装在捕获板驱动部分支撑件(68)下面。捕获板往复运动凸轮(69)的转动引起捕获板驱动部分支撑件(68)的往复运动，并且反过来导致捕获板(62)与在其上的铸锭(61)一起进行往复运动。在用于铸锭生产的喷射铸造工艺中使气体喷雾器(43)或捕获板(62)中的一个进行往复运动就足够了。但是，在想要两个都进行往复运动的情况中，气体喷雾器和捕获板必须在相同的循环中彼此沿着相反的方向进行往复运动。
通过将相对转动运动与气体喷雾器和捕获板之间的相对往复运动结合，从而喷射液滴可以均匀地沉积在铸锭的整个顶面上，并且因此可以获得均匀的铸锭生长。这时，可以通过使捕获板沿着铸锭生长的相对方向连续地运动来生产直径均匀的长铸锭。
通过采用如下方法(i)使用多个气体喷雾器来适当控制每个喷射物的沉积位置；(ii)使气体喷雾器和组定之间进行相互方向相反的转动；另外(iii)使气体喷雾器和铸锭顶面之间进行方向彼此相反的往复运动来扩大沉积区域并且使喷射液滴质量分布均匀，从而本发明能够制造具有均匀微观结构的大直径铸锭。而且，本发明能够通过使用多个气体喷雾器来提高喷射铸造的生产速度，并且通过控制气体喷雾器和铸锭顶面之间的相对转动和往复运动的循环来生产有角度的铸锭。
权利要求
1.一种形成金属或合金铸锭的方法，包括以下步骤将多个气体喷雾器设置在基础轴线周围，其中所述气体喷雾器的喷射轴在角度上与所述基础轴线间隔0-90度；从所述气体喷雾器中喷射出熔融金属或合金液滴；将捕获板设置在所述喷射液滴的路径中；通过将所述喷射液滴连续沉积在所述捕获板的顶面上来形成铸锭块，从而使所述铸锭沿着所述基础轴线生长；使所述气体喷雾器和/或所述捕获板绕着所述基础轴线转动以便使所述喷射液滴在所述铸锭顶面上沿着圆周均匀分布；并且使所述气体喷雾器和/或所述捕获板沿着所述基础轴线连续运动以便使在每个所述气体喷雾器和所述铸锭的顶面之间的距离保持均匀。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述气体喷雾器围绕着所述基础轴线设置以便使从所述气体喷雾器喷出的每个熔融喷射物沉积在所述铸锭顶面上相同的径向位置处。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述气体喷雾器围绕着所述基础轴线设置以便使从所述气体喷雾器喷出的每个熔融喷射物沉积在所述铸锭顶面上相应不同的径向位置处。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述气体喷雾器绕着所述基础轴线以均匀的角速度转动，并且所述捕获板不转动。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述捕获板绕着所述基础轴线以均匀的角速度转动，并且所述气体喷雾器不转动。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述气体喷雾器绕着所述基础轴线以可周期性变化的角速度转动，并且所述捕获板不转动。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述捕获板绕着所述基础轴线以可周期性变化的角速度转动，并且所述气体喷雾器不转动。
8.如权利要求1-7中任一所述的方法，其中包括以下步骤，使所述气体喷雾器和/或所述捕获板沿着所述基础轴线往复运动以便使所述喷射液滴在所述铸锭顶面上沿着径向线来回运动。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述气体喷雾器以固定的往复运动幅度沿着所述基础轴线进行往复运动，并且所述捕获板不进行往复运动。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述捕获板以固定的往复运动幅度沿着所述基础轴线进行往复运动，并且所述气体喷雾器不进行往复运动。
11.一种形成金属或合金铸锭的方法，包括以下步骤从其喷射轴在角度上与基础轴线间隔0-90度的气体喷雾器中喷射熔融金属或合金液滴；将捕获板设置在所述喷射液滴的路径中；通过将所述喷射液滴连续沉积在所述捕获板的顶面上来形成铸锭块，从而使所述铸锭沿着所述基础轴线生长；使所述气体喷雾器和/或所述捕获板绕着所述基础轴线转动以便使所述喷射液滴在所述铸锭顶面上沿着圆周均匀分布；并且使所述气体喷雾器和/或所述捕获板沿着所述基础轴线连续运动以便使在所述气体喷雾器和所述铸锭的顶面之间的距离保持周期性变化。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述气体喷雾器以均匀的角速度绕着所述基础轴线转动，并且所述捕获板没有转动。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述捕获板以均匀的角速度绕着所述基础轴线转动，并且所述气体喷雾器没有转动。
14.如权利要求11-13之一所述的方法，其中使用围绕着所述基础轴线设置的多个气体喷雾器。
15.一种形成金属或合金铸锭的方法，包括以下步骤从其喷射轴在角度上与基础轴线间隔0-90度的气体喷雾器中喷射熔融金属或合金液滴；将捕获板设置在所述喷射液滴的路径中；通过将所述喷射液滴连续沉积在所述捕获板的顶面上来形成铸锭块，从而使所述铸锭沿着所述基础轴线生长；在所述气体喷雾器或所述捕获板每转动1/4圈中使所述气体喷雾器或所述捕获板以周期性变化的角速度绕着所述基础轴线转动；并且使所述气体喷雾器或所述捕获板沿着所述基础轴线连续运动以便使在气体喷雾器或捕获板的每1/4圈转动中所述气体喷雾器和所述铸锭的顶面之间的距离保持周期性变化。
16.如权利要求15所述的方法，其中使用两个或四个相互对称地对中在所述基础轴线上的气体喷雾器。
17.一种形成金属或合金铸锭的设备，它包括装有熔融金属或合金的中间包；气体喷雾器，其喷射轴在角度上与所述基础轴线间隔0-90度且其设置在所述中间包下面；设置在从所述气体喷雾器喷出的喷射液滴路径中的捕获板；用于使所述捕获板绕着所述基础轴线转动的装置；用于使所述捕获板沿着所述基础轴线往复运动的装置；以及用于使所述捕获板沿着所述基础轴线进行连续运动的装置。
18.如权利要求17所述的设备，其中多个气体喷雾器围绕着所述基础轴线设置。
19.一种形成金属或合金铸锭的设备，它包括装有熔融金属或合金的中间包；气体喷雾器，其喷射轴在角度上与所述基础轴线间隔0-90度且其设置在所述中间包下面；设置在从所述气体喷雾器喷出的喷射液滴的路径中的捕获板；用于使所述气体喷雾器绕着所述基础轴线转动的装置；用于使所述气体喷雾器沿着所述基础轴线往复运动的装置；以及用于使所述气体喷雾器沿着所述基础轴线进行连续运动的装置。
20.如权利要求19所述的设备，其中多个气体喷雾器围绕着所述基础轴线设置。
21.一种形成金属或合金铸锭的设备，它包括装有熔融金属或合金的中间包；多个围绕着基础轴线设置在所述中间包下面的气体喷雾器，其中所述气体喷雾器的喷射轴在角度上与所述基础轴线间隔0-90度；设置在从所述气体喷雾器喷出的喷射液滴的路径中的捕获板；用于使所述捕获板绕着所述基础轴线转动的装置；以及用于使所述捕获板沿着所述基础轴线连续运动的装置。
22.一种形成金属或合金铸锭的设备，它包括装有熔融金属或合金的中间包；多个围绕着基础轴线设置在所述中间包下面的气体喷雾器，其中所述气体喷雾器的喷射轴在角度上与所述基础轴线间隔0-90度；设置在从所述气体喷雾器喷出的喷射液滴的路径中的捕获板；用于使所述气体喷雾器绕着所述基础轴线转动的装置；以及用于使所述捕获板沿着所述基础轴线连续运动的装置。
全文摘要
本发明所提供的一种采用喷射铸造来生产金属或合金铸锭的方法和设备。由于以下原因因此能容易制造大直径铸锭并且同时形成均匀的微观结构。首先，通过使用多个气体喷雾器且通过控制其喷射沉积位置来扩大在铸锭顶面上的喷射沉积区域。第二、同时在气体喷雾器和捕获板之间的彼此方向相反的转动使喷射液滴在铸锭的整个顶面上沿着圆周方向均匀沉积。另外，气体喷雾器和铸锭顶面之间的彼此方向相反的往复运动使沉积区域扩大并且使在铸锭顶面上沿着径向方向的喷射沉积均匀。本发明的其它特征在于，通过同时应用多个气体喷雾器从而大大地提高了铸造速度，并且能够通过控制气体喷雾器和捕获板的协同转动或往复运动来生产有角的铸锭。
文档编号B22D23/00GK1411935SQ02147568
公开日2003年4月23日 申请日期2002年10月15日 优先权日2001年10月15日
发明者金敬美, 韩成锡 申请人:金敬美