专利名称：一种强制均匀凝固连续制备金属浆料的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种强制均匀凝固连续制备金属浆料的装置，属于材料成形与加工领域。
背景技术：
细晶化、均质化是现代材料提高性能的基本方向。细小、均质的铸态组织不仅收缩、气孔、偏析、裂纹等铸造缺陷少，铸件机械性能高，而且在以铸坯为原料的各种后续压力加工中，可以改善材料的加工性能，减小组织不均匀、偏析等问题的发生，提高成材率和产品力学性能。因此，近年来，随着加工技术的进步，人们从材料加工工艺角度，为获得细小、均质的微观组织，开发了不少方法与设备，主要有快速冷却、施加外场、控制凝固等方法。其中控制凝固的方法因其对冷却速度要求不高，成本相对较低、容易实现短流程和大规模工业化生产等特点，发展较快。为此，国外已提出的专利有NRC法(EP 0745694 A1)、斜坡冷却法(US 6595266 B2)，CRP法(US 6880613 B2)。NRC法的主要过程是，近液相线温度的金属液体流经一个冷却斜槽或“砧模”形成大量晶核，然后浇入保温容器内，利用金属浆料流动使晶核的分布均匀，并且经过温度均匀化及调整后，把金属浆料送入射压室，进行压铸。采用该工艺生产的浆料质量稳定，但是由于保温容器及温度调整过程的限制，只适合于小件生产，难于满足大工业生产对浆料的连续制备的要求。在斜坡冷却法中，是用有激冷能力的金属流槽代替普通的流槽，金属液体流过流槽时发生型壁形核，大量已形成的晶核被卷入液体中，形成含有大量晶核的金属浆料。该方法虽然设备简单，易于实现连续化生产，但是制备工艺过程控制难度大，浆料质量的稳定性、均匀性难于保证。CRP法是将两流(或多流)金属液体，通过导流管进入一个带有交叉管状流道的反应器，在反应器内交叉混合，发生大量壁面形核，并且在强制对流的作用下，晶核被卷入液体内，形成含有大量晶核的金属浆料。该设备简单，可以连续制备浆料，但是由于液体金属在反应器内的流动属于管内流动，热量的散失完全依靠液体与管壁的热交换，心部液流与壁面液流的温度存在差异，浆料内部温度不均匀，而且两液流交叉混合时间短，晶核分布不均匀；其次该法是在反应器内进行两液流的物质与热量交换，为了混合充分，两液流的管径不能太大，因此不适于处理大流量的金属液流，故生产效率低。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提出一种强制均匀凝固连续制备金属浆料的设备，实现金属浆料连续、稳定、高效制备，满足工业化生产的要求。
为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案一种金属浆料连续制浆设备，其特征在于该设备包括有熔体分散器、制浆室、温控机构、熔体分散器旋转机构，其中，熔体分散器、制浆室、温控机构由内到外同轴安装在托架上，所述的熔体分散器是由供给金属液体的上导流管及熔体分散体组成；所述的制浆室为一个带有锥形底部的圆筒，上部装有盖子，盖子上装有进气管，底部装有下导流管，下导流管与制浆室的锥形底部的中心口对接；温控机构由冷却器与加热器构成，冷却器与加热器环绕着制浆室的外壁；熔体分散器旋转机构是由电机与调频器及传动单元组成，并动力连接熔体分散器。
采用本实用新型的设备进行金属浆料连续制制备，该方法包括下述步骤(1)、将熔炼合格的过热金属，以高于其液相线温度0～100℃的温度，连续不断的浇入上导流管；(2)、金属液体经上导流管流入到熔体分散体，通过伸入到制浆室内的旋转的熔体分散体，将金属液体喷甩到熔体分散体四周的制浆室的内壁上，金属液体沿内壁面流下并混合，同时，制浆室外的控温系统使制浆室的壁温控制在其液相线温度之下0～100℃，金属液体沿制浆室内壁下流时被冷却，金属液体在制浆室锥形底部汇聚，得到固相分数小于30％的金属浆料，金属浆料流入到下导流管，金属浆料在下导流管出口处的温度控制在其液相线温度的-10～10℃；(3)、金属浆料经下导流管流入一个收集器中；或者直接输送到压铸、轧制、模锻等常规设备上进行流变成形；或者连续不断的浇注到结晶器内，制成半固态连铸坯。
本实用新型的均匀化金属浆料连续制浆设备可以是以下两种装置，一种是喷嘴式浆料连续制备装置；另一种是分流盘式浆料连续制备装置。
在喷嘴式浆料连续制备装置中，所述的熔体分散器为喷头，是由所述的上导流管及安装在其底部的喷嘴(分散体)构成，喷嘴伸入制浆室内部，且喷嘴的嘴口与制浆室的内壁相对，熔体分散器旋转机构的传动单元动力连接在所述上导流管的上部的外径上。
在喷嘴式浆料连续制备装置中，喷头的转速为0～300转/分，且≠0。
在喷嘴式浆料连续制备装置中，所述的喷嘴是由管状的喷嘴管和嘴部组成，喷嘴管和嘴部之间有一个喷嘴弯头，喷嘴弯头的折角为90～180°，且≠90°；喷嘴管向下倾斜与喷头轴向夹角为90～150°；嘴部向下倾斜与水平面夹角0～30°，所述的喷嘴口的形状是与喷嘴嘴部轴向夹角90～150°的平面截出的椭圆。
在喷嘴式浆料连续制备装置中，所述的喷嘴为若干个，分别均布在上导流管底部的四周。
所述的喷嘴式浆料连续制备装置可以为若干个，并串联而成，即位于后一个的设备的上导流管连接位于前一个的设备的下导流管。
在分流盘式浆料连续制备装置中，所述的熔体分散器由上导流管和分流盘(分散体)构成，分流盘为旋转轴连接一向下倾斜的圆盘体，圆盘体位于制浆室之内，上导流管穿过制浆室盖子，伸入制浆室内，出口在圆盘体上方，且朝向圆盘体。
在分流盘式浆料连续制备装置中，所述的圆盘体与旋转轴的夹角90～150°；分流盘的转速0～1400转/分，且≠0。
在分流盘式浆料连续制备装置中，所述的上导流管为若干条，分别均布在圆盘体之上方。
在分流盘式浆料连续制备装置中，所述的若干条上导流管，分别通过同种或若干种不同金属液体。
所述的分流盘式浆料连续制备装置可以为若干个，并串联而成，即位于后一个的设备的上导流管连接位于前一个的设备的下导流管。
本实用新型的优点是(1)、本实用新型装置采用旋转分散器连续将大体积或大量的金属液体，分成多流小体积或小量的液体进行处理，能够简便、有效地控制凝固过程，实现金属浆料的均匀、大量、高效、连续化制备，易于满足大工业生产的要求。
(2)、从分散器分散后的熔体沿切线被甩到制浆室内壁，流层厚度小，温度易于控制；在金属液体沿螺旋线路径冲刷制浆室内壁时存在强烈的对流，制浆室内壁形成的大量晶核不断被卷入金属液体，同时在液流汇聚到制浆室底部时，对流依然没有停止，可以使浆料内的晶核、温度分布更加均匀。因此，对金属浆料质量实现稳定、有效地控制。
(3)、本实用新型装置中，浇注的金属液体通过结构简单的分散器获得一定的速度并且分散到金属圆筒内壁进行大量形核并且充分混合，实现金属浆料的均匀化制备，因此，制浆装置简单，易于维护，投资少；同时浆料的冷却时间、冷却速度可以通过调节熔体分散器的转速及控温单元的参数便捷地控制，制浆效率高。
(4)、本实用新型浆料连续制备装置可以为若干个，并串联而成，即位于后一个的设备的上导流管连接位于前一个的设备的下导流管，形成多级控制，更易于浆料中固相分数有效控制，实现S-0-D(SLURRY 0N DEMAND)。
(5)、制浆装置应用范围广、实用性强。连续制备的金属浆料不但可以被直接输送到常规成形设备，利用轧制、压铸、挤压、模锻等常规工艺进行流变成形，也可以制备成坯料，用于各种压力加工。该方法既适合于铝合金浆料的制备，也适合于铜基合金、镁基合金、锌基合金等有色金属浆料及其复合材料的制备。
图1是喷嘴式浆料连续制备装置的结构示意图。图中1喷头，2喷头旋转机构，3托架，4制浆室，5温控系统，6上导流管，7大链轮，8链条，9小链轮，10进气管，11电机与调频器，12喷嘴，13冷却器，14加热器，15下导流管。
图2为喷嘴结构示意图。图中6上导流管，12喷嘴，16保温套。
图3是分流盘式浆料连续制备装置的结构示意图。图中1’分流盘，2’分流盘旋转机构，3托架，4制浆室，5温控系统，6上导流管，7大链轮，8链条，9小链轮，10进气管，11电机与调频器，12’圆盘体，13冷却器，14加热器，15下导流管。
图4为分流盘结构示意图。图中17旋转轴，12’圆盘体。
具体的实施方式喷嘴式浆料连续制备装置主要有喷头1、制浆室4、温控系统5、喷头旋转机构2四个部分，如图1所示，喷头1、制浆室4、温控系统5由内到外同轴安装在托架3上。喷头旋转机构2通过它的大链轮7与喷头1连接。喷头1由上导流管6及安装在其底部的喷嘴12构成，喷头1的上导流管部分与喷头旋转机构2相连接，即喷头旋转机构2的大链轮7安装在上导流管6的上部的外径上，喷嘴12伸入制浆室4内部。制浆室4为一个带有锥形底部的圆筒，上部装有带孔的盖子，其中的孔可供上导流管6从中穿过，盖子上装有进气管10，底部装有下导流管15，下导流管15与制浆室4的锥形底部的中心口对接，金属液体由上导流管6经喷嘴12喷入制浆室4，经冷却形成的浆料由下导流管15流出。冷却器13与加热器14构成控温系统5，冷却器13与加热器14环绕着制浆室4的外壁，分别处于内层和外层。其中，冷却器13是由装有冷却介质的夹套或环管组成，冷却介质可以是气体；加热器14可以是电阻丝或电感应线圈套组成。控温系统5可将制浆室4的壁温控制在要求的范围内。喷头旋转机构2由大链轮7、小链轮9、链条8、电机与调频器11构成，其中，电机与调频器11的输出传动轴连接小链轮9，小链轮9通过链条8与大链轮7连接，电机与调频器11可通过小链轮9、链条8、大链轮7带动喷头1旋转，从而，该喷头旋转机构2可使喷嘴按一定的速度旋转。
如图2所示，上导流管7为一个带底的不锈钢管，管内衬有保温套16，其下部侧面装有喷嘴12。喷嘴12可以是一个或多个，若是为多个，分别均布在导流管的四周。
如图2所示，喷头的转速为0～300转/分，且≠0。
如图2所示，在喷嘴式浆料连续制备装置中，所述的喷嘴是由管状的喷嘴管和嘴部组成，喷嘴管和嘴部之间有一个喷嘴弯头，喷嘴弯头的折角为90～180°，且≠90°；喷嘴管向下倾斜与喷头轴向夹角为90～150°；嘴部向下倾斜与水平面夹角0～30°，所述的喷嘴口的形状是与喷嘴嘴部轴向夹角90～150°的平面截出的椭圆。
本实用新型的喷嘴式浆料连续制备装置可以为若干个，并串联而成，即位于后一个的设备的上导流管连接位于前一个的设备的下导流管。
如图1、图2所示，将熔炼合格的过热金属，以高于其液相线温度0～100℃的温度，连续不断的浇入上导流管6。液体金属经上导流管6底部的喷嘴12喷射到制浆室4的内壁上，上导流管6的转速为0～300转/分，且≠0，金属液体沿内壁面流下并混合，在制浆室4的锥形底部汇聚，得到固相分数小于30％的金属浆料，经制浆室4下部的下导流管15流入一个收集器中。制浆室4外的控温机构5可使制浆室4的壁温控制在液相线温度之下0～100℃。金属液沿制浆室4内壁下流时被冷却，流出下导流管15的温度控制在液相线附上下10℃。述经处理的浆料可经下导流管15流入收集器，也可直接输送到压铸、轧制、模锻等常规设备上进行流变成形，或者连续不断的浇注到结晶器内，制成连铸坯。
如图3、图4所示，分流盘式浆料连续制备装置主要有分流盘1’、制浆室4、温控系统5、分流盘旋转机构2’四个部分，如图2所示，分流盘1’、制浆室4、温控系统5由内到外同轴安装在托架3上。分流盘式浆料连续制备装置与喷嘴式浆料连续制备装置的结构除分别采用分流盘1’和喷头1，在这点上不同之外，其余都相同。至于传动系统虽然名称不一样，其结构都一样，只是分流盘旋转机构2’的大链轮7安装在旋转轴17的上部的位置上，而喷头旋转机构2’的大链轮7安装在上导流管6的上部的外径上。分流盘1’是采用旋转轴17连接一向下倾斜的圆盘体12’，圆盘体12’位于制浆室4之内，并将上导流管6设在圆盘体17的中部之上方，且上导流管6的出口朝向圆盘体17，上导流管6的出口可以制成喷嘴状，上导流管6可以是一条或多条，若是多条均布在圆盘体17的中部之上方，同时，制浆室4的盖子上也配合装有一个或一个以上的上导流管6导入的通道。上导流管6若是为若干条时，可以通过同一种金属液体；也可以分别通过若干种不同金属液体。圆盘体12’与旋转轴17的夹角90～150度；分流盘的转速0～1400转/分，且≠0。制浆室4、温控系统5、分流盘旋转机构2’都和喷嘴式浆料连续制备装置中所对应的结构相同，就不再说明了。
如图3、图4所示，将熔炼合格的过热金属，以高于其液相线温度0～100℃的温度，连续不断的浇入上导流管6。液体金属经上导流管6喷到以一定速度转动的圆盘体12’上，圆盘体12将各液体金属沿切向甩到制浆室4的内壁上，制浆室4外的控温机构5可使制浆室4的壁温控制在液相线温度之下0～100℃，金属液沿制浆室4内壁下流时被冷却，金属液体沿内壁面下流，在制浆室4锥形底部汇聚、混合，得到固相分数小于30％的金属浆料，金属浆料流出下导流管15的温度控制在液相线附近-10～10℃。金属浆料经制浆室4下部的下导流管15流入一个收集器中。或者直接输送到压铸、轧制、模锻等常规设备上进行流变成形；或者连续不断的浇注到结晶器内，制成半固态连铸坯。
分流盘式浆料连续制备装置可单独使用，也可以多个串联使用，形成多级控制，即位于后一个的设备的上导流管连接位于前一个的设备的下导流管。
实施例1采用喷嘴式浆料连续制备装置制备断面尺寸为3.5时的半固态圆坯，材料为A357合金，要求铸坯表面粗糙度＜0.25，后续加工不需去皮处理，铸坯内非枝晶比率大于80％，平均晶粒直径小于100μm，用作半固态触变成形。生产过程中，用中频感应电炉熔炼A357合金，除气精炼处理后，静止20分钟，浇注温度控制在680℃。本实用新型采用的技术参数为制浆室预热至600℃后，关闭下导流管，向制浆室内喷入保护气体。把上述熔炼合格的合金，以680℃的温度，连续不断的浇入上导流管中，并由其下端的喷嘴喷射到制浆室的内壁上，制浆室的壁温控制在600℃，波动范围±2℃。打开下导流管，出口处浆料温度为610～616℃，浆料进入结晶器进行半连续铸造，水冷结晶器冷却强度为0.5×103kcal/m2.s，拉坯速度为300mm/min，连铸过程中没有拉漏和拉断现象发生，坯料表面光滑，组织得到明显改善，非枝晶相均为颗粒状，铸坯内非枝晶比率95％，平均晶粒直径小于40μm。宏观组织中没有柱状晶区和宏观偏析，其组织和性能完全满足半固态加工要求。
实施例2采用分流盘式浆料连续制备装置制备商用载重车的关键部件-空压机连杆的压铸，原材料为ZL108铝合金。由于铝合金空压机连杆的力学性能要求高、使用条件特殊，铸件容易发生气孔、疏松等铸造缺陷，合格率不足80％。本实用新型采用技术方案是用中频感应电炉熔炼ZL108合金，除气精炼处理后，静止20分钟，浇注温度控制在660℃。采用的技术参数为制浆室预热至600℃后，关闭下导流管，向制浆室内喷入保护气体。把上述熔炼合格的合金，以660℃的温度，连续不断的浇入上导流管中，流到转动着的分流盘的圆盘体上，沿圆盘体上表面流动，在圆盘体的边缘，沿切线脱离圆盘体，被甩到制浆室的内筒壁上，金属液体沿内壁面下流，制浆室的壁温控制在600℃，波动范围±2℃。打开下导流管，出口处浆料温度为595～607℃，浆料定量进入压铸机熔杯内进行压铸成形。通过对铸件进行X射线探伤发现，气孔、疏松等缺陷明显减少，合格率高达95％以上。
权利要求1.一种强制均匀凝固连续制备金属浆料的装置，其特征在于该设备包括有熔体分散器、制浆室、温控机构、熔体分散器旋转机构，其中，熔体分散器、制浆室、温控机构由内到外同轴安装在托架上，所述的熔体分散器是由供给金属液体的上导流管及熔体分散体组成；所述的制浆室为一个带有锥形底部的圆筒状，上部装有盖子，盖子上装有进气管，底部装有下导流管，下导流管与制浆室的锥形底部的中心口对接；温控机构由冷却器与加热器构成，冷却器与加热器环绕着制浆室的外壁；熔体分散器旋转机构是由电机与调频器及传动单元组成，并动力连接熔体分散器。
2.根据权利要求1所述的强制均匀凝固连续制备金属浆料的装置，其特征在于所述的熔体分散器为喷头，是由所述的上导流管及安装在其底部的喷嘴构成，喷嘴伸入制浆室内部，且喷嘴的嘴口与制浆室的内壁相对，熔体分散器旋转机构的传动单元动力连接在所述上导流管的上部的外径上。
3.根据权利要求2所述的强制均匀凝固连续制备金属浆料的装置，其特征在于所述的喷嘴是由管状的喷嘴管和嘴部组成，喷嘴管和嘴部之间有一个喷嘴弯头，喷嘴弯头的折角为90～180°，且≠90°；喷嘴管向下倾斜与喷头轴向夹角为90～150°；嘴部向下倾斜与水平面夹角0～30°，所述的喷嘴口的形状是与喷嘴嘴部轴向夹角90～150°的平面截出的椭圆。
4.根据权利要求2或3所述的强制均匀凝固连续制备金属浆料的装置，其特征在于所述的喷嘴为若干个，分别均布在上导流管的四周。
5.根据权利要求4所述的强制均匀凝固连续制备金属浆料的装置，其特征在于所述的喷头为复合喷头，即所述的喷头是由分别通过两种以上不同金属液体的两个以上的上导流管及所对应的数量的喷嘴组成。
6.根据权利要求1所述的强制均匀凝固连续制备金属浆料的装置，其特征在于所述的熔体分散器为分流盘，是采用旋转轴连接一向下倾斜的圆盘体，圆盘体位于制浆室之内，上导流管穿过制浆室盖子，伸入制浆室内，出口在圆盘体上方，且朝向圆盘体
7.根据权利要求6所述的强制均匀凝固连续制备金属浆料的装置，其特征在于所述的圆盘体与旋转轴的夹角90～150度。
8.根据权利要求6或7所述的强制均匀凝固连续制备金属浆料的装置，其特征在于所述的上导流管为若干条，分别均布在圆盘体之上。
9.根据权利要求8所述的强制均匀凝固连续制备金属浆料的装置，其特征在于所述的若干条上导流管，分别通过若干种不同金属液体。
10.根据权利要求8所述的强制均匀凝固连续制备金属浆料的装置，其特征在于所述的均匀化金属浆料连续制浆设备为若干个，并串联而成，即位于后一个的设备的上导流管连接位于前一个的设备的下导流管。
专利摘要一种强制均匀凝固连续制备金属浆料的装置，包括有熔体分散器、制浆室、温控机构、熔体分散器旋转机构，熔体分散器是由供给金属液体的上导流管及熔体分散体组成；制浆室为一个带有锥形底部的圆筒状，上部装有盖子，盖子上装有进气管，底部装有下导流管，下导流管与制浆室的锥形底部的中心口对接；温控机构由冷却器与加热器构成；熔体分散器旋转机构是由电机与调频器及传动单元组成。金属液体经上导流管流入到熔体分散器，通过熔体分散器将金属液体喷甩到熔体分散器四周的制浆室的内壁上，金属液体沿内壁面流下并混合，金属液体沿制浆室内壁下流时被冷却，金属液体在制浆室锥形底部汇聚，得到固相分数小于30％的金属浆料。该装置工艺先进、结构简单、维护方便，能够实现金属浆料的均匀、大量、连续化制备，易于满足大工业生产的要求。
文档编号B22D1/00GK2920486SQ20062001800
公开日2007年7月11日 申请日期2006年3月23日 优先权日2006年3月23日
发明者曾怡丹, 张志峰, 徐骏, 石力开 申请人:北京有色金属研究总院