一种分离式超声波发射杆、超声波设备及其使用方法与流程

本发明涉及金属熔体处理领域，特别涉及一种超声波发射杆、超声波设备及其使用方法。

背景技术：

早在上个世纪，人们已经发现，利用超声波的空化效应，可以使熔融金属凝固时的晶粒更细小、含气量更低，获得更优良的铸件组织。然而，由于某些关键技术没有取得突破，超声波用于金属熔体处理至今仍没有获得工业化推广，而仅限于实验室应用。其中仍未解决的关键技术之一就是超声波发射杆在高温金属熔体腐蚀和超声波空化腐蚀作用下的寿命问题。

在采用超声波设备对金属熔体进行处理的过程中，一般需要将超声波发射杆的一端浸入到金属熔体中，从而将超声波发射到金属熔体中去。在现有技术中，此发射杆由金属制作，如不锈钢、钛合金等。

但是，这种发射杆是不理想的。这是因为，高温金属熔体的化学性质比较活泼，能与大多数金属发生反应，生成金属间化合物，腐蚀发射杆直至全部溶解。例如，采用超声波处理铝合金熔体，铝熔体的化学性质十分活泼，能与几乎所有的金属，如铁、铜、锰、镁、铬、锌、钛等发生反应，形成各种金属间化合物，使这些金属在远低于其熔点温度下便溶入到铝熔体中（见铝与钛等各种金属的相图）。同理，铜合金熔体也能与绝大多数金属发生化学反应，生成金属间化合物。如果用这些金属制作发射杆，则会逐渐溶解直至消失。试验表明，普通钢材制作的发射杆在685±10℃的铝熔体中进行超声波处理时，工作2小时，该发射杆将会出现明显的腐蚀坑。因此，这种用金属制作的发射杆是不适用于工业化连续生产的，例如连续铸造或铸轧数个月不停机的连续生产。

值得一提的是，专利（专利号：CN 102554195A）公布了一种用钽制作发射杆的方法。虽然钽与多数金属熔体（如铝熔体）不发生化学反应，但是，一方面，钽比较稀少，价格贵；另一方面，钽在有氧环境下，在300℃时发生氧化，在550℃时激烈氧化，生成粉末状氧化物。因此，用钽制作的发射杆只适用于真空环境下。

为解决发射杆在金属熔体中的腐蚀问题，人们又设计了另一种发射杆，即在金属基体外面，包覆一层耐高温的不与金属熔体发生化学反应的陶瓷物质，该涂层厚度为0.15-4.5mm，成功地解决了这个问题。但是，还有另一种腐蚀问题没有解决，即超声波空化腐蚀。根据专利（专利号：CN 201713563 U）介绍，此种发射杆采用热喷涂方法制作，将各种陶瓷物质在热喷涂设备上熔化成半固态或熔融态后高速喷涂在金属基体上。根据资料介绍，各种不同的热喷涂方法获得的包覆层，与金属基体在常温下的最高结合强度一般只有50MPa至90MPa，当这种发射杆在高温熔体中工作时，因发射杆温度高，包覆层与金属基体的结合强度将快速下降。而发射杆工作时，将产生高频振动，发射杆各微观质点均在其平衡位置附近作激烈的往复振动，这种振动具有非常大的加速度。根据牛顿定律F=ma，质点要保持这种往复振动，必须要有一个非常大的力，例如，原子间结合力。一方面是包覆层与金属基体结合强度的降低，另一方面是微观质点振动所需的力非常大，两方面共同作用的结果就是包覆层从金属基体中脱落，这已在试验中得到证实。从理论上说，这种脱落主要原因是包覆层与金属基体的结合强度不足导致的。根据资料介绍，热喷涂包覆层与金属基体的结合形式有三种：机械结合、物理结合、冶金结合。前两种结合方式的结合力很低，冶金结合的结合强度很高，但各种喷涂形式均主要以机械结合为主，冶金结合很少，所以结合强度不高。此外，包覆层内部存在很多孔隙，孔隙率一般在5%以上，甚至达到20%。当发生应力集中时，这些孔隙就会成为裂纹源，迅速扩展导致包覆层脱落。

针对包覆层容易脱落的问题，人们又设计了另一种发射杆（专利号：CN 201305623Y），即在金属基体外面，包覆一层陶瓷层，陶瓷层厚度小于等于200um。从实际效果看，这样的改进是有一定的作用的，但仍不能从根本上解决问题。这种涂层固然避免了因为振动而脱落的问题，但是太薄，使用寿命短，保护作用不大。例如从提高硬度的角度，因为太薄，极易被硬物刺穿；从防腐的角度，也是因为太薄，很快便会失效。

由上可见，现有技术中的超声波发射杆不能很好地解决金属熔体腐蚀和超声波空化腐蚀的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超声波发射杆，其能够解决金属熔体腐蚀和超声波空化腐蚀的问题，解决这个人们一直想解决但始终未能成功的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种分离式超声波发射杆，包括发射杆本体4、发射杆壳体5和传导液体6，其特征在于，本体4和壳体5在空间上分离，工作时，壳体5内部盛装有传导液体6，本体4伸入壳体5和传导液体6内部。超声波通过发射杆本体4将超声波先传入到传导液体6中，再传至发射杆壳体5，通过发射杆壳体5最后传至金属熔体7。此处所说的“本体4和壳体5在空间上分离”，指的是本体4和壳体5是可以自由分离的，可以不相互接触的，在工作时，也会因偶然原因，发生碰触而短暂接触，也是可以的。

发射杆壳体5，与金属熔体7、传导液体6不发生化学反应，且其熔点或软化点须高于金属熔体7的温度，优选的，其形式可以是铝硅酸盐玻璃烧杯、硼硅玻璃管、石英蒸发皿、氧化铝坩埚、日常用陶瓷饭碗、日常用搪瓷碟盘等。

优选的，还可以在壳体5上增加盖子10，起密封作用，减少传导液体6的挥发。特别地，当超声波需要从底部或侧面传入时，此时就需要将壳体5倒置或水平放置，开口向下或水平，带来的问题是传导液体6会掉出壳体5。在此种情况下，在壳体5上增加盖子10，构成密封空间，使传导液体6不致于掉出壳体5是很有必要的，如图3所示。

传导液体6，其熔点不高于金属熔体7的温度，其气化点高于金属熔体7的温度，且在工作时不与发射杆本体4、壳体5发生化学反应。该传导液体6在常温下可以是固体，也可以是液体。作为一种等效替换，传导液体6还可以是胶体或半固体等。

发射杆本体4的熔点或软化点应高于熔体7的温度，其形状可以是直的，也可以是弯曲的，其可以是任意形状或任意多个形状的组合，其截面可以是方形、圆形、弧形、梯形、无定型等形状之一或多个形状的组合，其横截面和纵截面尺寸可以从1mm至5000mm。在多数情况下，例如，通过顶部或底部通入超声波，此时发射杆本体4的形状一般是直的。但是某些情况下，需要通过侧面通入超声波，此时就需要采用弯曲的发射杆本体4了。此外，为适应某些应用场合，超声波发射杆本体4需要设计得很大很长。例如，在保温炉中施加超声波。因为压电陶瓷对使用温度有严格要求，过高的温度将使压电陶瓷失效，因此，无法将整个超声波设备放入到保温炉中，必须将超声波换能器和电源置于保温炉外部。而保温炉一般较大，此时，就需要将发射杆设计得很大很长，从保温炉外部，穿过炉壁进入到保温炉内部，再连接发射杆。因而，本超声波发射杆本体的横截面和纵截面尺寸范围是1mm至5000mm。

优选的，还可以在发射杆壳体5里面或外面涂一层或多层涂层9，如图2所示。在发射杆壳体5外面增加涂层9的优点是：涂隔热涂层时，可以降低金属熔体7传导给壳体5、传导液体6和本体4之间的能量，避免过多的热量从发射杆本体4传递到换能器2，从一定程度上降低了超声波换能器的温度；此外，对壳体5和传导液体6的要求进一步降低，使壳体5要求的熔点或软化点降低，使传导液体6要求的气化点降低，最终使壳体5和液体6有更多的选择。但此方法要求涂层9要牢固附着在壳体5上，否则将会对熔体7产生污染。在发射杆壳体5里面增加涂层9也有类似的优点，而且，涂层9涂在壳体5的里面，即使脱落也不会造成对熔体7的污染。此外，也可以在发射杆本体4外面涂一层或多层涂层9，也可以起到减少从发射杆本体4传递到换能器2的能量的作用，或者起到阻止传导液体（6）和本体（4）发生化学反应的作用。

优选的，发射杆壳体5至少为1个，也可以多个，多个壳体5之间相互嵌套，相应地，传导液体6至少有一种，也可以有多种，如图2所示。

优选的，金属熔体可以为铝合金熔体、铁合金熔体、铜合金熔体、铜锡合金熔体、FeMn68Si18熔体或其他种类的金属熔体。

优选的，壳体5所放置的地点（即图1、图2中的容器8），可以是连续铸轧生产线以及连铸连轧生产线的前箱，可以是半连续铸造生产线的结晶器、铸造零部件的模具的浇道等，此类位置离固液结晶前沿较近，在此处引入超声波，可以更好地发挥超声波作用，细化晶粒。此外，还可以是保温炉、流槽、过滤箱出口等，此类位置离固液结晶前沿较远，在此处引入超声波，主要起除气等作用。

本发射杆能解决金属熔体腐蚀和超声波空化腐蚀的问题的原因在于：首先，传导液体6与发射杆本体4不发生化学反应，确保了发射杆本体4不会溶解到传导液体6中（当本体4在传导液体6中有溶解度时，可以预先使液体6处于饱和状态），避免了本体4被金属熔体腐蚀问题，例如处理铝合金熔体（熔体温度680-750℃）时，可以选择传导液体6为NaI（熔点661℃，沸点1304℃，无毒），选择发射杆本体4为普通钢材，NaI与钢材就不会发生化学反应，钢材不会溶解到NaI液体中去；再如，处理铝合金熔体，可以选择液体6为镁合金，本体4为普通碳钢，壳体5为氧化铝陶瓷坩埚，镁与钢材不发生化学反应，无法生成中间合金化合物，但钢材在镁合金熔体中有少量的溶解度，可以预先使镁合金中的铁含量处于饱和状态，从而确保本体4不会溶解到镁合金熔体中。其次，发射杆壳体5与发射杆本体4不直接接触，发射杆壳体5不需要进行高频的往复振动，仅仅起到传导超声波的作用，但同样实现了将金属熔体7与发射杆本体4隔离开来的目的和作用，因此，可以有效避免现有技术中包覆层在超声波振动下易从基体上脱落的问题，成功解决了超声波空化腐蚀问题。

本发明提供了一种超声波设备，包括超声波电源1、超声波换能器2、变幅杆3和发射杆，其特征在于，发射杆采用本发明的分离式发射杆。

本发明提供了上述超声波设备的使用方法，其特征在于，采用该超声波设备处理金属熔体时，其超声功率为100w至10000w。实际工作中，要根据超声波需要传播的距离（一般为发射杆至固液凝固前沿的距离）的大小，以及超声效果，选择合适的超声功率。例如，实验室用小坩埚，坩埚尺寸为：直径100mm，高100mm。对此坩埚熔体冷却凝固过程施加超声波处理，使其晶粒细化，其功率可以选择500W至1000W甚至更低。再如，工业用超声波处理保温炉熔体（保温炉容量100吨），以使保温炉熔体的氢含量降低，可以选择5000W至10000W甚至更高功率的超声波进行处理，才能使超声波传播至整个保温炉的熔体并达到除气效果。

优选的，设备工作前，预先将壳体5放置于待处理金属熔体7中漂浮，敞口向上，待传导液体5温度稳定后，再插入发射杆本体4并进行超声工作。

优选的，使用该超声波设备进行金属熔体处理时，其频率为5kHZ至500kHZ，发射杆的振幅为5um至500um，调节不同的频率和振幅，以达到超声波最佳的处理效果。

本发明的有益效果是：

首先，本分离式超声波发射杆及其设备能较好地解决超声波空化腐蚀和金属熔体腐蚀问题。在现有技术中，通过添加一层陶瓷保护层的方法，隔离金属熔体和发射杆基体金属，使发射杆的基体金属不至于溶解到金属熔体中去，但带来的问题是，该陶瓷保护层是附着在发射杆金属基体上的，该陶瓷层与金属基体一起发生高频往复振动，因附着力不足而导致陶瓷层脱落，这就是超声波空化腐蚀。但在本发明中，将现有技术中的陶瓷层和金属基体分离开来，空间上不直接接触，同样实现了将金属熔体7和发射杆本体4隔离的目的和作用，但带来的优点是，壳体5无须作高频往复振动，只起传导超声波作用，不存在类似“陶瓷附着层脱落”问题。因此，不存在超声波空化腐蚀问题。同时，传导液体6不与发射杆本体4发生化学反应，这就确保了发射杆本体4不会被溶解，不会发生金属熔体腐蚀。

其次，该超声波设备中的发射杆本体4、发射杆壳体5和传导液体6，都能较好地传导超声波。此外，还具有成本低，配件来源广，易更换等优点。

附图说明

图1为超声波设备形状结构示意图。

图2为多个壳体5嵌套的超声波设备形状结构示意图。

图3为带壳体5上设计有盖子10的超声波设备形状结构示意图。

图中，1.超声波电源，2.超声波换能器，3.变幅杆，4.发射杆本体，5.发射杆壳体，6.传导液体，7.金属熔体，8.前箱（对于连续铸轧和连铸连轧生产线）或结晶器（对于半连续铸造生产线）或其他（如除气箱、流槽或保温炉等），9.涂层，10.盖子。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体的实施方式来对本发明所述的一种分离式超声波发射杆、超声波设备及其使用方法做出进一步的解释说明，但是该解释说明并不构成对本发明技术方案的不当限定。

实施例一

一种超声波设备，包括超声波电源1，超声波换能器2，变幅杆3，发射杆（包括本体4，壳体5，传导液体6）。该设备用于铝合金连续铸轧生产线，处理的金属熔体7为铝合金（工作温度685-750℃），壳体5放置于前箱中。发射杆本体4由普通碳钢构成，长度为300mm，壳体5为铝硅酸盐玻璃（软化点900℃，与铝液不发生化学反应）制成的烧杯，传导液体6为碘化钾（熔点680℃，沸点1330℃，无毒，加碘食盐中含此物质）和/或碘化钠（熔点661℃，无毒），碘化钾和/或碘化钠与发射杆本体4不发生化学反应。工作时，施加的超声波功率为3000W，频率为22kHZ，发射杆振幅为45um。

实施例二

一种超声波设备，包括超声波电源1，超声波换能器2，变幅杆3，发射杆（包括本体4，壳体5，传导液体6）。该设备用于钢铁的半连续铸造，处理的金属熔体7为钢水（铸造温度1400-1600℃），壳体5放置于静置炉中。发射杆本体4由纯金属钛构成（熔点1675℃），长度为3000mm，壳体5为石英玻璃（软化点≥1600℃，与钢液不发生化学反应）制成的玻璃瓶，传导液体6为氟化钙（熔点1400℃，沸点2500℃，无毒），氟化钙与发射杆本体4不发生化学反应。工作时，施加的超声波功率为10000W，频率为500kHZ，发射杆振幅为500um。

实施例三

一种超声波设备，包括超声波电源1，超声波换能器2，变幅杆3，发射杆（包括本体4，壳体5，传导液体6）。该设备用于铜合金的铸造，处理的金属熔体7为铜液（铸造温度950-1000℃），壳体5放置于结晶器中。发射杆本体4由镍合金构成（熔点1450℃），长度为100mm，壳体5为氧化铝（熔点≥2000℃，与铜液不发生化学反应）制成的坩埚，传导液体6为氯化钾和/或氯化钠（熔点790℃，沸点1420℃，无毒，常用于输液），氯化钾和/或氯化钠与发射杆本体4不发生化学反应。工作时，施加的超声波功率为1000W，频率为23kHZ，发射杆振幅为50um。

实施例四

一种超声波设备，包括超声波电源1，超声波换能器2，变幅杆3，发射杆（包括本体4，壳体5，传导液体6）。该设备用于镁合金的铸造，处理的金属熔体7为镁液（铸造温度650-720℃），壳体5放置于结晶器中。发射杆本体4由钢铁构成，长度为450mm，壳体5为氧化镁（熔点≥2300℃，与镁液不发生化学反应）制成的坩埚，传导液体6为镁液，该镁液内含有饱和的铁元素。从镁-铁相图可知，镁与铁不发生化学反应，即不形成中间合金化合物，因此，常常用钢铁坩埚来熔炼镁合金。铁在镁熔体中是一种有害元素，其在649℃镁熔体中的固溶度仅有0.00043%。工作时，施加的超声波功率为2500w，频率为30kHZ，发射杆振幅为70um。

实施例五

一种超声波设备，包括超声波电源1，超声波换能器2，变幅杆3，发射杆（包括本体4，壳体5，传导液体6）。该设备用于锰硅铁合金（例如，FeMn68Si18）的铸造，处理的金属熔体7为锰硅铁合金熔体（一般铸造温度为1200℃至1400℃），壳体5放置于结晶器中。发射杆本体4由镍合金构成（熔点1450℃），长度为700mm，壳体5为氧化铝（熔点≥2000℃，与锰硅铁熔体不发生化学反应）制成的坩埚，传导液体6为氯化钾和/或氯化钠（熔点790℃，沸点1420℃，无毒，常用于输液），氯化钾和/或氯化钠与发射杆本体4不发生化学反应。工作时，施加的超声波功率为100w，频率为5kHZ，发射杆振幅为5um。

实施例六

一种超声波设备，包括超声波电源1，超声波换能器2，变幅杆3，发射杆（包括本体4，壳体5，传导液体6）。该设备用于锌合金的铸造，处理的金属熔体7为锌液（铸造温度460℃至500℃），壳体5放置于结晶器中。发射杆本体4由铝合金构成（熔点660℃），长度为3000mm，壳体5为硼硅玻璃（软化点820℃，应变点温度为520℃，与锌液不发生化学反应）制成的玻璃试管，传导液体6为氯化银（熔点455℃，沸点1550℃，无毒），氯化银与发射杆本体4不发生化学反应。工作时，施加的超声波功率为5000W，频率为200kHZ，发射杆振幅为250um。

需要注意的是，所公开实施例的上述说明使得本领域专业技术人员能够显而易见地对于本实施例进行多种类似变化和修改，例如，改变发射杆本体和/或壳体和/或传导液体的种类和数量，改变发射杆形状和尺寸，或者改变超声功率等，这种类似变化是本领域技术人员能从发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。因此本发明不会受到该实施例的限制。