一种高温物料流动控制装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高温物料流动控制装置及方法。
【背景技术】
[0002] 高温物料成形分为金属液态成形和非金属液态成形。金属的液态成形又称为铸 造，其原理：将固态物料加热到液态，使其符合一定的化学成分要求，并具有一定的流动能 力，然后浇入到铸型中，在重力场或外力场的作用下冷却、结晶凝固后获得具有一定形状和 性能要求的铸件或铸锭的一种热加工方法。非金属液态成形，如：陶瓷注射成型，将陶瓷粉 料与热塑性树脂、石蜡、增塑剂、溶剂等加热混匀后进入注射成型机中经加热熔融后获得塑 性，在一定的压力下从喷嘴高速喷注人金属模腔内，在极短时间内冷却固化而得以成型。
[0003] 液态成形是制造业的重要分支，使用范围广，可以生产出各种形状和大小的零件， 尺寸精度较高、成本低廉。浇注成型作为液态成形技术的一种，一般采用倾覆式浇注或底部 开孔浇注。前者是转动高温熔炼炉，熔炼炉内熔融态物料流出，通过浇口杯进入模具内浇铸 成型；后者是当熔炼完成后，将熔炼炉下端的塞杆移出，使熔融态物料从熔炼炉底部流入模 具内浇铸成型。
[0004] 无论哪一种方式，在成形过程中，重力或外力作用于熔融态物料，精确的流量、流 速控制是一个巨大挑战。为了解决这个问题，一般采用高温阀芯控制，这种接触式的机械阀 结构复杂，高温密封性能差，操作不方便。与熔融态物料直接接触，可能发生化学反应，污染 原材料。熔融态物料流经阀芯，有残留，凝固后易堵塞阀芯，清理不方便，使用寿命短。
[0005] 作为高温液态金属成形重要应用领域之一的熔融态金属3D打印，其利用熔融沉 积成型法中金属微滴热沉技术作为基础，通过外力迫使金属熔液以均匀微滴的形式从喷嘴 中喷射出来，通过控制金属微滴的堆积轨迹，进行逐点、逐层堆积，直至成型出微小零件。其 主要挑战在于熔融态物料的精确流动控制。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种高温物料流动控制装置及方 法。通过气体压力差控制高温物料流动的启动与停止、流速快慢、流量大小的控制方法，广 泛应用于高分子材料、各种高温金属、合金和陶瓷流动及成形的领域，实现高温物料流动的 非接触式、高精度控制。
[0007] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] -种高温物料流动控制装置，包括气密室、熔炼炉、密封盖、气密室气体压力控制 单元、恪炼炉气体压力控制单元、气体温度控制单元；所述恪炼炉处于气密室内，所述密封 盖与熔炼炉顶部密封连接，熔炼炉底部开有底孔；所述气密室下部侧面开有气密室下进气 口、气密室下出气口，所述气密室下进气口、气密室下出气口连接气密室气体压力控制单 元；所述气密室顶部开有气密室上进气口、气密室上出气口，所述气密室上进气口、气密室 上出气口上端连接熔炼炉气体压力控制单元，所述密封盖开有密封盖进气口和密封盖出气 口；所述密封盖进气口与气密室上进气口通过气体管路连接，所述密封盖出气口与气密室 上出气口通过气体管路连接，所述气体温度控制单元安装在气密室下进气口上，实时检测 并调节流入气密室下进气口的气体温度；所述气密室气体压力控制单元、气密室下进气口、 气密室、熔炼炉的物料下部、气密室下出气口组成第一气体回路，第一气体回路产生向上的 力作用于物料下部；所述熔炼炉气体压力控制单元、气密室上进气口、熔炼炉的物料上部、 气密室上出气口组成第二气体回路，第二气体回路产生向下的力作用于物料上部。
[0009] 所述熔炼炉可以是石墨坩埚、水冷坩埚、金属坩埚、石英坩埚或陶瓷坩埚。
[0010] -种高温物料流动控制方法，使用上述的装置，具有如下步骤：
[0011] (a)在熔炼前，抽去装置内的杂质气体，使气密室和熔炼炉内处于真空状态：熔炼 前，取下密封盖，将物料加入熔炼炉中，盖好密封盖；此时，物料与熔炼炉之间有空隙，第一 气体回路与第二气体回路连通；气密室气体压力控制单元关闭气密室下进气口和气密室下 出气口；熔炼炉气体压力控制单元关闭气密室上进气口，开启气密室上出气口；熔炼炉气 体压力控制单元控制第二气体回路的抽气速率，第一气体回路中的气密室通过第二气体回 路与熔炼炉共同形成真空状态；
[0012] (b)在熔炼过程中，熔融态物料在熔炼炉内处于被托举状态，不会流出熔炼炉底 孔：熔炼过程中，熔融态物料与熔炼炉完全接触，第一气体回路与第二气体回路不连通；气 密室气体压力控制单元开启气密室下进气口、关闭气密室下出气口；熔炼炉气体压力控制 单元开启气密室上出气口、关闭气密室上进气口；气体温度控制单元控制第一气体回路气 体温度；调整第一气体回路和第二气体回路的气体压力大小，使得物料所受的合力为零，在 熔炼过程中物料处于被托举状态，不会流出熔炼炉底孔；
[0013] (cl)熔炼结束喷射过程中，实现熔融态物料喷射启动控制：喷射过程中，第一气 体回路与第二气体回路仍不连通；气密室气体压力控制单元开启气密室下出气口、关闭气 密室下进气口；熔炼炉气体压力控制单元开启气密室上进气口、关闭气密室上出气口；调 整第一气体回路和第二气体回路的气体压力大小，使得物料所受的合力大于零、方向向下， 驱动物料从熔炼炉底孔流出，实现喷射启动。
[0014] (c2)熔炼结束喷射过程中，实现熔融态物料喷射流量和流速控制：喷射过程中， 第一气体回路与第二气体回路仍不连通；气密室气体压力控制单元开启气密室下出气口、 关闭气密室下进气口；熔炼炉气体压力控制单元开启气密室上进气口、关闭气密室上出气 口；调整第一气体回路和第二气体回路的气体压力大小，使得物料所受的合力大于零、方向 向下，并调整物料上下部压力差的大小，精确控制物料的喷射流速和流量。
[0015] (c3)熔炼结束喷射过程中，实现熔融态物料喷射停止控制：喷射过程中，第一气 体回路与第二气体回路仍不连通；气密室气体压力控制单元开启气密室下进气口、关闭气 密室下出气口；熔炼炉气体压力控制单元开启气密室上出气口、关闭气密室上进气口；气 体温度控制单元控制第一气体回路气体温度；调整第一气体回路和第二气体回路的气体压 力大小，从而控制物料上下部压力差的大小，使得物料所受的合力大于零、方向向上，使物 料的流速减小直至为零，物料喷射停止。
[0016] 所述物料可以是高分子材料、高温金属、合金或陶瓷。
[0017] 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：
[0018] 本发明提供的一种高温物料流动的控制方法及装置，对于高温的熔融态物料流动 控制，基于熔炼炉内物料上部和下部的气体压力差与物料重力相平衡的原理，实现熔融态 物料高温下流动的启动、停止、流量、流速等非接触式控制。气密室能够提供正压，有助于改 善凝固过程中微观组织，还能起到当熔炼炉突发意外情况时保护人身安全的作用。本发明 无机械式流动控制阀门，具有高精度的流动控制，无污染、结构简单、无管道堵塞、使用寿命 长、操作简单、低成本的优点。本发明提供可使用的熔炼炉范围广泛，例如石墨坩埚、水冷坩 埚、金属坩埚、石英坩埚或陶瓷坩埚。本发明炉料不仅适合于粉状物料、丝状物料、块状物 料，也适于各种高温难熔物料及金属，具有广泛的适用性。通过气体温度控制单元控制充入 气密室下进气口的气体温度达到调节物料凝固成型的过冷度。
【附图说明】
[0019] 图1为一种高温物料流动的控制装置结构示意图。
[0020] 图2为熔炼前的第一气体回路和第二气体回路示意图。
[0021] 图3为熔炼过程中的第一气体回路示意图。
[0022] 图4为熔炼过程中的第二气体回路示意图。
[0023]图5为熔炼过程中物料的受力图。
[0024] 图6为喷射过程中的第一气体回路示意图。
[0025] 图7为喷射过程中的第二气体回路示意图。
[0026] 图8为喷射过程中物料的受力图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
[0028] 如图1所示，一种高温物料流动控制装置，包括气密室1、熔炼炉2、密封盖3、气密 室气体压力控制单元4-1、恪炼炉气体压力控制单元4-2、气体温度控制单元5 ;所述恪炼炉 2处于气密室1内，所述密封盖3与熔炼炉2顶部密封连接，熔炼炉2底部开有底孔；所述气 密室1下部侧面开有气密室下进气口 1-1、气密室下出气口 1-2,所述气密室下进气口 1-1、 气密室下出气口 1-2连接气密室气体压力控制单元4-1 ;所述气密室1顶部开有气密室上 进气口 1-3、气密室上出气口 1-4,所述气密室上进气口 1-3、气密室上出气口 1-4上端连接 熔炼炉气体压力控制单元4-2,所述密封盖3开有密封盖进气口 3-1和密封盖出气口 3-2 ; 所述密封盖进气口 3-1与气密室上进气口 1-3通过气体管路连接，所述密封盖出气口 3-2 与气密室上出气口 1-4通过气体管路连接，所述气体温度控制单元5安装在气密室下进气 口 1-1上，实时检测并调节流入气密室下进气口 1-1的气体温度；所述气密室气体压力控制 单元4-1、气密室下进气口 1-1、气密室1、熔炼炉2的物料下部、气密室下出气口 1-2组成第 一气体回路，第一气体回路产生向上的力作用于物料下部；所述熔炼炉气体压力控制单元 4-2、气密室上进气口 1-3、熔炼炉2的物料上部、气密室上出气口 1-4组成第二气体回路，第 二气体回路产生向下的力作用于物料上部。
[0029] 所述熔炼炉是石墨坩埚、水冷坩埚、金属坩埚、石英坩埚或陶瓷坩埚。
[0030] 如图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，如下：一种高温物料流动控制方法， 使用上述的装置，具有如下步骤：
[0031] (a)在熔炼前，抽去装置内的杂质气体，使气密室1和熔炼炉2内处于真空状态： 熔炼前，取下密封盖3,将物料加入熔炼炉2中，盖好密封盖3 ;此时，物料与熔炼炉2之间有 空隙，第一