用于液體金屬處理的設備和方法技術

本發明專利技術涉及一種用于通過強熔體剪切處理液體金屬的設備(高剪切裝置)和方法。該設備包括在其之間具有小的間隙的定子和轉子以提供強熔體剪切，用于在液體金屬中有效地分散并均勻地分布氣相、液相和固相而不在熔體表面產生嚴重的湍流。該裝置可以通過同心地(一個套一個)或垂直地排列單獨的轉子/定子組合體而擴展為多級高剪切泵。可以容易地將該裝置和高剪切泵集成至現有鑄造工藝中。該裝置適合于在包括以下各項的鑄造工藝中使用：高壓模鑄、低壓模鑄、重力模鑄、砂型鑄造、熔模鑄造、直接冷硬鑄造、雙輥連鑄以及需要液體金屬作為原料的任何其他鑄造工藝。此外，該裝置特別適合于提供用于金屬材料的形狀鑄造和連續(或半連續)鑄造兩者的調節過的液體金屬、制備高品質半固體漿料、顆粒加強的金屬基體復合材料的固化加工、混合不相混的金屬液體以及液體金屬在任何鑄造工藝之前的脫氣。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】本專利技術總體上涉及在金屬材料的固化加工之前的液體金屬處理，并且尤其涉及用于剪切液體金屬的裝置。本專利技術提供用于下列方面的手段:控制夾雜物和氣體元素，均質化熔體組成和溫度，促進用于涉及液相的任何化學反應或相轉化的動力學，混合含有異質相的材料，精煉鑄造微組織并消除/減少鑄造缺陷。本專利技術可應用至多種鑄造技木，如高壓模鑄、低壓模鑄、重力模鑄、砂型鑄造、熔模鑄造、直接冷硬鑄造、雙輥連鑄，以及需要液體金屬作為原料的任何其他鋳造エ藝。
技術介紹
多種鑄造エ藝需要固化加工之前的液體金屬處理，所述多種鋳造エ藝包括，但是不限于，砂型鋳造、永久鑄模鑄造、高壓模鑄、直接冷硬鋳造、雙輥連鑄等，其用于以下目的:晶粒細化、熔體清潔、均質化顯微構造和化學組成的均勻性、內源和外源粒子兩者的分散和分布。用于液體金屬處理的現有方法主要包括，通過葉輪機械攪拌、電磁攪拌，以及ー些其他方法如氣體誘生的液體流動。通過葉輪的機械攪拌是處理液體金屬的非常簡單的方式。它僅提供葉輪周圍溫和的熔體剪切，但導致液體金屬中的嚴重渦旋和液體表面附近的嚴重湍流，導致來自熔體表面的氣體和其他污染物的嚴重夾帯。存在數種方式解決這個問題。授予Kraemer等的美國專利號3，785, 632公開了ー種用于加速冶金反應的エ藝和設備。該エ藝包括在熔融浴與反應物之間的邊界處使用雙葉輪的機械攪拌。當該設備開始攪拌時產生離心力分量并且產生朝向鋼包邊界不同的曲率，這導致熔融金屬材料與反應物之間的化學反應的加速。授予McRae等的美國專利號4，743，428公開了ー種用于制備合金的液體金屬的機械攪拌的方法。該エ藝引入攪動裝置主要用于加速合金元素的溶解并減緩浮渣的形成。授予Flemings等的美國專利號3，902, 544公開了通過機械攪拌處理液體金屬以獲得具有非枝狀初級固體的半固體金屬材料的連續エ藝。在該エ藝中，引入三個螺旋轉并且使其位于三個分開的攪動區。與雙葉片葉輪比較螺旋轉更加有效。將攪動區的內表面與螺旋轉的外表面之間的距離保持為足夠小，以使得可以在多個攪動區中將高剪切力施加至材料。授予Shingu等的美國專利號4，373，950通過葉輪將機械攪拌引入至直接冷硬鑄造エ藝中以提純鋁。鋁熔體通過使用機械攪拌設備提純以打破液體與固體之間的界面處的枝晶，并且分散由枝晶釋放至整個液體中的雜質。授予Duenkelmann的美國專利號4，931, 060公開了ー種包括空心軸和連接至軸的空心轉子的旋轉裝置，所述旋轉裝置用于分散熔融金屬中的氣體。該裝置將惰性氣體從軸的頂部引入并且將大體積的惰性氣體遞送至熔體用于液體金屬的脫氣。上面討論的專利技術全部包括機械攪拌。它們既沒有提供用于熔體調節(conditioning)所需的高剪切速率，也沒有避免來自熔體表面的氣體和其他污染物的夾帶的問題。美國專利號4，960，163在直接冷硬鋳造中引入機械攪拌器，用于獲得細小的晶粒組織，并且引入分隔以將DC鋳造機中的空間分割為供料儲存器和固化儲存器，用于避免供料儲存器中液體表面附近的湍流而不減弱固化儲存器中的攪拌。通過該專利技術獲得特定程度的晶粒細化但是每批次的結果不一致。授予Ernst的美國專利號6，618, 426公開了ー種處理液體金屬的電磁攪拌エ藝。該エ藝使用具有不同的方向的多級螺旋以減少液體表面附近的湍流。然而，通過電磁攪拌的剪切速率低并且設備的成本高。W02010/032550 (Nippon Light Metal C0.Ltd)公開了用于在澆鑄室中使用的金屬熔體精煉機。它基本上是用于將液體金屬脫氣和除渣的多葉片攪拌器。然而它具有非常小的分散和分布能力并且整個組裝體不適合于直接結合在現有的鋳造エ藝中。W02010/150656(Eddy Plus C0.Ltd)公開了基于離心力的分布混合裝置。它具有低剪切速率和不足的分散能力。EP1779924(Prosign)公開了用于分布混合的圓盤-葉片混合器。它具有不足的分散能力。US4, 684, 614(Ceskoslovenka akademie ved)公開了一種用于混合、泵送和驅散液體的無葉片混合器，尤其用于食品エ業中。它將僅適合于低溫度應用，并且不能用于剪切液體金屬。US4, 046, 559 (Kennecott Copper Corporation)公開了用于混合不同密度的兩種液體的基于圓盤葉片的分布混合器。它具有不足的分散能力。US2010/0300304(Shimizu)公開了用于在廚房中混合小量的家用食物的手動エ具。它將不適合于剪切液體金屬。該類型的其他食品混合器公開在W02007/042635(SebS.A.)中。目前的用于處理液體金屬的機械或電磁攪拌在液體表面附近產生湍流，這對于大部分鋳造エ藝有害。因此，必須限制攪拌速度以便獲得相對穩定的液體表面，并且結果液體金屬處理的有效性和效率兩者都被折衷。因此，有益的是提供一種這樣的方法和設備，其可以容易地應用至現有鑄造エ藝并且可以提供強熔體剪切，同時避免熔體表面夾帶氣體和其他污染物。本專利技術的主要目標是提供一種用于提供處理過的/調節過的液體金屬作為用于金屬材料的進ー步固化加工的原料、顆粒加強的金屬基體復合材料(MMC)和不相混的合金的設備和方法。本專利技術的另ー個目標是提供一種可以均質化化學組成、將氣相、液相和固相分散并分布在液體金屬或金屬基體復合材料(MMC)中的設備和方法。本專利技術的再另ー個目標是促進用于涉及至少ー個液相的化學反應和相轉化的動力學條件。本專利技術的另ー個目標是提供ー種用于制備具有細化的顯微構造和減少的鑄造缺陷的高品質金屬材料或金屬基體復合材料(MMC)的設備和方法。本專利技術的再另ー個目標是提供一種用于在不在液體表面附近產生嚴重湍流的情況下在高剪切速率下分散混合和在液體金屬的整個體積中以宏觀流動分布混合的方式。參考以下說明、實施方案和實施例，將更加完整地理解和認識本專利技術的這些和其他目標和益處。專利技術概述本專利技術提供一種用于液體金屬的強剪切以提供適合于多種鑄造エ藝的固化加工的調節過的液體金屬的設備和方法。在本專利技術的第一方面，提供一種用于剪切液體金屬的裝置，所述裝置包括:定子，所述定子為第一空心圓筒的形式，所述第一空心圓筒具有開ロ末端以允許液體金屬進入所述圓筒，以及所述圓筒壁中的至少ー個開ロ以允許液體金屬離開所述圓筒，轉子，所述轉子包括其上具有至少ー個可旋轉元件的軸，所述軸基本上平行于所述圓筒的縱軸，并且所述可旋轉元件被安置在所述圓筒內并安排為當由發動機驅動時繞所述軸旋轉，其中所述可旋轉元件與所述圓筒的內壁之間的最小間隙為10 Pm至10mm，并且其中所述裝置由具有不低于200°C，優選不低于600°C，并且最優選不低于1000°C的熔點的一種或多種材料形成。所述裝置的部件的相對高的熔點使得它適合于在液體金屬加工的高溫環境中使用。用于液體金屬的強剪切的設備(高剪切裝置)，所述設備優選包括: 定子,所述定子是在定子壁中具有至少ー個開ロ的空心圓筒； 轉子，所述轉子具有至少ー個葉片并且以高速在定子內旋轉； 所述轉子與定子之間的小的間隙確保高剪切速率； 外殼，所述外殼使用于轉子/定子組合體的所述定子、所述轉子和轉子軸成為整體； 發動機，安置在平臺上的所述發動機連接至所述轉子軸以驅動轉子； 刷，所述刷可以固定在所述本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.09.16 GB 1015498.71.一種用于剪切液體金屬的裝置，所述裝置包括: 定子，所述 定子為第一空心圓筒的形式，所述第一空心圓筒具有開ロ末端以允許液體金屬進入所述圓筒，以及所述圓筒壁中的至少ー個開ロ以允許液體金屬離開所述圓筒， 轉子，所述轉子包括其上具有至少ー個可旋轉元件的軸，所述軸基本上平行于所述圓筒的縱軸，并且所述可旋轉元件被安置在所述圓筒內并安排為當由發動機驅動時繞所述軸旋轉， 其中所述可旋轉元件與所述圓筒的內壁之間的最小間隙為IOym至10mm，并且其中所述裝置由具有不低于600°C的熔點的ー種或多種材料形成。2.按權利要求1所述的裝置，其中所述至少ー個開ロ是具有0.5mm至IOmm的直徑的圓孔。3.按權利要求1或2所述的裝置，所述裝置還包括發動機以使所述可旋轉元件以Irpm至50，OOOrpm的速度旋轉。4.任一在前權利要求所述的裝置，其中所述裝置的部件獨立地由石墨、陶瓷、鋼或帶有或不帶有MoSi2涂層的鑰形成。5.按權利要求4所述的裝置，其中所述陶瓷是賽隆陶瓷。6.任一在前權利要求所述的裝置，其中所述軸上具有至少ー個另外的可旋轉元件，所述另外的可旋轉元件被安排成當由發動機驅動時繞所述圓筒的縱軸旋轉。7.按權利要求6所述的裝置，其中所述另外的可旋轉元件安置在所述圓筒的外側。8.按權利要求7所述的裝置，其中所述另外的可旋轉元件是具有至少ー個開ロ的板，所述板被彎曲成與所述圓筒的彎曲匹配。9.按權利要求8所述的裝置，其中所述另外的可旋轉元件是環繞所述圓筒并且與其基本上同心的空心套筒。10.按權利要求7至9中的任一項所述的裝置，所述裝置還包括環繞所述至少一個另外的可旋轉元件的空心圓筒形式的至少ー個另外的定子。11.按權利要求6所述的裝置，其中所述另外的可旋轉元件與所述第一個沿所述軸的長度隔開。12.按權利要求11所述的裝置，所述裝置還包括用于所述另外的可旋轉元件的至少ー個另外的定子，所述另外的定子是至少ー個另外的空心圓筒的形式，所述至少ー個另外的空心圓筒中具有至少ー個開ロ以允許液體金屬由所述第一圓筒進入所述另外的圓筒，并且在所述另外的圓筒壁中具有至少ー個開ロ，以允許液體金屬離開所述另外的圓筒。13.按權利要求11或12所述的裝置，所述裝置還包括與所述第一圓筒和所述另外的圓筒連通的室，從而在使用時，來自所述第一圓筒的液體金屬可以在進入所述另外的圓筒之前積累在所述室中。14.按權利要求13所述的裝置，其中所述第一和另外的圓筒安置在外殼中，其中所述室在所述圓筒的外壁和所述外殼的內壁之間形成。15.按權利要求6至14中的任一項所述的裝置，所述裝置具有串聯的多組另外的轉子和定子，從而在使用時，所述液體金屬從第一組至最后ー組通過。16.按權利要求15所述的裝置，所述裝置還包括與最后的一組轉子和定子連通的出ロ管，液體金屬可以通過所述出ロ管離開所述裝置。17.一種用于通過強熔體剪切提供處理過的/調節過的液體金屬的方法，所述方法使用如任一在前權利要求中所述的裝置。18.權利要求17所述的方法，其中所述強剪切提供在高剪切速率下的有效的分散混合和有效率的分布混合，同時防止所述液體表面附近的湍流。19.權利要求17所述的方法，其中所述強剪切或者在合金液相線之上進行以為了晶粒細化而調節液體金屬，或者在合金液相線之下進行以制成半固體漿液。20.權利要求17所述的方法，其中將所述在液相線之上或之下調節過的液體金屬作為原料提供給連續(或半連續)鑄造エ藝，所述連續(或半連續)鑄造エ藝包括連續鑄錠鑄造、用于鑄錠或板坯的直接冷硬鋳造、用于薄帶的雙輥連鑄、用于棒的上引鑄造以及需要液體或半固體金屬作為原料的任何其他連續(或半連續)鋳造エ藝。21.權利要求17所述的方法，其中將在所述液相線之上或之下調節過的液體金屬作為原料提供給形狀鋳造エ藝，所述形狀鋳造エ藝包括:高壓模鑄、低壓模鑄、重力模鑄、砂型鑄造、熔模鑄造以及需要液體金屬作為原料的任何其他鋳造エ藝。22.一種用于將液體金屬脫氣的方法，所述方法通過將惰性氣體引入至熔體并通過使用如權利要求1至16中的任一項所述的裝置進行強熔體剪切而進行。23.按權利要求22所述的方法，其中將所述惰性氣體通過外部管或通過所述裝置的空心軸引入。24.按權利要求22所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：范仲云，左玉波，姜博，
申請(專利權)人：布魯內爾大學，
類型：
國別省市：