專利名稱：金屬漿料的多曲縫式電磁攪拌處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種金屬漿料的多曲縫式電磁攪拌處理裝置，具體涉及一種用于半固態(tài)金屬漿料的制備或進(jìn)行大體積金屬熔體的強(qiáng)制均勻化攪拌處理的金屬流變漿料的多曲縫式電磁攪拌處理裝置，屬于冶金、鑄造等金屬材料熱加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在冶金、鑄造等金屬材料熱加工行業(yè)中，常常需要對(duì)金屬熔體施加各種攪拌處理(例如半固態(tài)金屬漿料制備、金屬熔體強(qiáng)制均勻化處理等)，以促進(jìn)合金成份溶解，使熔體的溫度、成分均勻化，具有“流變性”特征。這種對(duì)金屬熔體或半固態(tài)漿料的剪切攪拌處理能夠控制金屬凝固過(guò)程，進(jìn)而獲得具有均質(zhì)細(xì)晶的理想流變組織構(gòu)件。目前熟知的金屬漿料攪拌處理技術(shù)包括機(jī)械攪拌、電磁攪拌等，其中，電磁攪拌技術(shù)具有無(wú)接觸、少污染、工藝可控性強(qiáng)和易于工業(yè)化應(yīng)用等諸多優(yōu)勢(shì)。但是，金屬流變漿料的電磁攪拌制備技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中還有待完善，主要挑戰(zhàn)的問(wèn)題有如下幾方面(I)需要對(duì)漿料形成強(qiáng)大的攪拌剪切作用和多向紊流效應(yīng)，以強(qiáng)化處理效果，達(dá)到熔體漿料的高度均質(zhì)化。(2)應(yīng)盡量簡(jiǎn)化裝置結(jié)構(gòu)、減小裝置體積，以便在各種加工成形場(chǎng)合都能得到方便靈活的應(yīng)用。(3)攪拌裝置與技術(shù)的應(yīng)具備廣泛的應(yīng)用功能，能夠進(jìn)行漿料的批次供給、連續(xù)供給、以及大體積熔體供給。(4)能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題與要求，本實(shí)用新型提供了一種金屬漿料的多曲縫式電磁攪拌處理裝置，本實(shí)用新型采用在“多個(gè)曲線式環(huán)縫”內(nèi)電磁攪拌法處理金屬漿料的發(fā)明理念。為了實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，采用以下的技術(shù)方案一種金屬漿料的多曲縫式電磁攪拌處理裝置，主要由坩堝，設(shè)置在坩堝內(nèi)部的齒芯、曲齒筒和外齒筒，及設(shè)置在坩堝外部的加熱電纜、熱電偶、保溫層、夾持機(jī)構(gòu)和電磁攪拌器等組成。其中，齒芯豎立在坩堝內(nèi)部的正中心，齒芯的外圍從小到大依次同心放置一個(gè)或復(fù)數(shù)個(gè)(多個(gè))曲齒筒，直至緊貼著坩堝內(nèi)壁的外齒筒；坩堝的外壁上依次設(shè)置加熱電纜、熱電偶、保溫層和夾持機(jī)構(gòu)；坩堝的上端設(shè)有坩堝蓋，坩堝蓋上設(shè)置氣體接口和上口 ；坩堝的底部設(shè)置下口及下口閥；坩堝通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)從上方或下方移入或移出環(huán)形電磁攪拌器。齒芯、與齒芯呈同心設(shè)置的曲齒筒及外齒筒上所有相對(duì)的齒形均呈交叉咬合狀，即該裝置的齒芯與小曲齒筒之間、小曲齒筒與大曲齒筒之間、以及大曲齒筒與外齒筒之間相對(duì)的齒形都呈交叉咬合狀，向外凸的齒尖輪廓半徑 > 相對(duì)應(yīng)的向中心凸的齒尖輪廓半徑；且齒芯、曲齒筒和外齒筒相鄰之間形成均勻縫隙，即隨齒形的凸凹變化在相對(duì)應(yīng)的齒間形成均勻縫隙，縫隙寬度為2 200mm。曲齒筒的側(cè)壁上隨機(jī)設(shè)置連通各個(gè)縫隙之間的通孔。曲齒筒根據(jù)等效直徑的大小尺寸不同，可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)(兩個(gè)以上)，這樣，根據(jù)所放置曲齒筒數(shù)量的不同，隨著齒形的凸凹變化，在坩堝內(nèi)形成了兩個(gè)或多個(gè)曲線式環(huán)縫(簡(jiǎn)稱曲縫)。坩堝的外周設(shè)置有加熱電纜，加熱電纜在坩堝的外周呈上下“蛇形”纏繞；加熱電纜由熱電偶實(shí)時(shí)進(jìn)行加熱溫度控制。在本實(shí)用新型金屬漿料的多曲縫式電磁攪拌處理裝置中，采用的曲齒筒可用多邊形齒桿替換，多邊形齒桿為復(fù)數(shù)個(gè)，呈交錯(cuò)排列，形成(多個(gè))曲線式環(huán)縫。上述金屬漿料的多曲縫式電磁攪拌處理裝置，可用于進(jìn)行流變漿料制備與加工，其中金屬漿料在多個(gè)“曲線式環(huán)縫”內(nèi)受到環(huán)形切線方向電磁力作用進(jìn)行切變制漿。采用上述金屬漿料的多曲縫式電磁攪拌處理裝置，進(jìn)行金屬流變漿料的制備與加工，包括如下步驟(1)通過(guò)加熱電纜及熱電偶的控溫裝置將坩堝加熱到處理金屬漿料所需的溫度，從氣體接口通入保護(hù)氣體，關(guān)閉下口閥，并從上口注入適量的金屬熔體；處理金屬漿料所需的溫度一般為所處理金屬漿料的金屬液相線溫度±30°C，保護(hù)氣體為惰性氣體(如氮?dú)?或硫化物氣體(如六氟化硫)。(2)隨后通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)將整個(gè)坩堝體送入電磁攪拌器中央，使坩堝內(nèi)各個(gè)曲縫中的金屬熔體經(jīng)受強(qiáng)電磁力攪拌。(3)漿料攪拌完成后，打開(kāi)下口閥進(jìn)行連續(xù)流變鑄造，或通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)將坩堝體從電磁攪拌器中移出，由上口傾轉(zhuǎn)澆注實(shí)現(xiàn)大體積金屬漿料的流變加工成形。在沿環(huán)形切線方向電磁力作用下，金屬漿料沿著曲線式環(huán)縫在方向復(fù)雜交變的高速率下切變流動(dòng)，極大增加了流變制漿所需的剪切強(qiáng)度和多向紊流效應(yīng)。整個(gè)制漿過(guò)程中，由于加熱電纜在坩堝外周是獨(dú)特的“蛇形”纏繞方式，使得加熱電纜可以有效削弱電磁攪拌器誘發(fā)的電磁感應(yīng)效應(yīng)而進(jìn)行不間斷加熱，精確控制制漿溫度。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)(I)多曲縫式設(shè)計(jì)能對(duì)整個(gè)金屬熔體產(chǎn)生強(qiáng)剪切、高紊流的攪拌效果。(2)獨(dú)特的加熱電纜纏繞方式可以極大消除其自身受到外部電磁場(chǎng)的電磁感應(yīng)效應(yīng)而進(jìn)行不間斷加熱溫度控制。(3)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，制造成本低；裝置使用方便靈活。(4)可進(jìn)行漿料的批次或連續(xù)供給，及進(jìn)行大體積金屬漿料的制備。

圖1是本實(shí)用新型裝置主要部分的構(gòu)造示意圖；圖2是本實(shí)用新型裝置主要部分構(gòu)造圖的A-A向結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是米用多邊形齒桿替換曲齒筒時(shí),與圖2相同的首I]面不意圖；圖4是采用本實(shí)用新型裝置制備的AZ91D鎂合金流變壓鑄組織；圖5是采用本實(shí)用新型裝置制備的A357鋁合金半固態(tài)連續(xù)鑄錠組織。主要附圖標(biāo)記1-齒芯2-曲齒筒 3-通孔[0031]4-外齒筒 5-坩堝6加熱電纜7_熱電偶 8_保溫層9_ 甘禍蓋10-氣體接口 11-上口12-夾持機(jī)構(gòu)13-下口14-下口閥15-電磁攪拌器16-多邊形齒桿
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。請(qǐng)參閱圖1，為本實(shí)用新型主裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)用新型的金屬漿料的多曲縫式電磁攪拌處理裝置，主要由坩堝5，坩堝蓋9、氣體接口 10、上口 11、下口 13、下口閥14，設(shè)置在坩堝5內(nèi)部的齒芯1、曲齒筒2 (或多邊形齒桿)和外齒筒4，及設(shè)置在坩堝5外部的加熱電纜6、熱電偶7、保溫層8、夾持機(jī)構(gòu)12和電磁攪拌器15等組成。其中，齒芯I豎立在圓形坩堝5內(nèi)部的正中心，齒芯I的外圍從小到大依次同心放置一個(gè)或多個(gè)曲齒筒2，直至緊貼著坩堝5內(nèi)壁的外齒筒4 ;坩堝5的外壁上依次設(shè)置加熱電纜6、熱電偶7、保溫層8和夾持機(jī)構(gòu)12 ;坩堝5的上端設(shè)有坩堝蓋9，坩堝蓋9上設(shè)置氣體接口 10和上口 11 ;坩堝5的底部設(shè)置下口 13及下口閥14 ;坩堝5通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)12從上方或下方移入或移出環(huán)形電磁攪拌器15。請(qǐng)參閱圖2，本裝置中，齒芯1、與齒芯I呈同心設(shè)置的曲齒筒2及外齒筒4上所有相對(duì)的齒形均呈交叉咬合狀，即該裝置的齒芯I與小曲齒筒之間、小曲齒筒與大曲齒筒之間、以及大曲齒筒與外齒筒4之間相對(duì)的齒形都呈交叉咬合狀，向外凸的齒尖輪廓半徑>相對(duì)應(yīng)的向中心凸的齒尖輪廓半徑；且隨齒形的凸凹變化在相對(duì)應(yīng)的齒間留有均勻縫隙，縫隙寬度為2 200mm。曲齒筒2根據(jù)等效直徑的大小尺寸不同，可以設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)以上(即多個(gè))，這樣，根據(jù)所放置曲齒筒2數(shù)量的不同，隨著齒形的凸凹變化，在坩堝5內(nèi)形成了兩個(gè)或多個(gè)曲線式環(huán)縫(簡(jiǎn)稱曲縫)。曲齒筒2的側(cè)壁上還隨機(jī)設(shè)置了通孔以連通各個(gè)曲縫。工作時(shí)，處于狹窄曲縫中的金屬漿料在環(huán)形切線方向強(qiáng)電磁力作用下，沿著曲線式環(huán)縫以方向復(fù)雜交變的高速率切變流動(dòng)，極大增加了流變制漿所需的剪切強(qiáng)度和多向紊流效應(yīng)，使?jié){料成分更加均勻、凝固組織更加細(xì)小。坩堝5的外周設(shè)置有加熱電纜6，加熱電纜6在坩堝5的外周呈上下“蛇形”纏繞；加熱電纜6由熱電偶7實(shí)時(shí)進(jìn)行加熱溫度控制。坩堝5的外周通過(guò)設(shè)置加熱電纜6及熱電偶7，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)坩堝體及內(nèi)部金屬漿料的有效溫度控制。加熱電纜6在坩堝5的外周是呈上下攀爬的“蛇形”方式纏繞，這樣可以極大減弱自身受到電磁攪拌器15的電磁感應(yīng)效應(yīng)。如圖3所示，在本實(shí)用新型金屬漿料的多曲縫式電磁攪拌處理裝置中，采用的曲齒筒2可用多邊形齒桿替換，多邊形齒桿為復(fù)數(shù)個(gè)， 呈交錯(cuò)排列，形成多個(gè)曲線式環(huán)縫。在坩堝內(nèi)用多個(gè)交錯(cuò)排列的多邊形齒桿替代曲齒筒，也能造成并符合“多個(gè)曲線式環(huán)縫”內(nèi)處理金屬漿料的發(fā)明理念，與上述裝置具有同樣的“曲縫”效果。采用多個(gè)曲縫的方案設(shè)計(jì)，可以保證在較窄的環(huán)縫條件下制備大體積金屬漿料。采用上述金屬漿料的多曲縫式電磁攪拌處理裝置，進(jìn)行流變漿料制備與加工時(shí)，金屬漿料在多個(gè)“曲線式環(huán)縫”內(nèi)受到環(huán)形切線方向電磁力作用進(jìn)行切變制漿，首先通過(guò)加熱電纜6及熱電偶7的控溫裝置將坩堝5加熱到處理金屬漿料所需的溫度(一般為金屬液相線溫度±30°C )，然后從氣體接口 10通入保護(hù)氣體，關(guān)閉下口閥14，并從上口 11注入適量的金屬熔體。隨后，通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)12將整個(gè)坩堝體送入電磁攪拌器15中央，使坩堝5內(nèi)各個(gè)曲縫中的金屬熔體經(jīng)受強(qiáng)電磁力攪拌。在電磁力作用下，金屬漿料沿著曲線式環(huán)縫在方向復(fù)雜交變的高速率下切變流動(dòng)，極大增加了流變制漿所需的剪切強(qiáng)度和多向紊流效應(yīng)。整個(gè)制漿過(guò)程中，由于加熱電纜6在坩堝5外周是獨(dú)特的“蛇形”纏繞方式，使得加熱電纜6可以有效削弱電磁攪拌器15誘發(fā)的電磁感應(yīng)效應(yīng)而進(jìn)行不間斷加熱，精確控制制漿溫度。漿料攪拌合格后，打開(kāi)下口閥14進(jìn)行連續(xù)流變鑄造，或通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)12將坩堝體從電磁攪拌器15中移出，由上口 11傾轉(zhuǎn)澆注實(shí)現(xiàn)大體積金屬漿料的流變加工成形。實(shí)施例1 :采用多曲縫式電磁攪拌法進(jìn)行AZ91D鎂合金流變壓鑄采用2個(gè)曲齒筒2、3環(huán)曲縫的多曲縫電磁攪拌處理裝置構(gòu)造，如圖2所示。工作時(shí)，首先通過(guò)加熱電纜6及熱電偶7的控溫裝置將坩堝5加熱到605°C，然后從氣體接口 10通入保護(hù)氣體(如六氟化硫氣體)，關(guān)閉下口閥14，并從上口 11注入適量的鎂合金熔體。隨后，通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)12將整個(gè)坩堝體送入電磁攪拌器15中央，使坩堝5內(nèi)各個(gè)曲縫中的合金熔體經(jīng)受強(qiáng)電磁力攪拌。在電磁力作用下，鎂合金漿料沿著曲線式環(huán)縫在方向復(fù)雜交變的高速率下切變流動(dòng)，極大增加了流變制漿所需的剪切強(qiáng)度和多向紊流效應(yīng)。整個(gè)制漿過(guò)程中，由于加熱電纜6在坩堝5外周是獨(dú)特的“蛇形”上下纏繞方式，使得加熱電纜6可以有效削弱電磁攪拌器誘發(fā)的電磁感應(yīng)效應(yīng)而進(jìn)行不間斷加熱，精確控制鎂合金制漿溫度。漿料攪拌合格后，通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)12將坩堝體從電磁攪拌器15中移出，傾轉(zhuǎn)坩堝體大于90度，由上口 11將鎂合金漿料澆入壓鑄機(jī)壓室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)大體積金屬漿料的流變壓鑄成形。如圖4所示，為上述方法制備的AZ91D鎂合金流變壓鑄的組織圖，淺色區(qū)域?yàn)榍蛐纬跎?Mg，深色區(qū)域?yàn)槟痰墓簿ЫM織。由圖可見(jiàn)，采用多曲縫式電磁攪拌方法制備的AZ91D鎂合金漿料的組織和成分非常均勻、無(wú)偏析，獲得的凝固組織比常規(guī)鑄造組織更加細(xì)小圓整。實(shí)施例2 :采用多曲縫式電磁攪拌法進(jìn)行Α357鋁合金半固態(tài)連續(xù)鑄錠
`[0048]采用23個(gè)五角星形齒桿的多曲縫式電磁攪拌處理裝置構(gòu)造，如圖3所示。預(yù)先通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)12將整個(gè)坩堝體放置于電磁攪拌器15正中央，裝置下口 13位于連鑄結(jié)晶器的熱頂腔內(nèi)，無(wú)需下口閥。工作時(shí)，首先通過(guò)加熱電纜6及熱電偶7的控溫裝置將坩堝5加熱到590°C，然后從氣體接口 10通入保護(hù)氣體(如氮?dú)?，開(kāi)啟電磁攪拌器15，并從上口 11連續(xù)注入A357鋁合金熔體。此時(shí)，注入坩堝5內(nèi)所有曲縫中的合金熔體經(jīng)受強(qiáng)電磁力攪拌。在電磁力作用下，合金漿料沿著曲線式環(huán)縫在方向復(fù)雜交變的高速率下切變流動(dòng)，極大增加了流變制漿所需的剪切強(qiáng)度和多向紊流效應(yīng)。在整個(gè)制漿及連鑄過(guò)程中，由于加熱電纜6在坩堝5外周是獨(dú)特的“蛇形”上下纏繞方式，使得加熱電纜6可以有效削弱電磁攪拌器誘發(fā)的電磁感應(yīng)效應(yīng)而進(jìn)行不間斷加熱，從而精確控制制漿溫度。經(jīng)多曲縫電磁攪拌的鋁合金半固態(tài)漿料由下口 13連續(xù)供給結(jié)晶器熱頂，進(jìn)行半固態(tài)連續(xù)鑄坯。如圖5所示，為上述方法制備的A357鋁合金半固態(tài)連續(xù)鑄錠的組織圖，淺色區(qū)域?yàn)榍蛐纬跎?Al，深色區(qū)域?yàn)槟痰墓簿ЫM織。由圖可見(jiàn)，采用多曲縫式電磁攪拌方法制備的Α357鋁合金漿料的組織和成分非常均勻、無(wú)偏析，獲得的凝固組織比常規(guī)鑄造組織更加細(xì)小圓整。本實(shí)用新型的金屬漿料的多曲縫式電磁攪拌處理裝置及其流變制備方法可用于半固態(tài)金屬漿料的制備，或進(jìn)行大體積金屬熔體的強(qiáng)制均勻化攪拌處理。工作時(shí)，處于狹窄曲縫中的金屬漿料在強(qiáng)電磁力作用下，沿著曲線式環(huán)縫在方向復(fù)雜交變的高速率下切變流動(dòng)，極大增加了流變制漿所需的剪切強(qiáng)度和多向紊流效應(yīng)，使?jié){料成分更加均勻、組織更加細(xì)小。另外，在坩堝內(nèi)用多個(gè)交錯(cuò)排列的多邊形齒桿替代曲齒筒，也能造成并符合“多個(gè)曲線式環(huán)縫”內(nèi)處理金屬漿料的發(fā)明理念，與主裝置具有同樣效果。此外，采用多曲縫式制備方法在較窄的環(huán)縫條件下可以有效增加制漿體積。
權(quán)利要求1.一種金屬漿料的多曲縫式電磁攪拌處理裝置，其特征在于主要包括坩堝、齒芯、曲齒筒、外齒筒、加熱電纜、熱電偶、保溫層、夾持機(jī)構(gòu)和電磁攪拌器，其中，所述的齒芯豎立在坩堝內(nèi)部的正中心，所述的齒芯的外圍從小到大依次同心放置一個(gè)或復(fù)數(shù)個(gè)曲齒筒，直至緊貼著坩堝內(nèi)壁的外齒筒；所述坩堝的外壁上依次設(shè)置加熱電纜、熱電偶、保溫層和夾持機(jī)構(gòu)；所述坩堝的上端設(shè)有坩堝蓋，所述的坩堝蓋上設(shè)置氣體接口和上口 ；所述坩堝的底部設(shè)置下口及下口閥；所述坩堝通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)從上方或下方移入或移出環(huán)形電磁攪拌器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬漿料的多曲縫式電磁攪拌處理裝置，其特征在于所述的齒芯、曲齒筒和外齒筒上所有相對(duì)的齒形均呈交叉咬合狀，向外凸的齒尖輪廓半徑之相對(duì)應(yīng)的向中心凸的齒尖輪廓半徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬漿料的多曲縫式電磁攪拌處理裝置，其特征在于所述的齒芯、曲齒筒和外齒筒之間形成均勻縫隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的金屬漿料的多曲縫式電磁攪拌處理裝置，其特征在于所述的縫隙寬度為2 200mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬漿料的多曲縫式電磁攪拌處理裝置，其特征在于所述的曲齒筒的側(cè)壁上隨機(jī)設(shè)置連通各個(gè)縫隙的通孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的金屬漿料的多曲縫式電磁攪拌處理裝置，其特征在于所述坩堝的外周設(shè)置加熱電纜，所述加熱電纜在坩堝的外周呈上下“蛇形”纏繞；加熱電纜由熱電偶實(shí)時(shí)進(jìn)行加熱溫度控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬漿料的多曲縫式電磁攪拌處理裝置，其特征在于所述的曲齒筒用多邊形齒桿替換，多邊形齒桿為復(fù)數(shù)個(gè)，呈交錯(cuò)排列，形成曲線式環(huán)縫。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種金屬漿料的多曲縫式電磁攪拌處理裝置，屬于金屬材料熱加工領(lǐng)域。該裝置包括坩堝、齒芯、曲齒筒、外齒筒、加熱電纜、熱電偶、保溫層、夾持機(jī)構(gòu)和電磁攪拌器等，齒芯豎立在坩堝內(nèi)部的正中心，齒芯的外圍從小到大依次同心放置一個(gè)或復(fù)數(shù)個(gè)曲齒筒，直至緊貼著坩堝內(nèi)壁的外齒筒；坩堝的外壁上依次設(shè)置加熱電纜、熱電偶、保溫層和夾持機(jī)構(gòu)；坩堝的上端設(shè)有坩堝蓋，坩堝蓋上設(shè)置氣體接口和上口；坩堝的底部設(shè)置下口及下口閥；坩堝通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)從上方或下方移入或移出環(huán)形電磁攪拌器。金屬漿料沿著曲線式環(huán)縫在方向復(fù)雜交變的高速率下切變流動(dòng)，極大增加了流變制漿所需的剪切強(qiáng)度和多向紊流效應(yīng)，使?jié){料成分更加均勻、組織更加細(xì)小。
文檔編號(hào)B01F13/08GK202885583SQ20122058201
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月6日
發(fā)明者劉國(guó)鈞, 徐駿, 張少明, 湯孟歐, 李豹, 梁博 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院