[发明专利]用于高剪切液体金属处理的装置和方法

说明书

本发明提供一种高剪切液体金属处理装置(1)。装置(1)包括筒(2)、转子轴(5)、多个转子风扇(6、7、8)和多个定子板(9、10、11)。筒(2)具有在上端和下端之间延伸的纵向轴线，并且在所述筒的上端和下端处具有开口(4、3)。转子轴(5)居中穿过并且平行于筒(2)的纵向轴线安装。多个转子风扇(6、7、8)沿轴(5)的轴向长度安装并且安装在筒(2)内，每个转子风扇(6、7、8)形成为使得其外端在筒(2)的内壁的最小距离内。多个定子板(9、10、11)形成在筒(2)的内表面上，定子板(9、10、11)位于相邻的转子风扇(6、7、8)之间，每个定子板从内表面基本上延伸到转子轴(5)，每个定子板具有贯穿其形成的至少一个通道(17)，以允许流体经过该板；并且每个定子板的上表面和下表面形成为在相邻的转子风扇(6、7、8)的最小距离内。最小距离在10μm和10mm之间。本发明还提供使用该装置(1)的高剪切液体金属处理方法。本发明允许在加工过程中改进液体金属和半液体金属的处理。

技术领域

本发明总体涉及用于在完成金属材料的固化加工之前的半固体和液体金属处理的方法和系统，更具体地，本发明涉及用于剪切半固体和液体金属的装置。

背景技术

众所周知，液体金属包含变化量的非金属成分，即气体和非金属夹杂物，而且它们的存在可造成最终产物中的缺陷。已提出许多程序用于移脱气体和夹杂物。

在固化加工之前的液体金属处理对于各种铸造工艺是必需的，该铸造工艺包括但不限于砂模铸造、永久模铸造、高压压铸、直接冷铸、双辊铸造等，用于晶粒细化、熔体清洁、均匀微结构和化学组成的均匀性，分散和分布内源颗粒和外源颗粒两者。

用于液体金属处理的现有方法主要包括通过叶轮机械搅拌、电磁搅拌，以及一些其他方法如气体引发的液体流。

通过叶轮机械搅拌是处理液体金属的非常简单的方式。其仅提供叶轮周围的适度熔体剪切，但导致液体金属中的严重漩涡和液体表面附近的严重湍流，引起气体和其他污染物从熔体表面的剧烈截留。存在解决此类问题的数个方法。

授予Kraemer等人的美国专利No.3,785,632公开了用于加速冶金反应的工艺和设备。该工艺包括使用双泵叶轮在熔池和反应物之间边界的机械搅拌。离心力分量在设备开始搅拌时被创建并引起朝向长柄勺边缘的不同弯曲，这使得在熔融金属材料和反应物之间的化学反应加速。

授予McRae等人的美国专利No.4,743,428公开了机械搅拌液体金属用于生产合金的方法。工艺包括主要加速合金元素溶解并减缓浮渣形成的搅动装置。

授予Flemings等人的美国专利No.3,902,544公开了通过机械搅拌处理液体金属以获得具有非树状初级固体的半固体金属材料的连续工艺。在该工艺中，三个螺旋钻被引入并且位于三个分离的搅动区域中。螺旋钻相比双叶片叶轮更有效。在搅动区的内表面和螺旋钻的外表面之间的距离保持足够小，使得高剪切力可施加到搅动区中的材料。

授予Shingu等人的美国专利No.4,373,950将通过叶轮机械搅拌引入到直接冷铸工艺中以净化铝。通过使用机械搅拌设备破坏在液体和固体之间分界面的树枝晶并将从树枝晶释放的杂质分散到整个液体中，铝熔体被净化。

授予Duenkelmann的美国专利No.4,931,060公开了旋转装置，其包括空心轴和附接到该轴用于将气体分散在熔融金属中的空心转子。该装置将惰性气体从轴顶部引入，并且输送巨大体积的惰性气体到熔体中用于对液体金属脱气。

上述发明均涉及机械搅拌。它们既不提供熔体调节所需的高剪切速率，也不避免气体和其他污染物从熔体表面截留的问题。

美国专利No.4,960,163将机械搅拌器引入直接冷铸中用于实现细粒结构和分隔以将DC铸造机中的空间分成供应储存器和固化储存器，用于避免接近供应储存器中液体表面的湍流，而不弱化在固化储存器中的搅拌。通过该发明实现一定程度的晶粒细化，但结果不逐批一致。