[發明專利]一種利用超聲波處理金屬熔體的裝置和方法

有效

• 申請號: 201210348369.2
• 申請日: 2012-09-18
• 公開（公告）號: CN102876900A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 康進武;聶剛;游銳;胡毅森
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C22B9/02
• 分類號: C22B9/02;B22D27/08
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 黃家俊

技術領域

本發明屬于金屬熔體處理技術領域，特別涉及一種利用超聲波處理金屬熔體的裝置和方法。

背景技術

金屬制品如鑄錠、鑄件、連鑄產品的質量直接決定于熔煉環節與金屬熔體（如鋼水）的質量。熔體中的氣體、夾雜物控制水平是金屬熔體的純凈度的重要反映。隨著冶煉技術和設備的不斷發展，鋼液的純凈度得到大幅提高，夾雜物水平和氣體含量得到降低，但是該問題依然存在。超聲波處理金屬熔體，可以細化金屬的凝固晶粒，可以促進金屬熔體中氣體形成氣泡并長大上浮，可以促進夾雜物的團聚，進而上浮，也有研究認為可以將夾雜物進行破碎實現彌散分布，這些都有助于提高金屬熔體的質量。超聲已開始廣泛應用于金屬熔體處理。

現有的研究方法主要是將超聲波工具桿浸入待處理的金屬熔體中進行超聲處理，但是在采用該方法處理高熔點金屬（如鋼熔體）時，對超聲波工具桿的耐高溫與耐腐蝕性能要求高，傳統金屬材料難以滿足要求；即使采用金屬陶瓷來避免腐蝕，仍然存在難以加工、裝配和容易發生脆斷的問題。也有通過電磁鐵將超聲波工具桿從側面吸附到金屬坩堝上的方法，間接把超聲波導入金屬熔體，但是采用該方法超聲衰減嚴重，難以有效處理金屬熔體。

發明內容

為了解決將超聲波有效加入到高熔點金屬熔體中出現的問題，本發明提出了一種利用超聲波處理金屬熔體的裝置和方法。

所述的利用超聲波處理金屬熔體的裝置結構如下：

待處理的金屬和超聲波工具桿是直徑相同的一體化的桿狀，二者通過焊接或熔鑄的方法連接到一起；且待處理的金屬位于超聲波工具桿的頂端；

待處理的金屬和超聲波工具桿的上部有石英管套住；所述的石英管的熔點高于待處理的金屬的熔點；

在包圍待處理的金屬部分的石英管的外圍布置有加熱裝置；所述的加熱裝置可以采用感應線圈、電爐爐膛、電弧電極、激光束或乙炔氧槍；在所述的超聲波工具桿的下部有水冷套套住；在所述的水冷套內部有冷卻水流動；

在所述的石英管與水冷套之間有保溫棉隔離，以保護位于超聲波工具桿下方的設備免于高溫損害；

所述的超聲波工具桿的下方連接在超聲波換能器上，所述的超聲波換能器和超聲波控制器連接，超聲波換能器發出的超聲波頻率由超聲波控制器調節。

其中，

超聲波工具桿的長度是超聲波在超聲波工具桿所用金屬材料內傳播的半波長的整數倍；待處理的金屬的長度是其直徑的0.5~3倍；

所述的石英管的壁厚為3~10mm，石英管的內徑比待處理金屬的外徑大1～2mm；

所述的水冷套的內徑比所述的超聲波工具桿的直徑大0.2～1mm；在所述的超聲波工具桿和水冷套之間填塞有導熱膏，以增強冷卻效率，使所述的超聲波工具桿的下部始終處于低溫狀態。

利用所述的超聲波處理金屬熔體的裝置來處理金屬熔體的方法包括如下步驟：

（1）將待處理的金屬通過焊接或熔鑄的方法連接到超聲波工具桿的頂端，將待處理的金屬和超聲波工具桿做成直徑相同的一體化的桿狀；超聲波工具桿的長度是超聲波在超聲波工具桿所用金屬材料內傳播的半波長的整數倍，待處理的金屬的長度是待處理的金屬直徑的0.5~3倍；將超聲波工具桿豎直放置，使待處理的金屬的一端向上；

（2）選擇比待處理的金屬的熔點高的石英材料制作石英管，并將石英管套在待處理的金屬和超聲波工具桿上部的外圍；

（3）對待處理的金屬頂端通惰性氣體保護，以防止待處理的金屬熔化后發生氧化；

（4）在水冷套內通入冷卻水，并保持冷卻水持續流動；

（5）啟動加熱裝置，對待處理的金屬進行加熱，使待處理的金屬熔化形成金屬熔池；調節加熱裝置的加熱功率和冷卻水流速，使待處理的金屬在超聲波工具桿頂端形成穩定的金屬熔池；

（6）開啟超聲波換能器和超聲波控制器，利用超聲波控制器調節超聲波的頻率，直到超聲波工具桿和金屬熔池發生共振，從而對待處理的金屬熔體進行處理。

由于有石英管保護套管，待處理的金屬熔體不會下淌；由于有冷卻水套，因此工具桿不會熔化；此時超聲波通過超聲波工具桿自下而上傳遞到待處理的金屬熔體中，從而實現對高熔點金屬熔體的超聲處理。

本發明的有益效果為：

將待處理的金屬和超聲波工具桿做成一體，加熱使待處理的金屬熔化，超聲波通過超聲波工具桿直接導入金屬熔體，導入過程超聲波的能量無損失，避免了間接導入法中超聲波的衰減；

解決了超聲波工具桿浸入金屬熔體后超聲波工具桿腐蝕的問題；