專利名稱：一種利用超聲波處理金屬熔體的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬熔體處理技術(shù)領(lǐng)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(shù)：
金屬制品如鑄錠、鑄件、連鑄產(chǎn)品的質(zhì)量直接決定于熔煉環(huán)節(jié)與金屬熔體(如鋼水)的質(zhì)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(shù)和設(shè)備的不斷發(fā)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(xì)化金屬的凝固晶粒，可以促進(jìn)金屬熔體中氣體形成氣泡并長(zhǎng)大上浮，可以促進(jìn)夾雜物的團(tuán)聚，進(jìn)而上浮，也有研究認(rèn)為可以將夾雜物進(jìn)行破碎實(shí)現(xiàn)彌散分布，這些都有助于提高金屬熔體的質(zhì)量。超聲已開始廣泛應(yīng)用于金屬熔體處理?！がF(xiàn)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(jìn)行超聲處理，但是在采用該方法處理高熔點(diǎn)金屬(如鋼熔體)時(shí)，對(duì)超聲波工具桿的耐高溫與耐腐蝕性能要求高，傳統(tǒng)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(fā)生脆斷的問題。也有通過電磁鐵將超聲波工具桿從側(cè)面吸附到金屬坩堝上的方法，間接把超聲波導(dǎo)入金屬熔體，但是采用該方法超聲衰減嚴(yán)重，難以有效處理金屬熔體。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決將超聲波有效加入到高熔點(diǎn)金屬熔體中出現(xiàn)的問題，本發(fā)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(jié)構(gòu)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??；所述的石英管的熔點(diǎn)高于待處理的金屬的熔點(diǎn)；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(yīng)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??；在所述的水冷套內(nèi)部有冷卻水流動(dòng)；在所述的石英管與水冷套之間有保溫棉隔離，以保護(hù)位于超聲波工具桿下方的設(shè)備免于高溫?fù)p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(fā)出的超聲波頻率由超聲波控制器調(diào)節(jié)。其中，超聲波工具桿的長(zhǎng)度是超聲波在超聲波工具桿所用金屬材料內(nèi)傳播的半波長(zhǎng)的整數(shù)倍；待處理的金屬的長(zhǎng)度是其直徑的O. 5^3倍；所述的石英管的壁厚為3 10mm，石英管的內(nèi)徑比待處理金屬的外徑大I 2mm ;所述的水冷套的內(nèi)徑比所述的超聲波工具桿的直徑大O. 2 Imm ;在所述的超聲波工具桿和水冷套之間填塞有導(dǎo)熱膏，以增強(qiáng)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(tài)。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(I)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(zhǎng)度是超聲波在超聲波工具桿所用金屬材料內(nèi)傳播的半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，待處理的金屬的長(zhǎng)度是待處理的金屬直徑的O. 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(diǎn)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(duì)待處理的金屬頂端通惰性氣體保護(hù)，以防止待處理的金屬熔化后發(fā)生氧化；(4)在水冷套內(nèi)通入冷卻水，并保持冷卻水持續(xù)流動(dòng)；(5)啟動(dòng)加熱裝置，對(duì)待處理的金屬進(jìn)行加熱，使待處理的金屬熔化形成金屬熔池；調(diào)節(jié)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(wěn)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(diào)節(jié)超聲波的頻率，直到超聲波工具桿和金屬熔池發(fā)生共振，從而對(duì)待處理的金屬熔體進(jìn)行處理。由于有石英管保護(hù)套管，待處理的金屬熔體不會(huì)下淌；由于有冷卻水套，因此工具桿不會(huì)熔化；此時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)高熔點(diǎn)金屬熔體的超聲處理。本發(fā)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(dǎo)入金屬熔體，導(dǎo)入過程超聲波的能量無損失，避免了間接導(dǎo)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；超聲波與感應(yīng)加熱的共同作用使得待處理的金屬熔體產(chǎn)生激烈攪動(dòng)，有助于氣體和夾雜物的上??；由于超聲波工具桿下部進(jìn)行間接水冷而溫度低，位于超聲波工具桿頂端的高溫金屬熔體滲入到超聲波工具桿與石英管的狹小縫隙中凝固，阻止了金屬熔體繼續(xù)往下泄漏，從而在超聲波工具桿的頂端形成穩(wěn)定的金屬熔池，超聲波工具桿和金屬熔池之間形成穩(wěn)定的固液分界面；由于超聲波工具桿與待處理的金屬連成一體，超聲波傳遞的界面阻力小，當(dāng)調(diào)節(jié)超聲波頻率達(dá)到共振效果后，超聲波能量可以高效地從超聲波工具桿進(jìn)入待處理的金屬熔體中。本發(fā)明提供的裝置和方法簡(jiǎn)便，成本低；在金屬熔體處理方面開辟了新思路，尤其在高熔點(diǎn)金屬的處理上具有潛在的廣闊前景，可用于冶金、機(jī)械制造等領(lǐng)域。


圖I是本發(fā)明提出的利用超聲波處理金屬熔體的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中的標(biāo)號(hào)依次代表I、待處理的金屬；2、感應(yīng)線圈；3、石英管；4、超聲波工具桿；5、保溫棉；6、水冷套；
7、冷卻水；8、超聲波換能器；9、超聲波控制器
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明實(shí)施例I :超聲波處理金屬熔體的裝置結(jié)構(gòu) 如圖I所示，本發(fā)明所述的利用超聲波處理金屬熔體的裝置結(jié)構(gòu)如下待處理的金屬I和超聲波工具桿4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I位于超聲波工具桿4的頂端；超聲波工具桿4的長(zhǎng)度是超聲波在超聲波工具桿4所用金屬材料內(nèi)傳播的半波長(zhǎng)的整數(shù)倍；待處理的金屬I的長(zhǎng)度是其直徑的O. 5^3倍；待處理的金屬I和超聲波工具桿4的上部有石英管3套住；所述的石英管3的熔點(diǎn)高于待處理的金屬I的熔點(diǎn)；所述的石英管3的壁厚為3 10mm，石英管3的內(nèi)徑比待處理金屬I的外徑大I 2mm ；在包圍待處理的金屬I部分的石英管3的外圍布置有用于加熱的感應(yīng)線圈2 ;在所述的超聲波工具桿4的下部有水冷套6套住；在所述的水冷套6內(nèi)部有冷卻水7流動(dòng)；超聲波工具桿4和水冷套6之間填塞導(dǎo)熱膏，以增強(qiáng)冷卻效率，使所述的超聲波工具桿4的下部始終處于低溫狀態(tài)；在所述的石英管3與水冷套6之間有保溫棉5隔離，以保護(hù)位于超聲波工具桿4下方的設(shè)備免于高溫?fù)p害；在所述的超聲波工具桿4的下方連接有超聲波換能器8上，超聲波換能器8和超聲波控制器9連接，超聲波換能器8發(fā)出的超聲波頻率由超聲波控制器9調(diào)節(jié)。實(shí)施例2 :利用超聲波處理金屬熔體的裝置來處理金屬熔體方法如圖I所示，利用本發(fā)明所述的超聲波處理金屬熔體的裝置來處理金屬熔體方法如下(I)選擇和待處理的金屬I材質(zhì)相同的金屬制作超聲波工具桿4,其中待處理的金屬I位于超聲波工具桿4的頂端，將超聲波工具桿4和待處理的金屬I直接熔鑄或者焊接在一起；其中，超聲波工具桿4的長(zhǎng)度是超聲波在工具桿材料內(nèi)傳播的半波長(zhǎng)的I倍，待處理的金屬I的長(zhǎng)度是待處理的金屬直徑的I倍；將超聲波工具桿4豎直放置，使待處理的金屬I的一端向上；(2)選擇比待處理的金屬I的熔點(diǎn)高的石英材料制作石英管3，并將石英管3套在待處理的金屬I和超聲波工具桿4上部的外圍；所述的石英管3的內(nèi)徑比待處理金屬I的外徑大I 2mm ;所述石英管3的壁厚為3 IOmm ；(3)對(duì)待處理的金屬I頂端通氮?dú)獗Ｗo(hù)，以防止待處理的金屬I熔化后發(fā)生氧化；(4)在水冷套6內(nèi)通入冷卻水7，并保持冷卻水7持續(xù)流動(dòng)；
(5)啟動(dòng)感應(yīng)線圈2，對(duì)待處理的金屬I進(jìn)行加熱，使待處理的金屬I熔化形成金屬熔池；調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈2的加熱功率和冷卻水7的流速，使待處理的金屬I在超聲波工具桿4頂端形成穩(wěn)定的金屬熔池；(6)當(dāng)待處理的金屬I在超聲波工具桿4的頂端形成穩(wěn)定的金屬熔池后，開啟超聲波換能器8和超聲波控制器9，利用超聲波控制器9調(diào)節(jié)超聲波的頻率，直到超聲波工具桿4和金屬熔池發(fā)生共振，從而對(duì)待處理的金屬熔體進(jìn)行處理?！?br> 權(quán)利要求
1.一種利用超聲波處理金屬熔體的裝置，其特征在于，所述的裝置結(jié)構(gòu)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，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?。凰龅氖⒐艿娜埸c(diǎn)高于待處理的金屬的熔點(diǎn)； 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；在所述的超聲波工具桿的下部有水冷套套??；在所述的水冷套內(nèi)部有冷卻水流動(dòng)； 在所述的石英管與水冷套之間有保溫棉隔離，以保護(hù)位于超聲波工具桿下方的設(shè)備免于高溫?fù)p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(fā)出的超聲波頻率由超聲波控制器調(diào)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述的加熱裝置為感應(yīng)線圈、電爐爐膛、電弧電極、激光束或乙炔氧槍。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述的超聲波工具桿的長(zhǎng)度是超聲波在超聲波工具桿所用金屬材料內(nèi)傳播的半波長(zhǎng)的整數(shù)倍；所述的待處理的金屬的長(zhǎng)度是待處理的金屬直徑的O. 5 3倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述的石英管的壁厚為3 10mm，石英管的內(nèi)徑比待處理金屬的外徑大I 2mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述的水冷套的內(nèi)徑比所述的超聲波工具桿的直徑大O. 2 Imm ;在所述的超聲波工具桿和水冷套之間填塞導(dǎo)熱膏。
6.一種利用權(quán)利要求I所述的裝置處理金屬熔體的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步驟 (1)將待處理的金屬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(zhǎng)度是超聲波在超聲波工具桿所用金屬材料內(nèi)傳播的半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，待處理的金屬的長(zhǎng)度是待處理的金屬直徑的O. 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(diǎn)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(duì)待處理的金屬頂端通惰性氣體保護(hù)，以防止待處理的金屬熔化后發(fā)生氧化； (4)在水冷套內(nèi)通入冷卻水，并保持冷卻水持續(xù)流動(dòng)； (5)啟動(dòng)加熱裝置，對(duì)待處理的金屬進(jìn)行加熱，使待處理的金屬熔化形成金屬熔池；調(diào)節(jié)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(wěn)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(diào)節(jié)超聲波的頻率，直到超聲波工具桿和金屬熔池發(fā)生共振，從而對(duì)待處理的金屬熔體進(jìn)行處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用超聲波處理金屬熔體的裝置和方法，屬于金屬熔體處理技術(shù)領(lǐng)域。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，再用石英管套在待處理的金屬和超聲波工具桿的上部；在石英管的外圍有加熱裝置，在超聲波工具桿的下部有水冷套套??；石英管與水冷套之間有保溫棉隔離；超聲波工具桿的下方與超聲波換能器和超聲波控制器連接。使用時(shí)，開啟加熱裝置、在待處理的金屬頂端通惰性氣體保護(hù)、在水冷套內(nèi)通入冷卻水；再啟動(dòng)加熱裝置使待處理的金屬熔化形成金屬熔池；開啟超聲波換能器和超聲波控制器，調(diào)節(jié)超聲波的頻率使超聲波工具桿和金屬熔池發(fā)生共振，對(duì)待處理的金屬熔體進(jìn)行處理。本發(fā)明簡(jiǎn)便，成本低，超聲波能量無損失，用途廣。
文檔編號(hào)C22B9/02GK102876900SQ201210348369
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者康進(jìn)武, 聶剛, 游銳, 胡毅森 申請(qǐng)人:清華大學(xué)