專利名稱：一種激發(fā)金屬液形核的晶核發(fā)射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型裝置屬于金屬連鑄技術(shù)中的設(shè)備制造領(lǐng)域，特別適用鑄造過程中提高鑄件內(nèi)部等軸晶率和促進(jìn)金屬液形核的晶核發(fā)射裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有金屬的鑄造及連鑄生產(chǎn)技術(shù)中，由于選分結(jié)晶所造成的鑄件和連鑄坯中心質(zhì)量降低，尤其是高合金鋼、高碳鋼鑄件及連鑄坯所產(chǎn)生的中心偏析、中心縮孔、中心疏松等問題是影響連鑄坯質(zhì)量的核心問題。為了解決上述問題，現(xiàn)有技術(shù)的研究方向有兩種一是電磁攪拌技術(shù)；二是超聲振動(dòng)破碎枝晶技術(shù)。連鑄結(jié)晶器用電磁攪拌技術(shù)，是在連鑄結(jié)晶器的外側(cè)放置電磁感應(yīng)線圈或攪拌器，當(dāng)有交變電流通過時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電磁場，由該磁場穿透結(jié)晶器使液態(tài)金屬產(chǎn)生感生電流，此時(shí)的液態(tài)金屬載流體在磁場作用下所產(chǎn)生的電磁力強(qiáng)迫液態(tài)金屬進(jìn)行對(duì)流。由于有對(duì)流的液態(tài)金屬不斷地沖刷、折斷和破碎樹枝晶，使這些碎晶將成為以后等軸晶生長的核心，從而達(dá)到了電磁攪拌器提高鑄坯等軸晶率的目的。
電磁攪拌器在使用過程中所存在的缺點(diǎn)是，電磁攪拌對(duì)鑄坯件容易生成“白亮帶”或負(fù)偏析帶而造成鑄坯件性能的不均勻性；電磁攪拌器穿透金屬坯殼所需的能量大，當(dāng)隨著連鑄坯殼的增厚，則電磁場穿透金屬坯殼所損失的能量明顯增大，電磁攪拌效果降低。
采用超聲振動(dòng)連鑄技術(shù)也是可以改善金屬鑄件在凝固時(shí)的組織效果，由于超聲振動(dòng)在凝固初期的金屬液中有破碎已凝固的坯殼前沿枝晶的作用，可使其成為以后形核的核心。但缺點(diǎn)是超聲波發(fā)射源與凝固殼的距離只有很近才能有效果；超聲振動(dòng)只能作用于破碎已凝固坯殼，不能作用于未凝固的金屬液；對(duì)于高熔點(diǎn)金屬鋼液用超聲波發(fā)射源裝置的保護(hù)與使用壽命的難度大。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提出一種適用于連鑄技術(shù)的，可作用在金屬液的凝固過程中，能提高金屬鑄件和連鑄坯內(nèi)部的等軸晶率，減少金屬鑄件和連鑄坯中心縮孔、疏松和偏析的激發(fā)金屬液形核的晶核發(fā)射裝置。
根據(jù)本實(shí)用新型的目的，我們所提出的激發(fā)金屬液形核的基本原理和結(jié)晶形核用的晶核發(fā)射裝置基本工作現(xiàn)狀。該裝置的使用是將具有冷卻能力的晶核發(fā)射器前端浸沒在金屬液體中，該晶核發(fā)射器在振動(dòng)發(fā)生源的驅(qū)動(dòng)下做高頻小振幅振動(dòng)；當(dāng)金屬液體接觸到晶核發(fā)射器的前端時(shí)，由于冷卻作用，金屬液體在晶核發(fā)射器振動(dòng)表層迅速形核；在這些初生晶核尚未形成連續(xù)的坯殼前，它們將隨著晶核發(fā)射器的高頻振動(dòng)被大量、連續(xù)不斷的彈射到金屬液體中，形成在金屬凝固過程中的大量等軸晶核心。根據(jù)上述工作原理，我們所提出的激發(fā)金屬液形核的晶核發(fā)射裝置的特征在于，該裝置是由以下三部分組成中部是通有冷卻介質(zhì)8的具有內(nèi)、外冷卻結(jié)構(gòu)的振動(dòng)器1，在振動(dòng)器的外層表面有涂鍍隔熱層2，在振動(dòng)器上裝有振動(dòng)發(fā)生源3。該裝置的其他特征還在于由振動(dòng)器1和振動(dòng)發(fā)生源3組成晶核發(fā)射器裝置的振動(dòng)頻率為100-9000赫茲。該晶核發(fā)生器的水平振幅為0.001-1mm。該晶核發(fā)生器前端浸入金屬液9中的深度為10-150mm。在該晶核發(fā)射器裝置中振動(dòng)器1的外層表面裝有隔熱層2。該晶核發(fā)射器裝置是將工作區(qū)的下段5浸入到金屬液9中以激發(fā)金屬液形核(見圖8)；也可以將工作區(qū)的下段5和部分上段4一起浸入到金屬液8中工作(見圖9)。
本實(shí)用新型裝置的另外特征是將浸入在金屬液中的工作區(qū)可分為兩段(見圖)，在該裝置中振動(dòng)器1的工作區(qū)上段4涂鍍有涂鍍隔熱層2或裝有良好的隔熱層2，其目的是防止金屬液9在具有內(nèi)、外冷卻結(jié)構(gòu)的振動(dòng)器1上凝固；該晶核發(fā)射器裝置工作區(qū)的下段5均為上大下小的結(jié)構(gòu)形狀，還可以是球冠體、圓錐體、圓臺(tái)體、球臺(tái)體中的任意一種結(jié)構(gòu)形狀。當(dāng)其浸入金屬液9中時(shí)，金屬液在晶核發(fā)射器下段5的表面上迅速形成初生晶核，由于晶核發(fā)射器下段5的斜面效果和晶核發(fā)射器的高頻小振幅振動(dòng)作用，使得初生晶核被大量、連續(xù)不斷的彈射到金屬液體中，形成其后金屬凝固過程中生成大量等軸晶的核心，而無法在晶核發(fā)射器表面形成連續(xù)生長的坯殼。
該晶核發(fā)射器工作區(qū)下段5做成上大下小的結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的斜面效果是當(dāng)冷卻強(qiáng)度很大的晶核發(fā)射器浸入金屬液9中時(shí)，在冷卻的作用下，金屬液9將會(huì)在晶核發(fā)射器表面迅速形核，甚至形成連續(xù)的坯殼。當(dāng)金屬液在晶核發(fā)射器表面沒有形成連續(xù)坯殼時(shí)，晶核發(fā)射器的斜面將直接把晶核發(fā)射到金屬液9中。當(dāng)晶核發(fā)射器冷卻強(qiáng)度較大時(shí)，金屬液甚至?xí)诰Ш税l(fā)射器表面形成凝固殼，凝殼在冷卻的作用下，會(huì)產(chǎn)生向心的收縮力，由于該向心力方向是指向水平方向的中心，該力可以分解成兩個(gè)力，一是沿斜面向下驅(qū)使凝殼脫落的下滑力；二是垂直與斜面的正壓力，正壓力與摩擦系數(shù)的乘積就是阻礙凝殼剝落的摩擦阻力。在較光滑的金屬表面，當(dāng)晶核發(fā)射器表面其工作區(qū)的下段的曲面或園切面與垂直線的夾角a足夠小時(shí)，如小于70°，已形成的坯殼也將在晶核發(fā)射器高頻振動(dòng)的作用下脫落進(jìn)入金屬液9中，形成以后金屬凝固的核心。
為了使金屬液9在晶核發(fā)射器工作區(qū)的下段5表面迅速形核，其下段5表面可以沒有涂鍍層，但為了提高晶核發(fā)射器的抗熱侵蝕能力和提高使用壽命，也可以涂鍍以具有導(dǎo)熱和防侵蝕的保護(hù)層7(見圖7)。另外，為提高晶核發(fā)射器的使用壽命，其工作區(qū)的下段5可以做成內(nèi)外套裝的形式，其外套6與內(nèi)層振動(dòng)器1為牢固聯(lián)接(見圖6)，內(nèi)外套間靠相互接觸傳遞熱量。這樣的結(jié)構(gòu)保證了工作區(qū)下段5在浸入到金屬液9中將被侵蝕或損壞時(shí)，可以迅速更換外套6后繼續(xù)使用，而不影響晶核發(fā)射器的整體使用壽命。


附圖1為激發(fā)金屬液形核的晶核發(fā)射器裝置；附圖2晶核發(fā)射器工作區(qū)下段為圓錐體；附圖3晶核發(fā)射器工作區(qū)下段為圓臺(tái)體；附圖4晶核發(fā)射器工作區(qū)下段為球臺(tái)體；附圖5晶核發(fā)射器工作區(qū)下段為圓臺(tái)體和球冠體的組合；附圖6晶核發(fā)射器工作區(qū)下段做成內(nèi)外套裝的結(jié)構(gòu)示意；附圖7晶核發(fā)射器工作區(qū)下段涂鍍有導(dǎo)熱和防蝕的保護(hù)層；附圖8將晶核發(fā)射器工作區(qū)下段浸入金屬液中激發(fā)形核示意；附圖9將晶核發(fā)射器部分浸入金屬液中激發(fā)形核示意。
在附圖中，序號(hào)1為內(nèi)、外冷卻結(jié)構(gòu)的振動(dòng)器；2為涂鍍隔熱層；3為振動(dòng)發(fā)生源；4為晶核發(fā)射器工作區(qū)上段；5為晶核發(fā)射器工作區(qū)下段；6為可更換的外套；7為涂鍍的導(dǎo)熱防蝕保護(hù)層；8為冷卻介質(zhì)；9為金屬液。
權(quán)利要求1.一種激發(fā)金屬液形核的晶核發(fā)射裝置，其特征在于該裝置是由以下三部分組成中部是通有冷卻介質(zhì)(8)的具有內(nèi)、外冷卻結(jié)構(gòu)的振動(dòng)器(1)，在振動(dòng)器的外層表面有涂鍍隔熱層(2)，在振動(dòng)器上裝有振動(dòng)發(fā)生源(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述晶核發(fā)射裝置，其特征還在于由該裝置中振動(dòng)器(1)和振動(dòng)發(fā)生源(3)組成晶核發(fā)射器的振動(dòng)頻率為100-9000赫茲。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述晶核發(fā)射裝置，其特征在于由該裝置中振動(dòng)器(1)和振動(dòng)發(fā)生源(3)組成晶核發(fā)生器的水平振幅為0.001-1mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述晶核發(fā)射裝置，其特征在于該晶核發(fā)生器前端浸入金屬液(9)中的深度為10-150mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述晶核發(fā)射裝置，其特征是在該裝置中振動(dòng)器(1)的工作區(qū)上段(4)處裝有良好的隔熱層(2)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述晶核發(fā)射裝置，其特征在于該晶核發(fā)射器裝置工作區(qū)的下段(5)均為上大下小的形狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述晶核發(fā)射裝置，其特征是在該裝置工作區(qū)的下段(5)可以是球冠體、圓錐體、圓臺(tái)體、球臺(tái)體中的任意一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述晶核發(fā)射裝置，其特征在于該裝置工作區(qū)的下段(5)還可以涂鍍具有導(dǎo)熱和防侵蝕的保護(hù)材料(7)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述晶核發(fā)射裝置，其特征在于該裝置工作區(qū)的下段(5)可以做成內(nèi)外套裝的形式，其外套(6)與內(nèi)層振動(dòng)器(1)為牢固聯(lián)接。
專利摘要本實(shí)用新型屬于金屬鑄造領(lǐng)域，是一種凝固過程中激發(fā)金屬液形核的裝置。其浸入在金屬液的工作區(qū)分為兩段，上段的涂鍍層有良好的隔熱性能，以防止金屬液在其上凝固；下段為上大下小的結(jié)構(gòu)，并具有冷卻能力。當(dāng)其浸入金屬液中時(shí)，金屬液在晶核發(fā)射器工作區(qū)下段的表面上迅速形成初生晶核，由于下段的斜面效果和晶核發(fā)射器的高頻小振幅振動(dòng)作用，使得初生晶核被大量、連續(xù)不斷的彈射到金屬液體中，形成其后金屬凝固過程中生成大量等軸晶的核心，且無法在晶核發(fā)射器表面形成連續(xù)生長的坯殼。
文檔編號(hào)C22F3/00GK2848415SQ20052010610
公開日2006年12月20日 申請(qǐng)日期2005年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月19日
發(fā)明者張慧, 趙沛, 王玫, 那賢昭, 陶紅標(biāo), 岳爾斌 申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院