CN101287560B - 用于高压挤压熔融铝的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种熔融金属供应***(16)，它可以在恒定的压力和熔融金属流量下将熔融金属供应到下游过程。该熔融金属供应***包括熔融金属供应源(21)、多个喷射器(18a；18b)和多个止回阀(32a；32b)。

Description

用于高压挤压熔融铝的设备和方法

相关申请的交叉引用 

本申请基于2005年10月13日提交的序列号为60/726,280的美国临时申请，并要求其优先权。 

技术领域

本发明涉及熔融金属供应***。具体的是，本发明涉及连续压力的熔融金属供应***和挤压长度不限的物品的方法。

背景技术

称为挤压的金属加工工艺包括通过具有预定构造的模孔挤压金属坯料(锭或坯)，以形成具有较长的长度和大体上恒定的横截面的型材。例如：在铝合金的挤压过程中，将铝坯料预热到适当的挤压温度。之后，将铝坯料放入到加热的缸中。在挤压工艺中利用的缸在一端具有所需形状的模孔，并且该缸具有与缸的腔的横截面尺寸近似相同的往复活塞或压头。该活塞或压头向着铝坯料移动以压缩铝坯料。模孔是对压力下的铝坯料来说阻力最小的通道。铝坯料变形并通过模孔流出，以生成具有与模孔的横截面形状相同的挤压产品。

参见图1，前述的挤压工艺通过附图标记2表示，通常由几个不连续的和分立的操作组成，包括：熔化4、铸造6、去皮8、均质化10、任意锯切12、再加热14，和最后的挤压16。铝坯料在高温下铸造，并且通常冷却到室温或环境温度。在铸造之后，对铝坯料去皮，以剥离由于铝表面与在大气中的氧之间的反应而自然地在铝坯料表面形成的氧化层。因为铝坯料是铸造的，所以在铝坯料的结构中有一定的不均一性。因此，铝坯料通常要在高温加热，以使铸造的金属均质化。在均质化步骤之后，铝坯料冷却到室温。冷却后，均质化的铝坯料在炉中再加热到称为预热温度的高温。本领域技术人员将领会，预热温度对于在一系列坯中的每个要被挤压的坯而言都是大致相同的。 当达到预热温度后，铝坯料放置到挤压机中，并且通过挤压模挤出以形成挤压产品。

所有前述步骤涉及的实践对于铸造和挤压领域的技术人员而言是众所周知的。每个前述的步骤都与待挤压的金属的冶金控制相关。这些步骤是成本密集型的，同时每次金属坯料从室温开始再加热时都会产生能量消耗。还有与需要修整金属坯料相关的过程中回收成本，与过程库存有关的劳力成本，以及用于挤压设备的资金和运行成本。

因此，需要合并传统挤压工艺的不连续的和分立的操作，以减少挤压制品的制造成本。

上述开发连续挤压工艺的努力描述在Sample等人的编号为6,536,508、6,712,126和6,739,485的美国专利中。这些专利在此作为参考引入。此外，这些专利描述了通过利用依次操作的多个熔融金属喷射器来以连续方式完成的挤压物品的***。每个喷射器连接在熔融金属源和下游过程之间。为了成功操作，要求多个喷射器之间精确的同步。该同步通过阀的打开或关闭以促进或阻碍熔融铝的流动来实现。上述阀操作的可靠性和便利性对于这些发明的成功是关键的。

尽管这些专利提供了连续的过程，但是想要提供将传统挤压工艺的多重操作合并为单一操作的挤压设备和连续方法。本发明公开的操作在实现相同的目标时是显著地比上述的发明更可靠的。可靠性的改善是一定元件的简化的结果，并且由于本发明的其它元件减少了涉及连续地挤压物品的任务的复杂性。

发明内容

总的说来，依照本发明提供的熔融金属供应***能够以恒定压力或速度将金属连续地供应到下游的成形操作。该熔融金属供应***包括多个熔融金属喷射器，其中至少一个在下文称为供给缸(FC)的熔融金属喷射器直接连接到金属源，并且在下文称为积蓄缸(AC)的第二熔融金属喷射器连接到上述第一喷射器和下游过程。该***还包括低压熔融金属供给***和在下文称为(PCC)的过程控制缸。

FC喷射器和AC喷射器通过多个止回阀彼此连接并连接到低压熔融金属供给***，以促进或阻碍熔融金属在熔融金属输送***的不同元件之间流动。在下文称为入口止回阀(ICV)的第一止回阀将低压供给***连接到供给缸(FC)熔融金属喷射器。在下文称为出口止回阀(OCV)的第二止回阀将(FC)熔融金属喷射器连接到(AC)熔融金属喷射器。熔融金属喷射器(FC、AC)、止回阀(ICV、OCV)和过程控制缸(PCC)联合作用，以将熔融金属从低压供给***连续地供应到下游的成形操作，以使供应的熔融金属处于恒定压力或保持恒定的产品速度。

每个熔融金属喷射器具有喷射器壳体，其构造为容纳熔融金属和可在喷射器壳体内往复地操作的活塞。活塞前进行程将流体从喷射器壳体排出，以允许喷射器供给熔融金属，而活塞的返回行程允许喷射器壳体充填金属。每个喷射器使用如Sample等人的美国专利6,739,485描述的气体包覆金属-可动活塞的构思。

对熔融金属的流动和产品出口速度的控制通过与(AC)熔融金属喷射器气体连通的过程控制缸(PCC)实现。该过程控制缸具有壳体，其构造为容纳气体和可在该壳体内往复地调整的活塞。活塞可移动通过前进行程和返回行程。PCC的返回行程使得气体膨胀，因此减小了AC熔融金属喷射器壳体内的压力，导致产品的出口速度减缓。PCC的前进行程压缩气体，因此增大了AC熔融金属喷射器壳体内的压力，导致产品的出口速度增加。因此，可以调整PCC活塞的位置以保持预定速度。

本发明还提供了操作熔融金属供应***以在大体上恒定的熔融金属流量或者压力下向下游过程供应熔融金属的方法。该方法包括驱动喷射器活塞以使喷射器壳体充填熔融金属，随后将熔融金属供给到另一个喷射器或者下游过程。当喷射器供给金属时，称为处于供给或者挤压步骤，而当喷射器充入金属时，称为处于充填步骤。熔融金属供应***以循环的方式工作，其中，单个循环被定义为FC熔融金属喷射器经历充填步骤和供给步骤。FC熔融金属喷射器在它的充 填步骤中是与熔融金属供应源或者容器流体连通的(通过ICV的开启和OVC的关闭)，而在供给步骤中，FC熔融金属喷射器与AC熔融金属喷射器和下游过程流体连通(通过OCV的开启和ICV的关闭)。在供给步骤之前，在供给缸中的气体预加压至AC中的压力。在供给步骤中，FC缸中的气垫被压缩，由此促进熔融铝从FC转移至AC。在这个阶段，FC向AC缸和下游过程供应熔融金属。这就导致AC的充填。FC熔融金属喷射器的前进行程在较高速度下操作，这导致熔融金属同时供给到积蓄缸(AC)和下游过程。AC的活塞始终根据AC中的熔融金属液位动作以保持恒定的气垫。因此，FC熔融金属喷射器活塞和AC熔融金属喷射器活塞将在相反的方向移动，以便当其中一个供给时另一个在充填。在FC返回行程之前，OCV关闭并且FC中的气体排出。

通过利用与AC熔融金属喷射器气体连通的过程控制缸(PCC)调整在AC熔融金属喷射器中的压力来实现对产品从下游过程离开的出口速度的控制。根据产品速度传感器的反馈对所述PCC活塞调整。

通过凝固和熔化通道中的熔融金属来操作止回阀，以分别阻碍或者促进熔融金属流动。当止回阀在基本上不同的工作压力下操作时，这些阀起到了可靠的隔离组件的作用。

本发明的另一方面是减少与制造挤压制品有关的总成本。

附图说明

为了更完全理解本发明，结合附图进行以下的描述，其中：

图1是挤压工艺的示意图；

图2是依照本发明构造和布置的熔融金属供应***的示意性的剖视图；

图3是在图2的***中使用的熔融金属供应喷射器的剖视图；

图4是熔融金属喷射器的示意性的剖视图；

图5是依照本发明的熔融金属喷射器、密封和用于冷却密 封的装置的剖视图；

图6是在图2的***中使用的止回阀的剖视图；

图7是挤压模具的剖视图；和

图8是熔融金属供应***的纵剖面。

具体实施方式

附图和随后的说明书描述了本发明的优选的实施例。然而，可以设想到的是，熟悉挤压工艺和/或熔融金属供应***的技术人员可以通过变更某些细节将在本文中举例说明和描述的结构和方法的新特征应用于其它的范围。相应地，附图和说明书不得看作对本发明的范围的限制，而是应理解为广泛的和一般的教导。当涉及任何数值范围时，这些数值范围应理解为包括在给出的最小值和最大值范围之间的每个数值和/或区段。最后，为了以下的描述，术语″上″、″下″、″左″、″右″、″竖直″、″水平″、″顶部″、″底部″以及其派生词将涉及到本发明在附图中的取向。

本发明涉及包含至少两个熔融金属喷射器的加压熔融金属供应***(连续的金属输送***)。所述熔融金属供应***可以用于将熔融金属传递至下游的挤压设备或者过程。特别的是，本发明中公开的熔融金属供应***以大体上恒定的流量和压力将熔融金属提供给下游的挤压设备或者过程。

如图2所示，熔融金属供应***16包括多个分别由″a″和″b″表示的熔融金属喷射器18。FC熔融金属喷射器18a和AC熔融金属喷射器18b是相同的，为简明起见它们的组成部件在下文将根据单个喷射器18描述。低压供给***20将熔融金属22提供给FC熔融金属喷射器18a。从与低压供给***20流体连通的容器21中连续不断地向低压供给***20供应熔融金属。低压供给***20还与大体上竖直地延伸的第一供给通道24流体连通。第一供给通道24与包围在第一壳体28中的第一接收腔26流体连通。第一接收腔26与大体上横向延伸的第二供给通道30流体连通。止回阀32a可用于阻碍或者促进熔融金属22流过第二供给通道30。

第二供给通道30延伸到包围第二接收腔36的第二壳体34中。第二接收腔36与第二供给通道30、大体上竖直地延伸的第三供给通道38和大体上横向延伸的第四供给通道40流体连通。第三供给通道38与FC熔融金属喷射器18a的喷射器壳体44的内部42流体连通。(OCV)止回阀32b用于促进或者阻碍熔融金属22流过第四供给通道40。尽管图2描绘了止回阀32a和32b围绕第二和第四供给通道30和40的中心设置，但第一和/或第二止回阀32a和32b也可以大体上分别沿着第二和第四供给通道30和40的全长延伸。

第四供给通道40延伸到包围第三接收腔48的第三壳体46中。第三接收腔48与第四供给通道40、大体上竖直地延伸的第五供给通道50和向外延伸的第六供给通道52(如图8所示)流体连通。第五供给通道50与第二喷射器18b的壳体44的内部42流体连通。第六供给通道52与挤压模具54(如图8所示)流体连通，该挤压模具54用于在熔融金属22通过连接到挤压模具54的挤压模头56挤压之前凝固熔融金属22。尽管图2描绘的供给通道24、30、38、40、50和52具有大体上相同的直径，但需要注意的是这并不意味着限制，因为一个或多个供给通道24、30、38、40、50和52可以具有不同尺寸的直径。

从图2中可以理解到，过程控制缸58、AC熔融金属喷射器18b和FC熔融金属喷射器18a通过气体导管60相连，该气体导管60允许气体在过程控制缸58和FC熔融金属喷射器18a和AC熔融金属喷射器18b之间传导。在FC熔融金属喷射器18a中的气垫116由从AC熔融金属喷射器18b通过设置在FC熔融金属喷射器18a和AC熔融金属喷射器18b之间的气体导管60传送(行进)到FC熔融金属喷射器18a的气体补充。AC熔融金属喷射器18b的气垫116由从过程控制缸58通过设置在过程控制缸58和AC熔融金属喷射器18b之间的气体导管60传送到AC熔融金属喷射器18b的气体补充。接下来将会对气体导管60的功能作进一步的描述。

在图2中，过程控制缸58与AC熔融金属喷射器18b通过 大体上横向延伸的第一气体导管62气体连通。大体上横向延伸的第二气体导管64将AC熔融金属喷射器18b连接到FC熔融金属喷射器18a。第一气阀66安装于第二气体导管64，其用于调节在FC熔融金属喷射器18a和AC熔融金属喷射器18b之间的气体流量。第三气体导管68安装到FC熔融金属喷射器18a。第三气体导管68用来从FC熔融金属喷射器18a排空(即排出或者释放)气体。排空操作通过安装于第三气体导管68的第二气阀70调节。

FC熔融金属喷射器18a和FC熔融金属喷射器18b是相同的，为简明起见它们的组成部件在下文依照单个喷射器″18″描述。参见图2-5，喷射器18包括喷射器壳体44，其用于在熔融金属22移到下游设备或工艺过程之前容纳熔融金属22。在本发明的一个实施例中，喷射器壳体44内衬有石墨105(如图4所示)。然而，这并不意味着限制，因为该内衬可以由与所使用的熔融金属22不起不利反应的任意材料制造。活塞84向下延伸到喷射器壳体44中，并可在喷射器壳体44内往复地操作。如图2-4所示，活塞84的第一端106与液压致动器或压头108连接，该液压致动器或压头108通过往复移动来驱动活塞84。活塞84的第一端106通过自对准联接器110与液压致动器108连接。位于活塞84的第二端114和熔融金属22之间的气垫116的高度传送到计算机或控制单元117(如图2所示)，其调节过程控制缸(PCC)58、FC熔融金属喷射器18a和AC熔融金属喷射器18b的动作。喷射器活塞84动作，以保持固定的气垫高度。接下来将更进一步地描述计算机117调节过程控制缸(PCC)58、FC熔融金属喷射器18a和AC熔融金属喷射器18b的动作的方法。

参见图5，气体通过贯穿喷射器壳体44的一个或多个进气口通道118分别引入FC和AC喷射器18a和18b。进气口通道118与至少一个邻近的喷射器(未显示)或与过程控制缸(未显示)气体连通。从图5中可以清楚地看到，活塞84的外表面120没有完全地与喷射器壳体18的内壁122平齐(即接触)，因此允许气体从邻近的喷射器或从过程控制缸58进入到喷射器壳体44。当气阀开启时，气体通 过一个或多个贯穿喷射器壳体44的出气口通道124排出喷射器壳体18。

通过至少一个设置在喷射器壳体44的第一端82附近的密封126阻止在喷射器壳体44中的气体从活塞84和喷射器壳体44之间选出。从图5中可以清楚地看到，密封126接纳在设置于靠近活塞84外表面120的喷射器壳体44内壁122内的槽128中。环形的肩部80靠近喷射器壳体44的第一端82设置，其位于支撑壳体76或顶板78之下。

对密封126进行冷却，以防止它由于熔融金属22、在喷射器壳体44中的受热的气体和由活塞84的动作引起的摩擦所产生的热量而老化。图5描述了可以实现的冷却方式的一个实施例。在这个实施例中，多个冷却通道132设置在靠近密封126的喷射器壳体44的外表面130上。设计用于防止冷却剂从冷却通道132漏出的外壳134包围冷却通道和喷射器壳体44。在另一个实施例中，冷却通道设置在外壳134的内部136中。

从图2和6可以理解，挤压方法可以分成两个单独的和不同的循环。首先，为挤压过程准备熔融金属供应***2的充填循环。一旦熔融金属供应***2已经充满熔融金属22，就开始挤压循环以挤压产品。

在充填循环中，从容纳熔融金属的容器21向低压供给***20充填熔融金属22。一旦低压供给***20充满熔融金属22，熔融金属22就从低压供给***20传送到与第一接收腔26流体连通的第一供给通道24。由于在低压供给***20中的气体压力大于(高于)在FC熔融金属喷射器18a中的气体压力，熔融金属22从低压供给***20移动到第一供给通道24。相应地，熔融金属22从低压供给***20移动到FC熔融金属喷射器18a。当熔融金属22从低压供给***20排出时，补充的熔融金属22通过容器21引入低压供给***20，以便在低压供给***20中的熔融金属22的高度大体上保持不变。熔融金属22从第一接收腔26传送到第二供给通道30。

熔融金属22通过第二供给通道30传送到与第三和第四供给通道38和40流体连通的第二接收腔36。在这个特定的时刻，熔融金属22能自由地通过第二供给通道30，因为ICV止回阀32a包括加热线圈180，加热线圈180是有功的并且加热熔融金属22以保证熔融金属22基本上保持在液态。当第二接收腔36充满熔融金属22时，通过OCV止回阀32b阻止熔融金属22通过第四供给通道40，冷却该OCV止回阀32b以使得熔融金属22的温度降低到凝固温度以下。与ICV止回阀32a不同，在这时候在OCV止回阀32b上的加热线圈180是无功的。通过防止熔融金属22通过第四供给通道40，第二接收腔36就充满熔融金属22。一旦第二接收腔36已经充满，熔融金属22传送到与FC熔融金属喷射器18a的喷射器壳体44的内部42流体连通的第三供给通道38。当在FC熔融金属喷射器18a中的熔融金属22的高度上升时，熔融金属探针112将活塞84和熔融金属22之间的间距传输到计算机或控制单元117。计算机117指示FC熔融金属喷射器18a的活塞84向上移动或动作(即返回行程)，从而保持活塞84和熔融金属22之间的恒定的预定高度。

当在FC熔融金属喷射器18a中的熔融金属22达到临界高度时，通过取消感应加热功率并将阀体基本上冷却到铝的凝固点以下来关闭ICV。然后，把FC缸中的气垫预加压到基本上接近在AC熔融金属喷射器18b中的气垫压力。然后，激活OCV止回阀32b的加热线圈180，从而将在OCV止回阀32b中凝固的熔融金属22的温度升高到熔融金属22的凝固温度之上。同时，通过开启第一气阀66而将气体从AC熔融金属喷射器18b经过气体导管60传递到AC熔融金属喷射器18a，分别使在FC熔融金属喷射器18a和AC熔融金属喷射器18b之间的气体压力相等。气体压力的相等使得FC熔融金属喷射器18a中的压力上升到低压供给***20中的气体压力之上，从而防止熔融金属22从低压供给***20流动到FC熔融金属喷射器18a。一旦超过凝固温度，在OCV止回阀32b中的熔融金属22就通过第四供给通道40进入与第五和第六供给通道50和52流体连通的第三接收腔 36。当熔融金属22开始通过OCV止回阀32b时，FC熔融金属喷射器18a的活塞84以预定的速度开始它的下行冲程(即排出行程)。计算机117监测由熔融金属探针112采集的测量值，并调整活塞84的速度以与预定的速度匹配。FC熔融金属喷射器18a的活塞84的下行冲程推动在喷射器壳体44中的熔融金属22经过第三供给通道38、第二接收腔36并进入第四供给通道40。在活塞84的下行冲程中，通过冷却ICV止回阀32a和凝固在其中的熔融金属22，防止熔融金属22经过第二供给通道30回流。

一旦熔融金属22进入第三接收腔48，熔融金属22就同时通过第五和第六供给通道50和52。第五供给通道50与AC熔融金属喷射器18b的喷射器壳体44的内部42流体连通，而第六供给通道52与挤压模具54流体连通。在AC熔融金属喷射器18b的喷射器壳体44充满后，计算机117使AC熔融金属喷射器18b的活塞84向上移动(即返回行程)，以便在活塞84和熔融金属22之间保持恒定的预定高度(即气垫116)。

挤压循环是这样定义的：由FC熔融金属喷射器18a经历排出行程，之后是返回行程。在挤压循环中，AC熔融金属喷射器的活塞84通过计算机117监控，计算机117的程序设定为保持活塞84和熔融金属22之间的预定距离。换句话说，始终维持恒定的气垫116高度。该距离通过熔融金属探针112测量，并且测量值连续地传输到计算机117。AC熔融金属喷射器18b的活塞84的下行冲程将AC熔融金属喷射器18b中的熔融金属22通过第五供给通道50、第三接收腔48和第六供给通道52排出到挤压模具54。通过使OCV止回阀32b中的熔融金属22凝固而关闭OCV止回阀32b，阻止了熔融金属22通过第四供给通道40的回流。

参见图6，一旦进入挤压模具54中，熔融金属22就凝固，并被挤出位于挤压模具54的第二端188的挤压模头226。用于测量固体挤压件排出挤压模头226的速度的装置在挤压模头226的下游设置。该速度检测装置通过调节过程控制缸58的计算机(未显示)监控。

如前面的段落所述，过程控制缸58调节AC熔融金属喷射器18b中的气体压力。参见图2，过程控制缸58包括单独的壳体232和单独的活塞234，活塞234可在壳体232中往复地操作。第二活塞234的动作将影响AC熔融金属喷射器18b中的气体压力，因为过程控制缸58和AC熔融金属喷射器18b是气体连通的。如果需要的话，气体供应源236向过程控制缸58供应额外的气体。气体供应源236和过程控制缸58通过第四气体导管238连接。换句话说，气体供应源236和过程控制缸58彼此通过第四气体导管238气体连通。安装到第四气体导管238的第三气阀240用来调节气体供应源236和过程控制缸58之间的气体流量。第五气体导管242安装到过程控制缸58。第五气体导管242用来将气体从过程控制缸58排出(即排空或者释放)。气体通过第五气体导管242排出，以减少在过程控制缸58中的气体的量。通过第五气体导管242排出的气体的量通过安装到第五气体导管242的第四气阀244控制。第五气阀246安装到第一气体导管62，以调节过程控制缸58和AC熔融金属喷射器18b之间的气体流量。

如果挤压件的挤出速度低于要求的速度，计算机117将指示过程控制缸(PCC)活塞234向下移动(排出行程)，从而增加施加于过程控制缸58中气体的压力的量值。换句话说，当PCC活塞234进入排出行程时，在熔融金属供应***16中的总压力增加。在过程控制缸58中增加的气体压力转化为在AC熔融金属喷射器18b中气体压力的增加，因为在过程控制缸58中的气体被排到AC熔融金属喷射器18b中。因为在AC熔融金属喷射器18b中的活塞84设计成能保持由熔融金属探针112测量的在活塞84和熔融金属22之间的特定高度，活塞84下行冲程的速度将增加以补偿膨胀的气垫的高度。

如果挤压件的挤出速度大于要求的速度(即速率)，那么计算机117将指示PCC活塞234向上移动(返回行程)，从而减小施加给过程控制缸58中气体的压力的量值，并因此减小施加给AC熔融金属喷射器18b中气体的压力的量值。换句话说，当第二活塞234进入 返回行程时，在熔融金属供应***16中的总压力降低。因为AC熔融金属喷射器18b的活塞84设计成能保持由熔融金属探针112测量的气垫116的恒定高度(即活塞84和熔融金属22之间的间隔)，AC熔融金属喷射器18b的活塞84的下行冲程速度减小以对喷射器壳体44中的熔融金属22的较高液面作补偿。

如果挤压件的挤出速度处于要求的速度，计算机117将指示第二活塞234保持静止。通过保持第二活塞234固定不动，施加于过程控制缸58中气体的压力的量值保持恒定，以及因此施加给AC熔融金属喷射器18b中气体的压力的量值也保持不变。换句话说，熔融金属供应***16中的总压力不会增加或减少。相应地，挤压件将以所需的速度挤出挤压模头226。

在AC熔融金属喷射器18b的下行冲程完成之前，阻止气体从AC熔融金属喷射器18b进入FC熔融金属喷射器18a的第一气阀66开启，以平衡FC熔融金属喷射器和AC熔融金属喷射器18a和18b之间的气体压力。一旦在FC熔融金属喷射器和AC熔融金属喷射器18a和18b之间气体压力已经平衡，第一气阀66就关闭，并且FC熔融金属喷射器18a开始它的下行冲程，以将熔融金属22充入AC熔融金属喷射器18b和挤压模具54。当FC熔融金属喷射器18a的排出行程完成时，第二气阀70开启，以释放积聚在FC熔融金属喷射器18a中的气体压力，从而将AC熔融金属喷射器18a的压力降低到低压供给***20的压力之下。这促使低压供给***20将熔融金属22充填FC熔融金属喷射器18a，并且重复挤压循环，以使熔融金属22连续地以恒定的速率挤出。止回阀

第一和第二止回阀32a和32b是相同的，下文将依照单个止回阀32描述它们的组成部件。熔融金属输送***的成功运行可通过使用任何可靠的熔融金属止回阀实现。这种止回阀的一个例子为Sample等人的美国专利6,739,485中描述的双作用阀。依照本发明的以熔融金属的凝固和熔化为基础的止回阀的优选实施例将在随后的段落中描述。

参见图6，止回阀32包括具有第一端140和第二端142的导热的第一阀芯138，中心孔144大体上沿着其整个长度延伸。在一个实施例中，第一阀芯138基本上为圆柱形。在另一实施例中，导热的第一阀芯138由石墨制造。然而，这并不意味着限制，因为第一阀芯138可以由任何导热材料制造，只要该材料不与熔融金属22起不利反应。熔融金属22流过中心孔144由箭头Y表示，可以从图6中理解，熔融金属22通过第一端140进入第一阀芯138，并从第二端142离开第一阀芯138。在图6中，中心孔144包括较小直径的第一孔146和较大直径的第二孔148。较小直径的第一孔146使得熔融金属22向箭头X方向流动更加的困难。尽管图6中显示的阀芯138的第一和第二孔146和148具有大体上相同的长度，本领域技术人员将意识到第一和第二孔146和148可以具有不相等的长度。在一个实施例中，中心孔144具有大体上相等的直径。

第一套筒150围绕第一阀芯138。在一个实施例中，第一套筒150具有大体上圆柱形，并且由导热金属材料例如铜制造。一个或多个冷却通道152设置在第一套筒150的内部中并大体上沿着它的长度延伸。冷却通道152可以设置得邻近或者远离第一套筒150的外表面156。具有第一端158和第二端160的冷却通道152是通过在第一套筒150的整个长度上钻通而制成的。一旦制成后，通道152的各个开口端利用塞子162密封，以避免冷却剂逸出。在现有技术中已知用于钻冷却通道152并且将塞子162安装到第一套筒150的方法。在一个实施例中，所述塞子由铜组成。然而，这并不意味着限制，因为可以使用任意的金属或者金属合金来制造塞子。

在另一个实施例中，第一套筒150是由两个焊接在一起的金属半部制成。因为冷却通道152的半部是在所述每个金属半部中机加工而成，这个特别的实施例不需要使用塞子162密封两个冷却通道152的端部，因为冷却通道152不是沿着第一套筒150的整个长度延伸。如果这个实施例的止回阀32中采用了多于两个的冷却通道152， 那么冷却通道152将利用现有技术中公知的工艺进行开钻和塞住。

如图6所示，冷却剂通过入口导管164引入冷却通道152，入口导管164与冷却通道152的第二端160处于恒定的流体或气体连通。入口导管164大体上径向地从冷却通道152延伸，并接纳来自第一入口冷却管166的冷却剂，该第一入口冷却管166通过大体上沿着第一套筒150的圆周延伸的支架168保持在位。支架168具有与第一入口冷却管166连续地流体或者气体连通的内部通道170。支架168的内部通道170还大体上沿着支架168的圆周延伸，从而将冷却剂传送到设置在第一套筒150内的其它冷却通道152。

随着冷却剂流向冷却通道152的第一端158，该冷却剂吸收从熔融金属22排除的热量，从而通过将熔融金属22的温度降低到凝固温度以下来凝固或者冻结位于导热的第一阀芯138内的熔融金属22。参见图6，受热的冷却剂通过靠近第一套筒150的第一端174的第一出口冷却管172排出第一套筒150。尽管图6显示的第一入口冷却管166靠近第一套筒150的第二端176，而第一出口冷却管172靠近第一套筒150的第一端174，但是第一入口冷却管166和第一出口冷却管172的位置可以颠倒，这没有脱离本发明的范围。与第一入口冷却管166类似，第一出口冷却管172通过大体上沿着第一套筒150的圆周延伸的支架168保持在位。支架168具有的内部通道170与第一出口冷却管172和出口导管178处于恒定的流体或者气体连通，而出口导管178与冷却通道的第一端158处于流体或者气体连通。内部通道170大体上沿着支架168的圆周延伸，从而朝向第一出口冷却管172传送由冷却管排出的受热的冷却剂。

冷却剂流过第一套筒150可以概述如下。然而，为了清楚起见，将会关于在图6中靠近第一套筒150顶部的冷却通道152来描述冷却剂的流动。首先，该冷却剂接纳到第一入口冷却管166中。然后，该冷却剂从第一入口冷却管166流入支架168的内部通道170中。冷却剂从内部通道170流入与冷却通道152的第二端160连接的入口导管164。随着冷却剂从冷却通道152的第二端160向第一端158行 进，该冷却剂吸收由熔融金属22产生的热量。然后，受热的冷却剂从冷却通道152的第一端158通过出口导管178和支架168的内部通道170流入第一出口冷却管172。

第一套筒150由加热线圈180围绕，加热线圈180向导热第一阀芯138和第一套筒150提供热量，从而当熔融金属22通过导热第一阀芯138的第一和第二孔146和148时，通过将熔融金属22的温度保持在凝固温度以上来保证熔融金属22自由地流过止回阀32。在熔融金属22已经凝固或者冻结之后，加热线圈180还用于将熔融金属22返回到熔融状态。尽管图6描绘的加热线圈180设置在两个支架168之间，但是该附图并不意味着限制，因为加热线圈180也可以设置成与支架168的两侧相邻。

传统的流量控制阀的设计依靠开启和关闭节流口来实现在给定压降时的一定流量。在铝工业中，止回阀用于允许或者阻止熔融金属流入给定的***。然而，当用于在高压下(即≥5,000psi)控制熔融铝的流量时，这些传统的止回阀是有问题的。部分的问题起因于熔融铝趋于与用于制造传统止回阀的大部分材料起反应的亲和性。另一问题是由于传统止回阀不能在温度等于或者高于大约670℃(1238°F)时保持它们的形态或形状而引起的，这是因为用于制造止回阀的材料在高温下(即≥670℃)会开始软化。换句话说，用于制造传统止回阀的材料在温度等于或高于大约670℃(1238°F)时缺乏尺寸稳定性。此外，传统止回阀设计的可靠运行被存在于熔融铝本身中的污染物所妨碍。这些污染物通常是坚硬的固体颗粒，其阻止传统的止回阀形成完全的机械密封，当熔融铝在高压下时，这最终导致大量的泄漏。

利用在本发明中公开的止回阀设计的优势在于，它能够在高压(即≥5,000psi)和高温下(即≥670℃)工作。不同于传统的止回阀，本发明的止回阀没有活动部件。因此，本发明止回阀的使用寿命显著地增加，因为构成该止回阀的大部分组件不受机械磨损。本发明止回阀的另一个优势在于，它对于有时在熔融铝中发现的污染物是不敏感的，因为该止回阀不依靠机械密封来阻止熔融铝流动通过止回阀。 相反，在本发明中描述的止回阀依靠凝结位于中心孔中的熔融铝来阻止熔融铝流过止回阀。在本发明中公开的止回阀的设计的还一个优势在于它能容易地制造，因为在制造本发明中公开的止回阀时不需要严格的或者精密的公差。

利用在本发明中公开的熔融金属供应***的一个优点是，该***增加了在挤压过程中回收的金属量。在一般的挤压工艺中，挤压制品的头部和尾部不得不抛弃和锯切，因为挤压制品的头部具有不同于产品其余部分的物理性质，而挤压制品的尾部具有一般对于最终产品而言不适合的污染物。

如上所述，利用本发明公开的熔融金属供应***的另一个优点是可以生产不限长度的或者任意长度的产品，由此也就不需要使用具有大横截面面积的坯或者锭，也就消除了通常在上述坯中带有的显微结构的非均匀性。在前述使用具有大横截面面积的坯或者锭时，利用熔融金属供应***挤压的产品不具有如果使用具有大横截面面积的坯的话通常将会出现的显微结构的非均匀性。

另一个优点是，挤压件可以在高速(即更高的金属通过量)下生产，因为当利用本发明时可以实现更快的凝固速率。

利用本发明公开的熔融金属供应***的又一个优点是可以避免挤压制品中的缩松，因为铝产品是在压力下凝固的。通过消除或者减少缩松发生，通过熔融金属供应***挤压的产品在挤压之后显示出很少甚至没有横截面缩减。这与常规处理工艺(即传统的挤压法)是完全相反的，常规处理工艺需要挤压制品有大的横截面缩减，以补偿通常在铸锭步骤中形成的缩松。

当利用常规的挤压法例如直接或者间接挤压来挤压产品时，产品的温度沿着产品的长度方向变化。举例来说，当直接挤压时，产品的温度由于坯或者锭的摩擦加热而升高。在间接挤压时，因为坯在容器中冷却，产品的温度会下降。在利用传统的挤压法时通常出现在产品中的这些温度变化使得可热处理产品的模压淬火不可靠，因为产品在淬火工艺之后易于变形。除了变形之外，产品的物理性能在产 品的模压淬火后也将沿着产品的长度方向变化。模压淬火包括通过水、空气和例如氮或者氩等气体淬火。在淬火工艺的剧烈的热作用和所发现的沿着产品长度方向的温度变化之间的相互作用引起产品的变形。相反，本发明熔融金属供应***允许挤压的产品具有均匀的温度，因此允许可热处理产品可被更加可靠地模压淬火。换句话说，利用本发明公开的熔融金属供应***挤压的产品在产品淬火之后很少甚至没有变形，因为沿着产品的整个长度方向具有均匀的温度。

利用熔融金属供应***的另一个优点是，它允许挤压不能利用传统工艺和方法挤压的高强度铝合金，因为这些铝合金不能铸成坯或者坯料。举例来说，当高强度合金铸成坯时，该坯一般会开裂。因为这些高强度的可热处理的铝合金不能铸成坯或者坯料，所以它们不能利用传统的工艺挤压。然而，这些高强度铝合金可以利用本发明公开的熔融金属供应***挤压，因为该熔融金属供应***不需要利用坯或者坯料挤压产品，因为该产品是由熔融铝挤出的。

本发明的又一个优点涉及铝合金中的合金元素的可溶性。在熔融铝中的合金元素的可溶性随着外加压力而变化。因此，这些合金元素的可溶性可以通过控制在熔融金属供应***中的压力来增加，从而允许挤压的高强度可热处理的铝合金具有比常规的高强度可热处理的铝合金更高的强度，因为利用本发明可以使合金元素在铝合金中实现更大的过饱和。

已经描述了目前优选的实施例，应该理解的是本发明可以在随后权利要求的范围之内以其它方式体现。

Claims (23)

1.一种熔融金属供应***，包括：

熔融金属供应源；和

多个熔融金属喷射器，所述多个熔融金属喷射器包括至少一个第一熔融金属喷射器和至少一个第二熔融金属喷射器，

该第一熔融金属喷射器在该第一熔融金属喷射器与熔融金属供应源流体连通的情况、和该第一熔融金属喷射器同时与第二熔融金属喷射器和下游过程流体连通的情况之间交替，

该第二熔融金属喷射器在与第一熔融金属喷射器和下游过程流体连通的情况、和仅仅与下游过程流体连通的情况之间交替，

每个喷射器具有用于容纳熔融金属和活塞的喷射器壳体，活塞可在壳体中往复地操作，该活塞可移动通过返回行程和排出行程，该返回行程允许熔融金属接纳到壳体中，而排出行程将熔融金属从壳体排出，第一熔融金属喷射器的排出行程同时地将熔融金属供给到第二熔融金属喷射器的壳体和下游过程，而第二熔融金属喷射器的排出行程将熔融金属供给到下游过程。

2.根据权利要求1所述的熔融金属供应***，其中每个第一和第二熔融金属喷射器的排出行程将熔融金属以要求的速率供给到下游过程以保持连续操作。

3.根据权利要求1所述的熔融金属供应***，还包括用于控制产品从下游过程排出的出口速度的装置，该装置包括：

与第二熔融金属喷射器气体连通的过程控制缸，该过程控制缸具有构造成容纳气体和第二活塞的过程控制缸壳体，该第二活塞可在过程控制缸壳体中往复地操作，

该第二活塞可移动通过排出行程和返回行程，该返回行程减少施加于在过程控制缸壳体中的气体的压力的量值从而降低第二熔融金属喷射器的排出行程的速度，以降低挤压产品的出口速度，而排出行程增加施加于在过程控制缸壳体中的气体的压力的量值从而增加产品的出口速度。

4.根据权利要求1所述的熔融金属供应***，其中每个喷射器与至少一个相邻的喷射器气体连通。

5.根据权利要求1所述的熔融金属供应***，还包括位于第一熔融金属喷射器中的活塞和熔融金属之间的气垫。

6.根据权利要求4所述的熔融金属供应***，还包括多个气阀，该多个气阀至少包括设置在第一熔融金属喷射器和第二熔融金属喷射器之间的第一气阀和与第一熔融金属喷射器相邻的第二气阀，每个气阀与至少一个喷射器气体连通，其中：

在第二熔融金属喷射器完成排出行程之前开启第一气阀，在第二熔融金属喷射器的返回行程中关闭第一气阀；

在第一熔融金属喷射器的排出行程中每个第一和第二气阀都关闭；和

当第一熔融金属喷射器完成排出行程时开启第二气阀，在第一熔融金属喷射器的返回行程中每个第一和第二气阀都关闭。

7.根据权利要求1所述的熔融金属供应***，其中该熔融金属供应***还包括：

多个止回阀，该多个止回阀至少包括设置在第一熔融金属喷射器和熔融金属供应源之间的第一止回阀和设置在第一和第二熔融金属喷射器之间的第二止回阀；

其中，在第一熔融金属喷射器的返回行程中第一止回阀开启而第二止回阀关闭，在第一熔融金属喷射器的排出行程和第二熔融金属喷射器的返回行程中第一止回阀关闭而第二止回阀开启，在第二熔融金属喷射器的排出行程中第二止回阀关闭，第一和第二熔融金属喷射器同步地在基本上相反方向运动。

8.根据权利要求1所述的熔融金属供应***，其中下游过程为挤压模具。

9.根据权利要求7所述的熔融金属供应***，其中，所述止回阀还包括围绕导热第一阀芯的第一金属套筒，该第一金属套筒具有用于冷却和加热所述导热第一阀芯的装置。

10.根据权利要求9所述的熔融金属供应***，其中导热第一阀芯由石墨制造。

11.根据权利要求9所述的熔融金属供应***，其中第一金属套筒由高强度金属材料制造。

12.根据权利要求9所述的熔融金属供应***，其中用于冷却第一金属套筒的装置是至少一个设置在金属套筒内部中的冷却通道，该冷却通道与第一入口冷却管和第一出口冷却管处于流体或气体连通。

13.根据权利要求9所述的熔融金属供应***，其中用于加热第一金属套筒的装置是至少一个感应加热线圈。

14.根据权利要求9所述的熔融金属供应***，其中导热第一阀芯的孔包括第一孔和第二孔，该第一孔具有比第二孔更小的直径。

15.根据权利要求9所述的熔融金属供应***，其中：

通过冷却该止回阀以凝固在孔中的熔融金属来使该止回阀关闭；

并且通过加热该止回阀以熔化在孔中凝固的熔融金属来使该止回阀开启。

16.一种操作熔融金属供应***以在大体上恒定的熔融金属流量和压力下将熔融金属供应到下游过程的方法，其中所述***包括：

熔融金属供应源；

多个熔融金属喷射器，该多个熔融金属喷射器包括至少一个第一熔融金属喷射器和至少一个第二熔融金属喷射器，第一熔融金属喷射器在与熔融金属供应源流体连通的情况、和同时与第二熔融金属喷射器和下游过程流体连通的情况之间交替，

该第二熔融金属喷射器在与第一熔融金属喷射器和下游过程流体连通的情况、和仅仅与下游过程流体连通的情况之间交替，

每个喷射器具有构造为容纳熔融金属和活塞的喷射器壳体，活塞可在壳体内往复地操作，该活塞可移动通过返回行程和排出行程，该返回行程允许熔融金属接纳在壳体中，而排出行程将熔融金属从壳体中排出；和

多个止回阀，该多个止回阀包括至少一个设置在第一熔融金属喷射器和熔融金属供应源之间的第一止回阀和至少一个设置在第一和第二熔融金属喷射器之间的第二止回阀，

该方法包括如下步骤：

启动喷射器以使得喷射器在不同的时期移动通过返回和排出行程，第一和第二熔融金属喷射器同步地在基本上相反方向活动；

在第一熔融金属喷射器的返回行程中开启第一止回阀，并且关闭第二止回阀；

在第一熔融金属喷射器的排出行程和第二熔融金属喷射器的返回行程中开启第二止回阀，并且关闭第一止回阀；

在第二熔融金属喷射器的排出行程中关闭第二止回阀；和

在第一熔融金属喷射器的排出行程中将熔融金属同时供给到第二熔融金属喷射器和下游过程。

17.根据权利要求16所述的操作熔融金属供应***以在大体上恒定的熔融金属流量和压力下将熔融金属供应到下游过程的方法，还包括：

通过利用过程控制缸调整第二熔融金属喷射器的排出行程的速度来控制产品离开下游过程的出口速度，该过程控制缸与第二熔融金属喷射器气体连通，该过程控制缸包括：

构造为容纳气体和第二活塞的过程控制缸壳体，第二活塞可在过程控制缸壳体中往复地操作，

该第二活塞可移动通过排出行程和返回行程，该返回行程减少施加于在过程控制缸壳体中的气体的压力的量值从而降低第二熔融金属喷射器的排出行程的速度以降低产品的出口速度，而排出行程增加施加于在过程控制缸壳体中的气体的压力的量值从而增加第二熔融金属喷射器的排出行程的速度以增加产品的出口速度，每个喷射器与至少一个相邻的喷射器气体连通。

18.根据权利要求16所述的操作熔融金属供应***以在大体上恒定的熔融金属流量和压力下将熔融金属供应到下游过程的方法，所述***还包括：

多个气阀，该多个气阀包括至少一个第一气阀和至少一个第二气阀，每个气阀与至少一个喷射器气体连通，

该方法还包括：

在完成第二熔融金属喷射器的排出行程之前开启第一气阀，在第二熔融金属喷射器的返回行程中关闭第一气阀；

在第一熔融金属喷射器的排出行程中关闭每个第一和第二气阀；和

当第一熔融金属喷射器完成排出行程时开启第二气阀，在第一熔融金属喷射器的返回行程中关闭每个第一和第二气阀。

19.根据权利要求16所述的操作熔融金属供应***以在大体上恒定的熔融金属流量和压力下将熔融金属供应到下游过程的方法，还包括通过下游过程挤压产品的步骤。

20.根据权利要求19所述的操作熔融金属供应***以在大体上恒定的熔融金属流量和压力下将熔融金属供应到下游过程的方法，其中挤压的产品的长度为不限的。

21.一种采用一种***以大体上恒定的熔融金属流量和压力下将熔融金属提供给下游过程的方法，其中所述***包括：

熔融金属供应容器；

至少一个第一熔融金属喷射器和至少一个第二熔融金属喷射器，每个喷射器互相流体连通并且与熔融金属供应容器和下游过程流体连通，

所述第一和第二熔融金属喷射器具有构造为容纳熔融金属和可移动通过返回行程和排出行程的活塞的壳体，该返回行程允许熔融金属接纳在壳体中，而排出行程将熔融金属从壳体中排出；

设置在第一熔融金属喷射器和熔融金属供应容器之间的第一止回阀；

设置在第一和第二熔融金属喷射器之间的第二止回阀；和

通向下游过程的出口，该方法包括：

将熔融金属提供到熔融金属供应容器；

在第一熔融金属喷射器的返回行程中关闭第二止回阀和开启第一止回阀，以从熔融金属供应容器将熔融金属充填到第一熔融金属喷射器；

开启第二止回阀、在第一熔融金属喷射器中移动活塞、在第二熔融金属喷射器中收回活塞以及关闭第一止回阀，以用熔融金属充填第二熔融金属喷射器；

在第二熔融金属喷射器中移动活塞以向下游过程供给，同时，通过在第一熔融金属喷射器中活塞的返回行程而用熔融金属供给第一熔融金属喷射器；和

关闭第二止回阀和收回在第一喷射器中的活塞，以补充第一喷射器中的熔融金属供应；

其中，第一和第二熔融金属喷射器同步地在基本上相反方向移动，以将连续的熔融金属流提供到出口。

22.根据权利要求21所述的采用一种***以大体上恒定的熔融金属流量和压力下将熔融金属提供给下游过程的方法，其中，所述***包括用于控制在喷射器中的活塞之上的空间中的气体压力的过程控制缸，所述方法还包括调节在喷射器中的气体压力以控制将熔融金属供给到出口的步骤。

23.根据权利要求21所述的采用一种***以大体上恒定的熔融金属流量和压力下将熔融金属提供给下游过程的方法，包括通过挤压模头将熔融金属供给到出口。

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