CN102909322B - 一种连续制备半固态浆料装置 - Google Patents

Abstract

一种肋板搅拌锥筒式半固态浆料连续制备装置，属于半固态金属加工技术领域。该装置由出料口（1）、加热元件（2）、冷却元件（3）、搅拌冷却肋板（4）、进料口（5）、轴承（6）、齿轮（7）、搅拌轴（8）、轴承座（9）、垫片（10）、通气孔（11）、保温层（12）、不锈钢锥筒（13）、石墨内锥筒（14）、石墨堵塞（15）等组成。合金熔体在连续制备过程中受到筒壁和肋板的冷却作用使浆料处于过冷的状态，同时又受到搅拌肋板的剪切作用，初生固相直接生长为球形，制备出半固态浆料。通过石墨堵塞控制浆料流出速度，半固态浆料可以与压铸、轧制、模锻等常规设备结合进行流变成型，也可以连续不断的制备半固态铸锭。本发明的优点在于：结构紧凑，拆卸简单，温度控制精度高，连续制备工作稳定可靠，不堵料，无需每天清理，只需每月定期维护即可。

Description

一种连续制备半固态浆料装置

技术领域

本发明涉及一种肋板搅拌锥筒式半固态浆料制备装置和方法。属于半固态金属加工技术领域。

背景技术

自从20世纪70年代初期，美国麻省理工学院M C Flemings等研究人员创立了金属半固态成形的概念，半固态金属浆料的制备和成形技术作为一种新型的技术引起了世界各国的广泛关注。半固态加工是利用金属从液态向固态转变或从固态向液态转变（即液固共存）过程中所具有的特性进行成形的方法，这一新的成形方法综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度比液态低，充型平稳，对模具热冲击小；变形抗力比固态小，从而有利于成形较复杂的零件并减少功耗，提高生产效率。

半固态成形技术主要包括触变成形和流变成形。触变成形工艺是将制备的半固态浆料先铸造成坯料，经二次加热后，再进行成形加工，其工艺的可控性强、过程稳定且易操作，但工艺流程长，能耗大，成本较高。流变成形工艺由制备的半固态浆料进行流变成形加工，具有生产流程短、相对成本低、设备简单等特点，近年来受到国内外普遍重视，发展迅速。不论是触变成形还是流变成形，都包含有半固态制浆及半固态成形两部分，其中，制浆是整个过程的基础和关键，如何稳定、有效地制备出具有圆整、细小、均匀的非枝晶组织的半固态浆料成为半固态加工技术领域的研究热点。

优质半固态浆料的制备是半固态金属加工技术的前提和关键，目前，已有多种半固态浆料制备装置和方法，例如：英国专利UK 9922696 提出了双螺旋机械搅拌流变成形工艺；欧洲专利EP 0745691A1提出了New Rheocasting (NRC) 技术；美国专利US 6645323B2提出了Semi-solid Rheocasting (SSR) 流变成形工艺等。

国内对于半固态加工技术的研究工作开展较晚，但发展迅速。有色金属研究总院、哈尔滨工业大学、北京科技大学、上海大学、南昌大学、华中科技大学等许多科研院所和高校，在半固态金属成形理论、浆料流变行为、成形工艺等方面进行了深入的研究，并开发出各具特色的半固态浆料制备装置和方法，有代表性的有：熔体分散混合制浆装置（专利：200620018003.9）；不等径弯道挤压-剪切诱导等温球晶化半固态坯复合制备法（专利：03132471.1）；悬挂锥桶式半固态金属浆料制备装置（专利：200810114097.3）；低过热度加弱电磁搅拌制浆技术（专利：00109540.74）；波浪型倾斜版振动制浆装置（专利：200710011510.9）；一种轻合金半固态浆料制备装置（专利201120425807.1）等等。

以上各种制备半固态合金浆料的装置和方法各有自己的特点，但也都存在各自的不足，大多数还只是停留在实验室研究阶段，仍需提出新的制浆装置和技术，以便简化工艺，降低成本，逐步推动半固态金属加工技术的工业应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续制备半固态浆料的装置，解决连续稳定制备半固态浆料的问题。该装置采用冷却和剪切的原理，合金熔体在制备过程中受到锥筒壁和肋板的冷却作用，使浆料处于过冷的状态，同时又受到搅拌肋板的剪切作用，初生固相直接生长为球形，得到晶粒细小的半固态浆料。

一种肋板搅拌锥筒式半固态浆料制备装置，主要由1出料口、2加热元件、3冷却元件、4搅拌冷却肋板、5进料口、6轴承、7齿轮、8搅拌轴、9轴承座、10垫片、11通气孔、12保温层、13不锈钢锥筒、14锥筒内衬、15石墨堵塞等组成（见附图1），其中不锈钢锥筒、锥筒内衬构成了合金熔体搅拌室，内衬采用石墨陶瓷等与合金溶液亲和性小的材质，可以有效减少合金熔体的粘料问题。搅拌室外缠有加热元件和冷却元件，再外面有保温层，配合温控装置（图中未标）可以实现搅拌室在连续制备过程中的温度稳定。搅拌室的底部有出料口，顶部有进料口和通气孔，可以通保护气体，以减少合金的氧化。搅拌室中间有搅拌轴，通过轴承固定在轴承座上，搅拌轴下部有数个搅拌冷却肋板，搅拌冷却肋板外侧与锥筒内衬之间有2~10mm的缝隙，搅拌冷却肋板上部焊有倾斜的圆盘，搅拌轴底部用螺栓固定有石墨堵塞，通过调节堵塞的位置控制堵塞与石墨内衬的缝隙，来实现连续浆料制备过程中浆料的流出速度。搅拌轴由调速电机（图中未标）通过传动齿轮带动高速旋转，转速调节范围0～800 rad/min，转速越高，剪切强度越大。该装置竖直放置，锥筒的角度α为5~80°，出料口一般置于靠近成形设备的位置，便于制浆过程完成后直接成形为机械零件，或置于锭模附近，便于浆料收集。

本发明装置利用机械搅拌的方法，在合金熔体流经设备内部时，对其进行冷却并施加搅拌，浆料沿锥筒壁从高向低流动的同时，由于肋板的搅拌作用，浆料存在沿锥筒壁的圆周运动，促进了其在锥筒壁和肋板上的非均质形核和晶粒游离；同时合金熔体在流动过程中内部温度场分布基本均匀，没有明显的过冷梯度，破坏了枝晶生成的环境，从而获得液相基体中均匀分布着一定比例的球状初生固相的半固态浆料，可将制备好的半固态浆料通过出料口直接输送至成形设备，制成半固态零件，也可连续不断的制备半固态铸锭。

本发明实现了半固态浆料的快速制备，连续工作稳定性高，是一种先进的半固态金属加工装置，其优点在于：

1、该装置结构紧凑，操作简单，拆卸方便。通过使用不同的支架可将半固态浆料出口尽量靠近成形设备，省去浆料输送过程，从而实现从半固态浆料制备到流变成形的一体化工艺过程。应用前景广泛，包括铝合金、镁合金等有色合金。

2、在半固态浆料制备过程中，合金熔体与锥筒壁有充分的对流换热，沿搅拌轴圆周分布的肋板不仅起到了冷却熔体的作用，同时肋板的剪切搅拌作用，使熔体的温度场、成分场基本分布均匀，破坏了枝晶生成的环境，制备的半固态浆料晶粒尺寸相近，球形度好，且分布均匀。

3、搅拌室的温度、剪切强度、浆料流出速度均可做到精确控制，便于不同种类、不同性能要求的半固态金属浆料的制备；另外，搅拌过程中，可以通入保护性气体，进一步减少氧化，保证了半固态浆料的质量。

4、该装置与合金熔体接触的部分大都采用高纯石墨材料，石墨导热性好，表面光滑，与合金熔体亲和力小，剪切搅拌过程中一般不会出现积料、堵料问题；若出现，只需将搅拌室温度提到到液相线以上一定温度，积料就会融化、流出，保证了本发明装置长时间连续工作的可靠性。

附图说明

图1为肋板搅拌锥筒式半固态浆料制备装置结构示意图；

图中：1出料口、2加热元件、3冷却元件、4搅拌冷却肋板、5进料口、6轴承、7齿轮、8搅拌轴、9轴承座、10垫片、11通气孔、12保温层、13不锈钢锥筒、14锥筒内衬、15石墨堵塞。

图2为搅拌肋板的横剖面示意图

具体实施方式

下面结合实例对本发明的结构及实施效果做进一步的说明：

实例1：

（1）试验用ZL101A铝合金的液相线为615℃，将合金在坩埚电阻炉内熔化，待合金温度达到720℃左右时，用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入熔体低部（加入量为合金液总重量的0.5%），并轻轻摆动，进行合金熔体的除气、除渣精炼处理，最后将合金熔体温度降至630℃保温。

（2）设定本发明装置搅拌室温度为590℃，开启调速电机使搅拌螺旋杆转速为500rad/min，石墨堵塞控制在一定高度，参数达到设定值后，将上一步骤熔炼好的合金液通过进料口浇入到本发明装置的搅拌室内，浇入合金量约为3公斤，合金熔体沿锥筒壁从上向下流动，在肋板和筒壁的充分冷却下，熔体的温度降到液相线以下，并在肋板的剪切搅拌作用下，初生晶核数量增加并生长为球形，底部的合金液从石墨堵塞与内衬的缝隙缓缓流出，此时，合金熔体温度处于半固态区间，其液相基体中均匀分布着一定比例的球状初生固相。。 

实例2：

（1）试验用7075铝合金的液相线温度为640℃，将铝合金锭料放入到预热温度为400℃的坩埚电阻炉内，待合金液温度达到720℃后精炼，用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入熔体低部（加入量为合金液总重量的0.5%），并轻轻摆动，进行合金熔体的除气、除渣精炼处理，最后将合金熔体温度降至650℃保温。

（2）设定本发明装置搅拌室温度为600℃，开启调速电机使搅拌螺旋杆转速为500rad/min，参数达到设定值后，将上一步骤熔炼好的合金液通过进料口持续浇入到本发明装置的搅拌室内，浇入合金量每次约3公斤，共四次。在浇入合金量较多时，搅拌室温度上升，温控箱检测到温度高于设定温度，通气管通气，温度下降到设定温度，通气停止；合金熔体在剪切搅拌和冷却的作用下，合金熔体中均匀分布着一定比例的初生固相，制备好的半固态浆料从出料口流出，进入浆料收集坩埚内。

Claims (4)

1.一种肋板搅拌锥筒式半固态浆料连续制备装置，其包括：出料口(1)、加热元件(2)、冷却元件(3)、搅拌冷却肋板(4)、进料口(5)、轴承(6)、齿轮(7)、搅拌轴(8)、轴承座(9)、垫片(10)、通气孔(11)、保温层(12)、不锈钢锥筒(13)、锥筒内衬(14)、石墨堵塞(15)；搅拌室外缠有加热元件和冷却元件，再外面有保温层，配合温控装置实现搅拌室在连续制备过程中的温度稳定；搅拌室的底部有出料口，顶部有进料口和通气孔；该装置竖直放置；其特征在于：不锈钢锥筒和锥筒内衬构成了合金熔体搅拌室，搅拌室中间有搅拌轴，通过轴承固定在轴承座上，搅拌轴下部有数个搅拌冷却肋板，搅拌冷却肋板上部焊有倾斜的圆盘，搅拌轴底部用螺栓固定有石墨堵塞，通过调节堵塞的位置控制堵塞与锥筒内衬的缝隙，来实现连续浆料制备过程中浆料的流出速度；搅拌轴由调速电机通过传动齿轮带动；该装置采用冷却和剪切的原理，合金熔体在制备过程中受到筒壁和搅拌冷却肋板的冷却作用，使浆料处于过冷的状态，同时又受到搅拌冷却肋板的剪切作用，初生固相直接生长为球形，得到晶粒细小的半固态浆料。

2.根据权利要求1所述的半固态浆料连续制备装置，其特征在于：所述搅拌室采用锥筒式设计，并具有锥筒内衬，锥筒内衬材质为与合金熔体亲和力小的石墨或陶瓷材料,锥筒角度范围：α＝5～80°。

3.根据权利要求1所述的半固态浆料连续制备装置，其特征在于：所述搅拌冷却肋板沿搅拌轴对称分布，肋板沿轴直径方向指向锥筒内衬，搅拌冷却肋板外侧与锥筒内衬存在2～10mm的间隙，搅拌冷却肋板材质为钢或陶瓷，搅拌冷却肋板的数量为1～10个。

4.根据权利要求1所述的半固态浆料连续制备装置，其特征在于：石墨堵塞与锥筒内衬的可调节间隙范围为0～10mm。