合金快速凝固设备及利用该设备进行合金快速凝固的方法

技术领域

本发明涉及使熔融金属合金快速凝固的冶金设备技术领域，尤其涉及一种合金快速 凝固设备以及利用该设备进行合金快速凝固的方法。

背景技术

金属合金的制造工艺通常包括组分配比、熔炼、凝固、热处理等过程。具体而言， 包括将两种或更多种的金属(如铁、铜、镍等)和非金属(如碳、硼)等元素按照一定 成分配比，在高温下熔化成液态，再经过自然或强制降温过程，凝固成块状或其它形状 的制品。其中，凝固是指金属合金由液态向固态转变，是一种相变过程。在多数情况下， 金属凝固是晶体或晶粒的生成和长大的过程。另外，金属凝固过程还伴随着体积变化、 气体脱溶和元素偏析等现象，故该过程不但决定合金的结构、组织和性能，而且还影响 后期的塑性加工和热处理。

为便于制造各类不同形状的电子或机械元件，除铸造等少数工艺外，大部分块体金 属首先要粉碎成颗粒、条带或薄片等形状，再经过烧结或粘结等过程成型，最后加工成 为所需的电子或机械元件。关于将大块金属破碎成颗粒的方法，早期采用简单的机械破 碎法，但这种方法带来的残余应力很大，而且很难保证粒度均匀；后来发展了加钢球和 液态介质的球磨、利用高压气流使得物料互相撞击的气流磨、针对稀土合金的吸氢破碎 等方法。其中，采用熔体快淬技术将熔融状态的合金液喷射到水冷的旋转轮盘上，可以 很容易地获得颗粒、条带或薄片等形状的合金。而且，由于这种方法具有极高的冷却速 度(每秒约一百万度)，可获得慢冷过程无法制备的非晶态金属，该类材料在电磁性能 和机械性能方面显著不同与晶态金属。根据成分和用途的不同，可以用熔体快淬法制造 的功能材料主要有：作为永磁材料的含钕或镨的稀土合金、作为热电材料的铋系合金、 作为开关触头材料的铜铬合金、作为软磁材料的铁镍合金、作为结构材料的镁合金等。

按照抗氧化能力的不同，合金的熔炼选择在空气、惰性气氛保护或真空中进行，如 铜合金或镍合金可以在空气中，而稀土合金、镁合金等必须在真空或惰性气氛保护的熔 炼炉中。除合金成分以外，冷却轮盘的旋转速度、合金液流的流速等工艺参数均会影响 合金粉末的形态及性能。

专利号为ZL92105431.9的中国发明专利《真空快淬炉》公开了一种带冷却辊的制 造金属粉末的装置。它包含真空壳体、熔炼炉、喷嘴包、喷嘴、快淬辊，以及用于移动 喷嘴包以及调节喷嘴与快淬辊之间间距的喷嘴包移动和控制机构，炉壳分为固定和可移 动的两部分。

专利号为ZL200810060511.7的中国发明专利《一种各向异性复相稀土永磁快淬带 的制备方法》公开了一种各向异性复相稀土永磁快淬带的制备方法，在辊面形成一层具 有(0002)面织构的钴或钴的固溶体，复相稀土永磁材料的硬磁相R₂T₁₄M在快淬凝固 过程中易磁化轴取向受到具有织构辊面的诱导。

公开号为CN101722311A的中国发明专利《感应溢流快淬法与设备》公开了一种用 于生产快淬钕铁硼磁粉的感应溢流快淬方法与设备，采用中频感应加热，将原料或钕铁 硼合金锭熔化成合金液，然后以一定的速度倾倒在一个特殊设计的中间包内，合金通过 中间包的溢流口至一个高速旋转的水冷钼轮或铜轮上，快速冷却形成钕铁硼快淬薄带。

公开号为CN1517659A的中国发明专利《真空熔炼速凝炉》公开了一种用于生产钕 铁硼稀土永磁合金材料及稀土储氢合金材料的真空熔炼速凝炉，包括真空系统、真空炉 壳、感应加热器线圈、坩埚、中间包和转轮，其特征在于真空炉壳内的转轮侧面设有滚 筒，滚筒外壁包覆冷却装置。

上述专利所涉及的设备或工艺，均是将熔融的合金液喷射或倾倒于冷却辊进行快速 凝固，合金液的喷射压力、倾倒速度，以及冷却辊的线速度等参数可以调节。

需指出的是，熔融状态的合金液温度很高，例如铁基合金熔点在1500度左右，接 触冷却辊的瞬间即放出巨大的热量。快速凝固合金质量的关键参数之一为冷却速度，其 与合金液温度、合金液到冷却辊的距离、冷却辊表面温度、冷却辊旋转速度、合金液浇 注速度等因素密切相关。其中，前几项因素容易控制，如可通过热电偶或红外测温仪检 测将合金液温度保持在熔点附近；可通过不同结构和尺寸的中间包调整合金液到冷却辊 的距离，；可由通入的冷却水温度调节冷却辊表面温度；可通过与之相连的旋转电机调 节冷却辊旋转速度等。但是，要准确控制合金液浇注速度却很困难。

对于小型的合金快速凝固设备，一次熔炼的合金只有十多克或至多几公斤，由于合 金密度大(如铁合金密度大于7克每立方厘米)故体积小，相应的合金液浇注或喷射的 时间只有几秒或至多一二分钟，此时合金液的浇注速度对制品性能的影响不大。但对于 大型的、批量制造用途的合金快速凝固设备，由于熔炼的合金质量巨大(如100公斤甚 至1吨)，这种情况下，单炉次的合金液浇注或喷射时间就可延长数十分钟。如果再采 用连续进出料设计，相应的喷射时间更是可能长达数小时或更多。因此，控制合金液浇 注速度尤为重要，否则就容易出现浇注过程中前段、中段和后段的合金粉末冷却效果不 一，影响批量制品性能的一致性与稳定性。

合金熔炼通常在坩埚中进行，其结构为带底的杯状或碗状。通过调节坩埚的倾倒角 度控制合金液的浇注速度即单位时间内的合金液浇注量。与坩埚连接的机械结构可以采 用由比例液压阀驱动的液压杆或由电机驱动的齿轮。控制部分通常采用PID调节器或可 编程序控制器，将坩埚整体倾倒角度(0至90度)分成若干段，每段有相应的目标角度 和变化时间，从而逐步将坩埚内的合金液倒出。对合金液单调增加或减少的过程，这种 控制方式比较有效，但如果合金液变化较复杂，只能通过多次试验总结，划分更多的分 段来适应，但是仍然无法实现实时调控。

这种倾倒方式的另一个困难在于，单位时间内合金液的流量不仅与坩埚的倾倒角度 有关，还与坩埚内合金液的液面高度相关。当液面处于高位时，坩埚倾倒角度小即可流 出；当液面处于低位时，坩埚倾倒角度大才能流出，而且二者之间并非简单的线性关系。 随着合金液的倒出，坩埚内合金液的液面高度处于变化状态。对于合金原料质量不变的 单炉次情况，合金液面高度可视为逐步下降；但对于中途加料或连续加料等情况，则合 金液面高度变化较复杂，坩埚的倾倒角度需要实时调控，因此，要维持整个倾倒阶段内 合金液的浇注速度稳定，控制更加复杂。

发明内容

本发明的技术目的是针对上述现有技术的不足，提供一种合金快速凝固设备，利用 该设备能够控制合金液以稳定的速度浇注在冷却装置上，从而得到质量均匀、性能稳定 的合金制品。

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种合金快速凝固设备，包括炉体、 感应线圈、坩埚、底部连接喷嘴的中间包以及冷却辊装置，坩埚内的合金在感应线圈作 用下熔融为液体后流入中间包，经喷嘴浇注在冷却辊装置上发生凝固；其特征是：

所述的坩埚位于感应线圈内部，并且与感应线圈固定连接；所述的感应线圈连接转 动装置，该转动装置用于使感应线圈绕水平轴转动，带动坩埚倾倒，合金液流出；

所述的中间包通过支撑装置悬空安装，所述的支撑装置包括支架与支撑杆，支撑杆 一端与支架相连接，另一端用于支撑坩埚，使坩埚悬空固定；支架上设置重量传感器， 其位于支撑杆的两端之间，并且与支撑杆相接触；

所述的合金快速凝固设备还包括控制中心；

工作状态时，在重力作用下中间包与中间包内的合金液对支撑杆产生压力，重量传 感器检测到该压力信号并将其传送至控制中心，控制中心将其与设定的参考值进行比 较，以控制转动装置。

作为一种实现方式，所述的转动装置称为“齿轮组”式，主要由主动齿轮，从动齿 轮以及连杆组成；连杆一端与感应线圈连接，另一端与从动齿轮连接；在旋转电机驱动 下主动齿轮转动，带动从动齿轮转动，连杆随之转动，从而使感应线圈发生转动。

作为另一种实现方式，所述的转动装置称为“蜗轮蜗杆”式，主要由主动蜗杆，从 动蜗轮以及连杆组成；连杆一端与感应线圈连接，另一端与从动蜗轮连接；主动蜗杆的 齿槽形状与从动蜗轮相匹配，在旋转电机驱动下主动蜗杆进行直线或转动运动，带动从 动蜗轮转动，连杆随之转动，从而使感应线圈发生转动。

作为另一种实现方式，所述的转动装置称为“旋轴”式，主要由旋轴器以及连杆组 成；连杆一端与感应线圈连接，另一端与旋轴器连接；在外力作用下旋轴器进行轴向转 动，带动连杆转动，从而使感应线圈发生转动。作为优选，所述的旋轴器与液压杆相连， 在外力驱动下液压杆提拉，带动旋轴器进行轴向转动。

所述的重量传感器不限，可以采用电阻应变式、电容式、光电式、液压式等。

作为优选，所述的中间包外部设置加热器，用于加热中间包内的合金液。所述加热 器可以采用感应线圈或电阻发热体包覆等方式加热。

作为优选，所述的合金快速凝固设备还设置液面传感器，用于检测中间包内的合金 液面高度，并将该检测结果传送至控制中心，控制中心将其与设定的参考液面高度进行 比较，根据比较结果：合金液面的实际高度超过或不足该参考液面高度，控制中心将调 控转动装置，以减小或增大感应线圈绕水平轴的转动角度，即减小或增大坩埚的倾倒角 度，从而减小或增大合金液的流出量。采用该优选的措施能够防止重量传感器工作失效 时，该合金快速凝固设备仍然能够正常工作。所述的液面传感器种类不限，包括电磁感 应、辐射源、光电传感器等中的一种。

作为优选，所述的合金快速凝固设备还包括抽真空装置，用于对炉体抽真空。所述 的抽真空装置包括真空机，该真空机通过管道与炉壳连接，包括机械泵、罗茨泵、扩散 泵等。作为优选，所述的抽真空装置还包括过渡舱，该过渡舱容积小于炉体容积，包括 内舱盖与外舱盖，外舱盖打开时与外界相连通，内舱盖打开时与炉体相连通；真空机通 过管道与过渡舱连接，炉体的抽气阀、炉体的放气阀、过渡舱的抽气阀和过渡舱的放气 阀均可以独立开闭，当炉体和过渡舱的气压相同时，过渡舱的内舱盖打开。

作为优选，所述的合金快速凝固设备还包括收集装置，用于收集凝固溅落的合金粉 末。为了将溅落的合金粉末进一步冷却，收集装置优选包括乘料盘、搅拌用叶片以及风 扇等，所述的乘料盘优选为带冷水套的乘料盘。更优选地，所述的收集装置还包括至少 一个压电传感器，用于将合金粉末落入带来的质量(压力)变化转化为电信号传送至控 制中心。

所述炉壳材质优选为普通碳钢或不锈钢等。考虑到散热，可将炉壳设计为双层结构， 其中设置水冷夹套装置，或者采用中空通水的铜管盘绕焊接在炉壳顶部等。

作为优选，所述的中间包和喷嘴均采用耐高温的陶瓷材料。

作为优选，采用高温陶瓷粘结剂将所述的中间包和喷嘴紧密相连。

作为优选，所述的冷却辊装置包括冷却辊、转轮电机及机械连接件等。冷却辊为金 属材质，内部中空，通入冷却介质，冷却介质不限，包括水或油等。转轮电机采用变频 器或伺服驱动器等，转速可调。

作为优选，所述的感应线圈的转动角度为0-90度。

采用本发明合金快速凝固设备进行合金快速凝固的过程包括如下步骤：

步骤1：将配好的原材料或合金锭装入坩埚；作为优选，通过抽真空装置对炉体进 行抽真空；

步骤2：感应线圈通电加热，到达设定温度后，转轮电机带动冷却辊开始旋转；在 转动装置作用下感应线圈转动，使坩埚倾斜，合金液开始流入中间包；

步骤3：当中间包内的合金液面达到一定高度时，在重力的作用下，合金液自喷嘴 流出，重量传感器检测到中间包以及中间包内合金液的重量信号并将其传送至控制中 心，控制中心将其与设定的参考信号值进行比较，以控制转动装置，例如，当该输出 信号值大于参考信号值时，合金液倾倒角度过快，反之则合金液倾倒角度过慢，由此 通过驱动电机实时调节坩埚的倾倒角度；

所述的参考信号值的设定为：设定中间包内合金液的标准高度范围，当合金液的实 际高度达到该标准高度时，中间包以及中间包中的合金液的重量导致支撑杆的一端向重 量传感器施加了一定的压力，重量传感器检测到该压力信号并将其传送至控制中心，该 信号值即为参考信号值。

综上所述，本发明提供的合金快速凝固设备能够根据中间包内合金液重量调整坩埚 倾倒角度，通过实时改变坩埚的倾倒角度，使单位时间内浇注的合金液量保持稳定，因 此整个快速凝固过程处于相对平衡的状态，从而提高了制造过程中产品性能的一致性和 质量。

附图说明

图1是本发明实施例1中合金快速凝固设备的整体结构示意图；

图2是本发明实施例1中合金快速凝固设备的中间包结构示意图；

图3是本发明实施例1中合金快速凝固设备的抽真空装置结构示意图；

图4是本发明实施例1中合金快速凝固设备的转动装置结构示意图；

图5是本发明实施例2中合金快速凝固设备的转动装置结构示意图；

图6是本发明实施例3中合金快速凝固设备的转动装置结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范 围。

图1至图6中的附图标记为：炉体1、进料口2、出料口3、抽真空机组4、坩 埚5、感应线圈6、中间包7、加热器8、喷嘴9、液面传感器10、承料盘11、叶片 12、进水口13、出水口14、冷却辊15、电气控制柜16、加热电源17、支撑杆18、支 架19、重量传感器20、过渡舱21、外端盖22、内端盖23、过渡舱的抽气阀24、炉体 的抽气阀25、过渡舱的放气阀26、炉体的放气阀27、磁流体动密封28、线圈连杆29、 从动齿轮30、同步带31、主动齿轮32、从动蜗轮33、主动蜗杆34、旋轴器35、液压 杆36。

实施例1：

本实施例中，合金快速凝固设备的整体结构及主要部件如图1所示，主要包括炉体 1、感应线圈6、坩埚5、中间包7、喷嘴9、冷却辊装置以及控制中心。

炉体1用于固定装载其内部的机械部件，并将这些部件与外界环境如空气、水等隔 离。炉壳材质为普通碳钢或不锈钢。炉体1上方设置进料口2，下方设置出料口3。进 料口2用于装入配好的原材料或合金锭。出料口3用于输出经过快速凝固处理后的合金 粉末。进料口2和出料口3可进一步连接物料过渡舱，使得设备从单炉次开停机变成连 续工作运转。

冷却辊装置包括冷却辊15、转轮电机及机械连接件等。冷却辊15为金属材质，内 部中空，通入冷却介质，冷却介质不限，包括水或油等。转轮电机采用变频器或伺服驱 动器等，转速可调。

坩埚5为带底的圆筒状，材质采用氧化铝、氧化镁、碳化硅或石英中的一种。感应 线圈6为盘成螺旋状的中空水冷铜管，铜管的两端(正负极)穿过炉体1连接加热电源 17，其和炉体1之间的密封采用磁流体动密封，因此感应线圈6转动时不至于漏气。感 应线圈6的内径比坩埚5的外径略大，坩埚5位于感应线圈6内部，并且采用镁砂、石 灰等材料将感应线圈6和坩埚5固定连接在一起，从而当感应线圈6绕水平轴转动时坩 锅5随之倾倒，坩埚5内中熔融的合金液流出。为了坩埚5倾倒时合金液能够准确落入 中间包7，中间包7可以做成漏斗状。中间包7的材质采用碳化硅、氧化铝、氮化硼和 氧化镁中的一种。中间包7底部连接喷嘴9。喷嘴9的材质为石英、氧化铝、氧化铝和 氮化硼中的一种。喷嘴9和中间包7之间采用陶瓷胶粘结，经高温烧结而成。

喷嘴9和中间包7的外部设置加热器8，便于对落入其中的合金液起辅助加热作用。 加热器8可以采用感应线圈或电阻发热体包覆的方式加热。

承料盘11用于承接经过冷却辊15快速凝固后溅落的合金粉末，然后从出料口3出 炉。叶片12装载在承料盘11的上方并可在电机带动下旋转，各叶片成对均匀设置，如 两对、三对等，用于搅拌合金粉末，一方面使合金粉末均匀分布在承料盘11上，不至 于富集堆起；另一方面促进合金粉末的散热。为了进一步促进合金粉末的散热，还可以 设置风扇冷却合金粉末，也可以将承载盘11设计为带水冷夹套的双层结构，图1中水 冷夹套包括进水口13和出水口14)。图2所示为本实施例合金快速凝固设备的中间包7 的结构示意图。

支架19固定在炉体1的底部位置。支撑杆18一端连接支撑加热器8，另一端与支 架19连接。中间包7和喷嘴9均置于加热器8的内部，在支撑杆18的支撑下坩埚悬空 固定。加热器8用于加热中间包7与喷嘴9，通过外部的电控及测温系统，加热器8可 将二者加热到500～800度。支架19上设置重量传感器20，其位于支撑杆18的两端之间， 并且与支撑杆18相接触。

当坩埚5往中间包7中倒入合金液之前，由于中间包7、喷嘴9和加热器8具有一 定的重量(即初始重量)，如图悬空设置的结构，导致支撑杆18的一端给相应的重量传 感器20施加了一定的压力，此时重量传感器20检测到该压力信号并将其传送至控制中 心，该信号值即为初始参考信号值。

感应线圈6连接转动装置，该转动装置用于使感应线圈6绕水平轴转动，带动坩埚 5倾倒，合金液流出。本实施中，转动装置结构示意图如图4所示，主要由主动齿轮32， 从动齿轮30，线圈连杆29以及旋转电机组成。线圈连杆29一端与感应线圈6相连，另 一端通过磁流体动密封28与从动齿轮30相连。主动齿轮32由旋转电机驱动，再通过 相连的同步带31驱动从动齿轮30，线圈连杆29随之转动，从而带动感应线圈6绕水平 轴转动，坩埚5发生倾倒，倾倒出其中的合金液。

本实施例中，合金快速凝固设备还设置抽真空装置，以便于熔炼凝固易氧化的合金。 该抽真空装置包括抽真空机组4与过渡舱21，如图3所示为该合金快速凝固设备的过渡 舱21及抽气管路示意图。

抽真空机组4由机械泵、罗茨泵及扩散泵组成，彼此通过管道串联。各个泵的抽气 能力和炉壳1的体积相关。只需要100Pa左右的真空时，单独开机械泵即可；罗茨泵只 有在机械泵开启的情况下方可使用，用于提高抽气的速率；当需要1Pa以下的真空时， 需要打开扩散泵。炉体1和过渡舱21的抽气管路通过同一管路链接到抽真空机组4。炉 体1的抽气阀25、炉体1的放气阀27、过渡舱21的抽气阀24和过渡舱21的放气阀26 均可以独立开闭，这样当炉体1和过渡舱21的气压相同时，过渡舱21的内舱盖23可 打开。

采用该合金快速凝固设备进行合金快速凝固的过程如下：

步骤1：打开炉体1上方的加料口2，将配好的原材料或合金锭装入坩埚5，打开真 空泵机组4抽真空，到达100Pa左右的真空度时，充入少量氩气；当熔炼非易氧化的稀 土合金或镁合金等时，可以省去真空泵机组4的抽气过程；

步骤2：电气控制柜16中的温控仪表根据设定的温度程序，控制感应线圈6和加热 器8通电加热，到达设定温度后，转轮电机带动冷却辊15开始旋转；在转动装置作用 下感应线圈6转动，使坩埚5倾斜，合金液开始流入中间包7；

步骤3：当中间包7内的合金液面达到一定高度时，在重力的作用下，一部分合金 液开始从喷嘴8流出，尚未流出的合金液增加了中间包7的重量，重量传感器20检测 到该重量信号并将其传送至控制中心，控制中心将其与设定的参考信号值进行比较， 以控制转动装置。例如，当当该输出信号值大于参考信号值时，合金液倾倒角度过快， 反之则合金液倾倒角度过慢，由此通过驱动电机进行实时调节坩埚的倾倒角度。

所述的参考信号值的设定为：当中间包7中的合金液高度达到一标准高度时，由于 中间包7、喷嘴9、加热器8以及中间包7中的合金液具有一定的重量，导致支撑杆18 的一端给相应的重量传感器20施加了一定的压力，此时重量传感器20检测到该压力信 号并将其传送至控制中心，该信号值即为参考信号值。

本实施例中，合金快速凝固设备还可以设置液面传感器10，用于检测中间包7内的 合金液面高度，并将该检测结果传送至控制中心，控制中心将其与设定的参考液面高度 进行比较，根据比较结果：合金液面的实际高度超过或不足该参考液面高度，控制中心 将调控转动装置，以减小或增大感应线圈绕水平轴的转动角度，即减小或增大坩埚的倾 倒角度，从而减小或增大合金液的流出量。采用该优选的措施能够防止重量传感器20 工作失效时，该合金快速凝固设备仍然能够正常工作。液面传感器10可以采用电磁感 应、放射源和光电效应等检测方式。

当设置该液面传感器10时，上述合金快速凝固的过程还包括如下步骤4：步骤4： 液面传感器15始终检测合金液面高度并将其传送至控制中心，控制中心将其与设定的 参考高度值进行比较，以控制转动装置，当当合金液面上升超过该参考高度值时，控 制中心将控制转动装置。例如，当该检测高度值大于参考信号值时，合金液倾倒角度 过快，反之则合金液倾倒角度过慢，由此通过驱动电机进行实时调节坩埚的倾倒角度。

以上步骤均可通过可编程序控制器预先编制的程序顺次运行，全流程无需人工干预。 另外，在加料口2和出料口3加装过渡舱21及附属的抽气管路，可以实现连续化的加 料和出料过程，进一步提高生产效率

实施例2：

本实施例中，合金快速凝固设备与实施例1基本相同，所不同的是，本实施中转动 装置结构示意图如图5所示，主要由主动蜗杆34、从动蜗轮33、线圈连杆29以及旋转 电机组成；线圈连杆29一端与感应线圈6连接，另一端通过磁流体动密封28与从动蜗 轮33连接；主动蜗杆34的齿槽形状与从动蜗轮33相匹配，在旋转电机驱动下主动蜗 杆34进行直线或转动运动，带动从动蜗轮33转动，线圈连杆29随之转动，从而带动 感应线圈6绕水平轴转动，坩埚5发生倾倒，倾倒出其中的合金液。

实施例3：

本实施例中，合金快速凝固设备与实施例1基本相同，所不同的是，本实施中转动 装置结构示意图如图6所示，主要由旋轴器35、线圈连杆29组成；线圈连杆29一端与 感应线圈6相连接，另一端通过磁流体动密封28与旋轴器35相连接；旋轴器35与液 压杆36相连，由换向阀、比例液压阀、油压泵等组成的液压站向液压杆36提供驱动力， 液压杆36进行提拉，带动旋轴器35轴向旋转，线圈连杆29随之转动，从而带动感应 线圈6绕水平轴转动，坩埚5发生倾倒，倾倒出其中的合金液。

上述文字对本发明的具体实施方式进行了描述，必须指出的是，本发明所包含的内 容并不局限于此，在不脱离本发明实质范围的前提下，可以作各种修改、替换和变化， 这些等同形式同样属于本发明权利要求书的限定范围。