超声波金属熔体细化结晶处理设备

一、概述

高能超声具有独特的声学效应。在金属凝固过程中引入超声振动，凝固组织从粗大的柱状晶变为均匀细等轴晶，金属的宏观及微观偏析均得到改善。普遍认为，高能超声波在超声波处理，超声波金属处理，超声波晶粒细化，超声波金属凝固，超声波熔体消泡，超声波结晶，超声波声空化，超声波铸造、超声波凝固组织，超声波金属连铸等方面都有用武之地。

超声波对金属熔体的气泡消除也很有效，在超声波的作用下气泡的排出速度大大加快。能显著提高金属的品质。

被处理熔体盛在特定的容器中，如坩埚，熔炼炉，结晶炉，把超声波能量发射到金属熔体中有许多种方法。这其中，将超声波工具头插入熔体中，直接向熔融金属液体发射超声波，无疑是最有效的一种。熔体在冷却结晶的同时也被强烈的超声波作用，材料特性随之发生改变。对特定熔体而言，熔体量越少，超声波发生器的输出功率越大，超声波作用的时间越长，则超声波综合作用强度就越高。也就是说，我们也可通过控制金属熔体量的多少，超声波发生器输出功率的大小，以及超声波作用的时间，来控制超声波作用的效果，找到超声波作用和实际效果的最佳平衡点。

在需要特别大的超声波功率的情况下，可以将多个超声波单元组合使用，使超声波功率得到成倍增加。

国内外众多的专家学者、生产技术人员已经做过各种研究试验，证明超声波在处理金属熔体过程中的显著功效。现在，大功率的、高可靠性的、可用于工厂生产流水线的超声波处理设备已经由杭州成功超声率先研发成功，必将对推动我国金属材料性能的提高提供有力的支持。

二、大功率超声波金属熔体处理系统工作原理

1、基本构成：

作为国内核心部件的领导者，杭州成功超声设备有限公司积极研发生产最新的大功率超声波应用设备。瞄准国际最新技术，结合国内的应用实际，在国内率先开发出大功率超声波金属熔体处理设备。该设备不改变客户现有的生产设备和工艺流程，安装操作也非常方便。高能（大功率）超声波的超声波金属熔体处理系统工作在金属超声波处理，超声波金属处理，超声波晶粒细化，超声波金属凝固，超声波熔体消泡，超声波结晶，超声波声空化，超声波铸造、超声波凝固组织，超声波金属连铸等方面都能发挥作用。

大功率超声波金属熔体处理系统由超声波振动部件和超声波专用驱动电源两部分构成：超声波振动部件主要包括大功率超声波换能器、变幅杆、工具头（发射头），用于产生超声波振动，并将此振动能量向金属熔体中发射。换能器将输入的电能转换成机械能，即超声波。其表现形式是换能器在纵向作来回伸缩运动，振幅一般在几个微米。这样的振幅功率密度不够，是不能直接使用的。变幅杆按设计需要放大振幅，隔离金属熔体和热能传递，同时也起到固定整个超声波振动系统的作用。工具头与变幅杆相连，变幅杆将超声波能量振动传递给工具头，再由工具头将超声波能量发射到金属熔体中。

图中所示的是超声波金属熔体处理器的典型结构。根据实际生产设备的不同要求，超声波处理器的结构形式和尺寸可以作相应的变动。

金属熔体处理系统主要组件

*超音波振动源（驱动电源）：把50-60Hz的市电转化为高功率的高频率电源，提供给换能器。包括整流电路，振荡电路，放大电路，反馈电路，跟踪电路、保护电路，匹配电路、显示仪表等。

*换能器：把高频率电能转化为机械振动能。

*变幅杆：联接并固定换能器与工具头，将换能器之振幅放大后传送到工具头。

*发射头（导入杆）：把机械能和压力传至工作物，同时也有振幅放大的功能。

*连接螺栓：将以上各组件紧密地连接。

超声波专用驱动电源（超声波发生器）包括整流电路，振荡电路，放大电路，反馈电路，跟踪电路、保护电路，匹配电路、显示仪表等。用于产生高频高功率电流，驱动超声波振动部件工作。超声波发生器的功率可调，以适应不同的工作状态。发生器内还可根据需要集成有时序控制器，设定控制超声波发振时间和间歇时间。

超声波应用于金属熔体处理还有两个特殊的困难，即高温和腐蚀。我们都知道压电陶瓷超声波换能器的核心部件是压电陶瓷片，它是经过高电压极化后才具有压电性能的。若温度超过80℃，压电陶瓷就要退极化，压电性能就要下降，而且这个下降时不可逆的。其次是金属熔体的温度普遍很高，黑色金属的温度甚至超过一千多度。发射头要浸入在熔体中，还要发射大功率超声波，会受到超声波腐蚀和熔融金属液体腐蚀的双重作用。这就对超声波金属熔体处理器设计和制作提出了很高的要求。所幸的是，经过成功人不懈的努力，这些问题都已经解决。我们会根据用户的现状和要求，量身定制满足用户使用要求的超声波金属熔体处理器。

2、应用方法：

以前述的典型结构为例，超声波金属熔体处理器的发射头是一个圆棒状结构。在金属被熔化后，只需将该发射头插入金属熔体中，就能向金属熔体发射超声波。振动系统外壳前端的法兰盘用于固定。因超声波振动系统没有运动部件和受力部件，对固定没有特别的要求。被处理熔体盛在特定的容器中，如坩埚，熔炼炉，结晶炉。工具头插入熔体中，发射超声波。一般而言，建议在熔体冷却时加入超声波，让熔体在冷却结晶的同时也被强烈的超声波作用。被处理熔体量可多可少。对特定熔体而言，被处理的熔体量越少，超声波发生器的输出功率越大，超声波作用的时间越长，则超声波综合作用强度就高。同样，我们也可通过控制熔体量的多少，超声波发生器输出功率的大小，以及超声波作用的时间，来控制超声波作用的强度。由于各种金属材料的特性和要求不同，超声波的作用和影响也各不相同。针对用户的特定金属的性能要求，只能通过多次反复试验，找到超声波作用强度和实际效果的最佳平衡点，从而制定出最佳处理工艺。

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