制备钢铁材料半固态流变浆料的装置.pdf

背景技术：半固态成形是七十年代产生一种新型的金属成形方法。与传统固
态或液态金属成形的不同之处，该方法是用含初生固相为球状或近球状的半固态
金属浆料来成形零件。制备半固态流变浆料或坯料或是半固态成形技术的关键，
目前出现多种制备半固态金属浆料或连铸坯料的方法，如机械搅拌法、电磁搅拌
法、应力激活法、低温浇注法等等，但成功地应用于工业生产中只有电磁搅拌法，
而且制备的合金主要是有色合金，如铝合金、锌基合金等。钢铁材料半固态浆料
的制备工艺和半固态成形技术的研究相对较少，主要原因是因为由于钢铁材料的
熔点高，给制备钢铁材料的半固态流变浆料或坯料带来很大的困难，特别是对制
备设备要求更高，主要表现在：1)钢铁材料熔点高，与环境的温差大，其散热
快，在相同的加热和保温条件下，钢铁材料保持半固态时间相对于低熔点的有色
合金短，这样要求搅拌坩埚的加热温度更高，保温措施更好，以保证高温的钢液
或铁水在搅拌坩埚中散热慢，保持半固态温度的时间长，使之能充分搅拌；2)
制备钢铁材料半固态浆料的搅拌坩埚必须具有足够的耐火度、良好的抗热震性和
高温持久强度，以便能承受高温钢水或铁水的冲刷和热冲击作用；3)要求使用
无接触的搅拌方法，采用普通的机械搅拌制备半固态钢铁材料的浆料时其搅拌棒
的使用寿命短；4)由于制备半固态钢铁材料的浆料的温度高，要求有更好的控
温方法和防止金属液氧化措施。半固态成形具有很多的优点，被称为是二十一世
纪近终形的材料加工方法，将半固态成形技术应用到钢铁材料中，可以提高钢铁
材料的加工性能和使用性能，研制适合于制备钢铁材料半固态流变浆料装置对推
动钢铁材料半固态成形技术的发展具有重要的意义。

美国专利第3902544、3948650和3954455号公开了几种制备半固态浆料的
机械搅拌方法和相关设备，该方法利用旋转叶片或搅拌棒将凝固中的初生固相打
碎，获得球状或近球状初生固相的半固态浆料，通过控制搅拌室的温度来控制半
固态浆料的固相率，这种方法虽然能制备出初生固相为球状或近球状的半固态浆
料，并且半固态浆料能通过搅拌坩埚底部的小孔流出，但这种在制备高熔点的钢
铁材料半固态浆料时，其旋转叶片或搅拌棒的使用寿命低，不能满足批量生产的
要求，并且这种机械搅拌对金属液有一定的污染作用。文献(Hiroyuki Nomura
等，Mtaterials Transaction，2001，Vol.42，No.2，p303-308)报道了一种灰口铸铁半
固态机械搅拌实验装置和实验结果，该装置采用镁质坩埚、刚玉搅拌棒和硅碳棒
加热炉，坩埚的直径为φ40mm，灰口铸铁在硅碳棒加热炉熔化后进行连续的搅
拌，制备出初生固相为球状或近球状的半固态浆料，但该装置并不能将制备好的
半固态浆料输送出来，而且其容量有限。

美国专利第4229210、4434837号公开了几种制备半固态浆料的电磁搅拌方
法和相关设备，利用通电的线圈绕组产生的磁场对正在凝固的金属液进行半固态
搅拌，抑制了枝晶状初生固相的形成，制备含球状初生固相的半固态浆料，然后
利用连铸技术生产球状初生晶的坯料。文献(K.E.Blazek等，ISIJ International，
1995，Vol.35，No.6，p813-818)报道了Inland钢铁公司在黑色金属和高熔点合金的
半固态成形方面的进展情况，介绍了该公司研制开发的双电磁搅拌器的流变铸造
机，通过双电磁搅拌器对凝固中的金属液进行搅拌，获得球状初生晶的半固态浆
料，并凝固成连续铸锭。这些半固态浆料的电磁搅拌方法和装置可以制备高熔点
的钢铁材料的半固态浆料，但一般都是将半固态浆料进一步凝固成锭，生产出球
状初生晶的坯料，并不能将半固态浆料定量输送出来，满足后续的半固态浆料流
变成形或半固态浆料直接轧制成形的需要，

本发明的目的在于提出将底漏式的搅拌坩埚位于电磁搅拌器的圆柱体内腔
内，采用高温发热元件对搅拌坩埚进行加热及无接触式的搅拌方法，制备出初生
固相为球状的钢铁材料半固态流变浆料，保证金属液不受污染，并通过塞杆及其
提升机构将半固态流变浆料定量输送出来，满足后续的半固态流变成形的需要。