一种耐腐蚀的超声波发射杆、超声波设备及其使用方法技术

一种耐腐蚀的超声波发射杆、超声波设备及其使用方法，属于金属熔体处理领域。该发射杆由玻璃制成，根据所处理的金属熔体的温度和化学性质，以及玻璃的种类及其软化点等参数，选择合适种类的玻璃。根据超声波需要传播的距离和超声效果，在100W至25kW之间选择合适的超声功率。采用该超声波设备处理金属熔体时，可以有效避免发射杆被高温金属熔体腐蚀和超声波空化腐蚀，且能够很好地传递超声波，实现晶粒细化、除气等目的，具有很好的实用价值和良好的经济效益。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属熔体处理领域，特别涉及一种超声波发射杆、使用此发射杆的超声波设备及其使用方法。
技术介绍
早在上个世纪，人们已经发现，利用超声波的空化效应，可以使熔融金属凝固时的晶粒更细小、含气量更低，获得更优良的铸件组织。然而，由于某些关键技术没有取得突破，超声波用于金属熔体处理至今仍没有获得工业化推广，而仅限于实验室应用。其中仍未解决的关键技术之一就是超声波发射杆在高温金属熔体腐蚀和超声波空化腐蚀作用下的寿命问题。在采用超声波设备对金属熔体进行处理的过程中，一般需要将超声波发射杆的一端浸入到金属熔体中，从而将超声波发射到金属熔体中去。在现有技术中，此发射杆一般由金属制作，如不锈钢、钛合金等。但是，这种发射杆是不理想的。这是因为，高温金属熔体的化学性质比较活泼，能与大多数金属发生反应，生成金属间化合物，对金属制作的发射杆产生腐蚀直至全部溶解。例如，采用超声波处理铝合金熔体，铝熔体的化学性质十分活泼，能与几乎所有的金属，如铁、铜、锰、镁、铬、锌、钛等发生反应，形成各种金属间化合物，使这些金属在远低于其熔点温度下便溶入到铝熔体中（见铝与钛等各种金属的相图）。同理，铜合金熔体也能与绝大多数金属发生化学反应，生成金属间化合物。如果用这些金属制作发射杆，则会逐渐溶解直至消失。试验表明，普通钢材制作的发射杆在685±10℃的铝熔体中进行超声波处理时，工作2小时，该发射杆将会出现明显的腐蚀坑。因此，这种用金属制作的发射杆是不适用于工业化连续生产的，例如连续铸造或铸轧一个月不停机的连续生产。值得一提的是，专利（专利号：CN102554195A）公布了一种用钽制作发射杆的方法。虽然钽与多数金属熔体（如铝熔体）不发生化学反应，但是，一方面，钽比较稀少，价格贵；另一方面，钽在有氧环境下，在300℃时发生氧化，在550℃时激烈氧化，生成粉末状氧化物。因此，用钽制作的发射杆只适用于真空环境下。为解决发射杆在金属熔体中的腐蚀问题，人们又设计了另一种发射杆，即在金属基体外面，包覆一层耐高温的不与金属熔体发生化学反应的陶瓷物质，该涂层厚度为0.15-4.5mm，成功地解决了这个问题。但是，还有另一种腐蚀问题没有解决，即超声波空化腐蚀。根据专利（专利号：CN201713563U）介绍，此种发射杆采用热喷涂方法制作，将各种陶瓷物质在热喷涂设备上熔化成半固态或熔融态后高速喷涂在金属基体上。根据资料介绍，各种不同的热喷涂方法获得的包覆层，与金属基体在常温下的最高结合强度一般只有50MPa至90MPa，当这种发射杆在高温熔体中工作时，因发射杆温度高，包覆层与金属基体的结合强度将快速下降。而发射杆工作时，将产生高频振动，发射杆各微观质点均在其平衡位置附近作激烈的往复振动，这种振动具有非常大的加速度。根据牛顿定律F=ma，质点要保持这种往复振动，必须要有一个非常大的力，例如，原子间结合力。一方面是包覆层与金属基体结合强度的降低，另一方面是微观质点振动所需的力非常大，两方面共同作用的结果就是包覆层从金属基体中脱落，这已在试验中得到证实。从理论上说，这种脱落主要原因是包覆层与金属基体的结合强度不足导致的。根据资料介绍，热喷涂包覆层与金属基体的结合形式有三种：机械结合、物理结合、冶金结合。前两种结合方式的结合力很低，冶金结合的结合强度很高，但各种喷涂形式均主要以机械结合为主，冶金结合很少，所以结合强度不高。此外，包覆层内部存在很多孔隙，孔隙率一般在5%以上，甚至达到20%。当发生应力集中时，这些孔隙就会成为裂纹源，迅速扩展导致包覆层脱落。针对包覆层容易脱落的问题，人们又设计了另一种发射杆（专利号：CN201305623Y），即在金属基体外面，包覆一层陶瓷层，陶瓷层厚度小于等于200um。从实际效果看，这样的改进是有一定的作用的，但仍不能从根本上解决问题。这种涂层固然避免了因为振动而脱落的问题，但是太薄，使用寿命短，保护作用不大。例如从提高硬度的角度，因为太薄，极易被硬物刺穿；从防腐的角度，也是因为太薄，很快便会失效。由上可见，现有技术中的超声波发射杆不能很好地解决金属熔体腐蚀和超声波空化腐蚀的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种耐腐蚀的超声波发射杆，其能够解决金属熔体腐蚀和超声波空化腐蚀的问题，解决这个人们一直想解决但始终未能成功的问题。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种耐腐蚀的超声波发射杆，其特征在于，该发射杆由玻璃制成，玻璃的软化点温度和/或应变点温度高于金属熔体的温度，且该玻璃不与金属熔体发生化学反应。可以根据金属熔体的温度和化学性质，选择合适种类的玻璃，使由该玻璃制成的发射杆能长时间地在金属熔体中正常地工作。例如，对于铁熔体，可以选用石英玻璃，石英玻璃的软化点在1600℃以上，高于铁熔体温度（一般在1400℃左右），且不与铁熔体发生反应；对于铝熔体，可以选用铝硅玻璃，铝硅玻璃的软化点在900℃左右，高于铝熔体温度（一般在680-750℃之间），且不与铝熔体发生反应。其余类推。根据金属熔体的温度和化学性质，选择具有合适软化点、应变点和化学性质的玻璃。优选的，该玻璃可以为微晶玻璃、铝硅酸盐玻璃、陶瓷玻璃、高硼硅玻璃、高铝玻璃、光学玻璃、蓝色钴玻璃、激光防护玻璃、电焊防护玻璃、耐火玻璃、耐热玻璃、耐高压玻璃、耐高温高压玻璃或其他种类的玻璃。优选的，金属熔体可以为铝合金熔体、铁合金熔体、铜合金熔体、铜锡合金熔体、FeMn68Si18熔体或其他种类的金属熔体。优选的，发射杆所作用的地点，可以是连续铸轧生产线以及连铸连轧生产线的前箱或/和铸嘴，可以是半连续铸造生产线的结晶器、铸造零部件的模具的浇道等，此类位置离固液结晶前沿较近，在此处引入超声波，可以更好地发挥超声波作用，细化晶粒。此外，还可以是保温炉、流槽、过滤箱出口等，此类位置离固液结晶前沿较远，在此处引入超声波，主要起除气等作用。进一步的，该发射杆可以是任意形状或任意多个形状的组合，其截面可以是方形、圆形、弧形、梯形、无定型等形状之一或多个形状的组合，如图1至图9所示，其尺寸可以从1mm至5000mm，以适应各种应用场合。例如，图1所示形状的发射杆，适用于熔体体积不太大的工况，如前箱；而图6所示形状的发射杆，适用于熔体体积较大的工况，如保温炉等。为适应某些应用场合，超声波设备中的发射杆需要设计得很大很长。例如，在保温炉中施加超声波。因为压电陶瓷对使用温度有严格要求，过高的温度将使压电陶瓷失效，因此，无法将整个超声波设备放入到保温炉中，必须将超声波换能器和电源置于保温炉外部。而保温炉一般较大，此时，就需要将发射杆设计得很大很长，从保温炉外部，穿过炉壁进入到保温炉内部，再连接发射杆。因而，本超声波设备的发射杆的横截面和纵截面尺寸范围是1mm至5000mm。为了解决玻璃因受热不均匀导致破裂问题，一方面，可以选择合适种类的玻璃，该玻璃具有较小的线膨胀系数，以使其具有较高的耐热冲击温度。例如，高硼硅玻璃可以耐200℃的温差剧变，铝硅玻璃可以耐250℃到300℃的温差剧变等。石英玻璃的热膨胀系数小，为5.5×10-7/℃，只有普通玻璃的1/12～1/20。标准规定将试样灼烧到1200℃后急速投到冷水中，反复三次以上不允许炸裂。石英玻璃加入适量钛元素后还可做成零膨胀系数的材料。另一方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声波发射杆，其特征在于，该发射杆由玻璃制成，该玻璃的软化点温度和/或应变点温度高于金属熔体的温度，且该玻璃不与金属熔体发生化学反应。

【技术特征摘要】
1.一种超声波发射杆，其特征在于，该发射杆由玻璃制成，该玻璃的软化点温度和/或应变点温度高于金属熔体的温度，且该玻璃不与金属熔体发生化学反应。2.如权利要求1所述的超声波发射杆，其特征在于：发射杆的横截面和纵截面形状可以是圆形、方形、梯形或无定形，横截面和纵截面的尺寸范围是1mm至5000mm。3.一种超声波设备，包括超声波电源、超声波换能器、变幅杆和发射杆，其特征在于，该设备采用如权利要求1至2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓春华，
申请(专利权)人：邓春华，
类型：发明
国别省市：广西;45