一种下拉式分区域加热水冷结晶器和液态金属打印装置的制作方法

1.本实用新型涉及金属铸造设备领域，具体而言，涉及一种下拉式分区域加热水冷结晶器和液态金属打印装置。


背景技术：

2.现有的金属铸造是采用坩埚对合金进行熔炼，形成熔体，经坩埚上的喷嘴喷射至冷却平台上进行冷却成型，但是从坩埚内喷出的高温熔体温度较高，直接与低温的冷却平台接触，两者温差较大，熔体成型为铸锭时容易造成卷边，同时还可能会存在热量输入不均匀的情况，进而影响铸锭性能。
3.鉴于此，特提出本技术。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种下拉式分区域加热水冷结晶器和液态金属打印装置，其能够在打印过程中及时对冲击至加热腔内的熔体进行补热，保持热量输出均匀，提升铸锭性能。
5.本实用新型的实施例是这样实现的：
6.第一方面，本实用新型提供一种下拉式分区域加热水冷结晶器，其适用于对从坩埚内打印喷出的熔体进行加热和冷却，其包括加热装置、结晶器和下引装置，所述加热装置连接至所述结晶器的上表面，所述加热装置和所述结晶器均为中空结构，所述加热装置具有加热腔，所述结晶器具有供所述熔体成型的成型腔，所述加热腔和所述成型腔连通，所述下引装置位于所述成型腔内且能够相对于所述成型腔向下运动以牵引所述成型腔内的铸锭向下运动。
7.在可选的实施方式中，所述加热装置包括石墨件和加热棒，所述加热棒固定于所述石墨件的外侧，所述石墨件的内侧用于围成所述加热腔。
8.在可选的实施方式中，所述结晶器和所述石墨件之间设置有隔热层。
9.在可选的实施方式中，所述石墨件的下表面设置有第一阶梯接口，所述结晶器的上表面设置有第二阶梯接口，所述隔热层为阶梯状且卡设于所述第一阶梯接口和所述第二阶梯接口之间。
10.在可选的实施方式中，所述加热装置还包括固定罩，所述固定罩的上部与所述石墨件连接，所述固定罩的下部与所述结晶器连接，所述固定罩与所述石墨件之间形成用于固定所述加热棒的固定腔，所述加热棒的两端分别与所述固定罩和所述石墨件连接。
11.在可选的实施方式中，所述结晶器用于围成的所述成型腔的内侧壁之间的宽度从顶部至底部逐渐缩小，所述结晶器的内侧壁底部形成缺口。
12.在可选的实施方式中，所述结晶器设置有水冷腔，所述水冷腔设置有进水口和出水口，所述出水口沿着所述结晶器的内侧壁倾斜向下开设，所述出水口延伸至所述缺口处。
13.在可选的实施方式中，所述下引装置包括引锭头、连接杆和下引件，所述引锭头滑
动设置于所述成型腔内，所述下引件通过所述连接杆与所述引锭头的下端连接，所述引锭头内设置有水冷通道。
14.在可选的实施方式中，所述引锭头的上部为梯形燕尾槽。
15.第二方面，本实用新型提供一种液态金属打印装置，其包括坩埚以及如前述实施方式任一项所述的下拉式分区域加热水冷结晶器，所述坩埚设置有喷嘴，所述喷嘴对应于所述下拉式分区域加热水冷结晶器的加热腔。
16.本实用新型实施例的有益效果是：
17.本技术提供的下拉式分区域加热水冷结晶器通过在结晶器的上表面设置加热装置，本技术中加热装置处的温度低于熔体的温度但高于结晶器处的温度，使得从坩埚中排出至加热腔内的高温熔体预先经补热和保温，使高温熔体的液面稳定后再进入结晶器的成型腔内进行水冷成型，可以有效避免高温熔体直接冲击至结晶器上进行水冷，巨大的温差容易导致铸锭卷边，后续冷却接触效果欠佳。随着下引装置不断下拉，可以使得熔体不断形成稳定的液面，并经冷却形成铸锭，有利于提高铝锭性能。此外，本技术提供的液态金属打印装置，采用上述下拉式分区域加热水冷结晶器对打印的熔体进行冷却，不仅仅可以保证冷却效果，同时还可以提升铸锭性能。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
19.图1为本实用新型实施例提供的下拉式分区域加热水冷结晶器在第一视角下的剖面图；
20.图2为本实用新型实施例提供的下拉式分区域加热水冷结晶器在第二视角下的剖面图；
21.图3为本实用新型实施例提供的下拉式分区域加热水冷结晶器的引锭头的结构示意图；
22.图4为本实用新型实施例提供的下拉式分区域加热水冷结晶器在工作时熔体进入加热腔时的截面图；
23.图5为本实用新型实施例提供的下拉式分区域加热水冷结晶器在工作时铸锭进行成型腔并持续下拉时的截面图。
24.图标：100-下拉式分区域加热水冷结晶器；
25.110-加热装置；111-加热腔；112-石墨件；113-加热棒；114-隔热层；115-第一阶梯接口；116-固定罩；117-固定腔；
26.120-结晶器；121-第二阶梯接口；122-缺口；123-水冷腔；124-进水口；125-出水口；126-成型腔；130-下引装置；131-引锭头；132-连接杆；133-下引件；134-梯形燕尾槽；135-调节螺母；136-水冷通道。
具体实施方式
27.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
28.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
29.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
30.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
32.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
33.实施例
34.请参照图1和图2，本实施例提供一种下拉式分区域加热水冷结晶器100，该下拉式分区域加热水冷结晶器100适用于对从坩埚内打印喷出的熔体进行加热和冷却。
35.具体来说，本技术的下拉式分区域加热水冷结晶器100包括加热装置110、结晶器120和下引装置130。其中，加热装置110连接至结晶器120的上表面，加热装置110和结晶器120均为中空结构，加热装置110具有加热腔111，结晶器120具有供熔体成型的成型腔126，加热腔111和成型腔126连通，下引装置130位于成型腔126内且能够相对于成型腔126向下运动以牵引成型腔126内的铸锭向下运动。
36.本技术通过在结晶器120的上表面连接一个加热装置110，加热装置110可以实现对加热腔111进行预热，避免熔体进入成型腔126时快速冷却而造成极冷而出现卷边的情况。此外，加热装置110还可以在熔体打印过程中，对从坩埚内喷出的熔体进行补热，避免不同液位的熔体受热不均的情况。
37.具体到本实施例中，加热装置110包括石墨件112、加热棒113和固定罩116，加热棒113通过固定罩116固定于石墨件112的外侧，石墨件112的内侧用于围成加热腔111。本技术
固定罩116的上部与石墨件112连接，固定罩116的下部与结晶器120连接，固定罩116与石墨件112之间形成用于固定加热棒113的固定腔117，加热棒113的两端分别与固定罩116和石墨件112连接。通过固定罩116将加热棒113紧紧的固定在石墨件112的外侧，加热棒113对石墨件112的加热更稳定。
38.本技术中，结晶器120即为水冷结晶器120，该结晶器120用于围成的成型腔126的内侧壁之间的宽度从顶部至底部逐渐缩小，结晶器120的内侧壁底部形成缺口122。结晶器120上小下大的结构可以有效防止水蒸气进入石墨件112内，同时还可以减小下引装置130的下拉阻力，从而使下拉更为顺畅。本技术的结晶器120设置有水冷腔123，水冷腔123设置有进水口124和出水口125，出水口125沿着结晶器120的内侧壁倾斜向下开设，出水口125延伸至缺口122处。通过控制结晶器120内的冷却水的温度，可以实现经加热装置110加热后保持液面稳定的熔体在结晶器120处进行直接水冷，强水冷效果可使铝锭内部组织更加细小，第二相的形态也更加细小，从而改善组织，提高铝锭性能。
39.本技术中，结晶器120和石墨件112之间设置有隔热层114，可以有效避免加热棒113在加热时石墨件112传导至结晶器120表面，进而影响水冷效果。隔热层114的设置方式有多种，本技术中，通过在石墨件112的下表面设置有第一阶梯接口115，结晶器120的上表面设置有第二阶梯接口121，隔热层114为阶梯状且卡设于第一阶梯接口115和第二阶梯接口121之间。阶梯状的隔热层114设置可以使得隔热层114位置更紧密，不容易发生位移。
40.下引装置130包括引锭头131、连接杆132和下引件133，引锭头131滑动设置于成型腔126内，下引件133通过连接杆132与引锭头131的下端连接。引锭头131的上部为梯形燕尾槽134(请参阅图3)，梯形燕尾槽134的设计可以加热引锭头131和铸锭的接触面积，进而加快冷却速度，同时梯形燕尾槽134还可以对铝锭有一定的挤压力，进而实现更好的下拉铝锭，强冷却也可保证铝锭凝固速度，防止铝锭被拉断。
41.下引件133通过连接杆132直接与引锭头131连接，使得引锭头131的下引速度可以认为调控，本技术中，下引件133和连接杆132之间通过调节螺母135进行连接，从而可以实现对下引件133和引锭头131之间的距离进行调节。
42.引锭头131内设置有水冷通道136，该水冷通道136可以在打印前，加热棒113对石墨件112进行预热时，向结晶器120的水冷腔123以及引锭头131的水冷通道136内通入少量的水以避免连接位置因为高温而变形。此外，在打印过程中，还可以加大结晶器120的水冷腔123以及引锭头131的水冷通道136中的进水量，使进水量与结晶器120内部铝液输入热量和输出热量达到平衡，同时，引锭头131下引速度与铝液液面上升速度也需达到平衡。
43.请参阅图4和图5，本技术提供的下拉式分区域加热水冷结晶器100的工作原理是：在打印前，加热棒113对石墨件112进行预热，预热温度680℃，此时结晶器120和引锭头131中通少量水保证连接位置不会因为高温而变形。在打印过程中，加大进水量，熔体从坩埚的喷嘴喷出至加热腔111内，熔体接触引锭头131的上表面，由于石墨件112经过预热使得加热腔111具有一定的温度，可以维持加热腔111中铝液的液面稳定，从而使液面不会因为打印导致热量输入不均匀，稳定输出的铝液与引锭头131接触并凝固，随着引锭头131的下拉而下降，此时稳定的熔体进入下部的结晶器120的成型腔126进行直接水冷，强水冷效果可使铝锭内部组织更加细小，第二相的形态也更加细小，从而改善组织，提高铝锭性能。引锭头131持续稳定下拉铸锭，直至打印完成。
44.此外，本技术还提供了一种液态金属打印装置，其包括坩埚以及上述下拉式分区域加热水冷结晶器100，坩埚设置有喷嘴，喷嘴对应于下拉式分区域加热水冷结晶器100的成型腔126。
45.综上所述，本技术提供的下拉式分区域加热水冷结晶器100通过在结晶器120的上表面设置加热装置110，本技术中加热装置110处的温度低于熔体的温度但高于结晶器120处的温度，使得从坩埚中排出至加热腔的高温熔体预先经补热和保温，使高温熔体的液面稳定后再进入结晶器120的成型腔126内进行水冷，可以有效避免高温熔体直接冲击至结晶器120上进行水冷，巨大的温差容易导致铸锭卷边，后续冷却接触效果欠佳。随着下引装置130不断下拉，可以使得熔体不断形成稳定的液面，并经冷却形成铸锭，有利于提高铝锭性能。此外，本技术提供的液态金属打印装置，采用上述下拉式分区域加热水冷结晶器100对打印的熔体进行冷却，不仅仅可以保证冷却效果，同时还可以提升铸锭性能。
46.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。