CN106796201B - 通过超声波检测液态金属的方法 - Google Patents

Abstract

一种方法包括以下步骤：a)提供一种超声波发生器(1)，其由相对于液态金属基本上呈惰性的材料制成，所述相对于液态金属基本上呈惰性的材料例如陶瓷，优选氮化硅或氮氧化硅，例如SIALON，或由对所述液态金属基本上呈惰性的金属制成，b)将所述超声波发生器(1)至少部分地浸入所述金属的熔池中，c)对超声波发生器(1)施加功率超声波，特别是功率大于10瓦的超声波，以获得所述金属对所述超声波发生器的润湿，d)对超声波发生器(1)连续地施加测量超声波——也称为检测超声波，特别是频率在1和25MHz之间的超声波，e)对超声波发生器(1)间歇地施加功率超声波，特别是功率大于10瓦的超声波，以保持所述润湿。

Description

通过超声波检测液态金属的方法

本发明涉及液态金属的声波非破坏性检测和分析领域。更具体地，本发明涉及一种为了检测和分析的目的使用至少一个由陶瓷或难熔金属(即相对于液态金属呈惰性)制成的超声波发生器(sonotrode)从而能够实现优化的超声波传输的改进方法。

在液态金属铸造领域中，精确控制夹杂物质量是至关重要的。实际上，由其决定金属薄板或部件——特别是薄板或薄部件，特别是在制造诸如饮料罐或气溶胶罐之类的封闭容器期间获得的那些——的质量和废品率。在液态金属的情况下，由于液态金属中存在的夹杂物的数量低，但其有害性高，因此该测量特别需要谨慎进行。通常，夹杂物质量由包含在液态金属中的夹杂物的比率和其尺寸决定。

它主要基于液态金属取样方法，其中将夹杂物在过滤器上浓缩，然后通过金相学观察并计数。在液态铝的情况下，所谓的PoDFA(铝的多孔盘过滤(Porous Disk Filtrationof Aluminium)的首字母缩写)方法的情况就是如此，但是该方法仅仅显示夹杂物的尺寸和数量。

称为LiMCA(液态金属清洁度分析(Liquid Metal Cleanliness Analysis)的首字母缩写)的方法在本领域中也是已知的，主要由以下步骤构成：经由小孔对液态金属连续地取样，并在每次液态金属夹杂物通过时测量其电阻变化。然而，该设备根据Coulter计原理操作，具有在分析量(约为铸造金属的0.01％)和可检测尺寸(约为15μm至150μm)方面的限制成为其缺点。

最近开发了一种设备，其使用过滤速率以获得合格的夹杂物水平。

方法的情况尤其是如此。在这些方法中，在实践中可行的取样频率低，因此分析的体积分数仍较低(实际数量级为铸造金属的0.01％)。

对开发连续的测量方法——特别是当金属在槽中循环时——的需求可追溯到20世纪60年代。

比如，Reynolds探索了用于评估液态铝的夹杂物质量的声波测量方法，期望能实现更大比例的液态金属(至少几个百分点)。

当时开发的设备，称为“Reynolds 4M”，灵敏度有限，且似乎只是通过能够区分洁净金属和非常脏的金属的质量指数定性地使用。

这是1979年“Reynolds Metals Company”的专利申请US 4,287,755和Mansfield,T.L.的出版物“Molten Aluminium Quality Measured with Reynolds 4M System”的主题。

在超声波的更新近的发展中，应当注意来自“Metalvision”的“MV20/20”设备，其可在市场上获得且记载于出版物“An ultrasonic sensor for the continuous onlinemonitoring of the cleanliness of liquid aluminium”,TMS2005中。它实时地给出了存在于液态金属中的夹杂物的尺寸和数量的显示，但没有任何相关联的校准方法。这种设备仅很少使用，并且在任何情况下都不是大规模使用，主要是因为其缺乏可靠性。应特别注意的是，波导或超声波发生器由钢制成，与金属反应，这导致界面的变化，并因而导致波传输质量和水平的变化。

在20世纪90年代末，申请人“Pechiney Rhenalu”还开发了夹杂物的声波测量，并具体地在1999年提交了申请FR2 796 155，该申请涉及一种用于校准通过超声波观察到的液态金属中的缺陷的尺寸的方法，题为“Procédéet dispositif améliorés de comptagedes inclusions dans un bain de métal liquide par ultrasons”。然而，这些不同的工作在提供校准方法的同时，不能确保对存在于液态金属中的夹杂物进行声波检测/计数的方法的可靠性，虽然其能够分析较大比例的液态金属。特别地，这种有限的可靠性归因于波导/液态金属界面缺乏稳定性。实际上已知的是，波导需要用液态金属润湿，以能够将能量传递到液态金属而没有过度损失。为此，所使用的波导由金属制成，特别是由钢或钛制成。

然而，这不足以获得完美的润湿，且已经开发了将其改善的方法。在液态铝的情况下，该证据尤其见于专利EP0035545B1，该专利具有1979年的优先权日期，由“ReynoldsMetal Company”拥有，要求保护在钛声波发生器上铝膜的气相沉积。然而，事实上，即使在这样的设计中，由于波导材料与液态金属的反应，使用期间润湿质量会发生变化，并且具有沉积物的超声波发生器不可再使用。

难熔金属不在液态金属中使用，完全是因为它们不被所述液态金属润湿。只有化学沉积方法可以获得润湿，只是这是在有限时间内润湿，其是不可靠、不实用或不经济的。

因此，目前还没有一种能够可靠地检测大比例铸造金属中的夹杂物的方法。

因此，本发明的目的之一是弥补至少一个上述缺点。为此，本发明涉及一种用于液态金属的声波测试的方法，其包括以下步骤：

a)提供超声波发生器(1)，其由相对于液态金属基本上呈惰性的材料(例如陶瓷，优选氮化硅或氮氧化硅，例如SIALON)或对所述液态金属基本上呈惰性的金属形成，

b)将所述超声波发生器(1)至少部分地浸入所述金属的熔池中，

c)对超声波发生器(1)施加功率超声波，特别是功率大于10瓦的超声波，以获得所述金属对所述超声波发生器的润湿，

d)对超声波发生器(1)连续地施加测量超声波——也称为检测超声波，特别是频率在1和25MHz之间的超声波，

e)对超声波发生器(1)间歇地施加功率超声波，特别是功率大于10瓦的超声波，以保持所述润湿并确保信号随时间的稳定性。

因此，仅通过向浸没于液态金属中的超声波发生器施加功率超声波，就可持久地、特别是在几天内保持液态金属对超声波发生器的润湿。在步骤b)中，将超声波发生器浸入液态金属熔池中。

在步骤c)中将功率超声波施加到超声波发生器，且该功率超声波使得可以获得液态金属的润湿。借助该方法，于是可以获得对液态金属的优化的超声波传输，其是持久的且随时间的流逝是稳定的。

有利地，在步骤e)中的功率超声波的施加间歇地进行。实际上，超声波发生器的润湿随着时间而产生抵抗，因此可不定时地施加用于维持润湿的功率超声波。

关于步骤d)，其还包括将测量超声波施加于超声波发生器，特别是频率在1和25MHz之间的超声波。于是可以通过在长时间内向超声波发生器施加测量超声波而将先前在步骤c)中润湿的超声波发生器用于应用，例如进行液态金属的非破坏性检测。

由此，能连续地实施超声波测量，以便能够在处理之前或在铸模中铸造之前在线分析液态金属的夹杂物质量，特别是在槽中。实际上，本发明使用于处理的测量超声波和用于使润湿——其由于长期维持的简单影响或者由于与超声波发生器接触的气体、氧化物或其它杂质的存在而倾向于随时间变差——再生的间歇功率超声波的同时应用成为可能。

根据一个有利的实施方案，液态金属是液态铝合金，下文称为液态铝。

该铝合金可以含有含量Y非零甚或非常低含量的约为20ppm的镁。根据另一个实施方案，含量Y大于或等于0.05重量％，优选大于0.5重量％，更优选大于或等于0.7重量％。

然而，液态金属也可以是钠、锌或另一种金属，并且超声波发生器由钢或钛或任何其它基本上呈惰性的金属(即不显著溶解于液态金属中)制成，或者由陶瓷、特别是氮化硅或氮氧化硅例如SIALON制成。

有利地，在步骤d)之前，所述方法包括一个包括在液态金属中布置校准反射器的步骤，该校准反射器优选相对于所述金属呈惰性，且步骤d)包括一个通过反射器反射由超声波发生器传输的测量超声波、以产生超声波信号的步骤，所述方法包括当产生的超声波信号的强度小于或等于预定阈值强度时、触发步骤d)的功率超声波的步骤。

根据一个优选的实施方案，液态金属是液态铝。

根据另一个实施方案，液态金属是钠、锌或另一种金属，并且超声波发生器由钢或钛或任何其它基本上呈惰性的金属(即不显著溶解于液态金属中)制成，或者由陶瓷、特别是氮化硅或氮氧化硅例如SIALON制成。

因此，随着时间的推移，当超声波发生器的润湿减小并且超声波以降低的强度在熔池中载送时，由反射器反射的超声波信号的强度减小，自动地触发功率超声波的施加，以在长时间内使液态金属对超声波发生器的润湿再生，从而随时间的流逝稳定超声波的传输。

根据一个选项，在步骤e)中，周期性地触发功率超声波的施加，特别是以几秒至几小时的频率，通常是以30分钟至6小时之间的频率。实际上，这种设计能够使超声波发生器的润湿再生，以在长时间内使用，并随时间具有稳定的信号。

优选地，步骤e)的功率超声波的施加进行几秒至几分钟，通常约一分钟。实际上，在优良条件下该时间段足以保持润湿。

在步骤e)之前，所述方法包括一个根据轴向装配将测量超声波发射换能器连接到超声波发生器的步骤。有利地，这种类型的装配能够获得定向声波发射或接收。

类似地，有利地，在步骤c)和e)之前，所述方法包括一个将除了测量或检测超声波发射换能器之外的功率超声波发射换能器轴向装配于所述超声波发生器上的步骤。这样，测量换能器和功率换能器根据轴向装配连接到同一个超声波发生器。

根据一个选项，所述连接通过任选地通过法兰将测量换能器粘合到超声波发生器而获得。根据另一个选项，所述连接通过将换能器旋拧到紧密结合到超声波发生器的圆柱形法兰上而获得。这种设计能够确保换能器和超声波发生器之间持久的机械耦合，以用于液态铝的质量测量，例如夹杂物的探测、多普勒超声波速度测量、液态金属中的水诊(hydrophony)。

根据另一个选项，法兰通过“硬焊”与超声波发生器组装在一起，且在后一种情况下，超声波发生器预先部分地浸入包含至少0.05重量％镁的液态铝熔池中，经受功率超声波直到获得液态铝对超声波发生器的润湿，然后使液态铝冷却和固化，在超声波发生器和铝之间形成紧密结合，然后将铝加工成法兰的形式。

以这种方式形成的法兰所具有的与超声波发生器的结合能，具有与两种金属之间硬焊所获得的相似的性质。通过扫描电子显微镜(SEM)观察到，在结合的超声波发生器与金属之间，使用本方法获得的界面的抛光截面，的确显示了在没有任何脱离的情况下具有完美结合的密封以及两种材料之间的连续性，能够获得金属和超声波发生器之间的最佳机械耦合。因此，超声波发生器和法兰之间的紧密结合的结合强度至少基本上等于两种材料之间硬焊的结合强度，即，在不拔除材料的情况下，不可能将法兰从超声波发生器分离。

根据一个实施方案选项，液态金属是运动的。

有利地，步骤d)包括液态金属的多普勒超声速度测量。

根据另一个选项，步骤d)包括探测和测量液态金属中的夹杂物。该探测可以在线进行或在固定站中进行。

根据一个实施方案，液态金属是液态铝。

根据另一个实施方案，所述液态金属是钠或锌，并且超声波发生器由钢或不被钠或锌分别润湿的另一金属制成，或由Sialon制成。

通过阅读下面作为非限制性实施例给出的并参考附图的三个实施方案的描述，本发明的其它方面、目的和优点将更清楚地显现。为了提高辨识度，附图不一定遵守所表示的元件的比例。在下文说明书中，为了简化，各种实施方案的相同、相似或等同的元件具有相同的附图标记。

图1至图3示意性地示出了如何制造一个用于实施本发明方法的实施方案的包括超声波发生器的设备。

图4示出了本发明的第一实施方案。

图5和图6示出了本发明的第二实施方案。

图7示出了本发明的第三实施方案。

如图1至图3所示，Si₃N₄的超声波发生器1在液态铝合金熔池中润湿，以便在保持润湿的情况下使用。

图1表示将圆柱形超声波发生器1的第一端部区域1a插入熔炉2，所述超声波发生器具有400mm的长度和30mm的直径，所述熔炉2包含3kg液态铝，在此情况下为包含约5重量％镁的Al5％Mg型液态铝。

根据横向模式组装至超声波发生器1的功率超声波发射换能器3传递频率为19.8kHz和功率为约150W的功率超声波至超声波发生器，持续5分钟。

在所述方法的该步骤中，当将超声波发生器1从熔池中移出时，超声波发生器表现出完美的液态铝的润湿，通过其闪亮的浅灰色(铝的特征)肉眼可鉴，且最重要的是在没有材料拔除的情况下不能使用工具与陶瓷表面分离。

显然，可以使用其他润湿条件，特别是具有或多或少显著的镁含量，优选最小含量为0.05重量％。

相应地，调整功率超声波以适合于所使用的镁含量。特别地，将所述功率超声波施用或短或长的时间，以便在液态铝中获得空穴产生超声波发生器1的润湿。

根据未示出的一个选项，使用根据轴向模式连接至超声波发生器1的功率超声波换能器3来实施超声波的施加，所述连接通过紧固或通过粘合或通过旋拧或任何其他选项实现，只要所述连接可承受操作持续时间，通常小于15分钟。

在下一步骤中，将润湿的超声波发生器1周围的液态铝冷却(在这种情况下，没有将超声波发生器1从熔池中移出以检查润湿情况)。铝固化并导致在超声波发生器1周围形成紧密结合。然后将固化的铝加工成围绕超声波发生器1的圆柱形法兰4的形式。

如图3所表示，根据轴向装配将功率超声波发射换能器3和测量超声波发射换能器5旋拧到铝法兰4上。

然后将超声波发生器1的与连接至法兰4的第一端部区域1a相对的第二端部区域1b浸入铝合金中，并施加功率超声波以获得该第二端部区域1b的润湿(步骤c)。

一旦超声波发生器已经被液态铝润湿，则通过测量超声波发射换能器5施加测量超声波。特别地，这些以5MHz的频率施加的超声波使得可以连续地、特别是几个小时地分析液态铝合金中的夹杂物的质量(夹杂物的定量和尺寸)(步骤d)。

通过铝法兰4以大于10W的功率施加超声波(步骤e)。这确保了在液态铝合金中的润湿的再生。可以构想出的假设在于，在检测或测量模式中使用超声波发生器期间，在表面上形成氧化膜并改变润湿。现认为一旦超声波发生器1已经浸入合金中，新施加超声波能够破碎该氧化膜并且使超声波发生器的液态铝/润湿铝接触再生。同样不排除气体在超声波发生器附近积聚的假设。

因此，以约20kHz的频率周期性地发射功率超声波，特别是每3小时发射持续约1分钟的时间，以保持超声波发生器1的润湿。

事实上，看起来，在液态铝中使用超声波发生器期间，周期性施加功率超声波能够“清洁”超声波发生器1-液态铝界面上的沉积于其中的任何夹杂物或气泡。

该方法在液态金属是钠或锌且超声波发生器由钢或者不被Zn或Na分别润湿的另一金属制成或者由陶瓷、特别是Sialon制成的情况下是类似的。

根据未示出的另一选项，当在包含合金的熔池中使用测量超声波校准反射器时，根据接收的返回信号的强度，间歇地发射超声波。

这样可以将超声波发生器1用于不同的应用。

特别地，夹杂物质量的测量可在至少一次铸造的持续时间内并在大体积分数上连续地进行，这特别归因于液态金属中优异的超声波传输。

图5和图6示出了一个方法实施方案，其特别应用于液态铝合金的夹杂物质量的测量、但也可应用于任何液态金属和相对于液态金属呈惰性的超声波发生器。此处，将通过预先施加功率超声波而润湿的由Si₃N₄制成的两个超声波发生器1(长度400mm，直径30mm)部分地浸入包含25kg液态铝合金的熔炉20中。功率超声波换能器3根据轴向装配连接至其各自的圆柱形法兰4。测量超声波发射换能器5布置在法兰4中，与Si₃N₄的超声波发生器1的杆接触。

其上连接有测量超声波发射换能器5的超声波发生器1用于发射测量超声波，而另一超声波发生器1用于接收模式。两个超声波发生器1的串联组装使得可以通过改变超声波发生器1之间的角度和间隙来获得超声波束的几何聚焦。超声波发生器1之间的小间隙和小角度α能够增加检测的铝合金的体积、而夹杂物尺寸的探测限提高，因此所述探测实际上具有较低的灵敏度(图5)。相反，超声波发生器1之间的大间隙和大角度α使得可以减小测试体积，并且探测限降低(图6)。在后一种情况下，探测灵敏度更大。

在将间隙为300mm和角度α为28度的超声波发生器1引入到液态铝合金中之后，超声波测量信号不显著地存在。液态铝合金A不润湿超声波发生器1。对以发射模式操作的超声波发生器1施加功率超声波(19.8kHz，150W，5秒)，然后对以接收模式操作的超声波发生器1施加功率超声波，使得可以建立润湿：因此随后传输超声波测量信号(5MHz)。在这种情况下，探测到的噪声水平增加，并且出现与单一粒子(夹杂物)相对应的峰。功率超声波的定期施加使得能够在液态铝合金熔池中保持润湿以及保持在线的或在固定站的夹杂物探测和定量——也称为夹杂物清洁度测量——的连续性。

根据图7所示的方法的另一个实施方案，超声波发生器1用于运动的液态铝合金熔池的多普勒效应超声速度测量，其迄今可靠地只限制于具有低熔点的金属。

在该实施方案中，功率超声波换能器3和测量超声波发射换能器5根据轴向装配连接到由SIALON制成的超声波发生器1，并且施加功率超声波(20kHz，120W，8s)以建立润湿。

连续施加具有与上述相同的特性的测量超声波，并且通过换能器3测量超声波信号的频率变化，所述换能器3还以接收模式操作。平行地，每五小时施加功率超声波以保持超声波发生器1的润湿(步骤e)。由悬浮颗粒反射的频率相对于发射频率的变化反映了由流体引起的颗粒的位移。

因此，本发明涉及一种使用被液态铝润湿的超声波发生器1的方法，可应用于一种测量方法，所述测量方法包括连续使用测量液态铝合金中的夹杂物的设备，其提供了从测量模式(测量超声波)切换到润湿再生模式(功率超声波)的可能，而不必干扰保持浸没和自主的设备。

此外，超声波发生器1不需要任何表面处理以对形成超声波发生器1的难熔材料的表面进行化学改性。

于是，可以将这种方法用于液态铝合金的连续非破坏性检测以及用于分析，特别是借助润湿再生的铝的夹杂物质量分析。

有利地，在一个优选的实施方案中，用于该方法的测量设备包括一个组件，其中超声波发生器1和超声波换能器3、5(测量和功率)形成单一实体。

类似地，该方法可用于所述液态金属是钠或锌且超声波发生器由钢或不被钠或锌分别润湿的另一种金属或Sialon制成的情况。

显然，本发明不限于以上通过实施例描述的实施方案，而是包括所述手段的任何技术等同物和变体以及其组合。

Claims (27)

1.通过超声波检测液态金属的方法，其包括以下步骤：

a)提供一种超声波发生器(1)，其由相对于液态金属基本上呈惰性的材料形成，

b)将所述超声波发生器(1)至少部分地浸入所述金属的熔池中，

c)对超声波发生器(1)施加功率大于10瓦的功率超声波，以获得所述金属对所述超声波发生器的润湿，

d)对超声波发生器(1)连续地施加测量超声波，也称为检测超声波，其中频率在1和25MHz之间，

e)对超声波发生器(1)间歇地施加功率大于10瓦的功率超声波，以保持所述润湿并确保信号随时间的稳定性。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述相对于液态金属基本上呈惰性的材料为金属。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述相对于液态金属基本上呈惰性的材料为陶瓷。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述相对于液态金属基本上呈惰性的材料为氮化硅或氮氧化硅。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述相对于液态金属基本上呈惰性的材料为SIALON。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述液态金属是液态铝合金。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，至少在步骤c)中，所述液态金属是含有含量为Y的镁的液态铝合金，所述镁含量Y不为零。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述镁含量Y大于或等于0.05重量％。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述镁含量Y大于0.5重量％。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述镁含量Y大于或等于0.7重量％。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述液态金属是钠或锌，且所述超声波发生器由钢或者不被钠或锌分别润湿的另一种金属制成，或者由陶瓷制成。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述超声波发生器由Sialon制成。

13.根据权利要求1所述的方法，包括至少来自步骤d)的用于反射由所述超声波发生器(1)传输的测量超声波的校准反射器在所述液态金属中的定位，以产生超声波信号，以及当所产生的超声波信号的强度小于或等于预定阈值强度时触发根据步骤e)施加功率超声波的步骤。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述液态金属是铝合金。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述液态金属是钠或锌，且所述超声波发生器由钢或不被钠或锌分别润湿的另一金属制成，或由Sialon制成。

16.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤e)中周期性地触发所述功率超声波的施加。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，在步骤e)中以几秒至几个小时的频率周期性地触发所述功率超声波的施加。

18.根据权利要求1所述的方法，其中根据步骤d)的功率超声波的施加进行几秒至几分钟的时间。

19.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤c)之前，所述方法包括根据轴向装配将功率超声波发射换能器(3)连接到所述超声波发生器(1)的步骤。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，在步骤d)之前，所述方法包括将除功率超声波发射换能器(3)之外的测量超声波发射换能器(5)轴向装配在所述超声波发生器(1)上的步骤。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述两个换能器中的至少一个安装在法兰上，所述法兰通过粘合、夹持或旋拧连接至所述超声波发生器。

22.根据权利要求20所述的方法，其中所述两个换能器中的至少一个安装在法兰上，所述法兰通过硬焊连接至所述超声波发生器，且在硬焊的情况下，预先将所述超声波发生器部分地浸入包含至少0.05重量％的镁的液态铝熔池中，经受功率超声波直到获得液态铝对超声波发生器的润湿，随后将液态铝冷却并固化，在超声波发生器和铝之间形成紧密结合，然后将铝加工成法兰的形式。

23.根据权利要求1所述的方法，其中所述液态金属是运动的。

24.根据权利要求23所述的方法，其中步骤d)还包括所述运动的液态金属的多普勒超声速度测量。

25.根据权利要求1所述的方法，其中步骤d)还包括探测和测量所述液态金属中的夹杂物。

26.根据权利要求16至21和23至25中任一项所述的方法，其中所述液态金属是铝合金。

27.根据权利要求16至21和23至25中任一项所述的方法，其中所述液态金属是钠或锌，且所述超声波发生器由钢或不被钠或锌分别润湿的另一金属制成，或由Sialon制成。

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