本發(fā)明屬于金屬材料加工領(lǐng)域，特別涉及一種大體積高合金化鋁合金熔體處理裝置及方法。

背景技術(shù)：

鋁合金以其優(yōu)良的特性成為航空航天、軌道交通以及汽車等行業(yè)首選的輕量化結(jié)構(gòu)材料，用量很大。隨著制造業(yè)裝備能力的提升，大型運輸火箭、高性能戰(zhàn)機、高速列車、新能源汽車等高端裝備要求的鋁合金性能越來越多樣化，綜合使用性能也越來越高，而鋁合金性能的提高必然伴隨著特殊合金元素的加入以及主元素含量的提升。高合金化鋁合金材料制備過程中總是伴隨著合金元素成分偏析、易開裂、組織不均勻等問題，尤其對于大體積熔體凝固成型而言問題更加突出，因此大體積高合金化鋁合金材料對冶金質(zhì)量要求十分嚴格。國內(nèi)常用的鋁合金熔體處理手段很難滿足高合金化鋁合金對冶金質(zhì)量的要求，相關(guān)合金不得不依賴進口。

大體積高合金化鋁合金材料制備困難的主要原因是熔體中合金元素分布均勻性控制難、成分偏析帶來的氧化夾雜物以及氫含量的控制難、大體積熔體溫度均勻性控制難等三個方面。傳統(tǒng)的熔體處理方法僅是在合金材料制備前或制備過程中采用一定的除氣和過濾手段對鋁合金中夾雜物含量和氫含量進行控制，無法從根本上滿足高合金化鋁合金對熔體冶金質(zhì)量的要求。

為了提高鋁合金熔體冶金質(zhì)量，許多國內(nèi)外學者都進行了長期的研究。美國鋁業(yè)公司開發(fā)的alcoa469方法和美國聯(lián)合碳化物公司開發(fā)的旋轉(zhuǎn)噴出惰性氣體浮游法都是利用氫在鋁熔體和氣泡中的分壓差使鋁熔體中的氫上浮并逸出，從而達到除氫的目的，但并沒有涉及關(guān)鍵的熔體成分場和溫度場的均勻性。中國專利cn00127937和cn200510026593提出的鋁合金熔體凈化的方法，主要側(cè)重于對合金熔體中氧化物和夾渣物的過濾，在降低熔體氫含量的同時減少夾渣物的含量及尺寸，同樣沒有涉及關(guān)鍵的熔體成分場和溫度場的均勻性。上述熔體處理方法對普通低合金化鋁合金熔體凈化具有一定的作用，但對于改善大體積高合金化鋁合金熔體質(zhì)量，其作用就十分微弱了。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上問題，本發(fā)明的目的是提供一種大體積高合金化鋁合金熔體處理裝置及方法。該裝置和方法充分利用了復合式電磁場具有的能量高密度性和清潔性以及 優(yōu)越的響應性和可控性，同時通過多維度機械紊流器的巧妙設計，熔體流動呈現(xiàn)出宏觀對流和局部紊流共存的狀態(tài)，使熔體受到的攪拌作用更加充分，從而溫度場和成分場在整個熔體體積內(nèi)分布更加均勻；同時紊流系統(tǒng)中惰性氣體的通入增加了熔體的除氣除渣功能。

一種大體積高合金化鋁合金熔體處理裝置，該裝置主要由熔體處理坩堝、復合式電磁模塊、多維度機械紊流器及溫控單元組成，所述的復合式電磁模塊安裝在熔體處理坩堝的底部和外圍，所述的多維度機械紊流器安裝在熔體處理坩堝內(nèi)，所述的溫控單元安裝在熔體處理坩堝的頂部和底部。

在該裝置中，核心裝置為復合式電磁模塊、多維度機械紊流器和溫控單元。復合式電磁模塊主要由底部磁場發(fā)生器和周向磁場發(fā)生器組成，所述的底部磁場發(fā)生器和周向磁場發(fā)生器分別安裝在熔體處理坩堝的底部和外圍；多維度機械紊流器主要由可移動通道桿、紊流轉(zhuǎn)子和送氣系統(tǒng)組成，所述的紊流轉(zhuǎn)子安裝在可移動通道桿上；溫控單元主要由頂部溫控系統(tǒng)、底部溫控系統(tǒng)和溫度檢測調(diào)節(jié)系統(tǒng)構(gòu)成。

頂部溫控系統(tǒng)為硅碳棒加熱裝置，通過硅碳棒實現(xiàn)頂部加熱，所述的硅碳棒安裝在熔體處理坩堝的頂部溫控蓋中；底部溫控系統(tǒng)為熱電阻加熱裝置，以高效熱電阻為熱源；溫度檢測調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括溫度傳感器和溫控plc模塊，與頂部溫控系統(tǒng)和底部溫控系統(tǒng)相連接，通過溫度檢測調(diào)節(jié)系統(tǒng)實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)坩堝內(nèi)熔體溫度，溫控單元通過調(diào)節(jié)坩堝頂部硅碳棒和底部熱電阻內(nèi)的電流量精確控制合金熔體溫度。

復合式電磁模塊中，底部磁場發(fā)生器為行波磁場發(fā)生器或者脈沖磁場發(fā)生器；周向磁場發(fā)生器為垂直旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器或者水平旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器。

可移動通道桿內(nèi)部為中空，所述的紊流轉(zhuǎn)子上設置氣孔，送氣系統(tǒng)通過可移動通道桿的內(nèi)部和紊流轉(zhuǎn)子上的氣孔送氣，將惰性氣體通入熔體內(nèi)部，實現(xiàn)熔體的除氣除渣?？梢苿油ǖ罈U安裝在熔體處理坩堝的上方，與爐體外圍機械裝置相連接，可實現(xiàn)自轉(zhuǎn)和水平移動。多維度機械紊流器可以是一套或者多套，運行過程中自身旋轉(zhuǎn)同時也可以按固定軌跡平移，紊流轉(zhuǎn)子可以有多種設計結(jié)構(gòu)。

大體積熔體處理坩堝的容量為500～5000kg，坩堝形狀為六面體形或者圓柱體形。大體積熔體處理坩堝與自動機械系統(tǒng)相連接，由自動機械系統(tǒng)控制熔體處理坩堝的移動和其他動作。

在熔體處理坩堝內(nèi)壁的上部設有除渣裝置，用于過濾漂浮于熔體表面的氧化物及夾雜物等。

熔體的流動形式主要由復合式電磁模塊和多維度機械紊流器來控制，實現(xiàn)處理過程中合金熔體表面穩(wěn)定條件下宏觀對流與局部紊流同時作用的狀態(tài)。

基于上述裝置，本發(fā)明提出一種大體積高合金化鋁合金熔體處理的方法，包括如下步驟：通過溫控單元調(diào)節(jié)熔體處理坩堝內(nèi)鋁合金熔體的處理溫度，待溫度達到所需要求后，同時開啟底部和周向的磁場發(fā)生器進行立體化復合式電磁處理，然后將預熱的機械紊流器旋入熔體，機械紊流器旋入熔體的速度優(yōu)選為50～100r/min，旋入熔體的深度優(yōu)選為距坩堝底部10～20cm位置，使其在熔體處理坩堝內(nèi)自轉(zhuǎn)的同時按預設軌跡進行平移，同時通入惰性氣體對合金熔體進行除氣除渣處理；通過復合式高密度磁場和多維度機械紊流促使合金熔體處于表面穩(wěn)定條件下宏觀對流與局部紊流同時作用的狀態(tài)，使得熔體整個體積范圍內(nèi)具有均勻的溫度場和成分場；待處理完成，使用機械除渣裝置過濾出漂浮于熔體表面的氧化物及夾雜物，再將熔體通過連鑄、壓力鑄造或其他方式進行成型。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點：

(1)與傳統(tǒng)的熔體處理方式相比，由于本發(fā)明采用了底部和周向的復合式電磁處理，使熔體產(chǎn)生強烈擾動，同時輔以多維度機械紊流器的作用可以使熔體宏觀和局部層面均產(chǎn)生規(guī)律性對流，使攪拌作用更加充分，熔體溫度場和成分場不會沿各維度存在梯度，實現(xiàn)對合金熔體凝固組織的精確控制，獲得細小均勻的凝固組織，最終制備出高品質(zhì)鋁合金材料。

(2)與傳統(tǒng)的在線處理相比，由于雙加熱體系的引入，使熔體處理坩堝內(nèi)溫度控制更加精確，可有效保障澆注溫度穩(wěn)定；同時機械紊流器加強熔體對流的同時還能不卷入新的氣體，而且在熔體處理過程中實現(xiàn)自動除氣除渣，提高了熔體處理效率，節(jié)約成本。

(3)可以有效解決合金元素總質(zhì)量超過5％或合金元素原子量與鋁原子差異較大的高合金化鋁合金熔體存在的成分偏析問題，大大降低了后續(xù)產(chǎn)品的制備難度。

附圖說明

圖1是大體積高合金化鋁合金熔體處理裝置示意圖。

主要附圖標記說明：

1熔體處理坩堝2頂部溫控蓋

3硅碳棒4可移動通道桿

5合金熔體6除渣裝置

7周向磁場發(fā)生器8熱電阻

9底部磁場發(fā)生器10紊流轉(zhuǎn)子

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明的大體積高合金化鋁合金熔體處理裝置，主要由大體積熔 體處理坩堝1、復合式電磁模塊、多維度機械紊流器及溫控單元組成，復合式電磁模塊安裝在熔體處理坩堝1的底部和外圍(周圍)，多維度機械紊流器安裝在熔體處理坩堝1內(nèi)部，溫控單元安裝在熔體處理坩堝1的頂部和底部。

在該裝置中，復合式電磁模塊主要由底部磁場發(fā)生器9和周向磁場發(fā)生器7組成；底部磁場發(fā)生器9和周向磁場發(fā)生器7分別安裝在熔體處理坩堝1的底部和外圍；底部磁場發(fā)生器9為行波磁場發(fā)生器或者脈沖磁場發(fā)生器；周向磁場發(fā)生器7為垂直旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器或者水平旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器。

多維度機械紊流器主要由可移動通道桿4、紊流轉(zhuǎn)子10和送氣系統(tǒng)組成；紊流轉(zhuǎn)子10安裝在可移動通道桿4上，可移動通道桿4安裝在熔體處理坩堝1的上方，通過控制裝置進行自轉(zhuǎn)和水平移動；可移動通道桿4內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，紊流轉(zhuǎn)子10上設置氣孔，送氣系統(tǒng)通過可移動通道桿4的內(nèi)部和紊流轉(zhuǎn)子10上的氣孔送氣，熔體的除氣除渣功能由送氣系統(tǒng)通入的惰性氣體來實現(xiàn)的。多維度機械紊流器可以是一套或者多套，運行過程中自身旋轉(zhuǎn)同時也可以按固定軌跡平移，紊流轉(zhuǎn)子10可以有多種設計結(jié)構(gòu)。

溫控單元主要由頂部溫控系統(tǒng)、底部溫控系統(tǒng)和溫度檢測調(diào)節(jié)系統(tǒng)構(gòu)成。頂部溫控系統(tǒng)為硅碳棒3加熱，通過硅碳棒3實現(xiàn)頂部加熱，硅碳棒3安裝在熔體處理坩堝1的頂部溫控蓋2中；底部溫控系統(tǒng)為熱電阻8加熱，以高效熱電阻8為熱源，熱電阻8位于熔體處理坩堝1的底部。溫度檢測調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括溫度傳感器和溫控plc模塊，與頂部溫控系統(tǒng)和底部溫控系統(tǒng)相連接。通過溫控單元實時監(jiān)測坩堝內(nèi)熔體溫度，溫控單元通過調(diào)節(jié)坩堝頂部硅碳棒3和底部熱電阻8內(nèi)的電流量精確控制合金熔體5溫度。

大體積熔體處理坩堝1鋁合金熔體容量為500～5000kg，坩堝立體結(jié)構(gòu)可以為六面體形或者圓柱體形。大體積熔體處理坩堝1動作由自動機械系統(tǒng)控制。

除渣裝置6設置于熔體處理坩堝1內(nèi)壁的上部，用于過濾漂浮于熔體表面的氧化物及夾雜物等。

采用本發(fā)明的裝置處理鋁合金熔體時，先將熔化后的鋁合金澆入熔體處理坩堝1內(nèi)，通過溫控裝置調(diào)節(jié)頂部溫控蓋2中硅碳棒3和底部熱電阻8內(nèi)的電流量來精確控制處理腔內(nèi)合金熔體5的溫度；當合金熔體5達到所需溫度后同時開啟坩堝底部磁場發(fā)生器9和周向磁場發(fā)生器7，然后將預熱到一定溫度的一套或多套機械紊流裝置，包括可移動通道桿4和紊流轉(zhuǎn)子10，旋入合金熔體5內(nèi)，當轉(zhuǎn)子到達一定深度后保持固定轉(zhuǎn)速的同時在處理腔內(nèi)按預設軌跡進行平移，同時通入惰性氣體對合金熔體5進行處理；通過復合式高密度磁場和多維度機械紊流促使合金熔體5產(chǎn) 生特殊的流動規(guī)律，實現(xiàn)大體積熔體宏觀和局部同時作用，獲得熔體整個體積范圍內(nèi)均勻的溫度場和成分場；熔體處理完成后通過機械除渣裝置6取出表層氧化渣及夾雜物，將處理后的合金熔體5通過半連續(xù)鑄造、壓力鑄造或其它方式進行成型。

實施例1

采用方形大體積高合金化鋁合金熔體裝置處理2000kg7055超高強鋁合金熔體，處理完的熔體通過半連續(xù)鑄造制備出φ582規(guī)格的細晶均質(zhì)鑄錠。

首先將熔化后的7055合金熔體在770～790℃內(nèi)澆入矩形熔體處理腔內(nèi)，通過溫控裝置實時監(jiān)測坩堝內(nèi)熔體溫度，通過調(diào)節(jié)頂部硅碳棒3和底部熱電阻8內(nèi)的電流量，即加熱和保溫時間來精確控制處理腔內(nèi)7055合金熔體的溫度；當合金熔體5達到755～760℃后同時開啟腔體底部行波磁場發(fā)生器和腔體周向垂直旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器，磁場電流為200a，頻率為10hz；然后將3套機械紊流裝置中高純石墨可移動通道桿4和紊流轉(zhuǎn)子10預熱到700℃再以50～100r/min的速度旋入合金熔體5內(nèi)，當轉(zhuǎn)子到達距腔體底部100～120mm深度后保持320r/min固定轉(zhuǎn)速，同時在處理腔內(nèi)按預設矩形波軌跡進行平移，遍歷熔體水平面；熔體處理完成后通過機械除渣裝置取出表層氧化渣及夾雜物，將處理后的7055合金熔體通過半連續(xù)鑄造進行φ582規(guī)格合金鑄錠制備。

得到2000kg7055合金760℃熔體氫含量在0.055ml/100g，遠遠超出國家標準要求水平；同時φ582規(guī)格鑄錠組織細小均勻，從邊部至心部晶粒尺寸偏差小于8％，平均晶粒尺寸較無實施熔體處理減小了50％，鑄錠的成分偏析大大減少，合金元素含量偏差小于5％。

實施例2

采用圓柱形大體積高合金化鋁合金熔體裝置處理1000kg低壓鑄造用zl101a-1合金熔體，處理完的熔體通過低壓鑄造制備出22英寸規(guī)格汽車輪轂。

首先將熔化后的zl101a-1合金熔體在750～760℃內(nèi)澆入圓柱形熔體處理腔內(nèi)，通過溫控裝置實時監(jiān)測坩堝內(nèi)熔體溫度，通過調(diào)節(jié)頂部硅碳棒3和底部熱電阻8內(nèi)的電流量，即加熱和保溫時間來精確控制處理腔內(nèi)zl101a-1合金熔體的溫度；當合金熔體5達到740～750℃后同時開啟腔體底部脈沖磁場發(fā)生器和腔體周向垂直旋轉(zhuǎn)磁場發(fā)生器，磁場電流為150a，頻率為20hz；然后將2套機械紊流裝置中高純石墨可移動通道桿和紊流轉(zhuǎn)子預熱到700℃再以50～100r/min的速度旋入合金熔體5內(nèi)，當轉(zhuǎn)子到達距腔體底部180～200mm深度后保持260r/min固定轉(zhuǎn)速，同時在處理腔內(nèi)按預設圓周軌跡進行平移，遍歷熔體水平面；熔體處理完成后通過機械除渣裝置取出表層氧化渣及夾雜物，將處理后的合金熔體5在4h內(nèi)通過低壓鑄造 進行22英寸規(guī)格zl101a-1合金汽車輪轂制備。

處理后的1000kgzl101a-1合金750℃熔體氫含量在0.090ml/100g，遠遠高出國家標準要求水平；同時22英寸規(guī)格鋁合金輪轂鑄坯表面整潔，與普通處理方式相比霉斑、輕微裂紋及外來夾雜物等缺陷消失，針孔度遠小于jb/t7946.3規(guī)定的二級，鑄態(tài)力學性能得到提高，屈服強度達240mpa，抗拉強度達320mpa，延伸率為9％。

本發(fā)明在實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)下，溫控單元通過調(diào)節(jié)頂部硅碳棒和底部熱電阻內(nèi)的電流量精確控制合金熔體溫度；同時在立體式復合電磁模塊作用下，充分利用電磁能量的高密度性，在熔體中產(chǎn)生強烈的擾動，促進合金熔體成分場和溫度場的均勻性；再通過水平移動過程中紊流轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，保證熔體表面穩(wěn)定條件下實現(xiàn)整體宏觀對流與局部微觀紊流同時耦合作用，減小熔體溫度場和成分場在各維度的梯度，精確控制熔體凝固組織，最終制備得到組織細小成分均勻的大規(guī)格高合金化鋁合金鑄錠或鑄件；而且機械紊流器留有惰性氣體作用通道，在熔體處理過程實現(xiàn)自動除氣除渣，提高熔體處理效率，節(jié)約成本。