一種大體積高合金化鋁合金熔體處理裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型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)】
[0002]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(yùn)輸火箭、高性能戰(zhàn)機(jī)、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(yán)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(jìn)口。
[0003]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(gè)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(jìn)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。
[0004]為了提高鋁合金熔體冶金質(zhì)量，許多國內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)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(dá)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(shí)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。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]針對以上問題，本實(shí)用新型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(fù)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(yīng)性和可控性，同時(shí)通過多維度機(jī)械紊流器的巧妙設(shè)計(jì)，熔體流動(dòng)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(gè)熔體體積內(nèi)分布更加均勻；同時(shí)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。
[0006]—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禍、復(fù)合式電磁模塊、多維度機(jī)械紊流器及溫控單元組成，所述的復(fù)合式電磁模塊安裝在熔體處理坩禍的底部和外圍，所述的多維度機(jī)械紊流器安裝在熔體處理坩禍內(nèi)，所述的溫控單元安裝在熔體處理坩禍的頂部和底部。
[0007]在該裝置中，核心裝置為復(fù)合式電磁模塊、多維度機(jī)械紊流器和溫控單元。復(fù)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禍的底部和外圍；多維度機(jī)械紊流器主要由可移動(dòng)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(dòng)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。
[0008]頂部溫控系統(tǒng)為硅碳棒加熱裝置，通過硅碳棒實(shí)現(xiàn)頂部加熱，所述的硅碳棒安裝在熔體處理坩禍的頂部溫控蓋中；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(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)節(jié)坩禍內(nèi)熔體溫度，溫控單元通過調(diào)節(jié)坩禍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。
[0009]復(fù)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。
[0010]可移動(dòng)通道桿內(nèi)部為中空，所述的紊流轉(zhuǎn)子上設(shè)置氣孔，送氣系統(tǒng)通過可移動(dòng)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(shí)現(xiàn)熔體的除氣除渣?？梢苿?dòng)通道桿安裝在熔體處理坩禍的上方，與爐體外圍機(jī)械裝置相連接，可實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)和水平移動(dòng)。多維度機(jī)械紊流器可以是一套或者多套，運(yùn)行過程中自身旋轉(zhuǎn)同時(shí)也可以按固定軌跡平移，紊流轉(zhuǎn)子可以有多種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
[0011]大體積熔體處理坩禍的容量為500?5000Kg，坩禍形狀為六面體形或者圓柱體形。大體積熔體處理坩禍與自動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)相連接，由自動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)控制熔體處理坩禍的移動(dòng)和其他動(dòng)作。
[0012]在熔體處理坩禍內(nèi)壁的上部設(shè)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。
[0013]熔體的流動(dòng)形式主要由復(fù)合式電磁模塊和多維度機(jī)械紊流器來控制，實(shí)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(shí)作用的狀態(tài)。
[0014]基于上述裝置進(jìn)行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)熔體處理坩禍內(nèi)鋁合金熔體的處理溫度，待溫度達(dá)到所需要求后，同時(shí)開啟底部和周向的磁場發(fā)生器進(jìn)行立體化復(fù)合式電磁處理，然后將預(yù)熱的機(jī)械紊流器旋入熔體，機(jī)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)選為距坩禍底部10?20cm位置，使其在熔體處理坩禍內(nèi)自轉(zhuǎn)的同時(shí)按預(yù)設(shè)軌跡進(jìn)行平移，同時(shí)通入惰性氣體對合金熔體進(jìn)行除氣除渣處理;通過復(fù)合式高密度磁場和多維度機(jī)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(shí)作用的狀態(tài)，使得熔體整個(gè)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(jī)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(jìn)行成型。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn):
[0016](I)與傳統(tǒng)的熔體處理方式相比，由于本實(shí)用新型采用了底部和周向的復(fù)合式電磁處理，使熔體產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，同時(shí)輔以多維度機(jī)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(huì)沿各維度存在梯度，實(shí)現(xiàn)對合金熔體凝固組織的精確控制，獲得細(xì)小均勻的凝固組織，最終制備出高品質(zhì)鋁合金材料。
[0017](2)與傳統(tǒng)的在線處理相比，由于雙加熱體系的引入，使熔體處理坩禍內(nèi)溫度控制更加精確，可有效保障澆注溫度穩(wěn)定；同時(shí)機(jī)械紊流器加強(qiáng)熔體對流的同時(shí)還能不卷入新的氣體，而且在熔體處理過程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)除氣除渣，提高了熔體處理效率，節(jié)約成本。
[0018](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】
[0019]圖1是大體積高合金化鋁合金熔體處理裝置示意圖。
[0020]主要附圖標(biāo)記說明:
[0021]I 熔體處理坩禍2頂部溫控蓋
[0022]3 硅碳棒4可移動(dòng)通道桿
[0023]5 合金熔體6除渣裝置[0〇24]7 周向磁場發(fā)生器8熱電阻
[0025]9 底部磁場發(fā)生器10紊流轉(zhuǎn)子
【具體實(shí)施方式】
[0026]如圖1所示，本實(shí)用新型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禍1、復(fù)合式電磁模塊、多維度機(jī)械紊流器及溫控單元組成，復(fù)合式電磁模塊安裝在熔體處理坩禍I的底部和外圍(周圍)，多維度機(jī)械紊流器安裝在熔體處理坩禍I內(nèi)部，溫控單元安裝在熔體處理坩禍I的頂部和底部。
[0027]在該裝置中，復(fù)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禍I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。
[0028]多維度機(jī)械紊流器主要由可移動(dòng)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(dòng)通道桿4上，可移動(dòng)通道桿4安裝在熔體處理坩禍I的上方，通過控制裝置進(jìn)行自轉(zhuǎn)和水平移動(dòng);可移動(dòng)通道桿4內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，紊流轉(zhuǎn)子10上設(shè)置氣孔，送氣系統(tǒng)通過可移動(dòng)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(shí)現(xiàn)的。多維度機(jī)械紊流器可以是一套或者多套，運(yùn)行過程中自身旋轉(zhuǎn)同時(shí)也可以按固定軌跡平移，紊流轉(zhuǎn)子10可以有多種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
[0029]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)為娃碳