一種大體積高合金化鋁合金熔體處理裝置及方法制造方法及圖紙

本發明專利技術涉及一種大體積高合金化鋁合金熔體處理裝置及方法，屬于金屬材料加工領域。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，復合式電磁模塊安裝在熔體處理坩堝的底部和外圍，多維度機械紊流器安裝在熔體處理坩堝內，溫控單元安裝在熔體處理坩堝的頂部和底部。本發明專利技術在保證熔體表面穩定條件下實現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，能夠制備得到組織細小成分均勻的大規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自動除氣除渣，提高熔體處理效率，節約成本。

Large volume high alloy aluminum alloy melt treatment device and method

The invention relates to a large volume high alloy aluminum alloy melt processing device and a method thereof, belonging to the field of metal material processing. The device is mainly composed of the melt treatment of crucible, composite electromagnetic module, multi dimension mechanical turbulator and temperature control unit, composite electromagnetic module is installed in the bottom of the crucible melt processing and peripheral, multi dimension mechanical turbulence device is installed in the melt treatment of the crucible, the temperature control unit is installed on the top and bottom of the crucible melt treatment. The invention ensures the realization of the overall macro and micro turbulence and convection local coupling of melt surface under stable conditions, reduce the gradient field and composition of melt temperature field in all dimensions, precise control of the melt, can prepare finer uniform components of large size high alloy Aluminum Alloy ingot or casting and mechanical turbulator; a role of inert gas channel in the melt treatment process to achieve automatic degassing and slag, improve melt processing efficiency, saving cost.

【技術實現步驟摘要】
一種大體積高合金化鋁合金熔體處理裝置及方法
本專利技術屬于金屬材料加工領域，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。
技術介紹
鋁合金以其優良的特性成為航空航天、軌道交通以及汽車等行業首選的輕量化結構材料，用量很大。隨著制造業裝備能力的提升，大型運輸火箭、高性能戰機、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量要求十分嚴格。國內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量的要求，相關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量的要求。為了提高鋁合金熔體冶金質量，許多國內外學者都進行了長期的研究。美國鋁業公司開發的Alcoa469方法和美國聯合碳化物公司開發的旋轉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量，其作用就十分微弱了。
技術實現思路
針對以上問題，本專利技術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，熔體流動呈現出宏觀對流和局部紊流共存的狀態，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分布更加均勻；同時紊流系統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，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生器和周向磁場發生器組成，所述的底部磁場發生器和周向磁場發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、紊流轉子和送氣系統組成，所述的紊流轉子安裝在可移動通道桿上；溫控單元主要由頂部溫控系統、底部溫控系統和溫度檢測調節系統構成。頂部溫控系統為硅碳棒加熱裝置，通過硅碳棒實現頂部加熱，所述的硅碳棒安裝在熔體處理坩堝的頂部溫控蓋中；底部溫控系統為熱電阻加熱裝置，以高效熱電阻為熱源；溫度檢測調節系統包括溫度傳感器和溫控PLC模塊，與頂部溫控系統和底部溫控系統相連接，通過溫度檢測調節系統實時監測和調節坩堝內熔體溫度，溫控單元通過調節坩堝頂部硅碳棒和底部熱電阻內的電流量精確控制合金熔體溫度。復合式電磁模塊中，底部磁場發生器為行波磁場發生器或者脈沖磁場發生器；周向磁場發生器為垂直旋轉磁場發生器或者水平旋轉磁場發生器?？梢苿油ǖ罈U內部為中空，所述的紊流轉子上設置氣孔，送氣系統通過可移動通道桿的內部和紊流轉子上的氣孔送氣，將惰性氣體通入熔體內部，實現熔體的除氣除渣?？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，可實現自轉和水平移動。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同時也可以按固定軌跡平移，紊流轉子可以有多種設計結構。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相連接，由自動機械系統控制熔體處理坩堝的移動和其他動作。在熔體處理坩堝內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，實現處理過程中合金熔體表面穩定條件下宏觀對流與局部紊流同時作用的狀態。基于上述裝置，本專利技術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：通過溫控單元調節熔體處理坩堝內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選為50～100r/min，旋入熔體的深度優選為距坩堝底部10～20cm位置，使其在熔體處理坩堝內自轉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定條件下宏觀對流與局部紊流同時作用的狀態，使得熔體整個體積范圍內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。與現有技術相比，本專利技術的優點：(1)與傳統的熔體處理方式相比，由于本專利技術采用了底部和周向的復合式電磁處理，使熔體產生強烈擾動，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生規律性對流，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，最終制備出高品質鋁合金材料。(2)與傳統的在線處理相比，由于雙加熱體系的引入，使熔體處理坩堝內溫度控制更加精確，可有效保障澆注溫度穩定；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自動除氣除渣，提高了熔體處理效率，節約成本。(3)可以有效解決合金元素總質量超過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，大大降低了后續產品的制備難度。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周向磁場發生器8熱電阻9底部磁場發生器10紊流轉子具體實施方式如圖1所示，本專利技術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生器9和周向磁場發生器7組成；底部磁場發生器9和周向磁場發生器7分別安裝在熔體處理坩堝1的底部和外圍；底部磁場發生器9為行波磁場發生器或者脈沖磁場發生器；周向磁場發生器7為垂直旋轉磁場發生器或者水平旋轉磁場發生器。多維度機本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種大體積高合金化鋁合金熔體處理裝置，其特征在于：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，所述的溫控單元安裝在熔體處理坩堝的頂部和底部。

【技術特征摘要】
1.一種大體積高合金化鋁合金熔體處理裝置，其特征在于：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，所述的溫控單元安裝在熔體處理坩堝的頂部和底部。2.根據權利要求1所述的大體積高合金化鋁合金熔體處理裝置，其特征在于：所述的復合式電磁模塊主要由底部磁場發生器和周向磁場發生器組成，所述的底部磁場發生器和周向磁場發生器分別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主要由可移動通道桿、紊流轉子和送氣系統組成，所述的紊流轉子安裝在可移動通道桿上；所述的溫控單元主要由頂部溫控系統、底部溫控系統和溫度檢測調節系統構成。3.根據權利要求2所述的大體積高合金化鋁合金熔體處理裝置，其特征在于：所述的頂部溫控系統為硅碳棒加熱裝置，所述的硅碳棒安裝在熔體處理坩堝的頂部溫控蓋中；所述的底部溫控系統為熱電阻加熱裝置。4.根據權利要求2所述的大體積高合金化鋁合金熔體處理裝置，其特征在于：所述的底部磁場發生器為行波磁場發生器或者脈沖磁場發生器；所述的周向磁場發生器為垂直旋轉磁場發生器或者水平旋轉磁場發生器。5.根據權利要求2所述的大體積高合金化鋁合金熔體處理裝置，其特征在于：所述的可移動通道桿內部為中空，所述的紊流轉子上設置氣孔，送氣系統通過...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張志峰，高明偉，徐駿，張少明，
申請(專利權)人：北京有色金屬研究總院，
類型：發明
國別省市：北京,11