一種大體積高合金化鋁合金熔體處理裝置及方法與流程

2023-04-28 04:33:56 3

本發明屬於金屬材料加工領域，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。

背景技術：

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。隨著製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製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，尤其對於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製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製備前或製備過程中採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遊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並逸出，從而達到除氫的目的，但並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提出的鋁合金熔體淨化的方法，主要側重於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淨化具有一定的作用，但對於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。

技術實現要素：

針對以上問題，本發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複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、複合式電磁模塊、多維度機械紊流器及溫控單元組成，所述的複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，核心裝置為複合式電磁模塊、多維度機械紊流器和溫控單元。複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杆、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杆上；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。

頂部溫控系統為矽碳棒加熱裝置，通過矽碳棒實現頂部加熱，所述的矽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矽碳棒和底部熱電阻內的電流量精確控制合金熔體溫度。

複合式電磁模塊中，底部磁場發生器為行波磁場發生器或者脈衝磁場發生器；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。

可移動通道杆內部為中空，所述的紊流轉子上設置氣孔，送氣系統通過可移動通道杆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。可移動通道杆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，用於過濾漂浮於熔體表面的氧化物及夾雜物等。

熔體的流動形式主要由複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。

基於上述裝置，本發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後，同時開啟底部和周向的磁場發生器進行立體化複合式電磁處理，然後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；通過複合式高密度磁場和多維度機械紊流促使合金熔體處於表面穩定條件下宏觀對流與局部紊流同時作用的狀態，使得熔體整個體積範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於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，本發明的優點：

(1)與傳統的熔體處理方式相比，由於本發明採用了底部和周向的複合式電磁處理，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，最終製備出高品質鋁合金材料。

(2)與傳統的在線處理相比，由於雙加熱體系的引入，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捲入新的氣體，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，大大降低了後續產品的製備難度。

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矽碳棒4可移動通道杆

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，本發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、複合式電磁模塊、多維度機械紊流器及溫控單元組成，複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，複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衝磁場發生器；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。

多維度機械紊流器主要由可移動通道杆4、紊流轉子10和送氣系統組成；紊流轉子10安裝在可移動通道杆4上，可移動通道杆4安裝在熔體處理坩堝1的上方，通過控制裝置進行自轉和水平移動；可移動通道杆4內部為中空結構，紊流轉子10上設置氣孔，送氣系統通過可移動通道杆4的內部和紊流轉子10上的氣孔送氣，熔體的除氣除渣功能由送氣系統通入的惰性氣體來實現的。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同時也可以按固定軌跡平移，紊流轉子10可以有多種設計結構。

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。頂部溫控系統為矽碳棒3加熱，通過矽碳棒3實現頂部加熱，矽碳棒3安裝在熔體處理坩堝1的頂部溫控蓋2中；底部溫控系統為熱電阻8加熱，以高效熱電阻8為熱源，熱電阻8位於熔體處理坩堝1的底部。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。通過溫控單元實時監測坩堝內熔體溫度，溫控單元通過調節坩堝頂部矽碳棒3和底部熱電阻8內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，坩堝立體結構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控制。

除渣裝置6設置於熔體處理坩堝1內壁的上部，用於過濾漂浮於熔體表面的氧化物及夾雜物等。

採用本發明的裝置處理鋁合金熔體時，先將熔化後的鋁合金澆入熔體處理坩堝1內，通過溫控裝置調節頂部溫控蓋2中矽碳棒3和底部熱電阻8內的電流量來精確控制處理腔內合金熔體5的溫度；當合金熔體5達到所需溫度後同時開啟坩堝底部磁場發生器9和周向磁場發生器7，然後將預熱到一定溫度的一套或多套機械紊流裝置，包括可移動通道杆4和紊流轉子10，旋入合金熔體5內，當轉子到達一定深度後保持固定轉速的同時在處理腔內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；通過複合式高密度磁場和多維度機械紊流促使合金熔體5產 生特殊的流動規律，實現大體積熔體宏觀和局部同時作用，獲得熔體整個體積範圍內均勻的溫度場和成分場；熔體處理完成後通過機械除渣裝置6取出表層氧化渣及夾雜物，將處理後的合金熔體5通過半連續鑄造、壓力鑄造或其它方式進行成型。

實施例1

採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鑄造製備出φ582規格的細晶均質鑄錠。

首先將熔化後的7055合金熔體在770～790℃內澆入矩形熔體處理腔內，通過溫控裝置實時監測坩堝內熔體溫度，通過調節頂部矽碳棒3和底部熱電阻8內的電流量，即加熱和保溫時間來精確控制處理腔內7055合金熔體的溫度；當合金熔體5達到755～760℃後同時開啟腔體底部行波磁場發生器和腔體周向垂直旋轉磁場發生器，磁場電流為200a，頻率為10hz；然後將3套機械紊流裝置中高純石墨可移動通道杆4和紊流轉子10預熱到700℃再以50～100r/min的速度旋入合金熔體5內，當轉子到達距腔體底部100～120mm深度後保持320r/min固定轉速，同時在處理腔內按預設矩形波軌跡進行平移，遍歷熔體水平面；熔體處理完成後通過機械除渣裝置取出表層氧化渣及夾雜物，將處理後的7055合金熔體通過半連續鑄造進行φ582規格合金鑄錠製備。

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規格鑄錠組織細小均勻，從邊部至心部晶粒尺寸偏差小於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於5％。

實施例2

採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製備出22英寸規格汽車輪轂。

首先將熔化後的zl101a-1合金熔體在750～760℃內澆入圓柱形熔體處理腔內，通過溫控裝置實時監測坩堝內熔體溫度，通過調節頂部矽碳棒3和底部熱電阻8內的電流量，即加熱和保溫時間來精確控制處理腔內zl101a-1合金熔體的溫度；當合金熔體5達到740～750℃後同時開啟腔體底部脈衝磁場發生器和腔體周向垂直旋轉磁場發生器，磁場電流為150a，頻率為20hz；然後將2套機械紊流裝置中高純石墨可移動通道杆和紊流轉子預熱到700℃再以50～100r/min的速度旋入合金熔體5內，當轉子到達距腔體底部180～200mm深度後保持260r/min固定轉速，同時在處理腔內按預設圓周軌跡進行平移，遍歷熔體水平面；熔體處理完成後通過機械除渣裝置取出表層氧化渣及夾雜物，將處理後的合金熔體5在4h內通過低壓鑄造 進行22英寸規格zl101a-1合金汽車輪轂製備。

處理後的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英寸規格鋁合金輪轂鑄坯表面整潔，與普通處理方式相比黴斑、輕微裂紋及外來夾雜物等缺陷消失，針孔度遠小於jb/t7946.3規定的二級，鑄態力學性能得到提高，屈服強度達240mpa，抗拉強度達320mpa，延伸率為9％。

本發明在實時溫度監控系統下，溫控單元通過調節頂部矽碳棒和底部熱電阻內的電流量精確控制合金熔體溫度；同時在立體式複合電磁模塊作用下，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子的高速旋轉，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，最終製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。