[发明专利]一种电磁搅拌高剪切熔体处理及自动净化的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电磁搅拌高剪切熔体处理及自动净化的装置和方法，属于金属材料及其加工成形技术领域。

背景技术

凝固组织的细化、均匀化是提高金属材料性能和品质的关键环节，是实现金属材料短流程近终形成形加工的技术基础。但是受金属材料固有的凝固特性限制，组织通常呈现“三晶带”的分布特点，存在晶粒粗大、成分偏析、组织不均匀等问题，对大体积合金熔体凝固而言尤为明显。因此，如何获得细小、圆整、均匀分布的凝固组织一直是材料学者们研究的热点问题。针对这个科学问题，国内外均尝试采用施加外场(电磁搅拌、机械搅拌、超声震动等)干预合金熔体的凝固过程，通过施加外场使合金熔体产生强烈扰动，促使合金熔体的温度场、成分场更加均匀，进而使合金熔体在整个熔体范围内同时大量形核，从而实现对合金熔体凝固组织的精确控制，获得细小均匀的凝固组织，最终细化晶粒组织。

其中，由于电磁搅拌法具有能量的高密度性和清洁性、优越的响应性和可控性、易于自动化、能量利用率高等优点，所以率先实现产业化并获得较为广泛的商业应用。但是传统的电磁搅拌技术有一个固有缺点，即电磁感应的集肤效应：在高频率下搅拌器内的金属液上产生的感生电流主要聚集在靠近搅拌器内壁的位置，而中心位置的感生电流则很小。电磁场越强，频率越高，集肤层就会越小，这导致搅拌作用仅仅集中在表面的一个很小的薄层，集肤层厚度与半径之比太小，而使中心大面积的金属液搅拌效果很差，从而使得金属液无法获得均匀的搅拌，从心部到边部的合金熔体的温度场和成分场分布不均匀。针对上述问题，北京有色金属研究总院徐骏教授等人开发了新型环缝式电磁搅拌法工艺(中国专利200810116181.9)。环缝式电磁搅拌技术的创新在于：将施加电磁和缝隙式搅拌巧妙结合，减小了搅拌室的径向面积、增加了轴向面积和内置冷却系统。一方面使剪切强度大幅度的提高，搅拌更加均匀；另一方面加大了熔体的散热面积，减小了熔体的温度差。其目的是获得均匀的温度场和成分场，实现强制均匀凝固，进而获得细小均匀的凝固组织。

但由于电磁搅拌的固有特性，电磁力在熔体中是按周向分布的，熔体的流动也是以层流为主，沿周向运动，这就不可避免的产生了沿径向分布的温度梯度和成分梯度。熔体的剪切强度是熔体流速沿半径方向的变化率，由于受传统电磁搅拌的熔体沿径向分布的速度差异较小，且方向相同，所以熔体的剪切强度较小。同时由于电磁搅拌设备温度控制比较难，所以熔体的温度较难精确控制。而且合金内部的氧化夹杂及气孔等缺陷对合金的最终的使用性能也有极为重要的影响。对于已知的电磁搅拌熔体处理设备中，如何去掉熔体内氧化夹杂和气体也是一个比较繁琐的难题。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的是提供一种新型电磁搅拌高剪切熔体处理及自动净化的装置。该装置充分利用了电磁搅拌的集肤效应，同时通过搅拌腔体结构的巧妙设计，熔体流动呈现紊流状态，使熔体受到搅拌更加均匀，温度场和成分场在整个熔体体积内分布更加均匀，熔体的剪切强度明显增加。同时增加了熔体的自动除气除渣功能。

一种电磁搅拌高剪切熔体处理及自动净化的装置，该装置主要由坩埚、电磁搅拌器、熔体处理腔体和温控装置组成。在该装置中，核心装置为熔体处理腔体和温控装置。所述的熔体处理腔体主要由腔体外壳、扇叶、中间芯棒、除气装置和除渣装置组成，所述的坩埚由机械控制装置控制可移入或移出熔体处理腔体。

温度控制装置包括油道和进油口，所述的油道设置于熔体处理腔体外壳、扇叶和中间芯棒的内部，通过进油口通入可以控温的油来控制熔体处理腔体的温度。

所述的扇叶包括外扇叶和内扇叶，分别有四个。所述的外扇叶的上端与腔体外壳顶部连接，四个外扇叶相隔90°均匀分布；外扇叶与腔体外壳留有一定宽的缝隙，以便坩埚进入，且外扇叶面与通过该扇叶靠近腔体外壳的边的圆柱形熔体处理腔体轴截面之间的角度为30～60°。所述的内扇叶的上端与腔体外壳顶部连接，且内扇叶与中间芯棒接触，四个内扇叶相隔90°均匀分布；内扇叶面与通过该扇叶接触中间芯棒的边的圆柱形熔体处理腔体轴截面之间的角度为120～150°。且两个相邻的通过内扇叶接触中间芯棒的边与外扇叶靠近腔体外壳的边的圆柱形熔体处理腔体轴截面之间的夹角为45°。熔体的流动形式主要由芯棒和扇叶特有的结构来控制，实现熔体在整个体积内的紊流，实现熔体的强剪切。

所述的除气装置由设置于中间芯棒的气道、进气口和除气孔组成，熔体自动除气功能主要由芯棒中设置的气道和除气孔来实现。

所述的除渣装置为设置于中间芯棒底部的过滤网，熔体自动除渣功能主要由芯棒底部设置的过滤网来实现。