本发明属于金属材料加工领域，特别涉及一种大体积高合金化铝合金熔体处理装置及方法。
背景技术：
铝合金以其优良的特性成为航空航天、轨道交通以及汽车等行业首选的轻量化结构材料，用量很大。随着制造业装备能力的提升，大型运输火箭、高性能战机、高速列车、新能源汽车等高端装备要求的铝合金性能越来越多样化，综合使用性能也越来越高，而铝合金性能的提高必然伴随着特殊合金元素的加入以及主元素含量的提升。高合金化铝合金材料制备过程中总是伴随着合金元素成分偏析、易开裂、组织不均匀等问题，尤其对于大体积熔体凝固成型而言问题更加突出，因此大体积高合金化铝合金材料对冶金质量要求十分严格。国内常用的铝合金熔体处理手段很难满足高合金化铝合金对冶金质量的要求，相关合金不得不依赖进口。
大体积高合金化铝合金材料制备困难的主要原因是熔体中合金元素分布均匀性控制难、成分偏析带来的氧化夹杂物以及氢含量的控制难、大体积熔体温度均匀性控制难等三个方面。传统的熔体处理方法仅是在合金材料制备前或制备过程中采用一定的除气和过滤手段对铝合金中夹杂物含量和氢含量进行控制，无法从根本上满足高合金化铝合金对熔体冶金质量的要求。
为了提高铝合金熔体冶金质量，许多国内外学者都进行了长期的研究。美国铝业公司开发的alcoa469方法和美国联合碳化物公司开发的旋转喷出惰性气体浮游法都是利用氢在铝熔体和气泡中的分压差使铝熔体中的氢上浮并逸出，从而达到除氢的目的，但并没有涉及关键的熔体成分场和温度场的均匀性。中国专利cn00127937和cn200510026593提出的铝合金熔体净化的方法，主要侧重于对合金熔体中氧化物和夹渣物的过滤，在降低熔体氢含量的同时减少夹渣物的含量及尺寸，同样没有涉及关键的熔体成分场和温度场的均匀性。上述熔体处理方法对普通低合金化铝合金熔体净化具有一定的作用，但对于改善大体积高合金化铝合金熔体质量，其作用就十分微弱了。
技术实现要素：
针对以上问题，本发明的目的是提供一种大体积高合金化铝合金熔体处理装置及方法。该装置和方法充分利用了复合式电磁场具有的能量高密度性和清洁性以及 优越的响应性和可控性，同时通过多维度机械紊流器的巧妙设计，熔体流动呈现出宏观对流和局部紊流共存的状态，使熔体受到的搅拌作用更加充分，从而温度场和成分场在整个熔体体积内分布更加均匀；同时紊流系统中惰性气体的通入增加了熔体的除气除渣功能。
一种大体积高合金化铝合金熔体处理装置，该装置主要由熔体处理坩埚、复合式电磁模块、多维度机械紊流器及温控单元组成，所述的复合式电磁模块安装在熔体处理坩埚的底部和外围，所述的多维度机械紊流器安装在熔体处理坩埚内，所述的温控单元安装在熔体处理坩埚的顶部和底部。
在该装置中，核心装置为复合式电磁模块、多维度机械紊流器和温控单元。复合式电磁模块主要由底部磁场发生器和周向磁场发生器组成，所述的底部磁场发生器和周向磁场发生器分别安装在熔体处理坩埚的底部和外围；多维度机械紊流器主要由可移动通道杆、紊流转子和送气系统组成，所述的紊流转子安装在可移动通道杆上；温控单元主要由顶部温控系统、底部温控系统和温度检测调节系统构成。
顶部温控系统为硅碳棒加热装置，通过硅碳棒实现顶部加热，所述的硅碳棒安装在熔体处理坩埚的顶部温控盖中；底部温控系统为热电阻加热装置，以高效热电阻为热源；温度检测调节系统包括温度传感器和温控plc模块，与顶部温控系统和底部温控系统相连接，通过温度检测调节系统实时监测和调节坩埚内熔体温度，温控单元通过调节坩埚顶部硅碳棒和底部热电阻内的电流量精确控制合金熔体温度。
复合式电磁模块中，底部磁场发生器为行波磁场发生器或者脉冲磁场发生器；周向磁场发生器为垂直旋转磁场发生器或者水平旋转磁场发生器。
可移动通道杆内部为中空，所述的紊流转子上设置气孔，送气系统通过可移动通道杆的内部和紊流转子上的气孔送气，将惰性气体通入熔体内部，实现熔体的除气除渣。可移动通道杆安装在熔体处理坩埚的上方，与炉体外围机械装置相连接，可实现自转和水平移动。多维度机械紊流器可以是一套或者多套，运行过程中自身旋转同时也可以按固定轨迹平移，紊流转子可以有多种设计结构。
大体积熔体处理坩埚的容量为500～5000kg，坩埚形状为六面体形或者圆柱体形。大体积熔体处理坩埚与自动机械系统相连接，由自动机械系统控制熔体处理坩埚的移动和其他动作。
在熔体处理坩埚内壁的上部设有除渣装置，用于过滤漂浮于熔体表面的氧化物及夹杂物等。
熔体的流动形式主要由复合式电磁模块和多维度机械紊流器来控制，实现处理过程中合金熔体表面稳定条件下宏观对流与局部紊流同时作用的状态。
基于上述装置，本发明提出一种大体积高合金化铝合金熔体处理的方法，包括如下步骤：通过温控单元调节熔体处理坩埚内铝合金熔体的处理温度，待温度达到所需要求后，同时开启底部和周向的磁场发生器进行立体化复合式电磁处理，然后将预热的机械紊流器旋入熔体，机械紊流器旋入熔体的速度优选为50～100r/min，旋入熔体的深度优选为距坩埚底部10～20cm位置，使其在熔体处理坩埚内自转的同时按预设轨迹进行平移，同时通入惰性气体对合金熔体进行除气除渣处理；通过复合式高密度磁场和多维度机械紊流促使合金熔体处于表面稳定条件下宏观对流与局部紊流同时作用的状态，使得熔体整个体积范围内具有均匀的温度场和成分场；待处理完成，使用机械除渣装置过滤出漂浮于熔体表面的氧化物及夹杂物，再将熔体通过连铸、压力铸造或其他方式进行成型。
与现有技术相比，本发明的优点：
(1)与传统的熔体处理方式相比，由于本发明采用了底部和周向的复合式电磁处理，使熔体产生强烈扰动，同时辅以多维度机械紊流器的作用可以使熔体宏观和局部层面均产生规律性对流，使搅拌作用更加充分，熔体温度场和成分场不会沿各维度存在梯度，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，最终制备出高品质铝合金材料。
(2)与传统的在线处理相比，由于双加热体系的引入，使熔体处理坩埚内温度控制更加精确，可有效保障浇注温度稳定；同时机械紊流器加强熔体对流的同时还能不卷入新的气体，而且在熔体处理过程中实现自动除气除渣，提高了熔体处理效率，节约成本。
(3)可以有效解决合金元素总质量超过5％或合金元素原子量与铝原子差异较大的高合金化铝合金熔体存在的成分偏析问题，大大降低了后续产品的制备难度。
附图说明
图1是大体积高合金化铝合金熔体处理装置示意图。
主要附图标记说明：
1熔体处理坩埚2顶部温控盖
3硅碳棒4可移动通道杆
5合金熔体6除渣装置
7周向磁场发生器8热电阻
9底部磁场发生器10紊流转子
具体实施方式
如图1所示，本发明的大体积高合金化铝合金熔体处理装置，主要由大体积熔 体处理坩埚1、复合式电磁模块、多维度机械紊流器及温控单元组成，复合式电磁模块安装在熔体处理坩埚1的底部和外围(周围)，多维度机械紊流器安装在熔体处理坩埚1内部，温控单元安装在熔体处理坩埚1的顶部和底部。
在该装置中，复合式电磁模块主要由底部磁场发生器9和周向磁场发生器7组成；底部磁场发生器9和周向磁场发生器7分别安装在熔体处理坩埚1的底部和外围；底部磁场发生器9为行波磁场发生器或者脉冲磁场发生器；周向磁场发生器7为垂直旋转磁场发生器或者水平旋转磁场发生器。
多维度机械紊流器主要由可移动通道杆4、紊流转子10和送气系统组成；紊流转子10安装在可移动通道杆4上，可移动通道杆4安装在熔体处理坩埚1的上方，通过控制装置进行自转和水平移动；可移动通道杆4内部为中空结构，紊流转子10上设置气孔，送气系统通过可移动通道杆4的内部和紊流转子10上的气孔送气，熔体的除气除渣功能由送气系统通入的惰性气体来实现的。多维度机械紊流器可以是一套或者多套，运行过程中自身旋转同时也可以按固定轨迹平移，紊流转子10可以有多种设计结构。
温控单元主要由顶部温控系统、底部温控系统和温度检测调节系统构成。顶部温控系统为硅碳棒3加热，通过硅碳棒3实现顶部加热，硅碳棒3安装在熔体处理坩埚1的顶部温控盖2中；底部温控系统为热电阻8加热，以高效热电阻8为热源，热电阻8位于熔体处理坩埚1的底部。温度检测调节系统包括温度传感器和温控plc模块，与顶部温控系统和底部温控系统相连接。通过温控单元实时监测坩埚内熔体温度，温控单元通过调节坩埚顶部硅碳棒3和底部热电阻8内的电流量精确控制合金熔体5温度。
大体积熔体处理坩埚1铝合金熔体容量为500～5000kg，坩埚立体结构可以为六面体形或者圆柱体形。大体积熔体处理坩埚1动作由自动机械系统控制。
除渣装置6设置于熔体处理坩埚1内壁的上部，用于过滤漂浮于熔体表面的氧化物及夹杂物等。
采用本发明的装置处理铝合金熔体时，先将熔化后的铝合金浇入熔体处理坩埚1内，通过温控装置调节顶部温控盖2中硅碳棒3和底部热电阻8内的电流量来精确控制处理腔内合金熔体5的温度；当合金熔体5达到所需温度后同时开启坩埚底部磁场发生器9和周向磁场发生器7，然后将预热到一定温度的一套或多套机械紊流装置，包括可移动通道杆4和紊流转子10，旋入合金熔体5内，当转子到达一定深度后保持固定转速的同时在处理腔内按预设轨迹进行平移，同时通入惰性气体对合金熔体5进行处理；通过复合式高密度磁场和多维度机械紊流促使合金熔体5产 生特殊的流动规律，实现大体积熔体宏观和局部同时作用，获得熔体整个体积范围内均匀的温度场和成分场；熔体处理完成后通过机械除渣装置6取出表层氧化渣及夹杂物，将处理后的合金熔体5通过半连续铸造、压力铸造或其它方式进行成型。
实施例1
采用方形大体积高合金化铝合金熔体装置处理2000kg7055超高强铝合金熔体，处理完的熔体通过半连续铸造制备出φ582规格的细晶均质铸锭。
首先将熔化后的7055合金熔体在770～790℃内浇入矩形熔体处理腔内，通过温控装置实时监测坩埚内熔体温度，通过调节顶部硅碳棒3和底部热电阻8内的电流量，即加热和保温时间来精确控制处理腔内7055合金熔体的温度；当合金熔体5达到755～760℃后同时开启腔体底部行波磁场发生器和腔体周向垂直旋转磁场发生器，磁场电流为200a，频率为10hz；然后将3套机械紊流装置中高纯石墨可移动通道杆4和紊流转子10预热到700℃再以50～100r/min的速度旋入合金熔体5内，当转子到达距腔体底部100～120mm深度后保持320r/min固定转速，同时在处理腔内按预设矩形波轨迹进行平移，遍历熔体水平面；熔体处理完成后通过机械除渣装置取出表层氧化渣及夹杂物，将处理后的7055合金熔体通过半连续铸造进行φ582规格合金铸锭制备。
得到2000kg7055合金760℃熔体氢含量在0.055ml/100g，远远超出国家标准要求水平；同时φ582规格铸锭组织细小均匀，从边部至心部晶粒尺寸偏差小于8％，平均晶粒尺寸较无实施熔体处理减小了50％，铸锭的成分偏析大大减少，合金元素含量偏差小于5％。
实施例2
采用圆柱形大体积高合金化铝合金熔体装置处理1000kg低压铸造用zl101a-1合金熔体，处理完的熔体通过低压铸造制备出22英寸规格汽车轮毂。
首先将熔化后的zl101a-1合金熔体在750～760℃内浇入圆柱形熔体处理腔内，通过温控装置实时监测坩埚内熔体温度，通过调节顶部硅碳棒3和底部热电阻8内的电流量，即加热和保温时间来精确控制处理腔内zl101a-1合金熔体的温度；当合金熔体5达到740～750℃后同时开启腔体底部脉冲磁场发生器和腔体周向垂直旋转磁场发生器，磁场电流为150a，频率为20hz；然后将2套机械紊流装置中高纯石墨可移动通道杆和紊流转子预热到700℃再以50～100r/min的速度旋入合金熔体5内，当转子到达距腔体底部180～200mm深度后保持260r/min固定转速，同时在处理腔内按预设圆周轨迹进行平移，遍历熔体水平面；熔体处理完成后通过机械除渣装置取出表层氧化渣及夹杂物，将处理后的合金熔体5在4h内通过低压铸造 进行22英寸规格zl101a-1合金汽车轮毂制备。
处理后的1000kgzl101a-1合金750℃熔体氢含量在0.090ml/100g，远远高出国家标准要求水平；同时22英寸规格铝合金轮毂铸坯表面整洁，与普通处理方式相比霉斑、轻微裂纹及外来夹杂物等缺陷消失，针孔度远小于jb/t7946.3规定的二级，铸态力学性能得到提高，屈服强度达240mpa，抗拉强度达320mpa，延伸率为9％。
本发明在实时温度监控系统下，温控单元通过调节顶部硅碳棒和底部热电阻内的电流量精确控制合金熔体温度；同时在立体式复合电磁模块作用下，充分利用电磁能量的高密度性，在熔体中产生强烈的扰动，促进合金熔体成分场和温度场的均匀性；再通过水平移动过程中紊流转子的高速旋转，保证熔体表面稳定条件下实现整体宏观对流与局部微观紊流同时耦合作用，减小熔体温度场和成分场在各维度的梯度，精确控制熔体凝固组织，最终制备得到组织细小成分均匀的大规格高合金化铝合金铸锭或铸件；而且机械紊流器留有惰性气体作用通道，在熔体处理过程实现自动除气除渣，提高熔体处理效率，节约成本。