本发明属于金属材料加工技术领域，涉及一种多场耦合细化金属凝固组织的装置及其细化工艺。
背景技术：
在现有金属材料加工技术领域，理想的金属凝固组织是具有均匀、细小的等轴晶，等轴晶各向异性小，加工时变形均匀、性能优异、塑性好，利于铸造及随后的加工。要得到这种组织，通常需要对金属熔体进行细化处理。1932年dreyfus博士从法拉第的电磁感应原理中发现，低速移动着的感应磁场能在钢水中产生强力的搅拌作用，并应用到金属熔体处理中；1990年，mnakada等首次使用脉冲电流作用于合金的凝固过程，凝固组织得到细化。麻省理工大学flemings教授等人对金属液进行机械搅拌制备出具有近球状结构的凝固组织。近年来，金属凝固组织细化技术发展迅速，处理手段不断增加，其研究和工业应用也受到广泛关注，并引起了人们的高度重视。
目前金属凝固组织细化处理方法主要有：电阻加热法、磁场处理法、机械搅拌法、超声波振动法、过流冷却法、脉冲电流处理法、变质处理法等，现有处理方法中存在着处理技术单一，或处理流程长，或细化效果差，或处理过程不连续，或引入杂质元素等问题，无法高效获得良好凝固组织和提高熔体质量。例如：电阻加热法需要将金属重熔，通过热传导形式进行，加热速度慢；过流冷却法处理流程长，且在结晶过程中由于激冷效应容易造成组织细化不均匀；变质处理法加入细化剂或变质剂，会引入杂质元素，对金属熔体成分产生影响。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明为了解决现有金属熔体细化处理技术单一的问题，提供一种多场耦合细化金属凝固组织的装置以及简化浇铸的金属凝固组织细化工艺。
为达到上述目的，本发明提供一种多场耦合细化金属凝固组织的装置，包括基座和安装在基座上的结晶器，结晶器内盛装金属熔体，结晶器外围的基座上从内到外依次安装有开口状的冷却罩、绝缘罩、密封罩和导柱，冷却罩外缠绕有感应线圈，冷却罩的上部可拆卸安装有横向的支架，导柱上滑动安装有绝缘体材质的密封盖，密封盖的中部上方安装有电动机，密封盖的中部下方安装有与电动机相连的搅拌杆，电动机外侧的密封盖上安装有穿设在支架上的电极和热电偶，冷却罩下部开设有进气孔，密封盖上开设有出气孔。
进一步，还包括分别与电极、热电偶、电动机和感应线圈通过导线连接的脉冲电源、温度记录仪、转速控制仪和感应加热仪。
进一步，还包括脉冲电源、温度记录仪、转速控制仪和感应加热仪，脉冲电源通过第二导线与电极相连，温度记录仪通过补偿导线与热电偶相连，转速控制仪通过第一导线与电动机相连，感应加热仪通过补偿线圈与感应线圈相连。
进一步，冷却罩内设有冷却水孔，冷却罩上端的冷却水孔为进水孔，冷却罩下端的冷却水孔为出水孔。
进一步，冷却罩上的支架位置可调，电极和热电偶卡设在支架上。
进一步，基座的中部装配有升降器，结晶器安装在升降器上。
一种多场耦合金属凝固组织的细化工艺，包括如下步骤：
a、将金属熔体装入安装在升降器上的结晶器中，升降器通过基座升入冷却罩中，使得结晶器与冷却罩紧密配合，将安装在密封盖上的电极和热电偶，通过支架进行定位，调整电极、热电偶和电动机位置，使得密封盖通过导柱的下降与密封罩紧密配合，然后从冷却罩下方的进气孔通入保护气体，从密封盖上的出气孔排出气体；
b、打开感应加热仪，通过感应线圈产生热偶效应对金属熔体加热，通过温度记录仪记录热电偶检测的金属熔体温度，待金属熔体熔化后，下降电动机上的搅拌杆，同时打开转速控制仪对金属熔体进行机械搅拌，将电极下降，打开脉冲电源，向金属熔体中通入脉冲电流，通过脉冲电源、转速控制仪和感应加热仪调整脉冲电流大小，搅拌杆搅拌速度，感应线圈加热速度，进行电场、力场、热场、磁场耦合共同作用于金属熔体，促进形核，破碎枝晶，细化晶粒；
c、金属熔体细化结束后，关闭脉冲电源、转速控制仪和感应加热仪，上升密封盖上的搅拌杆、电极和热电偶，由进水孔和出水孔进行冷却水循环，待金属组织凝固后关闭温度记录仪，继续上升密封盖，下降升降台，取下结晶器，得到细化的金属凝固组织。
本发明的有益效果在于：
1、本发明多场耦合细化金属凝固组织的装置，通过感应线圈产生热偶效应对金属熔体加热，通过温度记录仪记录热电偶检测的金属熔体温度，待金属熔体熔化后，下降电动机上的搅拌杆，同时打开转速控制仪对金属熔体进行机械搅拌，将电极下降，打开脉冲电源，向金属熔体中通入脉冲电流，通过脉冲电源、转速控制仪和感应加热仪调整脉冲电流大小，搅拌杆搅拌速度，感应线圈加热速度，进行电场、力场、热场、磁场多场耦合且共同作用于金属熔体，促进形核，破碎枝晶，细化晶粒，该多场耦合细化金属凝固组织的装置结构高度集成，优化了金属熔体处理过程，缩短了处理时间，节约了成本，同时解决了现有金属熔体细化处理技术单一的问题。
2、本发明多场耦合细化金属凝固组织的装置，在细化金属凝固组织时，能够对金属熔体处理过程的电流、温度、搅拌速度和磁场强度进行控制，参数可以调节，可根据具体条件合理选择参数，高效地实现金属凝固组织的细化，增强金属凝固组织的细化效果。
3、本发明多场耦合细化金属凝固组织的装置，适用于不同的金属和合金组织细化，使用范围广，在电场、热场、力场和磁场的多场耦合中共同作用于金属熔体，并进行实时调控，缩短了处理时间，增强了过程可控性。
4、本发明多场耦合细化金属凝固组织的装置，可通过惰性气体保护和冷却水循环，且密闭性好，有效避免金属熔体高温氧化，并且可根据加工需要控制熔体冷却速度。
5、本发明多场耦合细化金属凝固组织的装置，可快速进行金属的熔炼、保温、结晶、转移和再加工，简化了浇铸和细化流程，优化了处理工艺，成本较低。
6、本发明多场耦合细化金属凝固组织的装置的特点是结构集成度高，参数控制精度高，操作简单，稳定性好，处理效率高。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明多场耦合细化金属凝固组织的装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
说明书附图中的附图标记包括：
脉冲电源1、温度记录仪2、转速控制仪3、感应加热仪4、补偿线圈5、基座6、进气孔7、升降器8、结晶器9、金属熔体10、冷却罩11、出水孔12、绝缘罩13、密封罩14、感应线圈15、搅拌杆16、电极17、进水孔18、支架19、热电偶20、导柱21、出气孔22、电动机23、密封盖24、第一导线25、补偿导线26、第二导线27。
如图1所示的多场耦合细化金属凝固组织的装置，包括基座6和安装在基座6上的结晶器9，基座6的中部装配有升降器8，结晶器9安装在升降器8上。金属熔体10或合金原料装入结晶器9中，将结晶器9安装在升降器8上，由升降器8通过基座6升入冷却罩11中，升降器8固定结晶器9的部分与冷却罩11紧密配合。
结晶器9外围的基座6上从内到外依次安装开口状的冷却罩11、绝缘罩13、密封罩14和导柱21，冷却罩11外缠绕感应线圈15，冷却罩11的上部通过螺栓可拆卸安装横向的支架19，支架19为绝缘体且位置可调，并可升降，支架19上固定电极17和热电偶20，测温范围为25～1700℃。导柱21上滑动装配绝缘体材质的密封盖24，密封盖24可以沿着导柱21升降，电极17、热电偶20和电动机23安装在密封盖24上，亦可升降。密封盖24的中部上方安装电动机23，密封盖24的中部下方安装与电动机23相连的搅拌杆16，脉冲电源1通过第二导线27与电极17相连，温度记录仪2通过补偿导线26与热电偶20相连，转速控制仪3通过第一导线25与电动机23相连，感应加热仪4通过补偿线圈5与感应线圈15相连，进而构成回路。脉冲电源1、温度记录仪2、转速控制仪3和感应加热仪4，分别控制电极17、热电偶20、电动机23和感应线圈15，可单独或同时使用，从而在金属熔体10的处理过程中进行电流、温度、搅拌速度和磁场强度的实时控制。
冷却罩11下部开设进气孔7，密封盖24上开设出气孔22，进气孔7和出气孔22分别通入和排出保护气体，防止金属熔体10氧化。冷却罩11内设有冷却水孔，冷却罩11上端的冷却水孔为进水孔18，冷却罩11下端的冷却水孔为出水孔12，通过进水孔18和出水孔12进行冷却水循环，从而控制结晶器9内金属熔体10的冷却速度。
一种多场耦合金属凝固组织的细化工艺，包括如下步骤：
a、将金属熔体10装入安装在升降器8上的结晶器9中，升降器8通过基座6升入冷却罩11中，使得结晶器9与冷却罩11紧密配合，将安装在密封盖24上的电极17和热电偶20，通过支架19进行定位，调整电极17、热电偶20和电动机23位置，使得密封盖24通过导柱21的下降与密封罩14紧密配合，然后从冷却罩11下方的进气孔7通入保护气体，从密封盖24上的出气孔22排出气体，防止金属熔体10氧化；
b、打开感应加热仪4，通过感应线圈15产生热偶效应对金属熔体10加热，通过温度记录仪2记录热电偶20检测的金属熔体10温度，待金属熔体10熔化后，下降电动机23上的搅拌杆16，同时打开转速控制仪3对金属熔体10进行机械搅拌，将电极17下降，打开脉冲电源1，向金属熔体10中通入脉冲电流，通过脉冲电源1、转速控制仪3和感应加热仪4调整脉冲电流大小，搅拌杆16搅拌速度，感应线圈15加热速度，进行电场、力场、热场、磁场耦合共同作用于金属熔体10，促进形核，破碎枝晶，细化晶粒；
c、金属熔体10细化结束后，关闭脉冲电源1、转速控制仪3和感应加热仪4，上升密封盖24上的搅拌杆16、电极17和热电偶20，由进水孔18和出水孔12进行冷却水循环，待金属组织凝固后关闭温度记录仪2，继续上升密封盖24，下降升降台，取下结晶器9，得到细化的金属凝固组织。
实施例1
以细化过共晶高铬铸铁(液相线为1337℃，固相线为1276℃)凝固组织为例，并结合多场耦合细化金属凝固组织的细化工艺作进一步描述：
如图1所示，将过共晶高铬铸铁装入结晶器9中，将结晶器9安装在升降器8上，由升降器8通过基座6升入冷却罩11中，升降器8固定结晶器9的部分与冷却罩11紧密配合；将电极17和热电偶20安装在密封盖24上，通过支架19进行定位或固定，电动机23连接搅拌杆16并安装在上，调整电极17、热电偶20和电动机23位置，密封盖24通过导柱21下降与密封罩14紧密配合，由进气孔7通入氩气，由出气孔22排出气体，处理全程有气体保护；打开感应加热仪4，通过感应线圈15产生热偶效应对过共晶高铬铸铁加热，通过温度记录仪2记录温度，升温至1360℃保温，下降搅拌杆16，打开转速控制仪3进行机械搅拌，下降电极17，打开脉冲电源1通入脉冲电流，分别通过脉冲电源1、转速控制仪3和感应加热仪4调整脉冲电压1400v，频率50hz，脉宽30μs，搅拌速度800r/min，加热功率45hz，进行电场、力场、热场、磁场耦合共同作用于过共晶高铬铸铁，促进形核，破碎枝晶，细化晶粒；处理时间5min，关闭脉冲电源1、转速控制仪3和感应加热仪4，上升搅拌杆16，电极17和热电偶20，由进水孔18和出水孔12进行冷却水循环，待温度降至1100℃后关闭温度记录仪2，上升密封盖24，下降升降台，取下结晶器9，进而得到细化的过共晶高铬铸铁凝固组织。
实施例2
下面以细化cu-10％sn合金(液相线为1021℃，固相线为830℃)为例，并结合多场耦合细化金属凝固组织的细化工艺作进一步描述：
如图1所示，cu-10％sn合金装入结晶器9中，将结晶器9安装在升降器8上，由升降器8通过基座6升入冷却罩11中，升降器8固定结晶器9的部分与冷却罩11紧密配合；将电极17和热电偶20安装在密封盖24上，通过支架19进行定位或固定，电动机23连接搅拌杆16并安装在上，调整电极17、热电偶20和电动机23位置，密封盖24通过导柱21下降与密封罩14紧密配合，由进气孔7通入氩气，由出气孔22排出气体，处理全程有气体保护；打开感应加热仪4，通过感应线圈15产生热偶效应对cu-10％sn合金加热，并熔化，通过温度记录仪2记录温度，待温度至1040℃时保温，下降搅拌杆16和电极17，打开转速控制仪3进行机械搅拌，打开脉冲电源1通入脉冲电流，分别通过脉冲电源1、转速控制仪3和感应加热仪4调整脉冲电压1200v，频率50hz，脉宽100μs，搅拌速度600r/min，加热功率50hz，进行电场、力场、热场、磁场耦合共同作用于cu-10％sn合金，促进形核，破碎枝晶，细化晶粒；处理3min，关闭脉冲电源1、转速控制仪3和感应加热仪4，上升搅拌杆16，电极17和热电偶20，由进水孔18和出水孔12进行冷却水循环，由温度记录仪2实时记录温度，待温度降至750℃后关闭温度记录仪2，上升密封盖24，下降升降台，取下结晶器9，得到细化的cu-10％sn合金凝固组织。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。