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。
技术实现要素：
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。所述的熔体处理腔体为下面开口的圆柱形结构，熔体处理腔体顶部设有进料口。所述的电磁搅拌器设置于熔体处理腔体的外侧。本发明还提供了一种新型电磁搅拌高剪切熔体处理及自动净化的方法。一种电磁搅拌高剪切熔体处理及自动净化的方法，包括如下步骤：(1)通过温控装置调节油道内油的温度来控制熔体处理腔体的温度，待达到预定温度后，将预热到一定温度的坩埚通过机械控制装置放入到熔体处理腔体中；(2)通入除气气体，之后通过进料口浇入金属熔体，开动电磁搅拌器，对坩埚内的金属熔体进行处理，处理完成后，通过机械控制装置取出坩埚。将处理后的金属熔体浇入到成型模具，进行压铸、挤压铸造或其他成型方式。与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)与传统的电磁搅拌相比，由于本发明搅拌腔体结构的特殊设计，可以充分利用电磁搅拌的集肤效应，对熔体进行强剪切处理，可以使熔体产生紊流，使搅拌更加均匀，熔体温度场和成分场不会存在沿径向分布的梯度，最终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。(2)与传统的电磁搅拌相比，由于油道的设置，使搅拌腔体温度控制更加精确，同时加入了除气装置和除渣装置，可以在熔体处理后实现自动除气除渣，省略人工除气除渣，提高熔体处理效率，节约成本。通过本发明处理的金属熔体成型零件组织细小、均匀，性能大大提高。附图说明图1-1至图1-2为电磁搅拌高剪切熔体处理及自动净化的装置示意图，其中，图1-1：熔体处理及自动净化的装置；图1-2：搅拌腔体主要结构。图2-1至图2-4为电磁搅拌高剪切熔体处理及自动净化的装置及成型示意图，其中图2-1：熔体处理；图2-2：处理完毕；图2-3：熔体注入成型腔；图2-4：压铸成型。图3-1至图3-3为合金熔体不同处理方式的流动状态模拟图，其中，图3-1：普通电磁搅拌装置；图3-2：环缝式电磁搅拌装置；图3-3：本发明电磁搅拌高剪切熔体处理及自动净化的装置。主要附图标记：1坩埚2电磁搅拌器3(熔体处理)腔体外壳4油道5中间芯棒6扇叶7进油口8进气口9除气孔10过滤网11进料口12机械控制装置13金属熔体14通气管(气道)具体实施方式如图1-1和图1-2所示，本发明的电磁搅拌高剪切熔体处理及自动净化的装置，主要由坩埚1、电磁搅拌器2、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。熔体处理腔体主要由腔体外壳3、扇叶6、中间芯棒5、除气装置和除渣装置组成，坩埚1由自动机械控制装置12控制可移入或移出熔体处理腔体。温度控制装置包括油道4和进油口7，油道4设置于熔体处理腔体外壳3内部上，在中间芯棒5内部和扇叶6上也设置油道4。温度控制通过在熔体处理腔体内部增加油道4，通入可以控温的油来进行搅拌腔体的温度控制，精确控制熔体温度。扇叶6包括外扇叶和内扇叶，分别有四个。外扇叶的上端与腔体外壳3顶部连接，四个外扇叶相隔90°均匀分布；外扇叶与腔体外壳3留有一定宽的缝隙，以便坩埚1进入，且外扇叶面与通过该扇叶靠近腔体外壳3的边的圆柱形熔体处理腔体轴截面之间的角度为30～60°。内扇叶的上端与腔体外壳3顶部连接，且内扇叶与中间芯棒5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5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5的边与外扇叶靠近腔体外壳3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中间芯棒5和扇叶6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。除气装置由设置于中间芯棒5的通气管(气道)14、进气口8和除气孔9组成，熔体自动除气功能主要由芯棒中设置的通气管14和除气孔9来实现。除渣装置为设置于中间芯棒5底部的过滤网10，熔体自动除渣功能主要由芯棒底部设置的过滤网来实现。熔体处理腔体为下面开口的圆柱形结构，熔体处理腔体顶部设有进料口11。电磁搅拌器2设置于熔体处理腔体的外侧。如图2-1至图2-4所示，为本发明电磁搅拌高剪切熔体处理及自动净化的装置及成型示意图。其中图2-1：熔体处理；图2-2：处理完毕；图2-3：熔体注入成型腔；图2-4：压铸成型。通过温控装置调节油温，并通过进油口7将高温油通入到腔体外壳3、中间芯棒5和扇叶6的油道4内，控制熔体处理腔体在一定温度，待腔体温度调节到预定温度后，将预热到一定温度的坩埚1通过机械控制装置12放入到处理腔体中。通过进气口8通入除气气体，并经过气道14从芯棒底部的除气孔9流出对后续浇入熔体进行除气。将金属熔体13通过进料口11浇入到熔体处理腔内。启动电磁搅拌器2对合金进行处理，通过中间芯棒5和扇叶6的特殊形状促使合金熔体产生特殊的流动规律，实现熔体强剪切，获得整个熔体体积范围内均匀的温度场和成分场。待合金熔体温度降到一定温度，处理完毕。将坩埚1通过机械控制装置12取出，表层的氧化渣及存在于熔体内部较大的夹杂物被除渣装置10去除，将处理后的合金熔体浇入到压铸机压室内进行压铸成型。得到的零件组织细小均匀，凝固缺陷很少，力学性能得到有效的提高。图3-1至图3-3为普通电磁搅拌、环缝式电磁搅拌装置及本发明新型电磁搅拌高剪切熔体处理及自动净化的装置处理下，合金熔体的流动状态模拟图。实施例1采用该电磁搅拌高剪切熔体处理及自动净化的装置处理7075高强变形铝合金熔体，处理后的熔体进行压铸成型，实现了高强变形铝合金的压铸成型，该压铸件还可进行后续热处理。首先将7075高强铝合金在电阻炉内熔化，并于750℃保温2h。通过进油口7将温度控制为500℃的高温油通入到腔体外壳3、中间芯棒5和扇叶6的油道4内，使熔体处理腔体温度控制在400℃。同时通过进气口8通入除气气体Ar气体，并从芯棒底部的除气孔9流出对后续浇入熔体进行除气。将合金熔体13通过进料口11浇入到熔体处理腔内，启动电磁搅拌器2对合金进行处理。搅拌电流为20A，搅拌频率为50HZ。待合金熔体温度降到650℃，处理完毕。将坩埚1通过机械控制装置12取出，将处理后的合金熔体浇入到压铸机压室内进行压铸成型。得到的零件组织细小均匀，晶粒尺寸缩小为普通压铸的40％，化学成分偏析大大减少，凝固缺陷很少，力学性能得到有效的提高，约为普通压铸零件的120％。实施例2采用该电磁搅拌高剪切熔体处理及自动净化的装置处理A357铝合金熔体，处理后的熔体压铸成型，实现了高硅铝合金的压铸成型。首先将A357铝合金在电阻炉内熔化，并于750℃保温2h。通过进油口7将温度控制为500℃的高温油通入到腔体外壳3、中间芯棒5和扇叶6的油道4内，使熔体处理腔体温度控制在400℃。同时通过进气口8通入除气气体Ar气体，并从芯棒底部的除气孔9流出对后续浇入熔体进行除气。将合金熔体13通过进料口11浇入到熔体处理腔内，启动电磁搅拌器2对合金进行处理。搅拌电流为20A，搅拌频率为50HZ。待合金熔体温度降到620℃，处理完毕。将坩埚1通过机械控制装置12取出，将处理后的合金熔体浇入到压铸机压室内进行压铸成型。得到的零件组织细小、均匀、圆整，尺寸缩小为普通压铸的41％，力学性能得到有效的提高，约为普通压铸零件的125％。实施例3采用该电磁搅拌高剪切熔体处理及自动净化的装置处理Al-5％Cu合金熔体，处理后的熔体压铸成型。首先将Al-5％Cu合金在电阻炉内熔化，并于800℃保温2h。通过进油口7将温度控制为500℃的高温油通入到腔体外壳3、中间芯棒5和扇叶6的油道4内，使熔体处理腔体温度控制在400℃。同时通过进气口8通入除气气体Ar气体，并从芯棒底部的除气孔9流出对后续浇入熔体进行除气。将合金熔体13通过进料口11浇入到熔体处理腔内，启动电磁搅拌器2对合金进行处理。搅拌电流为20A，搅拌频率为50HZ。待合金熔体温度降到670℃，处理完毕。将坩埚1通过机械控制装置12取出，将处理后的合金熔体浇入到压铸机压室内进行压铸成型。得到的零件组织细小均匀，晶粒组织以等轴晶为主，晶粒尺寸缩小为普通压铸的37％，力学性能得到有效的提高，约为普通压铸零件的123％。实施例4采用该电磁搅拌高剪切熔体处理及自动净化的装置处理A390铝合金熔体，处理后的熔体压铸成型。首先将A390铝合金在电阻炉内熔化，并于750℃保温2h。通过进油口7将温度控制为500℃的高温油通入到腔体外壳3、中间芯棒5和扇叶6的油道4内，使熔体处理腔体温度控制在400℃。同时通过进气口8通入除气气体Ar气体，并从芯棒底部的除气孔9流出对后续浇入熔体进行除气。将合金熔体13通过进料口11浇入到熔体处理腔内，启动电磁搅拌器2对合金进行处理。搅拌电流为20A，搅拌频率为50HZ。待合金熔体温度降到655℃，处理完毕。将坩埚1通过机械控制装置12取出，将处理后的合金熔体浇入到压铸机压室内进行压铸成型。得到的零件初生硅组织细小，在整个截面内分布均匀，初生硅尺寸缩小为普通压铸的20％，力学性能得到有效的提高。本发明通过温控装置调节油道内油的温度来精确控制处理腔体装置的最终温度，进而精确控制合金熔体温度；同时由于搅拌腔体结构的特殊设计，充分利用电磁搅拌的集肤效应，对熔体进行强剪切，可以使熔体产生紊流，使搅拌更加均匀，熔体温度场和成分场不会存在径向的梯度，最终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；而且加入了除气装置和除渣装置，可以在熔体处理后实现自动除气除渣，省略人工除气除渣，提高熔体处理效率，节约成本，通过本发明处理的金属熔体成型零件组织细小、均匀，性能大大提高。