一种真空条件下熔炼加声磁耦合连续铸造一体化装置和方法与流程

本发明属于金属材料制备技术领域，涉及一种真空条件下熔炼加声磁耦合连续铸造一体化装置和方法。

背景技术：

根据电磁感应原理，交变磁场产生的电磁力可分解为水平方向的支撑力和垂直方向上的搅拌力，电磁场频率的变化会引起这两个方向电磁力发生改变，从而使其对结晶器内的熔体作用规律出现显著区别：低频磁场可产生较大的搅拌力，熔体内部的电磁搅拌效果明显。但同时也会因其强烈的搅拌作用而导致熔池内熔体波动加剧，金属液体表面容易开裂，对合金浇注过程中的保护造成不利影响。熔液表面的氧化膜也易因强烈的搅拌作用而卷入到熔体中造成氧化夹杂等缺陷。同时，由于电磁支撑力较小，无法有效削弱铸坯与结晶器间的摩擦力，不利于铸锭表面质量的改善。与低频磁场相反，高频磁场下虽然对熔体具有较高的支撑力，但由于搅拌力较弱，对熔体的改善效果不明显，无法达到细化晶粒，改善合金成分偏析的目的。

中频磁场较好地结合了以上两者的优点，既可在有效减少熔融金属与结晶器壁之间摩擦力的基础上，同时对熔体内部进行适当的电磁搅拌作用，达到改善铸锭内部组织的目的。

在铸造金属凝固过程中引入超声波振动，使凝固铸锭晶粒细化、组织均匀、去除气孔、铸件的宏观及微观偏析均得到改善。超声波具有方向性好，穿透力强，易于获得较集中的声能等特点，但其在金属液体中的作用范围较小。在电磁/超声耦合场作用下，电磁场引起的水平和上下的混合流动促使运动单元流经超声影响区域，提高远离超声探头的颗粒团簇的破碎几率，从而减少甚至消除颗粒团簇，提升增强颗粒的均匀分布性，实现电磁场间接扩大了超声场作用范围的目的。

熔炼加铸造一体化均在真空状态下完成，可以有效避免金属熔体在熔炼、浇注等过程中与空气发生反应产生杂质，因此该装置可被广泛地应用于高温合金、钛合金、镁合金、稀土金属以及多组元非晶合金和高熵合金等活泼合金的水平连铸中。

公开号cn101543885介绍了一种块体金属玻璃连续成型装置进行水平连续铸造的方法。该方法采用石墨铸型和水冷铜模为一次主冷却，二次辅冷却采用气体冷却方式，两个真空室存在一定的气压差。该装置具有较大的冷却速度，满足块体金属玻璃材料非晶相变的要求。但是，该方法并没有实现熔炼、铸造过程的一体化，且未对金属熔液进行净化处理，金属熔液存在夹杂物，因此在凝固过程中易产生异质形核现象。

公开号cn101244451介绍了一种施加复合场改善水平连铸铸坯质量的装置。该装置在保温炉底部中心位置设置惰性气体气泡发生装置，同时在保温炉侧部设置行波磁场发生器，在保温炉靠近铸造口处设置功率超声工具头，在结晶器外侧设置约束电磁线圈。但该装置的使用状态不是真空状态，因此不适用于高温合金、以及钛合金、镁合金、稀土金属以及多组元非晶合金和高熵合金等活泼合金的水平连铸。

技术实现要素：

为克服现有生产工艺的不足，本发明提供一种真空条件下熔炼加声磁耦合连续铸造一体化装置和方法，该装置可被广泛地应用于高温合金、钛合金、镁合金、稀土金属以及多组元非晶合金和高熵合金等活泼合金的水平连铸中，可使合金的熔炼、浇注以及电磁/超声耦合场下的连续成型均在真空状态下完成，且得到的合金水平连铸铸件具有表面光洁、成分均匀、组织致密的效果。

本发明的技术方案：

一种真空条件下熔炼加声磁耦合连续铸造一体化装置，包括第一真空室1、第二真空室2、真空控制系统8、补料装置9、超声处理装置10和拉坯装置11；

第一真空室1与第二真空室2间设置密封隔板，密封隔板上设有一用于穿过牵引杆20的通孔；

所述的第一真空室1内安放有熔炼炉3、保温坩埚4、感应线圈5、结晶器6、中频电磁感应线圈7、密封波纹管17、第一热电偶22、金属熔体23、熔炼炉旋杆27和第二热电偶30；熔炼炉3高于保温坩埚4布置，熔炼炉旋杆27控制熔炼炉3将其中的金属熔体23浇注至保温坩埚4中；

熔炼炉旋杆27的一端通过密封轴承固定于第一真空室1的侧壁并伸出第一真空室1外，另一端与熔炼炉3相连，用于固定并倾倒熔炼炉3；保温坩埚4通过托台固定于第一真空室1内；第一热电偶22放置于熔炼炉3内，并伸入金属熔体23中，用于测量金属熔体23的温度；感应线圈5分别包覆于熔炼炉3和保温坩埚4的圆周侧，用于调控熔炼炉3和保温坩埚4中金属熔体23的温度；

结晶器6包括石墨铸型24和水冷铜模25，用于凝固金属熔体23；石墨铸型24的一端与水冷铜模25的一端相连，即二者同轴连接并相通；石墨铸型24的另一端与保温坩埚4相通，保温坩埚4内的金属熔体23在水冷铜模25内形成铸锭，铸锭通过牵引杆20牵引出水冷铜模25；石墨铸型24周向布置有中频电磁感应线圈7，用于为结晶器6内的连铸坯26及铸锭提供支撑力，并为保温坩埚4内的金属熔体23的搅拌力；第二热电偶30放置于石墨铸型24侧壁上，用于测量石墨铸型24温度；

补料装置9包括补料仓15与补料旋杆16，补料仓15气密性地固定于第一真空室1的上表面，位于熔炼炉3正上方，用于储存和向熔炼炉3中添加微量合金元素；补料旋杆16位于补料仓15和熔炼炉3间，通过手柄端控制加入熔炼炉3中微量合金元素的量；

超声处理装置10由密封波纹管17气密性地固定于第一真空室1的顶部，位于保温坩埚4的正上方，超声处理装置10的超声变幅杆19伸入保温坩埚4内部，抑制异质形核的产生；

所述的第二真空室2内设置隔离阀12，隔离阀12设置于密封隔板上，用于控制第一真空室1和第二真空室2之间的压力差；

拉坯装置11包括牵引杆20、牵引装置21和连铸坯26，牵引装置21设置于第二真空室2的外部；连铸坯26连接在牵引杆20的端部，整体在牵引装置21牵引作用下在水冷铜模25内水平移动，并以滑动密封的状态将铸坯从结晶器6拉出；

真空控制系统8包括真空泵13和排放气孔14，真空泵13气密性地固定于第二真空室2的外侧；第一真空室1与第二真空室2的上表面各设置一个排放气孔14和一个惰性气体阀29；

观察窗28设置于第一真空室1上表面，用于观察金属熔体23的熔化状态；

所述的通孔、石墨铸型24的内径、水冷铜模25的内径和牵引杆20的横截面的形状与尺寸相同，保证牵引杆20相对于与孔运动时，保持密封状态。

一种真空条件下熔炼加声磁耦合连续铸造一体化方法，该方法包括以下步骤：

(1)熔炼合金：熔炼合金前，牵引杆20及连铸坯26置于初始位置，使连铸坯26的端部位于石墨铸型24内，然后将合金放入熔炼炉3；熔炼时，首先打开隔离阀12，并关闭排放气孔14和惰性气体阀29，然后通过控制真空控制系统8，开启真空泵13，将第一真空室1及第二真空室2抽真空至0.01-0.05pa，关闭真空泵13；开启惰性气体阀29，分别向第一真空室1和第二真空室2内充入惰性气体至0.045-0.055mpa，使第一真空室1与第二真空室2内为保护气体氛围，关闭惰性气体阀29，然后开启熔炼炉3外的感应线圈5，快速熔炼合金原料至完全融化，形成金属熔体23，通过第一热电偶22测量金属熔体23的温度，控制金属熔体23的温度比合金液相线温度高5～50℃；

(2)浇注及保温：开启保温坩埚4外的感应线圈5，对保温坩埚4进行预热；通过手动旋转熔炼炉旋杆27将熔炼炉3倾斜，将金属熔体23浇注到保温坩埚4中；控制感应线圈5，向保温坩埚4内的金属熔体23补充热量并使熔体温度均匀；

(3)施加超声及磁场：启动超声处理装置，通过超声变幅杆19将超声波引入保温坩埚4内的金属熔体23中，超声波的频率为20khz～80khz，功率为0.1～5kw，超声处理时间为1～60min，抑制异质形核的产生；同时，向中频电磁感应线圈7通入交变电流，产生交变磁场，中频电磁感应线圈内电流的频率为300hz～10khz，电流强度为10～4000a，结晶器内的磁感应强度为0.005～0.1t，中频磁场所产生水平方向的力对保温坩埚4内的金属熔体23起搅拌作用，同时产生一定热量，中频磁场产生的垂直方向的力为结晶器6内的连铸坯26及铸锭提供支撑力；

(4)连续铸造：通过第二热电偶30测量石墨铸型24内金属熔体23的温度，通过控制感应线圈5使金属熔体23的温度比合金液相线温度高5～150℃，控制水冷铜模25冷却水的水流量为0.1～5l/min，关闭隔离阀12，打开真空泵13继续对第二真空室2进行抽真空，打开第一真空室1上的惰性气体阀29持续对第一真空室1内充入惰性气体，使第一真空室1压强维持在0.045-0.055mpa，使第一真空室持续处于惰性气体保护氛围，同时造成第一真空室1与第二真空室2之间0.045-0.055mpa的压力差，然后启动牵引装置21，使牵引杆20及连铸坯26向远离保温坩埚4的方向水平移动，金属熔体23在进入水冷铜模25时快速冷却形成铸锭；铸锭与连铸坯26接触后，牵引杆20带动连铸坯26及铸锭水平向远离保温坩埚4的方向移动，牵引杆20和铸锭的运动速度为0.5～50cm/min；铸锭的长度达到要求后，停止牵引装置21，将中频电磁感应线圈7内的电流归零，关闭第一真空室1上的惰性气体阀29，关闭真空泵13，当炉内温度达到100℃以下时，打开排放气孔14以解除真空室的真空状态，使真空室内气压恢复到正常大气压，然后打开真空室门即可取出样品。

所述熔炼合金步骤中，将合金原料放入熔炼炉3中的同时，将微量合金元素放入补料仓15中，在合金原料熔化至一定程度时，通过补料旋杆16将所述微量合金元素补入熔炼炉中。

本发明的有益效果：

(1)采用熔炼加连续铸造一体化的方法，使熔炼、浇注以及连续铸造过程均在真空状态下完成。

(2)利用超声的净化作用，可抑制金属异质形核，控制晶体相生长，消除团簇，使得成分均匀。

(3)通过在结晶器外设置中频电磁感应线圈，可利用中频磁场的水平方向的搅拌力产生搅拌热量，有效减小初期凝固壳的厚度，提高熔体内液/固界面的温度梯度，还可利用中频磁场的垂直方向的支撑力，减小熔体与结晶器之间的接触压力，有利于获得良好铸坯。

(4)在真空下完成，避免了高温合金或活泼合金的熔体与大气中的活性气体接触发生化学反应，形成化合物卷入到熔体中成为异质形核的质点。两个真空室存在一定的气压差，通过调整真空室内的压力，可控制金属熔体成型能力，金属熔体充型性能好。

附图说明

图1为本发明所述的真空条件下超声电磁熔铸一体化装置设计图。

图2为本发明所述的超声电磁复合连铸机构设计图。

图3为本发明所述的真空条件下超声电磁熔铸一体化装置俯视图。

图4为本发明所述的真空条件下超声电磁熔铸一体化装置左视图。

图中：1第一真空室；2第二真空室；3熔炼炉；4保温坩埚；5感应线圈；6结晶器；7中频电磁感应线圈；8真空控制系统；9补料装置；10超声处理装置；11拉坯装置；12隔离阀；13真空泵；14排放气孔；15补料仓；16补料旋杆；17密封波纹管；18超声发生器；19超声变幅杆；20牵引杆；21牵引装置；22第一热电偶；23金属熔体；24石墨铸型；25水冷铜模；26连铸坯；27熔炼炉旋杆；28观察窗；29惰性气体阀；30第二热电偶。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

图1示出了一种真空下电磁/超声耦合场水平连铸的装置。熔炼合金前将牵引杆20及连铸坯26移动至初始位置，使连铸坯26的端部位于石墨铸型24内，然后将合金原料放入熔炼炉3后准备进行熔炼；熔炼时，首先打开隔离阀12，并关闭排放气孔14和惰性气体阀29，然后通过控制真空控制系统8，开启真空泵13，将第一真空室1及第二真空室2抽真空至0.01pa，然后关闭真空泵13；之后开启惰性气体阀29，分别向第一真空室1和第二真空室2内充入氩气至0.05mpa，使第一真空室1与第二真空室2内为保护气体氛围，关闭惰性气体阀29，然后开启熔炼炉3外的感应线圈5，控制输出功率4kw，快速熔炼合金原料至完全融化，形成金属熔体23，通过第一热电偶22测量金属熔体23的温度，通过控制感应线圈5使金属熔体23的温度为1100℃，比合金液相线温度高50℃；开启保温坩埚4外的感应线圈5，控制输出功率11kw，对保温坩埚4进行预热，达到温度1080℃；通过手动旋转熔炼炉旋杆27将所述熔炼炉3倾斜，将金属熔体23浇注到保温坩埚4中；控制感应线圈5，向所述保温坩埚4内的金属熔体23补充热量并使熔体温度均匀；启动超声处理装置，通过超声变幅杆19将超声波引入保温坩埚4内的金属熔体23中，超声波的频率为40khz，功率为3kw，超声处理时间为5min，抑制异质形核的产生；同时，向中频电磁感应线圈7通入交变电流，产生交变磁场，中频电磁感应线圈内电流的频率为6khz，电流强度为1000a，结晶器内的磁感应强度为0.05t，中频磁场所产生水平方向的力对保温坩埚4内的金属熔体23起搅拌作用，同时产生一定热量，中频磁场产生的垂直方向的力为结晶器6内的连铸坯26及铸锭提供支撑力；通过第二热电偶30测量石墨铸型24内金属熔体23的温度，通过控制感应线圈5使金属熔体23的温度达到1100℃，比合金液相线温度高50℃，控制水冷铜模25冷却水的水流量为3l/min，关闭隔离阀12，打开真空泵13继续对第二真空室2进行抽真空，打开第一真空室1上的惰性气体阀29持续对第一真空室1内充入惰性气体，使第一真空室1压强维持在0.05mpa并持续处于惰性气体保护氛围，同时造成第一真空室1与第二真空室2之间0.05mpa的压力差，然后启动牵引装置21，使牵引杆20及连铸坯26向远离保温坩埚4的方向水平移动，金属熔体23在进入水冷铜模25时快速冷却形成铸锭；铸锭与连铸坯26接触后，牵引杆20带动连铸坯26及铸锭水平向远离保温坩埚4的方向移动，牵引杆20和铸锭的运动速度为4mm/s，以牵引5s静止2s的周期循环，实施连铸拉坯；铸锭的长度达到要求后，停止牵引装置21，将中频电磁感应线圈7内的电流归零，关闭第一真空室1上的惰性气体阀29，关闭真空泵13，当炉内温度达到100℃以下时，打开排放气孔14以解除真空室的真空状态，使真空室内气压恢复到正常大气压，然后打开真空室门即可取出样品。