本发明属于反重力铸造技术，涉及一种熔体搅拌式多功能反重力铸造装置及铸造方法，可实现金属基复合材料和高强度铝合金材料构件生产的电磁搅拌多功能反重力铸造装置与方法。
背景技术：
反重力铸造技术是利用外加压力使合金液沿着与重力相反的方向自下而上的充型并凝固的技术，目前在工业上得到广泛应用，反重力铸造按加压方式可分为低压铸造、差压铸造和调压铸造三种。反重力铸造时，通常是直接在熔化炉内用旋转喷吹对熔体进行除气处理，或将熔体处理完后导入保温炉内，然后进行浇注。通常从熔体处理好到实际浇注开始，要经历密封压力罐、放置升液管及铸型、固定铸型等诸多工序，会有十来分钟到二十来分钟的时间，熔体在密闭空间内静置的时间较长，特别是进行一次熔化大量金属液进行多次单件浇注时，熔体放置的时间更长，在此期间无法对熔体进行搅拌，易导致熔体内成分不均匀。
近些年来，金属基复合材料及高强度铸造铝合金已越来越多的采用反重力铸造方法生产优质构件。对于金属基复合材料如铝合金复合材料、镁基复合材料，还有一些高强度铝合金如铝铜合金来讲，如果从熔体搅拌处理完到反重力浇注时间间隔过长，会在熔体中形成分层现象，如比较重大的成分会逐渐沉积到坩埚底部，而比重较轻的合金成分会聚集到熔体的上层。这种现象对随后的浇注铸件质量会带来重要的影响，如会造成铸件成分偏析、颗粒强化项分布不均匀等，最终影响铸件的性能和合格率。
文献“多功能反重力铸造设备控制系统及控制方法，中国发明专利，介万奇，公开号zl200610055931.7”公开了一种多功能反重力铸造设备控制系统及控制方法，通过设备主体及气路控制系统设计，可以在一台设备上实现低压铸造、差压铸造及调压铸造三种反重力铸造功能。但是该方法在盖上中隔板后无法对密闭空间内金属熔体进行搅拌，随着时间的延长金属熔体的成分均匀性会越来越差，影响最终的铸件质量和性能。
文献“稳恒磁场下铝合金低压铸造装置，中国实用新型专利，李传军，申请号：201520947904.5”公开了一种稳恒磁场下铝合金低压铸造装置，该方法在低压铸造过程中施加稳恒磁场，增大金属熔体过冷度，细化凝固组织。但是该方法仅利用稳恒磁场增大熔体过冷度，未对熔体进行变磁场搅拌控制，无法保障金属熔体的成分均匀性，也不能用于多种反重力铸造方法的生产。
现有的多功能反重力铸造装置用于生产金属基复合材料或高强度铝合金材料生产时存在准备工序较多、熔体静置时间过长与熔体需要不断搅拌维持熔体成分均匀性的问题，为此本发明提出了一种电磁搅拌多功能反重力铸造装置与方法，解决反重力铸造时密闭空间内的熔体无法实施搅拌问题，通多交变电磁场控制，强化熔体内部对流运动，维持熔体成分的均匀性，为后续的浇注提供合格的熔体原料。本发明的有益效果可显著提高铸件的内在质量和性能，为金属基复合材料及高强度铝合金优质构件的生产提供技术保障。
技术实现要素：
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种熔体搅拌式多功能反重力铸造装置及铸造方法，在下压力罐内的熔化炉两侧和底部分别放置强磁体，可实现真空搅拌除气处理和反重力铸造准备工序和浇注过程中对熔体的持续搅拌，结合多功能反重力铸造方法，可实现金属基复合材料和高强度铝合金优质构件的铸造成形生产。
技术方案
一种熔体搅拌式多功能反重力铸造装置，包括下压力罐1、熔化炉4、坩埚5、中隔板7、锁紧环8、上压力罐11和冷却循环水接口15；其特征在于还包括侧强磁体3、底部强磁体2、变频电源14和冷却循环水接口15；侧强磁体3位于熔化炉4的四周，底部强磁体2为熔化炉4的底部，两个强磁体通过电缆及冷却循环水接口15与变频电源14实现电连接；所述侧强磁体3和底部强磁体2采用线圈结构。
所述侧强磁体3和底部强磁体2的尺寸使得坩埚5内的金属液被包覆。
一种利用所述熔体搅拌式多功能反重力铸造装置进行铸造的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将被铸造的金属材料放入坩埚，采用熔化炉加热，在加热熔化期间，将中隔板盖上，并用压板密封住中隔板中间的孔，对下压力罐抽取真空，使金属材料在真空条件下熔化；
步骤2：待金属材料熔化后，打开变频电源，通过变频电源控制侧强磁体和底部强磁体的电流大小和方向，对坩埚内熔体进行水平旋转或上下翻转的搅拌，熔体内气体通过搅拌运动及真空扩散，实现真空搅拌除气；
步骤3：熔体处理好并达到浇注温度时，关闭真空，拿走中隔板上盲板，插入升液管，放置铸型并固定；放上压力罐，并由液压缸驱动锁紧环转动，将下压力罐、上压力罐与中隔板锁紧密封；
步骤4：按照设定程序对气控系统进行自动化控制，采用低压铸造、差压铸造或调压铸造方式完成反重力铸造过程；
在步骤3和步骤4实施过程中，继续对强磁体通电以使得熔体搅拌，在反重力铸造维持熔体成分均匀性。
有益效果
本发明提出的一种熔体搅拌式多功能反重力铸造装置及铸造方法，包括下压力罐、熔化炉、强磁体、变频电源、中隔板、上压力罐等。其方法为熔化炉将金属材料熔化并密封下压力罐，由变频电源通过强磁体对熔体施加交变磁场，实现熔体的真空搅拌除气处理，在反重力铸造准备工序及浇注过程中对熔体持续施加电磁搅拌，由控制系统完成不同反重力铸造方法的浇注。本发明不仅可以在金属材料熔炼时进行真空搅拌除气处理，也可以在浇注准备过程中和浇注期间对熔体施加交变电磁搅拌力，起到减少熔体内部的气体含量、稳定熔体成分均匀性和提高铸件质量和性能的效果。
本发明的有益效果是：可以采用不同反重力铸造方法对轻质合金材料及金属基复合材料构件进行生产，同时可以在金属材料熔炼时进行真空搅拌除气处理，并能在浇注准备过程中和浇注期间对熔体施加交变电磁场进行搅拌，起到减少熔体内部的气体含量、稳定熔体成分均匀性和提高铸件质量和性能的效果。
附图说明
图1：本发明的电磁搅拌多功能反重力铸造装置结构示意图
图中：1-下压力罐；2-底部强磁体；3-侧强磁体；4-熔化炉；5-坩埚；6-升液管；7-中隔板；8-锁紧环；9-上罐进排气口；10-上罐压力信号采集口；11-上压力罐；12-计算机及气路控制系统；13-铸型；14-变频电源；15-电缆及冷却循环水接口；16下罐压力信号采集口；17-下罐进排气口。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明实施例的技术方案为：一种电磁搅拌多功能反重力铸造装置，其特征在于：熔化炉放置在下压力罐内，熔化炉侧面和底部设置有侧强磁体和底部强磁体，坩埚放置在熔化炉内；下压力罐采用不锈钢材质，下压力罐与中隔板、上压力罐，通过锁紧环锁紧密封；铸型放置在上压力罐内的中隔板上，升液管通过中隔板中间孔插入坩埚内的金属熔体中；侧强磁体和底部强磁体通过电缆及循环水接口与变频电源连接；由计算机及气路控制系统，实现不同反重力铸造功能的切换及浇注过程控制。
基于上述装置结构所采用的方法为：将金属材料放入坩埚，采用熔化炉加热，在加热熔化期间，将中隔板盖上，并用压板密封住中隔板中间的孔，对下压力罐抽取真空，使金属材料在真空条件下熔化；待金属熔化后，打开变频电源，通过变频电源控制强磁体的电流大小和方向，对坩埚内熔体进行不同搅拌方式(如水平旋转或上下翻转等)的控制，熔体内气体通过搅拌运动及真空扩散，实现真空搅拌除气；熔体处理好并达到浇注温度时，关闭真空，拿走中隔板上盲板，插入升液管，放置铸型并固定；放上压力罐，并由液压缸驱动锁紧环转动，将下压力罐、上压力罐与中隔板锁紧密封；由计算机控制系统按照设定程序对气控系统进行自动化控制，采用低压铸造、差压铸造或调压铸造方式完成反重力铸造过程。
本发明书所述的电磁搅拌多功能反重力铸造装置，主要包括：熔化炉4放置在下压力罐1中，底部强磁体2和侧强磁体3分布放置在熔化炉的底部和两侧，坩埚5放置在熔化炉4内；下压力罐1采用不锈钢材质(也可采用双层水冷结构)，下压力罐1与中隔板7、上压力罐11，通过液压系统驱动锁紧环8转动实现锁紧密封；铸型13放置在上压力罐11内的中隔板7上，升液管6通过中隔板7中间孔插入坩埚5内的金属熔体中；侧强磁体3和底部强磁体2通过电缆及冷却循环水接口15与变频电源14连接；上罐压力信号采集孔10及下罐压力信号采集孔16分别与压力传感器相连，上罐进排气口9和下罐进排气口17分别与计算机及气路控制系统12中的上压力罐气路和下压力罐气路连接；由计算机及气路控制系统12，按照不同功能选择和设定的程序自动实现不同反重力铸造浇注过程控制。
对照附图1及实施例，对本发明做进一步说明。
实施例1：向坩埚5中放入铝基复合材料，对熔化炉4通电加热，盖上中隔板7，并密封下压力罐1，对下压力罐1抽真空；当金属材料熔化后，由变频电源14对侧强磁体3和底部强磁体2的电流大小和方向进行控制，使金属熔体内部产生交变电磁场，熔体在交变电磁推力作用下进行水平旋转和上下翻转，使熔体内的气体在真空扩散及搅拌对流下析出，达到熔体的真空搅拌除气目的。待熔体温度达到浇注温度时，断开真空，插入升液管6，放置并固定铸型13，盖上上压力罐11，并由锁紧环8对下压力罐1、上压力罐11及中隔板7进行锁紧密封；在计算机及气路控制系统12控制下，对上压力罐11、下压力罐1同步建压到0.6mpa，然后关闭上下罐互通阀，由上压力罐11向外排气，建立上下罐之间的压差，金属熔体在压差作用下，沿升液管6逆重力方向流动进入铸型13型腔，并在一定压力下凝固成形。待铸件凝固后，卸除上下罐的压力，打开锁紧环8，移走上压力罐11，移走铸型并取出铸件，清理工作现场，完成差压铸造过程。
实施例2：向坩埚5中放入镁基复合材料，对熔化炉4通电加热，盖上中隔板7，并密封下压力罐1，对下压力罐1抽真空；当金属材料熔化后，由变频电源14对侧强磁体3和底部强磁体2的电流大小和方向进行控制，使金属熔体内部产生交变电磁场，熔体在交变电磁推力作用下进行水平旋转和上下翻转，使熔体内的气体在真空扩散及搅拌对流下析出，达到熔体的真空搅拌除气目的。待熔体温度达到浇注温度时，断开真空，插入升液管6，放置并固定铸型13，盖上上压力罐11，并由锁紧环8对下压力罐1、上压力罐11及中隔板7进行锁紧密封；在计算机12及气路控制系统控制下，对上压力罐11、下压力罐1同步抽真空，使真空度达到-80kpa，然后关闭上下罐互通阀，向下压力罐1中通入惰性气体，建立上下罐之间的压差，金属熔体在压差作用下，沿升液管6逆重力方向流动进入铸型13型腔，并在一定压力下凝固成形。待铸件凝固后，卸除上下罐的压力，打开锁紧环8，移走上压力罐11，移走铸型并取出铸件，清理工作现场，完成调压铸造过程。
实施例3：向坩埚5中放入zl205a合金料，对熔化炉4通电加热，当金属材料熔化后，采用吊挂式旋转喷吹对金属液进行除气处理；除气完毕后，打开变频电源14，由变频电源14对侧强磁体3和底部强磁体2的电流大小和方向进行控制，使金属熔体内部产生交变电磁场，熔体在交变电磁推力作用下进行水平旋转和上下翻转，达到强化熔体内部对流的目的。待熔体温度达到浇注温度时，盖上中隔板7，插入升液管6，放置并固定铸型13，由锁紧环8对下压力罐1及中隔板7进行锁紧密封；在计算机及气路控制系统12控制下，对下压力罐通入纯净压缩空气，建立压差；金属熔体在压差作用下，沿升液管6逆重力方向流动进入铸型13型腔，并在一定压力下凝固成形。待铸件凝固后，卸除下压力罐1内压力，移走铸型并取出铸件，清理工作现场，完成低压铸造过程。
当分别放置在熔化炉侧面和底部的侧强磁体和底部强磁体与变频电源连接，通过变频电源对强磁体的电流大小和电流方向的控制，可以在坩埚熔体内部形成不同的交变磁场，实现金属液如水平旋转、上下翻转、螺旋运动等对流模式的控制。
金属材料熔化后，盖上中隔板并密封下压力罐，对下压力罐抽取真空，同时施加交变电磁场对坩埚内金属液进行搅拌，使熔体内的气体在真空电磁搅拌作用下溢出，实现除气处理。
在不同反重力铸造工艺准备工序期间及反重力铸造浇注时，可以实现对密闭空间内熔体的持续电磁搅拌，强化熔体对流运动，维持熔体成分均匀。
由计算机及气路控制系统，按照不同反重力铸造功能选择和设定的程序自动实现不同反重力铸造如低压铸造、差压铸造、调压铸造等浇注过程控制。