本發(fā)明屬于金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種真空條件下熔煉加聲磁耦合連續(xù)鑄造一體化裝置和方法。

背景技術(shù)：

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，交變磁場產(chǎn)生的電磁力可分解為水平方向的支撐力和垂直方向上的攪拌力，電磁場頻率的變化會引起這兩個方向電磁力發(fā)生改變，從而使其對結(jié)晶器內(nèi)的熔體作用規(guī)律出現(xiàn)顯著區(qū)別：低頻磁場可產(chǎn)生較大的攪拌力，熔體內(nèi)部的電磁攪拌效果明顯。但同時也會因其強(qiáng)烈的攪拌作用而導(dǎo)致熔池內(nèi)熔體波動加劇，金屬液體表面容易開裂，對合金澆注過程中的保護(hù)造成不利影響。熔液表面的氧化膜也易因強(qiáng)烈的攪拌作用而卷入到熔體中造成氧化夾雜等缺陷。同時，由于電磁支撐力較小，無法有效削弱鑄坯與結(jié)晶器間的摩擦力，不利于鑄錠表面質(zhì)量的改善。與低頻磁場相反，高頻磁場下雖然對熔體具有較高的支撐力，但由于攪拌力較弱，對熔體的改善效果不明顯，無法達(dá)到細(xì)化晶粒，改善合金成分偏析的目的。

中頻磁場較好地結(jié)合了以上兩者的優(yōu)點(diǎn)，既可在有效減少熔融金屬與結(jié)晶器壁之間摩擦力的基礎(chǔ)上，同時對熔體內(nèi)部進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾姶艛嚢枳饔?，達(dá)到改善鑄錠內(nèi)部組織的目的。

在鑄造金屬凝固過程中引入超聲波振動，使凝固鑄錠晶粒細(xì)化、組織均勻、去除氣孔、鑄件的宏觀及微觀偏析均得到改善。超聲波具有方向性好，穿透力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能等特點(diǎn)，但其在金屬液體中的作用范圍較小。在電磁/超聲耦合場作用下，電磁場引起的水平和上下的混合流動促使運(yùn)動單元流經(jīng)超聲影響區(qū)域，提高遠(yuǎn)離超聲探頭的顆粒團(tuán)簇的破碎幾率，從而減少甚至消除顆粒團(tuán)簇，提升增強(qiáng)顆粒的均勻分布性，實現(xiàn)電磁場間接擴(kuò)大了超聲場作用范圍的目的。

熔煉加鑄造一體化均在真空狀態(tài)下完成，可以有效避免金屬熔體在熔煉、澆注等過程中與空氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生雜質(zhì)，因此該裝置可被廣泛地應(yīng)用于高溫合金、鈦合金、鎂合金、稀土金屬以及多組元非晶合金和高熵合金等活潑合金的水平連鑄中。

公開號cn101543885介紹了一種塊體金屬玻璃連續(xù)成型裝置進(jìn)行水平連續(xù)鑄造的方法。該方法采用石墨鑄型和水冷銅模為一次主冷卻，二次輔冷卻采用氣體冷卻方式，兩個真空室存在一定的氣壓差。該裝置具有較大的冷卻速度，滿足塊體金屬玻璃材料非晶相變的要求。但是，該方法并沒有實現(xiàn)熔煉、鑄造過程的一體化，且未對金屬熔液進(jìn)行凈化處理，金屬熔液存在夾雜物，因此在凝固過程中易產(chǎn)生異質(zhì)形核現(xiàn)象。

公開號cn101244451介紹了一種施加復(fù)合場改善水平連鑄鑄坯質(zhì)量的裝置。該裝置在保溫爐底部中心位置設(shè)置惰性氣體氣泡發(fā)生裝置，同時在保溫爐側(cè)部設(shè)置行波磁場發(fā)生器，在保溫爐靠近鑄造口處設(shè)置功率超聲工具頭，在結(jié)晶器外側(cè)設(shè)置約束電磁線圈。但該裝置的使用狀態(tài)不是真空狀態(tài)，因此不適用于高溫合金、以及鈦合金、鎂合金、稀土金屬以及多組元非晶合金和高熵合金等活潑合金的水平連鑄。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的不足，本發(fā)明提供一種真空條件下熔煉加聲磁耦合連續(xù)鑄造一體化裝置和方法，該裝置可被廣泛地應(yīng)用于高溫合金、鈦合金、鎂合金、稀土金屬以及多組元非晶合金和高熵合金等活潑合金的水平連鑄中，可使合金的熔煉、澆注以及電磁/超聲耦合場下的連續(xù)成型均在真空狀態(tài)下完成，且得到的合金水平連鑄鑄件具有表面光潔、成分均勻、組織致密的效果。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種真空條件下熔煉加聲磁耦合連續(xù)鑄造一體化裝置，包括第一真空室1、第二真空室2、真空控制系統(tǒng)8、補(bǔ)料裝置9、超聲處理裝置10和拉坯裝置11；

第一真空室1與第二真空室2間設(shè)置密封隔板，密封隔板上設(shè)有一用于穿過牽引桿20的通孔；

所述的第一真空室1內(nèi)安放有熔煉爐3、保溫坩堝4、感應(yīng)線圈5、結(jié)晶器6、中頻電磁感應(yīng)線圈7、密封波紋管17、第一熱電偶22、金屬熔體23、熔煉爐旋桿27和第二熱電偶30；熔煉爐3高于保溫坩堝4布置，熔煉爐旋桿27控制熔煉爐3將其中的金屬熔體23澆注至保溫坩堝4中；

熔煉爐旋桿27的一端通過密封軸承固定于第一真空室1的側(cè)壁并伸出第一真空室1外，另一端與熔煉爐3相連，用于固定并傾倒熔煉爐3；保溫坩堝4通過托臺固定于第一真空室1內(nèi)；第一熱電偶22放置于熔煉爐3內(nèi)，并伸入金屬熔體23中，用于測量金屬熔體23的溫度；感應(yīng)線圈5分別包覆于熔煉爐3和保溫坩堝4的圓周側(cè)，用于調(diào)控熔煉爐3和保溫坩堝4中金屬熔體23的溫度；

結(jié)晶器6包括石墨鑄型24和水冷銅模25，用于凝固金屬熔體23；石墨鑄型24的一端與水冷銅模25的一端相連，即二者同軸連接并相通；石墨鑄型24的另一端與保溫坩堝4相通，保溫坩堝4內(nèi)的金屬熔體23在水冷銅模25內(nèi)形成鑄錠，鑄錠通過牽引桿20牽引出水冷銅模25；石墨鑄型24周向布置有中頻電磁感應(yīng)線圈7，用于為結(jié)晶器6內(nèi)的連鑄坯26及鑄錠提供支撐力，并為保溫坩堝4內(nèi)的金屬熔體23的攪拌力；第二熱電偶30放置于石墨鑄型24側(cè)壁上，用于測量石墨鑄型24溫度；

補(bǔ)料裝置9包括補(bǔ)料倉15與補(bǔ)料旋桿16，補(bǔ)料倉15氣密性地固定于第一真空室1的上表面，位于熔煉爐3正上方，用于儲存和向熔煉爐3中添加微量合金元素；補(bǔ)料旋桿16位于補(bǔ)料倉15和熔煉爐3間，通過手柄端控制加入熔煉爐3中微量合金元素的量；

超聲處理裝置10由密封波紋管17氣密性地固定于第一真空室1的頂部，位于保溫坩堝4的正上方，超聲處理裝置10的超聲變幅桿19伸入保溫坩堝4內(nèi)部，抑制異質(zhì)形核的產(chǎn)生；

所述的第二真空室2內(nèi)設(shè)置隔離閥12，隔離閥12設(shè)置于密封隔板上，用于控制第一真空室1和第二真空室2之間的壓力差；

拉坯裝置11包括牽引桿20、牽引裝置21和連鑄坯26，牽引裝置21設(shè)置于第二真空室2的外部；連鑄坯26連接在牽引桿20的端部，整體在牽引裝置21牽引作用下在水冷銅模25內(nèi)水平移動，并以滑動密封的狀態(tài)將鑄坯從結(jié)晶器6拉出；

真空控制系統(tǒng)8包括真空泵13和排放氣孔14，真空泵13氣密性地固定于第二真空室2的外側(cè)；第一真空室1與第二真空室2的上表面各設(shè)置一個排放氣孔14和一個惰性氣體閥29；

觀察窗28設(shè)置于第一真空室1上表面，用于觀察金屬熔體23的熔化狀態(tài)；

所述的通孔、石墨鑄型24的內(nèi)徑、水冷銅模25的內(nèi)徑和牽引桿20的橫截面的形狀與尺寸相同，保證牽引桿20相對于與孔運(yùn)動時，保持密封狀態(tài)。

一種真空條件下熔煉加聲磁耦合連續(xù)鑄造一體化方法，該方法包括以下步驟：

(1)熔煉合金：熔煉合金前，牽引桿20及連鑄坯26置于初始位置，使連鑄坯26的端部位于石墨鑄型24內(nèi)，然后將合金放入熔煉爐3；熔煉時，首先打開隔離閥12，并關(guān)閉排放氣孔14和惰性氣體閥29，然后通過控制真空控制系統(tǒng)8，開啟真空泵13，將第一真空室1及第二真空室2抽真空至0.01-0.05pa，關(guān)閉真空泵13；開啟惰性氣體閥29，分別向第一真空室1和第二真空室2內(nèi)充入惰性氣體至0.045-0.055mpa，使第一真空室1與第二真空室2內(nèi)為保護(hù)氣體氛圍，關(guān)閉惰性氣體閥29，然后開啟熔煉爐3外的感應(yīng)線圈5，快速熔煉合金原料至完全融化，形成金屬熔體23，通過第一熱電偶22測量金屬熔體23的溫度，控制金屬熔體23的溫度比合金液相線溫度高5～50℃；

(2)澆注及保溫：開啟保溫坩堝4外的感應(yīng)線圈5，對保溫坩堝4進(jìn)行預(yù)熱；通過手動旋轉(zhuǎn)熔煉爐旋桿27將熔煉爐3傾斜，將金屬熔體23澆注到保溫坩堝4中；控制感應(yīng)線圈5，向保溫坩堝4內(nèi)的金屬熔體23補(bǔ)充熱量并使熔體溫度均勻；

(3)施加超聲及磁場：啟動超聲處理裝置，通過超聲變幅桿19將超聲波引入保溫坩堝4內(nèi)的金屬熔體23中，超聲波的頻率為20khz～80khz，功率為0.1～5kw，超聲處理時間為1～60min，抑制異質(zhì)形核的產(chǎn)生；同時，向中頻電磁感應(yīng)線圈7通入交變電流，產(chǎn)生交變磁場，中頻電磁感應(yīng)線圈內(nèi)電流的頻率為300hz～10khz，電流強(qiáng)度為10～4000a，結(jié)晶器內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.005～0.1t，中頻磁場所產(chǎn)生水平方向的力對保溫坩堝4內(nèi)的金屬熔體23起攪拌作用，同時產(chǎn)生一定熱量，中頻磁場產(chǎn)生的垂直方向的力為結(jié)晶器6內(nèi)的連鑄坯26及鑄錠提供支撐力；

(4)連續(xù)鑄造：通過第二熱電偶30測量石墨鑄型24內(nèi)金屬熔體23的溫度，通過控制感應(yīng)線圈5使金屬熔體23的溫度比合金液相線溫度高5～150℃，控制水冷銅模25冷卻水的水流量為0.1～5l/min，關(guān)閉隔離閥12，打開真空泵13繼續(xù)對第二真空室2進(jìn)行抽真空，打開第一真空室1上的惰性氣體閥29持續(xù)對第一真空室1內(nèi)充入惰性氣體，使第一真空室1壓強(qiáng)維持在0.045-0.055mpa，使第一真空室持續(xù)處于惰性氣體保護(hù)氛圍，同時造成第一真空室1與第二真空室2之間0.045-0.055mpa的壓力差，然后啟動牽引裝置21，使?fàn)恳龡U20及連鑄坯26向遠(yuǎn)離保溫坩堝4的方向水平移動，金屬熔體23在進(jìn)入水冷銅模25時快速冷卻形成鑄錠；鑄錠與連鑄坯26接觸后，牽引桿20帶動連鑄坯26及鑄錠水平向遠(yuǎn)離保溫坩堝4的方向移動，牽引桿20和鑄錠的運(yùn)動速度為0.5～50cm/min；鑄錠的長度達(dá)到要求后，停止?fàn)恳b置21，將中頻電磁感應(yīng)線圈7內(nèi)的電流歸零，關(guān)閉第一真空室1上的惰性氣體閥29，關(guān)閉真空泵13，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到100℃以下時，打開排放氣孔14以解除真空室的真空狀態(tài)，使真空室內(nèi)氣壓恢復(fù)到正常大氣壓，然后打開真空室門即可取出樣品。

所述熔煉合金步驟中，將合金原料放入熔煉爐3中的同時，將微量合金元素放入補(bǔ)料倉15中，在合金原料熔化至一定程度時，通過補(bǔ)料旋桿16將所述微量合金元素補(bǔ)入熔煉爐中。

本發(fā)明的有益效果：

(1)采用熔煉加連續(xù)鑄造一體化的方法，使熔煉、澆注以及連續(xù)鑄造過程均在真空狀態(tài)下完成。

(2)利用超聲的凈化作用，可抑制金屬異質(zhì)形核，控制晶體相生長，消除團(tuán)簇，使得成分均勻。

(3)通過在結(jié)晶器外設(shè)置中頻電磁感應(yīng)線圈，可利用中頻磁場的水平方向的攪拌力產(chǎn)生攪拌熱量，有效減小初期凝固殼的厚度，提高熔體內(nèi)液/固界面的溫度梯度，還可利用中頻磁場的垂直方向的支撐力，減小熔體與結(jié)晶器之間的接觸壓力，有利于獲得良好鑄坯。

(4)在真空下完成，避免了高溫合金或活潑合金的熔體與大氣中的活性氣體接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化合物卷入到熔體中成為異質(zhì)形核的質(zhì)點(diǎn)。兩個真空室存在一定的氣壓差，通過調(diào)整真空室內(nèi)的壓力，可控制金屬熔體成型能力，金屬熔體充型性能好。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的真空條件下超聲電磁熔鑄一體化裝置設(shè)計圖。

圖2為本發(fā)明所述的超聲電磁復(fù)合連鑄機(jī)構(gòu)設(shè)計圖。

圖3為本發(fā)明所述的真空條件下超聲電磁熔鑄一體化裝置俯視圖。

圖4為本發(fā)明所述的真空條件下超聲電磁熔鑄一體化裝置左視圖。

圖中：1第一真空室；2第二真空室；3熔煉爐；4保溫坩堝；5感應(yīng)線圈；6結(jié)晶器；7中頻電磁感應(yīng)線圈；8真空控制系統(tǒng)；9補(bǔ)料裝置；10超聲處理裝置；11拉坯裝置；12隔離閥；13真空泵；14排放氣孔；15補(bǔ)料倉；16補(bǔ)料旋桿；17密封波紋管；18超聲發(fā)生器；19超聲變幅桿；20牽引桿；21牽引裝置；22第一熱電偶；23金屬熔體；24石墨鑄型；25水冷銅模；26連鑄坯；27熔煉爐旋桿；28觀察窗；29惰性氣體閥；30第二熱電偶。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實施方式。

圖1示出了一種真空下電磁/超聲耦合場水平連鑄的裝置。熔煉合金前將牽引桿20及連鑄坯26移動至初始位置，使連鑄坯26的端部位于石墨鑄型24內(nèi)，然后將合金原料放入熔煉爐3后準(zhǔn)備進(jìn)行熔煉；熔煉時，首先打開隔離閥12，并關(guān)閉排放氣孔14和惰性氣體閥29，然后通過控制真空控制系統(tǒng)8，開啟真空泵13，將第一真空室1及第二真空室2抽真空至0.01pa，然后關(guān)閉真空泵13；之后開啟惰性氣體閥29，分別向第一真空室1和第二真空室2內(nèi)充入氬氣至0.05mpa，使第一真空室1與第二真空室2內(nèi)為保護(hù)氣體氛圍，關(guān)閉惰性氣體閥29，然后開啟熔煉爐3外的感應(yīng)線圈5，控制輸出功率4kw，快速熔煉合金原料至完全融化，形成金屬熔體23，通過第一熱電偶22測量金屬熔體23的溫度，通過控制感應(yīng)線圈5使金屬熔體23的溫度為1100℃，比合金液相線溫度高50℃；開啟保溫坩堝4外的感應(yīng)線圈5，控制輸出功率11kw，對保溫坩堝4進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到溫度1080℃；通過手動旋轉(zhuǎn)熔煉爐旋桿27將所述熔煉爐3傾斜，將金屬熔體23澆注到保溫坩堝4中；控制感應(yīng)線圈5，向所述保溫坩堝4內(nèi)的金屬熔體23補(bǔ)充熱量并使熔體溫度均勻；啟動超聲處理裝置，通過超聲變幅桿19將超聲波引入保溫坩堝4內(nèi)的金屬熔體23中，超聲波的頻率為40khz，功率為3kw，超聲處理時間為5min，抑制異質(zhì)形核的產(chǎn)生；同時，向中頻電磁感應(yīng)線圈7通入交變電流，產(chǎn)生交變磁場，中頻電磁感應(yīng)線圈內(nèi)電流的頻率為6khz，電流強(qiáng)度為1000a，結(jié)晶器內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.05t，中頻磁場所產(chǎn)生水平方向的力對保溫坩堝4內(nèi)的金屬熔體23起攪拌作用，同時產(chǎn)生一定熱量，中頻磁場產(chǎn)生的垂直方向的力為結(jié)晶器6內(nèi)的連鑄坯26及鑄錠提供支撐力；通過第二熱電偶30測量石墨鑄型24內(nèi)金屬熔體23的溫度，通過控制感應(yīng)線圈5使金屬熔體23的溫度達(dá)到1100℃，比合金液相線溫度高50℃，控制水冷銅模25冷卻水的水流量為3l/min，關(guān)閉隔離閥12，打開真空泵13繼續(xù)對第二真空室2進(jìn)行抽真空，打開第一真空室1上的惰性氣體閥29持續(xù)對第一真空室1內(nèi)充入惰性氣體，使第一真空室1壓強(qiáng)維持在0.05mpa并持續(xù)處于惰性氣體保護(hù)氛圍，同時造成第一真空室1與第二真空室2之間0.05mpa的壓力差，然后啟動牽引裝置21，使?fàn)恳龡U20及連鑄坯26向遠(yuǎn)離保溫坩堝4的方向水平移動，金屬熔體23在進(jìn)入水冷銅模25時快速冷卻形成鑄錠；鑄錠與連鑄坯26接觸后，牽引桿20帶動連鑄坯26及鑄錠水平向遠(yuǎn)離保溫坩堝4的方向移動，牽引桿20和鑄錠的運(yùn)動速度為4mm/s，以牽引5s靜止2s的周期循環(huán)，實施連鑄拉坯；鑄錠的長度達(dá)到要求后，停止?fàn)恳b置21，將中頻電磁感應(yīng)線圈7內(nèi)的電流歸零，關(guān)閉第一真空室1上的惰性氣體閥29，關(guān)閉真空泵13，當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到100℃以下時，打開排放氣孔14以解除真空室的真空狀態(tài)，使真空室內(nèi)氣壓恢復(fù)到正常大氣壓，然后打開真空室門即可取出樣品。