一种实现扁平结构精铸件电磁振荡搅拌的真空熔炼炉及方法

摘要

本发明属于精密铸造工艺装备技术领域，提供一种实现扁平结构精铸件电磁振荡搅拌的真空熔炼炉及方法，用于实现对扁平精铸件施加更有效的电磁振荡搅拌作用以达到细化晶粒的目的。本发明的真空熔炼炉包括测温/加料转塔、熔炼室、铸型室、抽拉主轴、电磁振荡发生器。其中电磁振荡发生器放置于抽拉主轴顶端，用于实现对上方型壳范围内的金属熔体施加电磁振荡作用，通过电磁感应的洛伦兹力效应，使金属熔体发生交替振动，从而破碎枝晶，获得细晶组织。本发明实现精铸的电磁振荡同时进行连续生产，保证合金熔炼浇注前和浇注后程进行凝固过程的电磁振荡，促进大量形核质点的形成，实现精铸过程的全部等轴晶粒，提高精铸产品的力学性能。

说明书

技术领域

本发明涉及精密铸造工艺装备技术领域，具体涉及一种实现扁平结构精铸件电磁振荡搅拌的真空熔炼炉及方法。

背景技术

大部分高温合金精铸件长期处于高温高压、高负荷、高震动、高腐蚀的极端环境下，对其冶金质量、尺寸精度和晶粒大小具有极高要求。精铸部件往往存在粗大晶粒，而粗晶粒的蠕变断裂强度通常比细晶粒要高(承受高于30％的高温)，但在交变温度服役条件下，精铸件的承受热疲劳和冲击损坏造成服役性能急剧下降，同时粗晶和柱状晶的组合作用还会导致精铸件的抗冷热疲劳性能急剧下降，所以晶粒粗大和柱状晶组织对精铸部件的热冲击性能有着巨大的危害。因此，发展高温合金精铸件的晶粒控制技术对保证苛刻条件下工作具有十分重要的现实意义。

合金细晶铸造技术工艺方法中：热控法由于浇注温度和铸型预热温度较低则会产生高冷却速率，使合金液粘度高、流动性低、凝固时间缩短，导致气泡和夹杂来不及上浮，使铸件纯净度降低，且使薄壁铸件容易产生欠铸缺陷。化学法的外加形核剂易在熔体中形成氧化夹杂物而成为疲劳源，此外由于许多合金的成分较复杂，其性能对夹杂特别敏感，且有些合金一般都要进行温度高达1550℃的精炼处理，因此选择合适的高温合金细化剂十分困难。动力学法尤其是电磁振荡法细化效果最好，不仅可以得到细化至数百微米的均匀洁净的铸件，而且可以改变铸型的充填，适用于较重要的铸件，尤其是盘件。

电磁振荡是通过电磁感应的洛伦兹力效应，使金属熔体发生交替振动。一方面，电磁振荡作用对合金熔体产生扰动作用，使凝固过程中枝晶与金属液之间发生相对运动，枝晶发生碰撞枝晶尖端折断，形核位置增多，导致形成大量细晶组织。同时，金属熔体的整体温度趋于均匀也会使得凝固过程中树枝晶难以长大。现有技术中如CN104439203A和CN102528002A为一室真空感应熔炼炉，在连续生产中需要不断的破真空和抽真空，不仅能耗高、非常耗时间且型壳需要提前放入炉中而失热降温严重；此外，传统的电磁振荡装置将电磁发生器设置在型壳外侧四周，所产生电磁场无法有效覆盖到需要整体细晶的扁平件的中间部位，且扁平件高度很小，高处产生的磁场没有任何作用。本发明采用在真空炉中设计电磁振荡装置，能够实现扁平件的最有效振荡效果。

发明内容

本发明的目的在于解决传统电磁振荡细晶铸造工艺无法有效处理扁平结构件的问题，提供一种实现扁平结构精铸件电磁振荡搅拌的真空熔炼炉及方法。

本发明的技术方案如下：

一种实现扁平结构精铸件电磁振荡搅拌的真空熔炼炉，由上至下包括测温/加料转塔1、熔炼室2、铸型室3三个真空腔室；熔炼室2与铸型室3之间设置翻板阀8，控制两个真空腔室的连通和隔离；

熔炼室2中配置感应熔炼炉坩埚7对母合金进行熔炼，同时通过测温/加料转塔1实现对感应熔炼炉坩埚7中金属熔体的准确测温以及连续加入合金母料；

铸型室3底部设置抽拉主轴9，抽拉主轴9上方设置电磁振荡发生器10，型壳11位于电磁振荡发生器10上方；抽拉主轴9在翻板阀8打开情况下，托举型壳11和电磁振荡发生器10由铸型室3提升到熔炼室2内，进而完成感应熔炼坩埚7内合金熔体的浇注过程；

其中，电磁振荡发生器10包括保温盖12、励磁线圈13、振荡器底座14、线圈架15、进电接线柱16、进水口17、出水口18；振荡器底座14顶部套有保温盖12，围成一空腔，保温盖12起隔热作用，防止合金浇注后发生冷却作用；励磁线圈13放置在振荡器底座14内的线圈架15上，进电接线柱16连接励磁线圈13，为其输入不同形式和参数的电流，由进水口17和出水口18对励磁线圈13提供循环水进行冷却，防止工作过程励磁线圈13发热；电磁振荡发生器10输入低频交流电流产生交流磁场，使型壳11内金属熔体凝固过程受洛伦兹力作用反复振荡搅拌，最终实现细化晶粒。

熔炼室2、扩散泵4、机械泵机组一5顺次连接，用于实现熔炼室2的真空环境，满足在高真空条件下进行熔炼浇注；机械泵机组二6通过管路分别与测温/加料转塔1、熔炼室2、铸型室3联通，实现测温/加料转塔1、铸型室3的真空环境，保证测温/加料转塔1与熔炼室2的联通和实现测温功能与加料功能。

所述电磁振荡器10紧密接触于型壳11底部，型壳11底部与最上层励磁线圈13的垂直距离小于50mm，且励磁线圈13各位置与型壳11距离相同，能够实现最佳的电磁振荡效果。

所述电磁振荡发生器10具备输入频率0～30Hz、输入电流0～300A的参数范围，以及不同形式的交流和脉冲电流，能够实现不同范围、不同效果的洛伦兹力进行熔体搅拌。

所述电磁振荡发生器10能够实现在合金凝固过程中设定电流参数的启停操作，实现脉冲形式以及持续形式的电磁搅拌作用。

所述励磁线圈13以涡状线的形式缠绕在中心的铁芯上，缠绕1～5层，励磁线圈13的宽度根据型壳11直径设定匝数调整，励磁线圈13采用的铜线为8×2的矩形铜线，保证电磁振荡范围以及对圆盘精铸件的晶粒细化效果。

所述电磁振荡发生器10的水冷循环从下方由进水口17进入，冷却水填满振荡器底座14，完全浸没励磁线圈13，最后从侧面由出水口18流出，实现均匀和快速冷却效果，保证励磁线圈放热并保证长期稳定运行。

一种实现扁平结构精铸件电磁振荡搅拌的真空熔炼炉的方法，包括步骤如下：

步骤1：合金熔炼；由扩散泵4、机械泵机组一5、机械泵机组二6进行熔炼室2的高真空环境准备，在达到设定真空度时，进行合金熔炼；同时，通过测温/加料转塔1实现合金熔体温度的精确测量；

步骤2：型壳11的预热及浇注准备；将预热后型壳11放置于抽拉主轴9上方，通过机械泵机组二6进行铸型室3真空环境准备，在达到与熔炼室2一致的真空度时，打开翻板阀8，此时抽拉主轴9上升到感应熔炼坩埚7下部的设定位置，等待浇注；

步骤3：合金熔体浇注过程；翻转感应熔炼坩埚7，实现合金熔体浇注过程；同时打开电磁振荡发生器10，进行合金熔体搅拌；

步骤4：出炉；合金浇注完毕后，抽拉主轴9下降到铸型室，关闭翻板阀8，搅拌时间10～15min后，关闭电磁振荡发生器10，此时破开铸型室3真空，实现浇注后型壳11的取出；重复步骤1-4操作实现铸件的连续生产。

上述操作中，熔炼室2一直处于熔炼状态，通过测温/加料转塔1添加母料和测温，通过铸型室3放置型壳11和取料。重复上述操作可实现铸件的连续生产。

所述抽拉主轴9保证型壳11在预热后能快速提升到浇注设定位置，保证预热型壳11保持在设定保温温度范围内，控制合金熔体的凝固过程，有利于电磁振荡对合金熔体的搅拌作用。

所述电磁振荡发生器10置于抽拉主轴上，随着抽拉主轴9和型壳11一起进行托举运动，能够同时而连续的实现在浇注前的熔炼室2和浇注后程的铸型室3中提供电磁搅拌作用，使实现扁平结构精铸件电磁振荡搅拌的真空熔炼炉在电磁振荡作用下能够实现连续生产。

本发明的有益效果为，相比传统电磁振荡装置的螺旋线缠绕方式、处于固定位置、于侧面添加磁场，本发明电磁振荡器的励磁线圈以多层涡状线的方式缠绕在中心铁芯上并施加变化更为剧烈的不同形式的连续及间歇式脉冲磁场，能为扁平件提供一更强的电磁场，同时，将振荡器置于型壳下方并宽度大于型壳宽度，不仅大幅减小了型壳与励磁线圈的距离且各位置距离相同，电磁场可以完全均匀的覆盖整个扁平件，有效提高电磁场在金属熔体凝固过程中的作用效果和范围；而且针对扁平件，相比传统的侧面磁场发生器，避免了高处磁场的浪费，有效增大了磁场利用率。现有技术CN104439203A中虽然也在下方装设了振荡装置，但一方面其在线圈与型壳间使用的为较厚的水套结构，而本发明电磁振荡器采用冷却水浸没线圈的形式进行冷却降温，大幅减小了线圈与型壳的距离，增大了型壳所受的磁场强度；另一方面，该技术仍为单室炉设计，电磁振荡装置均处于固定位置，虽可以处理多种样式的铸件，仍避免不了单室炉的耗时耗能，以及由于需在合金熔炼前将型壳提前放入炉中而导致的型壳大量失热降温，同时，因需提前放入型壳而必须使用砂箱保温，增大了线圈与型壳的距离且砂箱也会有一定的磁场屏蔽作用，减小了型壳所受的磁场强度。因此，本发明相比传统一室真空感应熔炼细化炉，结合了三室型真空感应熔炼炉进行设计，可在保证熔炼室不破真空而持续熔炼的前提下，通过转塔和铸型室来进行填料、放入型壳和电磁振荡处理与取料，从而实现连续生产。型壳仅需包棉保温，在合金熔炼完成后再从焙烧炉拿出，通过铸型室和升降机构快速进入熔炼室进行合金浇注，从而防止型壳失热降温。本发明主要针对扁平件，与三室炉的充分结合，将电磁振荡装置设置在抽拉主轴上，可以随型壳一起在熔炼室和铸型室之间进行托举运动，使型壳在浇注前的熔炼室和浇注后程的铸型室都可以随时进行电磁振荡作用，大大保证了熔炼炉的连续生产。

附图说明

图1为一种实现扁平结构精铸件电磁振荡搅拌的真空熔炼炉示意图；

图2为一种实现扁平结构精铸件电磁振荡搅拌的真空熔炼炉的铸型室示意图；

图3为一种实现扁平结构精铸件电磁振荡搅拌的真空熔炼炉的电磁振荡发生器的正面剖面图；

图4为一种实现扁平结构精铸件电磁振荡搅拌的真空熔炼炉的电磁振荡发生器底座的侧面剖面图。

图5为未进行电磁振荡的铸件晶粒与本发明得到的铸件晶粒对比图；(a)为未进行电磁振荡的铸件晶粒，(b)为通过实现扁平结构精铸件电磁振荡搅拌的真空熔炼炉得到的铸件晶粒。

图中：1测温/加料转塔；2熔炼室；3铸型室；4扩散泵；5机械泵机组一；6机械泵机组二；7感应熔炼炉坩埚；8翻板阀；9抽拉主轴；10电磁振荡发生器；11型壳；12保温盖；13励磁线圈；14振荡器底座；15线圈架；16进电接线柱；17进水口；18出水口。

具体实施方式

以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明作进一步说明。所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，因此本发明的保护范围并不只限于所述内容。

实施例1：

本实施例材料是名义成分为K477的镍基高温合金，本实施例进行K477合金涡轮导向器精铸过程中，能够实现导向器叶片部分的均匀细晶组织制备。

细晶精铸具体实施步骤：

合金熔炼：由扩散泵4、机械泵机组一5、机械泵机组二6进行熔炼室的高真空环境准备，在达到0.02Pa以下时，进行合金熔炼。同时，通过测温/加料转塔1实现合金熔体温度的精确测量。

型壳11的预热及浇注准备：将1100℃保温1h预热后的型壳11放置于抽拉主轴9上方，通过机械泵机组二6进行铸型室3真空环境准备，在达到与熔炼室2一致的真空度时，打开翻板阀8，此时抽拉主轴9上升到感应熔炼坩埚7下部的设定位置，等待浇注。

合金熔体浇注过程：翻转感应熔炼坩埚7，实现合金熔体浇注过程，浇注温度1600℃，浇注时间5～8s。浇注前打开电磁振荡发生器10，设置电磁振荡发生器参数，输入电流为交流电，电流强度为200A，电流频率为20Hz，开始进行合金熔体搅拌，搅拌时间10min。

出炉：合金浇注完毕后，抽拉主轴9下降到铸型室3，关闭翻板阀8，搅拌结束后破开铸型室3真空，实现浇注后型壳11的取出。重复上述操作可实现铸件的连续生产。

上述操作中，熔炼室2可以一直处于熔炼状态，通过测温/加料转塔1添加母料和测温，通过铸型室3放置型壳11和取料。重复上述操作可实现铸件的连续生产。

本实施例可实现涡轮盘导向器的电磁振荡细晶精铸。经电磁振荡精铸后的涡轮盘导向器精铸件与不施加电磁振荡处理的铸件相比，可以观察到叶片处的欠铸几乎消失。对铸件进行荧光和X射线分析，电磁振荡处理后的涡轮盘导向器精铸件的夹杂和疏松均明显减少。对铸件进行宏观腐蚀分析和剖面的微观组织分析，结果为电磁振荡处理后的涡轮盘导向器铸件的晶粒得到明显细化，晶粒尺寸不超过1mm且无明显柱状晶残留。

实施例2：

与实施例1不同的是：本实施例中使用材料的名义成分为K536镍基高温合金，较K477镍基高温合金更为活泼，受电磁振荡效果更为强烈。型壳预温温度、熔炼温度仍为1100℃和1600℃，电流强度为200A，电流频率为30Hz。经电磁振荡精铸后，可以观察到叶片处欠铸明显减少，晶粒组织明显细化，晶粒尺寸不超过0.4mm且无柱状晶残留。

结合以上对本发明的详细描述可以看出，与现有技术相比：

传统的电磁振荡装置以螺旋线的形式缠绕励磁线圈，并将励磁线圈设置在型壳外侧四周，其不仅所产生电磁场较小且只能覆盖到型壳边缘区域，更适用于高度较高的筒形或环形件，但对于需要盘面整体细化的高度很小的扁平件，其所产生的磁场使扁平件无法全部处在较强的电磁场中且高处的磁场完全没有作用，这使得电磁场在金属熔体凝固过程中的作用范围和效果有限，细化效果较差、无法全面细化且产生了大量的无效磁场。本发明相比传统电磁振荡装置，励磁线圈为多层涡状线缠绕在中心的铁芯上的缠绕方式并可以施加变化更为剧烈的不同形式的连续或间歇式脉冲磁场，这种设计可以为扁平件提供一更强的电磁场；同时，将励磁线圈置于型壳下方并线圈宽度大于型壳宽度，大幅减小线圈与型壳距离且各位置与型壳距离相同，使其产生的电磁场可以均匀完全的覆盖扁平件，为扁平件提供一个较强的均匀电磁场，提高了电磁场在金属熔体在凝固过程中的作用效果和范围，而本发明电磁振荡装置采用冷却水浸没线圈的形式进行冷却降温，相比在线圈上方装设水套结构，更进一步的减小了线圈与型壳的距离，有效提高了型壳所受的磁场强度。同时，电磁振荡器产生的磁场只存在于扁平件四周，避免了无效磁场的产生，有效提高了磁场利用率。

传统的熔炼炉为一室真空感应熔炼细化炉且传统电磁振荡装置的电磁发生器位置固定不变，在连续生产中需要不断的破真空和抽真空，不仅能耗高且非常耗时间。另外，型壳由于需要提前放入炉中再进行抽真空和合金熔炼，这会导致型壳失热降温非常严重，而为了尽可能减小失热就必须使用砂箱，这样又会加大线圈与型壳的距离且砂箱也会有一定的磁场屏蔽作用，导致磁场大幅减小。本发明相比传统一室的电磁搅拌细化炉，结合了三室型真空感应熔炼炉进行设计。这种设计可在保证熔炼室不破真空而持续熔炼的前提下，通过转塔和铸型室来进行填料、放入型壳和电磁振荡处理与取料，从而实现连续生产，型壳可在合金熔炼完成后通过铸型室和抽拉机构快速进入熔炼室进行合金浇注。而本发明将电磁振荡装置设置在抽拉主轴上，可以随型壳一起在熔炼室和铸型室之间进行托举运动，使型壳在浇注前的熔炼室和浇注后程的铸型室都可以随时进行电磁振荡作用，大大保证了熔炼炉的连续生产。