本發明屬于金屬材料熱加工技術領域，具體涉及一種高效無污染的鑄造熔體均細處理裝置及方法。
背景技術：
在冶金、鑄造等工業領域的某些場合下，需要對鑄造的金屬熔體添加一些“添加劑”(如合金元素、細化劑、復合材料等)，或對鑄造的金屬熔體施加各種“攪拌”(目的是獲得“均質熔體”或“半固態漿料”用于流變鑄造)。
一般，鑄造熔體中添加劑的加入是預先在熔煉保溫爐內一次完成的。由于合金熔液量大且等候鑄造時間長，極易出現成分偏析、添加物效果衰退等問題。而作為“實時”添加方法典型代表的“喂絲”技術，也一直延用幾乎是“靜態”的喂給，存在著熔解慢、熔解不均勻等問題。如果對即將鑄造的金屬熔體“實時”加入添加劑，并且“實時”進行攪動，就能解決以上難題。
近年來，為了制造出細晶、致密的高品質鑄件，對鑄造熔體施加各種外場攪拌的研究與應用日益增多。其中，作為技術核心的攪拌器構件，也出現了使用壽命低、污染金屬、難清理等諸多問題。
以自熔解、零污染、無需清理的添加劑絲材充當熔體攪拌器，將實時加入添加劑和攪拌兩個熔體處理過程巧妙合二為一，一并解決了兩個過程中目前存在的普遍問題，是本發明的主要創新。
技術實現要素：
本發明針對現有熔體攪拌器壽命短、污染金屬的不足，提供了一種高效無污染的鑄造熔體均細處理裝置及方法，其特征在于，該裝置由送絲/退絲機構1、添加劑絲材或棒材2、擾動驅動機構3、加熱器4、絲材或棒材端頭5、熔體容腔6組成，其中，所述添加劑絲材或棒材2位于熔體容腔6的中線8上；所述擾動驅動機構3位于送絲/退絲機構1與絲材或棒材端頭5之間；加熱器4位于擾動驅動機構3與熔體液面7之間；所述絲材或棒材端頭5定量浸入鑄造熔體液面7以下。
所述添加劑絲材或棒材2為1根或多根，由添加劑或其中間合金制成，其中，添加劑為熔體所需的同類合金、合金元素、細化劑、變質劑、精煉劑、復合材料中的一種或多種。
所述添加劑絲材或棒材2的橫截面形狀為圓形、橢圓形、矩形、菱形、三角形中的一種。
所述擾動驅動機構3能控制絲材或棒材端頭5在鑄造熔體中進行旋轉、圓周攪動、線性搖動、振動動作中的一種或多種。
所述加熱器4的加熱方式為電阻加熱、感應加熱、火焰加熱中的一種；加熱器將液面上方的絲材或棒材預熱到低于絲材固相線的溫度。
所述絲材或棒材端頭5為直的|形、彎曲的L形、倒T形、C形、S形、O形中的一種。
所述熔體容腔6配置有液面擾動隔離裝置。
一種高效無污染的鑄造熔體均細處理的方法，包括如下步驟：
(1)將添加劑或其中間合金材料預制成絲材或棒材；
(2)根據絲材或棒材端頭在熔體中的動作，對絲材或棒材進行二次加工；
(3)預熱絲材或棒材到設定溫度，將絲材或棒材端頭定量地侵入鑄造熔體中，在擾動驅動機構的控制下，絲材或棒材端頭在熔體中進行定時或連續的旋轉、圓周攪動、線性搖動、振動的擾動動作，使添加劑絲材或棒材均勻溶解，同時絲材或棒材端頭還兼當攪拌器對金屬熔體進行了溫度、成份的均勻化處理，使熔體內所有溶質彌散均勻化；
(4)熔體進行間歇式或連續式流變鑄造，獲得均勻細小、優良致密的鑄件凝固組織。
步驟(2)中，當驅動機構帶動絲材或棒材端頭在熔體中進行旋轉動作時，將絲材切取成定量的小段，并將小段的一端彎曲成L形、倒T形、C形、S形、O形中的一種，另一端與驅動機構連接，隨著絲材或棒材端頭攪動時的熔解消耗，需適時更換另一段絲材或棒材；當驅動機構帶動絲材端頭在熔體中進行如攪動、搖動、振動的簡單動作時，無需剪切或對絲材或棒材端頭進行彎曲，整卷絲材或棒材可在送絲/退絲機構牽引下，依次穿過擾動驅動機構和加熱器，定量、連續地送入熔體中，使絲材或棒材端頭在熔體中保持定量長度。
本發明的優點是：以同類合金或是熔體所需的添加劑元素制成絲材作為攪拌器，完全解決了攪拌器與熔體的交互污染問題；本發明將加入添加物和攪動均勻化處理的工藝過程有機結合起來，還極大增加了添加劑的添加速度。
附圖說明
圖1為一種高效無污染的鑄造熔體均細處理裝置示意圖。
具體實施方式
本發明提供了一種高效無污染的鑄造熔體均細處理裝置及方法，下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
圖1為一種高效無污染的鑄造熔體均細處理裝置示意圖，該裝置由由送絲/退絲機構1、添加劑絲材或棒材2、擾動驅動機構3、加熱器4、絲材或棒材端頭5、熔體容腔6組成，其中，所述添加劑絲材或棒材2為1根或多根，位于熔體容腔6的中線8上；所述擾動驅動機構3位于送絲/退絲機構1與絲材或棒材端頭5之間；加熱器4位于擾動驅動機構3與熔體液面7之間；所述絲材或棒材端頭5定量浸入鑄造熔體液面7以下。
添加劑絲材或棒材2是由添加劑或其中間合金通過鑄造、包覆、粘結、充填、壓實等方式經擠壓、拉拔制成，可具有特殊的橫截面，不同橫截面的絲材或棒材具有不同的攪動效果，菱形或三角形橫截面的絲材對熔體攪動的“剪切”作用較強；矩形橫截面則是“擊打”作用較強；圓滑橫截面的擊打作用相對緩和、阻力較小。
送絲/退絲機構1是將添加劑絲材或棒材2侵入或抽出熔體液面7，在連續鑄造的情況下，隨著絲材或棒材端頭5在熔體中持續擾動的熔解消耗，它能將整卷絲材源源不斷地連續送入熔體中。
擾動驅動機構3位于送絲/退絲機構1與絲材或棒材端頭5之間，夾持著添加劑絲材或棒材2，提供動力并控制絲材或棒材端頭5對熔體攪動的動作方式與運動軌跡，絲材或棒材端頭5的動作方式為以中線8為軸的旋轉、圍繞中線8的圓周攪動、偏離中線8的線性搖動、在中線8附近的振動。
加熱器4位于驅動機構3與熔體液面7之間，它將液面7上方的絲材或棒材預熱到未熔化的溫度，避免供絲時熔體局部降溫，也促進了絲材或棒材熔解效率，加熱器4對絲材或棒材2的加熱方式可以是電阻加熱、感應加熱、火焰加熱。
絲材或棒材端頭5一般是直的|形(如圖1)、定量地浸入到鑄造熔體中，在間歇式鑄造場合，絲材或棒材端頭彎曲成L形、倒T形、C形、S形、O形狀，以增加攪動效果。
熔體容腔6配合液面擾動隔離裝置可有效防止液面的氧化和卷氣。
實施例1
采用本方法進行鋁合金均質細晶連續鑄造：首先將含有鋁合金晶粒細化劑或合金元素的鑄造中間合金制成圓形截面絲棒材；采用兩卷絲材2，分別在獨立的送絲/退絲機構1牽引下，穿過如圖裝置的擾動驅動機構3和加熱器4；當流槽內的鑄造熔體溫度和絲材預熱溫度達到設定溫度時，將絲材端頭5定量連續地地侵入流槽或導流管處的鑄造熔體中，同時，在擾動驅動機構3的控制下，使絲材端頭5在熔體中進行連續的擾動動作，造成絲材的均勻溶解。特別是，絲材端頭還能兼當攪拌器對金屬熔體進行溫度(熔體液相線溫度±50℃)、成份(Al-Ti-B:0.2wt％-2wt％；稀土元素：0.2wt％-10wt％)的均勻化處理，使熔體內的合金元素、細化劑等所有溶質彌散均勻化，最終獲得均勻細小、優良致密的鑄件凝固組織。連續鑄造過程中，隨著絲材端頭5的持續熔解消耗，送絲/退絲機構連續供絲進行補充，使浸沒在熔體中的絲材端頭5始終保持定量長度；同時，擾動驅動機構3帶動絲材端頭5持續攪動，加熱器4也持續工作以預熱正在浸入液面的絲材，直至連鑄結束時，停止攪動并退出絲材。
實施例2
采用本方法進行鋁基復合材料連續制備：首先將含有復合材料顆粒(SiC:1wt％-20wt％；Al2O3：1wt％-20wt％)或合金元素(稀土元素：0.2wt％-10wt％)的鑄造鋁基中間合金(或將復合材料顆粒用鋁箔包覆、在鋁管內進行充填壓實等方式制成的預復合材料)制成圓形截面的絲棒材；采用四卷絲材2，分別在獨立的送絲/退絲機構1牽引下，穿過如圖裝置的擾動驅動機構3和加熱器4；當流槽內的鑄造熔體溫度和絲材預熱溫度達到設定溫度時，將絲材端頭5定量連續地地侵入流槽或導流管處的鑄造熔體中，同時，在擾動驅動機構3的控制下，使絲材端頭5在熔體中進行連續的擾動動作，造成復合材料絲材在熔體中均勻釋放。特別是，絲材端頭5還能兼當攪拌器對金屬熔體進行溫度(熔體液相線溫度±50℃)、成份(SiC:1wt％-20wt％；Al2O3：1wt％-20wt％；稀土元素：0.2wt％-10wt％)的均勻化處理，使熔體內的復合材料(SiC、Al2O3、稀土元素)彌散均勻化，連鑄獲得均勻致密的復合材料組織；連續鑄造過程中，隨著絲材端頭5的持續釋放消耗，送絲/退絲機構1連續供絲進行補充，使浸沒在熔體中的絲材端頭5始終保持定量長度；同時，擾動驅動機構3帶動絲材端頭5持續攪動，加熱器也持續工作以預熱正在浸入液面的復合材料絲材，直至連鑄結束時，停止攪動并退出絲材。
實施例3
采用本方法進行鋁合金均質細晶流變壓鑄：首先將含有細化劑、合金元素、復合材料添加物的材料預制成圓形截面的絲棒材；采用一卷絲材2，在送絲/退絲機構1牽引下，穿過如圖裝置的擾動驅動機構3和加熱器4；當取湯勺內的熔體溫度和絲材預熱溫度達到設定溫度時，將絲材端頭5定量地侵入熔體中，同時，在擾動驅動機構3的控制下，使絲材端頭5在熔體中進行連續的擾動動作，造成添加物絲材的均勻溶解。特別是，絲材端頭還能兼當攪拌器對湯勺內的鑄造熔體進行溫度、成份的均勻化處理，使熔體內的合金元素、細化劑、復合材料所有溶質彌散均勻化；攪動一定的時間或到達熔體設定溫度后，通過送絲/退絲機構1抽出絲材，迅速澆注湯勺中的熔體進行流變壓鑄，最終獲得均勻細小、優良致密的鑄件凝固組織，實施過程中，雖然每次鑄造后絲材端頭5都有熔解消耗，但下一次都是定量地浸入鑄造熔體中。