專利名稱：金屬熔體螺旋電磁攪拌裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及電磁鑄造和材料電磁加工成型領域，特別是一種金屬連鑄、半固態鑄造和定向凝固過程用金屬熔體螺旋磁場電磁攪拌裝置。
背景技術：
電磁場是自然界中重要的物理場之一，具有許多熱電技術無法比擬的優點，最顯著的特點是其可傳遞熱能和動能給金屬熔體，且熔體和磁場發生器之間不接觸，因而對金屬熔體沒有污染。板坯連鑄是高品質板帶生產流程里至關重要的前提，目前應用在板坯連鑄結晶器部位的電磁感應技術主要有1.旋轉磁場攪拌技術，2.可以實現電磁加速、電磁制動及旋轉電磁攪拌三種功能的電磁控流技術。第一種技術以日本的新日鐵為代表，主要針對鑄坯表面質量和皮下質量的提高。但單一的旋轉磁場對鑄坯內部的熔體影響不大，因而無法有效改變鑄坯內部質量。第二種技術以日本NKK和法國Rotelec為代表，因其可以實現電磁加速與制動，因而適應的鋼種的范圍更廣。可以較好的控制結晶器內鋼液的流動速度與方向，能平緩液面，減輕鋼液流股沖入深度。其不足依然是鋼液的液芯無法被充分攪動。板坯連鑄二冷區與凝固末端的電磁攪拌，多采用周向攪拌，同樣也存在液芯攪拌不充分和內部質量差的問題。如果能在鑄坯連鑄方向上施加行波磁場，則可以控制和調節鋼液在垂直方向的流動，產生強制對流，這不僅可以降低金屬熔體中心與邊部的溫度梯度，提高鑄坯內部質量，同時在結晶器處可以抑制金屬液面波動，降低熔體流股的沖入深度。因而，如何將兩種攪拌磁場的優勢互補，實現板坯螺旋電磁攪拌將是一個新的方向。旋轉磁場加行波磁場的復合攪拌方式，可歸納為旋轉和行波磁場內外疊加、旋轉磁場上下堆疊及行波磁場周向并列三種，該方法的優點是可以在熔體中同時產生周向和徑向的攪拌，綜合為螺旋攪拌。采用此種攪拌方法，不僅可以均衡周向的溫度和溶質分布， 同時在徑向產生的環流也會減小熔體中間和邊部的溫度差，減小偏析，促近等軸晶的形成，進而可以減少熱裂和宏觀偏析，提高產品的質量。這些研究思路體現在公開(公告) 號CN87104014A，名稱為“連續鑄鋼電磁攪拌裝置”和公開(公告)號CN86104510，名稱為“組合式多功能液態金屬電磁攪拌器”的中國發明專利申請案中，以及公開(公告)號 CN87204232，名稱為“螺旋磁場電磁攪拌器”和公開(公告)號CN201476606U，名稱為“坩堝螺旋磁場電磁攪拌器”的中國實用新型專利申請案中。這些專利申請中相關的設備可以歸結為內外疊放式、上下堆疊式和周向并列式三種結構。但這三種結構的組合攪拌都是多繞組，在實際應用都有不便之處。首先是當將兩套裝置內外疊放在一起或者多套裝置上下堆疊或周向并列時，整個設備的尺寸和重量增加了，相應的設備的結構變得復雜，制造成本也增加了。其次，對于內外疊放的螺旋磁場發生器，由于距離的原因，外層裝置對熔體的攪拌效果會明顯降低，同時內層裝置對熔體的屏蔽效應以及兩套電磁感應裝置的相互影響也不能忽略。第三，對于多套裝置堆疊或并列組合的螺旋磁場發生器，電磁力的大小和電磁轉換效率的高低與磁軛的結構、線圈的布置均有很大關系。將多個旋轉磁場發生器上下堆疊在一起，根據電磁流體力學原理，會在金屬熔體中產生垂直方向的行波力，但受到垂直截面上的磁軛排列數目和磁軛背部連續性的影響，該力的大小將遠遠小于周向的旋轉力，因而螺旋攪拌效果會受限。同樣，用行波磁場周向并列形成的螺旋攪拌，在周向的旋轉力會遠低于周向行波力，這都不利于產生有效的螺旋攪拌。

發明內容
本發明提供了一種金屬熔體螺旋磁場電磁攪拌裝置，改善鑄坯金屬熔體的攪拌效^ ο本發明提供的金屬熔體螺旋電磁攪拌裝置其結構包括電磁感應系統、供電系統、 冷卻系統和箱體。電磁感應系統由磁軛組和纏繞在磁軛組上的線圈組成，磁軛組由磁軛背和磁軛端部組成。磁軛端部的側面呈現臺階結構；供電系統包括兩相或三相電源柜及變頻控制柜，線圈通過電源接口由導線連接電源。電源頻率為0. 1 100Hz。為適合復雜的工作環境，導線的絕緣層應耐高溫，抗氧化。進行電磁攪拌時，通過交換電源中的任意兩相的位置改變電磁力兩個分力的方向，水平方向分力可以實現左右的改變，垂直方向的分力可以實現上下的改變；冷卻系統要將電磁攪拌設備自身產生的熱量及環境傳給設備的熱量帶走，以保證設備具有高的電-磁轉換效率。冷卻系統包括箱體上的進水口和出水口，分別通過水管連接水泵和蓄水池，形成冷卻回路。這樣即可保證冷卻效果，同時又便于縮小整體體積。若采用中空銅管材料繞制線圈，則采用內冷方式，在管內通水冷卻；箱體由金屬或非金屬材料薄板制成，比較常用的有奧氏體不銹鋼薄板、高強度有機材料、工程塑料和復合材料等，這些材料可以用來保護內部設備，同時也利于導磁。電磁感應系統經絕緣處理后放置到箱體內。所述的電磁感應系統中磁軛組的高度根據攪拌的對象及設備空間調整，調整范圍在10 5000mm。磁軛端部間縫隙為2 200mm。磁軛與磁軛端面之間以圓弧過渡，有利于導磁。磁軛組依靠絕緣材質的墊塊固定在箱體內。線圈以克蘭姆繞組、重疊繞組或集中繞組布置方式纏繞在磁軛之間的空隙中。所述電磁感應系統的線圈通入兩相或三相交流電，電流在0 100A范圍內。所述箱體采用狹長的結構，方便在連鑄生產線的支撐輥或矯直輥之間的縫隙內安裝使用，同時也便于運輸和更換。所述箱體箱體采用正六邊形或者圓形結構，適應鑄坯為圓坯(圓錠)或方坯(方錠)的金屬熔體螺攪拌。本發明提供的金屬熔體螺旋磁場電磁攪拌裝置工作原理如圖3所示，顯示利用金屬熔體螺旋電磁攪拌裝置11在攪拌板坯10時內部金屬熔體的流動。產生螺旋攪動的原理如圖4所示。眾所周知，交變電流產生的磁場會從一個磁軛端部移動到另一個磁軛端部，其路徑垂直于磁軛端間的空隙。由移動磁場與感生電流相互作用產生的電磁力F則與磁場移動的方向一致。圖4中(a)顯示了當磁場從一個磁軛端部4移向另一個磁軛端部時，導體中產生的電磁力FR水平指向右側，定義其為旋轉電磁攪拌力。同理垂直方向的FT力的產生如圖4中(b)所示，定義其為垂直方向的行波攪拌力。 若將兩個線圈及線圈所纏繞的磁軛進行整合，構成如圖4中(c)所示的結構，根據電磁流體力學原理，則同樣可以產生FR和FT。FR可以推動金屬熔體沿著鑄坯周向運動，而FT會使金屬熔體沿著鑄坯連鑄方向(軸向)運動，這兩種運動的結合，即形成了螺旋式流動。如果板坯較厚，則可以在鑄坯兩側都放置螺旋電磁攪拌器，可以在熔體橫截面上形成大回流，如圖 5中(a)所示，而在鑄坯窄面上形成單一的環流或者兩個環流，如圖5中(b)和(c)所示。本發明提供的金屬熔體螺旋磁場電磁攪拌裝置與現有同類裝置相比，其顯著的有益效果體現在1.設備結構簡單，利用一組線圈繞組即可產生螺旋攪拌磁場，實現對金屬熔體的螺旋電磁攪拌。2.應用范圍廣，在連鑄機的結晶器、二冷區和凝固末端都適用，同時也適用于模鑄、半固態鑄造等。在連鑄結晶器(或鑄型)安裝螺旋電磁攪拌器，周向的電磁攪拌可以使凝固坯殼厚度均勻；通過軸向電磁攪拌，可以抑制液面波動，減緩流股沖入深度和促進夾雜物上浮去除，同時可以降低熔體內外溫差。在二冷區和凝固末端施加螺旋電磁攪拌，可以降低熔體內的溫度梯度，提高鑄坯等軸晶率10% 30%以上，降低甚至消除鑄坯中部縮孔、 縮松，減少成分偏析。3.采用本攪拌裝置，不僅可以均衡周向的溫度和溶質分布，同時在徑向產生的環流也會減小熔體中間和邊部的溫度差，減小偏析，促進等軸晶的形成及細化晶粒，促進夾雜物上浮，進而可以減少熱裂和宏觀偏析等鑄坯(錠)缺陷，提高連鑄坯和鑄錠的內外質量。


圖1.用于鑄坯為板坯或扁錠的金屬熔體螺旋電磁攪拌裝置結構的主視圖示意圖。圖中AX、BY、CZ為三相對稱繞組線圈，其中A(B、C)輸入，X(Y、Z)輸出。圖2.用于鑄坯為板坯或扁錠的金屬熔體螺旋電磁攪拌裝置結構的俯視圖示意圖。圖3是金屬熔體螺旋電磁攪拌器對連鑄板坯一側施加螺旋電磁攪拌時金屬熔體的流動示意圖。圖4.電磁力扭轉原理示意圖。圖5是兩側均安放螺旋電磁攪拌器時熔體內部的流動示意圖，其中圖中(a)為鑄坯橫截面環流；圖中(b)為鑄坯窄面縱截面單環流；圖中(c)為鑄坯窄面縱截面對流。圖6.用于鑄坯為圓坯(圓錠)或方坯(方錠)的金屬熔體螺旋電磁攪拌裝置結構示意圖。圖7.不同攪拌條件時鋁合金凝固的微觀組織金相照片。圖8.有無攪拌時純銅凝固的宏觀組織照片。
具體實施例方式如圖1、圖2、圖6所示，電磁感應系統由磁軛組和套在磁軛組上的線圈1組成，磁軛組由磁軛背3和與磁軛背連接的1 8組磁軛端部4組成，磁軛端部4的側面呈現臺階狀結構，能夠產生垂直和水平方向的電磁力。電磁感應系統中磁軛的高度在10 5000mm。 磁軛端部間縫隙為2 200mm。磁軛與磁軛端部之間以圓弧過渡，有利于導磁。磁軛組依靠絕緣材質的上墊塊2和下墊塊5固定在箱6內。線圈用銅導線或中空銅管纏繞而成。線圈1以克蘭姆繞組、重疊繞組和集中繞組布置方式纏繞在磁軛之間的空隙。電磁感應系統的線圈通入兩相或三相交流電，電流在0 100A范圍內調節。供電系統包括兩相或三相電源柜及變頻控制柜，線圈通過電源接口 9由導線連接電源。電源頻率的選取與熔體的物性和尺寸有關，為0. 1 100Hz。冷卻系統包括箱體上的進水口 7和出水口 8，分別通過水管連接水泵和蓄水池，形成冷卻回路。若采用中空銅管材料繞制線圈，則采用內冷方式，在管內通水冷卻。箱體6由金屬或非金屬材料薄板制成，包括有奧氏體不銹鋼薄板、高強度有機材料、工程塑料和復合材料，電磁攪拌系統經絕緣處理后放置到箱體內。用于鑄坯為圓坯(圓錠)或方坯(方錠)的金屬熔體螺旋電磁攪拌裝置的實施例如圖6所示，金屬熔體螺旋電磁攪拌裝置的結構如下(一)電磁感應系統由一組線圈1繞組和硅鋼材質的磁軛組組成。線圈1由中空銅導線繞制成，中空導線內通冷卻水冷卻，線圈1所通電流在0 100A范圍內。磁軛端部4呈階梯狀，螺旋角度為15° -75°，優選螺旋角度為35°，磁軛組的高度為80mm，每個磁軛端部4臺階高12mm， 寬度6mm。共有六個磁軛端部，相應的磁軛背3首尾連接，組成正六邊形。磁軛組依靠絕緣材質的下墊塊5固定在箱體6內。(二)供電系統供電系統由三相電源柜及變頻控制柜組成。線圈通過電源接口 9用星形或角形接法連接三相電源，每相繞組間相位相差120°。電源頻率在1 100Hz。進行電磁攪拌時， 通過交換三相電源中的任意兩相的位置可以實現水平方向的順時針或逆時針攪拌以及改變垂直方向電磁力的方向。(三)冷卻系統每個線圈的兩端分別用絕緣膠管首尾相連，再分別與水泵的出水口和蓄水池相連，形成冷卻回路。(四)箱體箱體選用透磁性好的不銹鋼，用螺栓固定，磁軛組的內徑為160mm。所攪拌的金屬熔體的直徑或對角線長度在150mm內。電磁感應系統采用六邊形，箱體為正六邊形或者圓形，盛放電磁感應系統。用于鑄坯為板坯或扁錠的金屬熔體螺旋電磁攪拌裝置的實施例如圖1和2所示，金屬熔體螺旋電磁攪拌裝置的結構如下(一)電磁感應系統電磁感應系統由一組具有高的飽和磁感應強度、高導磁率的磁軛組和纏繞在磁軛組上的線圈1組成。磁軛組由磁軛背3和磁軛端部4組成，排成直線。磁軛端部4呈臺階狀，每個臺階高30mm，寬20mm。磁軛組高200mm。共有七個磁軛端部臺階沿直線排列，磁軛組依靠絕緣材質的上墊塊2和下墊塊5固定在箱體6內。線圈1通入兩相或三相交流電， 線圈所通電流在0 100A范圍內。(二)供電系統供電系統包括兩相或三相電源柜及變頻控制柜。線圈1通過電源接口 9由導線連接電源。電源頻率在1 100Hz。進行電磁攪拌時，通過交換電源中的任意兩相的位置可以改變電磁力兩個分力的方向，水平方向分力可以實現左右的改變，垂直方向的分力可以實
6現上下的改變。(三)冷卻系統箱體6上的進水口 7和出水口 8分別通過水管連接水泵和蓄水池，形成冷卻回路。(四)箱體箱體6用奧氏體不銹鋼薄板制成，箱體形狀為直線型。本發明提供的金屬熔體螺旋電磁攪拌器實驗情況如下1.板坯用金屬熔體螺旋電磁攪拌器由于板坯用金屬熔體螺旋電磁攪拌器的攪拌機理與圓坯用螺旋攪拌器的相同，因而這里通過實驗對比了無磁場攪拌，分別施加傳統旋轉攪拌磁場和螺旋攪拌磁場攪拌的攪拌效果。合金成分為Al-12Si-2.3Ni-3.3Cu(質量百分比)。實驗所用攪拌器參數、合金的物性參數以及澆注條件見表1。表1.金屬熔體螺旋電磁攪拌器參數以及澆注條件
權利要求
1.一種金屬熔體螺旋電磁攪拌裝置，其特征在于該裝置結構包括電磁感應系統、供電系統、冷卻系統和箱體，電磁感應系統由磁軛組和纏繞在磁軛組上的線圈組成，磁軛組由磁軛背和磁軛端部組成，磁軛端部的側面呈現臺階結構；供電系統包括兩相或三相電源柜及變頻控制柜，線圈通過電源接口由導線連接電源，電源頻率為0. 1 IOOHz ；冷卻系統包括箱體上的進水口和出水口，分別通過水管連接水泵和蓄水池，形成冷卻回路；若采用中空銅管材料繞制線圈，則采用內冷方式，在管內通水冷卻；箱體由金屬或非金屬材料薄板制成，電磁感應系統經絕緣處理后放置到箱體內。
2.根據權利要求1所述的金屬熔體螺旋電磁攪拌裝置，其特征在于電磁感應系統中磁軛組的高度為10 5000mm，磁軛端部間縫隙為2 200mm，磁軛與磁軛端面之間以圓弧過渡，磁軛組依靠絕緣材質的墊塊固定在箱體內，線圈以克蘭姆繞組、重疊繞組或集中繞組布置方式纏繞在磁軛之間的空隙中。
3.根據權利要求1所述的金屬熔體螺旋電磁攪拌裝置，其特征在于電磁感應系統的線圈通入兩相或三相交流電，電流為0 100A。
4.根據權利要求1所述的金屬熔體螺旋電磁攪拌裝置，其特征在于所說的箱體采用狹長的結構。
5.根據權利要求1所述的金屬熔體螺旋電磁攪拌裝置，其特征在于所說的箱體采用正六邊形或者圓形結構。
全文摘要
本發明公開了一種金屬熔體螺旋磁場電磁攪拌裝置，有效改善鑄坯金屬熔體的攪拌效果。該裝置結構包括電磁感應系統、供電系統、冷卻系統和箱體。電磁感應系統由磁軛組和纏繞在磁軛組上的線圈組成；供電系統包括兩相或三相電源柜及變頻控制柜；冷卻系統包括箱體上的進水口和出水口，分別通過水管連接水泵和蓄水池，形成冷卻回路；箱體由金屬或非金屬材料薄板制成。電磁感應系統經絕緣處理后放置到箱體內。本發明設備結構簡單，應用范圍廣，采用本攪拌裝置，促進等軸晶的形成及細化晶粒，促進夾雜物上浮，進而可以減少熱裂和宏觀偏析等鑄坯(錠)缺陷，提高連鑄坯和鑄錠的內外質量。
文檔編號B22D11/115GK102554165SQ201210005310
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者侯忠霖, 李久慧, 李娜, 李激光, 李勝利, 沙明紅 申請人:遼寧科技大學