一種液面擾動裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及金屬凝固細化【技術領域】，具體為一種金屬熔體液面擾動裝置。該裝置由脈沖電源（1）、導體（4）、振蕩線圈（5）、冷卻通道（6）、升降系統包括升降機（7）、剛性直桿（8）和轉盤（9）組成；脈沖電源（1）通過導體（4）與振蕩線圈（5）連接，升降機（7）底部固定在轉盤（9）上，轉盤（9）固定在脈沖電源（1）頂上，剛性直桿（8）的一端固定在升降機上，振蕩線圈（5）固定在剛性直桿（8）的另一端，振蕩線圈（5）中有冷卻通道（6），脈沖電源產生的脈沖電流通過導體流入振蕩線圈，激發脈沖磁致振蕩作用于金屬熔體液面上。采用擾動熔體液面處理方式，操作簡單，移動靈活，安全可靠，有效作用時間長，體積小，成本低，適合于大規模工業生產。
【專利說明】一種液面擾動裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種細化金屬凝固組織的液面擾動裝置，屬于金屬凝固組織控制技術裝備領域。
【背景技術】
[0002]金屬材料的性能取決于材料的宏觀及微觀組織，通過控制和改變凝固組織可以達到改善材料性能的目的。金屬凝固組織取決于對凝固過程的控制。控制金屬凝固過程的研究一直是材料科學工作者研究的重點，特別是對金屬凝固組織細化的研究成為改善金屬力學性能和工藝性能的重要手段，是材料科學領域中長久不衰的研究重點。細化金屬凝固組織的傳統方法主要有化學細化法和物理細化法及工藝方法等。其中化學細化法是向液態金屬中添加孕育劑、變質劑等以增加形核質點或抑制晶核長大，這種方法對金屬凝固組織的細化效果顯著，使其成為生產中廣泛應用的金屬組織細化方法，這種方法不但在處理過程造成對環境的污染，而且添加物質還會對金屬液造成污染，影響了材料的可回用性，從而增加了材料的環境負荷。物理細化法主要采用機械攪拌、電磁攪拌等，使液態金屬產生強烈的對流，導致枝晶的折斷和破碎，達到晶核增殖。但強烈攪拌使金屬液上下翻動，這樣也易于卷入空氣和其它的一些氧化夾雜物，對金屬液造成不可避免的污染。
[0003]由此可見，利用傳統的凝固細晶方法對于提高金屬的性能存在一些不足。近年來，脈沖物理場作用下凝固作為一種新型凝固技術引起越來越多的關注。研究表明，脈沖物理場可對金屬凝固組織產生顯著的細化作用。脈沖電流可以有效細化金屬凝固組織，但是由于脈沖電流導入過程中需要電極與金屬液接觸，使工業應用時給操作者帶來不便。脈沖磁場具有非接觸特點，便于操控。但是脈沖磁場的磁感應強度高，容易引起金屬液飛濺，且脈沖磁場的儲能電壓過高，安全性差，在工業生產中推廣應用困難。
實用新型內容
[0004]本實用新型專利的目的在于提供一種體積小、移動靈活、安全可靠的脈沖磁致振蕩液面擾動裝置，以控制金屬凝固過程，獲得細化的凝固組織，解決現有脈沖電流技術的導入問題和脈沖磁場技術中電源功率過高，安全可靠性差等問題。
[0005]本實用新型的技術方案如下:
[0006]一種液面擾動裝置，該裝置由脈沖電源、導體、振蕩線圈、冷卻通道、升降系統包括升降機、剛性直桿和轉盤組成；脈沖電源通過導體與振蕩線圈連接，升降機底部固定在轉盤上，轉盤固定在脈沖電源頂上，剛性直桿的一端固定在升降機上，振蕩線圈固定在剛性直桿的另一端，振蕩線圈中有冷卻通道，脈沖電源產生的脈沖電流通過導體流入振蕩線圈，激發脈沖磁致振蕩作用于金屬熔體液面上。
[0007]所述的液面擾動裝置，為了避免振蕩線圈承受高溫，在振蕩線圈上裝有冷卻通道，冷卻通道設置在組成振蕩線圈的導體內，或者冷卻通道設置在組成振蕩線圈的導體外，或者冷卻通道設置在組成振蕩線圈的導體內外均有。所述的振蕩線圈還可以為兩個及兩個以上振蕩線圈串聯或并聯。
[0008]所述的液面擾動裝置，為了避免振蕩線圈電阻過大，產生大量的熱和消耗更多能量，振蕩線圈選取銅或高導電性的物質制作，且用中空或實心導體制成。
[0009]所述的液面擾動裝置，由于金屬熔體液面的形狀各異，振蕩線圈的外廓形狀可以為圓形、橢圓形、長方形、三角形、正方形及多邊形(邊數大于4)。
[0010]所述的液面擾動裝置，金屬熔體凝固過程中，液面會逐漸下降，為了提高擾動效果，將振蕩線圈固定在升降系統上，可以隨時跟蹤液面變化，保持最佳的處理間距。同時，也可以改變振蕩線圈的匝數和層數(層數為2層及2層以上蚊香型線圈重疊組成)。振蕩線圈為蚊香型線圈，線圈的匝數為疒200，層數為廣50。優選的振蕩線圈的匝數為5飛0，層數為I ?10。
[0011]所述的液面擾動裝置，為了解決金屬熔體液面過大問題，可以將多個振蕩線圈水平連接在一起，增大處理面積。
[0012]本實用新型具有以下特點:
[0013]1、本實用新型可顯著細化金屬材料的凝固組織。
[0014]2、本實用新型處理金屬液時金屬液面平穩。
[0015]3、本實用新型結構多樣，操作安全可靠。
[0016]4、本實用新型結構簡單、體積小，成本低，適用范圍廣。
[0017]5、本實用新型是非接觸式處理，不會對金屬熔體產生污染。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為液面擾動細化金屬凝固組織裝置示意圖。
[0019]圖中:1.脈沖電源，2.金屬熔體，3.鑄型，4.導體，5.振蕩線圈，6.冷卻通道，7.升降機，8.剛性直桿，9.轉盤。
[0020]圖2為外廓為圓形蚊香型線圈。
[0021]圖3為外廓為方形蚊香型線圈。
[0022]圖4為單線圈液面擾動處理下45鋼宏觀凝固組織。
[0023]圖5為雙線圈液面擾動處理下65Mn鋼宏觀凝固組織。
[0024]圖6為液面擾動處理下純鋁宏觀凝固組織。
【具體實施方式】
[0025]本實用新型如圖1所示，主要包括:該裝置由脈沖電源1、導體4、振蕩線圈5、冷卻通道6、升降系統包括升降機7、剛性直桿8和轉盤9組成；脈沖電源通過導體與振蕩線圈連接，升降機底部固定在轉盤上，轉盤固定在脈沖電源頂上，剛性直桿的一端固定在升降機上，振蕩線圈固定在剛性直桿的另一端，振蕩線圈中有冷卻通道，脈沖電源產生的脈沖電流通過導體流入振蕩線圈，激發脈沖磁致振蕩作用于金屬熔體液面上。
[0026]脈沖電源，主要通過RLC放電電路，為振蕩線圈供應脈沖電流,改變電容的串聯數量，可以調節脈沖電流的波形和輸出功率。
[0027]振蕩線圈，不僅可實現對脈沖電流到脈沖磁致振蕩的轉變，還是直接將脈沖磁致振蕩施加到熔體液面上的作用終端。因此，振蕩線圈的外廓形狀、匝數、層數、材質等都對處理效果產生重大影響。振蕩線圈主要選擇銅線或其它高導電性線材(中空或實心)繞制而成，繞制方法與蚊香的盤旋方式相似，故叫做蚊香型線圈，匝數即繞著中心孔的中垂線幾圈即為幾匝，層數亦是幾個線圈中垂線重合疊加在一起即為幾層，本實用新型匝數為2?200，層數為f 50。金屬熔體的液面大小和形狀都不固定，振蕩線圈可以將外廓形狀改為圓形、橢圓形、長方形、三角形、正方形或多邊形，也可將多個振蕩線圈在同一平面上鋪開同時處理，以增加處理面積。
[0028]振蕩線圈工作時，處在熔體液面上方lmnT300mm之間，由于溫度高，加上本身存在電阻發熱，巨大的熱能容易使振蕩線圈損毀。因此，在振蕩線圈內設有冷卻系統，冷卻系統工作方式主要是在中空的銅管內部或外部絕緣后通冷卻介質，也可以是實心銅線外部絕緣后通冷卻介質。
[0029]升降系統也是本實用新型專利重要組成部分，振蕩線圈在處理熔體液面時，隨時要移動振蕩線圈，保持最佳的水平位置和垂直間距，因此，將振蕩線圈固定在升降系統上，升降系統主要由升降機、轉盤及剛性直桿組成，可實現對振蕩線圈左右、上下自由移動。
[0030]本實用新型專利采用液面擾動方式，具有操作方便，款式多樣，安全可靠，在金屬凝固過程中有效作用時間長，可充分發揮脈沖磁致振蕩對金屬凝固組織的控制作用，并且裝置體積小，成本低，移動靈活，適合于各種規模工業生產。
[0031]以下結合實施例對本實用新型做詳細說明。
[0032]實施例1
[0033]實驗過程如下:鑄錠材料為45鋼，在熔煉爐內熔化并精煉，1500°C保溫30分鐘，保證熔體溫度均勻，待澆注。將振蕩線圈(振蕩線圈為圓形外廓，匝數為24，層數為2)置于預熱至400°C的鑄模上方，并在冷卻通道中通入冷卻介質，開始澆注。澆注完畢后立即啟動脈沖電源和升降機，調節參數:頻率117Hz，電流14000A，轉動轉盤隨時調整振蕩線圈與熔體液面的間距為3cm，使熔體在脈沖磁致振蕩作用下凝固。凝固結束后，關閉脈沖電源，停止處理。
[0034]圖4下半部為未施加脈沖磁致振蕩處理的45鋼凝固組織，發達的樹枝晶縱橫交錯，枝晶長度較長。圖4上半部為施加脈沖磁致振蕩處理的45鋼凝固組織，枝晶長度較未處理的試樣明顯變短，且均勻細化。
[0035]實施例2
[0036]實驗過程如下:鑄錠材料為65Mn鋼，在熔煉爐內熔化并精煉，1600°C保溫30分鐘，保證熔體溫度均勻，待澆注。將振蕩線圈置于預熱至400°C的鑄模上方，由于鑄模液面面積較大，振蕩線圈由兩個相同振蕩線圈串聯組合(振蕩線圈為圓形外廓，匝數為20，層數為4)，并在冷卻通道中通入冷卻介質，開始澆注。澆注完畢后立即啟動脈沖電源和升降機，調節參數:頻率172Hz，電流13000A，轉動轉盤隨時調整振蕩線圈與熔體液面的間距為3cm，使熔體在脈沖磁致振蕩作用下凝固。凝固結束后，關閉脈沖電源，停止處理。
[0037]圖5所示為65Mn鋼鑄錠芯部宏觀組織，下半部為未施加脈沖磁致振蕩處理的65Mn鋼凝固組織，枝晶臂粗大。圖5上半部為施加脈沖磁致振蕩處理的65Mn鋼凝固組織，枝晶長度明顯縮短，晶粒細小均勻。
[0038]實施例3
[0039]實驗過程如下:鑄錠材料為工業純鋁(99.9%)，在感應爐內熔化，720°C保溫30分鐘，保證熔體溫度均勻，待澆注。將振蕩線圈置于預熱至200°C的石英砂鑄模上方(振蕩線圈為方形外廓，匝數為14，層數為1)，并在冷卻通道中通入冷卻介質，開始澆注。澆注完畢后立即啟動脈沖電源和升降系統，調節參數:頻率242Hz，電流4300A，轉動轉盤隨時調整振蕩線圈與熔體液面的間距為1cm，使熔體在脈沖磁致振蕩作用下凝固。凝固結束后，關閉脈沖電源，停止處理。
[0040]圖6所示為純鋁鑄錠宏觀凝固組織，左邊為未施加脈沖磁致振蕩處理的試樣，凝固組織為粗大的柱狀晶。右邊為施加脈沖磁致振蕩處理的試樣，凝固組織全為均勻細小的等軸晶。
[0041]實施例結果表明，本實用新型采用液面擾動方法作用于金屬的凝固過程，能夠對凝固組織產生顯著的細化作用，為推動液面擾動脈沖磁致振蕩技術的發展和應用提供技術基礎。
【權利要求】
1.一種液面擾動裝置，其特征在于:該裝置由脈沖電源(I)、導體(4)、振蕩線圈(5)、冷卻通道(6)和升降系統組成；升降系統包括升降機(7)、剛性直桿(8)和轉盤(9)，脈沖電源(I)通過導體(4)與振蕩線圈(5)連接，升降機(7)底部固定在轉盤(9)上，轉盤(9)固定在脈沖電源(I)頂上，剛性直桿(8)的一端固定在升降機上，振蕩線圈(5)固定在剛性直桿(8)的另一端，振蕩線圈(5)中有冷卻通道(6)，脈沖電源產生的脈沖電流通過導體流入振蕩線圈，激發脈沖磁致振蕩作用于金屬熔體液面上。
2.按權利要求1所述的液面擾動裝置，其特征在于:振蕩線圈由銅或高導電性物質制成，且用中空或實心導體制成。
3.按權利要求1所述的液面擾動裝置，其特征在于:冷卻通道(6)設置在組成振蕩線圈的導體內，或者冷卻通道(6)設置在組成振蕩線圈的導體外，或者冷卻通道(6)設置在組成振蕩線圈的導體內外均有。
4.按權利要求1所述的液面擾動裝置，其特征在于:所述的振蕩線圈為兩個及兩個以上振蕩線圈串聯或并聯。
5.按權利要求1所述的液面擾動裝置，其特征在于:振蕩線圈為蚊香型線圈，線圈的匝數為2?200,層數為I?50。
6.按權利要求1所述的液面擾動裝置，其特征在于:振蕩線圈的匝數為5飛0，層數為I ?10。
7.按權利要求1所述的液面擾動裝置，其特征在于:振蕩線圈的外廓為圓形。
8.按權利要求1所述的液面擾動裝置，其特征在于:振蕩線圈的外廓為橢圓形。
9.按權利要求1所述的液面擾動裝置，其特征在于:振蕩線圈的外廓為三角形、正方形、長方形及多邊形中的一種，多邊形的邊數大于4。
【文檔編號】B22D27/02GK203972826SQ201420157232
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年4月2日 優先權日:2014年4月2日
【發明者】翟啟杰, 徐智帥, 龔永勇, 李仁興, 仲紅剛 申請人:上海大學