CN101698221A - 磁场集聚型切缝式铝合金电磁结晶器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁场集聚型切缝式铝合金电磁结晶器，电磁线圈置于U形硅钢片内，U形硅钢片设置在结晶器本体的水腔中，将水腔分割成相互独立的外水腔和内水腔，U形硅钢片的U形口朝向结晶器本体的内壁，电磁线圈上部的硅钢片层和下部的硅钢片层沿结晶器半径方向排列，相邻两硅钢片层间设置硅钢片间隙层，电磁线圈上部的硅钢片层沿圆周均匀分布有空隙层，作为水腔分水孔；电磁线圈由外包绝缘层的扁铜线按螺旋方式缠绕而成，在电磁线圈的扁铜线层间设置线圈间隙层，在结晶器本体上设置有与外水腔相连通的进水孔以及与内水腔相连通的喷水孔。该项优化设计显著减小结晶器对交变电磁场的损耗，大幅提高作用于铝合金熔体内的有效磁场强度。

Description

磁场集聚型切缝式铝合金电磁结晶器

技术领域

本发明涉及一种磁场集聚型切缝式铝合金电磁结晶器，属于铝合金半连续铸造技术领域。

背景技术

早在20世纪60年代，人们就开始研究如何应用电磁场来改善铝合金半连续铸锭的质量。前苏联铝合金专家Getselev首次将交变电磁场引入到铝合金的半连续铸造领域，在铝合金半连续铸造的基础上成功开发出铝合金无模电磁铸造技术，完全依靠电磁推力使铝合金熔体在铸造过程中始终处于悬浮状态。由于此项技术铸锭不与结晶器内壁接触，因此制备的铸锭表面非常光滑，可以不铣面而直接进行轧制，生产效率显著提高。但是，该技术对电源设备和工艺控制精度的要求非常高，铸锭成形较困难。

在电磁铸造技术的基础上，各国学者相继开发了电磁软接触铸造技术，采用不同铸造结晶器与电磁线圈集成的方式提高了电磁铸造工艺的稳定性和可操作性，铸造成功率显著提高。

我国从1974年开始工业装置电磁铸造技术的研究和开发工作，东北轻合金加工厂、东北大学、大连理工大学等机构也相继成功开发了多项铝合金电磁软接触铸造技术，显著提高了铸锭的综合质量。

但是，在电磁软接触铸造技术的应用过程中发现，金属制结晶器对交变电磁场的损耗较大，选择非金属材料结晶器的强度要求很难保证，为弥补结晶器对电磁场的损耗，保证结晶器内铝合金熔体获得足够的磁场强度，线圈激发的交变电磁场强度必须足够大。因此，给线圈的设计和磁场激发电源的选择带来一定的困难。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种磁场集聚型切缝式铝合金电磁结晶器。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

磁场集聚型切缝式铝合金电磁结晶器，包括结晶器本体和电磁线圈，特点是：所述电磁线圈置于U形硅钢片内，装有电磁线圈的U形硅钢片设置在结晶器本体的水腔中，将结晶器本体的水腔分割成相互独立的外水腔和内水腔，所述U形硅钢片的U形口朝向结晶器本体的内壁，电磁线圈上部的硅钢片层和下部的硅钢片层沿结晶器半径方向排列，相邻两硅钢片层间设置硅钢片间隙层，硅钢片间隙层沿圆周方向均匀分布，电磁线圈上部的硅钢片层沿圆周均匀分布有空隙层，作为水腔分水孔；所述电磁线圈由外包绝缘层的扁铜线按螺旋方式缠绕而成，在电磁线圈的扁铜线层间设置线圈间隙层，由外水腔、硅钢片空隙层、线圈间隙层以及内水腔共同构成冷却水通路，在结晶器本体上设置有与外水腔相连通的进水孔以及与内水腔相连通的喷水孔，铸造过程中冷却水由进水孔进入结晶器，充满内外两个水腔后，最后经喷水孔流出结晶器器冷却铸锭。

进一步地，上述的磁场集聚型切缝式铝合金电磁结晶器，所述电磁线圈的匝数为5～50匝，呈层叠式排布，内外层间均设计线圈间隙层，作为冷却水通道。

更进一步地，上述的磁场集聚型切缝式铝合金电磁结晶器，所述结晶器本体的内壁设有若干个切缝，每个切缝内填充有橡胶条；每个切缝的高度为50～150mm，宽度为1～5mm，深度为结晶器本体内壁厚度。

再进一步地，上述的磁场集聚型切缝式铝合金电磁结晶器，所述结晶器本体的内壁衬有石墨内衬，所述石墨内衬由2～15块分瓣石墨拼接而成，拼接后相邻石墨间隙小于1mm。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

由电磁线圈和U形硅钢片共同构成磁场发生装置，有效解决了电磁结晶器磁场强度低、铝制结晶器本体磁场消耗大等问题；结晶器内壁的切缝设计和内衬的分体设计降低了交变电磁场的损耗，增加了电磁场在结晶器内的穿透能力，有效提高了结晶器铝合金熔体内的磁场强度；结晶器内外独立水腔和硅钢片空隙层的设计分流了冷却水，并将铸锭的一次冷却与线圈冷却集成于一体，结构简单，保证了电磁结晶器的冷却效果和使用安全。通过电磁场发生装置和结晶器结构的优化设计显著减小了结晶器对交变电磁场的损耗，大幅度提高了作用于铝合金熔体内的有效磁场强度。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明结晶器的结构剖视图；

图2：硅钢片层的结构示意图；

图3：电磁线圈的结构示意图。

图中各附图标记的含义见下表：

附图标记	含义	附图标记	含义	附图标记	含义
						1	结晶器本体	2	橡胶条	3	切缝
4	石墨内衬	5	电磁线圈	6	U形硅钢片
						7	绝缘垫圈	8	硅钢片空隙层	9	喷水孔
10	外水腔	11	内水腔	12	进水孔
						13	扁铜线层	14	线圈间隙层

具体实施方式

本发明提供一种磁场集聚型切缝式铝合金电磁结晶器，通过优化电磁线圈结构和结晶器结构，降低交变电磁场在结晶器内的损耗，提高电磁场的利用率。

如图1所示，磁场集聚型切缝式铝合金电磁结晶器，包括结晶器本体1、石墨内衬4和电磁线圈5，结晶器本体1由轧制铝合金板经机加工而成，电磁线圈5置于U形硅钢片6内并且彼此固定，防止通入交流电后线圈在结晶器内振动，电磁线圈5与U形硅钢片6构成电磁场发生装置；装有电磁线圈5的U形硅钢片6设置在结晶器本体1的水腔中，U形硅钢片6和绝缘垫圈7共同构成隔水墙，将结晶器本体1的水腔分割成相互独立的外水腔10和内水腔11，U形硅钢片6的U形口朝向结晶器本体的内壁，电磁线圈5上部的硅钢片层和下部的硅钢片层沿结晶器半径方向排列，相邻两硅钢片层间设置硅钢片间隙层8，硅钢片间隙层8沿圆周方向均匀分布，电磁线圈上部的硅钢片层排布方式如图2所示；电磁线圈5上部的硅钢片层沿圆周均匀分布有空隙层，作为水腔分水孔，为两独立水腔的连接通道，对结晶器冷却水起分流作用，保证冷却水流出结晶器时喷水孔流量的均匀；电磁线圈5由绝缘层包覆2mm×6mm扁铜线按照螺旋方式缠绕而成，电磁线圈5中缠绕扁铜线的排布方式如图3所示，电磁线圈5的匝数为5～50匝，呈层叠式排布，在电磁线圈5的扁铜线层13间设置线圈间隙层14，内外层间均设计间隙层，提供线圈的冷却水路；外水腔10经硅钢片空隙层8和线圈间隙层14与内水腔11构成冷却水通路，在结晶器本体1上设置有与外水腔10相连通的进水孔12以及与内水腔11相连通的喷水孔9。结晶器内壁采用切缝设计，在结晶器本体1的内壁设有若干个切缝3，每个切缝3内过盈配合填充橡胶条，满足结晶器水腔的密封要求；每个切缝3的高度为50～150mm，宽度为1～5mm，深度为结晶器本体内壁厚度。结晶器本体1的内壁衬有石墨内衬4，石墨内衬4由2～15块分瓣石墨拼接而成，拼接后相邻石墨间隙小于1mm。

电磁线圈5的底部、顶部和外侧布置10mm～100mm厚层叠的硅钢片，呈U形，起增强线圈内部电磁场，降低铝制结晶器本体磁场消耗的作用。

结晶器内部的冷却水腔被硅钢片层和绝缘垫圈分隔成内外两个独立水腔，外水腔进行一次蓄水，依靠硅钢片层的空隙层作为分水孔分流冷却水，使其沿周向均匀流进内水腔，保证结晶器各喷水孔流量均匀；内水腔进行二次蓄水，提供铸锭的一次冷却，同时又冷却置于水腔内的电磁线圈。

位于电磁线圈内部的结晶器内壁采用切缝设计，增加交变电磁场在结晶器内的穿透能力，降低电磁损耗。单个切缝内采用过盈配合的绝缘橡胶条填充，这样既降低了内壁的电磁消耗，同时橡胶条与切缝间过盈配合，又保证了结晶器的密封要求。

内衬材料选择电阻率高且具有自润滑功能的高纯石墨加工而成，内衬结构采用分瓣设计，由若干块石墨拼接而成，拼接构成内衬的石墨块数目与结晶器的透磁要求和铸锭质量有关，石墨块数目越多，拼接后内衬整体的导电性能越差，磁场消耗也越小；但若石墨块数过多，内衬中石墨块拼接缝隙也越多，容易使铸锭表面产生沿铸造方向的表面缺陷，同时缝隙处渗铝缝隙也增大。因此，该结晶器内衬由2～15块石墨拼接而成，并且拼接缝隙小于1mm。

具体应用时，冷却水由进水孔12进入结晶器后，首先注满外水腔10，然后沿圆周均匀分布的间隙层8进入内水腔11，并沿线圈间隙层14充满内水腔冷却电磁线圈，在冷却水流动的过程中通过结晶器内壁与内衬的热传导对铸锭实施一次冷却；最后，冷却水沿圆周均匀分布的喷水孔9流出结晶器，对铸锭实施二次冷却；采用此种水路设计既保证了结晶器各喷水孔水流量的均匀一致，又最大效率地冷却了电磁线圈，满足了电磁线圈的冷却要求。

半连续铸造过程中，结晶器内通入冷却水，当冷却水注满结晶器各水腔并由喷水孔流出后电磁线圈5中通入交变电流，依靠电磁线圈5和U形硅钢片6激发交变电磁场。采用此电磁发生装置硅钢片层外铝合金结晶器侧壁对电磁场的消耗能够降至3％以下，内部两独立水腔设计均匀了结晶器各喷水孔流量，并且对电磁发生装置实施了有效冷却。结晶器内壁的切缝设计以及石墨内衬结构的分体设计显著降低了电磁线圈内内壁和内衬的磁场损耗，增强了作用于铝合金熔体内的有效磁场强度，提高了电磁结晶器整体的作用效果。

综上所述，本发明由电磁线圈和U形硅钢片共同构成磁场发生装置，有效解决了电磁结晶器磁场强度低、铝制结晶器本体磁场消耗大等问题；结晶器内壁的切缝设计和内衬的分体设计降低了交变电磁场的损耗，增加了电磁场在结晶器内的穿透能力，有效提高了结晶器铝合金熔体内的磁场强度；结晶器内外独立水腔和硅钢片空隙层的设计分流了冷却水，并将铸锭的一次冷却与线圈冷却集成于一体，结构简单，保证了电磁结晶器的冷却效果和使用安全。通过电磁场发生装置和结晶器结构的优化设计显著减小了结晶器对交变电磁场的损耗，大幅度提高了作用于铝合金熔体内的有效磁场强度。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (5)

1.磁场集聚型切缝式铝合金电磁结晶器，包括结晶器本体(1)和电磁线圈(5)，其特征在于：所述电磁线圈(5)置于U形硅钢片(6)内，装有电磁线圈(5)的U形硅钢片(6)设置在结晶器本体(1)的水腔中，将结晶器本体(1)的水腔分割成相互独立的外水腔(10)和内水腔(11)，所述U形硅钢片(6)的U形口朝向结晶器本体的内壁，电磁线圈(5)上部的硅钢片层和下部的硅钢片层沿结晶器半径方向排列，相邻两硅钢片层间设置硅钢片间隙层(8)，硅钢片间隙层(8)沿圆周方向均匀分布，电磁线圈(5)上部的硅钢片层沿圆周均匀分布有空隙层，作为水腔分水孔；所述电磁线圈(5)由外包绝缘层的扁铜线按螺旋方式缠绕而成，在电磁线圈(5)的扁铜线层(13)间设置线圈间隙层(14)，外水腔(10)经硅钢片空隙层(8)和线圈间隙层(14)与内水腔(11)构成冷却水通路，在结晶器本体(1)上设置有与外水腔(10)相连通的结晶器进水孔(12)以及与内水腔(11)相连通的喷水孔(9)。

2.根据权利要求1所述的磁场集聚型切缝式铝合金电磁结晶器，其特征在于：所述电磁线圈(5)的匝数为5～50匝，呈层叠式排布，内外层间均设计间隙层(14)。

3.根据权利要求1所述的磁场集聚型切缝式铝合金电磁结晶器，其特征在于：所述结晶器本体(1)的内壁设有若干个切缝，每个切缝内填充有橡胶条。

4.根据权利要求3所述的磁场集聚型切缝式铝合金电磁结晶器，其特征在于：每个切缝的高度为50～150mm，宽度为1～5mm，深度为结晶器本体内壁厚度。

5.根据权利要求1所述的磁场集聚型切缝式铝合金电磁结晶器，其特征在于：所述结晶器本体(1)的内壁衬有石墨内衬(4)，所述石墨内衬(4)由2～15块分瓣石墨拼接而成，拼接后相邻石墨间隙小于1mm。

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