CN101920175A - 基于永磁体的电磁搅拌旋转磁场调制方法及装置 - Google Patents

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雷作胜
王冠
高齐
任忠鸣
邓康
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Abstract

本发明涉及一种基于永磁体的电磁搅拌旋转磁场调制方法及装置，本方法能够产生磁感应强度按照方程B＝B0cos(2πωt+φ)变化的磁场，其中磁场幅值B0、磁场频率ω和磁场相位φ这三个参数可以单独或者联合调制。本装置采用以上磁场调制方法，在结构上包括一个包裹在结晶器外缘的搅拌器，其内部结构为：永磁体镶嵌在一个环形铁芯中，环形铁芯连接可编程的步进电机，并由其带动旋转。搅拌器产生的磁场和步进电机始终保持相同的旋转方式。本发明能够单独或者联合调制磁场的幅值、频率和相位，实现精确控制金属液流动，进而较好的控制金属液凝固，改善铸坯质量，提高生产率。

Description

基于永磁体的电磁搅拌旋转磁场调制方法及装置
技术领域
本发明涉及一种调制旋转磁场的方法及装置，特别是一种用于冶金过程中的基于永磁体的电磁搅拌旋转磁场调制方法和装置，属于材料的电磁制备领域。
背景技术
电磁搅拌技术是一项传统的能有效改善铸坯表面及内部质量、提高等轴晶比率、细化晶粒的手段。在连铸过程中，从结晶器开始到二冷段最后到凝固末端所有带液芯的区域都可采用电磁搅拌技术来达到改善铸坯表面及内部质量、提高等轴晶比率、细化晶粒的目的。在该技术的运用过程中，施加的磁场都是幅/频/相恒定的磁场，或者幅值和频率可调的磁场。这样的情况下，随着搅拌强度的增强，虽然能起到提高等轴晶比率、细化晶粒的作用，但是由于金属液流动的传质作用，使得凝固后的铸坯产生了严重的偏析问题，典型表现为“白亮带”的产生，这是由于液态金属流动对凝固的影响。要较好的控制连铸过程，必须灵活调节幅/频/相三个参数，以控制作用在液态金属内的电磁力的大小，作用点及方向，从而精确控制液态金属的流动，进而较好的控制金属液的凝固，达到改善铸坯质量，提高生产率的目的。
发明内容
本发明的目的在于解决已有技术存在的缺陷，提供了一种基于永磁体的电磁搅拌旋转磁场调制方法和装置，能精确控制金属液流动，进而较好控制金属液凝固，改善铸坯质量，提高生产率。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于电磁搅拌且基于永磁体的旋转磁场调制方法，其特征在磁场发生装置和可编程的步进电机连接，且二者始终保持相同旋转方式，能够产生磁感应强度按照方程B＝B0cos(2πωt+φ)变化的磁场，其中磁场幅值B0、磁场频率ω和磁场相位φ这三个参数可以单独或者联合调制，调制方法如下：
①调节步进电机(4)的旋转速度，以实现调节磁场频率ω的目的；
②改变步进电机(4)的旋转方向，以实现调节磁场相位φ的目的；
③通过镶嵌不同材质的永磁体(6)，或者改变永磁体(6)的排列方式，或者在旋转空腔和金属液(3)之间机械的插入和拔出永磁体，或者这三者中的一种或多种方式同时进行，以达到调节磁场幅值B0的目的；
在本发明中，磁场的频率ω的变化范围为0～100000Hz；磁场相位φ的范围为0～360°；永磁体的材质为氧化磁铁、合金磁铁、钕铁錋磁铁、钐钴磁铁、橡胶磁铁、塑料磁铁中的一种或多种，永磁体(6)的排列方式为S极和N极对称分布在两半圆周上；S极和N极相间、呈周向排列；S极和N极分别在两半圆轴向均布排，这三种排列方式中的一种或多种。工作原理：搅拌器包裹在结晶器的外缘，产生的磁场透过结晶器作用于内部的金属液，磁场按照一定的规律变化，金属液中会产生感应电流，结合磁场的旋转，金属液就会受到周向的电磁力，在电磁力的作用下金属液旋转，从而达到搅拌的目的，提高铸坯的凝固质量。
本发明和现有的技术方案相比具有显而易见的实质性特点和显著优点：
(1)将磁场内在的性能参数——幅值、频率、相位外化；永磁体的性能参数原本是其内在的固有性质，而本方案通过引入可编程的步进电机，并且使其与磁场发生器始终保持相同的运动状态，从而将永磁体性能参数的变换等价为步进电机转动方式的变换，而后者的改变更直观且易于控制，操作性强。
(2)将磁场联合的性能参数——幅值、频率、相位分隔；永磁体的性能参数总是交织在一起的，一变俱变，一恒俱恒，而本方案通过步进电机的等价，将幅值、频率、相位转化为三个独立变化的参数，而且三者的调制可以实现定量化，这样不仅能够得到任何波形的磁场，还能定量分析三者单独或联合作用时对金属液的影响规律，实现精确控制金属液流动，进而较好控制金属液凝固，改善铸坯质量，提高生产率。
附图说明
图1是本发明基于永磁体的电磁搅拌装置的结构示意图；
图2是电磁搅拌装置的结构示意图；
图3、图4、图5是电磁搅拌中永磁体可能的排列方式图；
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
实施例一：参见图1，本电磁搅拌且基于永磁体的电磁搅拌旋转磁场调制方法，能够产生磁感应强度按照方程B＝B0cos(2πωt+φ)变化的磁场，其中磁场幅值B0、磁场频率ω和磁场相位φ这三个参数可以单独或者联合调制。搅拌器8和可编程的步进电机4连接，且二者始终保持相同的旋转方式，幅值B0、频率ω和相位φ调制方式如下：
①调节步进电机4的旋转速度，以实现调节磁场频率ω的目的；
②改变步进电机4的旋转方向，以实现调节磁场相位φ的目的；
③通过镶嵌不同材质的永磁体6，或者改变永磁体6的排列方式，或者在旋转空腔和金属液3之间机械的插入和拔出永磁体，或者这三者中的一种或多种方式同时进行，以达到调节磁场幅值B0的目的。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述磁场频率ω的变化范围为0～100000Hz；磁场相位φ的范围为0～360°；所述永磁体6的材质为氧化磁铁、合金磁铁、钕铁錋磁铁、钐钴磁铁、橡胶磁铁、塑料磁铁中的一种或多种，永磁体6的排列方式为S极和N极对称分布在两半圆周上；S极和N极相间、呈周向排列；S极和N极分别在两半圆轴向均布排，这三种排列方式中的一种或多种，参见图3，图4和图5。
实施例三：基于永磁体的电磁搅拌装置，采用上述调制方法调节磁场，包括一个包裹在结晶器外部的电磁搅拌器8，所述搅拌器8的结构为：多个永磁体6镶嵌在一个环形铁芯7中，环形铁芯7通过传动齿轮5连接可编程的步进电机4，而由所述步进电机4带动环形铁芯7旋转，所述搅拌器8的磁场和步进电机4始终保持相同的旋转方式。
工作原理
搅拌器8包裹在结晶器2的外缘，产生的磁场透过结晶器2作用于内部的金属液3，磁场按照一定的规律变化，金属液3中会产生感应电流，结合磁场的旋转，金属液3就会受到周向的电磁力，在电磁力的作用下金属液3旋转，从而达到搅拌的目的，提高铸坯的凝固质量。

Claims (5)

1.一种基于永磁体的电磁搅拌旋转磁场调制方法，其特征在于能够产生磁感应强度按照方程B＝B0cos(2πωt+φ)变化的磁场，其中磁场幅值B0、磁场频率ω和磁场相位φ这三个参数可以单独或者联合调制。
2.根据权利要求1所述的基于永磁体的电磁搅拌旋转磁场调制方法，其特征在于搅拌器(8)和可编程的步进电机(4)连接，且二者始终保持相同的旋转方式，所述磁场幅值B0、磁场频率ω和磁场相位φ调制方式如下：
①调节步进电机(4)的旋转速度，以实现调节磁场频率ω的目的；
②改变步进电机(4)的旋转方向，以实现调节磁场相位φ的目的；
③通过镶嵌不同材质的永磁体(6)，或者改变永磁体(6)的排列方式，或者在旋转空腔和金属液(3)之间机械的插入和拔出永磁体，或者这三者中的一种或多种方式同时进行，以达到调节磁场幅值B0的目的。
3.根据权利要求1所述的磁场调制方法，其特征在于磁场频率ω的变化范围为0~100000Hz；磁场相位φ的范围为0~360°。
4.根据权利要求1所述的基于永磁体的电磁搅拌选择磁场磁场调制方法，其特征在于所述永磁体(6)的材质为氧化磁铁、合金磁铁、钕铁錋磁铁、钐钴磁铁、橡胶磁铁、塑料磁铁中的一种或多种，永磁体(6)的排列方式为S极和N极对称分布在两半圆周上；S极和N极相间、呈周向排列；S极和N极分别在两半圆轴向均布排，这三种排列方式中的一种或多种。
5.一种基于永磁体的搅拌装置，其特征在于所述搅拌器(8)产生按照方程B＝B0cos(2πωt+φ)变化的磁场，其中磁场幅值B0、磁场频率ω和磁场相位φ这三个参数可以单独或者联合调制；所述的搅拌器(8)结构：多个永磁体(6)镶嵌在一个环形铁芯(7)中，环形铁芯(7)通过传动齿轮(5)连接可编程的步进电机(4)，而由所述步进电机(4)带动环形铁芯(7)旋转，所述搅拌器(8)的磁场和步进电机(4)始终保持相同的旋转方式。 
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PB01 Publication
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