CN102554165A

CN102554165A - 金属熔体螺旋电磁搅拌装置

Info

Publication number: CN102554165A
Application number: CN2012100053103A
Authority: CN
Inventors: 沙明红; 李久慧; 李娜; 侯忠霖; 李激光; 李胜利
Original assignee: University of Science and Technology Liaoning USTL
Current assignee: University of Science and Technology Liaoning USTL
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2032-01-10
Also published as: CN102554165B

Abstract

本发明公开了一种金属熔体螺旋磁场电磁搅拌装置，有效改善铸坯金属熔体的搅拌效果。该装置结构包括：电磁感应系统、供电系统、冷却系统和箱体。电磁感应系统由磁轭组和缠绕在磁轭组上的线圈组成；供电系统包括两相或三相电源柜及变频控制柜；冷却系统包括箱体上的进水口和出水口，分别通过水管连接水泵和蓄水池，形成冷却回路；箱体由金属或非金属材料薄板制成。电磁感应系统经绝缘处理后放置到箱体内。本发明设备结构简单，应用范围广，采用本搅拌装置，促进等轴晶的形成及细化晶粒，促进夹杂物上浮，进而可以减少热裂和宏观偏析等铸坯(锭)缺陷，提高连铸坯和铸锭的内外质量。

Description

金属熔体螺旋电磁搅拌装置

技术领域

本发明涉及电磁铸造和材料电磁加工成型领域，特别是一种金属连铸、半固态铸造和定向凝固过程用金属熔体螺旋磁场电磁搅拌装置。

背景技术

电磁场是自然界中重要的物理场之一，具有许多热电技术无法比拟的优点，最显著的特点是其可传递热能和动能给金属熔体，且熔体和磁场发生器之间不接触，因而对金属熔体没有污染。板坯连铸是高品质板带生产流程里至关重要的前提，目前应用在板坯连铸结晶器部位的电磁感应技术主要有：1.旋转磁场搅拌技术，2.可以实现电磁加速、电磁制动及旋转电磁搅拌三种功能的电磁控流技术。第一种技术以日本的新日铁为代表，主要针对铸坯表面质量和皮下质量的提高。但单一的旋转磁场对铸坯内部的熔体影响不大，因而无法有效改变铸坯内部质量。第二种技术以日本NKK和法国Rotelec为代表，因其可以实现电磁加速与制动，因而适应的钢种的范围更广。可以较好的控制结晶器内钢液的流动速度与方向，能平缓液面，减轻钢液流股冲入深度。其不足依然是钢液的液芯无法被充分搅动。板坯连铸二冷区与凝固末端的电磁搅拌，多采用周向搅拌，同样也存在液芯搅拌不充分和内部质量差的问题。如果能在铸坯连铸方向上施加行波磁场，则可以控制和调节钢液在垂直方向的流动，产生强制对流，这不仅可以降低金属熔体中心与边部的温度梯度，提高铸坯内部质量，同时在结晶器处可以抑制金属液面波动，降低熔体流股的冲入深度。因而，如何将两种搅拌磁场的优势互补，实现板坯螺旋电磁搅拌将是一个新的方向。

旋转磁场加行波磁场的复合搅拌方式，可归纳为旋转和行波磁场内外叠加、旋转磁场上下堆叠及行波磁场周向并列三种，该方法的优点是可以在熔体中同时产生周向和径向的搅拌，综合为螺旋搅拌。采用此种搅拌方法，不仅可以均衡周向的温度和溶质分布，同时在径向产生的环流也会减小熔体中间和边部的温度差，减小偏析，促近等轴晶的形成，进而可以减少热裂和宏观偏析，提高产品的质量。这些研究思路体现在公开(公告)号CN87104014A，名称为“连续铸钢电磁搅拌装置”和公开(公告)号CN86104510，名称为“组合式多功能液态金属电磁搅拌器”的中国发明专利申请案中，以及公开(公告)号CN87204232，名称为“螺旋磁场电磁搅拌器”和公开(公告)号CN201476606U，名称为“坩埚螺旋磁场电磁搅拌器”的中国实用新型专利申请案中。这些专利申请中相关的设备可以归结为内外叠放式、上下堆叠式和周向并列式三种结构。但这三种结构的组合搅拌都是多绕组，在实际应用都有不便之处。首先是当将两套装置内外叠放在一起或者多套装置上下堆叠或周向并列时，整个设备的尺寸和重量增加了，相应的设备的结构变得复杂，制造成本也增加了。其次，对于内外叠放的螺旋磁场发生器，由于距离的原因，外层装置对熔体的搅拌效果会明显降低，同时内层装置对熔体的屏蔽效应以及两套电磁感应装置的相互影响也不能忽略。第三，对于多套装置堆叠或并列组合的螺旋磁场发生器，电磁力的大小和电磁转换效率的高低与磁轭的结构、线圈的布置均有很大关系。将多个旋转磁场发生器上下堆叠在一起，根据电磁流体力学原理，会在金属熔体中产生垂直方向的行波力，但受到垂直截面上的磁轭排列数目和磁轭背部连续性的影响，该力的大小将远远小于周向的旋转力，因而螺旋搅拌效果会受限。同样，用行波磁场周向并列形成的螺旋搅拌，在周向的旋转力会远低于周向行波力，这都不利于产生有效的螺旋搅拌。

发明内容

本发明提供了一种金属熔体螺旋磁场电磁搅拌装置，改善铸坯金属熔体的搅拌效果。

本发明提供的金属熔体螺旋电磁搅拌装置其结构包括：电磁感应系统、供电系统、冷却系统和箱体。电磁感应系统由磁轭组和缠绕在磁轭组上的线圈组成，磁轭组由磁轭背和磁轭端部组成。磁轭端部的侧面呈现台阶结构；供电系统包括两相或三相电源柜及变频控制柜，线圈通过电源接口由导线连接电源。电源频率为0.1～100Hz。为适合复杂的工作环境，导线的绝缘层应耐高温，抗氧化。进行电磁搅拌时，通过交换电源中的任意两相的位置改变电磁力两个分力的方向，水平方向分力可以实现左右的改变，垂直方向的分力可以实现上下的改变；冷却系统要将电磁搅拌设备自身产生的热量及环境传给设备的热量带走，以保证设备具有高的电-磁转换效率。冷却系统包括箱体上的进水口和出水口，分别通过水管连接水泵和蓄水池，形成冷却回路。这样即可保证冷却效果，同时又便于缩小整体体积。若采用中空铜管材料绕制线圈，则采用内冷方式，在管内通水冷却；箱体由金属或非金属材料薄板制成，比较常用的有奥氏体不锈钢薄板、高强度有机材料、工程塑料和复合材料等，这些材料可以用来保护内部设备，同时也利于导磁。电磁感应系统经绝缘处理后放置到箱体内。

所述的电磁感应系统中磁轭组的高度根据搅拌的对象及设备空间调整，调整范围在10～5000mm。磁轭端部间缝隙为2～200mm。磁轭与磁轭端面之间以圆弧过渡，有利于导磁。磁轭组依靠绝缘材质的垫块固定在箱体内。线圈以克兰姆绕组、重叠绕组或集中绕组布置方式缠绕在磁轭之间的空隙中。

所述电磁感应系统的线圈通入两相或三相交流电，电流在0～100A范围内。

所述箱体采用狭长的结构，方便在连铸生产线的支撑辊或矫直辊之间的缝隙内安装使用，同时也便于运输和更换。

所述箱体箱体采用正六边形或者圆形结构，适应铸坯为圆坯(圆锭)或方坯(方锭)的金属熔体螺搅拌。

本发明提供的金属熔体螺旋磁场电磁搅拌装置工作原理：

如图3所示，显示利用金属熔体螺旋电磁搅拌装置11在搅拌板坯10时内部金属熔体的流动。产生螺旋搅动的原理如图4所示。众所周知，交变电流产生的磁场会从一个磁轭端部移动到另一个磁轭端部，其路径垂直于磁轭端间的空隙。由移动磁场与感生电流相互作用产生的电磁力F则与磁场移动的方向一致。图4中(a)显示了当磁场从一个磁轭端部4移向另一个磁轭端部时，导体中产生的电磁力FR水平指向右侧，定义其为旋转电磁搅拌力。同理垂直方向的FT力的产生如图4中(b)所示，定义其为垂直方向的行波搅拌力。若将两个线圈及线圈所缠绕的磁轭进行整合，构成如图4中(c)所示的结构，根据电磁流体力学原理，则同样可以产生FR和FT。FR可以推动金属熔体沿着铸坯周向运动，而FT会使金属熔体沿着铸坯连铸方向(轴向)运动，这两种运动的结合，即形成了螺旋式流动。如果板坯较厚，则可以在铸坯两侧都放置螺旋电磁搅拌器，可以在熔体横截面上形成大回流，如图5中(a)所示，而在铸坯窄面上形成单一的环流或者两个环流，如图5中(b)和(c)所示。

本发明提供的金属熔体螺旋磁场电磁搅拌装置与现有同类装置相比，其显著的有益效果体现在：

1.设备结构简单，利用一组线圈绕组即可产生螺旋搅拌磁场，实现对金属熔体的螺旋电磁搅拌。

2.应用范围广，在连铸机的结晶器、二冷区和凝固末端都适用，同时也适用于模铸、半固态铸造等。在连铸结晶器(或铸型)安装螺旋电磁搅拌器，周向的电磁搅拌可以使凝固坯壳厚度均匀；通过轴向电磁搅拌，可以抑制液面波动，减缓流股冲入深度和促进夹杂物上浮去除，同时可以降低熔体内外温差。在二冷区和凝固末端施加螺旋电磁搅拌，可以降低熔体内的温度梯度，提高铸坯等轴晶率10％～30％以上，降低甚至消除铸坯中部缩孔、缩松，减少成分偏析。

3.采用本搅拌装置，不仅可以均衡周向的温度和溶质分布，同时在径向产生的环流也会减小熔体中间和边部的温度差，减小偏析，促进等轴晶的形成及细化晶粒，促进夹杂物上浮，进而可以减少热裂和宏观偏析等铸坯(锭)缺陷，提高连铸坯和铸锭的内外质量。

附图说明

图1.用于铸坯为板坯或扁锭的金属熔体螺旋电磁搅拌装置结构的主视图示意图。

图中AX、BY、CZ为三相对称绕组线圈，其中A(B、C)输入，X(Y、Z)输出。

图2.用于铸坯为板坯或扁锭的金属熔体螺旋电磁搅拌装置结构的俯视图示意图。

图3是金属熔体螺旋电磁搅拌器对连铸板坯一侧施加螺旋电磁搅拌时金属熔体的流动示意图。

图4.电磁力扭转原理示意图。

图5是两侧均安放螺旋电磁搅拌器时熔体内部的流动示意图，其中图中(a)为铸坯横截面环流；图中(b)为铸坯窄面纵截面单环流；图中(c)为铸坯窄面纵截面对流。

图6.用于铸坯为圆坯(圆锭)或方坯(方锭)的金属熔体螺旋电磁搅拌装置结构示意图。

图7.不同搅拌条件时铝合金凝固的微观组织金相照片。

图8.有无搅拌时纯铜凝固的宏观组织照片。

具体实施方式

如图1、图2、图6所示，电磁感应系统由磁轭组和套在磁轭组上的线圈1组成，磁轭组由磁轭背3和与磁轭背连接的1～8组磁轭端部4组成，磁轭端部4的侧面呈现台阶状结构，能够产生垂直和水平方向的电磁力。电磁感应系统中磁轭的高度在10～5000mm。磁轭端部间缝隙为2～200mm。磁轭与磁轭端部之间以圆弧过渡，有利于导磁。磁轭组依靠绝缘材质的上垫块2和下垫块5固定在箱6内。线圈用铜导线或中空铜管缠绕而成。线圈1以克兰姆绕组、重叠绕组和集中绕组布置方式缠绕在磁轭之间的空隙。电磁感应系统的线圈通入两相或三相交流电，电流在0～100A范围内调节。

供电系统包括两相或三相电源柜及变频控制柜，线圈通过电源接口9由导线连接电源。电源频率的选取与熔体的物性和尺寸有关，为0.1～100Hz。

冷却系统包括箱体上的进水口7和出水口8，分别通过水管连接水泵和蓄水池，形成冷却回路。若采用中空铜管材料绕制线圈，则采用内冷方式，在管内通水冷却。

箱体6由金属或非金属材料薄板制成，包括有奥氏体不锈钢薄板、高强度有机材料、工程塑料和复合材料，电磁搅拌系统经绝缘处理后放置到箱体内。

用于铸坯为圆坯(圆锭)或方坯(方锭)的金属熔体螺旋电磁搅拌装置的实施例

如图6所示，金属熔体螺旋电磁搅拌装置的结构如下：

(一)电磁感应系统

由一组线圈1绕组和硅钢材质的磁轭组组成。线圈1由中空铜导线绕制成，中空导线内通冷却水冷却，线圈1所通电流在0～100A范围内。磁轭端部4呈阶梯状，螺旋角度为15°-75°，优选螺旋角度为35°，磁轭组的高度为80mm，每个磁轭端部4台阶高12mm，宽度6mm。共有六个磁轭端部，相应的磁轭背3首尾连接，组成正六边形。磁轭组依靠绝缘材质的下垫块5固定在箱体6内。

(二)供电系统

供电系统由三相电源柜及变频控制柜组成。线圈通过电源接口9用星形或角形接法连接三相电源，每相绕组间相位相差120°。电源频率在1～100Hz。进行电磁搅拌时，通过交换三相电源中的任意两相的位置可以实现水平方向的顺时针或逆时针搅拌以及改变垂直方向电磁力的方向。

(三)冷却系统

每个线圈的两端分别用绝缘胶管首尾相连，再分别与水泵的出水口和蓄水池相连，形成冷却回路。

(四)箱体

箱体选用透磁性好的不锈钢，用螺栓固定，磁轭组的内径为160mm。所搅拌的金属熔体的直径或对角线长度在150mm内。电磁感应系统采用六边形，箱体为正六边形或者圆形，盛放电磁感应系统。

用于铸坯为板坯或扁锭的金属熔体螺旋电磁搅拌装置的实施例

如图1和2所示，金属熔体螺旋电磁搅拌装置的结构如下：

(一)电磁感应系统

电磁感应系统由一组具有高的饱和磁感应强度、高导磁率的磁轭组和缠绕在磁轭组上的线圈1组成。磁轭组由磁轭背3和磁轭端部4组成，排成直线。磁轭端部4呈台阶状，每个台阶高30mm，宽20mm。磁轭组高200mm。共有七个磁轭端部台阶沿直线排列，磁轭组依靠绝缘材质的上垫块2和下垫块5固定在箱体6内。线圈1通入两相或三相交流电，线圈所通电流在0～100A范围内。

(二)供电系统

供电系统包括两相或三相电源柜及变频控制柜。线圈1通过电源接口9由导线连接电源。电源频率在1～100Hz。进行电磁搅拌时，通过交换电源中的任意两相的位置可以改变电磁力两个分力的方向，水平方向分力可以实现左右的改变，垂直方向的分力可以实现上下的改变。

(三)冷却系统

箱体6上的进水口7和出水口8分别通过水管连接水泵和蓄水池，形成冷却回路。

(四)箱体

箱体6用奥氏体不锈钢薄板制成，箱体形状为直线型。

本发明提供的金属熔体螺旋电磁搅拌器实验情况如下：

1.板坯用金属熔体螺旋电磁搅拌器

由于板坯用金属熔体螺旋电磁搅拌器的搅拌机理与圆坯用螺旋搅拌器的相同，因而这里通过实验对比了无磁场搅拌，分别施加传统旋转搅拌磁场和螺旋搅拌磁场搅拌的搅拌效果。合金成分为Al-12Si-2.3Ni-3.3Cu(质量百分比)。实验所用搅拌器参数、合金的物性参数以及浇注条件见表1。

表1.金属熔体螺旋电磁搅拌器参数以及浇注条件

实验的具体过程如下。用井式电阻炉将配置好的合金熔化，并在600℃保温10分钟，然后将铝熔体倒入铁勺中准备浇注。实验共分三种情况：a)当铁勺中熔体温度降至570℃时，将其直接浇入预热的坩埚中冷却凝固；b)当铁勺中熔体温度降至570℃时，将其浇入放置在传统RMF搅拌器内的预热的坩埚中，此时保证铝熔体的中心与搅拌器的中心处于同一位置。在浇注开始的同时打开搅拌器电源进行电磁搅拌；c)当铁勺中熔体温度降至570℃时，将其浇入放置在SMF搅拌器内的预热的坩埚中，此时保证铝熔体的中心与搅拌器的中心处于同一位置。在浇注开始的同时打开搅拌器电源进行螺旋电磁搅拌。当熔体完全凝固后停止电磁搅拌。将凝固后的试样从其中截面锯开，分别取试样的边部和芯部进行对比分析。

实验结果：

图7为三种不同凝固条件时的试样的边部和中部微观组织图。图7(a)和(d)分别是没有电磁搅拌时试样的边部和中部凝固组织。从图7(a)中可以看出，试样边部α枝晶粗大，图7(d)显示在试样的中部出现大量气孔。图7(b)和(e)分别是施加旋转磁场搅拌时试样的边部和中部凝固组织。使用旋转磁场搅拌时，边部的微观组织明显细化，粗大枝晶消失，取代的是细小的球形α初晶，但试样的中心还有少量气孔。图7(c)和(f)是采用螺旋磁场搅拌时样品的边部和中部微观组织图。从图中可以看出，铸锭的内外组织均一，α初晶以球形为主，近乎均匀的分布在试样中，同时样品的中部已经没有气孔。

2.管坯用金属熔体螺旋电磁搅拌器

由于管坯用螺旋电磁搅拌器的搅拌机理与圆坯用螺旋搅拌器的相同，因而这里通过实验对比了无磁场搅拌，施加螺旋搅拌磁场搅拌的搅拌效果。实验金属为纯Cu。实验所用搅拌器参数及铸造条件见表2。

表2.金属熔体螺旋电磁搅拌器参数以及铸造条件

实验的具体过程如下。用井式电阻炉将配置好的金属熔化，并在1103℃保温10分钟，然后开始拉坯实验。实验共分两种情况：a)不施加电磁场，铸坯直接冷却凝固；b)铸坯在SMF搅拌下冷却凝固，在铸造开始的同时打开搅拌器电源进行螺旋电磁搅拌。将铸好的铜坯取样，沿其横截面锯开，将表面抛光进行对比分析。

实验结果：

图8为两种不同凝固条件时的试样宏观组织照片。图8(a)是没有电磁搅拌时试样的凝固组织。图8(b)是施加螺旋磁场搅拌时试样的凝固组织。使用螺旋磁场搅拌时，铸坯的宏观组织明显细化，粗大的柱状晶消失，取代的是细小的晶粒。

Claims

1.一种金属熔体螺旋电磁搅拌装置，其特征在于该装置结构包括：电磁感应系统、供电系统、冷却系统和箱体，电磁感应系统由磁轭组和缠绕在磁轭组上的线圈组成，磁轭组由磁轭背和磁轭端部组成，磁轭端部的侧面呈现台阶结构；供电系统包括两相或三相电源柜及变频控制柜，线圈通过电源接口由导线连接电源，电源频率为0.1～100Hz；冷却系统包括箱体上的进水口和出水口，分别通过水管连接水泵和蓄水池，形成冷却回路；若采用中空铜管材料绕制线圈，则采用内冷方式，在管内通水冷却；箱体由金属或非金属材料薄板制成，电磁感应系统经绝缘处理后放置到箱体内。

2.根据权利要求1所述的金属熔体螺旋电磁搅拌装置，其特征在于电磁感应系统中磁轭组的高度为10～5000mm，磁轭端部间缝隙为2～200mm，磁轭与磁轭端面之间以圆弧过渡，磁轭组依靠绝缘材质的垫块固定在箱体内，线圈以克兰姆绕组、重叠绕组或集中绕组布置方式缠绕在磁轭之间的空隙中。

3.根据权利要求1所述的金属熔体螺旋电磁搅拌装置，其特征在于电磁感应系统的线圈通入两相或三相交流电，电流为0～100A。

4.根据权利要求1所述的金属熔体螺旋电磁搅拌装置，其特征在于所说的箱体采用狭长的结构。

5.根据权利要求1所述的金属熔体螺旋电磁搅拌装置，其特征在于所说的箱体采用正六边形或者圆形结构。