CN103808162A - 金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置和方法，属于金属材料热加工领域。该装置包括坩埚、齿芯、曲齿筒、外齿筒、加热电缆、热电偶、保温层、夹持机构和电磁搅拌器等，齿芯竖立在坩埚内部的正中心，齿芯的外围从小到大依次同心放置一个或复数个曲齿筒，直至紧贴着坩埚内壁的外齿筒；坩埚的外壁上依次设置加热电缆、热电偶、保温层和夹持机构；坩埚的上端设有坩埚盖，坩埚盖上设置气体接口和上口；坩埚的底部设置下口及下口阀；坩埚通过夹持机构从上方或下方移入或移出环形电磁搅拌器。金属浆料沿着曲线式环缝在方向复杂交变的高速率下切变流动，极大增加了流变制浆所需的剪切强度和多向紊流效应，使浆料成分更加均匀、组织更加细小。

Description

金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置和方法

技术领域

本发明涉及一种金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置和方法，具体涉及一种用于半固态金属浆料的制备或进行大体积金属熔体的强制均匀化搅拌处理的金属流变浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置及其制备方法，属于冶金、铸造等金属材料热加工领域。

背景技术

在冶金、铸造等金属材料热加工行业中，常常需要对金属熔体施加各种搅拌处理（例如半固态金属浆料制备、金属熔体强制均匀化处理等），以促进合金成份溶解，使熔体的温度、成分均匀化，具有“流变性”特征。这种对金属熔体或半固态浆料的剪切搅拌处理能够控制金属凝固过程，进而获得具有均质细晶的理想流变组织构件。目前熟知的金属浆料搅拌处理技术包括机械搅拌、电磁搅拌等，其中，电磁搅拌技术具有无接触、少污染、工艺可控性强和易于工业化应用等诸多优势。但是，金属流变浆料的电磁搅拌制备技术在实际应用中还有待完善，主要挑战的问题有如下几方面：

（1）需要对浆料形成强大的搅拌剪切作用和多向紊流效应，以强化处理效果，达到熔体浆料的高度均质化。

（2）应尽量简化装置结构、减小装置体积，以便在各种加工成形场合都能得到方便灵活的应用。

（3）搅拌装置与技术的应具备广泛的应用功能，能够进行浆料的批次供给、连续供给、以及大体积熔体供给。

（4）能够实现工业化应用。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题与要求，本发明提供了一种金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置及其流变制备方法，本发明采用在“多个曲线式环缝”内电磁搅拌法处理金属浆料的发明理念。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下的技术方案：

一种金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置，主要由坩埚，设置在坩埚内部的齿芯、曲齿筒和外齿筒，及设置在坩埚外部的加热电缆、热电偶、保温层、夹持机构和电磁搅拌器等组成。其中，齿芯竖立在坩埚内部的正中心，齿芯的外围从小到大依次同心放置一个或复数个（多个）曲齿筒，直至紧贴着坩埚内壁的外齿筒；坩埚的外壁上依次设置加热电缆、热电偶、保温层和夹持机构；坩埚的上端设有坩埚盖，坩埚盖上设置气体接口和上口；坩埚的底部设置下口及下口阀；坩埚通过夹持机构从上方或下方移入或移出环形电磁搅拌器。

齿芯、与齿芯呈同心设置的曲齿筒及外齿筒上所有相对的齿形均呈交叉咬合状，即该装置的齿芯与小曲齿筒之间、小曲齿筒与大曲齿筒之间、以及大曲齿筒与外齿筒之间相对的齿形都呈交叉咬合状，向外凸的齿尖轮廓半径≥相对应的向中心凸的齿尖轮廓半径；且齿芯、曲齿筒和外齿筒相邻之间形成均匀缝隙，即随齿形的凸凹变化在相对应的齿间形成均匀缝隙，缝隙宽度为2~200mm。曲齿筒的侧壁上随机设置连通各个缝隙之间的通孔。曲齿筒根据等效直径的大小尺寸不同，可以设置一个或多个（两个以上），这样，根据所放置曲齿筒数量的不同，随着齿形的凸凹变化，在坩埚内形成了两个或多个曲线式环缝（简称曲缝）。

坩埚的外周设置有加热电缆，加热电缆在坩埚的外周呈上下“蛇形”缠绕；加热电缆由热电偶实时进行加热温度控制。

在本发明金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置中，采用的曲齿筒可用多边形齿杆替换，多边形齿杆为复数个，呈交错排列，形成（多个）曲线式环缝。

本发明还提供了一种采用上述金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置，进行流变浆料制备与加工的方法，其中金属浆料在多个“曲线式环缝”内受到环形切线方向电磁力作用进行切变制浆。

一种金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理方法，用于金属流变浆料的制备，包括如下步骤：

（1）通过加热电缆及热电偶的控温装置将坩埚加热到处理金属浆料所需的温度，从气体接口通入保护气体，关闭下口阀，并从上口注入适量的金属熔体；

（2）随后通过夹持机构将整个坩埚体送入电磁搅拌器中央，使坩埚内各个曲缝中的金属熔体经受强电磁力搅拌；

（3）浆料搅拌完成后，打开下口阀进行连续流变铸造，或通过夹持机构将坩埚体从电磁搅拌器中移出，由上口倾转浇注实现大体积金属浆料的流变加工成形。

步骤（1）中，处理金属浆料所需的温度一般为所处理金属浆料的金属液相线温度±30℃，保护气体为惰性气体（如氮气）或硫化物气体（如六氟化硫）。

在沿环形切线方向电磁力作用下，金属浆料沿着曲线式环缝在方向复杂交变的高速率下切变流动，极大增加了流变制浆所需的剪切强度和多向紊流效应。整个制浆过程中，由于加热电缆在坩埚外周是独特的“蛇形”缠绕方式，使得加热电缆可以有效削弱电磁搅拌器诱发的电磁感应效应而进行不间断加热，精确控制制浆温度。

本发明具有以下优点：

（1）多曲缝式设计能对整个金属熔体产生强剪切、高紊流的搅拌效果。

（2）独特的加热电缆缠绕方式可以极大消除其自身受到外部电磁场的电磁感应效应而进行不间断加热温度控制。

（3）装置结构简单紧凑，制造成本低；装置使用方便灵活。

（4）可进行浆料的批次或连续供给，及进行大体积金属浆料的制备。

附图说明

图1是本发明装置主要部分的构造示意图；

图2是本发明装置主要部分构造图的A—A向结构示意图；

图3是采用多边形齿杆替换曲齿筒时，与图2相同的剖面示意图；

图4是本发明方法制备的AZ91D镁合金流变压铸组织；

图5是本发明方法制备的A357铝合金半固态连续铸锭组织。

主要附图标记：

1-齿芯        2-曲齿筒   3-通孔

4-外齿筒      5-坩埚     6-加热电缆

7-热电偶      8-保温层   9-坩埚盖

10-气体接口   11-上口    12-夹持机构

13-下口       14-下口阀  15-电磁搅拌器

16-多边形齿杆

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

请参阅图1，为本发明主装置的结构示意图。本发明的金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置，主要由坩埚5，坩埚盖9、气体接口10、上口11、下口13、下口阀14，设置在坩埚5内部的齿芯1、曲齿筒2(或多边形齿杆)和外齿筒4，及设置在坩埚5外部的加热电缆6、热电偶7、保温层8、夹持机构12和电磁搅拌器15等组成。其中，齿芯1竖立在圆形坩埚5内部的正中心，齿芯1的外围从小到大依次同心放置一个或多个曲齿筒2，直至紧贴着坩埚5内壁的外齿筒4；坩埚5的外壁上依次设置加热电缆6、热电偶7、保温层8和夹持机构12；坩埚5的上端设有坩埚盖9，坩埚盖9上设置气体接口10和上口11；坩埚5的底部设置下口13及下口阀14；坩埚5通过夹持机构12从上方或下方移入或移出环形电磁搅拌器15。

请参阅图2，本装置中，齿芯1、与齿芯1呈同心设置的曲齿筒2及外齿筒4上所有相对的齿形均呈交叉咬合状，即该装置的齿芯1与小曲齿筒之间、小曲齿筒与大曲齿筒之间、以及大曲齿筒与外齿筒4之间相对的齿形都呈交叉咬合状，向外凸的齿尖轮廓半径≥相对应的向中心凸的齿尖轮廓半径；且随齿形的凸凹变化在相对应的齿间留有均匀缝隙，缝隙宽度为2~200mm。

曲齿筒2根据等效直径的大小尺寸不同，可以设置一个或两个以上（即多个），这样，根据所放置曲齿筒2数量的不同，随着齿形的凸凹变化，在坩埚5内形成了两个或多个曲线式环缝（简称曲缝）。

曲齿筒2的侧壁上还随机设置了通孔以连通各个曲缝。工作时，处于狭窄曲缝中的金属浆料在环形切线方向强电磁力作用下，沿着曲线式环缝以方向复杂交变的高速率切变流动，极大增加了流变制浆所需的剪切强度和多向紊流效应，使浆料成分更加均匀、凝固组织更加细小。

坩埚5的外周设置有加热电缆6，加热电缆6在坩埚5的外周呈上下“蛇形”缠绕；加热电缆6由热电偶7实时进行加热温度控制。坩埚5的外周通过设置加热电缆6及热电偶7，来实现对坩埚体及内部金属浆料的有效温度控制。加热电缆6在坩埚5的外周是呈上下攀爬的“蛇形”方式缠绕，这样可以极大减弱自身受到电磁搅拌器15的电磁感应效应。

如图3所示，在本发明金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置中，采用的曲齿筒2可用多边形齿杆替换，多边形齿杆为复数个，呈交错排列，形成多个曲线式环缝。在坩埚内用多个交错排列的多边形齿杆替代曲齿筒，也能造成并符合“多个曲线式环缝”内处理金属浆料的发明理念，与上述装置具有同样的“曲缝”效果。采用多个曲缝的方案设计，可以保证在较窄的环缝条件下制备大体积金属浆料。

采用上述金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置，进行流变浆料制备与加工时，金属浆料在多个“曲线式环缝”内受到环形切线方向电磁力作用进行切变制浆，首先通过加热电缆6及热电偶7的控温装置将坩埚5加热到处理金属浆料所需的温度（一般为金属液相线温度±30℃），然后从气体接口10通入保护气体，关闭下口阀14，并从上口11注入适量的金属熔体。随后，通过夹持机构12将整个坩埚体送入电磁搅拌器15中央，使坩埚5内各个曲缝中的金属熔体经受强电磁力搅拌。在电磁力作用下，金属浆料沿着曲线式环缝在方向复杂交变的高速率下切变流动，极大增加了流变制浆所需的剪切强度和多向紊流效应。整个制浆过程中，由于加热电缆6在坩埚5外周是独特的“蛇形”缠绕方式，使得加热电缆6可以有效削弱电磁搅拌器15诱发的电磁感应效应而进行不间断加热，精确控制制浆温度。浆料搅拌合格后，打开下口阀14进行连续流变铸造，或通过夹持机构12将坩埚体从电磁搅拌器15中移出，由上口11倾转浇注实现大体积金属浆料的流变加工成形。

实施例1：采用多曲缝式电磁搅拌法进行AZ91D镁合金流变压铸

采用2个曲齿筒2、3环曲缝的多曲缝电磁搅拌处理装置构造，如图2所示。工作时，首先通过加热电缆6及热电偶7的控温装置将坩埚5加热到605℃，然后从气体接口10通入保护气体（如六氟化硫气体），关闭下口阀14，并从上口11注入适量的镁合金熔体。随后，通过夹持机构12将整个坩埚体送入电磁搅拌器15中央，使坩埚5内各个曲缝中的合金熔体经受强电磁力搅拌。在电磁力作用下，镁合金浆料沿着曲线式环缝在方向复杂交变的高速率下切变流动，极大增加了流变制浆所需的剪切强度和多向紊流效应。整个制浆过程中，由于加热电缆6在坩埚5外周是独特的“蛇形”上下缠绕方式，使得加热电缆6可以有效削弱电磁搅拌器诱发的电磁感应效应而进行不间断加热，精确控制镁合金制浆温度。浆料搅拌合格后，通过夹持机构12将坩埚体从电磁搅拌器15中移出，倾转坩埚体大于90度，由上口11将镁合金浆料浇入压铸机压室内，实现大体积金属浆料的流变压铸成形。

如图4所示，为上述方法制备的AZ91D镁合金流变压铸的组织图，浅色区域为球形初生α-Mg，深色区域为凝固的共晶组织。由图可见，采用多曲缝式电磁搅拌方法制备的AZ91D镁合金浆料的组织和成分非常均匀、无偏析，获得的凝固组织比常规铸造组织更加细小圆整。

实施例2：采用多曲缝式电磁搅拌法进行A357铝合金半固态连续铸锭

采用23个五角星形齿杆的多曲缝式电磁搅拌处理装置构造，如图3所示。预先通过夹持机构12将整个坩埚体放置于电磁搅拌器15正中央，装置下口13位于连铸结晶器的热顶腔内，无需下口阀。工作时，首先通过加热电缆6及热电偶7的控温装置将坩埚5加热到590℃，然后从气体接口10通入保护气体（如氮气），开启电磁搅拌器15，并从上口11连续注入A357铝合金熔体。此时，注入坩埚5内所有曲缝中的合金熔体经受强电磁力搅拌。在电磁力作用下，合金浆料沿着曲线式环缝在方向复杂交变的高速率下切变流动，极大增加了流变制浆所需的剪切强度和多向紊流效应。在整个制浆及连铸过程中，由于加热电缆6在坩埚5外周是独特的“蛇形”上下缠绕方式，使得加热电缆6可以有效削弱电磁搅拌器诱发的电磁感应效应而进行不间断加热，从而精确控制制浆温度。经多曲缝电磁搅拌的铝合金半固态浆料由下口13连续供给结晶器热顶，进行半固态连续铸坯。

如图5所示，为上述方法制备的A357铝合金半固态连续铸锭的组织图，浅色区域为球形初生α-Al，深色区域为凝固的共晶组织。由图可见，采用多曲缝式电磁搅拌方法制备的A357铝合金浆料的组织和成分非常均匀、无偏析，获得的凝固组织比常规铸造组织更加细小圆整。

本发明的金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置及其流变制备方法可用于半固态金属浆料的制备，或进行大体积金属熔体的强制均匀化搅拌处理。工作时，处于狭窄曲缝中的金属浆料在强电磁力作用下，沿着曲线式环缝在方向复杂交变的高速率下切变流动，极大增加了流变制浆所需的剪切强度和多向紊流效应，使浆料成分更加均匀、组织更加细小。另外，在坩埚内用多个交错排列的多边形齿杆替代曲齿筒，也能造成并符合“多个曲线式环缝”内处理金属浆料的发明理念，与主装置具有同样效果。此外，采用多曲缝式制备方法在较窄的环缝条件下可以有效增加制浆体积。

Claims (10)

1.一种金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置，其特征在于：主要包括坩埚、齿芯、曲齿筒、外齿筒、加热电缆、热电偶、保温层、夹持机构和电磁搅拌器，其中，所述的齿芯竖立在坩埚内部的正中心，所述的齿芯的外围从小到大依次同心放置一个或复数个曲齿筒，直至紧贴着坩埚内壁的外齿筒；所述坩埚的外壁上依次设置加热电缆、热电偶、保温层和夹持机构；所述坩埚的上端设有坩埚盖，所述的坩埚盖上设置气体接口和上口；所述坩埚的底部设置下口及下口阀；所述坩埚通过夹持机构从上方或下方移入或移出环形电磁搅拌器。

2.根据权利要求1所述的金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置，其特征在于：所述的齿芯、曲齿筒和外齿筒上所有相对的齿形均呈交叉咬合状，向外凸的齿尖轮廓半径≥相对应的向中心凸的齿尖轮廓半径。

3.根据权利要求2所述的金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置，其特征在于：所述的齿芯、曲齿筒和外齿筒之间形成均匀缝隙。

4.根据权利要求3所述的金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置，其特征在于：所述的缝隙宽度为2~200mm。

5.根据权利要求4所述的金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置，其特征在于：所述的曲齿筒的侧壁上随机设置连通各个缝隙的通孔。

6.根据权利要求5所述的金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置，其特征在于：所述坩埚的外周设置加热电缆，所述加热电缆在坩埚的外周呈上下“蛇形”缠绕；加热电缆由热电偶实时进行加热温度控制。

7.根据权利要求1所述的金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置，其特征在于：所述的曲齿筒用多边形齿杆替换，多边形齿杆为复数个，呈交错排列，形成曲线式环缝。

8.一种金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理方法，采用权利要求1-7中任一项所述的金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置，包括如下步骤：

（1）通过加热电缆及热电偶的控温装置将坩埚加热到处理金属浆料所需的温度，从气体接口通入保护气体，关闭下口阀，并从上口注入金属熔体；

（2）随后通过夹持机构将整个坩埚体送入电磁搅拌器中央，使坩埚内各个曲缝中的金属熔体经受强电磁力搅拌；

（3）浆料搅拌完成后，打开下口阀进行连续流变铸造，或通过夹持机构将坩埚体从电磁搅拌器中移出，由上口倾转浇注实现大体积金属浆料的流变加工成形。

9.根据权利要求8所述的金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理方法，其特征在于：所述的处理金属浆料所需的温度为金属液相线温度±30℃。

10.根据权利要求8所述的金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理方法，其特征在于：所述的保护气体为惰性气体或硫化物气体。

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