CN106925762B - 一种高剪切强电磁搅拌熔体处理的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高剪切强电磁搅拌熔体处理的装置和方法，属于金属材料及其加工成形技术领域。该装置主要由坩埚、安装在坩埚内的芯棒、及安装在坩埚外围的电磁搅拌装置组成，电磁搅拌装置包括水箱和放置在水箱中的电磁搅拌器；坩埚的形状为半锥形，芯棒形状上端为半锥形结构，下端为螺旋结构，芯棒中间为中空结构，中空部分的形状为半锥形；芯棒与坩埚同轴。该装置和方法可用于处理铝合金、镁合金、铜合金、锌合金、钛合金等合金熔体及其颗粒增强的金属基复合材料。通过本发明处理得金属熔体温度场和成分场非常均匀，成型坯料及零件组织细小均匀、成分分布均匀，铸造缺陷大大减少，性能大幅提高，同时提高产品生产效率，大幅度降低产品成本。
Description
技术领域
本发明属于金属材料及其加工成形技术领域，具体涉及一种高剪切强电磁搅拌熔体处理的装置和方法。
背景技术
凝固组织的细化、均匀化是提高金属材料性能和品质的关键环节，是实现金属材料短流程近终形成形加工的技术基础。但是受金属材料固有的凝固特性限制，组织通常呈现“三晶带”的分布特点，存在晶粒粗大、成分偏析、组织不均匀等问题，对大体积合金熔体凝固而言尤为明显。因此，如何获得细小、圆整、均匀分布的凝固组织一直是材料学者们研究的热点问题。针对这个科学问题，国内外均尝试采用施加外场干预合金熔体的凝固过程，通过施加外场使合金熔体产生强烈扰动，促使合金熔体的温度场、成分场更加均匀，进而使合金熔体在整个熔体范围内同时大量形核，从而实现对合金熔体凝固组织的精确控制，获得细小均匀的凝固组织，最终细化晶粒组织。
电磁搅拌法具有能量的高密度性和清洁性、优越的响应性和可控性、易于自动化、能量利用率高等优点，所以率先实现产业化并获得较为广泛的商业应用。美国专利4434837和4229210及中国专利200420112702.0、200510086377.4和201220715064.6都公开了几种制备合金浆料或坯料的电磁搅拌方法，其主要原理是利用强烈的电磁搅拌使合金熔体产生流动，获得相对均匀的温度场和成分场，最终细化合金的晶粒组织。但是由于电磁感应的集肤效应的存在导致搅拌作用仅仅集中在表面的一个很小的薄层，而使中心大面积的金属液搅拌效果很差，从而使得金属液无法获得均匀的搅拌，从心部到边部的合金熔体的温度场和成分场分布不均匀，频率越高，集肤效应越明显，距离断面外表层的距离越大，则感应电流的衰减越剧烈。因此大部分电磁搅拌装置和方法均是采取降低频率的方法减弱集肤效应，但是低的频率不仅减弱了搅拌强度，同时需增设变频装置，会增加设备投资成本，增加合金浆料的制备成本。中国专利200810116181提出了一种环缝式电磁搅拌装置和方法，该装置在熔体心部放置一个芯棒，形成熔体缝隙，在搅拌缝隙宽度可调的环缝式制浆系统内实现浆料的搅拌。环缝不仅避开了磁感应强度较低的部分，可有效避免电磁感应趋肤效应导致的搅拌力的不均匀性，将交变电磁场趋肤效应劣势转变为优势，充分利用趋肤效应层磁感应强度高的优点，同时增加了熔体心部的散热面积，使浆料获得的更加均匀的温度场和成分场，使用工频电流便可以实现均匀的搅拌，因此减少了变频设备，减少成本。但由于缝隙的宽度有限，只能处理小体积熔体，熔体处理量有限，同时电磁搅拌的固有特性，电磁力在熔体中是按周向分布的，熔体的流动也是沿周向运动，以层流为主，这就不可避免的产生了沿径向和轴向分布的温度梯度和成分梯度。美国专利5135564也提出了一种类似的电磁搅拌设备和方法，该设备主要是通过旋转的磁场和可上下移动的芯棒来控制熔体的搅拌，避开熔体受电磁力较小的地方和增加熔体的散热，但是电磁搅拌所产生的熔体搅拌效果都是沿周向运动的，以层流为主，很难产生熔体的径向和轴向流动，也就同样不可避免的产生了沿径向和轴向分布的温度梯度和成分梯度，上下移动的的芯棒虽说可以增强熔体上下的流动，但是效果有限，同时该设备相当复杂，操作困难，生产成本较高。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的是提供一种高剪切强电磁搅拌熔体处理的装置和方法。该装置主要由电磁搅拌装置、制备坩埚和芯棒组成，电磁搅拌装置包括特殊结构的水箱和特殊尺寸的电磁搅拌器；制备坩埚具有特殊形状；芯棒具有特殊位置、形状及材质。基于上述装置，提出一种高剪切强电磁搅拌熔体处理的方法，依靠具有特殊结构的电磁搅拌装置、特殊形状的制备坩埚和特殊位置、形状及材质的芯棒结构实现合金熔体只在内部高剪切剧烈循环紊流扰动而表面不动，克服了电磁搅拌由于周向运动特性和趋肤效应引起的搅拌不均匀(尤其是大体积合金熔体)，解决了普通电磁搅拌熔体剪切速率弱，搅拌强度低，搅拌过程熔体易卷气卷渣的缺点，最终得到整个熔体体积内均匀分布的温度场和成分场；同时解决了普通电磁搅拌难以处理大体积合金熔体，实现了大体积合金熔体的强剪切熔体均匀化处理。
一种高剪切强电磁搅拌熔体处理的装置，该装置主要由坩埚、安装在坩埚内的芯棒、及安装在坩埚外围的电磁搅拌装置组成，所述的电磁搅拌装置包括水箱和放置在水箱中的电磁搅拌器；所述的坩埚的形状为半锥形，所述的芯棒形状上端为半锥形结构，下端为螺旋结构，芯棒中间为中空结构，中空部分的形状为半锥形；所述的芯棒与坩埚同轴。
所述的芯棒下端螺旋结构的任何一个螺纹的最外壁与坩埚内壁的距离均相同，其距离为5～50mm，螺纹高度为5～100mm，螺纹螺距20～150mm，螺纹横截面形状为等腰梯形，等腰梯形锐角度数为45～90°，螺纹可为单线螺纹、双线螺纹或多线螺纹；所述的芯棒下端螺旋结构(整个螺纹)的长度为芯棒长度的五分之二。
所述的芯棒上端半锥形结构的纵截面与坩埚纵截面形状相同，半锥形结构的外壁上任一位置与坩埚内壁距离均相同，大小为10～150mm。
所述的芯棒中部为中空结构，内部空洞为半锥形，纵截面为等腰梯形，与坩埚纵截面形状相同，芯棒内壁上任一位置与坩埚内壁距离均相同，大小为15～155mm。
所述的芯棒底部与坩埚底部之间的距离为5～100mm，顶部与熔体液面之间的距离5～200mm。
所述芯棒为奥氏体不锈钢、钛、钼、钴、铬、镍或铜等非磁金属材料，或者石墨、陶瓷或刚玉等非金属材料。
所述的坩埚形状为半锥形，其纵截面为等腰梯形，等腰梯形底角度数为60°～120°。坩埚底部半径为50～500mm，高度为50～1000mm，材质为奥氏体不锈钢、钛、钼、钴、铬、镍或铜等非磁金属材料，或者石墨、陶瓷或刚玉等非金属材料。
所述坩埚底部设有出料口，浆料处理完可打开，用于浆料注入成型设备。
所述的水箱上板为屏蔽磁场的板材，如铁镍合金板材，用来屏蔽磁场向上导出，而只对电磁搅拌器包围的熔体施加搅拌；同时水箱通入冷却循环水，用来冷却搅拌过程中的线圈，避免其过热。
所述的电磁搅拌器高度具有特定值，其高度值与芯棒下端螺旋部位高度相同，且与其正对；搅拌线圈为三相多对极(3、6、9对级)；搅拌频率不仅可以为低频，还可以为工频、中频甚至高频；搅拌电流范围为5A～500A，实现搅拌熔体强剪切剧烈紊流运动。
基于上述装置，本发明提出一种高剪切强电磁搅拌熔体处理的方法，包括如下步骤：首向将芯棒按照特定方式固定在坩埚内部，并将特定质量的金属熔体注入到坩埚中，开动电磁搅拌器并在水箱中通入冷却循环水；使熔体只在内部高剪切剧烈循环紊流扰动而表面不动，整个熔体体积内温度和成分均匀分布；处理完成后，打开坩埚底部出料口，将处理后的熔体注入到成型设备中。
本发明的装置和方法不仅可以处理常用的铝合金熔体，还可以处理镁合金、铜合金、锌合金、钛合金等合金熔体及其颗粒增强的金属基复合材料。经处理的熔体可注入挤压铸造设备、压铸设备，半连续铸造设备及其他成型设备等。
与现有技术相比，本发明的优点：
与传统的电磁搅拌相比，依靠具有特殊结构的电磁搅拌装置、特殊形状的制备坩埚和特殊位置、形状及材质的芯棒结构实现合金熔体只在内部高剪切剧烈循环紊流扰动而表面不动，克服了电磁搅拌由于周向运动特性和趋肤效应引起的搅拌不均匀(尤其是大体积合金熔体)，解决了普通电磁搅拌熔体剪切速率弱，搅拌强度低，搅拌过程熔体易卷气卷渣的缺点，最终得到整个熔体体积内均匀分布的温度场和成分场；同时解决了普通电磁搅拌难以处理大体积合金熔体，实现了大体积合金熔体的强剪切熔体均匀化处理。
通过本发明装置和方法处理的金属熔体合金温度场和成分场非常均匀，成型坯料及零件组织细小均匀、成分分布均匀，铸造缺陷大大减少，性能大幅提高，同时提高产品生产效率，大幅度降低产品成本。
附图说明
图1是本发明高剪切强电磁搅拌熔体处理装置的结构示意图。
图2是高剪切强电磁搅拌熔体流动示意图。
主要附图标记说明：
1 水箱 2 水箱上盖
3 电磁搅拌器 4 制备坩埚
5 芯棒 6 螺纹
7 出料口 8 金属熔体
具体实施方式
如图1所示，本发明的高剪切强电磁搅拌熔体处理的装置主要由制备坩埚4、芯棒5和电磁搅拌装置组成，芯棒5固定在制备坩埚4内，电磁搅拌装置置于制备坩埚4外围。电磁搅拌装置包括电磁搅拌器3和水箱1，电磁搅拌器3置于水箱1中。
芯棒5由中空的半锥形管及设置在半锥形管下端的螺旋结构所构成。芯棒5形状下端为螺旋结构，上端为半锥形结构，芯棒5中间为中空结构，芯棒5与制备坩埚4同轴。
芯棒5下端螺旋结构的每个螺纹6的最外壁与制备坩埚4内壁的距离均相同，其距离为5～50mm，螺纹6高度为5～100mm，螺纹6螺距20～150mm，螺纹6横截面形状为等腰梯形，等腰梯形锐角度数为45～90°，螺纹6可为单线螺纹、双线螺纹或多线螺纹；芯棒5下端整个螺纹6的长度为芯棒5长度的五分之二。
芯棒5上端半锥形结构的纵截面与制备坩埚4纵截面形状相同，均为等腰梯形，并且两个等腰梯形为相似梯形，半锥形结构的外壁上每一位置到制备坩埚4内壁的距离均相同，大小为10～150mm。
芯棒5中部的中空结构中，内部空洞为半锥形，截面为等腰梯形，与制备坩埚4纵截面形状相同，其内壁上每一位置到制备坩埚4内壁的距离均相同，大小为15～155mm。
芯棒5底部与制备坩埚4底部距离为5～100mm，顶部距离金属熔体8液面5～200mm。
芯棒5为奥氏体不锈钢、钛、钼、钴、铬、镍或铜等非磁金属材料，或者石墨、陶瓷或刚玉等非金属材料。
制备坩埚4具有特殊形状，其形状为半锥形，其纵截面为等腰梯形，等腰梯形底角度数为60°～120°。制备坩埚4底部半径为50～500mm，高度为50～1000mm，材质为奥氏体不锈钢、钛、钼、钴、铬、镍或铜等非磁金属材料，或者石墨、陶瓷或刚玉等非金属材料。
制备坩埚4底部留有出料口7，浆料处理完可打开，用于浆料注入成型设备。
水箱上盖2为屏蔽磁场的铁镍合金板材，用来屏蔽磁场向上导出，而只对电磁搅拌器3包围的金属熔体8施加搅拌；同时水箱1通入冷却循环水，用来冷却搅拌过程中的线圈，避免其过热。
电磁搅拌器3高度具有特定值，其高度值与芯棒5下端螺旋部位高度相同，且与其正对；搅拌线圈为三相多对极(3、6、9对级)；搅拌频率不仅可以为低频，还可以为工频、中频甚至高频；搅拌电流范围为5A～500A，实现搅拌金属熔体8强剪切剧烈紊流运动。
下面以7075铝合金为例，进一步说明本发明的高剪切强电磁搅拌熔体处理装置及处理方法。
采用的高剪切强电磁搅拌熔体处理装置中，芯棒5高度为250mm，其下端螺旋结构的每一个螺纹6的最外壁与制备坩埚4内壁的距离均为10mm，螺纹6高度为30mm，螺纹6螺距100mm，螺纹6横截面形状为等腰梯形，等腰梯形锐角度数为70°，螺纹6为双线螺纹；芯棒5下端整个螺纹6的长度为芯棒5的五分之二。芯棒5上端半锥形结构的纵截面与制备坩埚4纵截面形状相近似，半锥形结构的外壁上任一位置到制备坩埚4内壁的距离均为40mm。芯棒5内壁上任一位置到制备坩埚4内壁的距离均为42mm。芯棒5底部与制备坩埚4底部距离为15mm。芯棒5材料为钛合金材料。
制备坩埚4的纵截面为等腰梯形，等腰梯形底角度数为80°。制备坩埚4底部半径为80mm，高度为350mm，材质为钛合金材料。
电磁搅拌器3搅拌线圈为三相3对极；搅拌频率为工频50Hz；搅拌电流为100A。
首向将720℃的7075铝合金金属熔体8注入到已按照相应方式固定好芯棒5的制备坩埚4中，保证金属熔体8液面高于芯棒顶部35mm，开动电磁搅拌器3并在水箱1中通入冷却循环水；倚靠特殊结构的电磁搅拌装置、特殊形状的制备坩埚4和特殊位置、形状及材质的芯棒5结构实现金属熔体8只在内部高剪切剧烈循环紊流扰动而表面不动，如图2所示，克服了电磁搅拌由于周向运动特性和趋肤效应引起的搅拌不均匀(尤其是大体积合金熔体)，解决了普通电磁搅拌熔体剪切速率弱，搅拌强度低，搅拌过程熔体易卷气卷渣的缺点，最终得到整个熔体体积内均匀分布的温度场和成分场；同时解决了普通电磁搅拌难以处理大体积合金熔体，实现了大体积合金熔体的强剪切熔体均匀化处理；待金属熔体8温度降到645℃，打开制备坩埚4底部出料口7，将处理后的金属熔体8注入到挤压铸造设备中进行成型。相比普通挤压铸造零件，经该装置和方法处理后的挤压铸造零件组织细小均匀，晶粒尺寸减小48％，化学成分偏析大大减少，凝固缺陷很少，力学性能得到有效的提高，抗拉强度、屈服强度和延伸率分别增加30％、26％和32％。
芯棒5的材质还可以是奥氏体不锈钢、钼、钴、铬、镍或铜等非磁金属材料，或者石墨、陶瓷或刚玉等非金属材料；由于芯棒5的特殊材质，该装置和方法不仅可以处理常用的铝合金熔体，还可以处理镁合金、铜合金、锌合金、钛合金等合金熔体及其颗粒增强的金属基复合材料。
通过本发明处理得金属熔体合金温度场和成分场非常均匀，成型坯料及零件组织细小均匀、成分分布均匀，铸造缺陷大大减少，性能大幅提高，同时提高产品生产效率，大幅度降低产品成本。
Claims (7)
1.一种高剪切强电磁搅拌熔体处理的装置，其特征在于：该装置主要由坩埚、安装在坩埚内的芯棒、及安装在坩埚外围的电磁搅拌装置组成，所述的电磁搅拌装置包括水箱和放置在水箱中的电磁搅拌器；所述的坩埚的形状为半锥形，所述的芯棒形状上端为半锥形结构，下端为螺旋结构，芯棒中间为中空结构，中空部分的形状为半锥形；所述的芯棒与坩埚同轴；所述的芯棒螺旋结构的任何一个螺纹的最外壁与坩埚内壁的距离均相同；所述的芯棒半锥形结构的纵截面与坩埚纵截面形状相同，所述的半锥形结构的外壁上任一位置与坩埚内壁距离均相同；所述的芯棒中空部分的纵截面与坩埚纵截面形状相同，所述的芯棒内壁上任一位置与坩埚内壁距离均相同；所述的电磁搅拌器的高度与芯棒下端螺旋部位高度相同。
2.根据权利要求1所述的高剪切强电磁搅拌熔体处理的装置，其特征在于：所述的芯棒螺旋结构的任何一个螺纹的最外壁与坩埚内壁的距离为5～50mm；所述的螺纹高度为5～100mm，螺距为20～150mm，螺纹横截面形状为等腰梯形，等腰梯形锐角度数为45～90°，所述的螺纹为单线螺纹或多线螺纹；所述的芯棒螺旋结构的长度为芯棒长度的五分之二；所述的芯棒半锥形结构的外壁上任一位置与坩埚内壁距离为10～150mm；所述的芯棒内壁上任一位置与坩埚内壁距离为15～155mm；所述的芯棒底部与坩埚底部之间的距离为5～100mm，顶部与熔体液面之间的距离为5～200mm。
3.根据权利要求1所述的高剪切强电磁搅拌熔体处理的装置，其特征在于：所述的坩埚的纵截面为等腰梯形，等腰梯形底角度数为60°～120°，所述的坩埚底部半径为50～500mm，高度为50～1000mm；所述的坩埚底部设有出料口。
4.根据权利要求1所述的高剪切强电磁搅拌熔体处理的装置，其特征在于：所述的芯棒和坩埚的材质为奥氏体不锈钢、钛、钼、钴、铬、镍、铜、石墨、陶瓷或刚玉。
5.根据权利要求1所述的高剪切强电磁搅拌熔体处理的装置，其特征在于：所述的水箱上板为屏蔽磁场的板材；所述的电磁搅拌器的搅拌线圈为三相多对极，搅拌频率为低频、工频、中频或高频；搅拌电流为5A～500A。
6.一种高剪切强电磁搅拌熔体处理的方法，采用权利要求1-5中任一项所述的高剪切强电磁搅拌熔体处理的装置，包括如下步骤：首先将金属熔体注入到坩埚中，并将芯棒固定在熔体内部，开动电磁搅拌器并在水箱中通入冷却循环水；熔体只在内部高剪切循环紊流扰动而表面不动，使整个熔体体积内温度和成分均匀分布；处理完成后，打开坩埚底部出料口，将处理后的熔体注入到成型设备中。
7.权利要求1-6中任一项所述的高剪切强电磁搅拌熔体处理的装置在处理铝合金、镁合金、铜合金、锌合金或钛合金熔体及其颗粒增强的金属基复合材料中的应用。
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