CN108339963B - 一种差相位行波磁场电磁铸造方法 - Google Patents

Abstract

一种差相位行波磁场电磁铸造方法，包括以下步骤：在电磁铸造过程中，在金属熔体周围设置磁场施加装置，在金属熔体经过内套进行铸造过程中，通过磁场施加装置对金属熔体施加磁场；每2n个磁场施加装置构成一组磁场施加装置，共设置两组，每组各自产生一组脉冲电磁信号，两组电磁脉冲信号的相位角差为90°，在金属熔体中构成差相位行波磁场。本发明的方法充分发挥电磁场对合金熔体的作用，实现不同形状规格坯料制备过程中不同部位的磁场控制，增强磁场细化作用，均匀温度和成分、净化熔体，显著改善合金铸坯组织和成分，改善铸锭性能。

Description

一种差相位行波磁场电磁铸造方法

技术领域

本发明属于有色金属材料加工领域，具体涉及一种差相位行波磁场电磁铸造方法。

背景技术

随着铸造技术的不断发展，人们对铸造质量的要求不断提高，对金属及合金的组织及性能提出了更严格的标准，而铸造合金的性能主要取决于其凝固组织，普通铸造合金存在凝固组织枝晶发达、晶粒粗大、组织不均匀等缺点，极大降低了材料的力学性能和变形能力；根据霍尔-佩奇(Hall-Petch)关系可知，细化晶粒可改善多晶体材料的强度；因此，在金属坯料制备过程细化晶粒具有重要意义，研制出能够生产细晶、均匀、纯净金属凝固组织的设备研究始终受到人们的高度重视，也是轻金属铸造领域追求的目标。

传统铸造工艺条件下，细化晶粒的方法主要包括熔体过热处理、变质处理和控制铸造工艺条件等，但细化效果有限，过热处理和添加变质剂主要作用在熔体阶段，加入量不易控制，加入量过少细化效果不显著，加入量过多则会改变熔体合金成分，污染熔体；此外，并不是所有的金属和合金都有适用的变质剂，通过控制铸造工艺条件的方法主要有降低铸造速度、降低浇注温度等、提高液态金属的冷却速度等，在一定条件下可以取得很好的效果，但降低铸造速度和浇铸温度会影响金属液的流动性，降低金属液充型能力，提高液态金属的冷却速率对于大规格铸锭作用有限；因此，仅通过传统的熔炼铸造工艺已无法满足当前的铸造质量要求，尤其大规格板坯和铸锭的制备。

在金属和合金凝固过程中施加外场，如施加电场、磁场、超声场、组合外场等，能够细化均匀凝固组织，且对金属液无污染；在金属凝固过程中通过施加外场，一方面向熔体中输入能量提高形核和长大速率；另一方面，外场对金属熔体的搅拌作用可以改变凝固温度场、流场和浓度场，从而细化均匀凝固组织；目前，超声场和电磁场是金属和合金凝固过程中应用最广的两种外场。

目前大多数学者认为，对于超声处理熔体细化的机制，主要是超声作用熔体时产生的空化效应和声流效应能够搅拌熔体，增加形核率，改善合金温度场的均匀性，抑制柱状晶的生长；1935年Sokolov首次研究了超声振动下金属的凝固行为，随后Abramov和Gurevich研究了超声振动作用下不同点阵结构纯金属的凝固，发现超声处理能够使不同点阵结构的纯金属晶粒细化，力学性能提高；美国的Vladimir Ivanovich等人发明了轻合金的超声半连续铸造方法，通过实验验证了超声的细化效果；东北大学开发的镁合金变频超声半连续铸造方法，通过实验验证发现，变频超声振动能够显著细化晶粒均匀组织；然而，这种技术仍存在明显缺点：超声波在金属熔体中传播存在严重的衰减现象，而现有超声设备的有效输出功率有限，导致其作用范围有限；另一方面，现有超声变幅杆需要直接接触金属液，因此超声变幅杆的耐高温腐蚀性和空化腐蚀问题仍亟待解决；以上缺点导致超声处理熔体技术仍无法应用于工业生产。

电磁场细化机制主要是通过电磁力对熔体的搅拌作用，增加形核率，使熔体温度和成分分布更加均匀，抑制枝晶生长，使枝晶球化，提高铸坯等轴晶率；自从20世纪60年代前苏联Getselev在DC半连续铸造的基础上施加线圈开发出电磁铸造(EMC)以来，电磁铸造工艺不断发展，应用日趋广泛；东北大学开发的低频电磁铸造工艺(LFEC)和低频电磁振荡工艺(LFEVC)、中国科学院金属研究所提出的低压脉冲磁场工艺均取得了很好的效果，中国专利CN101733380 A、CN202192235 U、CN205236987U、CN104722730A等表明，施加磁场使晶粒尺寸明显细化、冷隔减轻、偏析和热裂倾向减小，变形能力显著提高；但实际生产发现，LFEC和LFEVC工艺对于直径大于300mm的铸锭细化效果有限，低压脉冲磁场工艺只有在一定电磁条件下细化效果显著，当电磁频率进一步增大时，晶粒尺寸反而增大；此外，现有电磁场施加方式在大规格非轴对称扁坯制备过程中，针对不同部位电磁条件不可调节，无法实现不同位置温度场的控制。

发明内容

针对现有电磁场作用下轻合金铸造存在的各种问题，如不同部位电磁条件不可调节、电磁作用范围有限、电磁利用率低等，本发明提供一种差相位行波磁场电磁铸造方法，采用新型电磁振荡电源系统，改变传统电磁场的施加方式，充分发挥电磁场对合金熔体的作用，实现不同形状规格坯料制备过程中不同部位的磁场控制，增强磁场细化作用，均匀温度和成分、净化熔体，改善合金铸坯组织和成分，改善铸锭性能。

本发明的差相位行波磁场电磁铸造方法为：

在电磁铸造过程中，在金属熔体周围设置磁场施加装置，每个磁场施加装置包括硅钢片铁芯、电磁线圈和固定装置，硅钢片铁芯通过固定装置固定在硅钢片铁芯冷却装置内，硅钢片铁芯冷却装置设有冷却水进口和冷却水出口；电磁线圈缠绕在硅钢片铁芯上，并且电磁线圈与电源连接；在金属熔体经过内套进行铸造过程中，通过磁场施加装置对金属熔体施加磁场；其中每n个电磁线圈装置构成一组磁场施加装置，n为大于等于1的自然数，金属熔体周围共设置两组磁场施加装置。施加磁场过程中，差相脉冲电源系统产生两组相位角差为90°的脉冲信号，两组磁场施加装置各施加一组脉冲电磁信号，在金属熔体中构成差相位行波磁场。

上述方法中，通过与电磁线圈连接的电源，控制电磁线圈的电流强度I＝1～300A，电磁频率f＝2～60Hz，占空比D＝5～80％；控制各磁场施加装置中心围成的内部空间的中心处磁场强度B＝20～200mT。

上述的每个磁场施加装置各自设有一个硅钢片铁芯，或者多个磁场施加装置中的硅钢片铁芯为一体结构；当每个磁场施加装置各自设有一个硅钢片铁芯时，硅钢片铁芯为矩形、扇环形或一侧带有磁轭的矩形；当多个磁场施加装置中的硅钢片铁芯为一体结构时，硅钢片铁芯为内侧带有磁轭的环形。

上述电磁线圈绕组方式为克莱姆绕组，每个磁场施加装置的线圈匝数为20～200匝。

上述的2n个磁场施加装置分为A、B两组磁场施加装置，分别称为A1，A2，A3，……，Ai和B1，B2，B3，……，Bj，其中i，j∈N*(i<2n，j<2n，i+j＝2n)，每组磁场施加装置串联。

上述的电磁线圈采用的电磁线为双层聚酰亚胺-氟46复合薄膜包扁铜线或潜水电机绕组线。

上述方法中，当硅钢片铁芯为矩形时，用于铸造扁坯或方坯；当硅钢片铁芯为扇环形时，用于铸造圆形铸坯；当硅钢片铁芯为带有磁轭的矩形时，用于铸造矩形或方形铸坯；当硅钢片铁芯为带有磁轭的环形时，用于铸造圆形铸坯。

上述方法中，与电磁线圈连接的电源通过三相交流电经变压器输出直流电压，再通过LC整流滤波电路输出方波脉冲电压和锯齿状脉冲电流，通过PLC控制器、可控硅控制器和IGBT控制器输出两组负载信号，实现多组线圈之间独立调节，两组线圈之间存在90度相位角差。

本发明的方法结合现有磁场的优点，改变传统的线圈的结构和安放方式，将线圈水平安放在金属熔体周围，同时将线圈分组，不仅能够实现针对不同部位施加不同电磁条件，使电磁作用范围更广，且根据需要可调节，同时可有效净化金属液，提高铸坯质量；改变现有供电方式，针对不同分组线圈的输入电流形成90度的相位差，不同相位脉冲之间的电磁力可以相互叠加作用，显著增强搅拌作用，提高电磁利用率，从而制备出细晶、均匀、纯净的合金锭坯。

本发明的方法充分发挥电磁场对合金熔体的作用，实现不同形状规格坯料制备过程中不同部位的磁场控制，增强磁场细化作用，均匀温度和成分、净化熔体，显著改善合金铸坯组织和成分，改善铸锭性能。

本发明通过以上技术手段，具有以下优点和积极效果：

1、可实现对磁场施加装置大小、安放数量及安放位置的调整，能够适应不同形状和几何尺寸的铸锭制备；

2、磁场施加装置可以根据铸锭的合金种类、规格和形状调节控制磁场施加条件(频率f、电流I、占空比D)，以及分组及组合方式，以达到最优的处理效果，使生产的产品合金元素偏析大大降低，晶粒尺寸大幅减小，力学性能和成品率显著提高；

3、线圈施加差相脉冲电流，不同分组线圈所施加电流相位角差90度，能够显著增强电磁力对合金熔体的搅拌作用，提高电磁利用率；

4、电磁力作用于金属熔体时，不与金属液直接接触，清洁无污染，不仅适用于轻合金的铸造生产，同时适用于钢、铁、铜等金属及合金的生产与制备；

5、涉及的结构简单紧凑，便于安装和调整，适应性强，可用于半连续铸造、永久模铸造和砂型铸造。

附图说明

图1为本发明实施例1的差相位行波磁场电磁铸造方法的两组磁场施加装置结构示意图；图中，1、差相位行波磁场电源系统，2、硅钢片铁芯，3、固定装置，4、电磁线圈，5、电磁线圈挡板，6、航空接头，7、硅钢片铁芯冷却装置，8、连接导线，9、金属熔体；

图2为本发明的差相位脉冲电源系统的原理图；

图3为图1中的两组磁场施加装置工作时脉冲波形示意图；图中，(a)为第一组脉冲信号；(b)为第二组脉冲信号；U_A、A组线圈电压，U_B、B组线圈电压，I_A、A组线圈电流，I_B、B组线圈电流，U_max、电压峰值，U_min、电压最小值，I_max、电流峰值，I_min、电流最小值，f₁、A组频率，D₁、A组占空比，T₁、A组周期，f₂、B组频率，D₂、B组占空比，T₂、B组周期，相位角差；

图4为本发明的硅钢片铁芯结构示意图；图中，(a)为矩形硅钢片铁芯；(b)为扇环形硅钢片铁芯；(c)为带磁轭的矩形硅钢片铁芯；(d)为带磁轭的圆环形硅钢片铁芯；

图5为磁场施加装置的组合方式结构示意图；图中，(a)为实施例3，(b)为实施例2，(c)为实施例1，(d)为实施例4；(e)为实施例5；

图6为实施例3的两组磁场施加装置局部结构示意图；图中，10、硅钢片铁芯固定螺栓，11、硅钢片铁芯冷却装置外套，12、硅钢片铁芯冷却装置内套；

图7为图6的位置尺寸图；图中，d、金属熔体中心到线圈的聚落，t1、硅钢片铁芯冷却装置内套壁厚，r1、铸锭直径，r2、电磁线圈最大外接圆直径，r3、硅钢片铁芯冷却装置外套内径；

图8为本发明实施例2的铸造合金产品的微观金相组织图，图中(a)为未施加磁场，(b)为施加磁场；

图9为本发明实施例3的铸造合金产品的宏观金相组织图，图中(a)为未施加磁场，(b)为施加磁场。

具体实施方式

本发明实施例中采用的双层聚酰亚胺-氟46复合薄膜包扁铜线的截面尺寸为(1.5～3.5)mm×(5～9)mm；采用的潜水电机绕组线(C/S型裸铜双层绝缘耐水线)，规格为19/0.69mm。

本发明实施例中硅钢片铁芯的厚度为3.5mm或5mm。

本发明实施例中的硅钢片铁芯冷却装置包括硅钢片铁芯冷却装置内套和硅钢片铁芯冷却装置外套，多个磁场施加装置固定在硅钢片铁芯冷却装置内套和硅钢片铁芯冷却装置为外套之间。

本发明实施例中的固定装置为螺栓螺母，或者为夹具。

本发明实施例中处理的熔体为铝合金、镁合金、铜合金或钢铁。

本发明实施例中，当进行连铸或半连铸时，硅钢片冷却装置为连铸或半连铸装置的一部分；当进行坩埚浇铸或模铸时，硅钢片冷却装置为坩埚或铸模外的装置。

本发明实施例中，对于金属模下的凝固，各磁场施加装置位于同一水平高度，电磁线圈距离铸模外部5～10mm；对于砂型或石墨型的浇铸，电磁线圈距离铸模10～40mm；电磁线圈的顶面所在水平面低于金属熔体的液面，且两者高度差小于50mm。

本发明实施例中，进行连铸或半连铸时，金属熔体周围的各磁场施加装置位于同一水平高度，且高于或等于金属熔体凝固成壳的水平高度；各磁场施加装置所在平面与金属熔体流动方向垂直。

实施例1

在电磁铸造过程中，在金属熔体周围设置两组磁场施加装置，结构如图1所示；每个磁场施加装置包括硅钢片铁芯2、电磁线圈4和固定装置3(螺栓螺母)，硅钢片铁芯2的两端通过固定装置3固定在硅钢片铁芯冷却装置7内，硅钢片铁芯冷却装置设有冷却水进口和冷却水出口；电磁线圈4缠绕在硅钢片铁芯2上，电磁线圈4的两端设有电磁线圈挡板5，电磁线圈挡板5固定在硅钢片铁芯2上，并且电磁线圈4与差相位行波磁场电源系统1通过连接导线8连接，连接导线8通过航空接头6与电磁线圈4连接固定；

硅钢片铁芯冷却装置7局部结构如图6、7所示，包括硅钢片铁芯冷却装置内套12和硅钢片铁芯冷却装置外套11，多个磁场施加装置固定在硅钢片铁芯冷却装置内套12和硅钢片铁芯冷却装置为外套11之间；

2个磁场施加装置分为A、B两组磁场施加装置，分别称为A1，A2以及B1，B2，每组磁场施加装置串联；布置方式如图5(c)所示；

在金属熔体9经过内套铸造过程中，通过磁场施加装置对金属熔体9施加磁场；其中每任意2个磁场施加装置构成一组磁场施加装置，金属熔体9周围共设置两组磁场施加装置，施加磁场过程中，每组磁场施加装置各施加一组脉冲电磁信号，两组电磁脉冲信号的相位角差为90°，在金属熔体9内部构成差相位行波磁场；

差相位脉冲电源系统的原理如图2所示；与电磁线圈连接的电源通过三相交流电经变压器输出直流电压，再通过LC整流滤波电路输出方波脉冲电压和锯齿状脉冲电流，通过PLC控制器、可控硅控制器和IGBT控制器输出两组负载信号，实现多组线圈之间独立调节，两组线圈之间存在90度相位角差；两组磁场施加装置工作时脉冲波形如图3所示；通过与电磁线圈连接的差相位行波磁场电源系统，控制电磁线圈的电流强度I＝0～300A，电磁频率f＝2～60Hz，占空比D＝5～80％。控制各磁场施加装置中心围成的内部空间的中心处磁场强度B＝20～200mT；

每个磁场施加装置各自设有一个硅钢片铁芯，硅钢片铁芯为矩形，结构如图4(a)所示；

电磁线圈绕组方式为克莱姆绕组，每个磁场施加装置的线圈匝数为54匝，分为两层布置；

电磁线圈采用的电磁线为双层聚酰亚胺-氟46复合薄膜包扁铜线；

采用模铸方式，所铸造的目标产物为铜合金铸坯；

采用上述方式铸造的铜合金产品，与不施加磁场铸造的同类产品相比，合金元素偏析大大降低，晶粒尺寸大幅减小，力学性能和成品率显著提高。

实施例2

方法同实施例1，不同点在于：

(1)在金属熔体周围设置两组磁场施加装置，2个磁场施加装置分为A、B两组磁场施加装置，分别为称为A1，A2，A3以及B1，B2，B3，每组磁场施加装置串联；布置方式如图5(b)所示；每任意3个磁场施加装置构成一组磁场施加装置；

(2)每个磁场施加装置的线圈匝数为66匝，分为两层布置；

(3)电磁线圈采用的电磁线为潜水电机绕组线；

(4)采用连续铸造方式，所铸造的目标产物为铝合金铸坯；

采用同样方法在不施加磁场的情况下进行对比试验；获得的铝合金产品在R/2处取样，微观金相如图8所示，通过微观组织可看出，组织明显细化，约为未施加磁场情况下的1/2。

实施例3

方法同实施例1，不同点在于：

(1)2个磁场施加装置分为A、B两组磁场施加装置，分别为称为A1～A4以及B1～B4，每组磁场施加装置串联；布置方式如图5(a)所示；每任意4个磁场施加装置构成一组磁场施加装置；局部结构如图6所示，位置尺寸如图7所示，硅钢片铁芯通过硅钢片铁芯固定螺栓10固定在硅钢片铁芯冷却装置上，11、硅钢片铁芯冷却装置外套，12、硅钢片铁芯冷却装置内套；圆柱形铸坯的半径为r1在25～300mm之间，硅钢片铁芯冷却装置内套的厚度为t1在3～20mm之间，电磁线圈内侧距离圆柱形铸锭中心的距离为d在r1+t1+(5～20)mm之间，t1厚度过大会减弱穿过内套作用于熔体的电磁力，厚度过小则影响硅钢片铁芯冷却装置内套的刚度；

(2)每个磁场施加装置的线圈匝数为54匝；

(3)采用半连续铸造方式，所铸造的目标产物为镁合金铸坯；

采用同样方法在不施加磁场的情况下进行对比试验；获得的铝合金产品在R/2处取样，微观金相如图9所示，通过宏观组织可看出，未施加电磁时，铸锭边部有明显的柱状晶组织存在，当施加电磁后，边部柱状晶变为细小的等轴晶。

实施例4

方法同实施例1，不同点在于：

采用多口浇铸方式，每个浇口周围设置4个共两组磁场施加装置，构成A1～A5行以及B1～B9行的结构，每个浇口周围的4个磁场施加装置中，相邻两个互相垂直，如图5(d)所示。

实施例5

方法同实施例4，不同点在于：

每个浇口周围的4个磁场施加装置互相平行，如图5(e)所示。

实施例6

方法同实施例3，不同点在于：

硅钢片铁芯为带磁轭的矩形，结构如图4(c)所示。

实施例7

方法同实施例3，不同点在于：

铸造圆形铸坯，硅钢片铁芯为扇环形，结构如图4(b)所示。

实施例8

方法同实施例3，不同点在于：

铸造圆形铸坯，多个磁场施加装置中的硅钢片铁芯为一体结构，硅钢片铁芯为带有磁轭的环形，结构如图4(d)所示；相邻两个磁轭之间设置一个电磁线圈，总共6个电磁线圈分为任意两组，每组3个电磁线圈，构成两组磁场施加装置。

Claims (6)

1.一种差相位行波磁场电磁铸造方法，其特征在于包括以下步骤：在电磁铸造过程中，在金属熔体周围设置磁场施加装置，每个磁场施加装置包括硅钢片铁芯、电磁线圈和固定装置，硅钢片铁芯通过固定装置固定在硅钢片铁芯冷却装置内，硅钢片铁芯冷却装置设有冷却水进口和冷却水出口；电磁线圈缠绕在硅钢片铁芯上，并且电磁线圈与电源连接；在金属熔体经过内套进行铸造过程中，通过磁场施加装置对金属熔体施加磁场；其中每2n个磁场施加装置构成一组磁场施加装置，n为大于等于1的自然数，金属熔体周围共设置两组磁场施加装置，施加磁场过程中，每组磁场施加装置各自产生一组脉冲电磁信号，两组电磁脉冲信号的相位角差为90°，在金属熔体中构成差相位行波磁场。

2.根据权利要求1所述的一种差相位行波磁场电磁铸造方法，其特征在于通过与电磁线圈连接的电源，控制电磁线圈的电流强度I＝1～300A，电磁频率f＝2～60Hz，占空比D＝5～80％；控制各磁场施加装置中心围成的内部空间的中心处磁场强度B＝20～200mT。

3.根据权利要求1所述的一种差相位行波磁场电磁铸造方法，其特征在于所述的每个磁场施加装置各自设有一个硅钢片铁芯，或者多个磁场施加装置中的硅钢片铁芯为一体结构；当每个磁场施加装置各自设有一个硅钢片铁芯时，硅钢片铁芯为矩形、扇环形或一侧带有磁轭的矩形；当多个磁场施加装置中的硅钢片铁芯为一体结构时，硅钢片铁芯为内侧带有磁轭的环形。

4.根据权利要求1所述的一种差相位行波磁场电磁铸造方法，其特征在于所述的电磁线圈的绕组方式为克莱姆绕组，每个磁场施加装置的线圈匝数为20～200匝。

5.根据权利要求1所述的一种差相位行波磁场电磁铸造方法，其特征在于所述的电磁线圈采用的电磁线为双层聚酰亚胺-氟46复合薄膜包扁铜线或潜水电机绕组线。

6.根据权利要求1所述的一种差相位行波磁场电磁铸造方法，其特征在于所述的金属熔体为铝合金、镁合金、铜合金或钢铁。