CN112281096B - 一种电磁能晶粒细化装置及铝合金晶粒细化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电磁能晶粒细化装置，包括U型铁芯和线圈；所述线圈缠绕在所述U型铁芯上；所述U型铁芯的数量为至少2个，所述多个U型铁芯并排于同一平面，且保持U型开口向上；相邻两个U型铁芯的中心距为100～150mm。本发明通过磁路设计，设置多个U型铁芯能够增加作用到铝合金熔体内部的磁感线数量；将多个U型铁芯的距离控制在100～150mm内能够进一步提高作用到铝合金熔体内部的磁感线数量，使得电磁能作用单位体积内熔体大幅度增加，对初生晶核进行能量补充，促使心部组织形核功增加，形核几率增加，进而实现了大规模组织晶粒细化。

Description

一种电磁能晶粒细化装置及铝合金晶粒细化的方法
技术领域
本发明属于冶金与金属材料技术领域，具体涉及一种电磁能晶粒细化装置及铝合金晶粒细化的方法。
背景技术
随着资源节约型、环境友好型生产理念的提升，人们对铝合金生产及其加工技术提出了更高的要求，产品的细晶粒化成为新一代冶金技术的发展方向。
目前，细化铝合金晶粒的方法主要有超声波处理、电脉冲处理、电磁搅拌和电磁能处理。对于利用电磁能处理细化晶粒来提高铝合金性能的方法，现有技术CN108273972A记载了一种电磁能晶粒细化的装置和方法，其装置中采用的铁芯为硅钢叠片铁芯，是一种单铁芯线圈，磁感线进行熔体的数量较少，使得电磁能作用单位体积内熔体少，导致晶粒细化程度难以满足要求。因此，有必要对电磁能晶粒细化的装置进行改进来提高晶粒细化程度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电磁能晶粒细化装置及铝合金晶粒细化的方法。本发明提供的电磁能晶粒细化装置在对铝合金熔体进行电磁能处理能够提高熔体晶粒细化的程度。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种电磁能晶粒细化装置，包括U型铁芯和线圈；
所述线圈缠绕在所述U型铁芯上；
所述U型铁芯的数量为至少2个，所述多个U型铁芯并排于同一平面，且保持U型开口向上；相邻两个U型铁芯的中心距为100～150mm。
优选地，每个U型铁芯上缠绕的线圈形成串联电路，线圈通电后每个U型铁芯的磁极方向保持一致。
优选地，所述线圈为中空铜线圈。
优选地，所述线圈为中空水冷铜线圈。
优选地，所述电磁能晶粒细化装置还包括绝缘陶瓷纤维，所述绝缘陶瓷纤维设置在所述线圈和所述U型铁芯之间。
优选地，所述电磁能晶粒细化装置还包括电源，所述电源的正负极分别与所述线圈的两端连接。
本发明还提供了一种铝合金晶粒细化的方法，采用上述技术方案所述电磁能晶粒细化装置对铸造前的铝合金熔体进行电磁能处理。
优选地，所述电磁能处理时，电磁能晶粒细化装置的电磁能发生频率为15～45Hz；电磁能晶粒细化装置的电流为120～200A；电磁能晶粒细化装置的占空比为10～40％。
优选地，所述电磁能晶粒细化装置与所述铝合金熔体的液面间距为0～12mm。
优选地，所述电磁能晶粒细化装置与所述铝合金熔体的液面间距为1～4mm。
本发明提供了一种电磁能晶粒细化装置，包括U型铁芯和线圈；所述线圈缠绕在所述U型铁芯上；所述U型铁芯的数量为至少2个，所述多个U型铁芯并排于同一平面，且保持U型开口向上；相邻两个U型铁芯的中心距为100～150mm。本发明通过磁路设计，设置多个U型铁芯能够增加作用到铝合金熔体内部的磁感线数量；将多个U型铁芯的距离控制在100～150mm内能够进一步提高作用到铝合金熔体内部的磁感线数量，使得电磁能作用单位体积内熔体大幅度增加，对初生晶核进行能量补充，促使心部组织形核功增加，形核几率增加，进而实现了大规模组织晶粒细化。实施例的结果显示，将本发明提供的装置对竖井铸造前的铝合金熔体进行电磁能处理，相比于未经电磁能处理的8#试样晶粒尺寸可降低10～20μm。
附图说明
图1为本发明的电磁能晶粒细化装置对铝合金熔体进行电磁能处理的剖视图；
图中，1为U型铁芯，2为线圈，3为氧化铝层，4为铝合金熔体，5为浇铸流槽；
图2为实施例1中电磁能晶粒细化装置使用时的安装位置及取样位置示意图；
图中，6和7为进行电磁能处理的铝合金熔体，8为未进行电磁能处理的铝合金熔体；
图3为实施例1中电磁能处理时的熔体表面情况；
图4为实施例1中未进行电磁能处理熔体的温度场示意图；
图5为实施例1中进行电磁能处理熔体的温度场示意图；
图6为实施例1中未进行电磁能处理熔体的流场示意图；
图7为实施例1中进行电磁能处理熔体的流场示意图；
图8为实施例1中部分电磁能晶粒细化装置和竖井铸造凝固装置示意图；
图中，1为U型铁芯，2为线圈，9为石墨环，10为水冷，11为固液两相区，12为铸锭，13为引锭杆；
图9为实施例1中6#试样的金相照片；
图10为实施例1中7#试样的金相照片；
图11为实施例1中8#试样的金相照片。
具体实施方式
本发明提供了一种电磁能晶粒细化装置，包括U型铁芯和线圈；
所述线圈缠绕在所述U型铁芯上；
所述U型铁芯的数量为至少2个，所述多个U型铁芯并排于同一平面，且保持U型开口向上；相邻两个U型铁芯的中心距为100～150mm。
在本发明中，所述电磁能晶粒细化装置包括U型铁芯。本发明对所述U型铁芯的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述U型铁芯的数量为至少2个，更优选为2个。在本发明中，所述多个U型铁芯之间采用线圈串联联接。在本发明中，采用多个U型铁芯能够增加作用到铝合金熔体内部的磁感线数量，进而增加单位体积内熔体的电磁能作用，进一步提高组织晶粒细化程度。
在本发明中，所述每个U型铁芯并排于同一平面，且保持U型开口向上；相邻两个U型铁芯的中心距为100～150mm，优选为120～140mm。在本发明中，所述相邻两个U型铁芯的中心距在上述范围时能够避免2个铁芯距离太近导致磁感线通过熔体数量较少，2个铁芯距离太远两磁极磁感线很难构成回路，进而无法实现更多磁感线通过熔体，影响电磁能处理的效果。
在本发明中，所述电磁能晶粒细化装置包括线圈，所述线圈缠绕在所述U型铁芯上。本发明对所述线圈的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明的一个实施例中，所述线圈为中空铜线圈；在本发明的一个实施例中，所述线圈为中空水冷铜线圈。
在本发明的一个实施例中，每个U型铁芯上缠绕的线圈形成串联电路，线圈通电后每个U型铁芯的磁极方向保持一致。
在本发明的一个实施例中，所述每个U型铁芯采用2组线圈进行缠绕；所述两组线圈的缠绕方向均为顺时针方向。在本发明中，所述每个U型铁芯采用2组线圈串联联接能够增加磁感线的数量，进而增加单位体积内熔体的电磁能作用，进一步提高组织晶粒细化程度。
在本发明的一个实施例中，所述电磁能晶粒细化装置还包括绝缘陶瓷纤维；所述绝缘陶瓷纤维设置在所述线圈和所述U型铁芯之间。本发明对所述绝缘陶瓷纤维的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，将所述绝缘陶瓷纤维设置在线圈和U型铁芯之间能够增加线圈和U型铁芯的绝缘性，避免电磁能晶粒细化装置长时间使用时磨损线圈表面的绝缘漆，导致线圈和U型铁芯短路，影响装置的正常运行。
在本发明的一个实施例中，所述电磁能晶粒细化装置还包括电源；所述电源的正负极分别与所述线圈的两端连接。在本发明中，所述电源为电磁能发生电源。本发明对所述电磁能发生电源的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的交流电源即可。在本发明中，所述电磁能发生电源的功率优选为4～6kW。在本发明中，所述电源能够使所述线圈通电，同时施加脉冲矩形波，进而激发U型铁芯产生电磁能。
本发明通过磁路设计，设置多个U型铁芯能够增加作用到铝合金熔体内部的磁感线数量；将多个U型铁芯的距离控制在100～150mm内能够进一步提高作用到铝合金熔体内部的磁感线数量，使得电磁能作用单位体积内熔体大幅度增加，对初生晶核进行能量补充，促使心部组织形核功增加，形核几率增加，进而实现了大规模组织晶粒细化。
本发明提供的电磁能晶粒细化装置对原有的竖井铸造设备无需改造，只需在浇铸盘上加装电磁能晶粒细化装置即可；且该装置功率低，能耗小，晶粒细化效果显著。
本发明还提供了一种铝合金晶粒细化的方法，采用上述技术方案所述电磁能晶粒细化装置对铸造前的铝合金熔体进行电磁能处理。
本发明提供的铝合金晶粒细化的方法适用于任意种类的铝合金熔体，进一步优选适用于6XXX系铝合金熔体，更优选适用于6082铝合金熔体。本发明对所述铝合金熔体的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方法制备得到的铝合金熔体即可。在本发明中，所述铸造优选为竖井浇铸。
在本发明的一个实施例中，所述电磁能晶粒细化装置对铝合金熔体进行电磁能处理的剖视图优选如图1所示；图中，1为U型铁芯，2为线圈，3为氧化铝层，4为铝合金熔体，5为浇铸流槽。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，所述电磁能细化装置中U型铁芯的磁极朝向铝合金熔体4；所述电磁能细化装置固定在浇铸流槽5的上方。
在本发明中，所述电磁能处理时，电磁能晶粒细化装置的电磁能发生频率优选为15～45Hz，更优选为20～30Hz；电磁能晶粒细化装置的电流优选为120～200A，更优选为150～180A；电磁能晶粒细化装置的占空比优选为10～40％，更优选为20～30％。在本发明中，所述铝合金熔体内部的902K温度区域的铝合金熔体到铝合金熔体表面的距离优选为20～30mm，更优选为25～30mm。在本发明中，所述电磁能晶粒细化装置的工艺参数在上述范围内时能够提高铝合金的细化效果，且氧化膜不易破裂。在本发明中，所述电磁能晶粒细化装置的工艺参数应保证铝合金熔体内部的902K温度区域的铝合金熔体到铝合金熔体表面的距离在上述范围内，能够形成利于晶粒细化的热力学条件。
在本发明中，所述电磁能晶粒细化装置与所述铝合金熔体4的液面间距优选为0～12mm，更优选为1～4mm。在本发明中，所述电磁能晶粒细化装置与所述铝合金熔体的液面间距在上述范围内时能够进一步增加磁感线进入熔体的数量，提高铝合金晶粒细化的程度。
在本发明中，所述电磁能晶粒细化装置对铸造前的铝合金熔体进行电磁能处理前优选还包括依次开启线圈的冷却水和电源。本发明对所述冷却水的流量没有特殊的限定，只要保证线圈的温度在50℃以下即可。在本发明中，所述电磁能处理的时间优选为20～30s，更优选为25～28s。
在本发明中，所述铸造的温度优选为660～710℃，更优选为670～693℃；所述铸造的速度优选为45～130mm/min，更优选为100～104mm/min；所述铸造的圆锭直径优选为81～482mm。在本发明中，所述铸造的冷却方式优选为水冷；所述水冷的水压优选为0.05～0.1MPa。
本发明提供的方法在对铸造前的铝合金熔体进行电磁能处理，经电磁能处理后的熔体形成的凝固组织均有细化效果，随着熔体凝固前在流槽中的流动时间增加，电磁能作用效果未被削弱，使得距离电磁能晶粒细化装置越远的铸锭组织细化效果越好。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
在30T竖井铸机上对6082铝合金先进行电磁能处理，再进行铸造；图2为实施例1中电磁能晶粒细化装置使用时的安装位置及取样位置示意图；图中，6和7为进行电磁能处理的铝合金熔体，8为未进行电磁能处理的铝合金熔体；
电磁能晶粒细化装置由2个U型铁芯、中空水冷铜线圈、绝缘陶瓷纤维以及电磁能发生电源；线圈缠绕在U型铁芯上；2个U型铁芯并排于同一平面，且保持U型开口向上；2个U型铁芯的中心距为150mm；2个U型铁芯之间采用线圈串联联接；绝缘陶瓷纤维设置在线圈和U型铁芯之间；电源功率为6kW；
每个U型铁芯采用2组线圈进行缠绕；两组线圈的缠绕方向均为顺时针方向；每个U型铁芯的磁极方向保持一致；每个U型铁芯上缠绕的线圈形成串联电路，线圈通电后每个U型铁芯的磁极方向保持一致；
首先，开启线圈的冷却水和电源，保证电磁能晶粒细化装置对流动熔体进行电磁能处理25s，其中电磁能晶粒细化装置中的电流为150A，电磁能发生频率为30Hz，占空比为20％，电磁能晶粒细化装置与熔体液面间距4mm，电磁能处理时的熔体表面情况如图3所示，从图3可以看出熔体表面的氧化铝层微震动但未破裂，能够阻止6082铝合金熔体与空气接触，防止氧化；
对图2中6(进行电磁能处理)和8(未进行电磁能处理)处的熔体进行温度场和流场测试得到结果分别如图4～7所示。其中，图4为实施例1中未进行电磁能处理熔体的温度场示意图；图5为实施例1中进行电磁能处理熔体的温度场示意图；图6为实施例1中未进行电磁能处理熔体的流场示意图；图7为实施例1中进行电磁能处理熔体的流场示意图。从图4～7可以看出施加脉冲磁场后，熔体心部902K温度区域到上表层距离为30mm，而未施加磁场距离只有15mm。电磁能对熔体流动温度及运动形式进行扰动，该条件下利于表层过冷度较大的熔体形成晶核下落，形成利于晶粒细化的温度场及流场。
对电磁能处理后的熔体进行竖井浇铸并水冷，得到铸锭；其中，浇铸的温度为693℃，浇铸的速度为104mm/min，所述浇铸的圆锭直径为152mm；水冷的水压为0.1MPa；铸造过程中添加0.3wt％Al-Ti-B晶粒细化剂(相对于铝合金熔体总量来说)；图8为实施例1中部分电磁能晶粒细化装置和竖井铸造凝固装置示意图，其中1为U型铁芯，2为线圈，9为石墨环，10为水冷，11为固液两相区，12为铸锭，13为引锭杆；从图8可以看出，电磁能晶粒细化装置的位置；
在图2中的6、7和8位置分别进行取样，样品尺寸为20mm厚的圆形切片，依次标记为6#、7#和8#铸锭，其中6#和7#铸锭熔体经过电磁能处理，且6#为距离电磁能晶粒细化装置较近的一流铸锭组织，8#铸锭熔体未进行电磁能处理；
在6#、7#和8#铸锭的圆形切片中心取15×15×15mm的试样，依次标记为6#、7#和8#试样，经相同的打磨、抛光和腐蚀后，进行金相观察，如图9～11所示，图9为实施例1中6#试样的金相照片；图10为实施例1中7#试样的金相照片；图11为实施例1中8#试样的金相照片。从图9～11可以看出，未进行电磁能处理的8#试样中心处以粗大等轴晶为主；进行电磁能处理的6#和7#试样中出现大量尺寸细小的等轴晶，说明经过电磁能处理的铝合金实现了晶粒细化；
本次铸造由于添加细化剂导致原始铸锭尺寸晶粒尺寸较小(未加细化剂的铸锭中心处晶粒尺寸约为100μm)，未经电磁能处理的8#试样中心处晶粒尺寸为71.2μm；电磁能处理后的6#试样中心处晶粒尺寸比8#试样中心处晶粒尺寸减小6.9μm；7#试样中心处晶粒尺寸比8#试样中心处晶粒尺寸减小13.2μm，可以看出在较小的过热度下进行电磁能处理更为有效，所以7#试样细化效果更明显；且在添加细化剂的铸锭上使用电磁能处理后，晶粒尺寸仍可降低10～20μm，实现组织细小及均匀化。
从以上实施例可以看出，本发明提供的电磁能晶粒细化装置对铝合金熔体进行电磁能处理能够提高熔体晶粒细化的程度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电磁能晶粒细化装置，包括U型铁芯和线圈；
所述线圈缠绕在所述U型铁芯上；
所述U型铁芯的数量为至少2个，所述多个U型铁芯并排于同一平面，且保持U型开口向上；相邻两个U型铁芯的中心距为100～150mm；
每个U型铁芯上缠绕的线圈形成串联电路，线圈通电后每个U型铁芯的磁极方向保持一致；
所述电磁能细化装置中U型铁芯的磁极朝向铝合金熔体；所述电磁能细化装置固定在浇铸流槽的上方。
2.根据权利要求1所述的电磁能晶粒细化装置，其特征在于，所述线圈为中空铜线圈。
3.根据权利要求1或2所述的电磁能晶粒细化装置，其特征在于，所述线圈为中空水冷铜线圈。
4.根据权利要求1所述的电磁能晶粒细化装置，其特征在于，所述电磁能晶粒细化装置还包括绝缘陶瓷纤维，所述绝缘陶瓷纤维设置在所述线圈和所述U型铁芯之间。
5.根据权利要求1所述的电磁能晶粒细化装置，其特征在于，所述电磁能晶粒细化装置还包括电源，所述电源的正负极分别与所述线圈的两端连接。
6.一种铝合金晶粒细化的方法，采用权利要求1～5任意一项所述电磁能晶粒细化装置对铸造前的铝合金熔体进行电磁能处理。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电磁能处理时，电磁能晶粒细化装置的电磁能发生频率为15～45Hz；电磁能晶粒细化装置的电流为120～200A；电磁能晶粒细化装置的占空比为10～40％。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述电磁能晶粒细化装置与所述铝合金熔体的液面间距为0～12mm。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述电磁能晶粒细化装置与所述铝合金熔体的液面间距为1～4mm。
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