CN112317703B - 内置电磁搅拌熔体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种内置电磁搅拌熔体处理装置，涉及金属材料加工技术领域，包括：装置壳体；温度控制装置，所述温度控制装置包括第一冷却介质通道和/或第二冷却介质通道，所述第一冷却介质通道设置在所述装置壳体的外部，所述第二冷却介质通道与所述装置壳体的内腔连通；电磁搅拌发生装置，所述电磁搅拌发生装置设置在所述装置壳体的内腔。在上述技术方案中，可以有效增加合金熔体内部散热面积及形核基底面积，最终得到温度场和成分场分布十分均匀的熔体，促进熔体“凝固初期晶核”瞬间大量生成并成功存活于熔体中，有利于获得晶粒组织细小圆整、成分均匀的凝固组织。

Description

内置电磁搅拌熔体处理装置

技术领域

本发明涉及金属材料加工技术领域，尤其是涉及一种内置电磁搅拌熔体处理装置。

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成形的技术基础。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，对大体积高合金化金属熔体凝固而言尤为严重。

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性质及其凝固过程，通过施加外场使合金熔体产生流动，促使合金熔体的温度场、成分场变得均匀，从而实现对合金熔体凝固组织的控制，获得晶粒细小圆整、成分均匀的凝固组织。

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。但是，现有技术中利用该电磁搅拌法对金属溶液进行搅拌时，单次搅拌的溶液量较小，无法实现大熔液量的搅拌。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内置电磁搅拌熔体处理装置，以解决现有技术中无法实现大熔液量搅拌的技术问题。

本发明提供的一种内置电磁搅拌熔体处理装置，包括：

装置壳体；

温度控制装置，所述温度控制装置包括第一冷却介质通道和/或第二冷却介质通道，所述第一冷却介质通道包括第一进入通道、第一排出通道和循环通道；

所述循环通道设置在所述装置壳体的外部，所述第一进入通道和所述第一排出通道分别与所述循环通道的两端连通，所述第二冷却介质通道与所述装置壳体的内腔连通；

电磁搅拌发生装置，所述电磁搅拌发生装置设置在所述装置壳体的内腔。

进一步的，还包括：

阻磁隔板，所述阻磁隔板设置在所述装置壳体的中部，且位于所述电磁搅拌发生装置的上方。

进一步的，所述装置壳体包括相连通的上部壳体和下部壳体，所述上部壳体和所述下部壳体均为圆柱壳体，且所述上部壳体的直径小于或等于所述下部壳体的直径；

所述阻磁隔板设置在所述上部壳体和所述下部壳体之间，所述电磁搅拌发生装置位于所述下部壳体的内腔。

进一步的，所述装置壳体上开设有连通其内腔的进口和出口；

所述循环通道的两端分别与所述进口和所述出口连通，所述第一进入通道和所述第一排出通道均与所述装置壳体的内腔连通，且分别经过所述进口和所述出口与所述循环通道的两端连通。

进一步的，所述循环通道为螺旋状通道，所述螺旋状通道缠绕在所述装置壳体的外部。

进一步的，所述第二冷却介质通道包括第二进入通道和第二排出通道；

所述第二进入通道和所述第二排出通道均与所述装置壳体的内腔连通。

进一步的，所述第二进入通道的出口端位于所述装置壳体内腔的深度小于所述第二排出通道的进口端位于所述装置壳体内腔的深度。

进一步的，还包括：

线路通道，所述线路通道与所述装置壳体的内腔连通，所述电磁搅拌发生装置的供电线路沿着所述线路通道伸出所述装置壳体。

进一步的，述装置壳体的材质为隔热材质。

在上述技术方案中，可以实现合金熔体的高剪切剧烈紊流运动，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的缺点(尤其是大体积合金熔体)，有效增加合金熔体内部散热面积及形核基底面积，最终得到温度场和成分场分布十分均匀的熔体，促进熔体“凝固初期晶核”瞬间大量生成并成功存活于熔体中，有利于获得晶粒组织细小圆整、成分均匀的凝固组织。并且，与外置电磁搅拌相比，由于该内置电磁搅拌熔体处理装置置于熔体内部，搅拌装置体积较小，工业应用成本大大降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例提供的内置电磁搅拌熔体处理装置的立体图；

图2为图1所示的内置电磁搅拌熔体处理装置的第一角度剖视图；

图3为图1所示的内置电磁搅拌熔体处理装置的第二角度剖视图；

图4为本发明一个实施例提供的内置电磁搅拌熔体处理装置的使用状态图。

附图标记：

1、装置壳体；2、第一冷却介质通道；3、第二冷却介质通道；

4、电磁搅拌发生装置；5、阻磁隔板；6、线路通道；

7、合金熔体；8、坩埚；

11、上部壳体；12、下部壳体；

21、第一进入通道；22、第一排出通道；23、循环通道；

31、第二进入通道；32、第二排出通道。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图3所示，本实施例提供的一种内置电磁搅拌熔体处理装置，包括：

装置壳体1；

温度控制装置，所述温度控制装置包括第一冷却介质通道2和/或第二冷却介质通道3，所述第一冷却介质通道2通过设置在所述装置壳体1内部的第一进入通道21和第一排出通道22与设置在所述装置壳体1外部的循环通道23连通，所述第二冷却介质通道3与所述装置壳体1的内腔连通；

电磁搅拌发生装置4，所述电磁搅拌发生装置4设置在所述装置壳体1的内腔。

结合图1至图4所示，该温度控制装置可以由第一冷却介质通道2和/或第二冷却介质通道3组成，第一冷却介质通道2和/或第二冷却介质通道3内均可以通入冷却介质，本领域技术人员可以根据需求在第一冷却介质通道2和/或第二冷却介质通道3内通入合适形态的冷却介质，在此不做赘述。另外，述装置壳体1的材质为隔热材质。

其中，所述第一冷却介质通道2可以包括第一进入通道21、第一排出通道22和循环通道23；所述循环通道23设置在所述装置壳体1的外部，所述第一进入通道21和所述第一排出通道22分别与所述循环通道23的两端连通。

优选的，第一冷却介质通道2内可以通入冷却气体，第二冷却介质通道3内可以通入冷却液体。此时，第一冷却介质通道2内的冷却气体可以用于控制循环通道23的温度，实现熔体内部散热的精确控制。第二冷却介质通道3内的冷却液体可以用于冷却电磁搅拌发生装置4，避免发热过高损坏电磁搅拌发生装置4，同时避免电磁搅拌发生装置4被腐蚀。

优选的，所述装置壳体1上开设有连通其内腔的进口和出口；所述循环通道23的两端分别与所述进口和所述出口连通，所述第一进入通道21和所述第一排出通道22均与所述装置壳体1的内腔连通，且分别经过所述进口和所述出口与所述循环通道23的两端连通。

所述冷却气体可以为氮气、氩气、空气等，通过外接高压气箱温控设备将特定温度和流速的冷却气体通入第一冷却介质通道2的一端，之后通过第一冷却介质通道2的另一端接入气箱温控设备，实现气路的循环，保证温度恒定，保证与循环通道23接触的熔体表面足够的散热强度，增加熔体过冷度，促进合金熔体7形核结晶。

其中，所述循环通道23可以为螺旋状通道，所述螺旋状通道缠绕在所述装置壳体1的外部。螺旋状通道可以采用高热熔材质制作，形成可以通入冷却气体的中空结构，通过冷却气体和高热熔材料的大量吸热作用，使合金熔体7在螺旋状通道的外表面大量形核。

螺旋状通道的螺纹高度可以为5mm～100mm，例如12mm、22mm、36mm、66mm、88mm等，螺纹螺距20mm～200mm，例如22mm、66mm、126mm、188mm等，螺纹横截面形状可以为等腰梯形，等腰梯形锐角度数为45°～90°，其中螺纹可为单线螺纹、双线螺纹或多线螺纹，螺旋状通道的壁厚1mm～20mm，例如2mm、6mm、8mm、12mm、16mm等，材质为高热熔材料，螺旋状通道的垂直高度50mm～600mm，例如60mm、66mm、88mm、366mm、488mm等。

同时，所述第二冷却介质通道3可以包括第二进入通道31和第二排出通道32；所述第二进入通道31和所述第二排出通道32均与所述装置壳体1的内腔连通。优选的，所述第二进入通道31的出口端位于所述装置壳体1内腔的深度小于所述第二排出通道32的进口端位于所述装置壳体1内腔的深度。所述冷却液体可以为油或等离子水等，通过外接储液箱温控设备将特定温度的液体通入第二冷却介质通道3的一端，并在第二冷却介质通道3的另一端接入储液箱温控设备，实现冷却液体的循环，保证电磁搅拌发生装置4温度恒定，避免温度过高而损坏，同时冷却液可以避免电磁搅拌发生装置4被腐蚀。

另外，电磁搅拌发生装置4可以包括磁轭和电磁搅拌线圈。磁轭由多层硅钢片叠压而成，电磁搅拌线圈固定于磁轭上。线圈由实芯高质量铜导线绕制而成，实芯铜导线由绝缘橡胶包裹。电磁线圈在工作过程中通以交变电流，可产生高密度磁场，对合金熔体7施加搅拌剪切处理。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。其中，电磁搅拌发生装置4可由单层或多层组成，并位于内置电磁搅拌熔体处理装置的中部，根据熔体搅拌的不同要求可产生旋转磁场、行波磁场和螺旋磁场。

进一步的，还包括阻磁隔板5，所述阻磁隔板5设置在所述装置壳体1的中部，且位于所述电磁搅拌发生装置4的上方。该阻磁隔板5具有隔绝磁场的功能，用来阻止电磁场透入熔体上部，防止搅拌过程中熔体表面的扰动，使磁场集中于特定区域，解决了传统强电磁搅拌导致熔体液面波动剧烈、引起熔体卷气夹渣的难题，获得了高纯净合金熔体7。阻磁隔板5的厚度优选为1mm～20mm，例如2mm、6mm、8mm、12mm、16mm等，阻磁隔板5的材质优选为铁镍合金、导磁不锈钢等。

优选的，所述装置壳体1可以包括相连通的上部壳体11和下部壳体12，所述上部壳体11和所述下部壳体12均为圆柱壳体，且所述上部壳体11的直径小于或等于所述下部壳体12的直径；所述阻磁隔板5设置在所述上部壳体11和所述下部壳体12之间，所述电磁搅拌发生装置4位于所述下部壳体12的内腔。

其中，上部壳体11为半径较小的具有隔热材质的圆柱壳体，可以用来第一冷却介质通道2、第二冷却介质通道3以及电磁搅拌发生装置4线路通道6的接入。上部壳体11的半径可以为20mm～400mm，例如22mm、66mm、126mm、188mm、338mm等，高度为40mm～400mm，例如56mm、66mm、226mm、388mm等，壁厚为1mm～20mm，例如2mm、6mm、8mm、12mm、16mm等，材质为隔热材料。下部壳体12也为的圆柱壳体，下部壳体12为具有隔热功能的材质，可以用来防止热量大量传入内腔，导致电磁搅拌发生装置4温度过高而损坏。下部壳体12的半径可以为40mm～400mm，例如56mm、66mm、226mm、388mm等，高度为60mm～600mm，例如60mm、66mm、88mm、366mm、488mm等，壁厚1mm～20mm，例如2mm、6mm、8mm、12mm、16mm等，材质为隔热材料。基于该结构，所述阻磁隔板5可以设置在所述上部壳体11和所述下部壳体12之间。

此内置电磁搅拌熔体处理装置还包括线路通道6，所述线路通道6与所述装置壳体1的内腔连通，所述电磁搅拌发生装置4的供电线路沿着所述线路通道6伸出所述装置壳体1。所以，将该电磁搅拌发生装置4装配在在所述装置壳体1的内腔以后，可以通过该线路通道6顺延供电线路，保证整个内置电磁搅拌熔体处理装置的装配完整性，使电磁搅拌发生装置4正常工作。优选的，该线路通道6可以设置在上部壳体11中。

在工作时，结合图4所示，可以合金熔体7盛装在坩埚8内，首先将内置电磁搅拌熔体处理装置放入需处理的合金熔体7中，保证内置电磁搅拌熔体处理装置的下端完全进入合金熔体7。其中，可以控制内置电磁搅拌熔体处理装置距离坩埚8底部10mm-400mm。开起第一冷却介质通道2和/或第二冷却介质通道3，保证内置电磁搅拌熔体处理装置内外温度达到特定值，待合金熔体7温度降至特定温度，开动电磁搅拌发生装置4，使合金熔体7只在内部高剪切剧烈循环紊流扰动，而表面不动，使整个合金熔体7体积内温度场和成分场均匀分布。待合金熔体7达到特定温度，表明合金熔体7处理完成，将合金熔体7注入到成型设备中即可。

此时，以7050铝合金为例，进一步对该内置电磁搅拌熔体处理装置进行说明。

使用的内置电磁搅拌熔体处理装置，其上部壳体11的内径30mm，高度80mm，壁厚2mm。下部壳体12的内径100mm，高度80mm，壁厚2mm，外壳材质为隔热材料。螺旋状通道的高度15mm，螺距20mm，螺纹横截面形状为等腰梯形，等腰梯形锐角度数为70°，螺纹为单线螺纹，螺旋状通道为中空结构，壁厚2mm。阻磁隔板5材质为铁镍合金，直径100mm，厚度5mm。电磁搅拌发生装置4由硅钢片叠压而成，厚度20mm，线圈匝数100，线圈为三相对极。同时，合金熔体7尺寸为直径300mm，高度160mm。坩埚8尺寸为内径300mm，高度200mm，厚度2mm。

首先，将经过除气除渣精炼后的750℃温度的7050铝合金金属熔体注入到坩埚8中。将内置电磁搅拌熔体处理装置放入合金熔体7中，保证内置电磁搅拌熔体处理装置的下端距离坩埚8底端40mm。开起第一冷却介质通道2和/或第二冷却介质通道3，保证内置电磁搅拌熔体处理装置外部循环通道23温度达到300℃，内部温度低于200℃，待熔体温度降至720℃，开动电磁搅拌发生装置4，搅拌频率50Hz，搅拌电流20A，使合金熔体7只在内部高剪切剧烈循环紊流扰动而表面不动。待合金熔体7温度达到650℃时，表明合金熔体7处理完成，将内置电磁搅拌熔体处理装置取出，并将合金熔体7注入到压铸、挤压铸造或半连续铸造成型模具中成形零件或棒坯。

此时，相比普通挤压铸造零件，经上述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，铸造缺陷很少，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％。相比普通半连续铸造棒坯，经上述处理后的棒材组织细小均匀，边部和心部晶粒尺寸差异由100％降低为6％，边部和心部化学成分偏析由20％降低为3％，凝固缺陷很少，棒坯经过环轧、锻造等变形处理后性能提高20％。同时，该内置电磁搅拌熔体处理装置不仅可以用来处理常用的铝合金熔体7，还可以处理镁合金、铜合金、锌合金、钛合金等合金熔体7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。

综上所述，该内置电磁搅拌熔体处理装置可以实现合金熔体7的高剪切剧烈紊流运动，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的缺点(尤其是大体积合金熔体7)，有效增加合金熔体7内部散热面积及形核基底面积，最终得到温度场和成分场分布十分均匀的熔体，促进熔体“凝固初期晶核”瞬间大量生成并成功存活于熔体中，有利于获得晶粒组织细小圆整、成分均匀的凝固组织。并且，与外置电磁搅拌相比，由于该内置电磁搅拌熔体处理装置置于熔体内部，搅拌装置体积较小，工业应用成本大大降低。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种内置电磁搅拌熔体处理装置，其特征在于，包括：

装置壳体；

温度控制装置，所述温度控制装置包括第一冷却介质通道和第二冷却介质通道，所述第一冷却介质通道包括第一进入通道、第一排出通道和循环通道；所述循环通道设置在所述装置壳体的外部，所述第一进入通道和所述第一排出通道分别与所述循环通道的两端连通，所述第二冷却介质通道与所述装置壳体的内腔连通；所述循环通道为螺旋状通道，所述螺旋状通道缠绕在所述装置壳体的外部；

电磁搅拌发生装置，所述电磁搅拌发生装置设置在所述装置壳体的内腔。

2.根据权利要求1所述的内置电磁搅拌熔体处理装置，其特征在于，还包括：

阻磁隔板，所述阻磁隔板设置在所述装置壳体的中部，且位于所述电磁搅拌发生装置的上方。

3.根据权利要求2所述的内置电磁搅拌熔体处理装置，其特征在于，所述装置壳体包括相连通的上部壳体和下部壳体，所述上部壳体和所述下部壳体均为圆柱壳体，且所述上部壳体的直径小于或等于所述下部壳体的直径；

所述阻磁隔板设置在所述上部壳体和所述下部壳体之间，所述电磁搅拌发生装置位于所述下部壳体的内腔。

4.根据权利要求1所述的内置电磁搅拌熔体处理装置，其特征在于，所述装置壳体上开设有连通其内腔的进口和出口；

所述循环通道的两端分别与所述进口和所述出口连通，所述第一进入通道和所述第一排出通道均与所述装置壳体的内腔连通，且分别经过所述进口和所述出口与所述循环通道的两端连通。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的内置电磁搅拌熔体处理装置，其特征在于，所述第二冷却介质通道包括第二进入通道和第二排出通道；

所述第二进入通道和所述第二排出通道均与所述装置壳体的内腔连通。

6.根据权利要求5所述的内置电磁搅拌熔体处理装置，其特征在于，所述第二进入通道的出口端位于所述装置壳体内腔的深度小于所述第二排出通道的进口端位于所述装置壳体内腔的深度。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的内置电磁搅拌熔体处理装置，其特征在于，还包括：

线路通道，所述线路通道与所述装置壳体的内腔连通，所述电磁搅拌发生装置的供电线路沿着所述线路通道伸出所述装置壳体。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的内置电磁搅拌熔体处理装置，其特征在于，述装置壳体的材质为隔热材质。

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