CN113102704A - 一种电磁搅拌装置及电磁搅拌加工方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种电磁搅拌装置，包括至少一对线圈和磁轭，所述线圈环绕所述磁轭的外表面：所述磁轭包括磁轭本体和磁轭延伸体，所述磁轭延伸体固定于所述磁轭本体的连接端，且所述磁轭延伸体的面积大于所述磁轭本体的连接端的面积。该电磁搅拌装置可以增加搅拌区域的磁感应强度，扩大有效的搅拌区间，进而减少铸坯、铸锭缺陷，提高铸坯、铸锭质量。本申请还提供一种电磁搅拌器加工方法。
Description
技术领域
本申请涉及材料加工领域，具体涉及一种电磁搅拌装置及电磁搅拌加工方法。
背景技术
在连铸、模铸过程中，铸坯内固-液界面前沿的流动是影响凝固组织及产品质量的一个重要因素。电磁搅拌在控制和改善固-液界面前沿钢液流动、扩大等轴晶区、细化晶粒、提高铸坯表面和内部质量等方面都发挥着重要作用。
电磁搅拌方式主要有旋转电磁搅拌、行波电磁搅拌、螺旋电磁搅拌等，这些技术已经成熟应用于黑色及有色金属的凝固过程控制中。电磁搅拌在提高铸坯表面质量，减轻铸坯内部缺陷等方面发挥着越来越重要的作用。
应用较多的电磁搅拌装置多为E字形铁芯，在磁轭上缠绕线圈，线圈中通入交流电时，在电磁搅拌装置中间区域形成周期性的移动磁场，该移动磁场在金属液中形成搅拌力搅动金属液，从而提高铸坯、铸锭等金属加工件的质量。
为了提高铸坯、铸锭的质量，主要通过改变线圈输入电流、提高频率或在电磁搅拌装置外部增加屏蔽罩减少磁扩散等。然而，这些方式改善金属加工件的质量达到了瓶颈。
申请内容
为此，本申请提供一种电磁搅拌装置及电磁搅拌加工方法，提高电磁搅拌装置的磁感应强度，以改善金属加工件的质量。
为了实现上述目的，本申请第一方面提供一种电磁搅拌装置，包括至少一对线圈和磁轭，所述线圈环绕所述磁轭的外表面：所述磁轭包括磁轭本体和磁轭延伸体，所述磁轭延伸体固定于所述磁轭本体的连接端，且所述磁轭延伸体的面积大于所述磁轭本体的连接端的面积。
其中，包括多对所述线圈和磁轭，且所述多对线圈和磁轭在所述电磁搅拌装置的周向间隔设置。
其中，所述多对线圈和磁轭在所述电磁搅拌装置的周向间隔设置。
其中，所述磁轭延伸体在所述电磁搅拌装置的周向方向和/或轴向延伸。
其中，所述延伸体的形状为矩形、菱形、月牙形、弧形或箭头形。
其中，所述线圈和磁轭的对数为4个或6个，或者为4或6的整数倍。
其中，所述磁轭本体和所述磁轭延伸体为一体结构；或者，所述磁轭本体和所述磁轭延伸体通过连接件连接。
其中，还包括：
磁轭背体，所述磁轭本体的固定端固定于所述磁轭背体的内侧。
其中，还包括：
壳体，所述磁轭背体嵌置于所述壳体内；
水冷系统，所述水冷系统与设置于所述壳体内的水冷通道连通；所述水冷系统为所述水冷通道提供冷量；
电控系统，用于为所述线圈提供电能并控制所述线圈内的电流。
为了实现上述目的，本申请第一方面提供一种电磁搅拌加工方法，基于本申请实施例提供的任意一项所述电磁搅拌装置。
本申请具有如下优点：
本申请提供的电磁搅拌装置，包括至少一对线圈和磁轭，所述线圈环绕所述磁轭的外表面：所述磁轭包括磁轭本体和磁轭延伸体，所述磁轭延伸体固定于所述磁轭本体的连接端，且所述磁轭延伸体的面积大于所述磁轭本体的连接端的面积，从而增加搅拌区域的磁感应强度，扩大有效的搅拌区间，进而减少铸坯、铸锭缺陷，提高铸坯、铸锭质量。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
附图是用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本申请，但并不构成对本申请的限制。
图1为传统的一种电磁搅拌装置的结构示意图；
图2为本实施例提供的一种电磁搅拌装置的结构示意图；
图3为本实施例提供的另一种电磁搅拌装置的结构示意图；
图4为本实施例提供的再一种电磁搅拌装置的结构示意图；
图5为本实施例提供的又一种电磁搅拌装置的结构示意图；
图6为本实施例提供的一种电磁搅拌装置的部分结构示意图；
图7为本实施例提供的一种电磁搅拌加工方法的流程图。
在附图中：
1-线圈，2-磁轭，21-磁轭本体，22-磁轭延伸体，3-磁轭背体，4-壳体，5-水冷系统，6-电控系统。
具体实施方式
以下结合附图对本申请的示范性实施例做出说明，其中包括本申请实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本申请的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
在不冲突的情况下，本申请各实施例及实施例中的各特征可相互组合。
如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列举条目的任何和所有组合。
本文所使用的术语仅用于描述特定实施例，且不意欲限制本申请。如本文所使用的，单数形式“一个”和“该”也意欲包括复数形式，除非上下文另外清楚指出。还将理解的是，当本说明书中使用术语“包括”和/或“由……制成”时，指定存在特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。。
图1为传统的一种电磁搅拌装置的结构示意图。如图1所示，电磁搅拌装置包括线圈1、磁轭2和磁轭背体3，在磁轭背体3的周向间隔设置有六个磁轭2，每个磁轭2的外表面缠绕有线圈1，线圈1与电源(图中未示出)连接。
磁轭背体3为圆环形状，磁轭2固定在磁轭背体3的内侧，并朝向磁轭背体3的中心方向延伸，即磁轭2与磁轭背体3形成E字结构。在磁轭背体3的中心区域形成加工区域，即电磁搅拌装置的中心区域形成加工区域，被加工材料放置于容器中。当电源为线圈1提供两相或三相交流电时，流经线圈1的电流使磁轭2产生磁场，磁场能在圆周方向上产生电磁力，该电磁力能够推动被加工材料的熔体的流动，对被加工材料的熔体进行搅拌。
在该电磁搅拌装置中，磁轭2的端面的面积与磁轭2的截面积相等，因此，在加工区域的磁场强度只能通过提高线圈1内电流来提高，这种方式对提高搅拌力遇到发展瓶颈，难以提高加工效果。
需要说明的是，磁轭2的端面是指磁轭2靠近加工区域一侧的端面，磁轭2的截面积是指垂直于磁轭背体3的径向的截面。
因此，本申请实施例提供一种电磁搅拌装置，通过改变磁轭的结构来提高加工区域的搅拌力，从而改善电磁搅拌装置的加工效果。
图2为本实施例提供的一种电磁搅拌装置的结构示意图。如图2所示，电磁搅拌装置包括至少一对线圈1和磁轭2，线圈1环绕磁轭2的外表面。
其中，磁轭2包括磁轭本体21和磁轭延伸体22，磁轭延伸体22固定于磁轭本体21的连接端，且磁轭延伸体22的面积大于磁轭本体21的连接端的面积。其中，磁轭本体21的连接端是指磁轭本体21与磁轭延伸体22连接的一端。
本实施例中，磁轭延伸体22的面积大于磁轭本体21的连接端的面积，可以提高电磁搅拌装置的搅拌区域的磁感应强度，从而改善被加工件的质量，例如，减少被加工件的缺陷，提高被加工件的质量。
在一些实施例中，磁轭延伸体22的面积是磁轭本体21的连接端面积的三倍以上，这样可以进一步提高加工区域的搅拌力，从而改善被加工件的质量。
在一些实施例中，电磁搅拌装置还包括磁轭背体3，磁轭本体21的固定端固定于磁轭背体3的内侧。其中，磁轭背体3的形状为环形，如圆环或方环。磁轭本体21的固定端固定于环形的磁轭背体3的内侧。
需要说明的是，磁轭背体3的形状还是其它形状，本申请实施例对此不作限定。
在一些实施例中，电磁搅拌装置包括多对线圈1和磁轭2，而且多对线圈1和磁轭2在电磁搅拌装置的周向间隔设置，这样可以提高搅拌力的均匀性，从而改善被加工件的质量。
在一些实施例中，线圈和磁轭的对数为4个或6个，或者为4或6的整数倍。
在一些实施例中，电磁搅拌装置包括六对线圈1和磁轭2，磁轭背体3的形状为圆环形，六对线圈1和磁轭2在磁轭背体3的周向均匀地间隔设置于磁轭背体3的内侧。
在一些实施例中，磁轭延伸体22可以在电磁搅拌装置的周向或轴向延伸，也可以同时在电磁搅拌装置的周向和轴向同时延伸，如图3所示。
磁轭延伸体22的形状为矩形，两个相邻的磁轭延伸体22之间的缝隙与电磁搅拌装置的轴向平行。磁轭延伸体22的形状也可以是其它形状。
例如，如图4所示，磁轭延伸体22的形状为菱形，两个相邻的磁轭延伸体22之间的缝隙与电磁搅拌装置的轴向呈一定倾斜角度。
如图5所示，磁轭延伸体22的形状为箭头形，且箭头与箭尾的形状相匹配。多个磁轭2在电磁搅拌装置的周向均匀间隔设置时，相邻两个磁轭延伸体22的箭头与箭尾相对，从而两个相邻的磁轭延伸体22之间的缝隙为折线。
当两个相邻的磁轭延伸体22之间的缝隙与电磁搅拌装置的轴向的角度为倾斜角度时，加工区域的磁场被扭曲，在周向搅动被加工熔体的同时，在局部搅拌区域可以促进被加工熔体沿轴向运动，达到三维方向的搅动，有利于被加工熔体在三维方向上的传质传热，从而减轻铸坯、铸锭缺陷、提高铸坯、铸锭质量。
在另一些实施例中，磁轭延伸体22的形状为弧形，如月牙形，两个相邻的磁轭延伸体22之间的缝隙为对应的弧形。
当两个相邻的磁轭延伸体22之间的缝隙为弧形时，加工区域的磁场被扭曲，在周向搅动被加工熔体的同时，在局部搅拌区域可以促进被加工熔体沿轴向运动，达到三维方向的搅动，有利于被加工熔体在三维方向上的传质传热，从而减轻铸坯、铸锭缺陷、提高铸坯、铸锭质量。
在一些实施例中，磁轭本体21和磁轭延伸体22为一体结构。在加工磁轭2时，将磁轭延伸体22与磁轭本体21设计为一体结构。例如，对硅钢片等导磁材料一次冲压成型，在将硅钢片等叠加固定，形成电磁搅拌装置所需形状、尺寸的磁轭。或者，将分别加工而成的磁轭本体21和磁轭延伸体22通过焊接方式连接为一体结构。
在一些实施例中，磁轭本体21和磁轭延伸体22为通过连接件连接。例如将分别加工而成的磁轭本体21和磁轭延伸体22通过紧固件固定在一起。
在一些实施例中，磁轭本体21和磁轭延伸体22采用高导磁材料制成，例如硅钢片和工业纯铁。
需要说明的是，本实施例中电磁搅拌装置的轴向与磁轭背体3的轴向一致，电磁搅拌装置的径向与磁轭背体3的径向一致。
在一些实施例中，如图6所示，电磁搅拌装置还包括壳体4，磁轭背体嵌置于壳体内。
水冷系统5，水冷系统5与设置于壳体4内的水冷通道连通；水冷系统为水冷通道提供冷量。水冷系统5可以采用常用的水冷系统，水冷系统5使用的冷媒可以水或其它熔体或气体。水冷系统5通过连接件与壳体4内的水冷通道连通。水冷系统5可以确保电磁搅拌装置正常工作，避免温度过高而烧损。
电控系统6，用于为线圈1提供电能并控制线圈1内的电流。电控系统6还可用于控制水冷系统5提供的冷量速率，即单位时间内的冷量。
本实施例提供的电磁搅拌装置的工作频率范围可以为0～200Hz连续工作或间断可调工作；电磁搅拌装置的工作电流的范围在1A～5000A均可。电磁搅拌装置也可以在其他工作参数下工作，本申请对此不作限定。
经过仿真计算，采用附图1所示的电磁搅拌装置(磁轭2的端面的面积与磁轭2的截面积相等)加工被加工件时，若电流为密度为150000A/m2，频率为6Hz，被加工件的直径为Φ0.8m时，则被加工熔体中心的磁感应强度为46.9Gs。采用附图2和图3所示的电磁搅拌装置加工被加工件时，若电流为密度为150000A/m2，频率为6Hz，被加工件的直径为Φ0.8m时，则被加工熔体中心的磁感应强度为74Gs，由此可见，加工区域的磁感应强度提高了大约57％。采用附图4和5所示的电磁搅拌装置同样能够提高加工区域的磁感应强度。当磁轭延伸体22的面积是磁轭本体21的连接端面积的三倍以上时，加工区域的磁感应强度相对于图1所示的电磁搅拌装置而言可以提高30～50％。
本申请实施例提供的电磁搅拌装置，包括至少一对线圈和磁轭，所述线圈环绕所述磁轭的外表面：所述磁轭包括磁轭本体和磁轭延伸体，所述磁轭延伸体固定于所述磁轭本体的连接端，且所述磁轭延伸体的面积大于所述磁轭本体的连接端的面积，从而增加搅拌区域的磁感应强度，扩大有效的搅拌区间，进而减少铸坯、铸锭缺陷，提高铸坯、铸锭质量。
第二方面，本申请实施例提供一种电磁搅拌加工方法，该方法基于本申请实施例提供的电磁搅拌装置。
如图7所示，本申请实施例提供的电磁搅拌加工方法，包括：
步骤701，打开水冷系统。
打开水冷系统，使冷媒流入壳体内的水冷通道。水冷系统对壳体、磁轭的温度进行控制，确保壳体、磁轭不被烧损。
步骤702，设定电磁搅拌参数。
其中，电磁搅拌参数包括电流、频率、搅拌方式和搅拌方向。
其中，搅拌方式包括连续搅拌和间断搅拌。搅拌方向可以是顺时针或逆时针或交替搅拌。
在使用图2、图3和图4所示的电磁搅拌装置进行连铸过程中，搅拌方向设定为顺时针，有利于减轻铸坯中心缺陷。
使用图5所示的电磁搅拌装置进行连铸时，搅拌方式可以设置为连续或间断；搅拌方向设置为逆时针搅拌，这样有利于金属液向电磁搅拌装置的两端流动，能在更大范围内促进金属液在三维方向上的流动，有利于减轻铸坯、铸锭中心缺陷，提高质量。
步骤703，打开电源进行电磁搅拌。
步骤704，关闭电源，停止电磁搅拌。
步骤705，关闭冷却系统。
在电磁搅拌装置周围的环境温度降低到50℃左右时关闭冷却系统。
下面以更具体的加工参数为例，对本申请的电磁搅拌加工方法进行说明。
实施例1
采用传统E字形磁轭的电磁搅拌装置对内径600mm，外径900mm的铸件进行加工时，若搅拌频率为6Hz，搅拌电流为600A，则空载时中心磁感应强度约为800Gs。
利用工业纯铁将电磁搅拌装置中的磁轭沿周向延伸(图2所示)，磁轭延伸体宽度为传统电磁搅拌装置中磁轭的宽度的三倍。当施加频率为6Hz，电流为600A的电能时，加工区域的空载磁感应强度达到1050Gs。
针对280×380mm大方坯连铸的末端搅拌，采用该电磁搅拌装置。连铸开始前，打开水冷系统5对电磁搅拌装置通水冷却。当铸坯拉速稳定后，打开电控系统6电源，给电磁搅拌装置供电，电磁搅拌装置搅拌电流500A，搅拌频率6Hz，连续搅拌。连铸结束后关闭电磁搅拌装置电源，待环境温度低于50℃时再关闭电磁搅拌装置的水冷系统5。
经低倍检验，铸坯内部质量与传统电磁搅拌装置在600A、6Hz时生产的铸坯质量相当。
实施例2
采用传统E字形磁轭的电磁搅拌装置对内径200mm，外径300mm的铸件进行加工时，若搅拌频率为3Hz，搅拌电流为300A，加工区域的空载磁感应强度约为500Gs。
利用工业纯铁将电磁搅拌装置中的磁轭沿周向延伸(图2所示)，磁轭延伸体宽度为传统电磁搅拌装置磁轭延伸体宽度的三倍。当施加频率为3Hz，电流为250A的电能时，加工区域的空载磁感应强度达到550Gs。
针对120×120mm小方坯连铸的二冷搅拌，采用该电磁搅拌装置。连铸开始前，打开水冷系统5对电磁搅拌装置通水冷却。当铸坯拉速稳定后，打开电控系统6电源，给电磁搅拌装置供电，电磁搅拌装置搅拌电流250A，搅拌频率3Hz，连续搅拌。连铸结束后关闭电磁搅拌装置电源，待环境温度低于50℃时再关闭电磁搅拌装置的水冷系统5。
经低倍检验，小方坯铸坯的等轴晶率、内部质量与传统电磁搅拌的300A、3Hz时生产的铸坯质量相当。
实施例3
采用传统E字形磁轭的电磁搅拌装置对内径600mm，外径900mm、铁芯高350mm的铸件进行加工时，若搅拌频率为6Hz，搅拌电流为600A，空载时电磁搅拌装置的磁轭上表面中心位置磁感应强度约为400Gs。利用该电磁搅拌装置对放置在电磁搅拌装置磁轭上表面附近的Φ180×300mm的铝熔体进行搅拌，铸锭凝固后进行低倍检验，铸锭等轴晶率为65％。
利用工业纯铁将电磁搅拌装置中的磁轭沿轴向延伸(图3所示)，磁轭延伸体宽度为传统的电磁搅拌装置磁轭延伸体宽度的三倍，磁轭延伸体高度500mm。当施加频率为6Hz，电流为600A的电源时，空载时电磁搅拌装置中磁轭上表面中心磁感应强度达到580Gs。
利用该电磁搅拌装置对放置在电磁搅拌装置中磁轭上表面附近的Φ180×300mm的铝熔体进行搅拌，铸锭凝固后进行低倍检验。经检验其铸坯等轴晶率为87％，比传统E字形铁芯电磁搅拌装置搅拌的铸坯高22％。
实施例4
采用传统E字形磁轭的电磁搅拌装置对内径600mm、外径900mm、铁芯高350mm的铸件进行加工时，若搅拌频率为6Hz，搅拌电流为600A，则空载时电磁搅拌装置的加工区域的磁感应强度约为800Gs。利用该电磁搅拌装置对放置在电磁搅拌装置加工区域的Φ200×500mm的Al-5％Cu合金进行搅拌，铸锭凝固后对铸坯上、中、下进行化学检验。经检验，三个位置的铜含量极差为1.10％。
利用工业纯铁将电磁搅拌装置中的磁轭进行菱形延伸(图4所示)，磁轭倾斜角度为43°，磁轭间缝隙宽度为5cm，当施加频率为6Hz，电流为600A的电源时，空载时电磁搅拌装置的加工区域的磁感应强度达到980Gs。
利用该电磁搅拌装置对放置在电磁搅拌装置加工区域的Φ200×500mm的Al-5％Cu合金进行搅拌，铸锭凝固后对铸坯上、中、下进行化学检验。经检验，三个位置的铜含量极差为0.6％。
利用工业纯铁将电磁搅拌装置中的磁轭进行箭头型延伸(图5所示)，磁轭倾斜角度为40°，当施加频率为6Hz，电流为600A的电源时，空载时电磁搅拌装置的加工区域的磁感应强度达到960Gs。
利用该搅拌对放置在电磁搅拌装置中心的Φ200×500mm的Al-5％Cu合金进行顺时针和逆时针两种搅拌方式，铸锭凝固后对铸坯上、中、下进行化学检验。经检验，逆时针搅拌铸锭的上、中、下三个位置的铜含量极差为0.55％，比传统E字形铁芯的电磁搅拌装置搅拌铸锭的Cu偏析极差降低了约50％。顺时针搅拌铸锭的上、中、下三个位置的铜含量极差为0.95％，比传统E字形铁芯的电磁搅拌装置搅拌铸锭的Cu偏析极差降低了约13％，该种搅拌改善效果不是十分明显。因此采用箭头型电磁搅拌装置时，顺着箭头指示方向搅拌金属液的效果为佳。
本申请实施例提供的电磁搅拌加工方法，采用本实施例提供的电磁搅拌装置，包括至少一对线圈和磁轭，所述线圈环绕所述磁轭的外表面：所述磁轭包括磁轭本体和磁轭延伸体，所述磁轭延伸体固定于所述磁轭本体的连接端，且所述磁轭延伸体的面积大于所述磁轭本体的连接端的面积，从而增加搅拌区域的磁感应强度，扩大有效的搅拌区间，进而减少铸坯、铸锭缺陷，提高铸坯、铸锭质量。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本申请的原理而采用的示例性实施方式，然而本申请并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本申请的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种电磁搅拌装置，包括至少一对线圈和磁轭，所述线圈环绕所述磁轭的外表面：其特征在于，所述磁轭包括磁轭本体和磁轭延伸体，所述磁轭延伸体固定于所述磁轭本体的连接端，且所述磁轭延伸体的面积大于所述磁轭本体的连接端的面积。
2.根据权利要求1所述的电磁搅拌装置，其特征在于，包括多对所述线圈和磁轭，且所述多对线圈和磁轭在所述电磁搅拌装置的周向间隔设置。
3.根据权利要求2所述的电磁搅拌装置，其特征在于，所述多对线圈和磁轭在所述电磁搅拌装置的周向间隔设置。
4.根据权利要求2所述的电磁搅拌装置，其特征在于，所述磁轭延伸体在所述电磁搅拌装置的周向方向和/或轴向延伸。
5.根据权利要求2所述的电磁搅拌装置，其特征在于，所述延伸体的形状为矩形、菱形、月牙形、弧形或箭头形。
6.根据权利要求2所述的电磁搅拌装置，其特征在于，所述线圈和磁轭的对数为4个或6个，或者为4或6的整数倍。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的电磁搅拌装置，其特征在于，所述磁轭本体和所述磁轭延伸体为一体结构；或者，所述磁轭本体和所述磁轭延伸体通过连接件连接。
8.根据权利要求1-6任意一项所述的电磁搅拌装置，其特征在于，还包括：
磁轭背体，所述磁轭本体的固定端固定于所述磁轭背体的内侧。
9.根据权利要求8所述的电磁搅拌装置，其特征在于，还包括：
壳体，所述磁轭背体嵌置于所述壳体内；
水冷系统，所述水冷系统与设置于所述壳体内的水冷通道连通；所述水冷系统为所述水冷通道提供冷量；
电控系统，用于为所述线圈提供电能并控制所述线圈内的电流。
10.一种电磁搅拌加工方法，其特征在于，基于权利要求1-9中任意一项所述电磁搅拌装置。
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