CN113893752A - 一种升降式永磁搅拌装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种升降式永磁搅拌装置及方法，该装置，包括套筒、永磁体、永磁体驱动机构、托盘、伸缩杆和伸缩杆驱动机构，所述套筒与永磁体嵌套装配，所述永磁体通过永磁体驱动机构驱动旋转，所述托盘通过伸缩杆支撑设置在套筒内部，所述伸缩杆通过伸缩杆驱动机构驱动升降。采用本申请的永磁搅拌装置，具有结构简单，维护简便，成本低廉，操作方便，磁场模式多元化的优点，提高了铸坯质量的可调控性，改善了铸坯质量。可广泛应用于冶金熔体永磁搅拌领域，也可用于实验研究领域，满足了实验室多元化研究永磁搅拌对熔体凝固、组织及性能等的影响，为之后的工业化应用打下基础。

Description

一种升降式永磁搅拌装置及方法

技术领域

本发明涉及冶金熔体搅拌技术领域，具体涉及一种升降式永磁搅拌装置及方法。

背景技术

现阶段，三相交流电磁搅拌器已成为主流的、有效的且对铸坯质量可控的标准连铸配置。通过对熔体施加电磁搅拌进而调控铸坯质量得到越来越多冶金工作者的关注。

然而，电磁搅拌需要大功率变频电流以产生交变磁场，面临设备复杂、能耗高、维护成本高等系列问题。此外，搅拌器必须使用具有一定压力的流动水冷却，尽管使用高质量的冷却水，线圈的使用寿命仍然较短。

随着磁性材料的迅速发展，永磁搅拌已成为电磁搅拌的一种有效替代方法。研究表明，永磁搅拌的电能消耗仅为电磁搅拌的十分之一。现有技术出现了一些永磁搅拌装置，如专利CN110152545A公开了一种连铸永磁螺旋磁场搅拌器，利用呈螺旋线分布的磁钢组成螺旋磁场进行磁场搅拌，所用磁钢需25-40块，数目较多。又如专利CN208591780U公开了一种能够有效防止偏析的永磁搅拌器，通过螺旋桨状叶片的转动带动熔体均匀运动，结构较为复杂，且只能实现单一磁场运动模式。总之，现有的永磁搅拌装置，结构较为复杂，且磁场模式都较为单一，不仅不利于调控和改善铸坯质量，而且当用于实验研究领域时，不利于实验室多元化研究永磁搅拌对熔体凝固、组织及性能等影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种升降式永磁搅拌装置及方法，使该搅拌装置具有结构简单，维护简便，成本低廉，操作方便，磁场模式多元化的优点，以便提高铸坯质量的可调控性，改善铸坯质量。可广泛应用于冶金熔体永磁搅拌领域，也可用于实验研究领域，满足了实验室多元化研究永磁搅拌对熔体凝固、组织及性能等的影响，为之后的工业化应用打下基础。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种升降式永磁搅拌装置，包括套筒、永磁体、永磁体驱动机构、托盘、伸缩杆和伸缩杆驱动机构，所述套筒与永磁体嵌套装配，所述永磁体通过永磁体驱动机构驱动旋转，所述托盘通过伸缩杆支撑设置在套筒内部，所述伸缩杆通过伸缩杆驱动机构驱动升降。

进一步，所述永磁体驱动机构包括驱动电机和旋转传动机构，所述驱动电机通过旋转传动机构与永磁体传动连接。

进一步，所述伸缩杆包括滑动套接的上杆体和下筒体，所述上杆体的顶端与托盘固定连接，所述下筒体的底端与套筒的内底部固定连接，所述伸缩杆驱动机构通过连杆与上杆体连接。

进一步，所述托盘通过均布的多根伸缩杆支撑，多根伸缩杆的上杆体通过连接体连接后与连杆连接。

进一步，所述永磁体包括一对弧形的钕铁硼烧结磁块。

进一步，所述每块钕铁硼烧结磁块的弧形角为30°-70°。

进一步，所述托盘的底部设置有隔热层。

进一步，还包括控制终端，所述控制终端包括永磁体驱动机构控制模块和伸缩杆驱动机构控制模块，所述永磁体驱动机构控制模块和伸缩杆驱动机构控制模块分别与永磁体驱动机构和伸缩杆驱动机构电连接。

一种采用上述的升降式永磁搅拌装置对熔体进行搅拌的方法，包括如下步骤：

S1：将装有研究熔体的坩埚置于托盘上；

S2：启动永磁体驱动机构，使永磁体先正向旋转1-2min，再反向旋转1-2min，如此往复；在旋转过程中，每隔1-2min通过伸缩杆驱动机构使伸缩杆进行一次升降运动。

可根据熔体特征和研究需要，选择合适的熔体转速、搅拌时长等参数，也可适当延长永磁体正向旋转、反向旋转时间和伸缩杆的升降运动周期。

本发明的有益效果：

本申请的装置及方法，通过控制终端控制永磁体的转速、转向以及托盘位置和升降，轻易实现了熔体所在位置磁场的多层次、多元化控制，比如磁场强度、磁场运动速度、磁场运动模式(旋转磁场、行波磁场、螺旋磁场)、磁场运动方向等，提高了铸坯质量的可调控性；在装置运行过程中，采用变向和变位的手段，不断调节托盘熔体处磁场运动状态，从而在熔体中激发出不同方向、大小的洛伦兹力，继而引起熔体的强制流动，不仅能够有效实现熔体的传热、传质，实现熔体均匀化，减少溶质偏析，而且能有效避免熔体中析出相的聚集长大，细化合金凝固组织，进而改善铸坯质量。可广泛应用于冶金熔体永磁搅拌领域，也可用于实验研究领域，满足了实验室多元化研究永磁搅拌对熔体凝固、组织及性能等的影响，结构简单，维护简便，成本低廉，操作方便，搅拌效果明显。相较于传统的单一磁场运动方式，熔体随磁场做单一方向的运动，如水平旋转运动，依靠高转速形成的湍流实现熔体内部上下的均匀化，效果有限，而且长时间保持同一速度同一方向运动，也会导致熔体中析出相随熔体呈相对静止状态或相对运动减弱，使熔体搅拌效果弱化。相较于现有的螺旋搅拌装置，利用螺旋分布的多块磁钢的水平运动产生运动的螺旋磁场，本装置利用两块永磁体水平运动结合伸缩杆的上下运动，利用组合运动生成运动的螺旋磁场，简化了实验设备的同时也使磁场控制更简便更多样，而不仅局限于螺旋磁场。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的一种升降式永磁搅拌装置的优选实施例的结构示意图；

图2为控制终端的结构示意图。

图中：1--套筒；2--永磁体；3--托盘；4--伸缩杆；5--连杆；6--伸缩杆驱动机构；7--驱动电机；8--永磁体驱动机构控制模块；9--伸缩杆驱动机构控制模块。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。显然,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。

如图1-2所示，本实施例的升降式永磁搅拌装置，包括套筒1、永磁体2、永磁体驱动机构、托盘3、伸缩杆4和伸缩杆驱动机构6，所述套筒与永磁体嵌套装配，所述永磁体2包括一对弧形的钕铁硼烧结磁块，所述每块钕铁硼烧结磁块的弧形角为30°-70°。所述永磁体2通过永磁体驱动机构驱动旋转，优选地，所述永磁体驱动机构包括驱动电机7和旋转传动机构，所述驱动电机通过旋转传动机构与永磁体传动连接。

所述托盘3通过伸缩杆4支撑设置在套筒内部，所述伸缩杆4通过伸缩杆驱动机构6驱动升降。优选地，所述伸缩杆包括滑动套接的上杆体和下筒体，所述上杆体的顶端与托盘3固定连接，所述下筒体的底端与套筒的内底部固定连接，所述伸缩杆驱动机构6通过连杆5与上杆体连接，伸缩杆驱动机构6、连杆5和上杆体构成曲柄滑动机构。为提高托盘3的稳定性，所述托盘3通过均布的多根伸缩杆4支撑，多根伸缩杆的上杆体通过连接体连接后与连杆连接。

所述托盘3是无顶有底的桶状结构，防止坩埚在搅拌过程中侧翻，底部有隔热层。

还包括控制终端，所述控制终端包括永磁体驱动机构控制模块8和伸缩杆驱动机构控制模块9，所述永磁体驱动机构控制模块8和伸缩杆驱动机构控制模块9分别与永磁体驱动机构和伸缩杆驱动机构电连接。通过控制终端的永磁体驱动机构控制模块和伸缩杆驱动机构控制模块分别控制永磁体驱动机构和伸缩杆驱动机构的动作，从而实现控制永磁体的转速、转向以及托盘位置和升降。

具体工作时，通过控制终端控制驱动电机带动永磁体旋转，通过运动磁场激发的洛伦磁力带动熔体运动，驱动电机可控制永磁体的转速和转向，可以研究磁场转速、正转、反转、先正转后反转等对熔体凝固过程的影响。通过伸缩杆驱动机构控制伸缩杆调节托盘的高度位置，可以调节熔体所在位置的磁场强度；也可以通过伸缩杆带动托盘上下运动，实现熔体的竖直方向运动，结合水平方向上永磁体的旋转运动，通过组合运动实现熔体处磁场螺旋运动，可以研究磁场强度、磁场运动模式等对熔体凝固过程的影响。

本实施例还提供了一种采用上述的升降式永磁搅拌装置对熔体进行搅拌的方法，包括如下步骤：

S1：将装有研究熔体的坩埚置于托盘上；

S2：启动永磁体驱动机构，使永磁体先正向旋转1-2min，再反向旋转1-2min，如此往复；在旋转过程中，每隔1-2min通过伸缩杆驱动机构使伸缩杆进行一次升降运动。

可根据熔体特征和研究需要，选择合适的熔体转速、搅拌时长等参数，也可适当延长永磁体正向旋转、反向旋转时间和伸缩杆的升降运动周期。

为使上述方法的过程更加清楚，下面以具体实施例进一步说明：

实施例1：

将装有含硫非调质钢熔体的MgO坩埚至于托盘上，开启永磁搅拌装置，对熔体施加交替永磁搅拌处理，先正转1min再反转1min，以此往复。搅拌时长是10min，搅拌过程中磁感应强度是2000Gs，磁体转速200rpm。搅拌结束后，取出铸锭后水冷，得到样品。对样品中MnS分析检测发现，平均等量直径是3.8μm，MnS主要形态是纺锤状、短棒状和椭圆状，无聚集分布现象。

实施例2：

将装有含硫非调质钢熔体的MgO坩埚至于托盘上，开启永磁搅拌装置，对熔体施加交替永磁搅拌处理，先正转2min再反转2min，以此往复。搅拌时长是12min，搅拌过程中磁感应强度是1500Gs，磁体转速150rpm。搅拌结束后，取出铸锭后水冷，得到样品。对样品中MnS分析检测发现，平均等量直径是4.2μm，MnS主要形态是纺锤状、短棒状和椭圆状，无聚集分布现象。

综上所述，本申请的装置及方法，通过控制终端控制永磁体的转速、转向以及托盘位置和升降，轻易实现了熔体所在位置磁场的多层次、多元化控制，比如磁场强度、磁场运动速度、磁场运动模式(旋转磁场、行波磁场、螺旋磁场)、磁场运动方向等，提高了铸坯质量的可调控性；在装置运行过程中，采用变向和变位的手段，不断调节托盘熔体处磁场运动状态，从而在熔体中激发出不同方向、大小的洛伦兹力，继而引起熔体的强制流动，不仅能够有效实现熔体的传热、传质，实现熔体均匀化，减少溶质偏析，而且能有效避免熔体中析出相的聚集长大，细化合金凝固组织，进而改善铸坯质量。可广泛应用于冶金熔体永磁搅拌领域，也可用于实验研究领域，满足了实验室多元化研究永磁搅拌对熔体凝固、组织及性能等的影响，结构简单，维护简便，成本低廉，操作方便，搅拌效果明显。相较于传统的单一磁场运动方式，熔体随磁场做单一方向的运动，如水平旋转运动，依靠高转速形成的湍流实现熔体内部上下的均匀化，效果有限，而且长时间保持同一速度同一方向运动，也会导致熔体中析出相随熔体呈相对静止状态或相对运动减弱，使熔体搅拌效果弱化。相较于现有的螺旋搅拌装置，利用螺旋分布的多块磁钢的水平运动产生运动的螺旋磁场，本装置利用两块永磁体水平运动结合伸缩杆的上下运动，利用组合运动生成运动的螺旋磁场，简化了实验设备的同时也使磁场控制更简便更多样，而不仅局限于螺旋磁场。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种升降式永磁搅拌装置，其特征在于：包括套筒(1)、永磁体(2)、永磁体驱动机构、托盘(3)、伸缩杆(4)和伸缩杆驱动机构(6)，所述套筒与永磁体嵌套装配，所述永磁体通过永磁体驱动机构驱动旋转，所述托盘通过伸缩杆支撑设置在套筒内部，所述伸缩杆通过伸缩杆驱动机构驱动升降。

2.根据权利要求1所述的升降式永磁搅拌装置，其特征在于：所述永磁体驱动机构包括驱动电机(7)和旋转传动机构，所述驱动电机通过旋转传动机构与永磁体传动连接。

3.根据权利要求2所述的升降式永磁搅拌装置，其特征在于：所述伸缩杆(4)包括滑动套接的上杆体和下筒体，所述上杆体的顶端与托盘(3)固定连接，所述下筒体的底端与套筒的内底部固定连接，所述伸缩杆驱动机构(6)通过连杆(5)与上杆体连接。

4.根据权利要求3所述的升降式永磁搅拌装置，其特征在于：所述托盘(3)通过均布的多根伸缩杆(4)支撑，多根伸缩杆的上杆体通过连接体连接后与连杆(5)连接。

5.根据权利要求1所述的升降式永磁搅拌装置，其特征在于：所述永磁体(2)包括一对弧形的钕铁硼烧结磁块。

6.根据权利要求5所述的升降式永磁搅拌装置，其特征在于：所述每块钕铁硼烧结磁块的弧形角为30°-70°。

7.根据权利要求1所述的升降式永磁搅拌装置，其特征在于：所述托盘(3)的底部设置有隔热层。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的升降式永磁搅拌装置，其特征在于：还包括控制终端，所述控制终端包括永磁体驱动机构控制模块(8)和伸缩杆驱动机构控制模块(9)，所述永磁体驱动机构控制模块和伸缩杆驱动机构控制模块分别与永磁体驱动机构和伸缩杆驱动机构电连接。

9.一种采用如权利要求1所述的升降式永磁搅拌装置对熔体进行搅拌的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将装有研究熔体的坩埚置于托盘上；

S2：启动永磁体驱动机构，使永磁体先正向旋转1-2min，再反向旋转1-2min，如此往复；在旋转过程中，每隔1-2min通过伸缩杆驱动机构使伸缩杆进行一次升降运动。

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