CN205437109U - 一种组合式金属熔体扰动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及金属凝固细化技术领域，为一种组合式金属熔体扰动装置。该装置由脉冲电源（1）、导体（4）、组合式振荡线圈（5）、冷却通道（6）、升降系统组成；脉冲电源（1）通过导体（4）与组合式振荡线圈（5）连接，组合式振荡线圈（5）中液面上方部分与刚性直杆（8）相连，升降机（7）固定在脉冲电源（1）顶上的转盘上（9），刚性直杆（8）的一端固定在升降机上，组合式振荡线圈（5）固定在刚性直杆（8）的另一端，组合式振荡线圈（5）中有冷却通道（6）。脉冲电源产生的脉冲电流通过导体流入组合式振荡线圈，激发脉冲磁致振荡作用于金属熔体液面和冒口附近熔体。本实用新型操作简单，移动灵活，安全可靠，成本低，适合于大规模工业生产。

Description

一种组合式金属熔体扰动装置

技术领域

本实用新型涉及一种细化金属凝固组织的金属熔体扰动装置，属于金属凝固组织控制技术装备领域。

背景技术

细化金属凝固组织可以达到提高材料的强度、塑性和韧性的目的。细化金属凝固组织的传统方法主要有化学细化法和物理细化法及工艺方法等。近年来，外加电磁场细化金属凝固组织的方法因其无污染、细化效果显著备受关注。外加电磁场凝固细晶技术主要有脉冲电流技术、脉冲磁场技术、电磁搅拌技术和脉冲磁致振荡技术。脉冲电流凝固细晶技术中，电流直接通过金属熔体，这会影响生产安全和人身安全；而脉冲磁场虽然电路不直接通过金属熔体，但是强磁场施加到金属熔体后，会在金属熔体中产生感应电流。磁场强度较大时，强磁场会使金属表面产生强烈波动甚至飞溅。电磁搅拌技术控制工艺复杂、控制不当会引起新的质量问题。

脉冲磁致振荡凝固细晶技术是由上海大学翟启杰、龚永勇等人提出。该项技术采用合理的安全电压和频率，使感应线圈仅作用于金属熔体表面或固液界面附近，脉冲电磁场的相互作用可以产生脉冲电磁力。脉冲电磁力会使金属熔体表面或固液界面附近处的晶核不断的生成、脱落，形成“结晶雨”现象，增加熔体内部的形核核心，从而达到细化金属凝固组织的目的。经过十年的发展，不断优化线圈结构，先后提出了脉冲磁致振荡技术、液面脉冲磁致振荡技术和冒口脉冲磁致振荡技术。该项技术具备细化效果显著、操作安全、方便等优点，在连铸生产中已经取得了理想的效果。

实用新型内容

本实用新型专利的目的在于提供一种体积小、移动灵活、安全可靠的脉冲磁致振荡金属熔体扰动装置，以控制金属凝固过程，获得细化的凝固组织。与中国专利（申请号：201310657101.1，发明名称：复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法）公开的一种在金属液面上和铸型四周设置线圈施加脉冲磁场细化金属熔体凝固组织方法相比，本装置有效利用了铸锭的冒口区域，充分体现了冒口脉冲磁致振荡的优势。将线圈预埋于铸锭冒口中，操作更加方便，并降低了成本。

本实用新型的技术方案如下：

一种组合式金属熔体扰动装置，该装置由脉冲电源、导体、组合式振荡线圈、冷却通道、升降系统包括升降机和刚性直杆组成；脉冲电源通过导体与组合式振荡线圈连接，组合式振荡线圈可由饼状线圈和螺旋状线圈采用导体串联或并联连接，亦可以做成一体式结构。组合式振荡线圈中液面上方部分与刚性直杆相连，升降机固定在脉冲电源顶上的转盘上，刚性直杆的一端固定在升降机上，组合式振荡线圈固定在刚性直杆的另一端。组合式振荡线圈中冒口部分可以预埋于冒口内部，亦可以由支架支撑于冒口外侧，组合式振荡线圈中有冷却通道。脉冲电源产生的脉冲电流通过导体流入组合式振荡线圈，激发脉冲磁致振荡作用于金属熔体液面和冒口附近熔体。

所述的组合式金属熔体扰动装置，组合式振荡线圈的匝数和层数可根据铸型的口径大小进行调整（线圈的匝数即绕中轴线的圈数；将几个相同的线圈叠加在一起，叠加线圈个数即为层数），进行脉冲磁致液面与冒口同时振荡。振荡线圈的一部分预埋于冒口的内部或者外部，另一部分置于铸型的顶部，亦可以由两个线圈与脉冲电源独立或串联、并联连接。

所述的组合式金属熔体扰动装置，为了避免振荡线圈电阻过大，产生大量的热和消耗更多的能量，振荡线圈由铜或高导电性物质制成，且用中空或实心导体制成。为了避免振荡线圈承受高温，在振荡线圈上装有冷却通道，冷却通道设置在组成组合式脉冲磁致振荡线圈的导体内，或者设置在组成组合式振荡线圈的导体外，或者设置在组成振荡线圈的导体内外均有。

所述的组合式金属熔体扰动装置，液面上方部分的线圈形状可根据铸型横截面积形状的变化而变化，可以为圆形、椭圆形、方形及多边形（边数大于4）。冒口部分线圈内口可以为圆形、椭圆形、方形和多边形（边数大于4）。

所述的组合式金属熔体扰动装置，金属熔体凝固过程中，液面会逐渐下降，而电磁波会随着距离的增大而逐渐衰减。为了提高扰动效果，将振荡线圈液面上方部分固定在升降系统上，可以随时跟踪液面变化，保持最佳的处理间距。冒口部分的线圈可以预埋于金属冒口之中，或者置于冒口外侧。若将线圈置于冒口外侧，采用支撑架置于冒口型壁外侧。

所述的组合式金属熔体扰动装置，可以改变振荡线圈的匝数和层数，线圈的匝数为2~200，层数为1~50，优选的振荡线圈的匝数为5~50，层数为1~10。振荡线圈置于金属熔体上方2mm~250mm，最佳位置范围为5mm~100mm。

所述的组合式金属熔体扰动装置，脉冲磁致振荡电流为10A～30000A。最佳电流范围为30A～20000A。组合式冒口脉冲磁致振荡脉冲宽度为10μs～100ms。最佳脉冲宽度为100μs～10ms。组合式冒口脉冲磁致振荡作用频率为0.01Hz～2kHz。最佳作用频率为1Hz～300Hz。

本实用新型具有以下特点：

1、本实用新型可显著细化金属材料的凝固组织

2、本实用新型是非接触式处理，不会对金属熔体产生污染。

3、本实用新型处理金属液时金属液面平稳。

4、本实用新型结构多样，操作安全可靠。

5、本实用新型结构简单、体积小、拆装方便、成本低、实用范围广。

6、本实用新型兼具液面线圈和冒口线圈的优点，作用效果显著增加。适用于模铸、半连铸以及连铸生产。

附图说明

图1为并联连接方式的组合式金属熔体扰动细化金属凝固组织装置示意图。

（1-脉冲电源，2-金属熔体，3-铸型，4-导体，5-组合式振荡线圈（并联连接），6-冷却通道，7-升降机，8-刚性直杆，9-转盘，10-支架）

图2为串联连接方式的组合式金属熔体扰动细化金属凝固组织装置示意图。

（1-脉冲电源，2-金属熔体，3-铸型，4-导体，5-组合式振荡线圈（串联连接），6-冷却通道，7-升降机，8-刚性直杆，9-转盘，10-支架）

图3为独立连接方式的组合式金属熔体扰动细化金属凝固组织装置示意图。

（1-脉冲电源，2-金属熔体，3-铸型，4-导体，5-组合式振荡线圈（独立连接两台电源），6-冷却通道，7-升降机，8-刚性直杆，9-转盘，10-支架）

图4为一体式的组合式金属熔体扰动细化金属凝固组织示意图。

（1-脉冲电源，2-金属熔体，3-铸型，4-导体，5-组合式振荡线圈（一体化结构），6-冷却通道，7-升降机，8-刚性直杆，9-转盘，10-支架）

图5a为未进行任何处理的纯铝宏观组织（铸型为石墨型）。

图5b为进行单一液面熔体扰动（线圈中间无孔）处理的纯铝宏观组织（铸型为石墨型,39Hz，50A，10μs）。

图5c为进行单一液面熔体扰动（线圈中间有孔）处理的纯铝宏观组织（铸型为石墨型,39Hz，50A，10μs）。

图5d为进行单一冒口熔体扰动处理的纯铝宏观组织（铸型为石墨型,39Hz，50A，10μs）。

图5e为进行组合式（串联连接）熔体扰动处理的纯铝宏观组织（铸型为石墨型,39Hz，50A，10μs）。

图6a为进行单一液面熔体扰动（线圈中间无孔）处理的纯铝宏观组织（铸型为石墨型,300Hz，1800A，90μs）。

图6b为进行单一液面熔体扰动（中间带孔）处理的纯铝宏观组织（铸型为石墨型,39Hz，50A，10μs）。

图6c为进行单一冒口熔体扰动处理的纯铝宏观组织（铸型为石墨型,300Hz，1800A，90μs）。

图6d为组合式（串联连接）熔体扰动处理的纯铝宏观组织（铸型为石墨型,39Hz，50A，10μs）。

具体实施方式

本实用新型如图1所示，主要包括：该装置由脉冲电源1、导体4、振荡线圈5、冷却通道6、支架10、升降系统包括升降机7、刚性直杆8和转盘9组成；脉冲电源通过导体与振荡线圈连接，升降机底部固定在转盘上，转盘固定在刚性直杆的另一端，振荡线圈中有冷却通道，脉冲电源产生的脉冲电流通过导体流入振荡线圈，激发脉冲磁致振荡作用于金属熔体。

脉冲电源，主要通过RLC放电电路为振荡线圈供应脉冲电流，改变电容的串联数量，可以调节脉冲电流的波形和输出功率。

脉冲振荡线圈，不仅可实现对脉冲电流到脉冲磁致振荡的转变，还直接将脉冲磁致振荡施加到熔体液面上的作用终端。因此，振荡线圈的外廓形状、匝数、层数、材质等对处理效果产生重大影响。振荡线圈主要选择铜线或其他高导电性线材（中空或实心）绕制而成。绕制方法与液面蚊香形线圈和冒口线圈相同，线圈的外廓形状可根据金属熔体的液面大小和形状进行调整。两个线圈可以进行串联连接或并联连接，也可以做成一体的“帽子型”线圈。本实用新型匝数为2~200，层数为1~50。

振荡线圈工作时，液面上方部分处在熔体液面上方1mm~300mm之间，由于温度高，加上本身存在电阻发热，巨大的热能容易使振荡线圈损毁。因此，在振荡线圈内设有冷却系统，冷却系统的工作方式主要是在中空的铜管内部或外部绝缘后通冷却介质，也可以是实心铜线外部绝缘后通冷却介质。

振荡线圈在处理金属熔体时，金属熔体会不断下降，为了达到好的处理效果，应使液面上方部分线圈与熔体液面保持最佳的位置和间距，因此，将振荡线圈固定在升降系统上。升降系统主要由升降机、转盘及刚性直杆组成，可实现对振荡线圈左右、上下自由移动。

本实用新型专利采用组合式线圈金属熔体扰动方式，具有操作方便、款式多样，安全可靠，在金属凝固过程中有效作用时间长，可有效提高液面脉冲磁致振荡和冒口脉冲磁致振荡的作用效果，并且装置小，成本低，移动灵活，适用于各种规模工业生产。

以下结合实施例对本实用新型做详细说明。

实施例1

实验过程如下：熔体用材料纯度为99.7％的工业纯铝，铸型为石墨型，组合式处理线圈中液面处圆形扁状线圈匝数为15，层数为2；中间带孔的扁状线圈匝数为8，层数为2；冒口处线圈匝数为15，层数为1，两线圈通过串联连接。实施一组实验，保持其他变量一致，只控制一个变量，即单一施加液面磁致振荡处理，单一施加冒口线圈处理，施加组合式冒口脉冲磁致振荡处理。用参数为39Hz，50A，10μs的磁致振荡处理。具体工艺过程如下：将纯铝熔化后，当金属过热20～150℃时，将预热的铸型置于组合式线圈中，冒口位置线圈固定到铸型冒口外壁四周，扁状线圈放置于金属液面上方约5cm，浇注完毕后立即打开脉冲电源开关进行脉冲磁致振荡处理，到完全凝固后，切断电源，停止处理，最后对试样进行金相组织观察。

未经任何处理的纯铝试样，晶粒没有得到细化，等轴晶区面积2.5%，如图5a所示。施加液面扁状线圈（中间无孔）处理的纯铝试样，晶粒尺度为0.43mm，等轴晶区面积38.9%，如图5b所示。施加液面扁状线圈（中间有孔）处理的纯铝试样，晶粒尺度为0.41mm，等轴晶区面积29.5%，如图5c所示。施加冒口线圈处理的纯铝试样，晶粒尺度为0.25mm，等轴晶区面积25.5%，如图5d所示。施加组合式冒口脉冲磁致振荡处理的纯铝试样，晶粒尺度为0.27mm，等轴晶区面积93.2%，如图5e所示。

实施例2

实验过程如下：熔体用材料纯度为99.7％的工业纯铝，铸型为石墨型，组合式处理线圈中液面处圆形扁状线圈匝数为15，层数为2；中间带孔的扁状线圈匝数为8，层数为2；冒口处线圈匝数为15，层数为1，两线圈通过并联连接。实施一组实验，保持其他变量一致，只控制一个变量，即单一施加液面磁致振荡处理，单一施加冒口线圈处理，施加组合式冒口脉冲磁致振荡处理。用参数为300Hz，1800A，90μs的磁致振荡处理。具体工艺过程如下：将纯铝熔化后，当金属过热20～150℃时，将预热的铸型置于组合式线圈中，冒口位置线圈固定到铸型冒口外壁四周，扁状线圈放置于金属液面上方约5cm，浇注完毕后立即打开脉冲电源开关进行脉冲磁致振荡处理，到完全凝固后，切断电源，停止处理，最后对试样进行金相组织观察。

施加液面扁状线圈（中间无孔）处理的纯铝试样，晶粒尺度为0.38mm，等轴晶区面积37.1%，如图6a所示。施加液面扁状线圈（中间有孔）处理的纯铝试样，晶粒尺度为0.40mm，等轴晶区面积41.7%，如图6b所示。施加冒口线圈处理的纯铝试样，晶粒尺度为0.23mm，等轴晶区面积41.5%，如图6c所示。施加组合式冒口脉冲磁致振荡处理的纯铝试样，晶粒尺度为0.40mm，等轴晶区面积81.3%，如图6d所示。

Claims (8)

1.一种组合式金属熔体扰动装置，其特征在于：该装置由脉冲电源（1）、导体（4）、组合式振荡线圈（5）、冷却通道（6）、升降系统包括升降机（7）和刚性直杆（8）组成；脉冲电源（1）通过导体（4）与组合式振荡线圈（5）连接，组合式振荡线圈（5）由饼状线圈和螺旋状线圈采用导体串联或并联连接或做成一体式结构；组合式振荡线圈（5）中液面上方部分与刚性直杆（8）相连，升降机（7）固定在脉冲电源（1）顶上的转盘（9）上，刚性直杆（8）的一端固定在升降机上，组合式振荡线圈（5）固定在刚性直杆（8）的另一端；组合式振荡线圈（5）中冒口部分或者预埋于冒口内部，或者由支架（10）支撑于冒口外侧，组合式振荡线圈（5）中有冷却通道（6）；脉冲电源产生的脉冲电流通过导体流入组合式振荡线圈，激发脉冲磁致振荡作用于金属熔体液面和冒口附近熔体。

2.如权利要求1所述的组合式金属熔体扰动装置，其特征在于：组合式振荡线圈由铜或高导电性物质制成，且用中空或实心导体制成。

3.如权利要求1所述的组合式金属熔体扰动装置，其特征在于：冷却通道（6）设置在组成组合式振荡线圈的导体内，或者冷却通道（6）设置在组成组合式振荡线圈的导体外，或者冷却通道（6）设置在组成组合式振荡线圈的导体内外均有。

4.如权利要求1所述的组合式金属熔体扰动装置，其特征在于：组合式脉冲磁致振荡的两个线圈连接方式为两个线圈并联后与一台脉冲电源相连；组合式脉冲磁致振荡的两个线圈连接方式为串联后与一台脉冲电源相连；组合式脉冲磁致振荡的两个线圈独立与两台脉冲电源相连；组合式脉冲磁致振荡的线圈做成一体的盖子形状与一台脉冲电源相连。

5.如权利要求1所述的组合式金属熔体扰动装置，其特征在于：液面饼状线圈部分的外形为圆形或者方形或者多边形,多边形的边数为4～30，无内孔；线圈的匝数为2～50匝，层数为1～5层，且液面饼状线圈部分置于金属熔体液面上方2～250mm。

6.如权利要求1所述的组合式金属熔体扰动装置，其特征在于：液面饼状线圈部分的内孔为圆形或者方形或者多边形，其大小占据整个线圈的1/20～19/20。

7.如权利要求1所述的组合式金属熔体扰动装置，其特征在于：冒口部分螺旋状线圈的内孔为圆形或者方形或者多边形，线圈的匝数为2～100匝，层数为1～3层。

8.如权利要求1所述的组合式金属熔体扰动装置，其特征在于：组合式脉冲磁致振荡电流为10A～30000A，脉冲宽度为10μs～100ms，作用频率为0.01Hz～300kHz。