一種複合式螺旋電磁攪拌器的製作方法

2024-02-20 18:09:15

本發明應用於電磁鑄造和材料電磁加工成型領域，特別針對金屬連鑄，半固態鑄造和定向凝固過程中所用的螺旋磁場電磁攪拌器。

背景技術：

材料性能的嚴要求和高標準迫使科研工作者們不斷開發新材料，研究新工藝。電磁場有著其他物理場無可替代的優勢，其受到了科研工作者們的廣泛關注。電磁場發生裝置可在不與金屬熔體直接接觸的情況下將熱能和動能傳輸給金屬熔體，金屬液不受汙染。電磁攪拌是控制金屬熔體流動來改善鑄坯質量的有效手段。旋轉電磁攪拌能細化局部鑄坯凝固組織和均勻周向溫度分布，但軸向的傳熱傳質過程不夠充分，且隨著攪拌強度的增加負偏析現象隨之出現。線性電磁攪拌能使金屬熔體在豎直方向運動，軸向力的作用可以減小結晶器內的液面波動且加強了豎直方向上的對流，但徑向的流動不夠活躍。所以，單一的磁場對改善鑄坯質量的效果並不理想。螺旋電磁攪拌結合了旋轉電磁攪拌和行波電磁攪拌的特點，能夠使金屬熔體做螺旋運動，強制對流增加了熱交換和溶質交換，降低了金屬熔體中心與凝固前沿的溫度梯度，從而增加等軸晶率和減小中心偏析等。螺旋電磁攪拌產生的軸向流與結晶器內鋼液流股碰撞，能減緩液面向下凹陷。因此，螺旋電磁攪拌作為改善材料性能的手段將越來越受到重視。

螺旋磁場是旋轉磁場和行波磁場空間上的疊加，如要實現螺旋電磁攪拌，可採用複合攪拌方式。目前，可歸納為三種方式：旋轉磁場和行波磁場的內外疊加，旋轉磁場的上下堆疊，行波磁場的周向並列。此類方法能驅使金屬熔體做螺旋運動，加強軸向和周向上的溶質和熱交換，增加等軸晶率，減少中心偏析，提高產品質量。除此類方法，還有磁軛端面相對於磁軛背傾斜放置的，磁軛端面相對於磁軛背階梯型排布的；這類方法同樣能實現螺旋電磁攪拌。這兩類方法的研究思路體現在公開號cn87104014a、公開號cn86104510a、公開號102825245a和公開號102554165a的中國發明專利申請案中，以及公開號cn201476606u和公開號cn87204232u的中國實用新型專利申請案中。傳統的內外兩套設備疊加增加了裝置的重量，且外層設備相距金屬熔體較遠，外層設備攪拌力的效果會明顯降低。旋轉磁場設備上下堆疊和行波磁場設備周向並列同樣增加了裝置的重量，增加了製造成本。對於多套旋轉磁場設備上下堆疊在一起，雖然能夠在金屬熔體內部產生軸向的行波力，但受到垂直截面上的磁軛排列數目和磁軛背連續性的影響，軸向力的大小遠小於周向的旋轉力。同理，對於行波磁場設備的周向排列，其周向力的大小遠小於軸向力，因此不能實現充分螺旋攪拌。對於磁軛端面所在平面相對於磁軛背傾斜或者階梯型放置的，其核心思想是磁軛端面所在平面相對於磁軛背有一定的角度。電磁感應系統通交流電後，相鄰的兩個磁軛端部，磁場總是從前一個磁軛端部向後一個磁軛端部移動，且移動方向垂直於他們之間的空隙。因此在磁軛端面所在的平面想對於磁軛背有一定的角度時，電磁力的方向也是有角度的。電磁力可分解為水平的周向力和豎直的軸向力，綜合為螺旋力，能夠實現螺旋攪拌。但是磁場在相鄰的兩個磁軛端部之間的空隙垂直移動時，垂直於磁軛端部側面的有效面積要小於側面的面積，且磁軛端部排列的數目是有限的，軸向力遠小於周向力。這兩類方法都不能實現有效的螺旋攪拌。

技術實現要素：

針對上述現有技術的不足，本發明提供了一種結構緊湊，控制靈活，性能穩定的複合式螺旋電磁攪拌器，能夠驅使金屬熔體做螺旋運動，實現對金屬熔體的強制均勻攪拌。

本發明的技術方案如下：

一種複合式螺旋電磁攪拌器，電磁感應系統由磁軛組和套在其上的線圈組成，磁軛組由旋轉磁場磁軛組和行波磁場磁軛組複合形成；所述旋轉磁場磁軛組和行波磁場磁軛組均由磁軛背和若干個磁軛端部組成；旋轉磁場磁軛背為薄壁圓筒形，行波磁場磁軛背為板形；行波磁場磁軛背與旋轉磁場磁軛背之間有1-100mm的間隙。

旋轉磁場磁軛端部一共有4或6個，均水平布置在旋轉磁場磁軛背上；行波磁場磁軛端部一共有6、8、12、16、18或24個，行波磁場磁軛背一共有2、4或6個，對稱或均勻分布在鑄坯的外周，且豎直放置；行波磁場磁軛端部豎直布置在行波磁場磁軛背上，每個行波磁場磁軛背上有3或4個行波磁場磁軛端部；兩種磁場的磁軛端部均勻分布在鑄坯外周，磁極的極性面均指向鑄坯中心。

線圈採用導線或中空銅管，如用中空銅管，其內部可通入冷卻水，可以重疊繞組、集中繞組布置方式纏繞在磁軛間的空隙中。

供電採用兩相或三相交流電源供給；採用一套或者兩套電源。

旋轉磁場磁軛端部與行波磁場磁軛端部所在位置的中心線的夾角為35-75゜，所有磁軛端面所在平面的法線的夾角為30-75゜。

行波磁場磁軛背交叉均勻地分布在旋轉磁場磁軛端部間，兩類磁軛組可以相間排布。

使用一套電源時，線圈串聯在兩種磁軛之間；使用兩套電源時，可分別控制電流強度；在不影響周向力的大小下，能有目的性的增加或減小軸向力的大小；且通過交換電源中的兩相的位置可以改變電磁力的方向，能夠實現可控制的四種螺旋攪拌方式，分別是：左上、左下，右上和右下。

本發明的工作原理如下：

線圈電流採用兩相四極或三相六級方式施加載荷，交變電流產生的磁場通過兩種磁軛進入金屬熔體內。在磁場作用下，在金屬熔體內部產生感應電流；感應電流和磁場相互作用分別產生旋轉電磁力和線性電磁力，兩個力複合形成螺旋攪拌力，該力驅使金屬熔體做螺旋運動。

本發明提供了一種複合式螺旋電磁攪拌器，其顯著的有益效果體現在：

1.結構緊湊，控制靈活，性能穩定，能夠驅使金屬熔體做螺旋運動，實現對金屬熔體的強制均勻攪拌。

2.接線方式簡單，與旋轉電磁攪拌裝置相同，且電源的選擇性較靈活。可用一套或者兩套電源，根據具體情況具體選擇。當使用兩套電源時，在不影響周向力作用的效果下，能夠有目的性的增加或減小軸向力的大小或者改變軸向力的方向。在需要豎直方向較大的力時，該裝置的效益較為明顯。

3.相對於同類裝置，本發明打破了同類裝置用一套電源或者不能分別控制軸向力和周向力的局限性，本發明能夠產生更大的軸向力，螺旋電磁力的可控性更強。

4.應用範圍廣，可用於連鑄機結晶器、二冷區或凝固末端的電磁攪拌，同時也適用於模鑄、半固態鑄造等。通過分別改變周向力和軸向力的大小，可以均勻凝固坯殼厚度，均勻溶質分布，抑制結晶器內金屬熔體的液面波動，能夠減小鑄坯中心與邊緣的溫度梯度，減緩流股衝擊深度和促進夾雜物上浮，減少中心偏析，促進等軸晶的形成等。

5.相對於傳統內外疊加式的螺旋電磁攪拌裝置，本發明能夠提供更大的周向力。

附圖說明

圖1為4—2×4(4個旋轉磁場磁軛端部；2×4個行波磁場磁軛端部對稱分布鑄坯兩側)複合式螺旋電磁攪拌器和鑄坯結構示意圖；

圖2為4—2×4複合式螺旋電磁攪拌器結構的俯視圖；

圖3為4—2×4複合式螺旋電磁攪拌器結構的斜視圖；

圖4為4—2×4複合式螺旋電磁攪拌器結構的剖面視圖；

圖5為4—2×3(4個旋轉磁場磁軛端部；2×3個行波磁場磁軛端部對稱分布鑄坯兩側，以下依此類推)複合式螺旋電磁攪拌器結構的俯視圖；

圖6為4—2×3複合式螺旋電磁攪拌器結構的斜視圖；

圖7為4—4×4複合式螺旋電磁攪拌器結構的俯視圖；

圖8為4—4×4複合式螺旋電磁攪拌器結構的斜視圖；

圖9為4—4×3複合式螺旋電磁攪拌器結構的俯視圖；

圖10為4—4×3複合式螺旋電磁攪拌器結構的斜視圖；

圖11為6—2×4複合式螺旋電磁攪拌器結構的俯視圖；

圖12為6—2×4複合式螺旋電磁攪拌器結構的斜視圖；

圖13為6—2×3複合式螺旋電磁攪拌器結構的俯視圖；

圖14為6—2×3複合式螺旋電磁攪拌器結構的斜視圖；

圖15為6—6×4複合式螺旋電磁攪拌器結構的俯視圖；

圖16為6—6×4複合式螺旋電磁攪拌器結構的斜視圖；

圖17為6—6×3複合式螺旋電磁攪拌器結構的俯視圖；

圖18為6—6×3複合式螺旋電磁攪拌器結構的斜視圖；

圖19為旋轉電磁攪拌下鑄坯z＝0橫截面流場矢量圖；

圖20為旋轉電磁攪拌下鑄坯x＝0縱截面流線矢量圖；

圖21為採用4-2×4複合式螺旋電磁攪拌器作用下鑄坯z＝0橫截面流場矢量圖；

圖22為採用4-2×4複合式螺旋電磁攪拌器作用下鑄坯x＝0縱截面流場矢量圖；(豎直方向的攪拌力一上一下)；

圖23為採用4-2×4複合式螺旋電磁攪拌器作用下鑄坯x＝0縱截面流場矢量圖；(豎直方向的攪拌力同上)；

圖24為採用4-2×4複合式螺旋電磁攪拌器作用下鑄坯x＝0縱截面流場矢量圖；(豎直方向的攪拌力同下)；

圖25為採用4-2×4複合式螺旋電磁攪拌器作用下鑄坯內三維流線圖；

圖26為施加同向向下行波力與未施加時鑄坯縱截面線上個點軸向速度對比圖；

圖27為使用一套和兩套電源時水平方向、豎直方向上力的對比圖。

其中，1：鑄坯；2：螺旋電磁攪拌器；3：旋轉磁場磁軛端部；4：線圈；5：旋轉磁場磁軛背；6：行波磁場磁軛背；7：行波磁場磁軛端部。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式進一步說明。

如圖1所示，一種複合式螺旋電磁攪拌器設置在鑄坯的外周。圖中，1為鑄坯，2為一種複合式螺旋電磁攪拌器。如圖2-18所示，一種複合式螺旋電磁攪拌器，包括線圈、磁軛組。其特徵在於磁軛組由兩套不同的獨立的磁軛組複合形成。所述的磁軛由磁軛背和若干個磁軛端部組成。所述的一種磁軛背為薄壁圓筒形，其磁軛端部水平分布在磁軛背上；該磁軛端部共4或6個，它們所在位置的中心的對角線夾角為30-70゜。所述的另一種磁軛背為板狀，該磁軛背共2，4或6個，豎直放置，且對稱或均勻分布在鑄坯的外周；其磁軛端部豎直分布在磁軛背上，每列為3或4個。兩種磁軛端部均勻設置在鑄坯的外周，且兩種磁軛端部所在位置的中心線夾角為35-75゜。所述線圈均勻纏繞在兩種磁軛上，且磁極的極性面均指向鑄坯中心。所述的兩種磁軛背之間有1-100mm的間隙，一方面縮短了兩種磁軛間的距離，減小外層設備電磁力隨距離衰減的程度；另一方面不影響磁力線的傳輸。本發明的核心思想是行波磁場磁軛背交叉均勻的分布在旋轉磁場磁軛端部間，兩類磁軛組可以相間排布。

供電方式採用兩相或三相交流電供給，電流頻率為0-100hz。其特徵在於兩種磁軛可以共用一套電源，也可以供應兩套電源。使用一套電源時，線圈串聯在兩種磁軛之間。使用兩套電源時，可分別控制電流強度；在不影響周向力的大小下，能有目的性的增加或減小軸向力的大小。且通過交換電源中的兩相的位置可以改變電磁力的方向，能夠實現可控制的四種螺旋攪拌方式，分別是：左上、左下，右上和右下。

行波磁場磁軛背交叉均勻的分布在旋轉磁場磁軛端部的空隙間，且兩種磁軛背之間有空隙。其中旋轉磁場磁軛端部水平布置在其磁軛背上，行波磁場磁軛端部豎直分布在其磁軛背上。旋轉磁場磁軛端部有4或6個兩種布置形式，行波磁場磁軛背有2、4或6個三種分布形式，行波磁場磁軛端部有3或4個兩种放置形式。複合形成的螺旋電磁攪拌器共有8種結構。以下，以4-2×4複合式螺旋電磁攪拌器做具體說明。

實施例1

如圖1、2所示，鑄坯1採用斷面尺寸為450mm×370mm的大方坯。複合式螺旋電磁攪拌器的磁軛組由兩種不同的獨立的磁軛複合形成。它們分別是旋轉磁場磁軛，行波磁場磁軛。磁軛組由導磁性好，矯頑力低，磁損耗低的取向矽鋼製成。

如圖3、4所示，旋轉磁場磁軛背5為薄壁圓筒形，內徑為1280mm，外徑為1360mm，高440mm。行波磁場磁軛背6為440mm×360mm×15mm的立方體，共2個，對稱分布在鑄坯1的兩側。旋轉磁場磁軛端部3共4個，其磁軛端面大小為440mm×360mm的矩形；該磁軛端部水平布置在其磁軛背上，且它們所在位置的中心的對角線夾角為60゜。行波磁場磁軛端部7共8個，垂直布置在其磁軛背上，每側4個。兩種磁軛端部均勻分布在鑄坯1外周，且兩種磁軛端部所在的位置的中心的夾角為60゜，磁軛的極性面均指向鑄坯1中心。所述線圈4採用銅導線或中空銅管繞制而成，如採用中空銅管，銅管內部可通入冷卻水，並以集中繞組方式均勻纏繞在兩種磁軛上，線圈匝數固定為100匝。兩種磁軛背之間有25mm的間隙。線圈4通交流電流後，能產生旋轉磁場和行波磁場，複合形成螺旋磁場。

本例中，電源採用一套兩相交流電供給，每相繞組間相位角相差90゜；電源頻率為3hz,電流大小為400a，採用兩相四極方式施加載荷。

不加行波磁場磁軛作用下的鑄坯z＝0橫截面處流場分布情況，如圖19所示。金屬熔體在橫截面處作旋轉運動，通交流電以後，感應磁場與感應電流相互作用產生電磁力，該力驅使金屬熔體做旋轉運動。

不加行波磁場磁軛作用下的鑄坯x＝0縱截面處流線分布情況，如圖20所示：金屬熔體在縱截面上呈現上下對稱的四個環流運動，這是旋轉電磁攪拌下二次流的作用。

實施例2

本例與實施例1的施加載荷方式和大小，採用電源方式相同，不同的是增加了行波磁場磁軛，且保證豎直攪拌方向異向。4-2×4複合式螺旋電磁攪拌器作用下的鑄坯z＝0縱截面處流線分布情況，如圖21所示：金屬熔體在橫截面處作旋轉運動，通交流電以後，感應磁場與感應電流相互作用產生螺旋電磁力，螺旋電磁力分解為水平和豎直方向的力，水平力驅使金屬熔體做旋轉運動。

如圖22所示，金屬熔體在縱截面上呈現上下四個環流運動，其中上下各有一個較強的環流流動起主導作用，該流動強度相對於旋轉電磁攪拌作用下縱截面的環流較強。異向的豎直的攪拌力驅使金屬熔體在縱截面做大範圍的環流。這有利於軸向上的傳熱和傳質。

實施例3

本例相對於實施例2，保證豎直攪拌方向同上。如圖23所示,金屬熔體同樣在縱截面上呈現上下四個環流流動，但相對於鑄坯下部的流動，上部的流動強度強大。這是由於同向的豎直向上的攪拌力加強了鑄坯上部金屬熔體的流動，金屬熔體沿壁面上升，到達頂部後沿鑄坯中心向下流動。

實施例4

本例相對於實施例3，保證豎直攪拌方向同下。如圖24所示,金屬熔體在縱截面上的流動方式與實例3恰恰相反，鑄坯下部的流動相對於上部的流動強度較大。這是由於同向的豎直向下的攪拌力加強了鑄坯下部金屬熔體的流動。鑄坯上部的金屬熔體沿壁面上升，由於液體連續性和壓力差的作用，金屬熔體在頂部沿鑄坯中心向下流動，導致液面向下凹陷。如圖26所示，施加同向的豎直向下的攪拌力後，向下的力驅使部分金屬熔體沿壁面向下運動，然後沿鑄坯中心向上回流，向上的回流與部分向下流動熔體碰撞，減緩液面凹陷程度，能抑制液面波動。

實施例5

如圖25所示，採用4-2×4複合式螺旋電磁攪拌器作用下，金屬熔體在鑄坯內部做螺旋運動。

實施例6

本例與實施例2採用的結構相同，不同的是採用兩套兩相電源供給。每相繞組間相位角相差90゜；電源頻率為3hz，採用兩相四極方式施加載荷，纏繞在旋轉磁場磁軛組上的線圈內通入電流大小為400a，纏繞在行波磁場磁軛組上的線圈內通入電流大小為500a。

如圖27所示，採用兩套電源時，保持旋轉磁場磁軛組上的線圈內電流不變，增加了行波磁場磁軛組上的線圈內的電流，發現水平方向的力基本沒有改變，豎直方向的力明顯增加，這說明，使用兩套電源時，可以有目的性的增加軸向力的大小。

因此，在需要軸向力較大的情況時，使用兩套電源較為合適；同時證明，對比使用一套電源的此類裝置，本發明具備能提供較大的軸向力的優勢。且可以根據具體情況做出相應選擇；增加了使用的靈活性。進行電磁攪拌時，通過交換兩相電源中兩相的位置可以改變水平方向和垂直方向電磁力的方向，從而實現可控制的螺旋電磁攪拌。

本發明提供的複合式螺旋電磁攪拌器應用範圍廣，可應用於金屬連鑄、半固態鑄造和定向凝固領域。其中在金屬連鑄過程中，可用於結晶器、二冷區和凝固末端的電磁攪拌。本發明結構緊湊，控制靈活，性能穩定，對比傳統此類裝置，又能提供較大的周向力，以供所需。

對於斷面尺寸較大的鑄坯，由於凝固過程中凝固收縮量較大，容易出現中心疏鬆，中心縮孔，中心偏析等質量問題，此時，需要提供較大範圍內的強制均勻攪拌來改善鑄坯質量問題。本裝置不僅可提供水平方向的較大攪拌力，還能提供垂直方向上較大的攪拌力，因此本裝置有更大空間的使用性。

使用一套電源時，單純的提高電流強度和頻率，水平和垂直方向上的電磁力都會增加，可能會和某些情況需要的攪拌效果不相符。本裝置能提供可控制的軸向力，因此對於抑制液面波動的研究方向也具有優勢。

以上所述的具體實例，僅僅是對本發明的目的，技術方案，實施方式進行描述，並非對本發明進行限定，因此，本領域的技術人員對本發明做出的各種修改或者變型，均落在本發明的權利要求的範圍內。