一種內置式電磁攪拌裝置及其使用方法
2023-09-20 03:41:10
專利名稱：一種內置式電磁攪拌裝置及其使用方法
技術領域：
本發明涉及電磁攪拌方法及裝置，具體而言為涉及一種置於結晶器內熔體中的內置式電磁攪拌裝置及其方法。
背景技術：
由於電磁攪拌能顯著改善鑄坯質量，世界各國對其最佳工藝、設計以及作用機理和潛力進行了廣泛研究，並開發了一系列電磁攪拌新技術、新裝備。連鑄電磁攪拌技術的應用促進了高效優質連鑄技術的進步，是20世紀60年代以來連鑄技術和電磁冶金技術最重要的進展之一。連鑄電磁攪拌的實質是藉助在鑄坯液相穴內感生的電磁力強化液相穴內鋼液的運動，由此強化鋼液的對流、傳熱和傳質過程，產生抑制柱狀晶發展，促進成分均勻、夾雜物上浮、顆粒細化及均勻分布的熱力學和動力學條件，進而控制鑄坯凝固組織，改善鑄坯質量。電磁攪拌按線圈產生磁場的形式可分為旋轉磁場型、行波磁場型、螺旋磁場型。根據電磁場迭加原理可知，螺旋磁場實質性就是旋轉磁場與行波磁場的迭加。電磁攪拌器按應用領域可分為連鑄過程中的電磁攪拌器，熔煉爐、鋼包中的電磁攪拌器。電磁攪拌器的工作原理是運動的導電鋼水與磁場相互作用產生感應電流，載流鋼水與磁場相互作用產生電磁力。電磁力作用在鋼水每個體積元上，從而驅動鋼水流動，進而改善鋼水凝固過程中的流動、傳熱和遷移過程，達到改善鑄坯質量的目的。結晶器電磁攪拌器是目前各種連鑄機都使用的裝置，由於它對改善鑄坯的表面質量、細化晶粒和減少鑄坯內部夾雜和中心疏鬆有著顯著的作用，所以被特別推崇選用。它一般安裝在結晶器內的下部，以便不影響液面測量裝置的使用。結晶器內鋼液攪拌主要形式有水平旋轉磁場攪拌和垂直的由下而上的行波磁場攪拌。水平旋轉磁場攪拌多用於方坯和圓坯，行波磁場攪拌多用於板坯和寬厚比較大的矩形坯。結晶器電磁攪拌可以減少表面夾雜、皮下氣孔和針孔等缺陷，還能促進大量等軸晶的生成。但是，由於結晶器壁有良好的導熱和導電性，使攪拌器產生的磁場衰減嚴重，從而使得電能利用率較低。為了解決這一問題，通常採用彌散硬化的銅合金做結晶器壁並且採用低頻供電。電磁攪拌對連鑄坯宏觀組織有重要影響，主要包括1)改變柱狀晶的生長方向，在柱狀晶生長過程中對液相施加電磁攪拌，則柱狀晶會改變生長方向，轉向迎流一側傾斜；2) 促進柱狀晶向等軸晶轉變。3)細化宏觀組織，電磁攪拌具有明顯的細化晶粒的作用，不論晶體的生長方式是柱狀晶還是等軸晶，電磁攪拌都可以使其細化，並且在整個界面上晶粒細小、均勻。電磁攪拌從以下幾個方面改善鑄坯質量1)使結晶器內鋼液的流動裝提案有利於非金屬夾雜物及氣泡的上浮，降低鑄坯內氣泡及夾雜物的含量；2)抑制彎月面處鋼水的波動，防止保護渣等外界雜誌質捲入結晶器鋼液內和鋼液的裸露造成的鋼液吸氣和二次氧化；3)降低鋼水的過熱度，均勻液相穴內溫度場，防止液面溫度過高或過低帶來的卷渣、結殼等現象的發生，有利於減少裂紋，提高鑄坯的純淨度；4)加強液相穴內鋼水的對流運動， 有利於打碎柱狀晶，形成等軸晶，提高鑄坯的等軸晶率，減少中心偏析、中心疏鬆和縮孔、改善鑄坯的凝固組織；5)減輕鋼液對初生凝固殼的衝刷，降低產生裂紋和拉漏的可能性，從而有利於實現快速連鑄。當前，連鑄電磁攪拌尚存在以下問題1)能量利用率低。在電磁攪拌技術的應用中，除了攪拌器的結構及其附屬設備都比較複雜、價格高、投資較大以外，最大的問題是能量利用率低。因為在連鑄電磁攪拌的情況下，氣隙較大，再加上鋼液在高溫下電阻較大，保護繞組的結晶器不鏽鋼箱體和坯殼對電磁能的衰減也有一定的影響，尤其在採用結晶器內電磁攪拌的情況下，雖然銅壁有較高的導電性，但它是抗磁物質，對磁力線有很大的屏蔽作用，使得能量的利用率很低，而提高能量的利用率則涉及到攪拌器箱體和結晶器等的選材、 設計等問題。因此，如何尋找導磁能力強而導熱性又好的材料取代銅，以及如何設計能量可以得到有效利用的攪拌器，都是值得深入研究和探討的問題。2)難以適應多流鑄造條件。 鋁及鋁合金連鑄過程中，當需要鑄造大截面鋁錠時，往往遇到徑向截面組織不均勻的情況。 但是，鋁合金鑄造往往採用半連續鑄造，為了提高生產效率通常採用多流形式，沒有足夠的空間安裝目前鋼材連鑄採用的電磁攪拌結晶器。因此，如何在多流鑄造條件提供有效的電磁攪拌成為大截面鋁錠生產需要解決的重要問題。從前述的分析可以看出，鋁錠多流鑄造對電磁攪拌裝置的主要要求有1)攪拌器所佔空間小；2)電磁能量利用率高；3)使用和維護方便。
發明內容
本發明提出一種適合鋁合金多流半連鑄過程的內置式電磁攪拌方法及裝置，其原理是採用水冷銅線圈製作電磁攪拌器，採用水平旋轉磁場攪拌形式，並用耐火陶瓷保護套防止鋁合金熔體的侵蝕，由於電磁攪拌器放置在多流鑄錠模內鋁合金熔體中，其電磁能量將充分作用在鋁合金熔體上，有效提高電磁攪拌作用，從而使鋁合金鑄錠獲得截面均勻的組織。具體而言為一種內置式電磁攪拌裝置，用於鋁合金多流半連鑄鑄造，所述裝置包括能水平移動的支架、安裝在支架上的導杆、固定在支架上的電動機和電磁攪拌裝置；電動機的輸出軸與導杆相連從而控制導杆的上下移動，電磁攪拌裝置固定在導杆下方，電磁攪拌裝置包括耐熱陶瓷保護管和內置於耐熱陶瓷保護管中的電磁攪拌器，耐熱陶瓷保護管的底部鋪氧化鋁陶瓷顆粒或鎂砂層從而避免攪拌繞組對陶瓷保護管底部的衝擊，電磁攪拌器是由水冷純銅管繞制的線圈構成，銅管之間通過絕緣漆和絕緣布隔離。所述的電磁攪拌器，是指由水冷純銅管繞制的線圈，銅管內徑5 15mm，外徑 8 20mm，繞製成的線圈外緣直徑100 200讓，高10(Tl50mm。所述的耐熱陶瓷保護管，是指採用氧化鋁陶瓷製作的保護管，氧化鋁陶瓷採用納米Al2O3增韌，其內徑120 220讓，外徑140 250讓，高200 250讓，
所述的氧化鋁陶瓷顆粒或鎂砂層，其粒徑為10(Γ500μπι，厚度為5 10mm。所述的電磁攪拌裝置固定在導杆下方，指通過固定套將水冷電磁攪拌線圈的上端固定在導杆上，通過緊固環將耐熱陶瓷保護管的上端固定在導杆上。所述的一種內置式電磁攪拌裝置的使用方法，其特徵在於將電磁攪拌裝置置於多流鑄錠模的鑄錠孔中的鋁熔體中，通過支架的水平移動使得電磁攪拌裝置位於鋁熔體的中部，通過電動機控制導杆的上下移動使得電磁攪拌裝置的上端高出鋁熔體的液面，控制電磁攪拌的磁場頻率和強度，開始電磁攪拌，邊攪拌邊澆注鑄錠，當鑄錠澆注到指定長度後，將電磁攪拌器從多流鑄錠模中取出，冷卻後待用。所述的電磁攪拌的磁場為0. 3^3. OHz的水平旋轉磁場，攪拌過程中攪拌電流控制在 100 300A。所述的通過電動機控制導杆的上下移動使得電磁攪拌裝置的上端高出鋁熔體的液面，是指將採用耐熱陶瓷保護套保護的電磁攪拌器放置到多流鑄錠模的鑄錠孔中的鋁熔體中，且保證耐熱陶瓷保護套上端高出鋁合金熔體的液面l(Tl5mm。由於水冷線圈不直接與鋁熔體接觸，有效避免了電磁攪拌器對鋁熔體的汙染，同時，本發明提出的方法還具有如下優勢
1、適應性強，可以靈活配置使用；
2、結構緊湊，使用所需要的空間小，安裝方便；
3、電磁效率高，由於電磁攪拌器完全在鋁熔體中，除了讓熔體產生攪拌作用外，其餘能量較直接傳遞給熔體，因此能量的使用效率較高。
圖1為內置式電磁攪拌裝置在多流鑄錠模中的使用狀態示意圖，其中1為電動機， 2為導杆，3為支架，4為電磁攪拌裝置，5為鋁熔體，6為鋁鑄錠，7為多流鑄錠模，8為鑄錠孔；
圖2為電磁攪拌裝置結構示意圖，其中9為水冷線圈，10為緊固環，11為耐熱陶瓷保護管，12為氧化鋁陶瓷顆粒層；
圖3為電磁攪拌裝置在導杆上固定的結構示意圖，其中9為水冷線圈，10為緊固環，11 為耐熱陶瓷保護管，13為固定套，2為導杆；
圖4為未加電磁攪拌的半連鑄A356合金鑄錠顯微組織，其中a)為距鑄錠外表面5mm 處，b)為鑄錠中心部位；
圖5為通過內置式電磁攪拌方法處理的半連鑄A356合金鑄錠顯微組織，其中a)為距鑄錠外表面5mm處，b)為鑄錠中心部位。
具體實施例方式本發明可以根據以下實例實施，但不限於以下實例，在本發明中所使用的術語，除非有另外說明，一般具有本領域普通技術人員通常理解的含義，應理解，這些實施例只是為了舉例說明本發明，而非以任何方式限制本發明的範圍，在以下的實施例中，未詳細描述的各種過程和方法是本領域中公知的常規方法。實施例1
欲採用半連續鑄造方式生產直徑200mm的A356合金鑄錠，具體為採用水冷銅線圈製作水平旋轉磁場電磁攪拌器，形成頻率為0. 3Hz的水平旋轉磁場，銅管通過絕緣漆和絕緣布隔離，銅管內徑5mm，外徑8mm，繞製成外緣直徑100mm，高IOOmm的線圈，用耐熱氧化鋁陶瓷保護套對電磁攪拌器保護，氧化鋁陶瓷保護套採用納米Al2O3增韌，其內徑120mm，外徑 140mm，高200mm，使用過程中，在陶瓷保護管的底部鋪粒徑為100 μ m的氧化鋁陶瓷顆粒， 厚度為5mm，電磁攪拌器和耐熱陶瓷保護套均固定在多流鑄錠孔上方的導杆上，導杆則與鑄錠模上方的支架連接，通過電動機控制導杆的上下移動和支架的水平移動，並控制電磁攪拌的頻率、強度，其中，支架是架設在多流鑄錠模架上方的框架結構，其上對應於每個鑄錠孔有一個導杆，用於固定內置式電磁攪拌器，導杆在電動機驅動下可以帶動內置式電磁攪拌器上下運動，可以方便地實現支架上任一個或多個指定導杆的上下運動；A356合金熔體由分流槽引入，溫度約為690°C，澆注開始後，將採用耐熱陶瓷保護套保護的電磁攪拌器放置在多流鑄錠模鑄錠孔內鋁合金熔體中，耐熱陶瓷保護套上口高出鋁合金熔體最高液面 10mm，開始電磁攪拌，攪拌電流為100A，邊攪拌邊澆注；鑄錠澆注到指定長度後，將電磁攪拌器從鑄錠孔中取出，冷卻後待用。圖1為內置式電磁攪拌裝置在多流鑄錠模中的使用狀態示意圖，圖2為電磁攪拌裝置結構示意圖。由這兩個圖可以清晰地了解內置式電磁攪拌裝置的工作狀態和結構。圖3為電磁攪拌裝置在導杆上固定的結構示意圖，從該圖可以看出水冷線圈和耐熱陶瓷保護管均被固定在導杆下端。圖4為未加電磁攪拌的半連鑄A356合金鑄錠鑄錠外表面及中心部位的顯微組織， 圖5為通過內置式電磁攪拌方法處理的半連鑄A356合金鑄錠顯微組織，從圖4、圖5的對比中可以發現，採用本發明提出的內置電磁攪拌方法可以使半連鑄A356合金鑄錠鑄錠徑向斷面組織更加細小、不同部分更加均勻。實施例2
欲採用半連續鑄造方式生產直徑200mm的6061合金鑄錠，採用水冷銅線圈製作水平旋轉磁場電磁攪拌器，形成頻率為0. 8Hz的水平旋轉磁場，銅管通過絕緣漆和絕緣布隔離，銅管內徑5mm，外徑8mm，繞製成外緣直徑100mm，高IOOmm的線圈，用耐熱氧化鋁陶瓷保護套對電磁攪拌器保護，氧化鋁陶瓷保護套採用納米Al2O3增韌，其內徑120mm，外徑140mm，高 200mm，使用過程中，在陶瓷保護管的底部鋪粒徑為200 μ m的氧化鋁陶瓷顆粒，厚度為6mm， 電磁攪拌器和耐熱陶瓷保護套均固定在多流鑄錠孔上方的導杆上，導杆則與鑄錠模上方的支架連接，通過電動機控制導杆的上下移動，並控制電磁攪拌的頻率、強度，其中，支架是架設在多流鑄錠模架上方的框架結構，其上對應於每個鑄錠孔有一個導杆，用於固定內置式電磁攪拌器，導杆在電動機驅動下可以帶動內置式電磁攪拌器上下運動，可以方便地實現支架上任一個或多個指定導杆的上下運動；6061合金熔體由分流槽引入，溫度約為685°C， 澆注開始後，將採用耐熱陶瓷保護套保護的電磁攪拌器放置在多流鑄錠模鑄錠孔內鋁合金熔體中，耐熱陶瓷保護套上口高出鋁合金熔體最高液面12mm，開始電磁攪拌，攪拌電流為 180A,邊攪拌邊澆注；鑄錠澆注到指定長度後，將電磁攪拌器從鑄錠孔中取出，冷卻後待用。對比未加電磁攪拌與通過內置式電磁攪拌方法處理的合金鑄錠顯微組織，可以發現，採用本發明提出的內置電磁攪拌方法可以使半連鑄6061合金鑄錠鑄錠徑向斷面組織更加細小、不同部分更加均勻。實施例3
欲採用半連續鑄造方式生產直徑250mm的A356合金鑄錠，採用水冷銅線圈製作水平旋轉磁場電磁攪拌器，形成頻率為1. 5Hz的水平旋轉磁場，銅管通過絕緣漆和絕緣布隔離，銅管內徑10mm，外徑14mm，繞製成外緣直徑150mm，高130mm的線圈，用耐熱氧化鋁陶瓷保護套對電磁攪拌器保護，氧化鋁陶瓷保護套採用納米Al2O3增韌，其內徑180mm，外徑210mm，高 250mm,使用過程中，在陶瓷保護管的底部鋪粒徑為400 μ m的鎂砂顆粒，厚度為10mm，電磁攪拌器和耐熱陶瓷保護套均固定在多流鑄錠孔上方的導杆上，導杆則與鑄錠模上方的支架連接，通過電動機控制導杆的上下移動，並控制電磁攪拌的頻率、強度，其中，支架是架設在多流鑄錠模架上方的框架結構，其上對應於每個鑄錠孔有一個導杆，用於固定內置式電磁攪拌器，導杆在電動機驅動下可以帶動內置式電磁攪拌器上下運動，可以方便地實現支架上任一個或多個指定導杆的上下運動，A356合金熔體由分流槽引入，溫度約為690°C，澆注開始後，將採用耐熱陶瓷保護套保護的電磁攪拌器放置在多流鑄錠模鑄錠孔內鋁合金熔體中，耐熱陶瓷保護套上口高出鋁合金熔體最高液面15mm，開始電磁攪拌，攪拌電流為220A， 邊攪拌邊澆注；鑄錠澆注到指定長度後，將電磁攪拌器從鑄錠孔中取出，冷卻後待用。對比未加電磁攪拌與通過內置式電磁攪拌方法處理的合金鑄錠顯微組織，可以發現，採用本發明提出的內置電磁攪拌方法可以使半連鑄A356合金鑄錠鑄錠徑向斷面組織更加細小、不同部分更加均勻。實施例4
欲採用半連續鑄造方式生產直徑300mm的20M合金鑄錠，採用水冷銅線圈製作水平旋轉磁場電磁攪拌器，形成頻率為3Hz的水平旋轉磁場，銅管通過絕緣漆和絕緣布隔離，銅管內徑15mm，外徑20mm，繞製成外緣直徑200mm，高150mm的線圈，用耐熱氧化鋁陶瓷保護套對電磁攪拌器保護，氧化鋁陶瓷保護套採用納米Al2O3增韌，其內徑220mm，外徑250mm，高 250mm,使用過程中，在陶瓷保護管的底部鋪粒徑為300 μ m的鎂砂顆粒，厚度為10mm，電磁攪拌器和耐熱陶瓷保護套均固定在多流鑄錠孔上方的導杆上，導杆則與鑄錠模上方的支架連接，通過電動機控制導杆的上下移動，並控制電磁攪拌的頻率、強度，其中，支架是架設在多流鑄錠模架上方的框架結構，其上對應於每個鑄錠孔有一個導杆，用於固定內置式電磁攪拌器，導杆在電動機驅動下可以帶動內置式電磁攪拌器上下運動，可以方便地實現支架上任一個或多個指定導杆的上下運動；20M合金熔體由分流槽引入，溫度約為680°C，澆注開始後，將採用耐熱陶瓷保護套保護的電磁攪拌器放置在多流鑄錠模鑄錠孔內鋁合金熔體中，耐熱陶瓷保護套上口高出鋁合金熔體最高液面15mm，開始電磁攪拌，攪拌電流為300A， 邊攪拌邊澆注；鑄錠澆注到指定長度後，將電磁攪拌器從鑄錠孔中取出，冷卻後待用。對比未加電磁攪拌與通過內置式電磁攪拌方法處理的合金鑄錠顯微組織，可以發現，採用本發明提出的內置電磁攪拌方法可以使半連鑄20M合金鑄錠鑄錠徑向斷面組織更加細小、不同部分更加均勻。
權利要求
1.一種內置式電磁攪拌裝置，用於鋁合金多流半連鑄鑄造，所述裝置包括能水平移動的支架、安裝在支架上的導杆、固定在支架上的電動機和電磁攪拌裝置；電動機的輸出軸與導杆相連從而控制導杆的上下移動，電磁攪拌裝置固定在導杆下方，電磁攪拌裝置包括耐熱陶瓷保護管和內置於耐熱陶瓷保護管中的電磁攪拌器，耐熱陶瓷保護管的底部鋪氧化鋁陶瓷顆粒或鎂砂層從而避免攪拌繞組對陶瓷保護管底部的衝擊，電磁攪拌器是由水冷純銅管繞制的線圈構成，銅管之間通過絕緣漆和絕緣布隔離。
2.如權利要求1所述的一種內置式電磁攪拌裝置，其特徵在於所述的電磁攪拌器是指由水冷純銅管繞制的線圈，銅管內徑5 15mm，外徑纊20mm，繞製成的線圈外緣直徑 100 200讓，高 100 150mm。
3.如權利要求1所述的一種內置式電磁攪拌裝置，其特徵在於所述的耐熱陶瓷保護管，是指採用氧化鋁陶瓷製作的保護管，氧化鋁陶瓷採用納米Al2O3增韌，其內徑 120 220mm，外徑 14(T250mm，高 20(T250mm，如權利要求1所述的一種內置式電磁攪拌裝置，其特徵在於所述的氧化鋁陶瓷顆粒或鎂砂層，其粒徑為10(Γ500μπι，厚度為5 10mm。
4.如權利要求1所述的一種內置式電磁攪拌裝置，其特徵在於所述的電磁攪拌裝置固定在導杆下方，指通過固定套將水冷電磁攪拌線圈的上端固定在導杆上，通過緊固環將耐熱陶瓷保護管的上端固定在導杆上。
5.如權利要求1所述的一種內置式電磁攪拌裝置的使用方法，其特徵在於將電磁攪拌裝置置於多流鑄錠模的鑄錠孔中的鋁熔體中，通過支架的水平移動使得電磁攪拌裝置位於鋁熔體的中部，通過電動機控制導杆的上下移動使得電磁攪拌裝置的上端高出鋁熔體的液面，控制電磁攪拌的磁場頻率和強度，開始電磁攪拌，邊攪拌邊澆注鑄錠，當鑄錠澆注到指定長度後，將電磁攪拌器從多流鑄錠模中取出，冷卻後待用。
6.如權利要求6所述的一種內置式電磁攪拌裝置的使用方法，其特徵在於所述的電磁攪拌的磁場為0. 3^3. OHz的水平旋轉磁場，攪拌過程中攪拌電流控制在10(Γ300Α。
7.如權利要求6所述的一種內置式電磁攪拌裝置的使用方法，其特徵在於所述的通過電動機控制導杆的上下移動使得電磁攪拌裝置的上端高出鋁熔體的液面，是指將採用耐熱陶瓷保護套保護的電磁攪拌器放置到多流鑄錠模的鑄錠孔中的鋁熔體中，且保證耐熱陶瓷保護套上端高出鋁合金熔體的液面l(Tl5mm。
全文摘要
本發明涉及電磁攪拌方法及裝置，具體而言為涉及一種置於結晶器內熔體中的內置式電磁攪拌裝置及其方法。採用水冷銅線圈製作水平旋轉磁場電磁攪拌器，並用耐熱陶瓷保護套保護，電磁攪拌器和耐熱陶瓷保護套均固定在多流鑄錠模鑄錠孔上方的導杆上，導杆則與鑄錠模上方可水平移動的支架連接，通過安裝在支架上的電動機控制導杆的上下移動，並控制電磁攪拌的頻率、強度，澆注開始後，將採用耐熱陶瓷保護套保護的電磁攪拌器放置在多流鑄錠模內鋁合金熔體中，開始電磁攪拌，邊攪拌邊澆注鑄錠，當鑄錠澆注到指定長度後，將電磁攪拌器從多流鑄錠模中取出，冷卻後待用。該裝置適應性強，結構緊湊，安裝方便，電磁效率高。
文檔編號B22D11/115GK102398005SQ20111036803
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者張振亞, 張松利, 趙玉濤, 陳剛 申請人:江蘇大學