[发明专利]螺旋电磁搅拌装置

说明书

技术领域

本发明属于电磁铸造和材料电磁加工成型领域，尤其涉及金属连铸、半固态铸造和定向凝固过程用螺旋磁场电磁搅拌装置。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，各行各业对材料的性能提出了更高的要求，这就促使人们不断开发新材料以及传统材料的新型工艺研究。电磁场是自然界中重要的物理场之一，具有许多热电技术无法比拟的优点，最显著的特点是其可传递热能和动能给金属熔体，且熔体和磁场发生器之间不接触，因而对金属熔体没有污染。电磁搅拌是无污染控制流体流动、改善铸锭组织的一种有效方法。旋转磁场(RMF)在改善熔体周向温度分布，细化铸坯凝固组织方面起到非常关键的作用，目前已经被深入研究和广泛应用于连铸、半固态铸造及定向凝固等过程中。但其对促进熔体径向和轴向的传热传质方面不如行波磁场。行波磁场在控制和调节熔体在垂直方向的流动，促进熔体径向对流和降低径向温度梯度等方面有着无可替代的优势。从目前的应用及发展看，单一的旋转磁场或行波磁场的应用已经不能满足人们对产品质量越来越高的要求。因而，将两种搅拌磁场的优势互补，实现螺旋搅动已经是大家追求的目标。螺旋电磁搅动对于控制熔体流动，减少夹杂物含量，细化晶粒，缓解溶质偏析等方面将起到重要作用。

有人曾提出了旋转磁场加行波磁场的复合搅拌方式，这种搅拌可归纳为旋转和行波磁场内外叠加、旋转磁场上下堆叠及行波磁场周向并列三种方式。该方法的优点是可以在熔体中同时产生周向和径向的搅拌，综合为螺旋搅拌。通过此种搅拌方法，不仅可以均衡周向的温度和溶质分布，同时在径向产生的环流也会减小熔体中间和边部的温度差，减小偏析，促近等轴晶的形成，进而可以减少热裂和宏观偏析，提高产品的质量。这些研究思路体现在申请号CN87104014A、CN86104510的中国发明专利申请案中，以及申请号CN87204232和公告号CN201476606U的中国实用新型专利申请案中。这些专利中相关的设备可以归结为内外叠放式、上下堆叠式和周向并列式三种结构。但这三种结构的组合搅拌都是多组绕组，在实际应用都有不便之处。首先是当将两套装置内外叠放在一起或者多套装置上下堆叠或周向并列时，整个设备的尺寸和重量增加了，相应的设备的结构变得复杂，制造成本也增加了。其次，对于内外叠放的螺旋磁场发生器，由于距离的原因，外层装置对熔体的搅拌效果会明显降低，同时内层装置对熔体的屏蔽效应以及两套电磁感应装置的相互影响也不能忽略。第三，对于多套装置堆叠或并列组合的螺旋磁场发生器，电磁力的大小和电磁转换效率的高低与磁轭的结构、线圈的布置均有很大关系。将多个旋转磁场发生器上下堆叠在一起，根据电磁流体力学原理，会在金属熔体中产生垂直方向的行波力，但受到垂直截面上的磁轭排列数目和磁轭背部连续性的影响，该力的大小将远远小于周向的旋转力，因而螺旋搅拌效果会受限。同样，用行波磁场周向并列形成的螺旋搅拌，在周向的旋转力会远低于周向行波力，这都不利于产生有效的螺旋搅拌。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明所要解决的技术问题是提供一种简单、高效的螺旋电磁搅拌装置，实现金属熔体充分搅拌。

本发明为了实现上述目的，本发明的技术方案是：该螺旋电磁搅拌装置包括电磁感应系统、供电系统、冷却系统和箱体，电磁感应系统由磁轭组和套在磁轭组上的线圈组成，其特征在于：磁轭组由磁轭背和与磁轭背连接的若干个磁轭端面组成，磁轭端面沿所在平面相对于磁轭背倾斜设置。

磁轭端面倾斜角度相对于垂直方向可选-70°～70°。

每个磁轭端面间缝隙可在1～1000mm。

利用螺旋电磁场(SMF)对金属熔体进行搅拌，可以提高铸坯等轴晶率10％～20％以上，降低甚至消除铸坯中部缩孔、缩松，减少偏析。因通过仅改变磁轭的结构，就可以实现螺旋搅拌，且新型的SMF搅拌发生器所占用的空间和接线方式与传统的RMF搅拌器没有差别，设备生产成本与传统旋转磁场搅拌器的成本相当，远低于复合式螺旋磁场搅拌器，所以适合取代传统的旋转磁场和行波磁场搅拌器。

附图说明

图1为传统旋转磁场电磁感应系统示意图；

图2为本发明螺旋电磁搅拌装置电磁感应系统示意图；

图3为实施例1螺旋电磁搅拌装置正视图；

图4为实施例1螺旋电磁搅拌装置俯视图；

图5为实施例2螺旋电磁搅拌装置正视图；

图6为实施例2螺旋电磁搅拌装置俯视图；

图7为本发明螺旋电磁搅拌装置电磁力扭转原理示意图；

图8为不同条件时铝合金的凝固微观组织；