[发明专利]基于通电线圈螺旋磁场驱动金属熔体周期性流动的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于通电线圈螺旋磁场驱动金属熔体周期性流动的方法，属于冶金工业技术领域。

背景技术

采用电磁的办法控制金属液流动是电磁冶金一个重要的研究方向，例如电磁搅拌、电磁制动等技术。

目前，采三相交流电线圈可实现行波、旋转、螺旋磁场等磁场运动形式，其中螺旋磁场可通过行波和旋转磁场的叠加来实现。上述磁场驱动金属熔体的原理上是相同：金属液在运动磁场中在自身内部会产生感应电流，感应电流与磁场相互作用进而产生电磁体积力—洛仑兹力。洛仑兹力由于有着电磁设备和导电流体非直接接触、表现为体积力、在导电流体中有一定的渗透深度、力密度大、且对环境污染较小等诸多优点被广泛地应用在金属凝固组织控制、金属流体输运、对导电流体的显著热、质传输上。

电磁搅拌对改善金属凝固过程的微观偏析具有明显的作用，这已被大量实验室实验和工业实践所证实，例如晶粒细化技术。但对浓度偏析（或称成份偏析）的研究不是很深入。一般来说，由于施加行波磁场、旋转磁场或螺旋磁场，作用于金属凝固前沿的电磁力运动形式固定，熔质析出过程会以一种固定模式进行，使凝固前沿熔质的析出过程随时间变化很小，熔质以一种相对固定的形式析出，施加磁场不但不能改善浓度偏析，而且还有增大浓度偏析的趋势。

公开号为CN201558682U的中国专利申请中，公开了一种多模式磁场电磁搅拌器，其原理为：产生的旋转磁场的线圈组I（1）与产生行波磁场的线圈组II（2）经过空间合理的设计组合在一起，使旋转磁场与行波磁场在空间产生叠加效应，形成螺旋磁场。线圈的组合方式如图1所示，线圈包括垂直套在铁芯上的线圈组I（1）和相间水平环绕嵌在铁芯和芯齿槽内的线圈组II（2）。线圈I（如图1a所示)包括绕组A、B、C、D、E、F，其中绕组A、D串联为一相线圈，B、E串联为一相线圈，C、F串联为一相线圈三个同名端连成星点，三相线圈通三相正交流电，三相正交流电的频率为f_R；在其心部形成旋转磁场，驱动位于其心部的金属液（3）流动；线圈II（如图1b所示)包括绕组a、b、c、d、e、f，其中绕组a、d串联为一相线圈，b、e串联为一相线圈，c、f串联为一相线圈三个同名端连成星点，三相线圈通三相正交流电，三相正交流电的频率为f_T，在其心部形成行波磁场，驱动位于其心部的金属液（3）流动。其缺点是:虽然这样的电磁装置可实现旋转磁场、行波磁场、螺旋磁场，但产生的电磁力驱动金属液在金属液流动达到稳定状态时，流场不随时间变化，即流动模式没有变化，导致前述的改善冶金凝固浓度偏析效果不佳，有时甚至加重浓度偏析。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于通电线圈螺旋磁场驱动金属熔体周期性流动的方法，对已有技术的通电方式进行改进，以周期性变化的模式参数螺旋磁场，特定运动形式驱动、搅拌或分散金属熔体及其第二相，以达到控制金属凝固过程中的各种缺陷，改善金属凝固工艺的目的。

本发明提出的基于通电线圈螺旋磁场驱动金属熔体周期性流动的方法，包括以下步骤：

(1)制备一个螺旋磁场体，该螺旋磁场体由第一组线圈和第二组线圈在空间同轴叠加组装而成；所述的第一组线圈垂直套在铁芯上，第一组线圈包括绕组A、B、C、D、E和F，其中绕组A、D串联为一相线圈，B、E串联为一相线圈，C、F串联为一相线圈，三相线圈的同名端连成星点，使三相线圈接通三相正交流电，三相正交流电的频率为f_R，在第一组三相线圈的心部形成旋转磁场；所述的第二组线圈相间水平环绕嵌在铁芯的芯齿槽内，第二组线圈包括绕组a、b、c、d、e和f，其中绕组a、d串联为一相线圈，b、e串联为一相线圈，c、f串联为一相线圈，三相线圈的同名端连成星点，使三相线圈接通三相正交流电，三相正交流电的频率为f_T，在第二组三相线圈的心部形成行波磁场，所述的旋转磁场与所述的行波磁场在空间同轴叠加形成螺旋磁场；

（2）将金属熔体置于螺旋磁场体的空腔内，使螺旋磁场体以角速度ω旋转，并使旋转方向以周期p(＝1/f_m)交替变化，驱动金属熔体形成三维周期性螺旋流动。

本发明提出的基于通电线圈螺旋磁场驱动金属熔体周期性流动的方法，具有以下特点和优点：

（1）本发明方法形成的螺旋磁场，在空间和时间上改变了磁场的分布形态，有效地加强和改善金属熔体在凝固时的熔质再分配过程，使固、液凝固界面处与较远的熔质进行有效地对流，使熔质充分混合。在适当的换向频率下，尤其能改善由单一形态的行波、旋转或螺旋磁场所不能改善甚至加重的浓度偏析，包括隧道型偏析。