[发明专利]电磁铸造用复合电磁感应器

说明书

本发明涉及到电磁铸造、铸冶过程中的感应熔炼、电磁搅拌和热处理的感应加热技术，属于热加工领域。

电磁铸造简称EMC(Electromagnetic Casting)，是由前苏联学者Getselev于60年代发明的无模半连续铸造技术。其原理是以电磁感应器取代结晶器，当感应器中通入交变电流时，产生交变电磁场，磁场作用于液体金属形成感应电流与相互作用，产生向内的电磁力约束液体金属形成半悬浮柱体。在电磁感应器的下方喷水冷却，上方充填液体金属，由于铸机拖动底模以一定速度下降，形成连续铸造过程。EMC法与普通连续铸造(DC法)相比，具有极大的优点：①由于电磁铸造中液态金属在电磁力的约束下成型，不与结晶器相接触，所以，液体金属在自由表面的状态下水冷强迫凝固，铸锭的表面光洁度可达₇～₈，这就消除了DC法所固有的拉、划伤缺陷，因此，在进一步加工前可以不铣面或少铣面，而采用DC法生产的铸锭则要铣面5～15mm，这就减少了工序，大大降低了能源和原材料的消耗，②由于EMC存在电磁搅拌作用，所以，铸锭的内部组织致密、均匀，机械性能大幅度提高，③由于无模铸造，所以取消了复杂的振动和润滑系统，减少了设备投资，简化了工艺，使电磁铸造有着极大的经济意义。

电磁铸造技术，最早应用于铝及铝合金的生产中，其以美国、德国和瑞士等的技术最为先进。每年用EMC法生产的铝合金在200万吨以上，这显示了取代DC法的强劲势头。

有色金属这种电磁铸造技术，能否应用于钢的电磁铸造，这已成为人们所关注的焦点，但迄今为止尚无实用的钢电磁铸造技术的报导。这是由于钢EMC的难点在于：①密度大，约是铝的3倍，需很高的电磁压力成型，②电导率低，仅为铝的1/6，而且，透入深度大，在相同的电源参数下，钢液表面形成的感应电流密度小，电磁推力也小。因此，若采用现行的电磁感应器需要很高的电流。例如，仅从密度的角度考虑，形成50mm高的金属液柱，铝需要54mT的磁通密度，而钢则为92mT，约是铝的1.7倍。如果综合电磁率等其他因素，可推知钢约需4.4倍以上于铝EMC的感应器电流，即20000A左右，能耗巨大。俄罗斯学者Лещкoв.в.Л采用150～250KW的电源制造出Φ300mm的圆坯，能耗接近铝的10倍，这在实际生产中是难以接受的。综合评估后，许多学者认为钢的电磁铸造毫无价值，因此，遂将精力集中于冷坩埚法的研究上。冷坩埚法即是在普通连铸结晶器上均匀切割数条微小缝隙(一般为0.1mm)，外侧放置感应线圈，施加高频电磁场，结晶器内产生涡电流将在钢液表面产生向内的电磁推力，使钢坯与结晶器壁实现“软接触”，同时高频磁场的振动抵消了机械振动的影响，从而改善了连铸钢坯表面质量。但是，这种方法能耗大、表面质的改善也并不十分明显，因此，将EMC技术应用于钢的生产，是一个难题，已成为人们急需解决的关键问题。

现有电磁铸造技术存在能耗大的基本原因在于：现行的电磁感应器为单匝线圈，工业上主要为圆断面或矩形断面的电磁成型方法，线圈为紫铜的矩形管或紫铜带。系统的磁回路由液体金属、空气和绝缘的非磁性材料构成，由磁路的欧姆定律可知，磁通密度Φ与线圈匝数N，感应器电流I和回路磁阻R_m的关系为： Φ = ΝΙ R m , ]]>而 R m = 1 μs ]]>

式中：1为磁路平均长度，μ为磁导率，s为磁路截面积。而在高温下，液体金属的磁导率接近于真空的磁导率(μ₀＝4π×10^-7H/m)，因此，使感应器一铸锭所组成的整个回路的磁阻R_m很大，磁通密度Φ较小，故现有技术不能实现对钢的电磁铸造。