专利名称：一种内置式电磁搅拌装置及其使用方法
技术领域：
本发明涉及电磁搅拌方法及装置，具体而言为涉及一种置于结晶器内熔体中的内置式电磁搅拌装置及其方法。
背景技术：
由于电磁搅拌能显著改善铸坯质量，世界各国对其最佳工艺、设计以及作用机理和潜力进行了广泛研究，并开发了一系列电磁搅拌新技术、新装备。连铸电磁搅拌技术的应用促进了高效优质连铸技术的进步，是20世纪60年代以来连铸技术和电磁冶金技术最重要的进展之一。连铸电磁搅拌的实质是借助在铸坯液相穴内感生的电磁力强化液相穴内钢液的运动，由此强化钢液的对流、传热和传质过程，产生抑制柱状晶发展，促进成分均勻、夹杂物上浮、颗粒细化及均勻分布的热力学和动力学条件，进而控制铸坯凝固组织，改善铸坯质量。电磁搅拌按线圈产生磁场的形式可分为旋转磁场型、行波磁场型、螺旋磁场型。根据电磁场迭加原理可知，螺旋磁场实质性就是旋转磁场与行波磁场的迭加。电磁搅拌器按应用领域可分为连铸过程中的电磁搅拌器，熔炼炉、钢包中的电磁搅拌器。电磁搅拌器的工作原理是运动的导电钢水与磁场相互作用产生感应电流，载流钢水与磁场相互作用产生电磁力。电磁力作用在钢水每个体积元上，从而驱动钢水流动，进而改善钢水凝固过程中的流动、传热和迁移过程，达到改善铸坯质量的目的。结晶器电磁搅拌器是目前各种连铸机都使用的装置，由于它对改善铸坯的表面质量、细化晶粒和减少铸坯内部夹杂和中心疏松有着显著的作用，所以被特别推崇选用。它一般安装在结晶器内的下部，以便不影响液面测量装置的使用。结晶器内钢液搅拌主要形式有水平旋转磁场搅拌和垂直的由下而上的行波磁场搅拌。水平旋转磁场搅拌多用于方坯和圆坯，行波磁场搅拌多用于板坯和宽厚比较大的矩形坯。结晶器电磁搅拌可以减少表面夹杂、皮下气孔和针孔等缺陷，还能促进大量等轴晶的生成。但是，由于结晶器壁有良好的导热和导电性，使搅拌器产生的磁场衰减严重，从而使得电能利用率较低。为了解决这一问题，通常采用弥散硬化的铜合金做结晶器壁并且采用低频供电。电磁搅拌对连铸坯宏观组织有重要影响，主要包括1)改变柱状晶的生长方向，在柱状晶生长过程中对液相施加电磁搅拌，则柱状晶会改变生长方向，转向迎流一侧倾斜；2) 促进柱状晶向等轴晶转变。3)细化宏观组织，电磁搅拌具有明显的细化晶粒的作用，不论晶体的生长方式是柱状晶还是等轴晶，电磁搅拌都可以使其细化，并且在整个界面上晶粒细小、均勻。电磁搅拌从以下几个方面改善铸坯质量1)使结晶器内钢液的流动装提案有利于非金属夹杂物及气泡的上浮，降低铸坯内气泡及夹杂物的含量；2)抑制弯月面处钢水的波动，防止保护渣等外界杂志质卷入结晶器钢液内和钢液的裸露造成的钢液吸气和二次氧化；3)降低钢水的过热度，均勻液相穴内温度场，防止液面温度过高或过低带来的卷渣、结壳等现象的发生，有利于减少裂纹，提高铸坯的纯净度；4)加强液相穴内钢水的对流运动， 有利于打碎柱状晶，形成等轴晶，提高铸坯的等轴晶率，减少中心偏析、中心疏松和缩孔、改善铸坯的凝固组织；5)减轻钢液对初生凝固壳的冲刷，降低产生裂纹和拉漏的可能性，从而有利于实现快速连铸。当前，连铸电磁搅拌尚存在以下问题1)能量利用率低。在电磁搅拌技术的应用中，除了搅拌器的结构及其附属设备都比较复杂、价格高、投资较大以外，最大的问题是能量利用率低。因为在连铸电磁搅拌的情况下，气隙较大，再加上钢液在高温下电阻较大，保护绕组的结晶器不锈钢箱体和坯壳对电磁能的衰减也有一定的影响，尤其在采用结晶器内电磁搅拌的情况下，虽然铜壁有较高的导电性，但它是抗磁物质，对磁力线有很大的屏蔽作用，使得能量的利用率很低，而提高能量的利用率则涉及到搅拌器箱体和结晶器等的选材、 设计等问题。因此，如何寻找导磁能力强而导热性又好的材料取代铜，以及如何设计能量可以得到有效利用的搅拌器，都是值得深入研究和探讨的问题。2)难以适应多流铸造条件。 铝及铝合金连铸过程中，当需要铸造大截面铝锭时，往往遇到径向截面组织不均勻的情况。 但是，铝合金铸造往往采用半连续铸造，为了提高生产效率通常采用多流形式，没有足够的空间安装目前钢材连铸采用的电磁搅拌结晶器。因此，如何在多流铸造条件提供有效的电磁搅拌成为大截面铝锭生产需要解决的重要问题。从前述的分析可以看出，铝锭多流铸造对电磁搅拌装置的主要要求有1)搅拌器所占空间小；2)电磁能量利用率高；3)使用和维护方便。
发明内容
本发明提出一种适合铝合金多流半连铸过程的内置式电磁搅拌方法及装置，其原理是采用水冷铜线圈制作电磁搅拌器，采用水平旋转磁场搅拌形式，并用耐火陶瓷保护套防止铝合金熔体的侵蚀，由于电磁搅拌器放置在多流铸锭模内铝合金熔体中，其电磁能量将充分作用在铝合金熔体上，有效提高电磁搅拌作用，从而使铝合金铸锭获得截面均勻的组织。具体而言为一种内置式电磁搅拌装置，用于铝合金多流半连铸铸造，所述装置包括能水平移动的支架、安装在支架上的导杆、固定在支架上的电动机和电磁搅拌装置；电动机的输出轴与导杆相连从而控制导杆的上下移动，电磁搅拌装置固定在导杆下方，电磁搅拌装置包括耐热陶瓷保护管和内置于耐热陶瓷保护管中的电磁搅拌器，耐热陶瓷保护管的底部铺氧化铝陶瓷颗粒或镁砂层从而避免搅拌绕组对陶瓷保护管底部的冲击，电磁搅拌器是由水冷纯铜管绕制的线圈构成，铜管之间通过绝缘漆和绝缘布隔离。所述的电磁搅拌器，是指由水冷纯铜管绕制的线圈，铜管内径5 15mm，外径 8 20mm，绕制成的线圈外缘直径100 200讓，高10(Tl50mm。所述的耐热陶瓷保护管，是指采用氧化铝陶瓷制作的保护管，氧化铝陶瓷采用纳米Al2O3增韧，其内径120 220讓，外径140 250讓，高200 250讓，
所述的氧化铝陶瓷颗粒或镁砂层，其粒径为10(Γ500μπι，厚度为5 10mm。所述的电磁搅拌装置固定在导杆下方，指通过固定套将水冷电磁搅拌线圈的上端固定在导杆上，通过紧固环将耐热陶瓷保护管的上端固定在导杆上。所述的一种内置式电磁搅拌装置的使用方法，其特征在于将电磁搅拌装置置于多流铸锭模的铸锭孔中的铝熔体中，通过支架的水平移动使得电磁搅拌装置位于铝熔体的中部，通过电动机控制导杆的上下移动使得电磁搅拌装置的上端高出铝熔体的液面，控制电磁搅拌的磁场频率和强度，开始电磁搅拌，边搅拌边浇注铸锭，当铸锭浇注到指定长度后，将电磁搅拌器从多流铸锭模中取出，冷却后待用。所述的电磁搅拌的磁场为0. 3^3. OHz的水平旋转磁场，搅拌过程中搅拌电流控制在 100 300A。所述的通过电动机控制导杆的上下移动使得电磁搅拌装置的上端高出铝熔体的液面，是指将采用耐热陶瓷保护套保护的电磁搅拌器放置到多流铸锭模的铸锭孔中的铝熔体中，且保证耐热陶瓷保护套上端高出铝合金熔体的液面l(Tl5mm。由于水冷线圈不直接与铝熔体接触，有效避免了电磁搅拌器对铝熔体的污染，同时，本发明提出的方法还具有如下优势
1、适应性强，可以灵活配置使用；
2、结构紧凑，使用所需要的空间小，安装方便；
3、电磁效率高，由于电磁搅拌器完全在铝熔体中，除了让熔体产生搅拌作用外，其余能量较直接传递给熔体，因此能量的使用效率较高。
图1为内置式电磁搅拌装置在多流铸锭模中的使用状态示意图，其中1为电动机， 2为导杆，3为支架，4为电磁搅拌装置，5为铝熔体，6为铝铸锭，7为多流铸锭模，8为铸锭孔；
图2为电磁搅拌装置结构示意图，其中9为水冷线圈，10为紧固环，11为耐热陶瓷保护管，12为氧化铝陶瓷颗粒层；
图3为电磁搅拌装置在导杆上固定的结构示意图，其中9为水冷线圈，10为紧固环，11 为耐热陶瓷保护管，13为固定套，2为导杆；
图4为未加电磁搅拌的半连铸A356合金铸锭显微组织，其中a)为距铸锭外表面5mm 处，b)为铸锭中心部位；
图5为通过内置式电磁搅拌方法处理的半连铸A356合金铸锭显微组织，其中a)为距铸锭外表面5mm处，b)为铸锭中心部位。
具体实施例方式本发明可以根据以下实例实施，但不限于以下实例，在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义，应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围，在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。实施例1
欲采用半连续铸造方式生产直径200mm的A356合金铸锭，具体为采用水冷铜线圈制作水平旋转磁场电磁搅拌器，形成频率为0. 3Hz的水平旋转磁场，铜管通过绝缘漆和绝缘布隔离，铜管内径5mm，外径8mm，绕制成外缘直径100mm，高IOOmm的线圈，用耐热氧化铝陶瓷保护套对电磁搅拌器保护，氧化铝陶瓷保护套采用纳米Al2O3增韧，其内径120mm，外径 140mm，高200mm，使用过程中，在陶瓷保护管的底部铺粒径为100 μ m的氧化铝陶瓷颗粒， 厚度为5mm，电磁搅拌器和耐热陶瓷保护套均固定在多流铸锭孔上方的导杆上，导杆则与铸锭模上方的支架连接，通过电动机控制导杆的上下移动和支架的水平移动，并控制电磁搅拌的频率、强度，其中，支架是架设在多流铸锭模架上方的框架结构，其上对应于每个铸锭孔有一个导杆，用于固定内置式电磁搅拌器，导杆在电动机驱动下可以带动内置式电磁搅拌器上下运动，可以方便地实现支架上任一个或多个指定导杆的上下运动；A356合金熔体由分流槽引入，温度约为690°C，浇注开始后，将采用耐热陶瓷保护套保护的电磁搅拌器放置在多流铸锭模铸锭孔内铝合金熔体中，耐热陶瓷保护套上口高出铝合金熔体最高液面 10mm，开始电磁搅拌，搅拌电流为100A，边搅拌边浇注；铸锭浇注到指定长度后，将电磁搅拌器从铸锭孔中取出，冷却后待用。图1为内置式电磁搅拌装置在多流铸锭模中的使用状态示意图，图2为电磁搅拌装置结构示意图。由这两个图可以清晰地了解内置式电磁搅拌装置的工作状态和结构。图3为电磁搅拌装置在导杆上固定的结构示意图，从该图可以看出水冷线圈和耐热陶瓷保护管均被固定在导杆下端。图4为未加电磁搅拌的半连铸A356合金铸锭铸锭外表面及中心部位的显微组织， 图5为通过内置式电磁搅拌方法处理的半连铸A356合金铸锭显微组织，从图4、图5的对比中可以发现，采用本发明提出的内置电磁搅拌方法可以使半连铸A356合金铸锭铸锭径向断面组织更加细小、不同部分更加均勻。实施例2
欲采用半连续铸造方式生产直径200mm的6061合金铸锭，采用水冷铜线圈制作水平旋转磁场电磁搅拌器，形成频率为0. 8Hz的水平旋转磁场，铜管通过绝缘漆和绝缘布隔离，铜管内径5mm，外径8mm，绕制成外缘直径100mm，高IOOmm的线圈，用耐热氧化铝陶瓷保护套对电磁搅拌器保护，氧化铝陶瓷保护套采用纳米Al2O3增韧，其内径120mm，外径140mm，高 200mm，使用过程中，在陶瓷保护管的底部铺粒径为200 μ m的氧化铝陶瓷颗粒，厚度为6mm， 电磁搅拌器和耐热陶瓷保护套均固定在多流铸锭孔上方的导杆上，导杆则与铸锭模上方的支架连接，通过电动机控制导杆的上下移动，并控制电磁搅拌的频率、强度，其中，支架是架设在多流铸锭模架上方的框架结构，其上对应于每个铸锭孔有一个导杆，用于固定内置式电磁搅拌器，导杆在电动机驱动下可以带动内置式电磁搅拌器上下运动，可以方便地实现支架上任一个或多个指定导杆的上下运动；6061合金熔体由分流槽引入，温度约为685°C， 浇注开始后，将采用耐热陶瓷保护套保护的电磁搅拌器放置在多流铸锭模铸锭孔内铝合金熔体中，耐热陶瓷保护套上口高出铝合金熔体最高液面12mm，开始电磁搅拌，搅拌电流为 180A,边搅拌边浇注；铸锭浇注到指定长度后，将电磁搅拌器从铸锭孔中取出，冷却后待用。对比未加电磁搅拌与通过内置式电磁搅拌方法处理的合金铸锭显微组织，可以发现，采用本发明提出的内置电磁搅拌方法可以使半连铸6061合金铸锭铸锭径向断面组织更加细小、不同部分更加均勻。实施例3
欲采用半连续铸造方式生产直径250mm的A356合金铸锭，采用水冷铜线圈制作水平旋转磁场电磁搅拌器，形成频率为1. 5Hz的水平旋转磁场，铜管通过绝缘漆和绝缘布隔离，铜管内径10mm，外径14mm，绕制成外缘直径150mm，高130mm的线圈，用耐热氧化铝陶瓷保护套对电磁搅拌器保护，氧化铝陶瓷保护套采用纳米Al2O3增韧，其内径180mm，外径210mm，高 250mm,使用过程中，在陶瓷保护管的底部铺粒径为400 μ m的镁砂颗粒，厚度为10mm，电磁搅拌器和耐热陶瓷保护套均固定在多流铸锭孔上方的导杆上，导杆则与铸锭模上方的支架连接，通过电动机控制导杆的上下移动，并控制电磁搅拌的频率、强度，其中，支架是架设在多流铸锭模架上方的框架结构，其上对应于每个铸锭孔有一个导杆，用于固定内置式电磁搅拌器，导杆在电动机驱动下可以带动内置式电磁搅拌器上下运动，可以方便地实现支架上任一个或多个指定导杆的上下运动，A356合金熔体由分流槽引入，温度约为690°C，浇注开始后，将采用耐热陶瓷保护套保护的电磁搅拌器放置在多流铸锭模铸锭孔内铝合金熔体中，耐热陶瓷保护套上口高出铝合金熔体最高液面15mm，开始电磁搅拌，搅拌电流为220A， 边搅拌边浇注；铸锭浇注到指定长度后，将电磁搅拌器从铸锭孔中取出，冷却后待用。对比未加电磁搅拌与通过内置式电磁搅拌方法处理的合金铸锭显微组织，可以发现，采用本发明提出的内置电磁搅拌方法可以使半连铸A356合金铸锭铸锭径向断面组织更加细小、不同部分更加均勻。实施例4
欲采用半连续铸造方式生产直径300mm的20M合金铸锭，采用水冷铜线圈制作水平旋转磁场电磁搅拌器，形成频率为3Hz的水平旋转磁场，铜管通过绝缘漆和绝缘布隔离，铜管内径15mm，外径20mm，绕制成外缘直径200mm，高150mm的线圈，用耐热氧化铝陶瓷保护套对电磁搅拌器保护，氧化铝陶瓷保护套采用纳米Al2O3增韧，其内径220mm，外径250mm，高 250mm,使用过程中，在陶瓷保护管的底部铺粒径为300 μ m的镁砂颗粒，厚度为10mm，电磁搅拌器和耐热陶瓷保护套均固定在多流铸锭孔上方的导杆上，导杆则与铸锭模上方的支架连接，通过电动机控制导杆的上下移动，并控制电磁搅拌的频率、强度，其中，支架是架设在多流铸锭模架上方的框架结构，其上对应于每个铸锭孔有一个导杆，用于固定内置式电磁搅拌器，导杆在电动机驱动下可以带动内置式电磁搅拌器上下运动，可以方便地实现支架上任一个或多个指定导杆的上下运动；20M合金熔体由分流槽引入，温度约为680°C，浇注开始后，将采用耐热陶瓷保护套保护的电磁搅拌器放置在多流铸锭模铸锭孔内铝合金熔体中，耐热陶瓷保护套上口高出铝合金熔体最高液面15mm，开始电磁搅拌，搅拌电流为300A， 边搅拌边浇注；铸锭浇注到指定长度后，将电磁搅拌器从铸锭孔中取出，冷却后待用。对比未加电磁搅拌与通过内置式电磁搅拌方法处理的合金铸锭显微组织，可以发现，采用本发明提出的内置电磁搅拌方法可以使半连铸20M合金铸锭铸锭径向断面组织更加细小、不同部分更加均勻。
权利要求
1.一种内置式电磁搅拌装置，用于铝合金多流半连铸铸造，所述装置包括能水平移动的支架、安装在支架上的导杆、固定在支架上的电动机和电磁搅拌装置；电动机的输出轴与导杆相连从而控制导杆的上下移动，电磁搅拌装置固定在导杆下方，电磁搅拌装置包括耐热陶瓷保护管和内置于耐热陶瓷保护管中的电磁搅拌器，耐热陶瓷保护管的底部铺氧化铝陶瓷颗粒或镁砂层从而避免搅拌绕组对陶瓷保护管底部的冲击，电磁搅拌器是由水冷纯铜管绕制的线圈构成，铜管之间通过绝缘漆和绝缘布隔离。
2.如权利要求1所述的一种内置式电磁搅拌装置，其特征在于所述的电磁搅拌器是指由水冷纯铜管绕制的线圈，铜管内径5 15mm，外径纩20mm，绕制成的线圈外缘直径 100 200讓，高 100 150mm。
3.如权利要求1所述的一种内置式电磁搅拌装置，其特征在于所述的耐热陶瓷保护管，是指采用氧化铝陶瓷制作的保护管，氧化铝陶瓷采用纳米Al2O3增韧，其内径 120 220mm，外径 14(T250mm，高 20(T250mm，如权利要求1所述的一种内置式电磁搅拌装置，其特征在于所述的氧化铝陶瓷颗粒或镁砂层，其粒径为10(Γ500μπι，厚度为5 10mm。
4.如权利要求1所述的一种内置式电磁搅拌装置，其特征在于所述的电磁搅拌装置固定在导杆下方，指通过固定套将水冷电磁搅拌线圈的上端固定在导杆上，通过紧固环将耐热陶瓷保护管的上端固定在导杆上。
5.如权利要求1所述的一种内置式电磁搅拌装置的使用方法，其特征在于将电磁搅拌装置置于多流铸锭模的铸锭孔中的铝熔体中，通过支架的水平移动使得电磁搅拌装置位于铝熔体的中部，通过电动机控制导杆的上下移动使得电磁搅拌装置的上端高出铝熔体的液面，控制电磁搅拌的磁场频率和强度，开始电磁搅拌，边搅拌边浇注铸锭，当铸锭浇注到指定长度后，将电磁搅拌器从多流铸锭模中取出，冷却后待用。
6.如权利要求6所述的一种内置式电磁搅拌装置的使用方法，其特征在于所述的电磁搅拌的磁场为0. 3^3. OHz的水平旋转磁场，搅拌过程中搅拌电流控制在10(Γ300Α。
7.如权利要求6所述的一种内置式电磁搅拌装置的使用方法，其特征在于所述的通过电动机控制导杆的上下移动使得电磁搅拌装置的上端高出铝熔体的液面，是指将采用耐热陶瓷保护套保护的电磁搅拌器放置到多流铸锭模的铸锭孔中的铝熔体中，且保证耐热陶瓷保护套上端高出铝合金熔体的液面l(Tl5mm。
全文摘要
本发明涉及电磁搅拌方法及装置，具体而言为涉及一种置于结晶器内熔体中的内置式电磁搅拌装置及其方法。采用水冷铜线圈制作水平旋转磁场电磁搅拌器，并用耐热陶瓷保护套保护，电磁搅拌器和耐热陶瓷保护套均固定在多流铸锭模铸锭孔上方的导杆上，导杆则与铸锭模上方可水平移动的支架连接，通过安装在支架上的电动机控制导杆的上下移动，并控制电磁搅拌的频率、强度，浇注开始后，将采用耐热陶瓷保护套保护的电磁搅拌器放置在多流铸锭模内铝合金熔体中，开始电磁搅拌，边搅拌边浇注铸锭，当铸锭浇注到指定长度后，将电磁搅拌器从多流铸锭模中取出，冷却后待用。该装置适应性强，结构紧凑，安装方便，电磁效率高。
文档编号B22D11/115GK102398005SQ20111036803
公开日2012年4月4日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者张振亚, 张松利, 赵玉涛, 陈刚 申请人:江苏大学