CN104550798A - 一种铝合金半连续铸造电磁搅拌装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铝合金半连续铸造电磁搅拌装置及方法，该装置包括用于承载熔体的流槽，所述流槽下方设有结晶器，所述结晶器的下出口处设有冷却水喷射区，所述结晶器外侧成对设置有永磁体，所述熔体内插置有石墨电极，所述冷却水喷射区的下方设有若干滑动电极，所述石墨电极和滑动电极分别连接至脉冲直流电源的两极。本发明利用电流在磁场中受到安培力作用的原理，采用直流电流和永磁体结合的方法，可以根据铝锭的尺寸、形状、材料成分设计不同的熔体在结晶器区域的流动方式和流动强度，控制合金元素的偏析行为和枝晶的生长方式，达到组织均匀化与细化的目的。
Description
技术领域
本发明涉及铸造冶金领域，尤其涉及一种铝合金半连续铸造电磁搅拌装置及方法。
背景技术
目前工业上应用的铝熔体搅拌技术共分两种：机械式搅拌和非接触式搅拌。非接触式搅拌主要利用磁场的作用原理来设计，其中又包含两种工艺方法：旋转电磁场式和永磁体式。
其中，利用旋转电磁场在熔体中感生的电磁力对熔体进行强烈的搅拌，已经成为铝合金熔化和半连续铸造过程中均匀化熔体和细化晶粒组织的常用方法，得到长期的工业应用。但由于旋转电磁场的集肤效应和安装的限制(需要搅拌的区域位于结晶器高度范围内，为了保证铸造过程的顺利完成，搅拌线圈只能安装在结晶器外围，造成磁场强度和目标作用区域的错配，铸锭中心区域得不到理想的搅拌效果)，达不到最好效果；此外在最重要的液穴底部很难产生有效搅拌。
而永磁铝液搅拌器，是利用特定组合的永磁体运动后产生的交变磁场对金属液体进行非接触搅拌。永磁搅拌器相当于一个气隙很大的使用永磁体磁场的电机，感应器相当于电机的定子，铝熔液相当于电机的转子。搅拌器内置的多极磁场在电机的带动下产生行波磁场，磁场和熔池中的金属液体相互作用产生磁力，从而推动金属液体做定向运动，起到搅拌的作用。显然，这种方式不能迅速产生作用，而且形成的流动方式不可控，部分熔体的运动不是由电磁力驱动，而是由熔体的粘度造成的拖曳力带动的，所以这种方式不适合应用到半连续铸造过程中的熔体成分均匀化和组织细化上，它流动形成的时间较长，不能适应半连续铸造高速的凝固速度。
发明内容
本发明提供一种铝合金半连续铸造电磁搅拌装置及方法，以解决上述技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种铝合金半连续铸造电磁搅拌装置，包括用于承载熔体的流槽，所述流槽下方设有结晶器，所述结晶器的下出口处设有冷却水喷射区，所述结晶器外侧成对设置有永磁体，所述熔体内插置有石墨电极，所述冷却水喷射区的下方设有若干滑动电极，所述石墨电极和滑动电极分别连接至脉冲直流电源的两极。
较佳地，所述永磁体为电磁搅拌提供磁场，所述流槽、结晶器、熔体与铸造机组成的体系与外界绝缘。
本发明还提供了一种铝合金半连续铸造电磁搅拌方法，应用于如上所述的铝合金半连续铸造电磁搅拌装置中，根据需要铸造的铝锭的形状和组织要求，调节脉冲直流电源的电流大小和方向、永磁体的位置和数量以及滑动电极的位置和数量。
较佳地，若铝锭的横截面为圆形，则采用对半式的永磁体。
较佳地，若铝锭的横截面为矩形，则采用相对设置的多个永磁体。
较佳地，通过调节脉冲直流电源的电流大小，调节熔体的搅拌强度。
较佳地，所述脉冲直流电源采用低电压大电流。
较佳地，所述脉冲直流电源的电流大小为10A～50A。
与现有技术相比，本发明提供的一种铝合金半连续铸造电磁搅拌装置及方法，该装置包括用于承载熔体的流槽，所述流槽下方设有结晶器，所述结晶器的下出口处设有冷却水喷射区，所述结晶器外侧成对设置有永磁体，所述熔体内插置有石墨电极，所述冷却水喷射区的下方设有若干滑动电极，所述石墨电极和滑动电极分别连接至脉冲直流电源的两极。本发明利用电流在磁场中受到安培力作用的原理，采用直流电流和永磁体结合的方法，可以根据铝锭的尺寸、形状、材料成分设计不同的熔体在结晶器区域的流动方式和流动强度，控制合金元素的偏析行为和枝晶的生长方式，达到组织均匀化与细化的目的。
附图说明
图1为本发明一具体实施方式的铝合金半连续铸造电磁搅拌装置的结构示意图；
图2为本发明实施例一中永磁体和滑动电极的排布方式俯视图。
图中：10-流槽、11-熔体、12-铝锭、20-结晶器、30-冷却水喷射区、40-永磁体、50-石墨电极、60-滑动电极、70-脉冲直流电源。
具体实施方式
为了更详尽的表述上述发明的技术方案，以下列举出具体的实施例来证明技术效果；需要强调的是，这些实施例用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。
本发明提供的一种铝合金半连续铸造电磁搅拌装置，如图1所示，包括用于承载熔体11的流槽10，所述流槽10下方设有结晶器20，所述结晶器20的下出口处设有冷却水喷射区30，所述结晶器20外侧成对设置有永磁体40，所述熔体11内插置有石墨电极50，所述冷却水喷射区30的下方设有若干滑动电极60，所述石墨电极50和滑动电极60分别连接至脉冲直流电源70的两极。具体地，根据安培力的公式，f＝IBLsinα，其中f为安培力，I为电流值，B为磁场强度，L为导线长度，α为磁场与电流方向的夹角，由此可知，电流强度和磁场强度为影响安培力的两个主要因素：当磁场强度一定时，通过调节电流的大小和方向，可以控制搅拌的强度和流场参数，达到控制搅拌效果的目的。本发明利用电流在磁场中受到安培力作用的原理，采用直流电流和永磁体40结合的方法，可以根据铝锭的尺寸、形状、材料成分设计不同的熔体11在结晶器20区域的流动方式和流动强度，控制合金元素的偏析行为和枝晶的生长方式，达到组织均匀化与细化的目的。
较佳地，所述永磁体为电磁搅拌提供磁场，且所述流槽10、结晶器20、熔体与铸造机组成的体系与外界绝缘，也就是说，在铸造期间，与整个装置接触的铝合金保温炉以及铸造机等设备均需要与大地绝缘，以防止电流散失。
本发明还提供了一种铝合金半连续铸造电磁搅拌方法，应用于如上所述的铝合金半连续铸造电磁搅拌装置中，根据需要铸造的铝锭12的形状和组织要求，调节脉冲直流电源70的电流大小和方向、永磁体40的位置和数量以及滑动电极60的位置和数量。
具体的工作流程如下：当铝合金铸造开始时，铝锭12拉出结晶器20，铝锭12的外表面与所述滑动电极60接触；然后开通脉冲直流电源70，会在熔体表面电极(石墨电极50)和滑动电极60间产生电流，在外部磁场的作用下，在熔体11内形成安培力，推动熔体11移动，进行搅拌。电极位置不同，电流方向不同，产生的流场就不同；电流的强度不同，产生的搅拌力大小就不同。因此可以通过调整滑动电极60的排布，设计熔体11中不同的流动，以应对各种不同的铝锭形状；调节电流的大小，改变熔体11中的搅拌强度。
较佳地，请重点参考图2，并结合图1，若铝锭12的横截面为圆形，则采用对半式的永磁体40；较佳地，若铝锭12的横截面为矩形，则采用相对设置的多个永磁体40。
较佳地，通过调节脉冲直流电源70的电流大小，调节熔体11的搅拌强度，较佳地，所述脉冲直流电源70采用低电压大电流，以保证生产安全，具体地，所述脉冲直流电源70的电流大小为10A～50A。
下面给出3种具体实施例：
采用磁场强度为0.5T的永磁体40为搅拌提供磁场，脉冲直流电源70产生的电流为12V/50A可调。
实施例一
对小直径(例如φ＝180mm)的圆锭，请参考图2，采用对半式永磁体的设计，滑动电极60为两个或四个，成对设置，电流采用10A，脉冲式连续电流。对于A356合金，晶粒尺寸可控制在50微米以下。
实施例二
对大直径(例如φ＝500mm)的圆锭，采用对半式永磁体的设计，滑动电极60为四个或六个，成对设置，电流采用30A，脉冲式连续电流。对于6016合金，晶粒尺寸可控制在100微米以下。
实施例三
对于大板锭(例如尺寸为1300mm×620mm)，采用对置式多极磁铁设计，在长边上设计4-6对滑动电极60，在短边上设计2对电极，电流采用50A，脉冲式且极性周期性颠倒的电流，用于均衡大截面熔体11温度、合金元素分布。可以将6061合金晶粒尺寸控制在300微米以下。
综上所述，本发明提供的一种铝合金半连续铸造电磁搅拌装置及方法，该装置包括用于承载熔体11的流槽10，所述流槽10下方设有结晶器20，所述结晶器20的下出口处设有冷却水喷射区30，所述结晶器20外侧成对设置有永磁体40，所述熔体11内插置有石墨电极50，所述冷却水喷射区30的下方设有若干滑动电极60，所述石墨电极50和滑动电极60分别连接至脉冲直流电源70的两极。本发明产生的搅拌不受集肤效应的影响，通过在铝锭底部设计滑动电极60，完全可以控制液穴底部中心处的熔体11的流动方式以及熔体11的流动强度和流动方向，用以细化晶粒，同时抑制合金元素的偏析。本发明结构简单，主要工作部件不易受高温影响，因此工作寿命长，装置成本低，生产成本低，适用于高性能铝合金、高纯铝合金的半连续铸造。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种铝合金半连续铸造电磁搅拌装置，包括用于承载熔体的流槽，所述流槽下方设有结晶器，所述结晶器的下出口处设有冷却水喷射区，其特征在于，所述结晶器外侧成对设置有永磁体，所述熔体内插置有石墨电极，所述冷却水喷射区的下方设有若干滑动电极，所述石墨电极和滑动电极分别连接至脉冲直流电源的两极。
2.如权利要求1所述的铝合金半连续铸造电磁搅拌装置，其特征在于，所述永磁体为电磁搅拌提供磁场，且所述流槽、结晶器、熔体与铸造机组成的体系与外界绝缘。
3.一种铝合金半连续铸造电磁搅拌方法，应用于如权利要求1～2中任意一项所述的铝合金半连续铸造电磁搅拌装置中，其特征在于，根据需要铸造的铝锭的形状和组织要求，调节脉冲直流电源的电流大小和方向、永磁体的位置和数量以及滑动电极的位置和数量。
4.如权利要求3所述的铝合金半连续铸造电磁搅拌方法，其特征在于，若铝锭的横截面为圆形，则采用对半式的永磁体。
5.如权利要求3所述的铝合金半连续铸造电磁搅拌方法，其特征在于，若铝锭的横截面为矩形，则采用相对设置的多个永磁体。
6.如权利要求3所述的铝合金半连续铸造电磁搅拌方法，其特征在于，通过调节脉冲直流电源的电流大小，调节熔体的搅拌强度。
7.如权利要求6所述的铝合金半连续铸造电磁搅拌方法，其特征在于，所述脉冲直流电源采用低电压大电流。
8.如权利要求7所述的铝合金半连续铸造电磁搅拌方法，其特征在于，所述脉冲直流电源的电流大小为10A～50A。
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