[发明专利]金属熔体螺旋电磁搅拌装置

说明书

技术领域

本发明涉及电磁铸造和材料电磁加工成型领域，特别是一种金属连铸、半固态铸造和定向凝固过程用金属熔体螺旋磁场电磁搅拌装置。

背景技术

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。板坯连铸是高品质板带生产流程里至关重要的前提，目前应用在板坯连铸结晶器部位的电磁感应技术主要有：1.旋转磁场搅拌技术，2.可以实现电磁加速、电磁制动及旋转电磁搅拌三种功能的电磁控流技术。第一种技术以日本的新日铁为代表，主要针对铸坯表面质量和皮下质量的提高。但单一的旋转磁场对铸坯内部的熔体影响不大，因而无法有效改变铸坯内部质量。第二种技术以日本NKK和法国Rotelec为代表，因其可以实现电磁加速与制动，因而适应的钢种的范围更广。可以较好的控制结晶器内钢液的流动速度与方向，能平缓液面，减轻钢液流股冲入深度。其不足依然是钢液的液芯无法被充分搅动。板坯连铸二冷区与凝固末端的电磁搅拌，多采用周向搅拌，同样也存在液芯搅拌不充分和内部质量差的问题。如果能在铸坯连铸方向上施加行波磁场，则可以控制和调节钢液在垂直方向的流动，产生强制对流，这不仅可以降低金属熔体中心与边部的温度梯度，提高铸坯内部质量，同时在结晶器处可以抑制金属液面波动，降低熔体流股的冲入深度。因而，如何将两种搅拌磁场的优势互补，实现板坯螺旋电磁搅拌将是一个新的方向。

旋转磁场加行波磁场的复合搅拌方式，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，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。采用此种搅拌方法，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公开(公告)号CN87104014A，名称为“连续铸钢电磁搅拌装置”和公开(公告)号CN86104510，名称为“组合式多功能液态金属电磁搅拌器”的中国发明专利申请案中，以及公开(公告)号CN87204232，名称为“螺旋磁场电磁搅拌器”和公开(公告)号CN201476606U，名称为“坩埚螺旋磁场电磁搅拌器”的中国实用新型专利申请案中。这些专利申请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

本发明提供了一种金属熔体螺旋磁场电磁搅拌装置，改善铸坯金属熔体的搅拌效果。

本发明提供的金属熔体螺旋电磁搅拌装置其结构包括：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缠绕在磁轭组上的线圈组成，磁轭组由磁轭背和磁轭端部组成。磁轭端部的侧面呈现台阶结构；供电系统包括两相或三相电源柜及变频控制柜，线圈通过电源接口由导线连接电源。电源频率为0.1～100Hz。为适合复杂的工作环境，导线的绝缘层应耐高温，抗氧化。进行电磁搅拌时，通过交换电源中的任意两相的位置改变电磁力两个分力的方向，水平方向分力可以实现左右的改变，垂直方向的分力可以实现上下的改变；冷却系统要将电磁搅拌设备自身产生的热量及环境传给设备的热量带走，以保证设备具有高的电-磁转换效率。冷却系统包括箱体上的进水口和出水口，分别通过水管连接水泵和蓄水池，形成冷却回路。这样即可保证冷却效果，同时又便于缩小整体体积。若采用中空铜管材料绕制线圈，则采用内冷方式，在管内通水冷却；箱体由金属或非金属材料薄板制成，比较常用的有奥氏体不锈钢薄板、高强度有机材料、工程塑料和复合材料等，这些材料可以用来保护内部设备，同时也利于导磁。电磁感应系统经绝缘处理后放置到箱体内。