一种复合式螺旋电磁搅拌器的制作方法

本发明应用于电磁铸造和材料电磁加工成型领域，特别针对金属连铸，半固态铸造和定向凝固过程中所用的螺旋磁场电磁搅拌器。

背景技术：

材料性能的严要求和高标准迫使科研工作者们不断开发新材料，研究新工艺。电磁场有着其他物理场无可替代的优势，其受到了科研工作者们的广泛关注。电磁场发生装置可在不与金属熔体直接接触的情况下将热能和动能传输给金属熔体，金属液不受污染。电磁搅拌是控制金属熔体流动来改善铸坯质量的有效手段。旋转电磁搅拌能细化局部铸坯凝固组织和均匀周向温度分布，但轴向的传热传质过程不够充分，且随着搅拌强度的增加负偏析现象随之出现。线性电磁搅拌能使金属熔体在竖直方向运动，轴向力的作用可以减小结晶器内的液面波动且加强了竖直方向上的对流，但径向的流动不够活跃。所以，单一的磁场对改善铸坯质量的效果并不理想。螺旋电磁搅拌结合了旋转电磁搅拌和行波电磁搅拌的特点，能够使金属熔体做螺旋运动，强制对流增加了热交换和溶质交换，降低了金属熔体中心与凝固前沿的温度梯度，从而增加等轴晶率和减小中心偏析等。螺旋电磁搅拌产生的轴向流与结晶器内钢液流股碰撞，能减缓液面向下凹陷。因此，螺旋电磁搅拌作为改善材料性能的手段将越来越受到重视。

螺旋磁场是旋转磁场和行波磁场空间上的叠加，如要实现螺旋电磁搅拌，可采用复合搅拌方式。目前，可归纳为三种方式：旋转磁场和行波磁场的内外叠加，旋转磁场的上下堆叠，行波磁场的周向并列。此类方法能驱使金属熔体做螺旋运动，加强轴向和周向上的溶质和热交换，增加等轴晶率，减少中心偏析，提高产品质量。除此类方法，还有磁轭端面相对于磁轭背倾斜放置的，磁轭端面相对于磁轭背阶梯型排布的；这类方法同样能实现螺旋电磁搅拌。这两类方法的研究思路体现在公开号cn87104014a、公开号cn86104510a、公开号102825245a和公开号102554165a的中国发明专利申请案中，以及公开号cn201476606u和公开号cn87204232u的中国实用新型专利申请案中。传统的内外两套设备叠加增加了装置的重量，且外层设备相距金属熔体较远，外层设备搅拌力的效果会明显降低。旋转磁场设备上下堆叠和行波磁场设备周向并列同样增加了装置的重量，增加了制造成本。对于多套旋转磁场设备上下堆叠在一起，虽然能够在金属熔体内部产生轴向的行波力，但受到垂直截面上的磁轭排列数目和磁轭背连续性的影响，轴向力的大小远小于周向的旋转力。同理，对于行波磁场设备的周向排列，其周向力的大小远小于轴向力，因此不能实现充分螺旋搅拌。对于磁轭端面所在平面相对于磁轭背倾斜或者阶梯型放置的，其核心思想是磁轭端面所在平面相对于磁轭背有一定的角度。电磁感应系统通交流电后，相邻的两个磁轭端部，磁场总是从前一个磁轭端部向后一个磁轭端部移动，且移动方向垂直于他们之间的空隙。因此在磁轭端面所在的平面想对于磁轭背有一定的角度时，电磁力的方向也是有角度的。电磁力可分解为水平的周向力和竖直的轴向力，综合为螺旋力，能够实现螺旋搅拌。但是磁场在相邻的两个磁轭端部之间的空隙垂直移动时，垂直于磁轭端部侧面的有效面积要小于侧面的面积，且磁轭端部排列的数目是有限的，轴向力远小于周向力。这两类方法都不能实现有效的螺旋搅拌。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种结构紧凑，控制灵活，性能稳定的复合式螺旋电磁搅拌器，能够驱使金属熔体做螺旋运动，实现对金属熔体的强制均匀搅拌。

本发明的技术方案如下：

一种复合式螺旋电磁搅拌器，电磁感应系统由磁轭组和套在其上的线圈组成，磁轭组由旋转磁场磁轭组和行波磁场磁轭组复合形成；所述旋转磁场磁轭组和行波磁场磁轭组均由磁轭背和若干个磁轭端部组成；旋转磁场磁轭背为薄壁圆筒形，行波磁场磁轭背为板形；行波磁场磁轭背与旋转磁场磁轭背之间有1-100mm的间隙。

旋转磁场磁轭端部一共有4或6个，均水平布置在旋转磁场磁轭背上；行波磁场磁轭端部一共有6、8、12、16、18或24个，行波磁场磁轭背一共有2、4或6个，对称或均匀分布在铸坯的外周，且竖直放置；行波磁场磁轭端部竖直布置在行波磁场磁轭背上，每个行波磁场磁轭背上有3或4个行波磁场磁轭端部；两种磁场的磁轭端部均匀分布在铸坯外周，磁极的极性面均指向铸坯中心。

线圈采用导线或中空铜管，如用中空铜管，其内部可通入冷却水，可以重叠绕组、集中绕组布置方式缠绕在磁轭间的空隙中。

供电采用两相或三相交流电源供给；采用一套或者两套电源。

旋转磁场磁轭端部与行波磁场磁轭端部所在位置的中心线的夹角为35-75゜，所有磁轭端面所在平面的法线的夹角为30-75゜。

行波磁场磁轭背交叉均匀地分布在旋转磁场磁轭端部间，两类磁轭组可以相间排布。

使用一套电源时，线圈串联在两种磁轭之间；使用两套电源时，可分别控制电流强度；在不影响周向力的大小下，能有目的性的增加或减小轴向力的大小；且通过交换电源中的两相的位置可以改变电磁力的方向，能够实现可控制的四种螺旋搅拌方式，分别是：左上、左下，右上和右下。

本发明的工作原理如下：

线圈电流采用两相四极或三相六级方式施加载荷，交变电流产生的磁场通过两种磁轭进入金属熔体内。在磁场作用下，在金属熔体内部产生感应电流；感应电流和磁场相互作用分别产生旋转电磁力和线性电磁力，两个力复合形成螺旋搅拌力，该力驱使金属熔体做螺旋运动。

本发明提供了一种复合式螺旋电磁搅拌器，其显著的有益效果体现在：

1.结构紧凑，控制灵活，性能稳定，能够驱使金属熔体做螺旋运动，实现对金属熔体的强制均匀搅拌。

2.接线方式简单，与旋转电磁搅拌装置相同，且电源的选择性较灵活。可用一套或者两套电源，根据具体情况具体选择。当使用两套电源时，在不影响周向力作用的效果下，能够有目的性的增加或减小轴向力的大小或者改变轴向力的方向。在需要竖直方向较大的力时，该装置的效益较为明显。

3.相对于同类装置，本发明打破了同类装置用一套电源或者不能分别控制轴向力和周向力的局限性，本发明能够产生更大的轴向力，螺旋电磁力的可控性更强。

4.应用范围广，可用于连铸机结晶器、二冷区或凝固末端的电磁搅拌，同时也适用于模铸、半固态铸造等。通过分别改变周向力和轴向力的大小，可以均匀凝固坯壳厚度，均匀溶质分布，抑制结晶器内金属熔体的液面波动，能够减小铸坯中心与边缘的温度梯度，减缓流股冲击深度和促进夹杂物上浮，减少中心偏析，促进等轴晶的形成等。

5.相对于传统内外叠加式的螺旋电磁搅拌装置，本发明能够提供更大的周向力。

附图说明

图1为4—2×4(4个旋转磁场磁轭端部；2×4个行波磁场磁轭端部对称分布铸坯两侧)复合式螺旋电磁搅拌器和铸坯结构示意图；

图2为4—2×4复合式螺旋电磁搅拌器结构的俯视图；

图3为4—2×4复合式螺旋电磁搅拌器结构的斜视图；

图4为4—2×4复合式螺旋电磁搅拌器结构的剖面视图；

图5为4—2×3(4个旋转磁场磁轭端部；2×3个行波磁场磁轭端部对称分布铸坯两侧，以下依此类推)复合式螺旋电磁搅拌器结构的俯视图；

图6为4—2×3复合式螺旋电磁搅拌器结构的斜视图；

图7为4—4×4复合式螺旋电磁搅拌器结构的俯视图；

图8为4—4×4复合式螺旋电磁搅拌器结构的斜视图；

图9为4—4×3复合式螺旋电磁搅拌器结构的俯视图；

图10为4—4×3复合式螺旋电磁搅拌器结构的斜视图；

图11为6—2×4复合式螺旋电磁搅拌器结构的俯视图；

图12为6—2×4复合式螺旋电磁搅拌器结构的斜视图；

图13为6—2×3复合式螺旋电磁搅拌器结构的俯视图；

图14为6—2×3复合式螺旋电磁搅拌器结构的斜视图；

图15为6—6×4复合式螺旋电磁搅拌器结构的俯视图；

图16为6—6×4复合式螺旋电磁搅拌器结构的斜视图；

图17为6—6×3复合式螺旋电磁搅拌器结构的俯视图；

图18为6—6×3复合式螺旋电磁搅拌器结构的斜视图；

图19为旋转电磁搅拌下铸坯z＝0横截面流场矢量图；

图20为旋转电磁搅拌下铸坯x＝0纵截面流线矢量图；

图21为采用4-2×4复合式螺旋电磁搅拌器作用下铸坯z＝0横截面流场矢量图；

图22为采用4-2×4复合式螺旋电磁搅拌器作用下铸坯x＝0纵截面流场矢量图；(竖直方向的搅拌力一上一下)；

图23为采用4-2×4复合式螺旋电磁搅拌器作用下铸坯x＝0纵截面流场矢量图；(竖直方向的搅拌力同上)；

图24为采用4-2×4复合式螺旋电磁搅拌器作用下铸坯x＝0纵截面流场矢量图；(竖直方向的搅拌力同下)；

图25为采用4-2×4复合式螺旋电磁搅拌器作用下铸坯内三维流线图；

图26为施加同向向下行波力与未施加时铸坯纵截面线上个点轴向速度对比图；

图27为使用一套和两套电源时水平方向、竖直方向上力的对比图。

其中，1：铸坯；2：螺旋电磁搅拌器；3：旋转磁场磁轭端部；4：线圈；5：旋转磁场磁轭背；6：行波磁场磁轭背；7：行波磁场磁轭端部。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明。

如图1所示，一种复合式螺旋电磁搅拌器设置在铸坯的外周。图中，1为铸坯，2为一种复合式螺旋电磁搅拌器。如图2-18所示，一种复合式螺旋电磁搅拌器，包括线圈、磁轭组。其特征在于磁轭组由两套不同的独立的磁轭组复合形成。所述的磁轭由磁轭背和若干个磁轭端部组成。所述的一种磁轭背为薄壁圆筒形，其磁轭端部水平分布在磁轭背上；该磁轭端部共4或6个，它们所在位置的中心的对角线夹角为30-70゜。所述的另一种磁轭背为板状，该磁轭背共2，4或6个，竖直放置，且对称或均匀分布在铸坯的外周；其磁轭端部竖直分布在磁轭背上，每列为3或4个。两种磁轭端部均匀设置在铸坯的外周，且两种磁轭端部所在位置的中心线夹角为35-75゜。所述线圈均匀缠绕在两种磁轭上，且磁极的极性面均指向铸坯中心。所述的两种磁轭背之间有1-100mm的间隙，一方面缩短了两种磁轭间的距离，减小外层设备电磁力随距离衰减的程度；另一方面不影响磁力线的传输。本发明的核心思想是行波磁场磁轭背交叉均匀的分布在旋转磁场磁轭端部间，两类磁轭组可以相间排布。

供电方式采用两相或三相交流电供给，电流频率为0-100hz。其特征在于两种磁轭可以共用一套电源，也可以供应两套电源。使用一套电源时，线圈串联在两种磁轭之间。使用两套电源时，可分别控制电流强度；在不影响周向力的大小下，能有目的性的增加或减小轴向力的大小。且通过交换电源中的两相的位置可以改变电磁力的方向，能够实现可控制的四种螺旋搅拌方式，分别是：左上、左下，右上和右下。

行波磁场磁轭背交叉均匀的分布在旋转磁场磁轭端部的空隙间，且两种磁轭背之间有空隙。其中旋转磁场磁轭端部水平布置在其磁轭背上，行波磁场磁轭端部竖直分布在其磁轭背上。旋转磁场磁轭端部有4或6个两种布置形式，行波磁场磁轭背有2、4或6个三种分布形式，行波磁场磁轭端部有3或4个两种放置形式。复合形成的螺旋电磁搅拌器共有8种结构。以下，以4-2×4复合式螺旋电磁搅拌器做具体说明。

实施例1

如图1、2所示，铸坯1采用断面尺寸为450mm×370mm的大方坯。复合式螺旋电磁搅拌器的磁轭组由两种不同的独立的磁轭复合形成。它们分别是旋转磁场磁轭，行波磁场磁轭。磁轭组由导磁性好，矫顽力低，磁损耗低的取向硅钢制成。

如图3、4所示，旋转磁场磁轭背5为薄壁圆筒形，内径为1280mm，外径为1360mm，高440mm。行波磁场磁轭背6为440mm×360mm×15mm的立方体，共2个，对称分布在铸坯1的两侧。旋转磁场磁轭端部3共4个，其磁轭端面大小为440mm×360mm的矩形；该磁轭端部水平布置在其磁轭背上，且它们所在位置的中心的对角线夹角为60゜。行波磁场磁轭端部7共8个，垂直布置在其磁轭背上，每侧4个。两种磁轭端部均匀分布在铸坯1外周，且两种磁轭端部所在的位置的中心的夹角为60゜，磁轭的极性面均指向铸坯1中心。所述线圈4采用铜导线或中空铜管绕制而成，如采用中空铜管，铜管内部可通入冷却水，并以集中绕组方式均匀缠绕在两种磁轭上，线圈匝数固定为100匝。两种磁轭背之间有25mm的间隙。线圈4通交流电流后，能产生旋转磁场和行波磁场，复合形成螺旋磁场。

本例中，电源采用一套两相交流电供给，每相绕组间相位角相差90゜；电源频率为3hz,电流大小为400a，采用两相四极方式施加载荷。

不加行波磁场磁轭作用下的铸坯z＝0横截面处流场分布情况，如图19所示。金属熔体在横截面处作旋转运动，通交流电以后，感应磁场与感应电流相互作用产生电磁力，该力驱使金属熔体做旋转运动。

不加行波磁场磁轭作用下的铸坯x＝0纵截面处流线分布情况，如图20所示：金属熔体在纵截面上呈现上下对称的四个环流运动，这是旋转电磁搅拌下二次流的作用。

实施例2

本例与实施例1的施加载荷方式和大小，采用电源方式相同，不同的是增加了行波磁场磁轭，且保证竖直搅拌方向异向。4-2×4复合式螺旋电磁搅拌器作用下的铸坯z＝0纵截面处流线分布情况，如图21所示：金属熔体在横截面处作旋转运动，通交流电以后，感应磁场与感应电流相互作用产生螺旋电磁力，螺旋电磁力分解为水平和竖直方向的力，水平力驱使金属熔体做旋转运动。

如图22所示，金属熔体在纵截面上呈现上下四个环流运动，其中上下各有一个较强的环流流动起主导作用，该流动强度相对于旋转电磁搅拌作用下纵截面的环流较强。异向的竖直的搅拌力驱使金属熔体在纵截面做大范围的环流。这有利于轴向上的传热和传质。

实施例3

本例相对于实施例2，保证竖直搅拌方向同上。如图23所示,金属熔体同样在纵截面上呈现上下四个环流流动，但相对于铸坯下部的流动，上部的流动强度强大。这是由于同向的竖直向上的搅拌力加强了铸坯上部金属熔体的流动，金属熔体沿壁面上升，到达顶部后沿铸坯中心向下流动。

实施例4

本例相对于实施例3，保证竖直搅拌方向同下。如图24所示,金属熔体在纵截面上的流动方式与实例3恰恰相反，铸坯下部的流动相对于上部的流动强度较大。这是由于同向的竖直向下的搅拌力加强了铸坯下部金属熔体的流动。铸坯上部的金属熔体沿壁面上升，由于液体连续性和压力差的作用，金属熔体在顶部沿铸坯中心向下流动，导致液面向下凹陷。如图26所示，施加同向的竖直向下的搅拌力后，向下的力驱使部分金属熔体沿壁面向下运动，然后沿铸坯中心向上回流，向上的回流与部分向下流动熔体碰撞，减缓液面凹陷程度，能抑制液面波动。

实施例5

如图25所示，采用4-2×4复合式螺旋电磁搅拌器作用下，金属熔体在铸坯内部做螺旋运动。

实施例6

本例与实施例2采用的结构相同，不同的是采用两套两相电源供给。每相绕组间相位角相差90゜；电源频率为3hz，采用两相四极方式施加载荷，缠绕在旋转磁场磁轭组上的线圈内通入电流大小为400a，缠绕在行波磁场磁轭组上的线圈内通入电流大小为500a。

如图27所示，采用两套电源时，保持旋转磁场磁轭组上的线圈内电流不变，增加了行波磁场磁轭组上的线圈内的电流，发现水平方向的力基本没有改变，竖直方向的力明显增加，这说明，使用两套电源时，可以有目的性的增加轴向力的大小。

因此，在需要轴向力较大的情况时，使用两套电源较为合适；同时证明，对比使用一套电源的此类装置，本发明具备能提供较大的轴向力的优势。且可以根据具体情况做出相应选择；增加了使用的灵活性。进行电磁搅拌时，通过交换两相电源中两相的位置可以改变水平方向和垂直方向电磁力的方向，从而实现可控制的螺旋电磁搅拌。

本发明提供的复合式螺旋电磁搅拌器应用范围广，可应用于金属连铸、半固态铸造和定向凝固领域。其中在金属连铸过程中，可用于结晶器、二冷区和凝固末端的电磁搅拌。本发明结构紧凑，控制灵活，性能稳定，对比传统此类装置，又能提供较大的周向力，以供所需。

对于断面尺寸较大的铸坯，由于凝固过程中凝固收缩量较大，容易出现中心疏松，中心缩孔，中心偏析等质量问题，此时，需要提供较大范围内的强制均匀搅拌来改善铸坯质量问题。本装置不仅可提供水平方向的较大搅拌力，还能提供垂直方向上较大的搅拌力，因此本装置有更大空间的使用性。

使用一套电源时，单纯的提高电流强度和频率，水平和垂直方向上的电磁力都会增加，可能会和某些情况需要的搅拌效果不相符。本装置能提供可控制的轴向力，因此对于抑制液面波动的研究方向也具有优势。

以上所述的具体实例，仅仅是对本发明的目的，技术方案，实施方式进行描述，并非对本发明进行限定，因此，本领域的技术人员对本发明做出的各种修改或者变型，均落在本发明的权利要求的范围内。