一種彎月面徑向強(qiáng)剪切電磁攪拌圓坯連鑄裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種彎月面徑向強(qiáng)剪切電磁攪拌圓坯連鑄裝置，屬于金屬材料連續(xù)鑄造領(lǐng)域。該裝置由流槽、熱頂、芯棒固定支架、芯棒、結(jié)晶器、水套、感應(yīng)線圈和底模組成；流槽設(shè)置于熱頂?shù)纳喜?，熱頂設(shè)置于水套的上部；熱頂中間設(shè)置芯棒，芯棒通過固定在流槽底部的芯棒固定支架安裝在熱頂中間，芯棒包含冷卻單元；水套設(shè)置于結(jié)晶器外，感應(yīng)線圈位于結(jié)晶器的外部水套的中間，感應(yīng)線圈傾斜放置，產(chǎn)生的徑向電磁推力與彎月面平行，整個(gè)裝置呈立式布置。整個(gè)流體在環(huán)縫式熱頂和結(jié)晶器里形成了循環(huán)流，這種循環(huán)流被感應(yīng)線圈產(chǎn)生的沿彎月面的徑向推力強(qiáng)化，彎月面徑向強(qiáng)剪切，減輕了鑄坯徑向溫度成分差異，增加了等軸晶率，改善了初生相形貌。
【專利說明】—種彎月面徑向強(qiáng)剪切電磁攪拌圓坯連鑄裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種彎月面徑向強(qiáng)剪切電磁攪拌圓坯連鑄裝置，主要適用于制備高等軸晶率圓坯或半固態(tài)圓形坯料，屬于金屬材料連續(xù)鑄造領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]連鑄機(jī)是現(xiàn)代冶金工業(yè)連鑄工藝主要設(shè)備，隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，對(duì)鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，特別是鑄坯凝固組織等軸晶率及初生相形貌提出了更高的要求。電磁攪拌技術(shù)是對(duì)金屬凝固過程進(jìn)行控制的一種有效手段，有著廣泛的應(yīng)用和深厚的工業(yè)基礎(chǔ)。
[0003]目前連鑄鑄鋼的電磁攪拌裝置主要有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)型、行波磁場(chǎng)型和徑向磁場(chǎng)型等多種類型。使用最多的是前兩種。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)型電磁攪拌裝置運(yùn)用異步電動(dòng)機(jī)三相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理，以使未凝固的金屬熔體像三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一樣旋轉(zhuǎn)，達(dá)到攪拌的目的，如US4016926。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)型攪拌裝置產(chǎn)生的攪拌作用以周向循環(huán)流動(dòng)為主，彎月面的徑向流為次生流。行波磁場(chǎng)型攪拌裝置的工作原理也與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)類似，如果將定子鐵芯切開并展開成直線，即產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的行波磁場(chǎng)。金屬熔體中產(chǎn)生一個(gè)與行波磁場(chǎng)方向一致的電磁力，如US5219018。根據(jù)行波磁場(chǎng)型攪拌裝置的布置不同，可以在金屬熔體產(chǎn)生軸向循環(huán)流動(dòng)、周向循環(huán)流動(dòng)和螺旋形流動(dòng)，彎月面的徑向流同樣為次生流。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)型攪拌裝置和行波磁場(chǎng)型攪拌裝置都需要鐵芯，而徑向磁場(chǎng)型攪拌裝置屬于無芯感應(yīng)電磁攪拌，這種空間不動(dòng)的脈動(dòng)交變磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生排斥攪拌，攪拌力為徑向推力，如US4229210以及采用單相線圈的無芯感應(yīng)電爐，在金屬熔體中產(chǎn)生駐波，使其局部產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流。徑向磁場(chǎng)型攪拌器的另一個(gè)應(yīng)用是減低金屬熔體與鑄模之間得接觸壓力，如US4723591或者代替鑄模，實(shí)現(xiàn)磁約束成形，如電磁鑄造。US5135564也提出了一種環(huán)縫結(jié)構(gòu)，該裝置主要是為了避開因集膚效應(yīng)而產(chǎn)生的電磁力較低的部分，并因徑向尺寸變小而強(qiáng)化周向流。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的是提供一種彎月面徑向強(qiáng)剪切電磁攪拌圓坯連鑄裝置。
[0005]一種彎月面徑向強(qiáng)剪切電磁攪拌圓坯連鑄裝置，該裝置由流槽、熱頂、芯棒固定支架、芯棒、結(jié)晶器、水套、感應(yīng)線圈和底模組成；所述的流槽設(shè)置于熱頂?shù)纳喜?，所述的熱頂設(shè)置于水套的上部；所述的熱頂中間設(shè)置芯棒，所述芯棒通過固定在流槽底部的芯棒固定支架安裝在熱頂中間，所述的芯棒包含冷卻單元；所述的水套設(shè)置于結(jié)晶器外，所述的感應(yīng)線圈位于結(jié)晶器的外部水套的中間，所述的感應(yīng)線圈傾斜放置，產(chǎn)生的徑向電磁推力與彎月面平行，整個(gè)裝置呈立式布置。
[0006]所述的芯棒與熱頂組成環(huán)縫式熱頂，通過改變芯棒尺寸來調(diào)節(jié)環(huán)縫寬度以及制漿室高度；芯棒半徑小于等于1/2熱頂半徑,考慮實(shí)際操作便利，芯棒半徑大于10_ ;芯棒高度大于1/2熱頂高度，小于I倍熱頂高度。
[0007]所述的芯棒及芯棒固定支架材質(zhì)為硅酸鋁、耐火纖維等低導(dǎo)熱性材料；所述的冷卻單元為設(shè)置于芯棒內(nèi)部通有冷卻介質(zhì)的冷卻通道，冷卻通道的材質(zhì)為奧氏體不銹鋼、鈦、鑰、鈷、鉻、鎳和銅等非磁性材料；冷卻介質(zhì)為空氣、水等非磁性流體。
[0008]感應(yīng)線圈傾斜放置，感應(yīng)線圈材質(zhì)為銅等高電導(dǎo)率材料，表面涂刷一層絕緣漆，線圈截面可以是橢圓形或長(zhǎng)方形等；線圈傾斜角度為O~90度；頻率為I~50Hz。
[0009]所述的底模的外徑與結(jié)晶器內(nèi)徑相同，可置于結(jié)晶器中用于向下拉坯。
[0010]采用上述設(shè)備，進(jìn)行彎月面徑向強(qiáng)剪切電磁攪拌圓坯連鑄的方法，包括:首先將底模置于結(jié)晶器中將制漿室堵嚴(yán)，然后打開冷卻水，將金屬熔體注入流槽；當(dāng)熔體經(jīng)流槽經(jīng)環(huán)縫式熱頂進(jìn)入結(jié)晶器時(shí)，熔體開始凝固，并形成初生坯殼，坯殼凝固前沿形成彎月面，同時(shí)，向下牽引底模，進(jìn)行拉坯過程，坯殼向下移動(dòng)，并逐漸增厚，最后完成凝固，使連鑄得以連續(xù)進(jìn)行；當(dāng)設(shè)備穩(wěn)定后，開啟電磁攪拌，感應(yīng)線圈產(chǎn)生沿彎月面的徑向推力，實(shí)現(xiàn)了徑向強(qiáng)剪切，彎月面會(huì)變得平坦。
[0011]在連鑄過程中，合金熔體從流槽經(jīng)環(huán)縫式熱頂快速流入結(jié)晶器并形成高速軸向流；通過芯棒散熱，降低過熱度，被結(jié)晶器一次冷卻；連鑄過程穩(wěn)定后，熔體凝固前沿形成彎月面；感應(yīng)線圈加載兩相低頻交流電流，產(chǎn)生與彎月面平行的電磁推力；鑄錠被水套冷卻水冷卻，由底模進(jìn)行拉坯，由牽引機(jī)構(gòu)完成拉坯過程。
[0012]高速的軸向流碰到彎月面后轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蛄?，徑向流被感?yīng)線圈產(chǎn)生的沿彎月面的徑向推力強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)了徑向強(qiáng)剪切；熔體被凝固鑄坯二次冷卻。
[0013]徑向流匯聚到中心部位時(shí)形成回流區(qū)，增加了熔體與芯棒的對(duì)流換熱，同時(shí)也增加了環(huán)縫式熱頂下方冷熱熔體的混合。整個(gè)流體在環(huán)縫式熱頂和結(jié)晶器里實(shí)現(xiàn)了循環(huán)。
[0014]本實(shí)用新型采 用的主要技術(shù)原理:在連鑄裝置的熱頂中心設(shè)置芯棒，熱頂和芯棒形成環(huán)縫式熱頂結(jié)構(gòu)。環(huán)縫式熱頂在熔體連鑄過程中因體積不變?cè)矶岣吡巳垠w的軸向流動(dòng)，這種軸向流在遇到彎月面后轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蛄?，傾斜放置的感應(yīng)線圈產(chǎn)生與彎月面平行的電磁力，強(qiáng)化了彎月面上的徑向剪切流，徑向流匯聚到中心部位時(shí)形成回流區(qū)，增加了熔體與芯棒的對(duì)流換熱，同時(shí)也增加了冷熱熔體的混合。整個(gè)流體在環(huán)縫式熱頂和結(jié)晶器里形成了軸對(duì)稱的循環(huán)流。這種循環(huán)流被感應(yīng)線圈產(chǎn)生的沿彎月面的徑向推力強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)了徑向強(qiáng)剪切。通過上述方法促進(jìn)了合金熔體的流動(dòng)和傳熱，熔體的溫度場(chǎng)和成分場(chǎng)趨于均勻，有利于獲得聞質(zhì)量的鑄還。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是:
[0016](I)本實(shí)用新型通過芯棒把熱頂變?yōu)榄h(huán)縫式熱頂，增加了熱頂里的軸向流，成本低，操作簡(jiǎn)單實(shí)用。
[0017](2)感應(yīng)線圈為單相線圈，制作安裝簡(jiǎn)單，使用中頻電源，無需復(fù)雜電源設(shè)備。
[0018](3)彎月面徑向強(qiáng)剪切，減輕了鑄坯徑向溫度成分差異，增加了等軸晶率，改善了初生相形貌。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本實(shí)用新型彎月面徑向強(qiáng)剪切電磁攪拌圓坯連鑄裝置的示意圖。
[0020]圖2為感應(yīng)線圈示意圖。
[0021]圖3為芯棒支架示意圖。
[0022]主要附圖標(biāo)記:
[0023]I 芯棒固定支架2 流槽[0024]3熱頂4芯棒
[0025]5水套6感應(yīng)線圈
[0026]7結(jié)晶器8鑄錠
[0027]9底模
【具體實(shí)施方式】
[0028]如圖1所示，本實(shí)用新型的彎月面徑向強(qiáng)剪切電磁攪拌圓坯連鑄裝置，由流槽2、熱頂3、芯棒固定支架1、芯棒4、結(jié)晶器7、水套5、感應(yīng)線圈6和底模9組成；流槽2設(shè)置于熱頂3的上部，熱頂3設(shè)置于水套5的上部；熱頂3中間設(shè)置芯棒4，芯棒4通過固定在流槽2底部的芯棒固定支架I安裝在熱頂3中間，芯棒4包含冷卻單元；水套5設(shè)置于結(jié)晶器7外，感應(yīng)線圈6位于結(jié)晶器7的外部水套5的中間，感應(yīng)線圈6傾斜放置，產(chǎn)生的徑向電磁推力與彎月面平行，整個(gè)裝置呈立式布置。
[0029]芯棒4與熱頂3組成環(huán)縫式熱頂，通過更換芯棒4改變環(huán)縫寬度以及制漿室高度；芯棒4半徑小于等于1/2熱頂3半徑，考慮實(shí)際操作便利，芯棒4半徑大于10_ ;芯棒4高度大于1/2熱頂3高度，小于I倍熱頂3高度。
[0030]如圖3所示為芯棒固定支架I,芯棒4及芯棒固定支架I材質(zhì)為娃酸招、耐火纖維低導(dǎo)熱性材料；冷卻單元為設(shè)置于芯棒4內(nèi)部通有冷卻介質(zhì)的冷卻通道，冷卻通道的材質(zhì)為奧氏體不銹鋼、鈦、鑰、鈷、鉻、鎳和銅等非磁性材料；冷卻介質(zhì)為空氣、水等非磁性流體。
[0031]如圖2所示，感應(yīng)線圈6傾斜放置，感應(yīng)線圈6材質(zhì)為銅高電導(dǎo)率材料，表面涂刷一層絕緣漆，線圈截面可以是橢圓形或長(zhǎng)方形等；線圈傾斜角度為O~90度；頻率為I~50Hz。
[0032]底模9的外徑與結(jié)晶器8內(nèi)徑相同，可置于結(jié)晶器8中用于向下拉坯。
[0033]首先用底模7在結(jié)晶器7的適當(dāng)高度上將制漿室堵嚴(yán)，然后打開冷卻水，隨即金屬熔體注入流槽2。由于熱頂3用保溫材料制成，因此，熔體在熱頂3中不會(huì)凝固。當(dāng)熔體進(jìn)入結(jié)晶器7時(shí)，熔體開始凝固，并形成初生坯殼，同時(shí)，向下牽引底模9，進(jìn)行拉坯過程。隨著拉坯過程的進(jìn)行，坯殼向下移動(dòng)，并逐漸增厚，最后完成凝固，即由底模9開始拉坯，由牽引機(jī)構(gòu)完成拉坯過程，使連鑄得以不斷進(jìn)行。隨著拉坯過程的進(jìn)行，熱頂3、芯棒4和底模9溫度都會(huì)升高。當(dāng)拉出Im左右的還料時(shí),設(shè)備基本穩(wěn)定,開啟電磁攪拌。隨著電磁攪拌過程的進(jìn)行，彎月面會(huì)變平坦。另外需要根據(jù)澆注熔體溫度，決定是否啟用芯棒4中的冷卻單元，以及使用多大的冷卻速度。
[0034]在連鑄過程中，合金熔體從流槽2經(jīng)環(huán)縫式熱頂快速流入結(jié)晶器7并形成高速軸向流；通過芯棒4散熱，降低過熱度，被結(jié)晶器7 —次冷卻；連鑄過程穩(wěn)定后，熔體凝固前沿形成彎月面；感應(yīng)線圈6加載兩相低頻交流電流，產(chǎn)生與彎月面平行的電磁推力；鑄錠8被水套冷卻水冷卻，由底模9進(jìn)行拉坯，由牽引機(jī)構(gòu)完成拉坯過程。
[0035]高速的軸向流碰到彎月面后轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蛄?，徑向流被感?yīng)線圈6產(chǎn)生的沿彎月面的徑向推力強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)了徑向強(qiáng)剪切；熔體被凝固鑄坯二次冷卻。徑向流匯聚到中心部位時(shí)形成回流區(qū)，增加了熔體與芯棒4的對(duì)流換熱，同時(shí)也增加了環(huán)縫式熱頂3下方冷熱熔體的混合。整個(gè)流體在環(huán)縫式熱頂3和結(jié)晶器7里實(shí)現(xiàn)了循環(huán)。
[0036]下面以制備直徑為200mm的半固態(tài)圓坯為例，來進(jìn)一步說明彎月面徑向強(qiáng)剪切電磁攪拌圓坯連鑄裝置及其使用方法。
[0037]采用彎月面徑向強(qiáng)剪切電磁攪拌圓坯連鑄裝置制備直徑為200mm的半固態(tài)圓坯，材料為A357合金，要求鑄坯表面粗糙度小于0.25，后續(xù)加工不需去皮處理，鑄坯內(nèi)非枝晶比率大于70%，平均晶粒尺寸小于150微米，用作半固態(tài)觸變成形。
[0038]首先，用底模9在結(jié)晶器7的適當(dāng)高度上將制漿室堵嚴(yán)，然后打開冷卻水，并預(yù)熱流槽2。其中水壓為0.05MPa,流槽2預(yù)熱溫度為400°C。然后將熔煉合格的A357合金熔體在680°C連續(xù)不斷地澆注到流槽2內(nèi)，同時(shí)啟動(dòng)牽引機(jī)構(gòu)以2.5mm/s的速度拉坯，澆注過程中保證熔體在流槽2在保持恒定高度。5分鐘后，啟動(dòng)攪拌器，攪拌頻率為5Hz，電流為35A。本次實(shí)施過程中未啟動(dòng)芯棒4中的冷卻單元，沒有拉漏和拉斷現(xiàn)象發(fā)生，坯料表面光滑，組織得到明顯改善，非枝晶相均為顆粒狀，鑄坯內(nèi)非枝晶比率高達(dá)90%，平均晶粒尺寸小于100微米。宏觀組織中沒有柱狀晶區(qū)和宏觀偏析；二次加熱后夾持性良好，易切削；其組織和性能完全滿足半固態(tài)加工要求。
[0039]澆注時(shí)，金屬熔體從流槽2經(jīng)環(huán)縫式熱頂3快速流入結(jié)晶器7，首先通過芯棒4散熱，降低過熱度，然后被結(jié)晶器7壁一次冷卻；碰到彎月面后軸向流轉(zhuǎn)變成徑向流，并被凝固鑄坯二次冷卻；徑向流匯聚到中心部位時(shí)形成回流區(qū)，增加了熔體與芯棒4的對(duì)流換熱，同時(shí)也增加了冷熱熔體的混合。整個(gè)流體在環(huán)縫式熱頂3和結(jié)晶器7里形成了循環(huán)流。這種循環(huán)流被感應(yīng)線圈產(chǎn)生的沿彎月面的徑向推力強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)了徑向強(qiáng)剪切。鑄坯8被水套冷卻水冷卻，由底模9開始拉坯，由牽引機(jī)構(gòu)完成拉坯過程。
【權(quán)利要求】
1.一種彎月面徑向強(qiáng)剪切電磁攪拌圓坯連鑄裝置，其特征在于:由流槽、熱頂、芯棒固定支架、芯棒、結(jié)晶器、水套、感應(yīng)線圈和底模組成；所述的流槽設(shè)置于熱頂?shù)纳喜?，所述的熱頂設(shè)置于水套的上部；所述的熱頂中間設(shè)置芯棒，所述芯棒通過固定在流槽底部的芯棒固定支架安裝在熱頂中間，所述的芯棒包含冷卻單元；所述的水套設(shè)置于結(jié)晶器外，所述的感應(yīng)線圈位于結(jié)晶器的外部水套的中間，所述的感應(yīng)線圈傾斜放置，產(chǎn)生的徑向電磁推力與彎月面平行，整個(gè)裝置呈立式布置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彎月面徑向強(qiáng)剪切電磁攪拌圓坯連鑄裝置，其特征在于:所述的芯棒與熱頂組成環(huán)縫式熱頂，所述的芯棒半徑小于等于1/2熱頂半徑，所述的芯棒高度大于1/2熱頂高度，小于熱頂高度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彎月面徑向強(qiáng)剪切電磁攪拌圓坯連鑄裝置，其特征在于:所述的芯棒及芯棒固定支架材質(zhì)為娃酸招或耐火纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的彎月面徑向強(qiáng)剪切電磁攪拌圓坯連鑄裝置，其特征在于:所述的冷卻單元為設(shè)置于芯棒內(nèi)部通有冷卻介質(zhì)的冷卻通道，冷卻通道的材質(zhì)為奧氏體不銹鋼、鈦、鑰、鈷、鉻、鎳或銅；冷卻介質(zhì)為空氣或水。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彎月面徑向強(qiáng)剪切電磁攪拌圓坯連鑄裝置，其特征在于:所述的感應(yīng)線圈表面涂刷一層絕緣漆，線圈截面為橢圓形或長(zhǎng)方形，材質(zhì)為銅，線圈傾斜角度為O?90度，頻率為I?50Hz。
【文檔編號(hào)】B22D11/115GK203610632SQ201320833436
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月17日
【發(fā)明者】湯孟歐, 徐駿, 白月龍, 張志峰, 楊必成, 李豹 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院