專利名稱：控制鋁鈦硼(碳)合金中TiB₂(TiC)顆粒團平均名義直徑的電磁感應(yīng)熔煉電爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金工業(yè)熔煉設(shè)備，更具體地說，涉及一種控制鋁鈦硼(碳)合金中 TiB2(TiC)顆粒團平均名義直徑的電磁感應(yīng)熔煉電爐。
背景技術(shù)：
鋁鈦硼(或鋁鈦碳，下同)合金是一類目前在全球范圍內(nèi)鋁材加工中普遍使用并 最為有效的細化鋁及鋁合金凝固晶粒的中間合金。在鋁或鋁合金中加入上述鋁鈦硼(碳) 合金，可以使得鋁或鋁合金凝固晶粒細化，進而使其屈服強度、壓延塑性及韌脆轉(zhuǎn)變溫度 等性能都有很大改善。目前在全球范圍內(nèi)普遍使用并且能有效實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的鋁鈦硼 (碳)中間合金的制造方法是用氟鈦酸鉀和氟硼酸鉀與鋁熔體進行的熱還原反應(yīng)法(對于 鋁鈦碳合金而言，是用氟鈦酸鉀和碳與鋁熔體進行的熱還原反應(yīng)法)，這種方法產(chǎn)生大量的 TiB2(TiC)并作為細化后的鋁或鋁合金的晶粒核心。在鋁鈦硼(碳)合金中，TiB2(TiC)以 顆粒團的形式存在，其本身的平均名義直徑越細小，其對鋁或鋁合金的凝固晶粒細化能力 就越強。但是，在現(xiàn)有技術(shù)中，通常是在電阻坩堝熔煉爐或單頻(通常是工頻)電磁感應(yīng)熔 煉電爐中進行上述鋁熱還原反應(yīng)的，其生產(chǎn)出來的鋁鈦硼(碳)合金中TiBjTiC)顆粒團 平均名義直徑較大，從而使得被這種具有較大TiBjTiC)顆粒團的鋁鈦硼(碳)合金細化 后的鋁或鋁合金的凝固晶粒尺寸較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)中鋁鈦硼(碳)合金中的TiBjTiC) 顆粒團平均名義直徑較大從而使得由其細化后的鋁或鋁合金的凝固晶粒尺寸較大的缺陷， 提供一種在其反應(yīng)過程中控制上述鋁鈦硼(碳)合金中TiBjTiC)顆粒團平均名義直徑的 電磁感應(yīng)熔煉電爐。 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種控制鋁鈦硼(碳)合金中 TiB2(TiC)顆粒團平均名義直徑的電磁感應(yīng)熔煉電爐，包括用于盛放金屬或合金熔體的爐 體及設(shè)置在所述爐體外表面的線圈，所述線圈中通過交變電流，所述爐體內(nèi)的金屬或合金 感應(yīng)到所述電流產(chǎn)生的磁場而發(fā)熱，所述線圈為多層，所述多層線圈中每個線圈流過的驅(qū) 動電流的頻率各不相同。 在本發(fā)明所述的電磁感應(yīng)熔煉電爐中，所述線圈包括流過第一頻率電流的第一層
線圈、流過第二頻率電流的第二層線圈和流過第三頻率電流的第三層線圈。 在本發(fā)明所述的電磁感應(yīng)熔煉電爐中，所述第一層線圈、第二層線圈和第三層線
圈分別以所述爐體為圓心并以不同的直徑包圍所述爐體；所述第三層線圈靠近所述爐體外
表面，所述第一層線圈遠離所述爐體外表面，所述第二線圈位于所述第一線圈和第三線圈之間。 在本發(fā)明所述的電磁感應(yīng)熔煉電爐中，所述第三線圈與所述爐體的半徑之差、第一線圈和第二線圈的半徑之差以及第二線圈和第三線圈的半徑之差分別為5-15厘米。
在本發(fā)明所述的電磁感應(yīng)熔煉電爐中，所述三個線圈的導體外表面分別設(shè)置有絕緣層。 在本發(fā)明所述的電磁感應(yīng)熔煉電爐中，所述第一頻率為50Hz，所述第二頻率為 500-1200Hz，所述第三頻率為1500-2500Hz。 在本發(fā)明所述的電磁感應(yīng)熔煉電爐中，還包括并接在所述第一層線圈上的第一補 償電容、并接在所述第二層線圈上的第二補償電容和并接在所述第三層線圈上的第三補償 電容。 在本發(fā)明所述的電磁感應(yīng)熔煉電爐中，所述第一補償電容值為40-120 ii F，第二補 償電容值為400-1000 ii F，第三補償電容值為800-1800 y F。 在本發(fā)明所述的電磁感應(yīng)熔煉電爐中，還包括用于控制所述第一層線圈、第二層 線圈和第三層線圈同時通電工作的線圈驅(qū)動控制裝置，所述控制裝置輸出分別與所述各線 圈端點連接，并設(shè)置在同一控制柜中。 實施本發(fā)明的控制鋁鈦硼(碳)合金中TiB2(TiC)顆粒團平均名義直徑的電磁感 應(yīng)熔煉電爐，具有以下有益效果由于在所述爐體外部設(shè)置有多層線圈，而且這些線圈流過 的電流的頻率各不相同。于是，在上述爐體內(nèi)部有多個交變磁場疊加，使得上述爐體內(nèi)部各 部分均受到磁力的作用，使得得到的鋁鈦硼(碳)合金中TiB2(TiC)顆粒團平均名義直徑 更為細小，進而提高了鋁鈦硼(碳)合金對鋁或鋁合金凝固晶粒細化能力。


圖1是本發(fā)明一種控制鋁鈦硼(碳)合金中TiB2(TiC)顆粒團平均名義直徑的電 磁感應(yīng)熔煉電爐實施例的軸向剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是圖1中的A-A向剖面圖； 圖3是所述實施例中鋁鈦硼在電磁感應(yīng)熔煉電爐中的熔煉流程圖。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖(及)和實施例對本發(fā)明作進一步說明。 如圖1和圖2所示，在本發(fā)明的一種控制鋁鈦硼(或鋁鈦碳)合金中TiB2 (或TiC) 顆粒團平均名義直徑的電磁感應(yīng)熔煉電爐實施例中，該電磁感應(yīng)熔煉電爐包括爐體1以及 設(shè)置在爐體1外表面的線圈2。其中，上述爐體1用于盛放需要熔煉的金屬或合金，爐體1 包括一個爐壁11及該爐壁所形成的一個盛放金屬或合金的空間12 ;上述線圈設(shè)置在爐壁 11的外部，并在爐體1的軸向(即圖1中剖開方向)上以不同的直徑包圍上述爐壁11。在 工作時，上述線圈2在控制裝置(圖中未示出)的控制或驅(qū)動下，流過交變電流，該交變電 流在上述空間12內(nèi)形成變化的磁場，爐體1的空間12內(nèi)的金屬或合金感應(yīng)到上述交變電 流產(chǎn)生的磁場，其切割上述磁場的磁力線并在該金屬或合金表面產(chǎn)生渦電流。由于金屬或 合金具有一定的電阻，電流流過電阻而發(fā)熱，并使該金屬或合金發(fā)熱或熔化；同時上述磁場 還對其中的的物體產(chǎn)生一定的作用力，由于在本實施例中上述合金為熔體，在上述磁場的 作用下，該熔體的受力部分將會產(chǎn)生一定的位移，當這種移動的位置較大時，會在熔體表面 形成波峰和波谷。在本實施例中，如圖1所示，上述線圈2中包括了 3層單獨的線圈，其分別為第一線圈21、第二線圈22以及第三線圈23。同時，在本實施例中，上述控制裝置輸出 到上述每個線圈流過的驅(qū)動電流的頻率是各不相同的。當然，在其它實施例中，上述線圈也 不一定就是3層，也可以是別的數(shù)目，例如，2層或4層。不同的線圈數(shù)量及其中流過電流的 頻率不一樣，使得上述爐體1中的空間12中磁場的強度及其變化程度不一樣。
如上所述，上述線圈2包括第一層線圈21、第二層線圈22和第三層線圈23 ;其 中，上述第一層線圈21流過電流的頻率為第一頻率，第二層線圈22流過電流的頻率為 第二頻率，第三層線圈23流過電流的頻率為第三頻率。在本實施例中，上述第一頻率為 50Hz，第二頻率為1000Hz，第三頻率為2100Hz。而在其它實施例中，上述第二頻率也可以在 500-1200Hz之間調(diào)整，第三頻率也可以在1500-2500Hz之間調(diào)整。這樣的頻率選取使得上 述線圈2在上述爐體1內(nèi)的交變磁場及其磁力較為有利于減小鋁鈦硼合金中TiB2顆粒之 間的凝聚力，使在反應(yīng)中形成的TiB2顆粒團的平均名義直徑得到控制。在第一實施例中， 通過試驗得知，采用上述設(shè)置的電磁感應(yīng)熔煉電爐可以將上述鋁鈦硼合金中TiB2顆粒團平 均名義直徑4-5微米降低到1. 8-2微米左右。 由電磁感應(yīng)原理可以知道，在線圈中通過電流時會產(chǎn)生穿過該線圈的磁場，變化 的電流將產(chǎn)生變化的磁場；這些磁場的分布及強度不僅與線圈的形狀相關(guān)，還與其中流過 的電流頻率相關(guān)。通常，流過線圈的電流頻率越高，其靠近線圈位置產(chǎn)生的磁力線就越密 集，相應(yīng)而言，這些位置所受到的磁力就越大。對于50Hz的工頻而言，其線圈中受到上述磁 力作用較大的位置是在線圈的中心位置，而對于1000Hz左右的電流產(chǎn)生的磁場，其作用力 較大的部分(即磁力線較為密集部分)就不在其線圈的中心部分，而在以該線圈中心位置 為軸、更加靠近線圈的對稱位置(由水平面來看，就是對稱于線圈中心軸的左右的位置)； 2100Hz的電流產(chǎn)生的磁場，其作用力較大的部分(即磁力線較為密集部分)與上述1000Hz 左右的電流相似，不過其位置更加靠近該線圈。而且，上述作用力較大位置在水平面上來看 也不是一個點，而是一個范圍。這樣，在上述通過不同頻率電流的三個線圈的作用下，上述 爐體l內(nèi)的任何位置基本上均可受到一定強度的磁力的作用。而一定強度的磁力的作用可 以減少上述TiB2顆粒的聚集趨勢，從而使得在反應(yīng)中形成的TiB2顆粒團平均名義直徑受到 控制。通過上面的描述可以得知，在本實施例中采用三個以不同的直徑分別包圍上述爐體1 的線圈，使得上述電磁感應(yīng)熔煉電爐的爐體1內(nèi)的液態(tài)合金在其橫截面上的各個位置都受 到上述線圈產(chǎn)生的電磁力作用，減少TiB2顆粒的聚集趨勢，從而使得其平均名義直徑受到 控制，即TiB2顆粒團的平均名義直徑仍然呈正態(tài)分布，但其中心的尺寸因受到控制而降低。
如圖1、2所示，在第一實施例中，上述第一層線圈21、第二層線圈22和第三層線圈 23以不同的直徑分別包圍上述爐體1中爐壁11的整個軸向外表面(即圖1中由上至下的 方向)；其中，第三層線圈23最為靠近爐體1的爐壁11的外表面，但與爐壁11保持一設(shè)定 距離(即第三層線圈的半徑大于爐壁11外表面的半徑)；而第二層線圈22包圍在上述第 三層線圈23的外部，由水平剖面圖來看，上述第三層線圈23與第二層線圈22之間存在一 設(shè)定的距離(即第二層線圈的半徑大于第三層線圈的半徑)；而第一層線圈21圍繞在上述 第二層線圈22外部，同樣，由水平剖面圖來看，上述第一層線圈21與第二層線圈22之間存 在一設(shè)定的距離(即第一層線圈的半徑大于第二層線圈的半徑)。同時，上述三層線圈分別 被固定在上述爐體1上，每層線圈的導線或銅線外部分別設(shè)置有防止線圈之間短路的絕緣 層。在本實施例中，上述每層線圈在水平面上的距離為8厘米，在其它實施例中，每層線圈之間的距離也可以在5-15厘米之間調(diào)整。具體而言，上述三層線圈之間及線圈與爐壁ll外 表面之間在水平面上的距離設(shè)置不僅可以使得線圈之間相互絕緣，減少其相互之間的耦合 (包括熱耦合)，同時，由于調(diào)整了上述線圈之間的距離，實際上也調(diào)整了上述線圈與爐體1 之間的位置關(guān)系，從而改變了該線圈產(chǎn)生的電磁場穿過上述爐體1的位置，使得爐體1中的 液態(tài)合金受到其電磁力作用的位置有所改變。因此，也可以通過調(diào)整上述線圈的位置以便 在一定程度上使得上述爐體1內(nèi)的液態(tài)合金受到上述線圈產(chǎn)生的電磁場的作用力更加均 勻。這樣的設(shè)置不僅使得上述線圈2可以充分地將其磁場分布在上述空間12內(nèi)，更加有效 地加熱上述空間12內(nèi)的金屬或合金，而且將頻率最低的線圈放在最外面，也可以有效地減 少線圈對外部的電磁干擾。 在本實施例中，上述爐體1的主體部分由碳化硅(SiC)材料構(gòu)成，以便于上述多個 線圈產(chǎn)生的電磁場可以有效地作用于盛放在其中的液態(tài)合金上。 在本實施例中，該電磁感應(yīng)熔煉電爐還包括并接在第一層線圈21上的第一 (補 償)電容(圖中未示出)、并接在第二層線圈22上的第二 (補償)電容(圖中未示出)和 并接在第三層線圈23上的第三(補償)電容(圖中未示出)。其中，所述第一補償電容值 為90 ii F，第二補償電容值為720 ii F，第三補償電容值為1200 ii F。在其它實施例中，上述第 一補償電容值也可以在40-120 ii F之間調(diào)整，第二補償電容值也可以400-1000 y F之間調(diào) 整，第三補償電容值也可以在800-1800 iiF之間調(diào)整。采用補償電容的目的在于減少交流 電流在通過上述各線圈時的波形畸變，提高功率因數(shù)，同時也減少了該感應(yīng)電爐對外部交 流電源的污染。 在本實施例中，該電磁感應(yīng)熔煉電爐還包括一個控制柜(圖中未示出)，以及設(shè)置 在上述控制柜中、分別與上述第一層線圈21、第二層線圈22及第三層線圈23端點連接的線 圈驅(qū)動控制裝置(圖中未示出)。同時工作的三個線圈使得上述空間12內(nèi)的磁場強度得到 進一步的加強，同時其交變頻率進一步加大，減少了 TiB2顆粒聚集的趨勢，控制了 TiB2顆粒 團平均名義直徑。此外，在其它實施例中，上述三層線圈也可以不是同時通電工作的，該三 個線圈可以單個輪流通電工作或兩兩輪流通電工作。 此外，圖3揭示了本實施例中鋁鈦硼合金的制備流程，該流程包括如下步驟
步驟Sll加入液態(tài)金屬鋁在本步驟中，將金屬鋁放入上述電磁感應(yīng)熔煉電爐中， 準備進行下一步的熔煉。在本實施例中，加入的是液態(tài)的鋁，即在其它地方或設(shè)備中將鋁熔 化后再放入上述爐體1內(nèi)的空間12中，這樣，在本實施例中就不需要再用較長的時間使得 金屬鋁熔化，而是只需要保持上述液態(tài)鋁的狀態(tài)并使其達到設(shè)定的溫度即可。當然，在其它 實施例中，也可以加入固態(tài)的鋁(即鋁錠)，不過此時，就需要在本步驟之后，再加上一個步 驟，即使得加入的鋁錠熔化，同時，該步驟還會持續(xù)較長時間。 步驟S12升溫加熱在本實施例中，本步驟就是使得上述電磁感應(yīng)熔煉電爐開始 工作，加熱上述液態(tài)鋁，使其保持在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，使上述感應(yīng)電爐及其中的液態(tài)鋁的 溫度保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。 步驟S13加入合金化原料在本步驟中，加入需要加入的合金成分，在本實施例 中，按照事先設(shè)定，加入上述的氟鈦酸鉀和氟硼酸鉀，充分攪拌，并在上述電磁感應(yīng)熔煉電 爐中保持一段時間，以便使上述材料與鋁液充分反應(yīng)，得到液態(tài)合金。在本實施例中，加入 的氟鈦酸鉀和氟硼酸鉀都是粉狀的。
步驟S14反應(yīng)控制TiB2顆粒團平均名義直徑當加入上述材料后，這些材料與 鋁液開始反應(yīng)，得到液態(tài)合金；同時，將上述液態(tài)合金在上述電磁感應(yīng)熔煉電爐內(nèi)保持一段 時間，此時，由于在上述感應(yīng)電爐中存在變化的電磁場，且該電磁場是多個交變電磁場的疊 加，所以，上述處于爐體中的液態(tài)合金在上述電磁感應(yīng)熔煉電爐中受到電磁場的作用而形 成其縱截面為多個波峰的液面，從而使得其每一部分都受到上述三個線圈產(chǎn)生的電磁力的 組合或單獨的作用，在得到充分的電磁攪拌的同時使其中TiB2顆粒團平均名義直徑受到控 制。值得一提的是，在上述電磁感應(yīng)熔煉電爐中，其線圈的驅(qū)動頻率越高，其產(chǎn)生的電磁場 就越靠近線圈；同時線圈上的驅(qū)動頻率越高，防止上述TiB2顆粒聚合的力量就越大，反應(yīng)中 制備的鋁鈦硼合金中TiB2顆粒團平均名義直徑就越小。正如前面所述，在采用本發(fā)明上述 實施例描述的電磁感應(yīng)熔煉電爐后，得到的鋁鈦硼合金中TiB2顆粒團平均名義直徑由采用 一般技術(shù)中的電磁感應(yīng)熔煉電爐時的5微米下降到2微米左右，極大地提高了制備的鋁鈦 硼合金對鋁或鋁合金的晶粒細化能力。 在完成上述步驟S14后，電磁感應(yīng)熔煉電爐中的鋁鈦硼就可以通過軋制或其它工 序制成鋁鈦硼合金線，用于添加在其它鋁或鋁合金中。 在上述實施例中，具體描述了控制鋁鈦硼合金中TiB2顆粒團平均名義直徑的方 法。對于鋁鈦碳合金，由于其采用的是氟鈦酸鉀加碳鋁熱反應(yīng)法，除了加入的合金材料、最 后得到的TiC顆粒團的平均名義直徑不同外，其它部分與本實施例中的鋁鈦硼合金大致是 相同的，在此不再贅述。 以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并 不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保 護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準。
權(quán)利要求
一種控制鋁鈦硼(碳)合金中TiB2(TiC)顆粒團平均名義直徑的電磁感應(yīng)熔煉電爐，包括用于盛放合金熔體的爐體和設(shè)置在所述爐體外表面的線圈，所述線圈中通過交變電流，所述爐體內(nèi)的合金感應(yīng)到所述電流產(chǎn)生的磁場而發(fā)熱，其特征在于，所述線圈為多層，所述多層線圈中每層線圈流過的驅(qū)動電流的頻率各不相同。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁感應(yīng)熔煉電爐，其特征在于，所述線圈包括流過第一頻 率電流的第一層線圈、流過第二頻率電流的第二層線圈和流過第三頻率電流的第三層線 圈。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電磁感應(yīng)熔煉電爐，其特征在于，所述第一層線圈、第二層線 圈和第三層線圈分別以所述爐體為圓心并以不同的直徑包圍所述爐體；所述第三層線圈靠 近所述爐體外表面，所述第一層線圈遠離所述爐體外表面，所述第二層線圈位于所述第一 層線圈和第三層線圈之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電磁感應(yīng)熔煉電爐，其特征在于，所述第三層線圈與所述爐 體的半徑之差、第一層線圈和第二層線圈的半徑之差以及第二層線圈和第三層線圈的半徑 之差分別為5-15厘米。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電磁感應(yīng)熔煉電爐，其特征在于，所述三層線圈的導體外表 面分別設(shè)置有絕緣層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電磁感應(yīng)熔煉電爐，其特征在于，所述第一頻率為50Hz，所述 第二頻率為500-1200Hz，所述第三頻率為1500-2500Hz。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電磁感應(yīng)熔煉電爐，其特征在于，還包括并接在所述第一層 線圈上的第一補償電容、并接在所述第二層線圈上的第二補償電容和并接在所述第三層線 圈上的第三補償電容。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的電磁感應(yīng)熔煉電爐，其特征在于，所述第一補償電容值為 40-120 ii F，第二補償電容值為400-1000 y F，第三補償電容值為800-1800 y F。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電磁感應(yīng)熔煉電爐，其特征在于，還包括用于控制所述第一 層線圈、第二層線圈和第三層線圈同時通電工作的線圈驅(qū)動控制裝置，所述控制裝置輸出 分別與所述各線圈端點連接，并設(shè)置在同一控制柜中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種控制鋁鈦硼(碳)合金中TiB2(TiC)顆粒團平均名義直徑的電磁感應(yīng)熔煉電爐，包括用于盛放合金熔體的爐體和設(shè)置在所述爐體外表面的線圈，所述線圈中通過交變電流，所述爐體內(nèi)的合金感應(yīng)到所述電流產(chǎn)生的磁場而發(fā)熱，所述線圈為多層，所述多層線圈中每層線圈流過的驅(qū)動電流的頻率各不相同。實施本發(fā)明的控制鋁鈦硼(碳)合金中TiB2(TiC)顆粒團平均名義直徑的電磁感應(yīng)熔煉電爐，具有以下有益效果由于在上述爐體內(nèi)部有多個交變磁場疊加，使得上述爐體內(nèi)部各部分均受到磁力的作用，使得得到的鋁鈦硼(碳)合金中TiB2(TiC)顆粒團平均名義直徑更為細小，進而提高鋁鈦硼(碳)合金對鋁或鋁合金的凝固晶粒細化能力。
文檔編號F27B14/14GK101782324SQ20101011016
公開日2010年7月21日 申請日期2010年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日
發(fā)明者劉超文, 張新明, 李建國, 李賽毅, 陳學敏 申請人:新星化工冶金材料(深圳)有限公司