專利名稱：電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到電磁鑄造、鑄冶過程中的感應(yīng)熔煉、電磁攪拌和熱處理的感應(yīng)加熱技術(shù)，屬于熱加工領(lǐng)域。
電磁鑄造簡稱EMC(Electromagnetic Casting)，是由前蘇聯(lián)學(xué)者Getse-lev于60年代發(fā)明的無模半連續(xù)鑄造技術(shù)。其原理是以電磁感應(yīng)器取代結(jié)晶器，當(dāng)感應(yīng)器中通入交變電流時(shí)，產(chǎn)生交變電磁場
磁場作用于液體金屬形成感應(yīng)電流
與
相互作用，產(chǎn)生向內(nèi)的電磁力
約束液體金屬形成半懸浮柱體。在電磁感應(yīng)器的下方噴水冷卻，上方充填液體金屬，由于鑄機(jī)拖動(dòng)底模以一定速度下降，形成連續(xù)鑄造過程。EMC法與普通連續(xù)鑄造(DC法)相比，具有極大的優(yōu)點(diǎn)①由于電磁鑄造中液態(tài)金屬在電磁力的約束下成型，不與結(jié)晶器相接觸，所以，液體金屬在保持自由表面的狀態(tài)下水冷強(qiáng)迫凝固，鑄錠的表面光潔度可達(dá)7～8，這就消除了DC法所固有的拉、劃傷缺陷，因此，在進(jìn)一步加工前可以不銑面或少銑面，而采用DC法生產(chǎn)的鑄錠則要銑面5～15mm，這就減少了工序，大大降低了能源和原材料的消耗，②由于EMC存在電磁攪拌作用，所以，鑄錠的內(nèi)部組織致密、均勻，機(jī)械性能大幅度提高，③由于無模鑄造，所以取消了復(fù)雜的振動(dòng)和潤滑系統(tǒng)，減少了設(shè)備投資，簡化了工藝，使電磁鑄造有著極大的經(jīng)濟(jì)意義。
電磁鑄造技術(shù)，最早應(yīng)用于鋁及鋁合金的生產(chǎn)中，其以美國、德國和瑞士等的技術(shù)最為先進(jìn)。每年用EMC法生產(chǎn)的鋁合金在200萬噸以上，這顯示了取代DC的強(qiáng)勁勢頭。
有色金屬這種電磁鑄造技術(shù)，能否應(yīng)用于鋼的電磁鑄造，這已成為人們所關(guān)注的焦點(diǎn)，但迄今為止尚無實(shí)用的鋼電磁鑄造技術(shù)的報(bào)導(dǎo)。這是由于鋼EMC的難點(diǎn)在于①密度大，約是鋁的3倍，需很高的電磁壓力成型，②電導(dǎo)率低，僅為鋁的1/6，而且，透入深度大，在相同的電源參數(shù)下，鋼液表面形成的感應(yīng)電流密度小，電磁推力也小。因此，若采用現(xiàn)行的電磁感應(yīng)器需要很高的電流。例如，僅從密度的角度考慮，形成50mm高的金屬液柱，鋁需要54mT的磁通密度，而鋼則為92mT，約是鋁的1.7倍。如果綜合電磁率等其他因素，可推知鋼約需4.4倍以上于鋁EMC的感應(yīng)器電流，即20000A左右，能耗巨大。俄羅斯學(xué)者ЛеЩков.в.л采用150～250KW的電源制造出Ф300mm的圓坯，能耗接近鋁的10倍，這在實(shí)際生產(chǎn)中是難以接受的。綜合評估后，許多學(xué)者認(rèn)為鋼的電磁鑄造毫無價(jià)值，因此，遂將精力集中于冷坩堝法的研究上。冷坩堝法即是在普通連鑄結(jié)晶器上均勻切割數(shù)條微小縫隙(一般為0.1mm)，外側(cè)放置感應(yīng)線圈，施加高頻電磁場，結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生渦電流將在鋼液表面產(chǎn)生向內(nèi)的電磁推力，使鋼坯與結(jié)晶器壁實(shí)現(xiàn)“軟接觸”，同時(shí)高頻磁場的振動(dòng)抵消了機(jī)械振動(dòng)的影響，從而改善了連鑄鋼坯表面質(zhì)量。但是，這種方法能耗大、表面質(zhì)量的改善也并不十分明顯，因此，將EMC技術(shù)應(yīng)用于鋼的生產(chǎn)，是一個(gè)難題，已成為人們急需解決的關(guān)鍵問題。
現(xiàn)有電磁鑄造技術(shù)存在能耗大的基本原因在于現(xiàn)行的電磁感應(yīng)器為單匝線圈，工業(yè)上主要為圓斷面或矩形斷面的電磁成型方法，線圈為紫銅的矩形管或紫銅帶。系統(tǒng)的磁回路由液體金屬、空氣和絕緣的非磁性材料構(gòu)成，由磁路的歐姆定律可知，磁通密度Ф與線圈匝數(shù)N，感應(yīng)器電流I和回路磁阻Rm的關(guān)系為Φ=NIRm,]]>
式中l(wèi)為磁路平均長度，μ為磁導(dǎo)率，s為磁路截面積。而在高溫下，液體金屬的磁導(dǎo)率接近于真空的磁導(dǎo)率(μ0＝4π×10-7H/m)，因此，使感應(yīng)器—鑄錠所組成的整個(gè)回路的磁阻Rm很大，磁通密度Ф較小，故現(xiàn)有技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)對鋼的電磁鑄造。
另外，鋁、銅電磁鑄造中僅有約10％的有效功率用于實(shí)際的電磁鑄造過程中，而90％則消耗于系統(tǒng)的損耗。因此，在不改變感應(yīng)器電流的條件下，減小系統(tǒng)回路的磁阻Rm，可以增加感應(yīng)器內(nèi)的有效磁通。同時(shí)，如果采用特殊材料，在原磁場的激發(fā)下產(chǎn)生附加磁場使磁場增強(qiáng)，這可望在小電流條件下達(dá)到所需要的磁場條件，實(shí)現(xiàn)鋁、銅和鋼的電磁鑄造。
本發(fā)明的目的和任務(wù)是①克服現(xiàn)有技術(shù)用于鋁、銅合金其磁阻大，能耗大的不足，對鋁合金的研究表明，普通電磁感應(yīng)器僅有約10％的有效功率作用于實(shí)際鑄造過程中，而90％消耗于系統(tǒng)的損耗，②克服已有技術(shù)應(yīng)用于鋼EMC的實(shí)際生產(chǎn)中難以為人們所接受的不足，并提供一種能減少磁阻，增強(qiáng)磁場，使EMC可用于鋼的實(shí)際生產(chǎn)，同時(shí)，使現(xiàn)有用EMC生產(chǎn)的鋁及鋁合金、銅合金的能耗大為降低的技術(shù)措施，特提出本發(fā)明的技術(shù)解決方案。
本發(fā)明的基本構(gòu)思是以原有線圈的電磁感應(yīng)器作為主線圈產(chǎn)生激發(fā)磁場，以高導(dǎo)磁材料取代由空氣所占據(jù)的空間而設(shè)計(jì)的導(dǎo)磁復(fù)合線圈構(gòu)成新型復(fù)合電磁感應(yīng)器；導(dǎo)磁復(fù)合線圈減小了磁路的磁阻，同時(shí)，依據(jù)電磁場的鏡像理論，將導(dǎo)磁復(fù)合線圈與主線圈構(gòu)成復(fù)合界面，產(chǎn)生附加磁場；附加磁場與原磁場疊加，使感應(yīng)器內(nèi)的有效磁場大大增強(qiáng)，使液柱寬度減小，高度增大，實(shí)現(xiàn)小電流、低能耗條件下鋼的電磁鑄造；并將其應(yīng)用于鋁、銅等其他合金的電磁鑄造，可大大降低感應(yīng)器電流、節(jié)省能源；通過改變主線圈和導(dǎo)磁復(fù)合線圈的結(jié)構(gòu)、相對位置或絕緣物的厚度，可以增強(qiáng)和調(diào)節(jié)整個(gè)磁場強(qiáng)度與分布。
本發(fā)明所設(shè)計(jì)的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器，它是由電磁感應(yīng)器與導(dǎo)磁材料復(fù)合所構(gòu)成，它包括主線圈[6]、冷卻水室[9]、屏蔽罩[3]，其特征在于它還包括在主線圈[6]的上部、下部和外側(cè)部還設(shè)有與主線圈[6]電磁感應(yīng)器形狀相近似的高導(dǎo)磁材料制作的上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]、外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]或整體導(dǎo)磁復(fù)合線圈[12]；在上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]與主線圈[6]和外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]之間、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]與主線圈[6]和外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]之間、外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]與主線圈[6]之間，加有絕緣材料構(gòu)成的絕緣物[2]。
本發(fā)明的進(jìn)一步特征在于上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]、外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]、整體導(dǎo)磁復(fù)合線圈[12]，可由多個(gè)塊狀體[11]所構(gòu)成，并在各塊狀體[11]間加有絕緣物[2]；上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]、外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]、整體導(dǎo)磁復(fù)合線圈[12]，可以設(shè)計(jì)成圓形體線圈、方形體線圈、長方體線圈或異型體線圈；為控制金屬液柱的高度和其頂部的曲率半徑，上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]的內(nèi)側(cè)面與水平面間的夾角β設(shè)為90°～30°角，通常為90°，75°，60°或45°角；上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]的內(nèi)側(cè)面與主線圈[6]內(nèi)側(cè)面其水平方向的相對距離d為-50mm≤d≤2000mm，通常為0mm或2mm或5mm或10mm，以控制結(jié)晶器內(nèi)的磁場強(qiáng)度和均勻性；絕緣物[2]的厚度δ為0≤δ≤50mm，通常為δ≤0.1mm；上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]、外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]，可以單獨(dú)與主線圈[6]電磁感應(yīng)器配合使用或經(jīng)不同組合后與主線圈[6]電磁感應(yīng)器配合使用；本發(fā)明所述的高導(dǎo)磁材料復(fù)合線圈(即上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]，外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]和整體導(dǎo)磁復(fù)合線圈[12])是由磁導(dǎo)率大于真空磁導(dǎo)率的導(dǎo)磁材料制做，通常用Fe、Co、Ni及其合金、硅鋼以及鐵氧體材料制做；本發(fā)明所述的主線圈[6]電磁感應(yīng)器，是由導(dǎo)磁率大于鋼的材料制做，通常用Al、Cu以及超導(dǎo)材料制做；本發(fā)明中的絕緣物是由絕緣電阻大于104Ω的絕緣材料制做，通常為絕緣紙(包括紙板)、油紙、漆布或帶，絕緣漆、薄膜、云母及各種絲布等。
本發(fā)明技術(shù)的復(fù)合電磁感應(yīng)器，可以應(yīng)用于鋼、鐵等黑色金屬及其合金的電磁熔煉、電磁攪拌、電磁鑄造，可生產(chǎn)25鋼、45鋼、16Mn、15MnV、40Cr、35GrMo、GCr15、CrWMn、T8等各種鋼坯的生產(chǎn)；可以應(yīng)用于鋁、銅及其合金的電磁熔煉、電磁攪拌、電磁鑄造，可以生產(chǎn)3004、5182、2024、6063、7075等各種牌號的鋁合金、可應(yīng)用于鋼的電磁連鑄，即冷坩堝鑄造技術(shù)；可以應(yīng)用于金屬熱處理的感應(yīng)加熱技術(shù)。
電磁鑄造所采用的基本設(shè)備包括電源、淬火變壓器、電磁感應(yīng)器、屏蔽罩、冷卻水室、熔化爐、澆注系統(tǒng)和拉坯系統(tǒng)。在上述設(shè)備中，電磁感應(yīng)器是關(guān)鍵的賴以成型的裝置。為了縮短由感應(yīng)器，半懸浮金屬液柱和環(huán)境所組成的系統(tǒng)磁路，減少系統(tǒng)磁阻，并產(chǎn)生激發(fā)電磁場，使原系統(tǒng)磁場增強(qiáng)，同時(shí)調(diào)整、控制磁場分布，維持液體金屬靜壓力與電磁壓力間的平衡，并抑制液體金屬流動(dòng)，保持液柱穩(wěn)定，在電磁感應(yīng)器中設(shè)有導(dǎo)磁復(fù)合線圈，可大大減少感應(yīng)器工作電流和能源的消耗。電磁感應(yīng)器，是承接由淬火變壓器輸出的中、高頻交流電，產(chǎn)生交變電磁場，使?jié)沧⒌慕饘僖盒纬砂霊腋〗饘僖褐?br> 復(fù)合電磁感應(yīng)器系統(tǒng)，電磁鑄造的工藝流程是①調(diào)整電磁感應(yīng)器，屏蔽罩，冷卻水室和底模的水平與相對位置，②將底模升入感應(yīng)器中，使其頂面位于感應(yīng)器主線圈與下導(dǎo)磁復(fù)合線圈交界處，③啟動(dòng)電源，并調(diào)整功率，頻率和感應(yīng)器電流等電磁參數(shù)至規(guī)定值，④澆注液體金屬于底模中，當(dāng)形成的半懸浮金屬液柱的高度，達(dá)到規(guī)定值(一般為30～40mm)時(shí)，開啟拉坯系統(tǒng)，使鑄造速度按一定模式逐漸過渡到正常值，⑤當(dāng)鑄造過程中進(jìn)入穩(wěn)定階段后，鑄造速度基本保持恒定，此時(shí)，要嚴(yán)格控制澆注速度，使其與鑄造速度相匹配以保持液柱恒定，直至鑄造完畢。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是①由于采用高導(dǎo)磁材料制作的上、外側(cè)、下和整體導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、[7]、[8]、[12]，從而減小了系統(tǒng)回路的磁阻，并產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場，使感應(yīng)器的有效磁通大大增強(qiáng)，因此，在不改變現(xiàn)有感應(yīng)器電流的條件下，可以實(shí)現(xiàn)小電流、低能耗鋼的電磁鑄造，這就一方面改善了鋼坯的表面質(zhì)量，消除軋制過程中因表面質(zhì)量差而引起的各種缺陷，同時(shí)，由于電磁攪拌作用，可以細(xì)化鋼坯的凝固組織、使其致密、均勻并減少偏析，大幅度提高機(jī)械性能，另一方面，由于無模成型，取消了復(fù)雜的振動(dòng)和潤滑系統(tǒng)，其經(jīng)濟(jì)效益是不言而喻的，②本發(fā)明技術(shù)仍可用于鋁、銅及其合金的電磁鑄造，此時(shí)，可大大降低了感應(yīng)器的電流，從而顯著的降低能耗，一般能源可降低300％以上，③本發(fā)明技術(shù)所設(shè)計(jì)的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器，可以用于多種錠型鋼坯的電磁連鑄，通過調(diào)整各導(dǎo)磁復(fù)合線圈的相對探入深度，使所感興趣的區(qū)域的磁場強(qiáng)度增大，使結(jié)晶器內(nèi)的磁場的均勻化。
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)

圖1是本發(fā)明電磁鑄造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中顯示，電磁鑄造是由在主線圈[6]的上部、外側(cè)部和下部設(shè)計(jì)有上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]和下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]所構(gòu)成的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器而實(shí)現(xiàn)的。為了緊固在其外部設(shè)有檔板[1]，下部設(shè)有冷卻水室[9]，在其主線圈[6]與上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]之間和上、下和外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5、8、7]之間，均加有絕緣物[2]。金屬液[4]在電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器和屏蔽罩[3]的作用下，形成半懸浮液柱，該液柱經(jīng)冷卻水室[9]噴水冷卻而形成鑄錠[10]。箭頭方向?yàn)殍T錠[10]的運(yùn)動(dòng)(即拉坯)方向。β角的大小根據(jù)金屬液面的弧度要求來確定。
圖2是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中顯示，電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器是一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，是由主線圈[6]和上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈復(fù)合而成。C-C為剖面符號。
圖3是圖2的C-C剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中顯示在主線圈[6]的上部、外側(cè)部和下部，分別設(shè)計(jì)有上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]和下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]，在它們之間均加有絕緣物[2]。β角成90°。
圖4為現(xiàn)有技術(shù)所采用的電磁感應(yīng)器(即主線圈[6])的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。A-A為剖面符號及方向。
圖5是圖4的A-A部面結(jié)構(gòu)示意圖，符號同圖4。
圖6是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種圓型上、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。它們各由8個(gè)弧型塊狀體[11]所組成。在各塊狀體[11]之間均加有絕緣物[2]，C-C為剖面符號及方向。
圖7是圖6的C-C剖面結(jié)構(gòu)示意圖，其符號均同圖6。
圖8是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種矩型上、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈的俯視示意圖。它們各是由8個(gè)矩型、8個(gè)梯型的塊狀物[11]所組成。在各塊狀體[11]之間均加有絕緣物[2]，B-B是剖面及方向。
圖9是圖8的B-B剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖中符號均同圖8。
圖10是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種圓型外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈俯視示意圖。
圖中顯示，在由8個(gè)弧型塊狀物[11]之間均加有絕緣物[2]，A-A為剖面符號及方向。
圖11是圖10的A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖。符號均同圖10。
圖12是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種矩型外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中顯示，在由7個(gè)矩型及8個(gè)梯型狀的塊狀體[11]所組成的外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈，其各塊狀體[11]之間均加有絕緣物[2]，B-B是剖面符號及方向。
圖13是圖12的B-B剖面結(jié)構(gòu)示意圖，圖中符號均同圖12。
圖14是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]其β角小于90°時(shí)的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器。
圖中的符號[6]是主線圈。B-B為剖面符號及方向。
圖15是圖14的B-B剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中顯示，上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]的β角小于90°，各導(dǎo)磁復(fù)合線圈之間及各導(dǎo)磁復(fù)合線圈與主線圈[6]之間均加有絕緣物[2]。下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]及上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]的內(nèi)徑小于主線圈[6]的內(nèi)徑。
圖16是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的其外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈與主線圈[6]帶有α傾角結(jié)構(gòu)的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
符號[5]上導(dǎo)磁復(fù)合線圈，D-D為剖面符號及方向。
圖17是圖16的D-D剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中顯示出，主線圈[6]與外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]均與其中心線傾斜α角度。它們之間及它們與上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]及下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]之間，均加有絕緣物[2]。
圖18是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種上、下及外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈，均由8個(gè)弧型塊狀物[11]所組成的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。在各塊狀物[11]之間加絕緣物[2]。圖中符號[6]為主線圈，A-A為剖面符號及方向。
圖19是圖18的A-A剖面的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中顯示，上、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5，8]其內(nèi)徑均小于主線圈[6]的內(nèi)徑。圖中其他符號均同圖18，而符號[7]為外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈。
圖20是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的由主線圈[6]與外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]所組合的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖21是帶有傾角α的主線圈[6]與外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]所組合的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖22是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的由主線圈[6]與上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]所組合的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖23是帶有β角小于90°的上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]與主線圈[6]所組合的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖24是由內(nèi)徑小于主線圈[6]內(nèi)徑的上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]與主線圈[6]所組合的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖25是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的由主線圈[6]與下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]所組合的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖26是由內(nèi)徑小于主線圈[6]內(nèi)徑的下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]與主線圖[6]所組合的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖27是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的由主線圈[6]與上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]和外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]所組合的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖28是由β角小于90°的上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]與主線圈[6]及外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]所組合的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖29是由內(nèi)徑小于主線圈[6]內(nèi)徑的上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]與主線圈[6]及外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]所組合的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖30是由主線圈[6]、外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]及下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]所組合的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖31是內(nèi)徑小于主線圈[6]內(nèi)徑的下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]與主線圈[6]及外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]所組合的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖32是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的由上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、主線圈[6]及下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]所組合的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖33是由內(nèi)徑小于主線圈[6]內(nèi)徑的上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]與主線圈[6]所組合的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖34是帶有β小于90°角的上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]與主線圈[6]及下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]所組合的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖35是由上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]與下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]其內(nèi)徑均小于主線圈[6]內(nèi)徑，與主線圈[6]所組合的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。與圖33不同之處在于上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]的β角小于90°。
圖36是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的由主線圈[6]與上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]及外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]所組合的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖37是由內(nèi)徑小于主線圈[6]內(nèi)徑的上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]和下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]與外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]、主線圈[6]所組合的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖38是由β角小于90°的上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]與主線圈[6]、外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]所組合的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖39是由內(nèi)徑小于主線圈[6]內(nèi)徑的上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]與外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]、主線圈[6]所組合的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。與圖37不同之處在于其上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]的β角小于90°。
圖40是電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器，在冷坩堝鑄造技術(shù)中應(yīng)用的實(shí)例，該圖是其俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中顯示，在矩形冷坩堝[13]的外面，設(shè)計(jì)有電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器，本實(shí)施例中，其高度與冷坩堝高度相同，主線圈[6]和設(shè)計(jì)在其上面的上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]及下導(dǎo)磁復(fù)合線圈均靠近冷坩堝。而外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈則在主線圈[6]的外側(cè)，并與其等高，上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈、外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈，各均由4個(gè)條形塊狀體[11]所構(gòu)成。符號C-C是剖面及方向，符號[2]是絕緣物。
圖41是圖40的C-C剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
符號[7]、[8]和[9]分別是外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈和冷卻水室。其他符號同圖40。
圖42是圖40當(dāng)采用小冷坩堝時(shí)(或更換不同型號的冷坩堝時(shí))的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
在此種情況下，將冷坩堝[13]放入靠近主線圈[6]中心位置(也可偏向某一側(cè))，而主線圈[6]及外側(cè)導(dǎo)磁線圈的位置沒有變動(dòng)，主線圈[6]距冷坩堝[13]一定距離，而上導(dǎo)磁線圈[5]、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈則向中心位置探入一定深度，其目的是使所感興趣的區(qū)域磁場增強(qiáng)，并取得與其他各點(diǎn)相近的分布，使結(jié)晶器(即冷坩堝[13])內(nèi)磁場均勻。各塊狀體[11]及各導(dǎo)磁復(fù)合線圈間，均設(shè)有絕緣物[2]，E-E是剖面符號及方向。
圖43是圖42的E-E剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中符號[7]、[8]和[9]分別是外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈和冷卻水室，其他符號均同圖42。
圖44是電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器在冷坩堝鑄造技術(shù)應(yīng)用中，采用整體復(fù)合線圈[12]時(shí)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中顯示，在冷坩堝(即結(jié)晶器)[13]的外面，設(shè)有電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器。設(shè)在冷坩堝[13]外面的主線圈[6]，其上部、外側(cè)部和下部均被整體導(dǎo)磁復(fù)合線圈[12]所包圍，它是采用多個(gè)塊狀體所構(gòu)成。符號[9]、[2]是冷卻水室和絕緣物。
圖45是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種異型結(jié)構(gòu)形式的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中顯示出該異型結(jié)構(gòu)是一個(gè)八棱形的結(jié)構(gòu)，上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]是由8個(gè)梯形塊狀物[11]所構(gòu)成(下導(dǎo)磁復(fù)合線圈及外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈也同)，在各塊狀物之間均加有絕緣物[2]，上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]的口徑小于主線圈[6]的口徑，即上導(dǎo)磁復(fù)合線圈(下導(dǎo)磁復(fù)合線圈也同)[5]向內(nèi)(主線圈[6]的中心)探入一定深度。符號F-F是剖面及方向。
圖46是圖45的F-F剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中顯示，由8個(gè)梯形結(jié)構(gòu)的塊狀物[11]所組成的上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]均向主線圈內(nèi)探入一定深度，而外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]處于主線圈[6]的外側(cè)。在上、外側(cè)、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、[7]、[8]之間及它們與主線圈[6]之間以及各塊狀[11]之間，均設(shè)有絕緣物[2]。
本發(fā)明具體實(shí)施例如下實(shí)施例1一種易拉罐用牌號為3004的鑄造鋁合金，其化學(xué)成份為0.3％Si，0.7％Fe，0.25％Cu，1.2％Mn，1.1％Mg，0.25％Zn，余者為Al。在碳硅棒式反射式電阻爐內(nèi)熔煉，其熔量為300kg，采用本發(fā)明電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器，實(shí)施如下主線圈[6]是圓環(huán)形，斜邊，其傾角α＝30°，上部內(nèi)徑Ф內(nèi)上＝190mm，下部內(nèi)徑Ф內(nèi)下＝174mm，高度h＝35mm，由厚度為3mm的紫銅板制成。
導(dǎo)磁復(fù)合線圈結(jié)構(gòu)為圓環(huán)形，其上、下及外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈，各均由四個(gè)塊狀體[11]所組成。上、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、[8]，其參數(shù)為；上、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈的內(nèi)徑Ф內(nèi)＝166mm，外徑Ф外＝366mm，高度hc＝25mm，由厚度為0.1mm硅鋼片水平疊放而構(gòu)成。外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]其外徑Ф外＝366mm，內(nèi)徑的上部為Ф內(nèi)上＝198mm，其內(nèi)徑下部為Ф內(nèi)下＝182mm，由厚度為0.1mm硅鋼片垂直疊放。
在塊狀體[11]間、塊狀體與主線圈[6]間，采用聚酰亞胺漆絕緣，硅鋼片由玻璃絲布綁扎，并涂有樹脂漆。
將主線圈[6]，上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]，外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]，下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]，按本發(fā)明的設(shè)計(jì)要求，裝配在結(jié)晶器外周，然后用環(huán)氧樹脂檔板[1]把緊。
電磁鑄造工藝過程是第一步調(diào)整復(fù)合電磁感應(yīng)器、屏蔽罩[3]、冷卻水室[9]及底模的水平與相對位置；第二步將底模升入復(fù)合電磁感應(yīng)器中，使其頂面位置在感應(yīng)器與下導(dǎo)磁復(fù)合線圈交界處；第三步啟動(dòng)電源向復(fù)合電磁感應(yīng)器通電，調(diào)整功率、頻率和感應(yīng)器電流分別至10KW(普通感應(yīng)器則為32KW)，2500HZ和1500A(用普通感應(yīng)器則4800A)；第四步，澆注3004鋁合金液體于底模中，當(dāng)形成的半懸浮液柱高度達(dá)到35mm時(shí)，調(diào)整冷卻水量至3m3/h，并啟動(dòng)拉坯系統(tǒng)；第五步，調(diào)整鑄速，初始鑄速為3cm/min，50秒后，冷卻水噴至鑄錠，在20秒內(nèi)將鑄速調(diào)整至12cm/min，并保持恒定；第六步，嚴(yán)格控制澆注速度，使其與鑄速相匹配并保持液位恒定高度在h＝35mm；第七步，當(dāng)鑄錠長度達(dá)3米后，停止?jié)沧ⅲT錠完全凝固后，關(guān)閉電源系統(tǒng)而停機(jī)，取出鑄錠，待用。
第八步，鑄錠的質(zhì)量檢查。
經(jīng)檢驗(yàn)表面光潔度8(未采用本技術(shù)，即普通連續(xù)鑄錠則為4)，抗拉強(qiáng)度σb＝240MPa(普通連鑄錠σb＝210MPa)，延伸率δ＝18.2％(普通連鑄錠δ＝11.5％)實(shí)施例2通常的45號碳素結(jié)構(gòu)鋼，其化學(xué)成為0.42～0.49％C，0.18～0.37％Si，0.50～0.80％Mn，≤0.25％Cr，0.25％Ni，≤0.040％S，≤0.040P。要求采用本發(fā)明技術(shù)的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器，在不改變主線圈原有大小尺寸的基礎(chǔ)上，實(shí)施電磁連續(xù)鑄造，生產(chǎn)比原來小鑄錠。
原有主線圈[6]是矩形、直邊，尺寸為長×寬×高＝1000×400×40(單位mm，下同)，由厚度為5mm紫銅板制成；采用結(jié)晶器尺寸為400×180×350，厚度δ1＝20mm材質(zhì)為紫銅，切縫數(shù)為50個(gè)，結(jié)晶器內(nèi)壁最大磁感應(yīng)強(qiáng)度30mT。
所采用的上、下、外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、[8]、[7]為矩形環(huán)狀，均由10個(gè)塊狀體構(gòu)成，內(nèi)框尺寸為1000×400，外框尺寸為2000×1000，上導(dǎo)磁復(fù)合線圈厚度為δ上＝200mm，下導(dǎo)磁復(fù)合線圈厚度為δ下＝110mm，外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈厚度為δ側(cè)＝100mm。
導(dǎo)磁復(fù)合線圈向長度方向的探入深度為300mm，向?qū)挾确较蛱饺肷疃葹?10mm。
上、下、外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈是由厚度為0.1mm的硅鋼片疊制成的塊狀體，用玻璃絲布綁扎，涂有樹脂固定，塊狀體間或塊狀體與感應(yīng)器間采用聚酰亞胺漆絕緣。
對45鋼的電磁連續(xù)鑄造工藝過程的控制步驟如下第一步，更換結(jié)晶器。以400×180×350的小結(jié)晶器更換1000×400×350的大結(jié)晶器，并調(diào)整冷卻、潤滑和振動(dòng)系統(tǒng)；第二步，安裝并調(diào)整電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)系統(tǒng)，使上、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈與結(jié)晶器外壁相接并固定；第三步，起動(dòng)電源系統(tǒng)，將感應(yīng)器電流和頻率調(diào)整至2500A和1000HZ；第四步，將已熔化的鋼水(1620℃)經(jīng)中間罐澆到結(jié)晶器內(nèi)，至規(guī)定高度后(距冷坩堝頂面50mm處)，起動(dòng)拉坯系統(tǒng)，調(diào)整冷卻水量至10m3/h；第五步，開啟潤滑和振動(dòng)系統(tǒng)，鑄機(jī)以0.2m/min的初速度引錠，當(dāng)二冷區(qū)水噴至鑄錠時(shí)，逐漸將鑄造速度調(diào)整至1.0m/min；第六步，控制澆注，潤滑和振動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，至鑄造過程結(jié)束，關(guān)閉電源，停機(jī)，取出鑄錠。
第七步，鑄錠的質(zhì)量檢驗(yàn)(在括號內(nèi)的數(shù)字均為未使用本發(fā)明技術(shù)的數(shù)字以“原”字注明)。
結(jié)果鑄坯表面光潔度5(原3以下)抗拉強(qiáng)度σb＝850MPa(原7.50MPa)，屈服強(qiáng)度σs＝550MPa(原500MPa)，延伸率δ＝19％(原16％)，沖擊韌性ak＝6.5kg·m/cm2(原5.8kg·m/cm2)。
權(quán)利要求
1.電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器，是由電磁感應(yīng)器和導(dǎo)磁材料復(fù)合所構(gòu)成，它包括主線圈[6]、冷卻水室[9]、屏蔽罩[3]，其特征在于，它還包括a)在主線圈[6]的上部、下部和外側(cè)部設(shè)有與主線圈[6]電磁感應(yīng)器形狀相近似的高導(dǎo)磁材料制做的上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]、外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]或整體導(dǎo)磁復(fù)合線圈[12]，b)在上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]與主線圈[6]和外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]之間，下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]與主線圈[6]和外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]之間，外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]與主線圈[6]之間，加有絕緣材料構(gòu)成的絕緣物[2]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器，其特征在于；上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]，下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]，外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]、整體導(dǎo)磁復(fù)合線圈[12]，可由多個(gè)塊狀體[11]所構(gòu)成，并在各塊狀體[11]之間加有絕緣物[2]。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器，其特征在于上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]、外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]、整體導(dǎo)磁復(fù)合線圈[12]，可以設(shè)計(jì)成圓形體線圈、方形體線圈、長方體線圈或異型體線圈。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器，其特征在于上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]的內(nèi)側(cè)面與水平面間的夾角β為90°～30°角，通常為90°，75°，60°或45°角。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器，其特征在于上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]，下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]的內(nèi)側(cè)面與主線圈[6]內(nèi)側(cè)面其水平方向的相對距離d為-50mm≤d≤2000mm，通常為0或2或5或10mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器，其特征在于絕緣物[2]的厚度δ為0≤δ≤50mm，通常為δ≤0.1mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器，其特征在于上導(dǎo)磁復(fù)合線圈[5]、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈[8]、外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈[7]，可以單獨(dú)與主線圈[6]電磁感應(yīng)器配合使用或經(jīng)不同組合后與主線圈[6]電磁感應(yīng)器配合使用。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器，其特征在于所述的高導(dǎo)磁材料是磁導(dǎo)率大于真空磁導(dǎo)率的導(dǎo)磁材料，通常為Fe、Co、Ni及其合金、硅鋼以及鐵氧體材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器，其特征在于主線圈[6]電磁感應(yīng)器是由導(dǎo)電率大于鋼的材料制做，通常用Al、Cu以及超導(dǎo)材料制做。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器，其特征在于，絕緣物[2]是由絕緣電阻大于104Ω的絕緣材料構(gòu)成，通常為絕緣紙(包括紙板)、油紙、漆布或帶、絕緣漆、薄膜、云母及各種絲布等。
全文摘要
熱加工領(lǐng)域中的電磁鑄造用復(fù)合電磁感應(yīng)器,由電磁感應(yīng)器和導(dǎo)磁材料復(fù)合而成,包括主線圈(6)、冷卻水室(9)和屏蔽罩(3),特征是,還包括,在主線圈外部設(shè)有高導(dǎo)磁材料制做的上導(dǎo)磁復(fù)合線圈(5)、下導(dǎo)磁復(fù)合線圈(8)、外側(cè)導(dǎo)磁復(fù)合線圈(7),在各導(dǎo)磁復(fù)合線圈間及與主線圈間、塊狀體(11)間,加有絕緣物(2),優(yōu)點(diǎn):①減小磁阻增大磁場,實(shí)現(xiàn)小電流低能耗下的電磁鑄造,降低能耗300%以上;②調(diào)整導(dǎo)磁復(fù)合線圈的相對位置,使感光趣區(qū)域磁場增大,結(jié)晶器內(nèi)磁場均勻。
文檔編號H05B6/36GK1208317SQ9711289
公開日1999年2月17日 申請日期1997年8月10日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月10日
發(fā)明者張興國, 金俊澤, 孫振宇 申請人:大連理工大學(xué)