[发明专利]金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置和方法，具体涉及一种用于半固态金属浆料的制备或进行大体积金属熔体的强制均匀化搅拌处理的金属流变浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置及其制备方法，属于冶金、铸造等金属材料热加工领域。

背景技术

在冶金、铸造等金属材料热加工行业中，常常需要对金属熔体施加各种搅拌处理（例如半固态金属浆料制备、金属熔体强制均匀化处理等），以促进合金成份溶解，使熔体的温度、成分均匀化，具有“流变性”特征。这种对金属熔体或半固态浆料的剪切搅拌处理能够控制金属凝固过程，进而获得具有均质细晶的理想流变组织构件。目前熟知的金属浆料搅拌处理技术包括机械搅拌、电磁搅拌等，其中，电磁搅拌技术具有无接触、少污染、工艺可控性强和易于工业化应用等诸多优势。但是，金属流变浆料的电磁搅拌制备技术在实际应用中还有待完善，主要挑战的问题有如下几方面：

（1）需要对浆料形成强大的搅拌剪切作用和多向紊流效应，以强化处理效果，达到熔体浆料的高度均质化。

（2）应尽量简化装置结构、减小装置体积，以便在各种加工成形场合都能得到方便灵活的应用。

（3）搅拌装置与技术的应具备广泛的应用功能，能够进行浆料的批次供给、连续供给、以及大体积熔体供给。

（4）能够实现工业化应用。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题与要求，本发明提供了一种金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置及其流变制备方法，本发明采用在“多个曲线式环缝”内电磁搅拌法处理金属浆料的发明理念。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下的技术方案：

一种金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置，主要由坩埚，设置在坩埚内部的齿芯、曲齿筒和外齿筒，及设置在坩埚外部的加热电缆、热电偶、保温层、夹持机构和电磁搅拌器等组成。其中，齿芯竖立在坩埚内部的正中心，齿芯的外围从小到大依次同心放置一个或复数个（多个）曲齿筒，直至紧贴着坩埚内壁的外齿筒；坩埚的外壁上依次设置加热电缆、热电偶、保温层和夹持机构；坩埚的上端设有坩埚盖，坩埚盖上设置气体接口和上口；坩埚的底部设置下口及下口阀；坩埚通过夹持机构从上方或下方移入或移出环形电磁搅拌器。

齿芯、与齿芯呈同心设置的曲齿筒及外齿筒上所有相对的齿形均呈交叉咬合状，即该装置的齿芯与小曲齿筒之间、小曲齿筒与大曲齿筒之间、以及大曲齿筒与外齿筒之间相对的齿形都呈交叉咬合状，向外凸的齿尖轮廓半径≥相对应的向中心凸的齿尖轮廓半径；且齿芯、曲齿筒和外齿筒相邻之间形成均匀缝隙，即随齿形的凸凹变化在相对应的齿间形成均匀缝隙，缝隙宽度为2~200mm。曲齿筒的侧壁上随机设置连通各个缝隙之间的通孔。曲齿筒根据等效直径的大小尺寸不同，可以设置一个或多个（两个以上），这样，根据所放置曲齿筒数量的不同，随着齿形的凸凹变化，在坩埚内形成了两个或多个曲线式环缝（简称曲缝）。

坩埚的外周设置有加热电缆，加热电缆在坩埚的外周呈上下“蛇形”缠绕；加热电缆由热电偶实时进行加热温度控制。

在本发明金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置中，采用的曲齿筒可用多边形齿杆替换，多边形齿杆为复数个，呈交错排列，形成（多个）曲线式环缝。

本发明还提供了一种采用上述金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理装置，进行流变浆料制备与加工的方法，其中金属浆料在多个“曲线式环缝”内受到环形切线方向电磁力作用进行切变制浆。

一种金属浆料的多曲缝式电磁搅拌处理方法，用于金属流变浆料的制备，包括如下步骤：

（1）通过加热电缆及热电偶的控温装置将坩埚加热到处理金属浆料所需的温度，从气体接口通入保护气体，关闭下口阀，并从上口注入适量的金属熔体；

（2）随后通过夹持机构将整个坩埚体送入电磁搅拌器中央，使坩埚内各个曲缝中的金属熔体经受强电磁力搅拌；

（3）浆料搅拌完成后，打开下口阀进行连续流变铸造，或通过夹持机构将坩埚体从电磁搅拌器中移出，由上口倾转浇注实现大体积金属浆料的流变加工成形。

步骤（1）中，处理金属浆料所需的温度一般为所处理金属浆料的金属液相线温度±30℃，保护气体为惰性气体（如氮气）或硫化物气体（如六氟化硫）。

在沿环形切线方向电磁力作用下，金属浆料沿着曲线式环缝在方向复杂交变的高速率下切变流动，极大增加了流变制浆所需的剪切强度和多向紊流效应。整个制浆过程中，由于加热电缆在坩埚外周是独特的“蛇形”缠绕方式，使得加热电缆可以有效削弱电磁搅拌器诱发的电磁感应效应而进行不间断加热，精确控制制浆温度。