[发明专利]一种复合式螺旋电磁搅拌器

说明书

本发明公开了一种复合式螺旋电磁搅拌器，其可广泛应用于金属连铸、半固态铸造等材料电磁加工领域。本发明特征在于磁轭组由两套不同的独立的磁轭组复合形成；所述的磁轭组由磁轭背和若干个磁轭端部组成；磁轭背包含薄壁圆筒形、板形两种结构。磁轭端部分别布置在两种磁轭背上，且所述磁轭端部均匀设置在铸坯外周，所有磁轭端面所在平面的法线夹角为30‑75゜，磁极的极性面均指向铸坯中心。两种磁轭背之间有1‑100mm的间隙。供电采用两相或三相电源供给，可使用一套或者两套电源。使用两套电源时，特别适合于对轴向力需求较大的情况。本发明能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，能改善铸坯质量，抑制液面波动。

技术领域

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。

发明内容

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：