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一种铝合金流盘铸造的熔体电磁处理方法

2021-03-17 01:26:50

一种铝合金流盘铸造的熔体电磁处理方法

  技术领域

  本发明属于铝及铝合金铸造领域,具体涉及一种铝合金流盘铸造的熔体电磁处理方法。

  背景技术

  根据Hall-Petch关系可知,细化晶粒可改善多晶体材料的强度;对于铸造合金而言,晶粒粗大和组织不均匀能够明显削弱材料的力学、变形及使役性能。因此,最大程度地细化铸造合金组织一直是合金铸造领域技术人员追求的目标。

  目前,铸造过程细化组织的方法主要包括熔体精炼变质处理、控制铸造工艺(如降低铸造速度、提高冷却速度、降低浇铸温度等)以及在铸造过程中采用机械振动、超声振动及电磁搅拌等。但熔体变质处理和控制铸造工艺细化效果有限,目前已无法满足制造领域对高质量合金锭坯的需求。研究表明,在金属和合金凝固过程中施加电磁场、超声场、组合外场等,能够显著细化均匀凝固组织,且对金属液无污染;因此,在合金铸造凝固过程中施加超声和电磁场成为进一步细化铸造组织的有效方法。研究表明,金属熔体中的原子受迫振动导致电阻瞬间减少,超声处理促使金属熔体中的短程有序结构均匀性提高,且这种结构的改变具有时效性;超声能够促进固液界面中固相熔化转变为液相,这种微观结构变化由连续加热过程中金属熔体的电阻变小来表征;连续加热过程中,随着温度提高,超声处理完全液态熔体的效果更显著。此外,电磁场亦可改变熔体微观结构;研究表明,交流磁场可破坏Sn-Pb合金熔体内的短程有序,促使部分扩展态电子转变成局域态电子,熔体的电阻增大,从而可用热电势和电阻变化来表征电磁场处理导致的金属熔体结构变化;研究结果还表明,交流磁场处理促使Al-Fe熔体中的原子团簇吸附周围原子或原子团簇而发生重组且尺寸变大,在磁场关闭后保留在熔体内成为新形核质点,组织细化。综上所述,铸造凝固过程中通过施加外部物理场处理金属熔体以改变合金组织在理论上是可行的。

  对于铝合金锭坯流盘铸造,由于其铸造效率高、速度快,施加超声处理熔体时需要有足够的时间,无法满足连铸较快速度的铸造过程;此外,铸造流盘空间占地面积较大、结构较复杂,该结构和铸造方法无法满足施加励磁线圈时每个结晶器内部有足够的空间设置线圈冷却装置。关于铝合金锭坯流盘铸造过程中施加外场的熔体处理方法和装置的相关专利和研究鲜有报道。

  发明内容

  本发明的目的是提出一种有效的熔体处理方法,以解决现有铝合金流盘铸造过程中施加外部物理场难、晶粒细化效果有限的问题,同时避免改动铸造流盘结构以及其原始铸造工装。基于磁场可改变熔体微观结构,铸造凝固过程中施加磁场可实现实时熔体处理,本发明提出在铝合金锭坯半连铸过程中不同阶段分别施加磁场对金属熔体进行处理的创新性方法,可保证充足的熔体处理时间,同时可实现不同的处理效果且避免改变铸造工装结构,是一种结构简单、操作方便、易于控制和拆装、成本低廉的高效熔体处理方法。

  为了实现上述目的,本发明的铝合金流盘铸造的熔体电磁处理方法为:

  在铝合金锭坯流盘式铸造过程中,金属熔体从熔炼炉融化到结晶器凝固成铸锭共经历三个阶段,分别是流道、中间包和铸造流盘。流道主要是用于熔炼炉、中间包、铸造流盘间的连接,承载流经的金属熔体;中间包主要用于熔体的精炼变质和除气操作、调控熔体的温度和流动条件,最大可能去除熔体中气体和非金属夹杂物,即防止短路流,减少死区,改进流线方向,增加熔体的停留时间,使金属熔体过热度保持稳定;铸造流盘主要用于分配金属熔体,使其均匀流入每个结晶器,实现多根锭坯的批量生产。

  在铝合金流盘铸造过程中,分别在流道周围、中间包外围和铸造流盘上方平面设置磁场施加装置,每个磁场施加装置主要包括硅钢片铁芯、励磁线圈和冷却水腔,励磁线圈均匀缠绕在硅钢片铁芯上并固定在冷却水腔内;励磁线圈之间通过连接导线连接,并与电源发生系统连接,能够通过电源发生系统通入不同形式的电流产生不同形式的磁场。在金属熔体流经流道、中间包和铸造流盘过程中,可针对不同阶段施加不同形式的磁场处理金属熔体,从而实现控制金属熔体流动、搅拌使熔体温度和成分分布均匀、改变熔体微观结构等。

  上述方法中,分别设置在流道周围、中间包外围和铸造流盘上方的励磁线圈的个数可以为2n或者3m或者2n+3m个,n和m为大于等于1的自然数,将线圈分为n组或m组分别施脉冲电流或三相正弦交变电流:对所述2n个励磁线圈施加脉冲电流;对所述3m个励磁线圈施加三相正弦交变电流,每m个励磁线圈串联连接,作为三相正弦交变电流的一相负载。

  上述方法中,电源发生系统可产生脉冲电流和三相正弦交变电流,优选在如下范围内调节电磁参数:电流强度I=1~500A,电磁频率ƒ=1~80Hz,最终可在在金属熔体区域中获得目标磁场强度B=1~500mT。

  上述方法中,励磁线圈优选采用由漆包铜导体和聚乙烯绝缘尼龙护套组成的耐水高低压潜水电机绕组线,以无氧铜丝为导体,励磁线圈规格为多股绞合,7/0.5mm~7/1.5mm。

  上述方法中,每个励磁线圈绕组优选为30~500匝,叠层数为2~50层。

  上述方法中,励磁线圈的绕组方式包括齿形绕组和克莱姆绕组,根据不同位置的磁场需求形式设置不同的绕组方式;齿形绕组时励磁线圈可缠绕在铁芯磁轭上或铁芯磁极上,克莱姆绕组时每个励磁线圈为一个独立装置,励磁线圈之间通过连接导线相互连接,连接方式包括单侧顺序连接、单侧间隔连接、双侧顺序连接、双侧间隔连接,根据实际励磁线圈的数量,连接时励磁线圈的间隔个数可为任意个数。

  上述方法中,励磁线圈通入三相正弦交变电流时,三相励磁线圈负载之间的连接方式包括Y型连接和Δ连接两种方式; Y型接法,相位差120°时产生行波磁场,Δ型接法,相位差120°时产生旋转磁场。

  上述方法中,用于缠绕励磁线圈的硅钢片形状为E型或矩形,外表面涂有绝缘漆。

  上述方法中,对于矩形硅钢片采用单个励磁线圈装置单冷却水腔的结构,对于E型硅钢片缠绕的励磁线圈装置,每个E型硅钢片采用一个独立的冷却水腔。

  上述方法中,流道周围的励磁线圈可分布在流道单侧、两侧或底部;中间包外围的励磁线圈分布于与金属熔体流动方向平行的平面外侧,高度方向上分布多层;铸造流盘上的励磁线圈置于铸造流盘上方,水平方向上励磁线圈之间的间距为10~50mm,高度方向励磁线圈之间的间距为20~50mm。

  上述方法中,位于冷却水腔内的励磁线圈与冷却水腔壁间的距离为5~100mm:在冷却水腔出水口侧,冷却水腔内壁与励磁线圈的距离为5~10mm;除出水口侧外,冷却水腔内壁与励磁线圈的距离大于等于10mm。励磁线圈与靠近金属熔体侧的冷却水腔壁的距离应较小,相反与另一侧的间距应较大,保证励磁线圈能够充分冷却。励磁线圈为浸水冷式冷却。

  上述方法中,冷却水腔与流道外侧壁、中间包外侧壁的距离应小于等于10mm,流道和中间包外侧的冷却水腔上表面应低于金属熔体上表面,保证磁场能够有效进入金属熔体内部,并作用于金属熔体区域。

  上述方法中,流道外壁包覆的保温材料和冷却水腔的材质优选为无磁不锈钢。

  本发明的主要技术思想:

  克服传统铝合金流盘式铸造无法施加外场处理熔体的缺点,同时避免在铸造流盘内部结晶器处添加线圈的复杂工艺,采用在铸造过程中金属熔体从熔炼炉到结晶器的过程中施加电磁场对金属熔体进行充分处理的方法,整个过程均在金属熔融状态下进行,可保证充足的磁场处理时间,同时能够实现针对不同部位设置励磁线圈、施加不同磁场形式和电磁条件,使电磁作用范围更广且根据需要可调节,可在不同阶段分别实现熔体净化、熔体搅拌、震荡使成分和温度分布均匀、改变熔体微观结构等效果,从而制备出细晶、均匀、纯净的高质量合金锭坯。本发明充分发挥了电磁场对合金熔体的作用,显著改善合金铸坯组织和成分,改善铸锭性能。

  本发明通过以上技术手段,具有以下优点和积极效果:

  1、能够同时实现针对不同部位施加不同磁场形式和电磁条件,使电磁作用范围更广且根据需要可调节,可在不同阶段分别实现熔体净化、熔体搅拌、震荡使成分和温度分布均匀、改变熔体微观结构等效果;

  2、可在金属凝固前的流动、精炼变质过程中对金属熔体全流程处理,可保证充足的磁场处理时间,熔体处理效率高、效果好,使合金锭坯的元素偏析大大降低,晶粒尺寸大幅减小,力学性能和成品率显著提高;

  3、可实现对磁场施加装置大小、数量和位置的准确调整,能够适应不同规格和数量锭坯的制备,生产场地、位置和规模的适应性强;

  4、电磁力作用于金属熔体时,不与金属液直接接触,清洁无污染;

  5、所涉及的装置结构简单,不用改变铸造流盘本身结构和其他铸造工装;

  6、特别地针对铝合金锭坯流盘批量铸造生产过程,该方法的作用装置结构简单紧凑,便于安装、拆卸和调整。

  附图说明

  图1为本发明一种铝合金流盘铸造熔体电磁处理方法的装置示意图;

  图2为本发明的硅钢片形状,其中(a)为E型硅钢片,(b)为矩形硅钢片;

  图3为本发明的励磁线圈绕组示意图,其中(a)为齿形绕组的铁芯磁轭绕组方式,(b)为齿形绕组的铁芯磁极绕组方式,(c)为克莱姆绕组;

  图4为连接脉冲电流时励磁线圈之间的连接方式示意图,其中(a)为单侧顺序连接,(b)单侧间隔连接,(c)双侧顺序连接,(d)双侧间隔连接;

  图5为连接三相正弦交变电流时励磁线圈的连接方式示意图,其中(a)为单侧顺序连接,(b)单侧间隔连接,(c)双侧顺序连接,(d)双侧间隔连接;

  图6为流道熔体内部对流示意图,其中(a)为连续对流,(b)为震荡对流;

  图7为中间包熔体内部对流示意图,其中(a)为连续对流,(b)为震荡对流;

  图8为铸造流盘内熔体内部熔体流动示意图,其中(a)为连续对流,(b)为震荡对流。

  附图中的标记如下:

  1-熔炼炉,2-硅钢片铁芯,3-励磁线圈,4-流道,5-中间包,6-铸造流盘,7-金属熔体,8-连接导线,9-电源发生系统,10-金属熔体液面,11-熔体流动轨迹示意图。

  具体实施方式

  下面结合附图对本发明方法和装置进一步说明,用于进一步解释和说明本发明方法,不作为对本发明的限定。

  本发明实施例中针对5行×4列共20根铝合金圆锭流盘铸造。

  本发明实施实例中励磁线圈3采用的耐水高低压潜水电机绕组线,规格为7/1mm。

  本发明实施实例中硅钢片铁芯2采用E型或矩形硅钢片堆叠而成,硅钢片表面涂有绝缘漆,每片厚度约为3.5mm,叠片数量为12层。

  本发明实施实例中采用电源发生系统8可产生脉冲电流和三相正弦交变电流通入励磁线圈3,其中三相正弦交变电流的负载励磁线圈3连接方式为Y型连接。本领域技术人员可以理解,根据实际需要可以换成△型连接。

  本发明实施实例中,流道4外侧的励磁线圈3分布在流道单侧或两侧,中间包5外围的励磁线圈3分布于与金属熔体流动方向平行的平面外单侧或两侧,高度方向上分布3层;铸造流盘6上的励磁线圈3置于流盘上方;水平方向上励磁线圈4之间的间距为25mm,高度方向为间距50mm。

  本发明实施实例中,位于冷却水腔内的励磁线圈3与靠近金属熔体侧的冷却水腔壁的距离为10mm,相反另一侧的间距为50mm。

  本发明实施实例中,线圈冷却水腔距离流道4外侧壁、中间包5外侧壁的距离为5mm,流道4和中间包5外侧的励磁线圈3上表面低于金属液面30mm左右,铸造流盘6上方的励磁线圈3所在的冷却水腔的底面与铸造流盘6的平台面距离为10mm。

  下面结合附图和实施实例对本发明进行进一步地描述。

  按照图1所示的结构和图4、5所示连接方式的实施实例如下:

  实施例1

  用于铝合金圆锭流盘铸造过程中的电磁熔体处理的工作方式示意图如图1所示,主要由熔炼炉1、中间包5、铸造流盘6和流道4构成主体铸造装置。磁场施加装置包括励磁线圈3、用于缠绕励磁线圈3的硅钢片铁芯2和图中未画出的冷却水腔, 磁场施加装置通过连接导线8连接并与电源发生系统9连接产生不同形式的磁场作用于金属熔体7。

  流道宽度较窄,根据流道长度的不同,流道外侧采用单侧励磁线圈分布,硅钢片铁芯采用图2中的E型硅钢片(a)和矩形硅钢片(b)相结合的方式布满流道外侧。如图3(a)所示E型硅钢片励磁线圈绕制于铁芯磁轭上,矩形硅钢片励磁线圈绕制方式如图3(c)所示。

  中间包外与金属熔体流动方向平行的外侧面励磁线圈采用双侧分布的形式,硅钢片铁芯及励磁线圈绕组同流道处的线圈布置方式。

  铸造流盘处的励磁线圈布置采用两侧均匀分布的形式,硅钢片结构和线圈绕组形式如图3(b)所示,采用E型硅钢片,励磁线圈绕制在铁芯磁极上。

  流道、中间包和铸造流盘处的励磁线圈连接方式均采用顺序连接的方式,如图4(a)(单侧)和图4(c)(双侧)所示。

  励磁线圈施加脉冲电流。

  当铸造开始,流动的金属液面高度平稳时,打开电源发生系统,设施电流强度和频率,施加目标磁场。施加磁场前须先开启循环冷却水,冷却励磁线圈。

  铸造结束后待铸锭凝固完全后关闭电源发生系统和循环冷却水。

  该方法下,流道、中间包和铸造流盘内金属熔体的熔体流动状态示意图分别如图6(b)、图7(b)和图8(b)所示,金属熔体震荡幅度较大,同时在熔体流动水平方向上存在一定的剪切作用,可使熔体温度分布更加均匀,显著细化凝固组织。

  实施例2

  方法同实施例1,不同点在于:

  流道、中间包和铸造流盘处的励磁线圈连接方式均采用单侧间隔连接、双侧交叉连接的方式,如图4(b)和图4(d)所示。

  该方法下,流道、中间包和铸造流盘内金属熔体的流动状态示意图分别如图6(b)、图7(b)和图8(b)所示,但金属熔体震荡幅度小于实施例1所述方法,同时对流效果比实施例1更强,可使熔体成分分布更加均匀,降低铸锭偏析率。

  实施例3

  方法同实施例1,不同点在于:

  励磁线圈施加三相正弦交变电流。

  流道、中间包和铸造流盘处的励磁线圈连接方式均采用顺序连接的方式,如图5(a)和图5(c)所示。

  该方法下,流道、中间包和铸造流盘内金属熔体的流动状态示意图分别如图6(a)、图7(a)和图8(a)所示,金属熔体对流较强,熔体温度场和成分分布均匀,改善凝固组织均匀性。

  实施例4

  方法同实施例1,不同点在于:

  励磁线圈施加三相正弦交变电流。

  流道、中间包和铸造流盘处的励磁线圈连接方式均采用单侧间隔连接、双侧交叉连接的方式,如图5(b)和图5(d)所示。

  该方法下,流道、中间包和铸造流盘内金属熔体的流动状态示意图分别如图6(a)、图7(a)和图8(a)所示,金属熔体对流效果较实施例1减弱,但熔体震荡效果增强,可有效细化凝固组织。

  实施例5

  方法同实施例1,不同点在于:

  流道宽度较宽,流道外侧采用双侧励磁线圈分布的方式。

  励磁线圈之间的连接方式如图4(c)所示。

  该方法下,流道内金属熔体的流动状态示意图如图6(b)所示,熔体边部震荡效果较强,流道中心震荡效果较弱,可适用于较窄断面流道的金属熔体处理,有效细化凝固组织。

  实施例6

  方法同实施例5,不同点在于:

  励磁线圈之间的连接方式如图4(d)所示。

  该方法下,流道内金属熔体的流动状态示意图如图6(b)所示,金属熔体对流减弱,震荡效果增强,可显著细化凝固组织。

  实施例7

  方法同实施例5,不同点在于:

  励磁线圈施加三相正弦交变电流。

  励磁线圈之间的连接方式如图5(c)所示。

  该方法下,流道内金属熔体的流动状态示意图如图6(a)所示,可有效改善熔体温度分布,降低合金偏析率。

  实施例8

  方法同实施例7,不同点在于:

  励磁线圈之间的连接方式如图5(d)所示。

  该方法下,流道内金属熔体的流动状态示意图如图6(a)所示,但较实施例1熔体剪切震荡流动效果增强,可适用于大断面的流道的熔体处理,有效细化合金凝固组织。

  以上所述实施方法仅是对本发明的优先实施方式进行描述,并非对于本发明的适用范围进行限定,在不脱离本发明思想的前提下,针对本发明做出的各种变形和改进,均应纳入本发明专利权利要求书的保护范围内。

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