專利名稱：復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于半固態(tài)金屬加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種通過施加復(fù)合電磁攪拌連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置。
背景技術(shù)：
經(jīng)過30年的發(fā)展，特別是近10年來的迅猛發(fā)展，半固態(tài)加工成形技術(shù)的高效率、高成品率、近終形等特點(diǎn)已經(jīng)得以展現(xiàn)，其廣闊的應(yīng)用前景已經(jīng)為人們所認(rèn)同。成形工藝涉及到觸變成形和流變成形，合金范圍也由低熔點(diǎn)的有色金屬材料延伸到高熔點(diǎn)的鋼鐵材料。但是如何穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟(jì)地制備凝固組織細(xì)化、球化、均質(zhì)化的半固態(tài)漿料仍是開展半固態(tài)加工成形技術(shù)關(guān)鍵。為此，世界各國都相繼投入大量的人力、物力積極研制開發(fā)半固態(tài)漿料制備方法及設(shè)備用于生產(chǎn)。目前，半固態(tài)漿料制備方法提出不少，但是真正應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的只有機(jī)械攪拌和電磁攪拌法。而機(jī)械攪拌存在攪拌效率低、攪拌器使用壽命短、金屬液易污染等缺點(diǎn)，應(yīng)用范圍有限。
由于電磁場具有非接觸、能量密度高、清潔和可精確設(shè)計與控制等特點(diǎn)，在金屬材料的制備過程中發(fā)揮了巨大的作用，這也是電磁攪拌法在實(shí)際半固態(tài)金屬成形應(yīng)用中占主導(dǎo)地位的真正原因。由于電磁場施加方式對半固態(tài)凝固組織的影響很大，導(dǎo)致鑄坯凝固過程中組織差異較大，使得采用電磁攪拌法制備半固態(tài)漿料或坯料的工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)展緩慢，施加電磁場的優(yōu)點(diǎn)并沒有完全體現(xiàn)出來。美國專利第4229210、4434837公開了幾種制備金屬半固態(tài)漿料或連鑄坯料的電磁攪拌方法，其原理是利用強(qiáng)烈的電磁感應(yīng)力抑制初生枝晶的析出，制備球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬漿料以及半固態(tài)的連鑄坯料。但該制備方法必須要求強(qiáng)烈的電磁攪拌才能獲得細(xì)小和球狀晶的半固態(tài)金屬漿料。如果攪拌強(qiáng)度較低，則初晶形態(tài)變差，多為薔薇狀，而且連鑄坯料表面的枝晶層較厚，這種坯料的觸變性不好，不適合半固態(tài)成形。要進(jìn)行強(qiáng)烈的電磁攪拌，電磁攪拌設(shè)備不僅龐大，投資過高，而且電磁攪拌功率消耗大，效率低，因此，獲得球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬連鑄坯料的成本較高。此外，該方法中制漿室容積較大也是導(dǎo)致電磁攪拌施加功率大、電磁設(shè)備龐大、能耗增加、枝晶向非枝晶轉(zhuǎn)變的過程緩慢、制備半固態(tài)漿料時間長、效率低的重要原因。而且大容積的制漿室存在攪拌磁場分布不均勻問題，使得制漿室內(nèi)邊部與心部金屬液攪拌不均勻，最終導(dǎo)致凝固組織的不均勻。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種連續(xù)制備高度細(xì)化、球化、均勻化的半固態(tài)金屬漿料裝置，制備的漿料質(zhì)量高，產(chǎn)量大，效率高。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下設(shè)計方案一種復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置，包括有上下連通的中間包和導(dǎo)流管，導(dǎo)流管位于中間包的下方，且中間包和導(dǎo)流管同軸安裝，圍繞在中間包的壁外安裝加溫器和冷卻器，圍繞在加溫器和冷卻器外安裝絕熱管，并且中間包、與加溫器和冷卻器、以及絕熱管由表及里同軸安裝，還在絕熱管的外周設(shè)置上電磁攪拌器，圍繞在導(dǎo)流管的壁外安裝加溫器和冷卻器，圍繞在加溫器和冷卻器外安裝絕熱管，并且導(dǎo)流管、與加溫器和冷卻器、以及絕熱管由表及里同軸安裝，還在絕熱管的外周設(shè)置下電磁攪拌器，在中間包中，由其上頂部到其下底部貫穿一根塞桿，塞桿的下端設(shè)有活塞，該活塞與導(dǎo)流管的進(jìn)口配合塞接。
在本實(shí)用新型的復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置中，在所述的中間包壁外的加溫器為電阻加熱元件，冷卻器為內(nèi)部通冷卻介質(zhì)的冷卻管道，加溫器與冷卻器相間在中間包的壁外環(huán)繞排列。所述的冷卻介質(zhì)為冷卻水、空氣、低溫氣體。
在本實(shí)用新型的復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置中，在所述的導(dǎo)流管壁外的加溫器為電阻加熱元件，冷卻器為內(nèi)部通冷卻介質(zhì)的冷卻管道，加溫器與冷卻器相間在導(dǎo)流管的壁外環(huán)繞排列。所述的冷卻介質(zhì)為冷卻水、空氣、低溫氣體。
在本實(shí)用新型的復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置中，所述的中間包和導(dǎo)流管的直徑比為5～6∶1。
在本實(shí)用新型的復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置中，所述的中間包與導(dǎo)流管通過螺紋連接。使中間包與導(dǎo)流管安裝或拆卸都很方便。
在本實(shí)用新型的復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置中，所述的中間包為上敞口的容器，其上設(shè)有上蓋板，上蓋板內(nèi)設(shè)置耐火材料，并上蓋板上設(shè)有漏斗式澆口，所述的塞桿上部穿通上蓋板，與上蓋板滑動連接。
在本實(shí)用新型的復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置中，所述的中間包外的絕熱管的外部同軸安裝冷卻水套。這樣，上電磁攪拌器通過冷卻水套與絕熱管隔開，以防來自漿料的熱輻射損傷攪拌器。
在本實(shí)用新型的復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置中，所述的上電磁攪拌器與一個低頻電源相連，攪拌功率為1-10kW，頻率為1-300Hz。工作時，攪拌速率為50-300rpm。上電磁攪拌器在中間包內(nèi)產(chǎn)生一個水平旋轉(zhuǎn)磁場，控制中間包內(nèi)的金屬液溫度在整體均勻冷卻條件下接近該合金的液相線溫度。
在本實(shí)用新型的復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置中，所述的下電磁攪拌器與工頻電源連接，攪拌功率為0.1-0.5kW。工作時，攪拌速度在500-3000rmp。下電磁攪拌器在導(dǎo)流管內(nèi)產(chǎn)生一個使金屬液體水平旋轉(zhuǎn)的磁場，使金屬液體在自上而下運(yùn)動過程中迅速大量形核，細(xì)小晶粒，而且漿料具有很好的流動性。所形成的半固態(tài)金屬漿料凝固組織細(xì)小、均勻、球化度高。
在本實(shí)用新型的復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置中，所述的中間包和導(dǎo)流管的材料均為奧氏體不銹鋼或其它無磁金屬或非金屬材料。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是本實(shí)用新型提供的半固態(tài)金屬漿料的制備裝置，在中間包內(nèi)施加電磁攪拌，使中間包內(nèi)的過熱金屬液體整體均勻降溫到液相線溫度，可以解決現(xiàn)有技術(shù)中由于單純靜置保溫控制澆注金屬液體接近液相線溫度難操作性以及由此帶來的金屬液體過熱度太低時流動性變差的技術(shù)難題；在導(dǎo)流管外施加強(qiáng)烈電磁攪拌，金屬液流能夠獲得充分地快速冷卻，使得形核數(shù)量大幅度增加，凝固組織明顯細(xì)化；從而避免了由于現(xiàn)有技術(shù)中制漿室尺寸較大、金屬液體攪拌不均勻?qū)е吕鋮s不均勻及凝固組織不均勻的問題；由于導(dǎo)流管尺寸很小，因此電磁攪拌設(shè)備體積小，無需變頻裝置，投資成本少，所需攪拌功率小、耗能低。而且由于中間包內(nèi)始終保持恒定高度的金屬液體，澆注過程中，具有一定流速的液流連續(xù)不斷地沖刷導(dǎo)流管內(nèi)壁，使得即使對導(dǎo)流管施加較大冷卻強(qiáng)度也不會發(fā)生導(dǎo)流管壁金屬液體提前凝殼或者堵塞現(xiàn)象；而且金屬液流在電磁攪拌力和金屬靜壓力共同作用下獲得強(qiáng)有力剪切作用，能夠大幅度增加漿料的觸變性能；既解決了液相線澆注法中金屬液溫度難以控制和金屬液流動差的問題，又解決了純粹依靠強(qiáng)烈電磁攪拌導(dǎo)致設(shè)備龐大和攪拌功率大、攪拌效率低、能耗大的問題。
本實(shí)用新型所提出的復(fù)合電磁法制備半固態(tài)金屬漿料裝置，所制備的半固態(tài)漿料可以連續(xù)輸送到壓鑄機(jī)、鍛造機(jī)、軋制機(jī)，特別適用于連鑄連軋成形工藝。電磁攪拌器結(jié)構(gòu)簡單、攪拌強(qiáng)度高、能耗低；能夠連續(xù)制備球狀或粒狀初晶的高質(zhì)量半固態(tài)漿料。該方法既適合于鋁基合金的球狀或粒狀初晶的半固態(tài)金屬漿料的制備，也適合于銅基合金、鎂基合金、鋅基合金等有色金屬的半固態(tài)金屬漿料的制備。


圖1是施加復(fù)合電磁攪拌連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為施加只在中間包外施加電磁攪拌的A356合金半固態(tài)漿料的微觀組織，淺色區(qū)域?yàn)槌蹙Е?Al，深色區(qū)域?yàn)槟痰墓簿б后w。
圖3為施加復(fù)合電磁攪拌的A356合金半固態(tài)漿料的微觀組織，淺色區(qū)域?yàn)槌蹙Е?Al，深色區(qū)域?yàn)槟痰墓簿б后w。
具體的實(shí)施方式如圖1所示，本實(shí)用新型主要包括中間包4、導(dǎo)流管5和復(fù)合電磁攪拌器-上電磁攪拌器6和一個下電磁攪拌器7等部件。中間包4的出口與導(dǎo)流管5進(jìn)口對接而成，兩者通過螺紋連接，安裝或拆卸都很方便。中間包4為上敞口、下有出口的耐火容器，圍繞在其外部有加溫器8和冷卻器9以及絕熱管10，且由表及里同軸安裝。導(dǎo)流管5為一個耐火中空管，圍繞在其外部有加溫器11和冷卻器12以及絕熱管13，且由表及里同軸安裝。復(fù)合電磁攪拌器是由一個上電磁攪拌器6和一個下電磁攪拌器7構(gòu)成，兩個攪拌器分別與中間包4和導(dǎo)流管5同軸安裝，分別位于中間包4和導(dǎo)流管5的外部。上電磁攪拌器6通過冷卻水套14與絕熱管10隔開，以防來自漿料的熱輻射損傷攪拌器。上蓋板2由金屬殼和內(nèi)嵌耐火材料3構(gòu)成，其上設(shè)有金屬液體的進(jìn)口-漏斗式澆口15，該漏斗式澆口15可以方便安裝。中間包4和導(dǎo)流管5分層上下安裝，導(dǎo)流管5位于中間包4下方，兩者的直徑比為5～6∶1，最后通過上蓋板2和殼體1封裝在一起。半固態(tài)漿料流量控制是通過塞桿16結(jié)構(gòu)來完成。塞桿16上穿通上蓋板2，與上蓋板2滑動連接。下接導(dǎo)流管5的進(jìn)口，塞桿16的下端設(shè)有活塞，該活塞與導(dǎo)流管5的進(jìn)口配合塞接。塞桿16通過塞桿16的手把可控制該活塞與中間包4的金屬液體的出口(即導(dǎo)流管5的進(jìn)口)的相對位置，以控制金屬液體的從中間包4的出口的開、關(guān)及流量。導(dǎo)流管5的下口留有接頭，可以直接與壓鑄機(jī)、軋機(jī)或其它成形機(jī)相連。整個系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制，例如，復(fù)合電磁攪拌器的電流調(diào)控，中間包和導(dǎo)流系統(tǒng)溫度控制，是通過一套電氣控制柜(圖1中未表示)來完成，電氣控制采用可編程控制器控制，實(shí)現(xiàn)所有運(yùn)行參數(shù)的集中設(shè)定，調(diào)節(jié)控制和瞬間打印。
對于A356合金，液相線溫度是613℃，固相線溫度為557℃，澆注溫度為670℃，中間包4溫度控制在620℃左右，上下誤差不超過2℃。A356合金液從漏斗式澆口15進(jìn)入中間包4內(nèi)，通過塞桿16控制中間包4的金屬液體的出口(即導(dǎo)流管5的進(jìn)口)的開、關(guān)及流量，以保證A356合金液在中間包4內(nèi)始終保持恒定高度。上電磁攪拌器6的施加功率為2.0kW，施加頻率為30Hz，攪拌速率為150rpm。下電磁攪拌器7的施加功率為0.3kW，施加頻率為50Hz，攪拌速率為2000rmp。施加復(fù)合電磁攪拌的A356合金半固態(tài)漿料從導(dǎo)流管5的出口輸出，可以連續(xù)輸送到壓鑄機(jī)、鍛造機(jī)、軋制機(jī)，特別適用于連鑄連軋成形工藝。圖2為只在中間包內(nèi)單獨(dú)施加電磁攪拌的A356合金半固態(tài)漿料的微觀組織，其初晶形態(tài)差，多為薔薇狀，晶粒尺寸在80-120μm。圖3為施加復(fù)合電磁攪拌的A356合金半固態(tài)漿料的微觀組織?？梢姡捎脧?fù)合電磁攪拌法，初晶組織不但細(xì)小均勻，而且晶粒圓整度高，晶粒尺寸在40-60μm。
權(quán)利要求1.一種復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置，其特征在于，包括有上下連通的中間包4和導(dǎo)流管5，導(dǎo)流管5位于中間包4的下方，且中間包4和導(dǎo)流管5同軸安裝，圍繞在中間包4的壁外安裝加溫器8和冷卻器9，圍繞在加溫器8和冷卻器9外安裝絕熱管10，并且中間包4、與加溫器8和冷卻器9、以及絕熱管10由表及里同軸安裝，還在絕熱管10的外周設(shè)置上電磁攪拌器6，圍繞在導(dǎo)流管5的壁外安裝加溫器11和冷卻器12，圍繞在加溫器11和冷卻器12外安裝絕熱管13，并且導(dǎo)流管5、與加溫器11和冷卻器12、以及絕熱管13由表及里同軸安裝，還在絕熱管13的外周設(shè)置下電磁攪拌器7，在中間包4中，由其上頂部到其下底部貫穿一根塞桿16，塞桿16的下端設(shè)有活塞，該活塞與導(dǎo)流管5的進(jìn)口配合塞接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置，其特征在于，在所述的中間包4壁外的加溫器8為電阻加熱元件，冷卻器9為內(nèi)部通冷卻介質(zhì)的冷卻管道，加溫器8與冷卻器9相間在中間包4的壁外環(huán)繞排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置，其特征在于，在所述的導(dǎo)流管壁外的加溫器11為電阻加熱元件，冷卻器12為內(nèi)部通冷卻介質(zhì)的冷卻管道，加溫器11與冷卻器12相間在導(dǎo)流管5的壁外環(huán)繞排列。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置，其特征在于，所述的中間包4和導(dǎo)流管5的直徑比為5～6∶1。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置，其特征在于，所述的中間包4與導(dǎo)流管5通過螺紋連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置，其特征在于，所述的中間包4為上敞口的容器，其上設(shè)有上蓋板2，上蓋板2內(nèi)設(shè)置耐火材料3，并上蓋板2上設(shè)有漏斗式澆口15，所述的塞桿16上部穿通上蓋板2，與上蓋板2滑動連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置，其特征在于，所述的中間包4外的絕熱管10的外部同軸安裝冷卻水套14。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置，其特征在于，所述的上電磁攪拌器6與一個低頻電源相連，攪拌功率為1-10kW，頻率為1-300Hz。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置，其特征在于，所述的下電磁攪拌器7與工頻電源連接，攪拌功率為0.1-0.5kW。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置，其特征在于，所述的中間包4和導(dǎo)流管5的材料均為奧氏體不銹鋼或其它無磁金屬或非金屬材料。
專利摘要本實(shí)用新型屬于半固態(tài)材料加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種施加復(fù)合電磁攪拌連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置。包括有上下連通的中間包(4)和導(dǎo)流管(5)，導(dǎo)流管(5)位于中間包(4)的下方，且中間包(4)和導(dǎo)流管(5)同軸安裝，圍繞在中間包(4)、導(dǎo)流管5的壁外分別安裝加溫器(8)、(11)和冷卻器(9)、(12)，絕熱管(10)、(13)，中間包(4)之外設(shè)置上電磁攪拌器(6)，導(dǎo)流管(5)之外設(shè)置下電磁攪拌器(7)，在中間包(4)中，由其上頂部到其下底部貫穿一根塞桿(16)，塞桿(16)的下端設(shè)有活塞，該活塞與導(dǎo)流管(5)的進(jìn)口配合塞接。其優(yōu)點(diǎn)在于利用該裝置進(jìn)行施加復(fù)合電磁攪拌連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料，其方法工藝先進(jìn)、設(shè)備簡單、維護(hù)方便、實(shí)用性強(qiáng)；制備的半固態(tài)金屬漿料成本低、產(chǎn)量大、質(zhì)量高。
文檔編號B22D11/10GK2745672SQ20042011270
公開日2005年12月14日 申請日期2004年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月10日
發(fā)明者張志峰, 朱學(xué)新, 徐駿, 石力開, 田戰(zhàn)峰, 楊必成, 謝麗君 申請人:北京有色金屬研究總院