專利名稱:電磁鑄造用復合電磁感應器的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及到電磁鑄造、鑄冶過程中的感應熔煉、電磁攪拌和熱處理的感應加熱技術,屬于熱加工領域。
電磁鑄造簡稱EMC(Electromagnetic Casting),是由前蘇聯(lián)學者Getse-lev于60年代發(fā)明的無模半連續(xù)鑄造技術。其原理是以電磁感應器取代結晶器,當感應器中通入交變電流時,產生交變電磁場
磁場作用于液體金屬形成感應電流
與
相互作用,產生向內的電磁力
約束液體金屬形成半懸浮柱體。在電磁感應器的下方噴水冷卻,上方充填液體金屬,由于鑄機拖動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)下水冷強迫凝固,鑄錠的表面光潔度可達7~8,這就消除了DC法所固有的拉、劃傷缺陷,因此,在進一步加工前可以不銑面或少銑面,而采用DC法生產的鑄錠則要銑面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,鑄錠的內部組織致密、均勻,機械性能大幅度提高,③由于無模鑄造,所以取消了復雜的振動和潤滑系統(tǒng),減少了設備投資,簡化了工藝,使電磁鑄造有著極大的經(jīng)濟意義。
電磁鑄造技術,最早應用于鋁及鋁合金的生產中,其以美國、德國和瑞士等的技術最為先進。每年用EMC法生產的鋁合金在200萬噸以上,這顯示了取代DC的強勁勢頭。
有色金屬這種電磁鑄造技術,能否應用于鋼的電磁鑄造,這已成為人們所關注的焦點,但迄今為止尚無實用的鋼電磁鑄造技術的報導。這是由于鋼EMC的難點在于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電流密度小,電磁推力也小。因此,若采用現(xiàn)行的電磁感應器需要很高的電流。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的感應器電流,即20000A左右,能耗巨大。俄羅斯學者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,這在實際生產中是難以接受的。綜合評估后,許多學者認為鋼的電磁鑄造毫無價值,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晶器上均勻切割數(shù)條微小縫隙(一般為0.1mm),外側放置感應線圈,施加高頻電磁場,結晶器內產生渦電流將在鋼液表面產生向內的電磁推力,使鋼坯與結晶器壁實現(xiàn)“軟接觸”,同時高頻磁場的振動抵消了機械振動的影響,從而改善了連鑄鋼坯表面質量。但是,這種方法能耗大、表面質量的改善也并不十分明顯,因此,將EMC技術應用于鋼的生產,是一個難題,已成為人們急需解決的關鍵問題。
現(xiàn)有電磁鑄造技術存在能耗大的基本原因在于現(xiàn)行的電磁感應器為單匝線圈,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,感應器電流I和回路磁阻Rm的關系為Φ=NIRm,]]>
式中l(wèi)為磁路平均長度,μ為磁導率,s為磁路截面積。而在高溫下,液體金屬的磁導率接近于真空的磁導率(μ0=4π×10-7H/m),因此,使感應器—鑄錠所組成的整個回路的磁阻Rm很大,磁通密度Ф較小,故現(xiàn)有技術不能實現(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,在不改變感應器電流的條件下,減小系統(tǒng)回路的磁阻Rm,可以增加感應器內的有效磁通。同時,如果采用特殊材料,在原磁場的激發(fā)下產生附加磁場使磁場增強,這可望在小電流條件下達到所需要的磁場條件,實現(xiàn)鋁、銅和鋼的電磁鑄造。
本發(fā)明的目的和任務是①克服現(xiàn)有技術用于鋁、銅合金其磁阻大,能耗大的不足,對鋁合金的研究表明,普通電磁感應器僅有約10%的有效功率作用于實際鑄造過程中,而90%消耗于系統(tǒng)的損耗,②克服已有技術應用于鋼EMC的實際生產中難以為人們所接受的不足,并提供一種能減少磁阻,增強磁場,使EMC可用于鋼的實際生產,同時,使現(xiàn)有用EMC生產的鋁及鋁合金、銅合金的能耗大為降低的技術措施,特提出本發(fā)明的技術解決方案。
本發(fā)明的基本構思是以原有線圈的電磁感應器作為主線圈產生激發(fā)磁場,以高導磁材料取代由空氣所占據(jù)的空間而設計的導磁復合線圈構成新型復合電磁感應器;導磁復合線圈減小了磁路的磁阻,同時,依據(jù)電磁場的鏡像理論,將導磁復合線圈與主線圈構成復合界面,產生附加磁場;附加磁場與原磁場疊加,使感應器內的有效磁場大大增強,使液柱寬度減小,高度增大,實現(xiàn)小電流、低能耗條件下鋼的電磁鑄造;并將其應用于鋁、銅等其他合金的電磁鑄造,可大大降低感應器電流、節(jié)省能源;通過改變主線圈和導磁復合線圈的結構、相對位置或絕緣物的厚度,可以增強和調節(jié)整個磁場強度與分布。
本發(fā)明所設計的電磁鑄造用復合電磁感應器,它是由電磁感應器與導磁材料復合所構成,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、下部和外側部還設有與主線圈[6]電磁感應器形狀相近似的高導磁材料制作的上導磁復合線圈[5]、下導磁復合線圈[8]、外側導磁復合線圈[7]或整體導磁復合線圈[12];在上導磁復合線圈[5]與主線圈[6]和外側導磁復合線圈[7]之間、下導磁復合線圈[8]與主線圈[6]和外側導磁復合線圈[7]之間、外側導磁復合線圈[7]與主線圈[6]之間,加有絕緣材料構成的絕緣物[2]。
本發(fā)明的進一步特征在于上導磁復合線圈[5]、下導磁復合線圈[8]、外側導磁復合線圈[7]、整體導磁復合線圈[12],可由多個塊狀體[11]所構成,并在各塊狀體[11]間加有絕緣物[2];上導磁復合線圈[5]、下導磁復合線圈[8]、外側導磁復合線圈[7]、整體導磁復合線圈[12],可以設計成圓形體線圈、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,上導磁復合線圈[5]的內側面與水平面間的夾角β設為90°~30°角,通常為90°,75°,60°或45°角;上導磁復合線圈[5]、下導磁復合線圈[8]的內側面與主線圈[6]內側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,以控制結晶器內的磁場強度和均勻性;絕緣物[2]的厚度δ為0≤δ≤50mm,通常為δ≤0.1mm;上導磁復合線圈[5]、下導磁復合線圈[8]、外側導磁復合線圈[7],可以單獨與主線圈[6]電磁感應器配合使用或經(jīng)不同組合后與主線圈[6]電磁感應器配合使用;本發(fā)明所述的高導磁材料復合線圈(即上導磁復合線圈[5],外側導磁復合線圈[7]、下導磁復合線圈[8]和整體導磁復合線圈[12])是由磁導率大于真空磁導率的導磁材料制做,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]電磁感應器,是由導磁率大于鋼的材料制做,通常用Al、Cu以及超導材料制做;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)明技術的復合電磁感應器,可以應用于鋼、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25鋼、45鋼、16Mn、15MnV、40Cr、35GrMo、GCr15、CrWMn、T8等各種鋼坯的生產;可以應用于鋁、銅及其合金的電磁熔煉、電磁攪拌、電磁鑄造,可以生產3004、5182、2024、6063、7075等各種牌號的鋁合金、可應用于鋼的電磁連鑄,即冷坩堝鑄造技術;可以應用于金屬熱處理的感應加熱技術。
電磁鑄造所采用的基本設備包括電源、淬火變壓器、電磁感應器、屏蔽罩、冷卻水室、熔化爐、澆注系統(tǒng)和拉坯系統(tǒng)。在上述設備中,電磁感應器是關鍵的賴以成型的裝置。為了縮短由感應器,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,并產生激發(fā)電磁場,使原系統(tǒng)磁場增強,同時調整、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,保持液柱穩(wěn)定,在電磁感應器中設有導磁復合線圈,可大大減少感應器工作電流和能源的消耗。電磁感應器,是承接由淬火變壓器輸出的中、高頻交流電,產生交變電磁場,使?jié)沧⒌慕饘僖盒纬砂霊腋〗饘僖褐?br>
復合電磁感應器系統(tǒng),電磁鑄造的工藝流程是①調整電磁感應器,屏蔽罩,冷卻水室和底模的水平與相對位置,②將底模升入感應器中,使其頂面位于感應器主線圈與下導磁復合線圈交界處,③啟動電源,并調整功率,頻率和感應器電流等電磁參數(shù)至規(guī)定值,④澆注液體金屬于底模中,當形成的半懸浮金屬液柱的高度,達到規(guī)定值(一般為30~40mm)時,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當鑄造過程中進入穩(wěn)定階段后,鑄造速度基本保持恒定,此時,要嚴格控制澆注速度,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)點是①由于采用高導磁材料制作的上、外側、下和整體導磁復合線圈[5]、[7]、[8]、[12],從而減小了系統(tǒng)回路的磁阻,并產生強大的電磁場,使感應器的有效磁通大大增強,因此,在不改變現(xiàn)有感應器電流的條件下,可以實現(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量,消除軋制過程中因表面質量差而引起的各種缺陷,同時,由于電磁攪拌作用,可以細化鋼坯的凝固組織、使其致密、均勻并減少偏析,大幅度提高機械性能,另一方面,由于無模成型,取消了復雜的振動和潤滑系統(tǒng),其經(jīng)濟效益是不言而喻的,②本發(fā)明技術仍可用于鋁、銅及其合金的電磁鑄造,此時,可大大降低了感應器的電流,從而顯著的降低能耗,一般能源可降低300%以上,③本發(fā)明技術所設計的電磁鑄造用復合電磁感應器,可以用于多種錠型鋼坯的電磁連鑄,通過調整各導磁復合線圈的相對探入深度,使所感興趣的區(qū)域的磁場強度增大,使結晶器內的磁場的均勻化。
下面結合附圖進一步說明本發(fā)明的具體細節(jié)
圖1是本發(fā)明電磁鑄造系統(tǒng)結構示意圖。
圖中顯示,電磁鑄造是由在主線圈[6]的上部、外側部和下部設計有上導磁復合線圈[5]、外側導磁復合線圈[7]和下導磁復合線圈[8]所構成的電磁鑄造用復合電磁感應器而實現(xiàn)的。為了緊固在其外部設有檔板[1],下部設有冷卻水室[9],在其主線圈[6]與上導磁復合線圈[5]、外側導磁復合線圈[7]、下導磁復合線圈[8]之間和上、下和外側導磁復合線圈[5、8、7]之間,均加有絕緣物[2]。金屬液[4]在電磁鑄造用復合電磁感應器和屏蔽罩[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]。箭頭方向為鑄錠[10]的運動(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)明所設計的電磁鑄造用復合電磁感應器俯視結構示意圖。
圖中顯示,電磁鑄造用復合電磁感應器是一個環(huán)狀結構,是由主線圈[6]和上導磁復合線圈[5]、外側導磁復合線圈、下導磁復合線圈復合而成。C-C為剖面符號。
圖3是圖2的C-C剖面結構示意圖。
圖中顯示在主線圈[6]的上部、外側部和下部,分別設計有上導磁復合線圈[5]、外側導磁復合線圈[7]和下導磁復合線圈[8],在它們之間均加有絕緣物[2]。β角成90°。
圖4為現(xiàn)有技術所采用的電磁感應器(即主線圈[6])的俯視結構示意圖。A-A為剖面符號及方向。
圖5是圖4的A-A部面結構示意圖,符號同圖4。
圖6是本發(fā)明所設計的一種圓型上、下導磁復合線圈的俯視結構示意圖。它們各由8個弧型塊狀體[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剖面結構示意圖,其符號均同圖6。
圖8是本發(fā)明所設計的一種矩型上、下導磁復合線圈的俯視示意圖。它們各是由8個矩型、8個梯型的塊狀物[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剖面結構示意圖。圖中符號均同圖8。
圖10是本發(fā)明所設計的一種圓型外側導磁復合線圈俯視示意圖。
圖中顯示,在由8個弧型塊狀物[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剖面結構示意圖。符號均同圖10。
圖12是本發(fā)明所設計的一種矩型外側導磁復合線圈俯視結構示意圖。
圖中顯示,在由7個矩型及8個梯型狀的塊狀體[11]所組成的外側導磁復合線圈,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剖面結構示意圖,圖中符號均同圖12。
圖14是本發(fā)明所設計的上導磁復合線圈[5]其β角小于90°時的電磁鑄造用復合電磁感應器。
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剖面結構示意圖。
圖中顯示,上導磁復合線圈[5]的β角小于90°,各導磁復合線圈之間及各導磁復合線圈與主線圈[6]之間均加有絕緣物[2]。下導磁復合線圈[8]及上導磁復合線圈[5]的內徑小于主線圈[6]的內徑。
圖16是本發(fā)明所設計的其外側導磁復合線圈與主線圈[6]帶有α傾角結構的電磁鑄造用復合電磁感應器的俯視結構示意圖。
符號[5]上導磁復合線圈,D-D為剖面符號及方向。
圖17是圖16的D-D剖面結構示意圖。
圖中顯示出,主線圈[6]與外側導磁復合線圈[7]均與其中心線傾斜α角度。它們之間及它們與上導磁復合線圈[5]及下導磁復合線圈[8]之間,均加有絕緣物[2]。
圖18是本發(fā)明所設計的一種上、下及外側導磁復合線圈,均由8個弧型塊狀物[11]所組成的電磁鑄造用復合電磁感應器的俯視結構示意圖。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剖面的結構示意圖。
圖中顯示,上、下導磁復合線圈[5,8]其內徑均小于主線圈[6]的內徑。圖中其他符號均同圖18,而符號[7]為外側導磁復合線圈。
圖20是本發(fā)明所設計的由主線圈[6]與外側導磁復合線圈[7]所組合的電磁鑄造用復合電磁感應器的剖面結構示意圖。
圖21是帶有傾角α的主線圈[6]與外側導磁復合線圈[7]所組合的電磁鑄造用復合電磁感應器的剖面結構示意圖。
圖22是本發(fā)明所設計的由主線圈[6]與上導磁復合線圈[5]所組合的電磁鑄造用復合電磁感應器的剖面結構示意圖。
圖23是帶有β角小于90°的上導磁復合線圈[5]與主線圈[6]所組合的電磁鑄造用復合電磁感應器的剖面結構示意圖。
圖24是由內徑小于主線圈[6]內徑的上導磁復合線圈[5]與主線圈[6]所組合的電磁鑄造用復合電磁感應器的剖面結構示意圖。
圖25是本發(fā)明所設計的由主線圈[6]與下導磁復合線圈[8]所組合的電磁鑄造用復合電磁感應器的剖面結構示意圖。
圖26是由內徑小于主線圈[6]內徑的下導磁復合線圈[8]與主線圖[6]所組合的電磁鑄造用復合電磁感應器的剖面結構示意圖。
圖27是本發(fā)明所設計的由主線圈[6]與上導磁復合線圈[5]和外側導磁復合線圈[7]所組合的電磁鑄造用復合電磁感應器的剖面結構示意圖。
圖28是由β角小于90°的上導磁復合線圈[5]與主線圈[6]及外側導磁復合線圈[7]所組合的電磁鑄造用復合電磁感應器的剖面結構示意圖。
圖29是由內徑小于主線圈[6]內徑的上導磁復合線圈[5]與主線圈[6]及外側導磁復合線圈[7]所組合的電磁鑄造用復合電磁感應器的剖面結構示意圖。
圖30是由主線圈[6]、外側導磁復合線圈[7]及下導磁復合線圈[8]所組合的電磁鑄造用復合電磁感應器的剖面結構示意圖。
圖31是內徑小于主線圈[6]內徑的下導磁復合線圈[8]與主線圈[6]及外側導磁復合線圈[7]所組合的電磁鑄造用復合電磁感應器的剖面結構示意圖。
圖32是本發(fā)明所設計的由上導磁復合線圈[5]、主線圈[6]及下導磁復合線圈[8]所組合的電磁鑄造用復合電磁感應器的剖面結構示意圖。
圖33是由內徑小于主線圈[6]內徑的上導磁復合線圈[5]、下導磁復合線圈[8]與主線圈[6]所組合的電磁鑄造用復合電磁感應器的剖面結構示意圖。
圖34是帶有β小于90°角的上導磁復合線圈[5]與主線圈[6]及下導磁復合線圈[8]所組合的電磁鑄造用復合電磁感應器的剖面結構示意圖。
圖35是由上導磁復合線圈[5]與下導磁復合線圈[8]其內徑均小于主線圈[6]內徑,與主線圈[6]所組合的電磁鑄造用復合電磁感應器的剖面結構示意圖。與圖33不同之處在于上導磁復合線圈[5]的β角小于90°。
圖36是本發(fā)明所設計的由主線圈[6]與上導磁復合線圈[5]、下導磁復合線圈[8]及外側導磁復合線圈[7]所組合的電磁鑄造用復合電磁感應器的剖面結構示意圖。
圖37是由內徑小于主線圈[6]內徑的上導磁復合線圈[5]和下導磁復合線圈[8]與外側導磁復合線圈[7]、主線圈[6]所組合的電磁鑄造用復合電磁感應器的剖面結構示意圖。
圖38是由β角小于90°的上導磁復合線圈[5]與主線圈[6]、外側導磁復合線圈[7]、下導磁復合線圈[8]所組合的電磁鑄造用復合電磁感應器的剖面結構示意圖。
圖39是由內徑小于主線圈[6]內徑的上導磁復合線圈[5]、下導磁復合線圈[8]與外側導磁復合線圈[7]、主線圈[6]所組合的電磁鑄造用復合電磁感應器的剖面結構示意圖。與圖37不同之處在于其上導磁復合線圈[5]的β角小于90°。
圖40是電磁鑄造用復合電磁感應器,在冷坩堝鑄造技術中應用的實例,該圖是其俯視結構示意圖。
圖中顯示,在矩形冷坩堝[13]的外面,設計有電磁鑄造用復合電磁感應器,本實施例中,其高度與冷坩堝高度相同,主線圈[6]和設計在其上面的上導磁復合線圈[5]及下導磁復合線圈均靠近冷坩堝。而外側導磁復合線圈則在主線圈[6]的外側,并與其等高,上導磁復合線圈[5]、下導磁復合線圈、外側導磁復合線圈,各均由4個條形塊狀體[11]所構成。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剖面結構示意圖。
符號[7]、[8]和[9]分別是外側導磁復合線圈、下導磁復合線圈和冷卻水室。其他符號同圖40。
圖42是圖40當采用小冷坩堝時(或更換不同型號的冷坩堝時)的俯視結構示意圖。
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),而主線圈[6]及外側導磁線圈的位置沒有變動,主線圈[6]距冷坩堝[13]一定距離,而上導磁線圈[5]、下導磁復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,并取得與其他各點相近的分布,使結晶器(即冷坩堝[13])內磁場均勻。各塊狀體[11]及各導磁復合線圈間,均設有絕緣物[2],E-E是剖面符號及方向。
圖43是圖42的E-E剖面結構示意圖。
圖中符號[7]、[8]和[9]分別是外側導磁復合線圈、下導磁復合線圈和冷卻水室,其他符號均同圖42。
圖44是電磁鑄造用復合電磁感應器在冷坩堝鑄造技術應用中,采用整體復合線圈[12]時的剖面結構示意圖。
圖中顯示,在冷坩堝(即結晶器)[13]的外面,設有電磁鑄造用復合電磁感應器。設在冷坩堝[13]外面的主線圈[6],其上部、外側部和下部均被整體導磁復合線圈[12]所包圍,它是采用多個塊狀體所構成。符號[9]、[2]是冷卻水室和絕緣物。
圖45是本發(fā)明所設計的一種異型結構形式的電磁鑄造用復合電磁感應器的俯視結構示意圖。
圖中顯示出該異型結構是一個八棱形的結構,上導磁復合線圈[5]是由8個梯形塊狀物[11]所構成(下導磁復合線圈及外側導磁復合線圈也同),在各塊狀物之間均加有絕緣物[2],上導磁復合線圈[5]的口徑小于主線圈[6]的口徑,即上導磁復合線圈(下導磁復合線圈也同)[5]向內(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剖面結構示意圖。
圖中顯示,由8個梯形結構的塊狀物[11]所組成的上導磁復合線圈[5]、下導磁復合線圈[8]均向主線圈內探入一定深度,而外側導磁復合線圈[7]處于主線圈[6]的外側。在上、外側、下導磁復合線圈[5]、[7]、[8]之間及它們與主線圈[6]之間以及各塊狀[11]之間,均設有絕緣物[2]。
本發(fā)明具體實施例如下實施例1一種易拉罐用牌號為3004的鑄造鋁合金,其化學成份為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熔煉,其熔量為300kg,采用本發(fā)明電磁鑄造用復合電磁感應器,實施如下主線圈[6]是圓環(huán)形,斜邊,其傾角α=30°,上部內徑Ф內上=190mm,下部內徑Ф內下=174mm,高度h=35mm,由厚度為3mm的紫銅板制成。
導磁復合線圈結構為圓環(huán)形,其上、下及外側導磁復合線圈,各均由四個塊狀體[11]所組成。上、下導磁復合線圈[5]、[8],其參數(shù)為;上、下導磁復合線圈的內徑Ф內=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成。外側導磁復合線圈[7]其外徑Ф外=366mm,內徑的上部為Ф內上=198mm,其內徑下部為Ф內下=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],上導磁復合線圈[5],外側導磁復合線圈[7],下導磁復合線圈[8],按本發(fā)明的設計要求,裝配在結晶器外周,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整復合電磁感應器、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合電磁感應器中,使其頂面位置在感應器與下導磁復合線圈交界處;第三步啟動電源向復合電磁感應器通電,調整功率、頻率和感應器電流分別至10KW(普通感應器則為32KW),2500HZ和1500A(用普通感應器則4800A);第四步,澆注3004鋁合金液體于底模中,當形成的半懸浮液柱高度達到35mm時,調整冷卻水量至3m3/h,并啟動拉坯系統(tǒng);第五步,調整鑄速,初始鑄速為3cm/min,50秒后,冷卻水噴至鑄錠,在20秒內將鑄速調整至12cm/min,并保持恒定;第六步,嚴格控制澆注速度,使其與鑄速相匹配并保持液位恒定高度在h=35mm;第七步,當鑄錠長度達3米后,停止?jié)沧?,待鑄錠完全凝固后,關閉電源系統(tǒng)而停機,取出鑄錠,待用。
第八步,鑄錠的質量檢查。
經(jīng)檢驗表面光潔度8(未采用本技術,即普通連續(xù)鑄錠則為4),抗拉強度σb=240MPa(普通連鑄錠σb=210MPa),延伸率δ=18.2%(普通連鑄錠δ=11.5%)實施例2通常的45號碳素結構鋼,其化學成為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)明技術的電磁鑄造用復合電磁感應器,在不改變主線圈原有大小尺寸的基礎上,實施電磁連續(xù)鑄造,生產比原來小鑄錠。
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;采用結晶器尺寸為400×180×350,厚度δ1=20mm材質為紫銅,切縫數(shù)為50個,結晶器內壁最大磁感應強度30mT。
所采用的上、下、外側導磁復合線圈[5]、[8]、[7]為矩形環(huán)狀,均由10個塊狀體構成,內框尺寸為1000×400,外框尺寸為2000×1000,上導磁復合線圈厚度為δ上=200mm,下導磁復合線圈厚度為δ下=110mm,外側導磁復合線圈厚度為δ側=100mm。
導磁復合線圈向長度方向的探入深度為300mm,向寬度方向探入深度為110mm。
上、下、外側導磁復合線圈是由厚度為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,更換結晶器。以400×180×350的小結晶器更換1000×400×350的大結晶器,并調整冷卻、潤滑和振動系統(tǒng);第二步,安裝并調整電磁鑄造用復合電磁感應系統(tǒng),使上、下導磁復合線圈與結晶器外壁相接并固定;第三步,起動電源系統(tǒng),將感應器電流和頻率調整至2500A和1000HZ;第四步,將已熔化的鋼水(1620℃)經(jīng)中間罐澆到結晶器內,至規(guī)定高度后(距冷坩堝頂面50mm處),起動拉坯系統(tǒng),調整冷卻水量至10m3/h;第五步,開啟潤滑和振動系統(tǒng),鑄機以0.2m/min的初速度引錠,當二冷區(qū)水噴至鑄錠時,逐漸將鑄造速度調整至1.0m/min;第六步,控制澆注,潤滑和振動系統(tǒng)的正常運轉,至鑄造過程結束,關閉電源,停機,取出鑄錠。
第七步,鑄錠的質量檢驗(在括號內的數(shù)字均為未使用本發(fā)明技術的數(shù)字以“原”字注明)。
結果鑄坯表面光潔度5(原3以下)抗拉強度σb=850MPa(原7.50MPa),屈服強度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)。
權利要求
1.電磁鑄造用復合電磁感應器,是由電磁感應器和導磁材料復合所構成,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、下部和外側部設有與主線圈[6]電磁感應器形狀相近似的高導磁材料制做的上導磁復合線圈[5]、下導磁復合線圈[8]、外側導磁復合線圈[7]或整體導磁復合線圈[12],b)在上導磁復合線圈[5]與主線圈[6]和外側導磁復合線圈[7]之間,下導磁復合線圈[8]與主線圈[6]和外側導磁復合線圈[7]之間,外側導磁復合線圈[7]與主線圈[6]之間,加有絕緣材料構成的絕緣物[2]。
2.根據(jù)權利要求1所述的電磁鑄造用復合電磁感應器,其特征在于;上導磁復合線圈[5],下導磁復合線圈[8],外側導磁復合線圈[7]、整體導磁復合線圈[12],可由多個塊狀體[11]所構成,并在各塊狀體[11]之間加有絕緣物[2]。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的電磁鑄造用復合電磁感應器,其特征在于上導磁復合線圈[5]、下導磁復合線圈[8]、外側導磁復合線圈[7]、整體導磁復合線圈[12],可以設計成圓形體線圈、方形體線圈、長方體線圈或異型體線圈。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的電磁鑄造用復合電磁感應器,其特征在于上導磁復合線圈[5]的內側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)權利要求1或2所述的電磁鑄造用復合電磁感應器,其特征在于上導磁復合線圈[5],下導磁復合線圈[8]的內側面與主線圈[6]內側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)權利要求1或2所述的電磁鑄造用復合電磁感應器,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)權利要求1或2所述的電磁鑄造用復合電磁感應器,其特征在于上導磁復合線圈[5]、下導磁復合線圈[8]、外側導磁復合線圈[7],可以單獨與主線圈[6]電磁感應器配合使用或經(jīng)不同組合后與主線圈[6]電磁感應器配合使用。
8.根據(jù)權利要求1或2所述的電磁鑄造用復合電磁感應器,其特征在于所述的高導磁材料是磁導率大于真空磁導率的導磁材料,通常為Fe、Co、Ni及其合金、硅鋼以及鐵氧體材料。
9.根據(jù)權利要求1或2所述的電磁鑄造用復合電磁感應器,其特征在于主線圈[6]電磁感應器是由導電率大于鋼的材料制做,通常用Al、Cu以及超導材料制做。
10.根據(jù)權利要求1所述的電磁鑄造用復合電磁感應器,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
熱加工領域中的電磁鑄造用復合電磁感應器,由電磁感應器和導磁材料復合而成,包括主線圈(6)、冷卻水室(9)和屏蔽罩(3),特征是,還包括,在主線圈外部設有高導磁材料制做的上導磁復合線圈(5)、下導磁復合線圈(8)、外側導磁復合線圈(7),在各導磁復合線圈間及與主線圈間、塊狀體(11)間,加有絕緣物(2),優(yōu)點:①減小磁阻增大磁場,實現(xiàn)小電流低能耗下的電磁鑄造,降低能耗300%以上;②調整導磁復合線圈的相對位置,使感光趣區(qū)域磁場增大,結晶器內磁場均勻。
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