一种螺线管式电磁搅拌器制造技术

本发明专利技术公开了一种螺线管式电磁搅拌器，包括：壳体、螺线管线圈、坩埚、电阻丝加热单元和绝热层；壳体内设置有线圈支撑壁，螺线管线圈缠绕在线圈支撑壁上，螺线管线圈通电后可为金属熔体提供径向和轴向电磁力；电阻丝加热单元用于为坩埚加热并保持金属的熔融状态；绝热层用于隔绝高温，保护螺线管线圈。本发明专利技术中，不同数量、位置的螺线管线圈可产生不同的径向和轴向电磁力分布，其中，典型的力场分布为径向电磁力沿轴向分布不均，使金属熔体产生“双回路”轨迹的湍流运动，紊乱度较传统电磁搅拌大大提高，增加了熔体运动的无序性，因此螺线管式电磁搅拌器的搅拌效率较传统电磁搅拌器得到较大提高。

A solenoid electromagnetic stirrer

The invention discloses a solenoid electromagnetic stirrer, which comprises a shell, solenoid coil, crucible, resistance wire heating unit and insulation layer; a coil supporting wall is arranged in the shell, and the solenoid coil is wound on the support wall of the coil. After the solenoid coil is electrified, the radial and axial electromagnetic force can be provided for the metal melt; the resistance wire heating unit is used to heat the crucible and keep the metal. Melting state; insulating layer is used to insulate high temperature and protect solenoid coil. In the present invention, solenoid coils with different numbers and positions can produce different radial and axial electromagnetic force distributions. The typical force field distribution is that the radial electromagnetic force distributes unevenly along the axial direction, resulting in the turbulent motion of the metal melt in a \double loop\ trajectory. The degree of disorder is much higher than that of traditional electromagnetic stirring, and the disorder of the melt motion is increased. Therefore, solenoid electromagnetic stirring The stirring efficiency of the mixer is much higher than that of the traditional electromagnetic stirrer.

【技术实现步骤摘要】
一种螺线管式电磁搅拌器
本专利技术属于电磁铸造领域，更具体地，涉及一种螺线管式电磁搅拌器。
技术介绍
随着科技和制造业的迅猛发展，单一的金属材料难以满足工业上的设计要求，因此开发具备多种材料优异性能的复合材料成了当今的研究热点之一。其中，颗粒增强金属基复合材料凭借其制备简单、性能优越、成本较低等特点，在航空、航天、汽车等各个领域得到了广泛的应用。机械搅拌法通过旋转桨对加入增强颗粒的金属熔体进行搅拌，使增强颗粒与金属熔体充分混合，是制备颗粒增强金属基复合材料是目前最成熟的方法，但机械搅拌也存在易带入杂质、搅拌力不均、对搅拌桨材料耐高温要求严格等缺陷，而电磁搅拌技术具有非接触、无搅拌盲区、不易带入杂质、改善金属微观结构等优势，在颗粒增强金属基复合材料铸造领域具有极大的应用前景。目前，传统电磁搅拌技术主要有三种不同的搅拌形式：(1)旋转磁场式，金属熔体在旋转磁场的作用下受周向电磁力而旋转；(2)行波磁场式，金属熔体在行波磁场的作用下受方向不变的电磁力而做直线运动；(3)螺旋磁场式，即旋转磁场与行波磁场叠加，金属熔体在螺旋磁场的作用下同时受到周向力和轴向力而做螺旋上升或下降运动。公开号CN107116191A和CN103182495A的专利技术专利分别指出复合式螺旋电磁搅拌器，在不同工作模式下，可以产生上述三种不同的搅拌方式。但传统电磁搅拌仍有以下缺陷：(1)混合效率不高，搅拌电磁力无径向分量使得金属熔体流动紊乱度较小，不利于金属熔体内部传热以及金属熔体与增强颗粒的混合；(2)搅拌速度受到电磁力趋肤效应的约束，加快金属熔体流速需要提高工作电流频率，而频率的升高使得熔体所受电磁力主要分布在熔体靠近绕组区域，中心区域几乎不受到电磁力；(3)金属熔体的周向旋转在液面形成中心大漩涡，在颗粒增强金属基复合材料铸造中易使颗粒发生团聚现象，降低复合材料的性能；(4)电磁搅拌器绕组较多，结构复杂，不易维修。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种螺线管式电磁搅拌器，旨在解决现有技术在颗粒增强金属基复合材料铸造中由于搅拌形式单一、金属熔体流动紊乱度较小导致金属熔体与增强颗粒混合效果差、效率低下的技术问题。本专利技术提供了一种螺线管式电磁搅拌器，包括：壳体、螺线管线圈、坩埚、电阻丝加热单元和绝热层；所述壳体内设置有线圈支撑壁，所述螺线管线圈缠绕在所述线圈支撑壁上，所述螺线管线圈通电后可提供径向和轴向电磁力；所述电阻丝加热单元用于为所述坩埚加热并保持金属的熔融状态；所述绝热层用于隔绝高温，保护所述螺线管线圈。其中，工作时，所述螺线管线圈在其高度中心处产生的磁场大于两端的磁场，金属熔体中部所受电磁力大于两端所受电磁力，金属熔体将产生向内流动的运动趋势，整个熔体形成中部径向向内流动，两端向外流动的“双回路”流动轨迹，这种类似于机械搅拌的“双回路”湍流运动可以高效地对整个熔体进行搅拌。作为本专利技术的一个实施例，当螺线管线圈为单个线圈时，其缠绕在所述线圈支撑壁上；所述螺线管线圈产生的磁场在线圈中部最大两端略小，坩埚内熔融金属在同一时刻受到的电磁力也呈中部大两端小的分布特点。作为本专利技术的一个实施例，当螺线管线圈为单个线圈时，其设置在金属熔体外侧的下端，工作时，金属熔体下端受到的电磁力较大，上端受到的电磁力较小，下端金属熔体沿径向向内流动而上端金属熔体向外流动，金属熔体形成一个整体的循环回路，流动形式为湍流。作为本专利技术的一个实施例，当螺线管线圈为单个线圈时，其设置在金属熔体外侧的上端，工作时，金属熔体上端受到的电磁力较大，下端受到的电磁力较小，上端金属熔体向内流动而下端金属熔体向外流动，金属熔体形成一个整体的循环回路，流动形式为湍流。作为本专利技术的另一个实施例，当螺线管线圈为两个线圈时，两个线圈分别设置在金属熔体外侧的上端和下端，且关于坩埚的高度中心对称分布。作为本专利技术的另一个实施例，当螺线管线圈为两个线圈时，两个线圈分别设置在金属熔体外侧的上端和下端，且关于坩埚的高度中心非对称分布。其中，所述螺线管线圈为实心铜导线或空心铜管，当采用空心铜管时，可在管内通水进一步提高线圈的散热性能。在本专利技术实施例中，螺线管式电磁搅拌器还包括：变频器和电源，所述变频器的一端连接所述螺线管线圈，所述变频器的另一端连接所述电源，所述变频器可在0～100Hz间任意改变所述螺线管线圈所通电流的频率，所述电源可在0～400A间任意改变所述螺线管线圈所通电流的有效值大小。在本专利技术实施例中，电阻丝加热单元包括：电阻丝、热电偶和温度调节电路；所述电阻丝用于加热坩埚，所述热电偶用于检测坩埚温度并将温度反馈给温度调节电路，所述温度调节电路根据热电偶反馈使坩埚温度保持在用户设定温度上。本专利技术具有如下技术效果：(1)搅拌效率高。由于螺线管线圈产生径向和轴向电磁力，且径向电磁力沿轴向分布不均，导致金属熔体形成类似机械搅拌的流动回路，运动形式为湍流，紊乱度较传统电磁搅拌大大提高，增加了金属熔体运动的无序性，因此螺线管式电磁搅拌器的搅拌效率较传统电磁搅拌器得到较大提高，同时也兼备非接触、无搅拌盲区、不易带入杂质、改善金属微观结构等传统电磁搅拌的优点。(2)控制简单且搅拌形式多样化。仅需改变螺线管的位置和组合即可产生不同分布特点的电磁力，因此可根据不同物理特性的待搅拌金属熔体或含增强颗粒的金属熔体定制不同的搅拌形式，适用于金属连铸，颗粒增强金属基复合材料铸造、半固态铸造等多种场景。(3)降低电流频率的提高对搅拌效果的限制。当电流频率提高时，电磁力增大，但由于趋肤效应，电磁力主要分布在金属熔体外侧，内部受到的电磁搅拌力较小，而螺线管式电磁搅拌器施加于金属熔体的电磁力以径向力为主，金属熔体将产生径向速度，并在外侧与内部之间循环流动，降低了金属熔体内部搅拌力较小的影响。(4)搅拌过程中金属熔体液面无中心漩涡形成，因此在颗粒增强金属基复合材料铸造中，不会导致增强颗粒在近液面区域发生团聚。(5)磁场发生装置的主要结构为螺线管线圈，结构简单，尺寸小，性能稳定，寿命长。附图说明图1为本专利技术实施例提供的螺线管式电磁搅拌器的结构示意图；图2为螺线管线圈产生的磁场的磁感线示意图；图3(a)为金属熔体中磁场、感应电场、感应电流和电磁力的相位关系示意图；图3(b)为螺线管式电磁搅拌器典型的力场、流场示意图；图4(a)为在螺线管式电磁搅拌器的单线圈模式搅拌下流场的截面图；图4(b)为在传统机械搅拌器搅拌下流场的截面图；图5为本专利技术第一实施例的结构图和流场截面图；图6为本专利技术第二实施例的结构图和流场截面图；图7为本专利技术第三实施例的结构图和流场截面图；图8为本专利技术第四实施例的结构图和流场截面图；图9为本专利技术第五实施例的结构图和流场截面图。图中，1为壳体，2为壳体上盖，3为螺线管线圈，4为坩埚，5为加热电阻丝，6为绝热层，7为金属熔体(金属液)。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术应用于电磁铸造和材料电磁加工领域，特别针对金属连铸、半固态铸造和颗粒增强金属基复合材料铸造中所用的电磁搅拌器。本专利技术提供了一种结构简单，工作寿命长，搅拌形式多样，搅拌效率高的螺线管式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种螺线管式电磁搅拌器，其特征在于，包括：壳体、螺线管线圈、坩埚、电阻丝加热单元和绝热层；所述壳体内设置有线圈支撑壁，所述螺线管线圈缠绕在所述线圈支撑壁上，所述螺线管线圈通电后可提供径向和轴向电磁力；所述电阻丝加热单元用于为所述坩埚加热并保持金属的熔融状态；所述绝热层用于隔绝高温，保护所述螺线管线圈。

【技术特征摘要】
1.一种螺线管式电磁搅拌器，其特征在于，包括：壳体、螺线管线圈、坩埚、电阻丝加热单元和绝热层；所述壳体内设置有线圈支撑壁，所述螺线管线圈缠绕在所述线圈支撑壁上，所述螺线管线圈通电后可提供径向和轴向电磁力；所述电阻丝加热单元用于为所述坩埚加热并保持金属的熔融状态；所述绝热层用于隔绝高温，保护所述螺线管线圈。2.如权利要求1所述的螺线管式电磁搅拌器，其特征在于，工作时，所述螺线管线圈在其高度中心处产生的磁场大于两端的磁场，金属熔体中部所受电磁力大于两端所受电磁力，金属熔体将产生径向向内流动的运动趋势，熔体形成中部向内流动，两端向外流动的“双回路”流动轨迹，这种类似于机械搅拌的“双回路”湍流运动可以高效地对整个熔体进行搅拌。3.如权利要求1所述的螺线管式电磁搅拌器，其特征在于，当螺线管线圈为单个线圈时，其缠绕在所述线圈支撑壁上，所述螺线管线圈产生的磁场在线圈中部最大、两端略小，坩埚内熔融金属在同一时刻受到的电磁力也呈中部大两端小的分布。4.如权利要求1所述的螺线管式电磁搅拌器，其特征在于，当螺线管线圈为单个线圈时，其设置在金属熔体外侧的下端，工作时，金属熔体下端受到的电磁力较大，上端受到的电磁力较小，下端金属熔体径向向内流动而上端金属熔体向外流动，金属熔体形成一个整体的循环回路，流动形式为湍流。5.如权利要求1所述的螺线管式电磁搅拌器，其特征在于，当螺线管线圈为单个...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩小涛，傅俊瑜，曹全梁，杜立蒙，陈威霖，谌祺，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42