新型复合电磁感应器制造技术

金属热加工领域中的新型复合电磁感应器，由主线圈（６）、冷却水室（９）、屏蔽罩（３）所构成，特征是：在主线圈的外部还设有上导磁复合线圈（５）、下导磁复合线圈（８）、外侧导磁复合线圈（７），各导磁复合线圈之间及其与主线圈之间加有绝缘物（２）。导磁复合线圈，可由多个块状体（１１）所构成，并在块状体之间加有绝缘物。优点：感应器的有效磁通大大增加，实现钢的电磁铸造，可调整各区域的磁场强度，对铝、铜等合金的电磁铸造，降低能耗３００％以上。（*该技术在2007年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及到电磁铸造，铸冶过程中的感应熔炼、电磁搅拌和热处理的感应加热技术，是对现有电磁感应器的改进，属于金属热加工领域。电磁铸造简称EMC(Electromagnetic Casting)是由前苏联学者Getselev于60年代所专利技术的无模半连续铸造技术。其原理是用电磁感应器取代了普通结晶器，当电磁感应器中通入交变电流时，产生交变电磁场B，电磁场作用于液体金属形成感应电流J，磁场B与感应电流J相互作用，产生向内的电磁力F=J×B，电磁力F约束液体金属形成半悬浮柱体，在电磁感应器的下方喷水冷却，上方充填液体金属，由于铸机拖动底模以一定速度下降，形成连续铸造过程。EMC与普通连续铸造(DC法)相比，具有极大的优点①由于电磁铸造中液态金属在电磁力的约束下成型，不与结晶器相接触，所以液体金属能在保持自由表面的状态下水冷强迫凝固，铸锭的表面光洁度可达7～8，消除了DC法固有的拉、划伤缺陷，在进一步加工前可以不铣面或少铣面，而DC法生产的铸锭则要铣面5～15mm，所以，EMC法节省了工序，大大降低了能源和原材料的消耗，②由于EMC存在电磁搅拌作用，所以铸锭的内部组织致密、均匀，减少了偏析，机械性能，特别是韧性大幅度提高，③由于无模铸造，所以取消了复杂的振动和润滑系统，减少了设备投资，简化了工艺。因此电磁铸造有着极大的经济意义。电磁铸造技术，最早应用于铝及铝合金的生产中，其以美国、德国和瑞士等的技术最为先进。目前用EMC法生产的铝合金达200万吨以上，这显示了取代DC法的强劲势头。有色金属这种电磁铸造技术，能否应用于钢的电磁铸造，这已成为人们所关注的焦点，但迄今为止尚无实用的钢电磁铸造技术的报导。这是由于实现钢EMC的难点在于①密度大，约是铝的3倍，需很高的电磁压力成型，②电导率低，仅为铝的1/6，而且透入深度大，在相同的电源参数下，钢液表面形成的感应电流密度小，电磁推力也小，因此，若采用现行的电磁感应器需很高的电流。例如，仅从密度的角度考虑，形成50mm高的金属液柱，铝需54mT的磁通密度，而钢则为92mT，约是铝的1.7倍。如果综合电导率等其他因素，可推知钢约需4.4倍以上于铝EMC的感应器电流，即20000A左右，能耗巨大。俄罗斯学者Лeщков.в.л采用150～250KW的电源制造出φ300mm的圆坯，能耗接近铝的10倍，因此，许多学者认为钢的电磁铸造毫无价值，遂将精力集中于冷坩锅法的研究。冷坩锅法即是在普通连铸结晶器上均匀切割数条微小的缝隙(一般为0.1mm)，外侧放置感应线圈，施加高频电磁场，结晶器内产生涡电流将在钢液表面产生向内的电磁推力，使钢坯与结晶器壁实现“软接触”，同时高频磁场的振动抵消了机械振动的影响，从而改善了连铸钢坯表面质量。但能耗大、表面质量的改善也并不十分明显。因此，将EMC技术，应用于钢的生产就成为人们急需解决的关键问题。现有技术存在能耗大的基本原因在于现行的电磁感应器为单匝线圈，工业上主要为圆断面或矩形断面的电磁成型方法，线圈为紫铜的矩形管或紫铜带。系统的磁回路由液体金属、空气和绝缘的非磁性材料构成，因此，使感应器一铸锭系统组成的整个回路的磁阻Rm很大，磁通密度φ较小，故现有技术不能实现对钢的电磁铸造。本技术的目的和任务是①克服现有技术用于铝、铜合金其磁阻大，能耗大的不足，铝合金的研究表明，普通电磁感应器仅有约10％的有效功率作用于实际铸造过程中，而90％消耗于系统的损耗，②克服已有技术应用于钢EMC的实际生产中难以为人们的接受的不足，并提供一种减少磁阻增强磁场，使EMC可用于钢的实际生产，并使现有EMC生产的铝及铝合金、铜合金的能耗大为降低的技术措施，特提出本技术的技术解决方案。本技术的基本构思是以原有线圈的电磁感应器作为主线圈，产生激发磁场，以高导磁材料取代由空气所占据的空间而设计的导磁复合线圈构成新型复合电磁感应器；导磁复合线圈减小了磁路的磁阻，同时，依据电磁场的镜像理论，将导磁复合线圈与主线圈构成复合界面，产生附加磁场；附加磁场与原磁场叠加，使感应器内的有效磁场大大增强，使液柱宽度减小、高度增大，实现小电流、低能耗条件下钢的电磁铸造；并将其应用于铝、铜等其他合金的电磁铸造，可大大降低感应器电流、节省能源；通过改变主线圈和导磁复合线圈的结构、相对位置或绝缘物的厚度，可以增强和调整磁场强度与分布。本技术所设计的新型复合电磁感应器，是由主线圈、冷却水室、屏蔽罩所构成，其特征在于在主线圈的上部、下部和外侧部还设有与主线圈电磁感应器形状相近似的上导磁复合线圈、下导磁复合线圈、外侧导磁复合线圈或将上导磁复合线圈、下导磁复合线圈及外侧导磁复合线圈作成一体的整体导磁复合线圈；在上导磁复合线圈与主线圈和外侧导磁复合线圈之间、下导磁复合线圈与主线圈和外侧导磁复合线圈之间、外侧导磁复合线圈与主线圈之间，均加有绝缘物。本技术的进一步特征在于上导磁复合线圈、下导磁复合线圈、外侧导磁复合线圈或整体导磁复合线圈，可由多个块状体所构成，并在各块状体之间加有绝缘物；上导磁复合线圈、下导磁复合线圈、外侧导磁复合线圈或整体导磁复合线圈，可以设计成圆形体线圈、方形体线圈、长方体线圈或异型体线圈；为控制金属液柱的高度和其顶部的曲率半径，上导磁复合线圈的内侧面与水平面间的夹角β设为90°～30°，通常为90°、75°、60°或45°角；上导磁复合线圈、下导磁复合线圈的内侧面与主线圈内侧面其水平方向的相对距离d为-50mm≤d≤2000mm，通常d为0或2或5或10mm，以控制感应器内的磁场强度和均匀性；为减少涡流损失而在各导磁复合线圈之间及各导磁复合线圈与主线圈之间，各块状体之间所加的绝缘物的厚度为0≤δ≤50mm，一般为δ≤0.1mm；上导磁复合线圈、下导磁复合圈、外侧导磁复合线圈，可以单独与主线圈电磁感应器配合使用或经不同组合后与主线圈电磁感应器配合使用。电磁铸造的基本设备包括电源、淬火变压器、电磁感应器、屏蔽罩、冷却水室、熔化炉、浇注系统和拉坯系统。在上述设备中，电磁感应器是最为关键的赖以成型的装置。新型复合电磁感应器系统电磁铸造的工艺流程是①调整电磁感应器、屏蔽罩、冷却水室和底模的水平与相对位置，②将底模升入感应器中，使其顶面位于感应器与下导磁复合线圈交界处，③启动电源，并调整功率、频率和感应器电流等电磁参数至规定值，④浇注液体金属于底模中，当形成的半悬浮金属液柱的高度达到规定值(一般为30～40mm)时，开启拉坯系统，使铸造速度按一定模式逐渐过渡到正常值，⑤当铸造过程进入稳定阶段后，铸造速度基本保持恒定，此时要严格控制浇注速度，使其与铸造速度相匹配以保持液位恒定，直至铸造完毕。本技术的主要优点是①由于采用导磁复合线圈，从而减小了系统回路的磁阻，并产生强大的电磁场，使感应器的有效磁通大大增加，因此可以实现小电流、低能耗钢的电磁铸造，这就一方面可显著改善钢坯的表面质量，消除轧制中因表面质量差而引起的各种缺陷，同时，由于电磁搅拌的作用，可细化钢坯的凝固组织，使其致密、均匀并减小偏析，大幅度提高机械性能，另一方面，由于无模成型，取消了复杂的振动和润滑系统、减少和简化工装、降低劳动强度，其经济效益是不言而喻的，②本技术仍可应用于铝、铜等合金的电磁铸造，此本文档来自技高网...

【技术保护点】
新型复合电磁感应器，是由主线圈［６］、冷却水室［９］、屏蔽罩［３］所构成，其特征在于：ａ）在主线圈［６］的上部、下部和外侧部还设有与主线圈［６］电磁感应器形状相近似的上导磁复合线圈［５］、下导磁复合线圈［８］、外侧导磁复合线圈［７］或整 体导磁复合线圈［１２］，ｂ）在上导磁复合线圈［５］与主线圈［６］和外侧导磁复合线圈［７］之间、下导磁复合线圈［８］与主线圈［６］和外侧导磁复合线圈［７］之间、外侧导磁复合线圈［７］与主线圈［６］之间，加有绝缘物［２］。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴国，金俊泽，孙振宇，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：实用新型
国别省市：91[中国|大连]