技术领域
[0001] 本
发明属于金属材料制备领域，具体为一种实现半连续铸造液穴熔体低频电磁震荡或低频电磁强制脉动流的半连续铸造方法。
背景技术
[0002] 目前除了少数高活性镁
合金(如镁锂合金)以及高铸造裂纹趋势的镁合金(如高稀土合金化镁合金)之外，
变形(包括
轧制、
挤压和
锻造)用镁合金和
铝合金坯料大多通过直接
水冷半连续铸造工艺(即DC铸造)制备与生产。尽管DC铸造工艺具有比永久模铸造明显的
质量与效率优势，但因其
散热方向与冷却
凝固特点，包括镁合金和
铝合金在内的金属坯料铸造易因为在横截面不同部位
温度梯度和冷却速率差别大而导致横截面上内外晶粒尺寸的巨大差别，还会因为散热单一取向而导致出现大面积的柱状晶区，同时还会因为同一截面上凝固时序差别而导致严重的宏观偏析和铸造内应
力。这些情况都将对铸造坯料的后续变形产生诸如变形不均匀、裂纹、以及组织与性能不均等严重不良影响与结果。因此，如何进一步提高包括镁合金和铝合金坯料在内的DC铸造坯料的
冶金质量，提高坯料的组织细化与均匀化效果，减小宏观偏析程度，缩小或消除铸造坯料中的柱状晶区，是轻合金坯料铸造行业持续努力的目标。
[0003] 要实现以上目标，在技术手段上通过调整结晶器结构以及优化铸造工艺参数是重要途径，如中国
专利ZL201110386386.0公开了《内外双向冷却
连铸镁合金和铝
合金锭坯装置与工艺》，在坯料外部一冷与二冷
基础上，通过在棒材凝固液穴上部增加可带走芯部热量的内冷头装置，来降低横向温度梯度和冷却速率差别，以达到细晶效果。此外，大量研究已表明，施加外场(包括永
磁场、
电磁场、脉冲电磁场、组合电磁场、
超声波、
机械波等)是改变金属凝固行为的十分有效的方法。中国专利ZL03133389.3《镁合金超低温铸造制取半固态浆方法》和ZL200810010647.7《镁合金锭坯的油滑电磁立式半连续铸造方法与结晶器》分别公开了一种在镁合金棒材DC半连续铸造过程中通过施加低频电磁场产生强制
对流来实现铸造棒材组织细化和元素分布均匀化的方法；中国专利ZL200710010640.0《功率超声与低频电磁协同作用的轻合金水平连续铸造方法及设备》和ZL200710010641.5《功率超声与低频电磁协同作用的轻合金大规格锭坯立式半连续铸造方法及设备》分别公开了一种在镁合金棒材DC半连续铸造过程中同时施加组合功率超声与低频电磁，利用功率超声克服电磁趋肤效应和利用电磁强制对流克服功率超声因
能量快速衰减而作用区域有限的局限，实现了较大规格镁合金棒材铸造的组织细化和元素分布均匀化的显著效果。以上技术均通过在单一负载线圈中施加
电流来实现电磁场的施加，但是由于电磁在拟处理的金属熔体中的趋肤效应，为达到技术效果需要在负载线圈中施加很大的电流，即使如此，在较大体积熔体凝固时往往也难以达到理想的技术效果。
[0004] 张勤和郭世杰的研究表明，通过在半连续铸造结晶器中安装两个分别通交流电和直流电的励磁线圈来产生的稳衡磁场和交变磁场，结合电磁导向
铁芯，实现7075铝合金或AZ80镁合金熔体的受迫震荡，可以达到明显细化其凝固组织以及抑制偏析和裂纹的效果，但由于采用两套线圈，一是体积庞大，不利于结晶器的布置，另一方面是两个线圈的物理距离也降低了其耦合效果，同时，还由于置于线圈内侧的铁芯也显著增加了半连铸铸造注液操作过程的复杂性，所以只停留于实验室研究阶段，难以实现工业化应用。
发明内容
[0005] 为解决
现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既结构简单、体积较小、易于实现工业应用，又无需给负载线圈施加很大电流的半连续铸造液穴熔体电磁处理装置及其工作方法，以解决轻合金半连续铸造坯料不能完全满足塑性变形工艺(特别是锻造工艺和轧制工艺)对铸造坯料晶粒尺寸和成分均匀性要求的问题。
[0006] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0007] 一种半连续铸造液穴熔体电磁处理装置，包括
变压器、可控
硅控制器、可控硅组件、
电解电容组、IGBT控制器、IGBT组件、霍尔
传感器、负载线圈、无级电容组、PLC核心组件、数显/控制表和
触摸屏主令元件；所述的变压器的一端与三相交流电源连接，另一端依次与可控硅控制器、可控硅组件和电解电容组连接，所述的电解电容组还分别与无级电容组、IGBT组件和负载线圈连接，所述的PLC核心组件分别与IGBT控制器、霍尔传感器和数显/控制表连接，所述的IGBT控制器与IGBT组件连接，所述的负载线圈与霍尔传感器连接，所述的数显/控制表与触摸屏主令元件连接；
[0008] 所述的变压器起到
电压变换和隔离保证操作安全作用；可控硅组件及可控硅控制器起整流作用；电解电容组是储能滤波单元；IGBT组件是功率元件，IGBT控制器是触发单元；负载线圈与无级电容组并联构成LC震荡回路，所述的负载线圈为矩形截面，由绝缘扁
铜线缠绕而成；所述的霍尔传感器、数显/控制表、PLC核心组件和触摸屏主令元件构成
信号检测与控制回路；其中的霍尔传感器对LC震荡回路中的电流信号进行检测，通过数显/控制表实时显示并与PLC核心组件进行
信号传输，实现IGBT控制器对IGBT组件的控制。
[0009] 所述的负载线圈置于结晶器
冷却水腔中。所述的结晶器包括加工有
润滑油道的内套、水箱介板、排气孔、线圈
定位上夹板、负载线圈、线圈定位
下夹板、外套、封水板和出水孔；所述的内套、水箱介板、外套和封水板构成冷却水腔；所述的外套由侧板与
底板焊接而成；所述的内套上部设置润滑油道，所述的内套与水箱介板之间设置
密封胶条，所述的外套与水箱介板之间设置排气孔，所述的外套与内套之间设置封水板，所述的内套与封水板连接处设置出水孔；所述的负载线圈通过线圈定位上夹板、线圈定位下夹板、紧固
螺母和紧固螺杆固定。
[0010] 进一步地，在所述的结晶器中引入引锭头，结晶器的内套与引锭头之间有1～3mm的间隙，间隙上方絮有
石棉绳。
[0011] 进一步地，所述的冷却水腔同时为结晶器的二冷水水腔，即冷却水腔与二冷水水腔为一体化结构；冷却水腔的侧板的外侧面上沿设置流量调节的排气孔。
[0012] 进一步地，所述的内套材质为6061或6061或6082铝合金。
[0013] 进一步地，所述的负载线圈的
匝数为60～150匝，所用绝缘扁铜线绝缘层材料为聚酰亚胺漆，绝缘耐热等级满足国家标准的C级，绝缘层
击穿电压大于5000V。
[0014] 进一步地，所述的电解电容组由多个额定电压450～600V、电容量10000-12000μF的电解电容器并联而成。
[0015] 进一步地，所述的IGBT控制器采用TX-DA102D2或TX-DA102D4控制器。
[0016] 进一步地，所述的无级电容组由2～100个额定电压600～2000V、电容量30～500μF的CBB电容器并联而成。
[0017] 本发明的电磁场的形成方法如下：380V三相交流电通过隔离变压器转换成200～300V交流电；通过可控硅组件的整流过程形成直流电流，并向电解电容组充电实现储能与滤波；通过IGBT组件闭合负载线圈-无级电容组回路并在负载线圈中形成阻尼震荡电流，同时在结晶器内套腔体内形成震荡电磁场，从而对置于内套腔体内的金属熔体实现震荡凝固铸造。
[0018] 一种半连续铸造液穴熔体电磁处理装置的工作方法，包括以下步骤：
[0019] A、将熔体引入由结晶器内套和引锭头以及石棉绳围成的内套腔体中；
[0020] B、通过触摸屏主令元件设置负载线圈参数，通过PLC核心组件转换成
数字信号；所述的负载线圈参数包括低频电流
频率、低频电流占空比和低频电流强度；
[0021] 所述的负载线圈参数的设置为以下三种方式之一：
[0022] B1、在f＝1～15Hz中低
频率范围，d＝10％-50％中低占空比条件下，获得脉冲锯齿电流波和相应的脉动电磁场，实现液穴熔体的强制脉动震荡对流；
[0023] B2、在f＝15～50Hz中高频率范围，d＝10％-50％中低占空比条件下，获得直流-连续锯齿组合电流波和相应的连续震荡电磁场，实现液穴熔体的强制连续震荡对流；
[0024] B3、在f＝15～25Hz中等频率范围，d＝20％-80％中低占空比条件下，获得连续锯齿电流波和相应的连续电磁场，实现液穴熔体的强制连续对流；
[0025] C、
电信号通过IGBT控制器实现对IGBT组件的开闭频率和占空比进行触发控制，同时通过可控硅组件实现对负载线圈的电流强度进行调节控制；
[0026] D、负载线圈的电流强度反馈给霍尔传感器，霍尔传感器转换成
控制信号，进一步反馈给PLC核心组件，从而形成电流闭环控制。
[0027] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0028] 1、本发明通过调节频率、占空比和平均电流强度大小等负载线圈参数，可以在负载线圈上获得具有不同
波形特点的电流，进而获得相应感应电磁场，并在液穴熔体中形成相应形式的强制对流。平均电流强度不改变所实现的电磁场和强制对流类型，但提高平均电流强度可显著提高电磁场和强制对流的强度。本发明完全可解决轻合金半连续铸造坯料不能完全满足塑性变形工艺(特别是锻造工艺和轧制工艺)对铸造坯料晶粒尺寸和成分均匀性要求的问题。
[0029] 2、本发明提出了利用同一电磁电源系统，即可在单一负载线圈中施加很低的电流来实现拟铸造熔体很强的电磁连续或脉动强制对流作用，还可在此单一负载线圈实现很强的电磁连续震荡效果。因此，本发明的装置结构简单、且占用空间较小，方便结晶器布置和实际铸造操作。与现有的两套励磁线圈和导向铁芯结构的装置相比，在相似的作用效果情况下，其体积可以为原来的1/3～1/2。
[0030] 3、本发明设置流量可调的排气孔，目的是保证负载线圈始终完全浸泡于冷却水中。
[0031] 4、本发明可用于镁合金或铝合金的半连续铸造，也可以用于永久模铸造。
附图说明
[0032] 图1是本发明装置的主要
硬件及其连接方式示意图。
[0033] 图2是本发明装置的电磁场形成方法示意图。
[0034] 图3是本发明装置的检测与控制回路控制过程示意图。
[0035] 图4本发明装置的负载线圈及其在结晶器中的定位结构示意图。
[0036] 图5是本发明装置实现的脉冲锯齿电流波示意图。
[0037] 图6是本发明装置实现的直流与连续锯齿组合电流波示意图。
[0038] 图7是本发明装置实现的连续锯齿电流波示意图。
[0039] 图8是结晶器液穴中熔体的“喷泉式”脉动震荡对流示意图。
[0040] 图9是结晶器熔体的“喷泉式”连续震荡对流示意图。
[0041] 图10是结晶器熔体的“喷泉式”连续对流示意图。
[0042] 图11是结晶器液穴中熔体的“喷泉式”连续对流的特定空间点的环流速度示意图。
[0043] 图12是结晶器液穴中熔体的“喷泉式”连续震荡对流的特定空间点的环流速度示意图。
[0044] 图13是结晶器熔体的“喷泉式”连续震荡对流的震荡速度分量示意图。
[0045] 图14是结晶器液穴中熔体的“喷泉式”脉动震荡对流的特定空间点的环流速示意图。
[0046] 图中：1—润滑油道；2—内套；3—密封胶条；4—水箱介板；5—排气孔；6—侧板；7—紧固螺母；8—线圈定位上夹板；9—紧固螺杆；10—负载线圈；11—外套；12—线圈定位下夹板；13—底板；14—封水板；15—出水孔；16—引锭头；17—石棉绳；18—冷却水腔；19—“喷泉式”脉动震荡对流环流；20—较大波纹的液面；21—糊状区；22—凝固锭坯；23—“喷泉式”连续震荡对流环流；24—较小波纹的液面；25—“喷泉式”连续对流环流；26—平静的液面；
[0047] I—脉冲电流；Imax—脉冲电流峰值；IA—脉冲电流平均值(设定值)；f—脉冲电流频率；T—脉冲周期；t—时间；IDC—脉冲电流交流部分；IAC—脉冲电流直流部分；t0—脉冲电流稳态起点；vi(x,y,z)—流场中任意点i(x,y,z)的瞬时速度；vpi(x,y,z)—流场中任意点i(x,y,z)的瞬时震荡速度分量；
具体实施方式
[0048] 下面结合附图对本发明进行进一步地说明。如图1-4所示，一种半连续铸造液穴熔体电磁处理装置，包括变压器、可控硅控制器、可控硅组件、电解电容组、IGBT控制器、IGBT组件、霍尔传感器、负载线圈10、无级电容组、PLC核心组件、数显/控制表和触摸屏主令元件；所述的变压器的一端与三相交流电源连接，另一端依次与可控硅控制器、可控硅组件和电解电容组连接，所述的电解电容组还分别与无级电容组、IGBT组件和负载线圈10连接，所述的PLC核心组件分别与IGBT控制器、霍尔传感器和数显/控制表连接，所述的IGBT控制器与IGBT组件连接，所述的负载线圈10与霍尔传感器连接，所述的数显/控制表与触摸屏主令元件连接；
[0049] 所述的变压器起到电压变换和隔离保证操作安全作用；可控硅组件及可控硅控制器起整流作用；电解电容组是储能滤波单元；IGBT组件是功率元件，IGBT控制器是触发单元；负载线圈10与无级电容组并联构成LC震荡回路，所述的负载线圈10为矩形截面，由绝缘扁铜线缠绕而成；所述的霍尔传感器、数显/控制表、PLC核心组件和触摸屏主令元件构成信号检测与控制回路；其中的霍尔传感器对LC震荡回路中的电流信号进行检测，通过数显/控制表实时显示并与PLC核心组件进行信号传输，实现IGBT控制器对IGBT组件的控制。
[0050] 所述的负载线圈10置于结晶器冷却水腔18中；所述的结晶器包括加工有润滑油道1的内套2、水箱介板4、排气孔5、线圈定位上夹板8、负载线圈10、线圈定位下夹板12、外套
11、封水板14和出水孔15；所述的内套2、水箱介板4、外套11和封水板14构成冷却水腔18；所述的外套11由侧板6与底板13焊接而成；所述的内套2上部设置润滑油道1，所述的内套2与水箱介板4之间设置密封胶条3，所述的外套11与水箱介板4之间设置排气孔5，所述的外套
11与内套2之间设置封水板14，所述的内套2与封水板14连接处设置出水孔15；所述的负载线圈10通过线圈定位上夹板8、线圈定位下夹板12、紧固螺母7和紧固螺杆9固定。
[0051] 进一步地，在所述的结晶器中引入引锭头16，结晶器的内套2与引锭头16之间有1～3mm的间隙，间隙上方絮有石棉绳17。
[0052] 进一步地，所述的冷却水腔18同时为结晶器的二冷水水腔，即冷却水腔18与二冷水水腔为一体化结构；冷却水腔18的侧板6的外侧面上沿设置流量调节的排气孔5。
[0053] 进一步地，所述的内套2材质为6061或6061或6082铝合金。
[0054] 进一步地，所述的负载线圈10的匝数为60～150匝，所用绝缘扁铜线绝缘层材料为聚酰亚胺漆，绝缘耐热等级满足国家标准的C级，绝缘层击穿电压大于5000V。
[0055] 进一步地，所述的电解电容组由多个额定电压450～600V、电容量10000-12000μF的电解电容器并联而成。
[0056] 进一步地，所述的IGBT控制器采用TX-DA102D2或TX-DA102D4控制器。
[0057] 进一步地，所述的无级电容组由2～100个额定电压600～2000V、电容量30～500μF的CBB电容器并联而成。
[0058] 本发明的电磁场的形成方法如下：380V三相交流电通过隔离变压器转换成200～300V交流电；通过可控硅组件的整流过程形成直流电流，并向电解电容组充电实现储能与滤波；通过IGBT组件闭合负载线圈10-无级电容组回路并在负载线圈10中形成阻尼震荡电流，同时在结晶器内套2腔体内形成震荡电磁场，从而对置于内套2腔体内的金属熔体实现震荡凝固铸造。
[0059] 一种半连续铸造液穴熔体电磁处理装置的工作方法，包括以下步骤：
[0060] A、将熔体引入由结晶器内套2和引锭头16以及石棉绳17围成的内套2腔体中；
[0061] B、通过触摸屏主令元件设置负载线圈10参数，通过PLC核心组件转换成数字信号；所述的负载线圈10参数包括低频电流频率、低频电流占空比和低频电流强度；
[0062] 所述的负载线圈10参数的设置为以下三种方式之一：
[0063] B1、在f＝1～15Hz中低频率范围，d＝10％-50％中低占空比条件下，获得脉冲锯齿电流波和相应的脉动电磁场，实现液穴熔体的强制脉动震荡对流；
[0064] B2、在f＝15～50Hz中高频率范围，d＝10％-50％中低占空比条件下，获得直流-连续锯齿组合电流波和相应的连续震荡电磁场，实现液穴熔体的强制连续震荡对流；
[0065] B3、在f＝15～25Hz中等频率范围，d＝20％-80％中低占空比条件下，获得连续锯齿电流波和相应的连续电磁场，实现液穴熔体的强制连续对流；
[0066] C、电信号通过IGBT控制器实现对IGBT组件的开闭频率和占空比进行触发控制，同时通过可控硅组件实现对负载线圈10的电流强度进行调节控制；
[0067] D、负载线圈10的电流强度反馈给霍尔传感器，霍尔传感器转换成控制信号，进一步反馈给PLC核心组件，从而形成电流闭环控制。
[0068] 下面结合附图对本发明的有益效果作进一步地说明。
[0069] 1、本发明可以针对负载线圈和联接
电缆总感抗大小，通过触摸屏主命令元件简便调节负载线圈的低频电流频率f和占空比d，可以实现电流波形由如图5所示的脉冲
锯齿波到如图6所示的直流(IDC)与连续锯齿(IAC)
叠加波的无级转换；较低频率或较低占空比易于得到脉冲锯齿电流波，较高频率或较高占空比易于得到直流与连续锯齿电流波。
[0070] 2、本发明在输出直流与连续锯齿叠加波时，可以通过触摸屏主命令元件设置低频电流频率f和占空比d，在单一负载线圈中随意调节直流部分与连续锯齿波部分的比例，当直流部分所占份额足够小时，即可形成如图7所示的连续锯齿电流波。
[0071] 3、本发明的负载线圈10中，通以脉冲锯齿电流波可实现如图8所示的结晶器液穴中熔体的“喷泉式”脉动震荡对流环流19，形成较大波纹的液面20，波纹明显(振幅大，
波长较长)，经强制对流处理的熔体逐步冷却进入糊状区21，最后形成凝固锭坯22；通以直流与连续锯齿组合电流波可实现如图9所示的熔体的“喷泉式”连续震荡对流环流23，形成较小波纹的液面24，液面波纹减弱(振幅较小，波长较短)；通过调节组合电流波的直流部分与连续锯齿部分的相对大小，可以控制震荡对流的震荡与对流的相对大小。在直流部分(IDC)足够小时，连续锯齿电流波可以实现如图10所示的熔体“喷泉式”连续对流环流25，形成平静的液面26，液面基本平稳，无波纹。()
[0072] 4、当熔体形成脉动震荡对流环流19时，特定点i(x,y,z)的流动速率vi(x,y,)随时间呈现如图11的间隙脉动；当熔体连续震荡对流环流23时，其特定点的流动速率在环流方向上的分量vi(x,y,z)随时间变化呈现如图12的连续脉动；但其脉动分量vpi(x,y,z)随时间变化如图13所示；当熔体连续对流环流25时，流动速率vi(x,y,z)基本不随时间明显变化(如图14)。本发明可以实现结晶器内套中熔体的电磁作用从电磁强制脉动震荡对流到连续震荡对流再到连续对流的渐变无级转换调节；
[0073] 5、本发明可以对负载低频电流I的瞬时变化进行实时闭环控制，可通过触摸屏等主令元件设置负载低频电流平均值IA的大小，来实现对负载低频电流峰值Imax的调节；
[0074] 6、本发明可实现稳定工作的负载低频电流参数设定范围为：频率f＝1～50Hz，占空比d＝1％～90％，电流强度I＝1～200A；上述设定范围容易获得所需要的对流方式并实现所希望的效果。
[0075] 7、本发明的数显/控制表低频电流可视值ID具有在设定值IA附近一定范围内
波动的特点，同时与传统低频
电磁铸造相比，可以在较小的平均电流IA实现较大的电磁强制对流或震荡效果，具有明显的低功耗和高效能的特点。
[0076] 下面结合附图和
实施例对本发明进行进一步地描述。
[0077] 按照图3所示的流程进行负载线圈参数设置的实施例如下：
[0078] 实施例1
[0079] 表1：低占空比时，在较低频率范围调节的结果。
[0080]
[0081] 实施例2
[0082] 表2：低占空比时，在中等频率范围调节的结果。
[0083]
[0084] 实施例3
[0085] 表3：低占空比时，在较高频率范围调节的结果。
[0086]
[0087]
[0088] 实施例4
[0089] 表4：在中等频率范围时，提高占空比的结果。
[0090]
[0091] 实施例5
[0092] 表5：在较高频率范围时，提高占空比的结果。
[0093]
[0094] 实施例6
[0095] 表6：在中等频率和较低占空比时，提高设定电流的结果。
[0096]
[0097] 实施例7
[0098] 表7：在中等频率和较高占空比时，提高设定电流的结果。
[0099]
[0100] 实施例8
[0101] 表8：在较高频率和较高占空比时，提高设定电流的结果。
[0102]
[0103] 实施例9
[0104] 表9：在较高频率和较低占空比时，提高设定电流的结果。
[0105]
[0106] 实施例10
[0107] 表10：在较低频率和较低占空比时，缩小结晶器尺寸的结果。
[0108]结晶器内径 负载线圈匝数 f/Hz d/％ IA/A 电流波形 熔体环流
Φ300mm 100 5 20 50 图7 图10
Φ70mm 100 5 20 50 图7 图10
[0109] 实施例11
[0110] 表11：在中等频率和较低占空比时，缩小结晶器尺寸的结果。
[0111]结晶器内径 负载线圈匝数 f/Hz d/％ IA/A 电流波形 熔体环流
Φ300mm 100 10 20 50 图5 图8
Φ70mm 100 10 20 50 图7 图10
[0112] 实施例12
[0113] 表12：在中等频率和较低占空比时，缩小结晶器尺寸的结果。
[0114]结晶器内径 负载线圈匝数 f/Hz d/％ IA/A 电流波形 熔体环流
Φ300mm 100 20 20 50 图7 图10
Φ70mm 100 20 20 50 图6 图9
[0115] 本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。
