CN101111333A - 利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备及其方法 - Google Patents

Abstract

一种利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备及其方法补偿了镁的小的凝固潜热，控制了凝固速度，通过电磁场搅拌模具内的熔融金属，从而可以进行连续浇铸。所述设备包括：用来连续浇铸铸造的坯段或板材的模具；位于所述模具外、可以对其施加电流的线圈；以及位于所述模具和浇铸的坯段或板材外的冷却喷嘴。在浇铸过程中，以2～1,000D的频率对线圈施加电流，或者以200～200,000D的频率施加50～10,000A的电流。通过在连续浇铸镁的过程中对模具施加低频或高频电磁场，可以以高浇铸速度制备内部质量得到提高、不含表面缺陷的镁坯段或镁块。

Description

利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备及其方法

技术领域

本发明涉及利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备及其方法，该设备可以通过施加高频或低频电磁场补偿镁的小的凝固潜热，控制凝固速度，从而可以进行连续浇铸。

更具体来说，本发明涉及利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备及其方法，所述设备在连续浇铸镁的时候对熔融金属施加低频电磁场，由此加热熔融金属，从而能够补偿镁的小的凝固潜热，控制凝固速度；所述设备还包括位于模具下方的低频电磁搅拌装置，从而在高浇铸速度下制得不存在表面缺陷的高质量坯段。

另外，本发明涉及利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备及其方法，所述设备适于在连续浇铸镁的过程中对特定的模具施加高频电磁场，还包括位于该模具下部的低频电磁搅拌装置，从而在高浇铸速度下，制得不具有表面缺陷的坯段。

背景技术

镁合金是重量很轻的金属，由于其具有极佳的物理性质，例如高比强度、极佳的电磁干扰(EMI)屏蔽性、极佳的散热性能和振动衰减能力等，被广泛地用于各种领域，包括用于运输的轻质部件到用于信息通信的电子器件的部件。由于镁的凝固潜热非常小，在浇铸过程中会迅速固化，因此无法通过常规的连续浇铸法进行浇铸。

另外，由于镁产品通常是通过压铸法制造的，目前尚无关于镁的连续浇铸的专利或报道。唯一的例外是双辊连续浇铸法被用来制造镁板。

同时，由于镁合金的凝固潜热很小，在浇注过程中会迅速凝固，并因此在凝固后具有各种缺陷，所以对镁合金进行连续浇铸是有困难的。对于镁合金的连续浇铸，需要大力抑制冷却，因此浇铸速度的加快具有一个限度。

奥地利的LKR开发了一种被称为MGACAST的连续浇铸镁板的方法。这种方法通过对用来连续浇铸铝的常规直接冷淬(DC)浇铸法进行改进，用来连续浇铸镁板。由于这种方法会在浇铸的镁板表面形成许多缺陷，所以存在的问题是需要使用火焰清理法从镁板表面除去缺陷，其浇铸速度是很低的。

另外，尽管可以用水平连续浇铸法制造镁板，但是也会在浇铸的镁板表面上形成许多缺陷，而且浇铸速度极低。

发明内容

技术问题

鉴于上述问题，我们提出了本发明。本发明的一个目标是提供一种利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备及其方法，该设备可以防止在浇铸过程中形成各种表面缺陷，加快浇铸速率，通过形成等轴结构减少内部缺陷，提高生产率。

本发明的另一个目标是提供利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备及其方法，所述设备可以通过搅拌熔融金属使其形成等轴结构，从而减少内部缺陷，还能够提高生产率。

技术方案

根据本发明一个方面，通过提供利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备，实现了上述目标和其它目标，所述设备包括：用来连续浇铸铸造的坯段或板材的模具；位于所述模具外、可以用来对其施加电流的线圈；位于所述模具以及浇铸的坯段或板材外的冷却喷嘴。

较佳的是，对所述线圈施加低频电流，在所述模具内的上部提供可更换的环。

较佳的是，所述环由石墨制成。

较佳的是，所述模具具有圆形或矩形的截面，所述线圈围绕所述模具设置。

较佳的是，所述冷却喷嘴通过直接向所述模具、线圈和浇铸坯段或板材上喷水而对它们进行冷却。

本发明另一方面提供了一种利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的方法，该方法使用根据本发明上述方面的用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备，在浇铸过程中对所述设备的线圈施加频率为2～1,000□的电流。

本发明另一个方面涉及一种利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备，该设备包括：其中形成有狭缝、用来连续浇铸铸造的坯段或板材的模具；位于所述模具外面、可以对其施加电流的线圈；以及位于所述模具下部的电磁搅拌装置。

较佳的是，所述模具具有被所述狭缝分隔的区段，在所述区段中形成了冷却水通道。

较佳的是，所述狭缝形成在模具的中心区域，从模具上端的下方延伸到模具下端的上方。

较佳的是，所述狭缝的宽度为0.2～0.3□，填充了陶瓷结合剂，使得能够对所述模具中的熔融金属施加电磁场，同时防止熔融金属泄漏。

较佳的是，所述模具具有圆形或矩形的截面，所提供的线圈围绕着所述模具。

较佳的是，所述设备还包括位于所述模具和电磁搅拌装置之间的冷却喷嘴。

较佳的是，所述冷却喷嘴直接对所述浇铸的坯段或板材和电磁搅拌装置喷水，从而对它们进行冷却。

本发明另一方面提供了一种利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的方法，该方法采用的设备是根据本发明其它方面利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备，其中对所述设备的线圈施加频率为200～200000□的50～10,000A的电流，以2～100□的频率对所述设备的电磁搅拌装置施加20～1,000A的电流。

有益的效果

根据本发明，所述设备包括：由具有良好导电性的铜或铜合金形成的模具；位于所述模具外的线圈，该线圈用来在浇铸镁的过程中对模具施加电磁场，从而对模具内熔融的镁进行感应加热，同时通过电磁压力减小所述模具和凝固的单元之间的接触压力，以避免在浇铸过程中形成表面缺陷；在模具下部设置了电磁搅拌装置，以提高浇铸速度和模具深度(depth of pool)。

另外，本发明在浇铸镁的时候使用了低频电磁场，包括由具有良好导电性的铜、铜合金或铝合金制成的模具，以及位于模具外的线圈，该线圈用来对模具施加电磁场，用电磁场对熔融的镁进行感应加热，同时以低频电磁场搅拌熔融金属，从而能够进行连续浇铸。

下面将参照附图描述本发明的示例性的构造和操作。但是应当注意本发明不限于这些具体的构造，以下描述作为用来理解本发明的例子。

附图简述

结合附图，通过以下详述可以更清楚地理解本发明的以上和其它目标、特征和其它优点，其中：

图1是根据本发明第一实施方式利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备的概念图，该设备包括圆形的模具，以及可以对其施加低频电流的线圈；

图2是第一实施方式所用设备的平面图，该设备包括圆形的模具，以及可以对其施加低频电流的线圈；

图3是根据本发明第二实施方式利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备的概念图，该设备包括圆形的模具，以及可以对其施加高频电流的线圈；

图4是第二实施方式所用设备的平面图，该设备包括圆形的模具，以及可以对其施加高频电流的线圈；

图5a和图5b是本发明第二实施方式所用设备的一种变化图，该设备包括矩形模具；

图6是显示本发明设备的模具中电流方向及其产生的磁场方向的示意图；

图7是比较通过常规浇铸技术形成的熔融金属的表面以及通过根据本发明的设备施加低频电流和高频电流得到的熔融金属表面的示意图；

图8a和8b分别是通过常规技术和根据本发明的设备制造的镁坯段表面的照片。

本发明最佳实施方式

下面将参照附图详细描述本发明优选的实施方式。

图1是根据本发明第一实施方式利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备的概念图。

根据第一个实施方式，利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备1包括：用来使熔融金属15凝固的模具11，位于所述模具11外、用来对其施加低频电流的线圈12，位于所述模具11的内部上表面、用来控制熔融金属的固化、从而能够平稳地进行浇铸的环13，用来冷却所述环13、浇铸的坯段或板材14和模具11的冷却水喷嘴16。

图2是根据第一实施方式利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备的平面图。

尽管图中显示模具11和线圈12具有圆形的截面，但是所述模具11和线圈12可具有矩形的或其它形状的截面。

如图6所示，当对线圈13施加低频电流的时候，在熔融的镁15中诱导产生磁场和电流，所述熔融的镁位于由具有良好导电性的金属制成的模具11内。

这些感应电流不仅通过焦耳加热来加热熔融金属，而且通过与电磁场相互作用，在熔融金属中产生电磁作用力。当熔融金属被感应电流加热的时候，在熔融金属最初凝固的单元处，冷却水的冷却效果被削弱了，从而使得熔融金属可以稳定地凝固。

熔融金属15中产生的电磁作用力具有梯度，在熔融金属表面处的电磁作用力较大，熔融金属内部的电磁作用力较小，使得熔融金属在模具内被搅拌，改善了坯段的内部结构。

模具11是由铝或铜合金之类的具有良好导电性的材料制成的。可以将石墨制成的环13***模具11中，提供润滑效果，以便在延缓冷却浇铸的坯段或板材的同时促进浇铸的坯段或板材得到良好浇铸。

所述环13的长度从模具的上部延伸至熔融金属表面下大约20毫米，厚度等于或大于2□。当环13被破坏的时候，可以用新的环代替。

环13延缓了熔融金属的冷却，同时通过石墨与电磁场的相互作用所产生的放热效应和热传递减弱效应，减少了浇铸的坯段或板材与模具之间的摩擦。

施加在线圈12上的低频电磁场的频率为2～1,000□，频率是根据浇铸的坯段或板材的尺寸决定的。电流强度也是根据浇铸的坯段或板材的尺寸以及浇铸速度决定的。

对模具11和浇铸的坯段或板材14的冷却是通过喷嘴16，用冷却水直接冷却的方式进行的。冷却水同时冷却了模具11、模具11内的环13和线圈12。

图3是根据本发明第二实施方式利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备的概念图。

根据第二实施方式，利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备100包括：用来使熔融金属105凝固的模具101；位于所述模具101外面，可以对其施加高频电流的线圈102；位于所述模具101下部，用来对熔融金属105进行搅拌的电磁搅拌装置103；以及位于所述模具101和搅拌装置103之间，用来通过喷射致冷剂而对浇铸的坯段或板材106进行冷却的喷嘴104。

在根据第二实施方式利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备100中，所述模具101具有形成于其中的冷却水通道107，冷却水通过该通道107循环，模具101还包括与通道107相连的用来提供和排出冷却水的歧管108。

图4是根据本发明利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备100的平面图。

尽管图中显示模具101和线圈102具有圆形的截面，但是模具101和线圈102可具有矩形或其它形状的截面。

模具101沿浇铸方向形成了狭缝109，以便对熔融的镁施加高频电磁场。如图3所示，各狭缝109形成于模具101的中间区域，使得各狭缝109从模具101上端的下方延伸至模具101下端的上方。狭缝109的长度范围以不会对模具101的刚性产生负面影响为准。

各狭缝109的宽度等于或大于0.1□，优选为0.2～0.3□。狭缝109的数量范围以不会对模具101的刚性造成负面影响为准。提供各狭缝109，以感应高频，优选用陶瓷结合剂等填充，以防熔融金属105泄漏。

由于高频电磁场在熔融金属中的穿透深度极小，难以让施加的高频电磁场进入由铜制成的模具101内。因此，在模具101中通过机械加工形成狭缝109，以便能够对熔融金属105有效地施加高频电磁场。另一方面，由于低频电磁场在熔融金属中具有大的穿透深度，所以可以施加于铜模具内的熔融金属。因此不需要在模具中形成狭缝。

图5a和5b是根据第二实施方式利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备的矩形模具101′的图。具体来说，图5a是矩形模具101′的前视图，其中狭缝109′形成于模具的中间区域，从模具101′上端的下方延伸到模具101′下端的上方。狭缝109′的长度范围以不会对模具101′的刚性造成负面影响为准。

各狭缝109′的宽度等于或大于0.1□，狭缝109′的数量范围以不会对模具的刚性造成负面影响为准。

图5b是沿图5a的直线A-A′的截面图，图中在被狭缝分隔的各个区段110′中形成了用来冷却模具101′的独立的冷却水通道107′。

对于第二实施方式所用设备100，如图6所示，当对线圈102施加高频电流的时候，在被狭缝109分隔的模具101里的熔融镁105中感应产生了磁场和电流。

这些感应电流不仅通过焦耳加热来加热熔融金属105，而且通过与磁场相互作用而在熔融金属105中产生电磁作用力。电磁作用力增大了熔融金属105与模具101接触之处熔融金属105表面S的曲率(见图3)，同时减小了浇铸的坯段或板材106和模具101之间的接触压力。

利用所述实施方式中的设备，可通过焦耳加热方式对熔融金属的表面强烈地加热，从而可以控制凝固速率，同时增加凝固潜热，因此可以进行连续浇铸，而不会产生由不均匀凝固和淬冷造成的缺陷。

根据第二实施方式利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁块的设备100还具有与模具101下部连接的喷嘴104，该喷嘴通过向浇铸的坯段或板材106直接喷射气体或水而对其进行冷却。

除了通过高频电磁场控制浇铸的坯段或板材106的冷却、从而能够进行连续浇铸以外，第二实施方式中的设备还可包括与模具101的下部相连的电磁搅拌装置103，该搅拌装置103用来对熔融金属106进行搅拌，以控制其内部质量。

当在模具101内沿圆周方向旋转电磁搅拌装置103而使熔融金属105发生旋转的时候，熔融金属的柱状结构被打破，使得浇铸的坯段或板材106的总体结构成为等轴结构，从而提供了具有良好浇铸结构的坯段。

下面将描述使用第二实施方式中的设备100连续浇铸镁坯段或镁板的方法。

为了提供具有良好表面质量和内部质量的浇铸坯段或板材106，对线圈102施加50～10,000A、频率为200～200,000□的高频电流。

另外，对所述电磁搅拌装置103施加频率为2～100□的20～1,000A的电流。线圈或电磁搅拌装置的频率根据坯段106的尺寸决定，电流的强度也根据浇铸的坯段或板材的尺寸和浇铸速度决定。根据本发明，尽管如上所述浇铸的坯段或板材106具有圆形或矩形的截面，但是该坯段可具有其它的形状。

图7是通过常规的浇铸技术得到的熔融金属的表面与使用本发明的设备、施加低频电流和高频电流获得的熔融金属表面的比较说明图。

参见图7，在常规的浇铸操作中，熔融金属的表面以直角与模具相接触，因此当向下移动的同时制得的坯段的时候，熔融金属和模具之间产生剧烈的摩擦，使得浇铸的坯段或板材的表面质量变差。

另一方面，在使用本发明的设备、拌以施加高频电流的电磁浇铸中，由于高频的性质，高频电磁场的穿透深度很浅，因此集中在熔融金属的表面，使得熔融金属的表面具有极大的曲率半径。因此，可以减小浇铸的坯段或板块和模具之间的摩擦。

因此，由于电磁作用力集中在熔融金属的表面，其对熔融金属的内部的搅拌作用较小，使得熔融金属可以保持稳定。但是，由于对熔融金属的低搅拌作用力造成熔融金属的内部质量无法获得提高，为本发明的设备提供了电磁搅拌装置以提高熔融金属的内部质量。

另外，在使用本发明的设备施加低频电流的电磁浇注中，低频电磁场具有深的穿透深度，因此与熔融金属较深部分相互作用，从而提高了搅拌效果。但是，与高频电流相比，低频电流提高表面质量的效果较差。不考虑较低的表面质量提高效果，使用低频电流的本发明设备具有设备费用低的优点。

图8a和8b是熔融AZ31镁合金之后制得的浇铸坯段106表面的照片。图8a是根据常规技术未施加电磁场的浇铸的坯段106表面的照片。浇铸的坯段106具有许多表面缺陷，不能通过常规的浇铸操作制造。

图8b是根据本发明施加了电磁场的浇铸坯段106的表面的照片。浇铸的坯段106没有表面缺陷，可以通过将浇铸速度增大到等于或大于0.4米/分钟而进行制造。

工业实用性

通过以上描述可以清楚地看出，本发明提供了以下有益作用：可以以加快的浇铸速度制造内部质量获得提高的镁或镁合金浇铸坯段或板材，而不产生表面缺陷。

尽管出于说明的目的揭示了本发明优选的实施方式，但是本领域技术人员能够理解，可以在不背离所附权利要求书揭示的本发明范围和精神的前提下进行各种改变、添加和替代。应当注意这些改变、添加和替代是包括在本发明范围内的。

Claims (14)

1.一种利用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备，其包括：

用来连续浇铸坯段或板材的模具；

位于所述模具外，允许施加电流的线圈；

位于所述模具以及浇铸的坯段或板材外的冷却喷嘴。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，对所述线圈施加低频电流，在所述模具内的上部提供可替换的环。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述环由石墨制成。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述模具具有圆形或矩形的截面，所述线圈围绕模具设置。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述冷却喷嘴通过直接向所述模具、线圈和浇铸坯段或板材喷水而对它们进行冷却。

6.一种使用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的方法，该方法使用如权利要求1-5中任一项所述的设备，其中，在浇铸过程中对所述设备的线圈施加频率为2～1,000□的电流。

7.一种使用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的设备，该设备包括：

用来连续浇铸镁坯段或镁板的模具，该模具中形成有狭缝；

位于所述模具外，允许施加电流的线圈；

位于所述模具下部的电磁搅拌装置。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述模具具有被所述狭缝分隔的区段，在所述区段中形成了冷却水通道。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述狭缝形成在所述模具的中心区域，从模具上端的下方延伸至模具下端的上方。

10.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述狭缝宽度为0.2～0.3□，填充了陶瓷结合剂，以便对模具内的熔融金属施加电磁场，同时防止熔融金属泄漏。

11.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述模具具有圆形的或矩形的截面，提供所述线圈围绕所述模具。

12.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述设备还包括位于所述模具和电磁搅拌装置之间的冷却喷嘴。

13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述冷却喷嘴通过向浇铸的坯段或板材和电磁搅拌装置直接喷水而对其进行冷却。

14.一种使用电磁场连续浇铸镁坯段或镁板的方法，该方法使用权利要求7-13中任一项所述的设备，其中，在浇铸过程中，以200～200,000□的频率对所述设备的线圈施加50～10,000A的电流，以2～100□的频率对设备的电磁搅拌装置施加20～1,000A的电流。

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