CN104162380A - 一种可用于试验的半固态合金溶液永磁搅拌装置 - Google Patents

Abstract

一种可用于试验的半固态合金溶液永磁搅拌装置，由若干个永磁体及伺服电机和控制***装配而成，采用高导磁率的软磁材料做转筒并结合八级对内封闭式渐变***，设计固定钢结构，保证气隙较小，并增加了温度测量***。旋转磁场是由电动机带动永磁体产生旋转磁场使得半固态合金溶液产生感应电流，从而使合金溶液旋转起来，中心磁场磁感应强度可根据磁块的数量和相对距离来调节，采用冷风***来满足工作环境。这种永磁搅拌装置具有下列作用：解决了试验的昂贵成本问题；成分的均匀化并消除偏析，提高产品质量；防止氧化，提高试验精度。

Description

一种可用于试验的半固态合金溶液永磁搅拌装置

技术领域

本发明涉及一种用于半固态合金搅拌的永磁装置，属于有色金属冶炼与磁性材料利用研究领域，特别是半固态合金冶炼技术领域。  

背景技术

熔炉磁搅拌技术是在20世纪30年代提出的，但在以后的很长一段时间里，在产品的开发中一直在电磁搅拌的概念里徘徊，多年以来由于电磁搅拌的本身诸多缺陷（设备投资巨大，设备体积庞大、耗电量大、维护不易），限制了磁搅拌技术在金属冶炼行业的推广与应用（在中国的推广和应用更是缓慢），而机械式搅拌、液压式搅拌直接接触高温铝液，设备寿命短，搅拌不彻底，也已慢慢退出历史舞台。

永磁搅拌是利用特定组合的永磁体运动后产生的交变磁场对金属液体进行非接触搅拌。永磁搅拌器相当于一个气隙很大的使用永磁体磁场的电机，感应器相当于电机的定子，熔液相当于电机的转子。永磁搅拌内置的多极磁场在电机的带动下产生行波磁场，磁场和熔池中的金属液体相互作用产生磁力，从而推动金属液体做定向运动，起到搅拌的作用。由此可知，永磁搅拌是对金属液进行非接触搅拌，不会污染溶液。熔体外部的熔液所受的搅拌力较大，内部熔液所受搅拌力较小；整炉熔液在旋转磁场的推动下，同心旋转，旋转的熔体在离心力的作用下，比重较大的部分被甩到熔炉的四周，比重较小的部分则留在中心，而一旦比重较大的部分被甩到熔炉的四周，这种搅拌方式就没有办法使它们向炉子中心运动，从而加剧了熔体的不均匀性，旋转的速度越高，这种分离现象越突出，搅拌变成了离心分离，不可能实现熔液化学成分的均匀。如果降低旋转速度以减轻离心力，则靠近旋转中心部分的旋转磁场速度就更低，根据电磁感应原理，熔炉中心部分就不可能获得足够的搅拌力，使中心部难以旋转，速度越低，心部的面积就越大，不能旋转的部分就越大，同样不能实现搅拌均匀的目的。炉子越大这种现象就越突出。

此外，永磁体的娇嫩也是影响永磁搅拌装置发展的重要原因。永磁搅拌装置用的永磁体一般采用钕铁硼等永磁材料，这些永磁材料的优点是体积小，磁能积数高，明显的缺点是对温度敏感，热稳定性差，环境温度一旦超过规定值就会退磁，而这个规定值只能做到80℃～180℃（不同品种的永磁体的规定值不同），提高永磁体的工作温度是永磁材料科研工作者的难点之一，在短期内难以有突破性进展。正是由于永磁体不良的温度特性，限制了永磁材料的使用范围。目前使用的几台永磁搅拌装置的冷却风机得不停的给永磁体降温，只要铝熔炉温度没有降低，即使停止搅拌，风机也不能停，就是这个原因。

发明内容

本发明的目的是以电磁感应原理为基础，提供一种可用于试验的半固态合金溶液永磁搅拌装置。

    本发明所所述可用于试验的半固态合金永磁搅拌装置结构包括：中心加热棒、测温仪、圆筒坩埚、永磁块、旋转盘、伺服电机、固定架、半固态合金溶液；

固定架固定圆筒坩埚、中心加热棒和测温仪；在圆筒坩埚中心放入中心加热棒形成中心热源，在圆筒坩埚内部放入测温仪，通过数据传输输入电脑形成温度测量***；

所述永磁块选用ALNiCo8型号，其居里温度为860℃，工作温度为550℃，镁合金的成形温度低于500℃；

所述伺服电机规格1FK7 50W，为转盘提供转力，以保证永磁块高速旋转，同时磁块旋转速度可以调节，以控制实验变量。

所述圆筒由高导磁率的软磁材料制作，坩埚外壳采用非磁性不锈钢板制作。

该永磁磁搅拌器适用的范围是根据磁块的中心磁场来确定如果想增加半固态溶液的体积。可调节磁块的数量和磁块的相对距离。由于磁块的最高允许温度为550°左右，所以该设备采用风冷来满足工作环境。由于磁块的磁场不可以调节，所以尽量减少磁块与坩埚的间隙。由于磁搅拌器的磁场要穿透坩埚，因此坩埚的外壳必须采用非磁性不锈钢板制造。由于要求磁块旋转的速度可以调节，为了减少设计成本，采用伺服电机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：由于是应用于圆筒式的熔化炉内，采用侧置式永磁旋转搅拌，巧妙构思出一整套合理的方案，设计出必要的坩埚尺寸，有效的减少了孔隙率，增大了旋转磁场的磁感应强度。

在熔体中心加入中心加热棒，模仿流变铸轧过程中心高温的情形，借此得到最有效的试验类比，与传统单纯的研究凝固过程相比，可更深入分析流变过程的传热机理。另外，由于熔炉中心部分不可能获得足够的搅拌力，使中心部难以旋转，加入加热棒后可以使中心部分融化，以弥补搅拌力的不足，实现搅拌均匀的目的。

熔体中心加入了温度测量仪，这对于试验用研究半固态合金凝固过程的温度分析具有重要意义，温度控制***是可以对整个凝固过程进行实时温度更近，测出温度变化曲线，这有利于进一步加深对合金晶粒形成的影响研究。

目前试验用的半固态永磁搅拌装置非常少见，这一合理设计简化了成套合金合成设备，降低了成本及试验费用，同时增加了实验因素的控制，如温度、风速以及转速等，更侧重不同因素对实验结果的分析与研究。基础研究本身具有一定的探索性，研究过程中的结果、不成功的试验以及不理想的结果都可能具有参考价值，即使失败的经验也是有价值的。合理有效的试验用永磁搅拌装置为基础研究提供了可靠的试验平台。

附图说明

图1为半固态合金溶液永磁搅拌装置基本结构主视图；

图中：1 中心加热棒，2. 测温仪，3.圆筒坩埚（含非磁性不锈钢外壳） 4.永磁块， 5. 旋转盘（与永磁块固定链接）6. 伺服电机，7. 固定架（含可拆卸保护装置）；

图2为半固态合金溶液永磁搅拌装置基本结构俯视示意图；

图中：8. 半固态合金溶液，9. 永磁块，10. 测温***（位置可移动），11. 中心加热棒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

可先确定图1中圆筒坩埚的尺寸，将坩埚内筒的内径做到φ320 mm，并确保其为不锈钢外壳，外壳厚度可选用5mm厚钢材，坩埚高度设计为320 mm，然后按照设计尺寸制造固定架。固定钢架总高度设定为1 m，图1中测温仪和中心加热棒高度可定位600 mm，加热棒厚度为40 mm，测温仪在最高处钢架处的节点可移动，以保证可以测量溶液内不同点的温度，测温仪的数量由试验本身条件允许所决定，同时也由试验精度决定，一般而言，放置8个测温点足够；加热棒与最高钢架处的接触点需要固定，但并非焊死，提供可拆取方式装配。

图1中永磁块的设计高度为160 mm到240 mm之间，熔融液不超过圆筒坩埚锅体的2/3。该永磁磁搅拌器适用的范围是根据磁块的中心磁场来确定，该搅拌器的中心磁场强度设计用600~800Gs。如果想增加半固态溶液的体积，可调节磁块的数量和磁块的相对距离。由于磁块的最高允许温度为550°左右，所以该设备采用风冷来满足工作环境，图1中并没有给出风冷设备，这是外部部件，不影响***组装。由于要求磁块旋转的速度可以调节，为了减少设计成本，采用伺服电机。图1中旋转盘由图1中伺服电机提供转力，可调节转速大小，转盘和永磁块用焊接方式固定连接，永磁块厚度根据提供厂商确定，最后确保气隙小于20mm 即可，即坩埚外壁与永磁体间的距离。

将转盘与永磁块组装好后安装在固定架内，要确保固定架固定住不动，因为气隙很小，震动或者微小移动都可能导致永磁体与圆筒坩埚碰撞，发生不必要的损失。确切的说，转盘外部仍需要固定架，可通过钢管焊接，把其和固定架固定为一体，以保证整个***安全运行。

当***工作时，半固态金属溶液是在另外的熔炼炉里融化，受永磁体的居里温度限制，建议先测量温度后再进入坩埚内，同时开启测温***，实时监测不同位置处的温度。从图中可以看出本发明永磁搅拌转置的结构简单，成本低，适合提高试验用半固态合金晶粒颗粒的细化及相关的基础研究。

Claims (4)

1.一种可用于试验的半固态合金溶液永磁搅拌装置，其特征在于，所述半固态合金永磁搅拌装置结构包括：中心加热棒、测温仪、圆筒坩埚、永磁块、旋转盘、伺服电机、固定架、半固态合金溶液；

固定架固定圆筒坩埚、中心加热棒和测温仪；在圆筒坩埚中心放入中心加热棒形成中心热源，在圆筒坩埚内部放入测温仪，通过数据传输输入电脑形成温度测量***。

2.根据权利要求1所述的一种可用于试验的半固态合金溶液永磁搅拌装置，其特征在于：所述永磁块选用ALNiCo8型号，其居里温度为860℃，工作温度为550℃，镁合金的成形温度低于500℃。

3.根据权利要求1所述的一种可用于试验的半固态合金溶液永磁搅拌装置，其特征在于：所述伺服电机规格1FK7 50W，为转盘提供转力。

4.根据权利要求1所述的一种可用于试验的半固态合金溶液永磁搅拌装置，其特征在于：所述圆筒由高导磁率的软磁材料制作，坩埚外壳采用非磁性不锈钢板制作。