CN109338146B - 一种带控制环的螺线管式电磁搅拌器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带控制环的螺线管式电磁搅拌器，包括：控制环、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熔体的熔融状态；绝热层用于隔绝高温保护螺线管线圈；控制环位于绝热层和壳体内壁之间，可分为增强型和削弱性，用于控制不同的搅拌方式。本发明中，控制环可控制螺线管线圈产生不同的径向和轴向电磁力分布，使得金属熔体以湍流形式流动，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。

Description

一种带控制环的螺线管式电磁搅拌器

技术领域

本发明属于电磁铸造领域，更具体地，涉及一种带控制环的螺线管式电磁搅拌器。

背景技术

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的发明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。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种带控制环的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。

本发明提供了一种待控制环的螺线管式电磁搅拌器，包括：控制环、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熔体的熔融状态；所述绝热层用于隔绝高温，保护所述螺线管线圈；所述控制环位于所述绝热层和壳体内壁之间，用于控制不同的搅拌方式。

其中，所述控制环可分为增强型和削弱型两种。增强型控制环为高电导率低磁导率材料制造的圆环，如纯铜等，具有良好的导电性，但导磁能力较差，在通电螺线管线圈下可以激发二次磁场，因此可增强控制环附近金属熔体的电磁搅拌力，使得该区域金属熔体沿径向向内流动；削弱型控制环为高磁导率低电导率材料制造的圆环，如叠制硅钢片等，具有良好的导磁性，削弱控制环附近的磁场，但其产生感应电流，激发二次磁场的能力较弱，因此可削弱控制环附近金属熔体的电磁搅拌力，使得该区域金属熔体沿径向向外流动。

其中，工作时，所述增强型控制环可增大与其在同一高度附近区域的磁场，使坩埚内的空间磁场在轴向方向上分布不均，在与所述控制环同一高度附近区域的金属熔体所受的平均电磁力大于其他区域，因此在与所述控制环同一高度附近区域的金属熔体将产生径向向内流动、其他区域熔体向外的运动趋势，整个熔体形成“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。

作为本发明的一个实施例，当所述控制环为增强型且位于金属熔体二分之一高度外侧时，所述螺线管线圈和控制环共同产生的磁场在金属熔体中部最大两端略小，金属熔体在同一时刻受到的电磁力也呈中部较大两端较小的分布特点。

作为本发明的一个实施例，当所述控制环为削弱型且位于金属熔体二分之一高度外侧时，所述螺线管线圈产生的磁场在金属熔体中部较小两端略大，金属熔体在同一时刻受到的电磁力也呈中部较小两端较大的分布特点。

作为本发明的一个实施例，当控制环为增强型时，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，上端金属熔体沿径向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。

作为本发明的一个实施例，当控制环为削弱型时，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小，下端受到的电磁力较大，上端金属熔体沿径向向外流动而下端金属熔体向内流动，金属熔体形成一个整体的循环回路，流动形式为湍流。

作为本发明的一个实施例，当控制环采用两个，一个为增强型，另一个为削弱型时，增强型控制环设置在金属熔体外侧的下端，削弱型控制环设置在金属熔体外侧的上端，工作时，金属熔体上端较无控制环时受到的电磁力减小，金属熔体下端较无控制环时受到的电磁力增大，因此上端金属熔体沿径向向外流动而下端金属熔体向内流动，金属熔体形成一个整体的循环回路，流动形式为湍流。

作为本发明的一个实施例，当控制环为增强型时，其设置在金属熔体外侧的下端和中部之间，工作时，金属熔体在控制环高度附近受到的电磁力较大，其他区域受到的电磁力较小，金属熔体形成的“双回路”流动轨迹出现轴向不对称分布，流动形式为湍流。

作为本发明的一个实施例，当控制环为削弱型时，其设置在金属熔体外侧的下端和中部之间，工作时，金属熔体在控制环高度附近受到的电磁力较小，其他区域受到的电磁力较大，金属熔体形成的“双回路”流动轨迹出现轴向不对称分布，流动形式为湍流。

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。

在本发明实施例中，带控制环的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。

在本发明实施例中，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。

本发明具有如下技术效果：

(1)控制简单且搅拌形式多样化。仅需改变控制环的种类、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。

(2)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，金属熔体产生径向速度，并在外侧与内部之间循环流动，降低了内部搅拌力较小的影响。

(3)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。

(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、控制装置的结构为螺线管线圈和控制环，且仅需要一套电源装置，结构简单，尺寸小，性能稳定，寿命长。

附图说明

图1为本发明实施例提供的螺线管式电磁搅拌器的结构示意图；

图2(a)为在无控制环影响下螺线管线圈产生的磁场的磁感线示意图；

图2(b)为在增强型控制环影响下螺线管线圈产生的磁场的磁感线示意图；

图2(c)为在削弱型控制环影响下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为本发明第一实施例的结构图和流场截面图；

图6为本发明第二实施例的结构图和流场截面图；

图7为本发明第三实施例的结构图和流场截面图；

图8为本发明第四实施例的结构图和流场截面图；

图9为本发明第五实施例的结构图和流场截面图；

图10为本发明第六实施例的结构图和流场截面图；

图11为本发明第七实施例的结构图和流场截面图；

图中，1为控制环，2为壳体，3为壳体上盖，4为螺线管线圈，5为坩埚，6为加热电阻丝，7为绝热层，8为金属熔体(金属液)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。

本发明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。本发明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，控制方便的带控制环的螺线管式搅拌器，能驱使金属熔体做湍流运动，实现对金属熔体搅拌或将金属熔体与固体颗粒快速均匀地混合。

本发明提供的螺线管式搅拌器包括：壳体、壳体上盖、螺线管线圈、坩埚、电阻丝加热单元和绝热层；壳体起支撑、隔离和保护的作用；壳体上盖起隔绝保护作用；所述螺线管线圈缠绕在壳体内部线圈支撑壁上；所述坩埚被电阻丝环绕，作为容器使用；所述电阻丝加热单元为坩埚加热并保持金属熔体的熔融状态；所述绝热层位于电阻丝外侧，其作用是保护螺线管线圈，隔绝电阻丝高温。

在本发明实施例中，控制环分为增强型和削弱型，个数有单个和多个组合两种形式。增强型控制环在与其高度附近区域的金属熔体产生较大的电磁力，削弱型控制环在与其高度附近区域的金属熔体产生较小的电磁力，可通过不同控制环的类型、数量、位置的组合来产生不同分布的电磁搅拌力，组合形式可根据不同使用场景、不同物理特性的金属基体和增强颗粒来改变。

在本发明实施例中，螺线管线圈连接变频器和电源，电源为变频器和线圈提供电能，并且可在0～400A间任意改变螺线管线圈所通电流的有效值大小，变频器可在0～100Hz间任意改变线圈所通电流的频率，根据电磁感应原理，保持电流幅值不变，频率越高，产生的电磁搅拌力越大，但由于趋肤效应，电磁力作用的区域也越小，尽管本发明提供的螺线管式电磁搅拌器可提供径向电磁力来降低电流频率提高对搅拌效果的限制，但不足以完全抵消，而不同物理特性的金属熔体和增强颗粒在搅拌时对应着不同的最优电流频率和大小，变频器和电源使得本发明能在不同使用场景在电流频率和大小上达到最优。

螺线管线圈形态不限于实心铜导线，可采用空心铜管通水的方式进一步提高其散热能力。

在本发明实施例中，电阻丝加热单元由电阻丝、热电偶和温度调节电路组成。电阻丝用于加热坩埚，热电偶用于检测坩埚温度并将温度反馈给温度调节电路，温度调节电路可根据热电偶反馈使坩埚温度保持在用户设定温度上。

本发明中，当螺线管式搅拌器不含控制环时，通电螺线管线圈产生交变磁场B，如图2(a)所示，该磁场由径向分量和轴向分量组成，该磁场在金属熔体中激发出感应电场E，根据电磁感应定律可知，感应电场E的相位滞后交变磁场由于金属熔体为感性负载，因此熔体中的感应电流密度J的相位将滞后感应电场/>根据安培力公式，单位体积金属熔体所受到的电磁力/>由于磁场有径向和轴向分量，因此金属熔体受到轴向和径向的电磁力。轴向电磁力可加快金属熔体在轴向上的运动，提高熔体运动的紊乱度。对于径向电磁力，由于电流密度的滞后相位α的影响，导致金属熔体在一个通电周期内受到沿径向向内的电磁力的作用时间及数值均大于沿径向向外的电磁力(即图3(a)中/>)，因此金属熔体产生向内流动的运动趋势，随着工作时间的增加，金属熔体的流速不断增强，直至运动阻力与电磁力达到动态平衡。

当螺线管式搅拌器含增强型控制环时，根据电磁感应效应，控制环可产生两个效益：1)控制环激发二次磁场增大了其附近的轴向磁场，导致控制环附近区域的金属熔体受到的径向电磁力大于远离控制环的区域，结合上述螺线管式搅拌器不含控制环时的分析，已知金属熔体将产生向内流动的运动趋势，由于金属熔体质量守恒，最终熔体将形成增强型控制环附近区域向内流动，其他区域向外流动的“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；2)控制环激发二次磁场增大了其附近的径向磁场，因此控制环附近区域的金属熔体受到的轴向电磁力极大地提高，进一步增大了金属熔体流动的速度和紊乱度。

当螺线管式搅拌器含削弱型控制环时，由于削弱型控制环具有优良的导磁性，控制环可有两个效益：1)削弱了控制环附近的轴向磁场，导致控制环附近区域的金属熔体受到的电磁力小于远离控制环的区域，结合上述螺线管式搅拌器不含控制环时的分析，已知金属熔体将产生向内流动的运动趋势，由于金属熔体质量守恒，最终熔体将形成削弱型控制环附近区域向外流动，其他区域向内流动的“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；2)控制环增大了其附近的径向磁场，因此控制环附近区域的金属熔体受到的轴向电磁力极大地提高，进一步增大了金属熔体流动的速度和紊乱度。

因此，本发明提供的螺线管式电磁搅拌器兼具机械搅拌器和传统电磁搅拌器的优点。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的螺线管式电磁搅拌器，现参照附图并结合具体实例详述如下：

第一实施例：

如图1所示，本发明提供的带增强型控制环的螺线管式搅拌器，它包括增强型控制环1、壳体2、壳体上盖3、螺线管线圈4、坩埚5、电阻丝加热单元6、绝热层7。增强型控制环1位于绝热层和壳体内壁之间，其作用是控制不同的搅拌方式；壳体2起支撑、隔离和保护作用；壳体上盖3起隔绝保护作用；螺线管线圈4缠绕在壳体2内部线圈支撑壁上；坩埚5被电阻丝环绕，作为搅拌容器；电阻丝加热单元6由电阻丝、热电偶和温度调节电路组成(热电偶和温度调节电路图中未画出)，电阻丝用于加热坩埚并保持金属熔体的熔融状态，热电偶用于检测坩埚温度并将温度反馈给温度调节电路，温度调节电路可根据热电偶反馈使坩埚温度保持在用户设定温度上；绝热层7位于电阻丝外侧，其作用是保护螺线管线圈，隔绝电阻丝高温，当金属熔融温度较低时可采用二氧化硅气凝胶作为绝热层材料，当金属熔融温度较高时可用空心铜层通过水冷的方式来进行绝热。

如图5所示，增强型控制环1位于金属熔体8中部外侧，由于电磁感应效应，控制环1激发二次磁场增大了其附近的磁场，因此坩埚内熔融金属8在同一时刻受到的电磁力也呈控制环1附近大其他区域较小的分布。如图2(b)所示，在螺线管线圈4的一个通电周期内，线圈4和控制环1激发交变磁场B，该磁场由径向分量和轴向分量组成，该磁场在金属熔体8中激发出感应电场E，根据电磁感应定律可知，感应电场E的相位滞后交变磁场由于金属熔体8为感性负载，熔体中的感应电流密度J的相位将滞后感应电场/>根据安培力公式，单位体积金属熔体所受到的电磁力/>由于磁场有径向和轴向分量，因此金属熔体受到轴向和径向的电磁力。轴向电磁力可加快金属熔体在轴向上的运动，提高熔体运动的速度和紊乱度。对于径向电磁力，电流密度的滞后相位α将导致金属熔体8在一个通电周期内受到沿径向向内的电磁力的作用时间及数值均大于沿径向向外的电磁力，如图3(a)所示，/>(以径向向外为正方向)，又因为因为在控制环1的作用下金属熔体中部磁场大、两端磁场较小及质量守恒，中部金属熔体将向内流动，两端金属熔体向外流动，形成完整的循环轨迹，随着工作时间的增加，金属熔体的流速不断增强，直至运动阻力与电磁力达到动态平衡。

如图4所示，中部金属熔体受到电磁力向内运动至轴线附近后再向上、下流动，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。因此，本发明提供的螺线管式电磁搅拌器兼具机械搅拌器和传统电磁搅拌器的优点。

本实施例适用于金属连铸、半固态铸造等，特别适用于颗粒增强金属基复合材料铸造。所述的颗粒增强金属基复合材料铸造的核心步骤是金属熔体与增强固体颗粒的混合，增强颗粒为密度略大于金属基体的下沉式固体颗粒，在静态时颗粒会以较慢的速度下沉。在本实施例下，位于金属熔体8上半部分区域的颗粒受到流体向上循环运动的力，阻碍其下沉；位于金属熔体8下半部分区域的颗粒受到流体向下循环运动的力，先加速下沉，再通过循环运动至金属熔体8中部，整个流体的循环使得密度略大于金属基体的增强颗粒在金属熔体8内均匀分布。

第二实施例：

本实施例与第一实施例的不同点在于本实施例采用削弱型控制环1。

如图6所示，削弱型控制环1位于金属熔体8中部外侧，由于削弱型控制环1具有优良的导磁性，削弱了控制环1附近的磁场，因此金属熔体8两端受到的电磁力较大，中部受到的电磁力较小，两端金属熔体向内流动，而中部金属熔体向外流动，金属熔体形成一个完整的循环回路，流动形式为湍流，循环方向与第一实施例相反。

本实施例适用于金属连铸、半固态铸造等，特别适用于颗粒增强金属基复合材料铸造。所述的颗粒增强金属基复合材料铸造的核心步骤是金属熔体与增强固体颗粒的混合，增强颗粒为密度略小于金属基体的上浮式固体颗粒，在静态时颗粒会以较慢的速度上浮。在本实施例下，位于金属熔体8上半部分区域的颗粒受到流体向下循环运动的力，阻碍其上浮；位于金属熔体8下半部分区域的颗粒受到流体向上循环运动的力，先加速上浮至金属熔体8中部，再通过循环运动至金属熔体8底部，整个流体的循环使得密度略小于金属基体的增强颗粒在金属熔体8内均匀分布。

第三实施例：

本实施例与第一实施例的不同点在于本实施例采用的增强型控制环1位于金属熔体8的上端外侧。

如图7所示，增强型控制环1位于金属熔体8的上端外侧，因此金属熔体8上端受到的电磁力较大，上端金属熔体沿径向向内流动，下部金属熔体沿径向向外流动，形成一个完整的循环回路，流动形式为湍流。

本实施例适用于金属连铸、半固态铸造等，特别适用于颗粒增强金属基复合材料铸造。所述的颗粒增强金属基复合材料铸造的核心步骤是金属熔体与增强固体颗粒的混合，增强颗粒为密度小于金属基体，且在静态时颗粒能以较快速度上浮的上浮式固体颗粒。在本实施例下，金属熔体8向下流动驱使颗粒往坩埚底部运动，并通过循环流动使得上浮式增强颗粒在金属熔体8内均匀分布。

第四实施例：

本实施例与第三实施例的不同点在于本实施例采用削弱型控制环1。

如图8所示，削弱型控制环1位于金属熔体8的上端外侧，因此金属熔体8上端受到的电磁力较小，上端金属熔体沿径向向外流动，下部金属熔体沿径向向内流动，形成一个完整的循环回路，流动形式为湍流，流动方向与第三实施例相反。

本实施例适用于金属连铸、半固态铸造等，特别适用于颗粒增强金属基复合材料铸造。所述的颗粒增强金属基复合材料铸造的核心步骤是金属熔体与增强固体颗粒的混合，增强颗粒为密度大于金属基体，且在静态时颗粒能以较快速度下沉的下沉式固体颗粒。在本实施例下，金属熔体8向上流动驱使颗粒往熔体液面运动，并通过循环流动使得下沉式增强颗粒在金属熔体8内均匀分布。

第五实施例：

本实施例与第四实施例的不同点在于本实施例采用两个控制环1-1和1-2。控制环1-1为削弱型控制环，位于金属熔体8的上端外侧；控制环1-2为增强型控制环，位于金属熔体8的下端外侧。

如图9所示，控制环1-1和1-2分别位于金属熔体8的上端外侧和下端外侧，因此金属熔体8上端较无控制环时受到的电磁力减小，金属熔体8下端较无控制环时受到的电磁力增大，上端金属熔体沿径向向外流动而下端金属熔体向内流动，形成一个整体的循环回路，流动形式为湍流。

本实施例适用于金属连铸、半固态铸造等，特别适用于颗粒增强金属基复合材料铸造。所述的颗粒增强金属基复合材料铸造的核心步骤是金属熔体与增强固体颗粒的混合，增强颗粒为密度远大于金属基体，且在静态时颗粒能以较快速度下沉的下沉式固体颗粒。在本实施例下，金属熔体8向上流动驱使颗粒往熔体液面运动，并通过循环流动使得下沉式增强颗粒在金属熔体8内均匀分布。

第六实施例：

本实施例与第一实施例的不同点在于本实施例采用的增强型控制环1位于金属熔体8外侧的下端和中部之间。

如图10所示，增强型控制环1位于金属熔体8外侧的下端和中部之间，控制环1附近区域的金属熔体受到的电磁力较大，沿径向向内流动，其他区域金属熔体受到的电磁力较小，沿径向向外流动，金属熔体形成的“双回路”流动轨迹出现轴向不对称分布，上半区的流动轨迹范围大于下半区的流动轨迹，流动形式为湍流。

本实施例适用于金属连铸、半固态铸造等，特别适用于颗粒增强金属基复合材料铸造。所述的颗粒增强金属基复合材料铸造的核心步骤是金属熔体与增强固体颗粒的混合，本实施例所适用的上浮式增强颗粒密度介于第二实施例和第三实施例之间。

第七实施例：

本实施例与第六实施例的不同点在于本实施例采用削弱型控制环1。

如图11所示，削弱型控制环1位于金属熔体8外侧的下端和中部之间，控制环1附近区域的金属熔体受到的电磁力较小，沿径向向外流动，其他区域金属熔体受到的电磁力较小，沿径向向内流动，金属熔体形成的“双回路”流动轨迹出现轴向不对称分布，上半区的流动轨迹范围大于下半区的流动轨迹，流动形式为湍流。

本实施例适用于金属连铸、半固态铸造等，特别适用于颗粒增强金属基复合材料铸造。所述的颗粒增强金属基复合材料铸造的核心步骤是金属熔体与增强固体颗粒的混合，本实施例所适用的下沉式增强颗粒密度介于第一实施例和第四实施例之间。

除上述实施例，控制环可有不同形式、数量、位置的组合满足各种不同的流动形式的要求，具体可根据不同使用场景、不同物理特性的金属基体和增强颗粒来匹配。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带控制环的螺线管式电磁搅拌器，其特征在于，包括：控制环、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且电磁力以径向为主；

所述电阻丝加热单元用于为所述坩埚加热并保持金属熔体的熔融状态；

所述绝热层用于隔绝高温，保护所述螺线管线圈；

所述控制环位于所述绝热层和壳体内壁之间，用于控制不同的搅拌方式；所述控制环为增强型控制环或削弱型控制环，其中，所述增强型控制环通过激发二次磁场增大所述增强型控制环附近的轴向磁场，以使所述增强型控制环附近区域的金属熔体受到的径向电磁力大于远离所述增强型控制环的区域，从而形成所述增强型控制环附近区域的熔体向内流动、其他区域的熔体向外流动的“双回路”流动轨迹；所述削弱型控制环通过削弱所述削弱型控制环附近的轴向磁场，以使所述削弱型控制环附近区域的金属熔体受到的电磁力小于远离控制环的区域，从而形成所述削弱型控制环附近区域的熔体向外流动，其他区域的熔体向内流动的“双回路”流动轨迹。

2.如权利要求1所述的螺线管式电磁搅拌器，其特征在于，所述控制环为增强型控制环时，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大于下端受到的电磁力，上端金属熔体沿径向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。

3.如权利要求1所述的螺线管式电磁搅拌器，其特征在于，所述控制环为增强型控制环时，其位于金属熔体二分之一高度外侧时，所述螺线管线圈和控制环共同产生的磁场在金属熔体中部最大两端略小，金属熔体在同一时刻受到的电磁力也呈中部较大两端较小的分布。

4.如权利要求1所述的螺线管式电磁搅拌器，其特征在于，所述控制环为增强型控制环时，其设置在金属熔体外侧的下端和中部之间，工作时，金属熔体在控制环高度附近受到的电磁力较大，其他区域受到的电磁力较小，金属熔体形成的“双回路”流动轨迹出现轴向不对称分布，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，所述控制环为削弱型控制环时，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小，下端受到的电磁力较大，上端金属熔体沿径向向外流动而下端金属熔体向内流动，金属熔体形成一个整体的循环回路，流动形式为湍流。

6.如权利要求1所述的螺线管式电磁搅拌器，其特征在于，所述控制环为削弱型控制环时，其位于金属熔体二分之一高度外侧时，所述螺线管线圈产生的磁场在金属熔体中部较小两端略大，金属熔体在同一时刻受到的电磁力也呈中部较小两端较大的分布特点。

7.如权利要求1所述的螺线管式电磁搅拌器，其特征在于，当控制环为削弱型时，且其设置在金属熔体外侧的下端和中部之间，工作时，金属熔体在控制环高度附近受到的电磁力较小，其他区域受到的电磁力较大，金属熔体形成的“双回路”流动轨迹出现轴向不对称分布，流动形式为湍流。

8.如权利要求1-7任一项所述的螺线管式电磁搅拌器，其特征在于，所述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。

9.如权利要求1-7任一项所述的螺线管式电磁搅拌器，其特征在于，所述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。