1 概述
自1971年美国麻省理工学院的D.B.Spencer和M.C.Flemings发明了一种搅动铸造（stir cast）新工艺，即用旋转双桶机械搅拌法制备出Srr15%pb流变浆料以来，半固态金属（SSM）铸造工艺技术经历了20余年的研究与发展。搅动铸造制备的合金一般称为非枝晶组织合金或称部分凝固铸造合金（Partially Solidified Casting Alloys）。由于采用该技术的产品具有高质量、高性能和高合金化的特点，因此具有强大的生命力。除军事装备上的应用外，开始主要集中用于自动车的关键部件上，例如，用于汽车轮毂，可提高性能、减轻重量、降低废品率。此后，逐渐在其它领域获得应用，生产高性能和近净成型的部件。半固态金属铸造工艺的成型机械也相继推出。目前已研制生产出从600吨到2000吨的半固态铸造用压铸机，成形件重量可达
2 工艺原理
在普通铸造过程中，初晶以枝晶方式长大，当固相率达到0.2左右时，枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌，则使普通铸造成形时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中。这种颗粒状非枝晶的显微组织，在固相率达0.5-0.6时仍具有一定的流变性，从而可利用常规的成形工艺如压铸、挤压，模锻等实现金属的成形。
3半固态压铸工艺工艺优势和产品优势
工艺优势
1） 不需加任何晶粒细化剂即可获得细晶粒组织，消除了传统铸造中的柱状晶和粗大树枝晶。
2） 成形温度低（如铝合金可降低
3） 模具寿命延长。固较低温度的半固态浆料成形时的剪切应力，比传统的枝晶浆料小三个数量级，故充型平稳、热负荷小，热疲劳强度下降。
4） 减少污染和不安全因素。因作业时摆脱了高温液态金属环境。
5） 变形阻力小，采用较小的力就可实现均质加工，对难加工材料的成形容易。
6） 凝固速度加快，生产率提高，工艺周期缩短。
7） 适于采用计算机辅助设计和制造，提高了生产的自动化程度。
产品优势
1） 件质量高。因晶粒细化、组织分布均匀、体收缩减少、热裂倾向下降，基体上消除了缩松倾向，力学性能大幅度提高。
2） 凝固收缩小，故成型体尺寸精度高，加工余量小，近净成形。
3） 成形合金范围广。非铁合金有铝、镁、锌、锡、铜、镍基合金；铁基合金有不锈钢、低合金钢等。
4） 制造金属基复合材料。利用半固态金属的高粘度，使密度差大、固溶度小的金属制成合金，也可有效地使不同材料混合，制成新的复合材料。
4展望
尽管半固态连铸技术还没有达到大规模工业应用的水平，但在现有的试验研究及小规模生产中已经显示出了极强的生命力。综合国内外的有关研究不难看出，半固态连铸技术将在下列领域具有光明的应用前景：
(1)高合金和难变形材料成形
高合金和难变形材料的成型一直是材料加工领域的一个难题。半固态连铸坯在半固态温度下具有类似于液态直接成型的成型优势，为高合金材料无偏析无缺陷连铸和难变形材料的顺利成型找到了一条可行的技术路线。本课题组的研究表明，通常认为不能锻造的白口铁及高锰钢，制成半固态连铸坯后，在半固态温度下可以顺利成型壁厚
(2)新一代钢铁材料研制
目前世界各国都在进行超级钢的研究，我国也已经启动重大基础规划项目“新一代钢铁材料研究”。新一代钢铁材料要求高洁净、超细化、超高强度，同时还要有大规模应用的可能。为实现这一目标，必然需要采用连铸技术制坯，而现有的连铸坯普遍存在柱状晶区大，宏观偏析严重的缺陷。半固态连铸坯晶粒细小，宏观偏析少的优势无疑会为新一代钢铁材料的制坯提供一条值得探索的技术路线。
(3)复合材料制坯与成型
复合材料是材料科学的一枝新秀，但迄今为止，复合材料的制备及其大规模成材仍是一个难题。半固态连铸在解决这一难题方面会大有作为，这已被众多的试验研究所证实[7]。
总之，半固态连铸技术在高合金材料、难变形材料、细晶均质化钢铁材料及高附加值的新材料成型方面有着独到的技术优势
5电磁搅拌法
5.1 电磁搅拌器的原理：
电磁搅拌器的基本结构就交流感应方式而言，实际上是一个能激发磁场的感应器，它类仿于电机的定子，结晶器相当于转子。感应器产生的磁场作用于结晶器内熔融的金属液，并与金属液有相对运动，金属液又是导电体，因此，也就在其中产生感受应电流，该电流与感应器产生的磁场相互作用而产生电磁力，推动金属液的运动。运动的方式由磁场方式决定，目前，普遍应用的磁场有旋转磁场和行波磁场。
电磁搅拌法是利用电磁感应力的作用将析出的树枝晶破碎成颗粒状，属于非接触式搅拌。因此，金属液纯净，不卷入气体，控制方便，产量大，是目前工业应用的主要方法之 一。这种方法也适用熔点较高的合金。目前，在工业生产中占主导地位的电磁搅拌技术称为MHD(Magnetohydrofynamic)，用于生产连续流变锭料，其中铝合金锭的直径达50—
5.2搅拌效果
采用先进的电磁搅拌技术， 经过国内外大量的实验与工业生产通过使用电磁搅拌所达到的主要效果：
降低夹渣含量；
减少中心缩孔；
消除宏观偏析；
增加等轴晶比率；
改善凝固组织等；
6 半固态实验用电磁搅拌器
6.1工作原理
电磁搅拌方法则利用电磁感应在半凝固的金属液中产生感应电流，感应电流在外加磁场的作用下促使金属固液浆料激烈地搅动，使传统的枝晶组织转变为非枝晶的搅拌组织。
6.2系统组成
本系统以INTER高性能十六位单片机为核心组成的交--直--交变频电源、电磁感应器、操作控制界面、冷却系统等组成。
6.3系统优点
为了实验室研究方便，感应器内半固态金属液受力与枝晶的关系。本系统采用了电压、频率、搅拌时间连续可调，使半固态金属液受力情况一目了然。简洁操作控制界面，人机接口简单明了，所有操作在控制面板上可立即完成。
6.4主要技术参数
|
型号 |
EMSSM02 |
EMSSM05 |
EMSSM10 |
EMSSM15 | |
|
搅拌容量Kg |
≤2 |
≤5 |
≤10 |
≤15 | |
|
电 源 输入参数 |
电压 |
380V 3+N |
380V 3+N |
380V 3+N |
380V 3+N |
|
频率 |
50Hz |
50Hz |
50Hz |
50Hz | |
|
电流 |
|
|
|
| |
|
功率 |
5KVA |
10KVA |
20KVA |
30KVA | |
|
电 源 输出参数 |
电压 |
0-380V |
0-380V |
0-380V |
0-380V |
|
频率 |
5-30 Hz |
5-30 Hz |
5-30 Hz |
5-30 Hz | |
|
电流 |
0 |
0 |
0 |
0 | |
|
功率 |
13KVA |
26KVA |
40KVA |
60KVA | |
|
变频方式 |
交-直-交 | ||||
|
磁场方式 |
旋转磁场 | ||||
|
保温参数 |
加热功率KW |
1 |
1 |
1.5 |
1.5 |
|
输入参数 |
220V 50Hz |
220V 50Hz |
220V 50Hz |
220V 50Hz | |
|
温度控制 |
PID调节 |
PID调节 |
PID调节 |
PID调节 | |
|
感应器冷却方式 |
风冷 |
水冷 |
水冷 |
水冷 | |
我公司可根据用户需求定制设备
6.5系统概况：
1系统采用 IPM智能电源模块作为核心器件，其本身具有短路、过流、过热、欠压保护功能，系统设计中又增设了可靠的缓冲电路和其他抗干扰电路。
2、采用工业级单片机作为核心控制，其能适应于恶劣的工业现场，数据采集准确，处理速度快。
3、开关、接触器、整流、滤波、缓冲电路等电子器件，一律选用可靠器件，在设计中选用了较大的耐压、过流、散热保护系数。
4、在结构设计和制造方面尽量做到减少分布电容、电感和提高抗辐射，感应和耦合干扰的能力。
5、参数和程序设计严密，系统投入和停机逻辑，能较好的防止误码操作和事故停电造成的系统损坏。
6.6基本功能：
1、有输入电压，输出电流表盘指示，工作频率，工作电压数码指示。
2、电流、频率在设定的工作范围内无级调节。
3、系统在搅拌状态可以通过调节电压改变工作电流。
4、有正搅，反搅，自动搅拌三种搅拌方式，任何搅拌状态下搅拌时间，搅拌停止时间，换相停止时间可在参数范围内任意设定。
5、故障指示分为系统停机故,障，搅拌停止故障和报警故障三类。
A、系统停机故障：
包括冷却风机失灵，IPM模块故障，整流熔断器故障，主接触器故障，控制电源故障等。
B、搅拌停止故障：
包括：冷却水严重不足，搅拌器绕组严重过热，冷却风机停。
C、报警故障：
包括：水流量、水压不足，过流、欠压三相电流不平衡等。
6.7安装注意事项
a电源进线应严格保证接线正确，否则不能正常工作。
b各连接电缆规格必须符合厂方要求。
c整套设备各部分外壳均应可靠接地，以防干扰。
d所有线路要保证绝缘良好。
7变频控制器的操作说明
频率 设定运行频率。
电压 设定运行电压。
时间 设定搅拌时间、换相时间、换相停止时间
方式 设定运行方式（连续正、反搅、自动搅）。
确认 确认每项的运行参数。
增一 设定状态下参数数值修改位数值增一。
减一 设定状态下参数数值修改位数值减一。
启停 启动或停止搅拌。
参数设定
搅拌频率设定：按“频率”键，“频率”状态指示灯亮；按“增一”或“减一”键（长按连续改变），改变“频率”位数值（10～30Hz），按“确认”键保存参数。
搅拌电压设定：按“电压”键，“电压”状态指示灯亮；按“增一”或“减一”键（长按连续改变），改变“电压”位数值（0～220V）；按“确认”键保存参数。
搅拌方式设定：按“方式”键，“方式” 状态指示灯亮；按“增一”或“减一”键（长按连续改变），改变“方式”位数值（0、1、2），按“确认”键保存参数。（0表示连续正搅；1表示连续反搅；2表示手动设定方式）。
搅拌时间设定：若为方式0或方式1时，按“时间”键，“时间” 状态指示灯亮；按“增一”或“减一”键（长按连续改变），改变“时间”位数值（此时时间数值前面显示字母，表示搅拌运行时间,最长为600S），按“确认”键保存参数。若为方式2时，按“时间”键，“时间” 状态指示灯亮，按“增一”或“减一”键（长按连续改变），改变搅拌运行“时间”数值（此时时间数值前面显示字母，最长为600S），按“确认”键保存参数，此时进入第二项时间设定；按“增一”或“减一”键（长按连续改变），改变搅拌换向运行“时间”数值（此时时间数值前面显示字母，最长为120S），按“确认”键保存参数，此时进入第三项时间设定；按“增一”或“减一”键（长按连续改变），改变搅拌换向停止“时间”数值（此时时间数值前面显示字母，最长为60S），按“确认”键保存参数。
8 电磁搅拌器的操作及运行
设备连接好，确认无误后接通电源。拨动“控制”键至“开”位置，此时启动冷却水及冷却风机，系统自检，如有故障报警指示。系统正常状态按“主电源启动”键，约5S后（等待电容充电时间）主电源接通，在控制面板上进行参数设定，设定完毕，按控制面板上的“启停”键，“搅拌运行”指示灯亮，进入搅拌状态；这时候按“增一”键或按“减一”键电压指示灯亮,显示窗口指示电压输出值,即可改变输出电压的大小 (长按电压值连续改变)调节电流改变搅拌功率, 再次按控制面板上的“启停”键，“搅拌停止”指示灯亮，进入搅拌停止状态。搅拌结束后，按“主电源停止”键，然后拨动“控制”键至“关”位置，设备工作停止。
9 日常维护
a 应按操作说明书正确操作
b非专业人员禁止打开机箱。如有问题，请与厂家联系。
c环境温度较高时应降低搅拌强度或采取措施降低环境温度。
及时清除工作间内杂物。
d确保设备放置处的清洁，及时清除设备放置处地板的灰尘及杂物，防止风机将灰尘或杂物吸入设备内部造成故障。
e经常检查设备风机，确保设备散热良好。
10 注意事项
1.设备的检修与维护须由专业技术人员操作。
2.未经厂家容许不得擅自更改电路及设备器件（可更换同型号规格的器件）。
3.具有电子或金属植入物（如起搏器或金属脊柱连接器）的人员在设备运行期间严禁接近电磁搅拌器的感应器。
4.保持设备清洁，严禁放置杂物。
5.设备的操作使用应按着操作规程进行。
石家庄爱迪尔电气有限公司
