（有色金属冶金专业论文）电磁分离铝合金中富铁相杂质的研究.pdf

东北大学博士学位论文摘要 电磁分离铝合金中富铁相杂质的研究 摘要 电磁场在冶金中的应用是近年来冶金工作者致力研究的重要领域之一，利用 电磁场，可以对熔融金属进行非接触性的加热、搅拌、传输和形状控制，作为冶 金领域中的一项潜在新技术电磁净化，近年来已经受到日、美等发达国家的 重视。本文在总结前人相关研究的基础上，对交变电磁力场和稳恒磁力场作用下 的铝熔体中富铁相杂质颗粒的迁移行为进行了理论研究和试验应用研究。 对自制电磁场发生器，进行了理论分析和计算，建立了磁感应强度分布模型 和电磁力体积模型。对杂质颗粒在电磁场中的受力情况进行了分析，建立了其在 电磁力和磁场力作用下的运动模型，计算了理论分离效率。计算出了在电磁力和 磁场力作用下杂质颗粒的运动速度，采用柱塞流模型和轨线模型得出了杂质颗粒 的分离效率。确定了影响电磁分离效率的因素，包括分离通道宽度、金属熔体流 速、分离通道长度、电磁力体积密度和磁感应强度。分离效率随分离通道宽度和 金属熔体流速的减小而提高；随分离通道长度的增加、电磁力体积密度、磁感应 强度的提高而提高。在电磁力的作用下，杂质颗粒的粒径对分离效率的影响最大； 在磁场力的作用下杂质颗粒的粒径和磁感应强度对分离效率的影响最为明显。 结合试验室的条件，自行设计了采用了工频电流激励，闭合磁路设计的交变 磁场发生器和稳恒磁场发生器。整套设备投资少，工作稳定，几乎不需要人工维 护，而且气隙中的磁感应强度分布均匀。尤其在电路中采用串联电容器的设计， 大大降低了电路的总阻抗( 减少9 0 以上) ，降低了无功功率，减少能耗。 富铁相杂质是铝合金产品中的一类主要杂质，其存在形态多种多样，但都具 有运动阻力大的特点，电磁场对其的分离效果不理想，本文首次采用联合添加剂 和预先热处理的方法使其形态规则化。试验结果表明，对于铝硅合金来说，单纯 加入m n 元素的方法不能从根本上抑制针状铁相的出现，m n 可以从一定程度上改 变富铁相的形态，适宜的加入量为m 1 1 f e = 1 1 左右。经过热处理的a 1 s i 合金熔体， 加入m n 后富铁相以规则的多边形形态析出，几乎完全抑制针状铁相的出现，适宜 的加入量为m i 虾e = 0 5 1 1 。多边形富铁相粒径的大小和m n 的加入量密切相关， 通过控制m n ( m n 腰e ；0 5 1 1 ) 的加入量，可以使大部分富铁相以一定粒径 ( 1 0 4 0 u m ) 析出。对于含硅较少的铝来说，m n 的加入可以改善富铁相的形态， 东北大学博士学位论文摘要 合适的加入量为m n f e 1 ，以m r 仰e = 1 4 1 5 为宜，但不能完全抑制不规则富铁相 的出现。证明了m n f e s i 一4 a 1 和h 位一f e 一6 a l 在8 0 0 是顺磁性物质，可以被磁场 磁化，从理论上讲，磁场力可以分离铝熔体中的富铁相杂质。 对铝熔体和铝硅合金熔体中的富铁相杂质颗粒进行了静态和动态电磁分离试 验，在试验过程中分别考察了电磁力和磁场力对杂质颗粒的分离作用，研究了磁 感应强度、富铁相杂质颗粒形态、扰流现象、分离通道宽度、分离通道的截面形 状和金属液环流面积大小等因素对分离效果的影响。静态试验的结果表明，稳恒 磁场产生的磁场力对富铁相杂质颗粒有分离作用，8 0 0 是比较适宜的分离温度。 交变磁场产生的电磁力和磁场力对铝熔体中的富铁相杂质颗粒都有分离作用，当 磁感应强度小于1 2 0 m t 时，磁场力的作用明显，杂质颗粒富集在分离器的侧面； 当磁感应强度大于1 4 5 m t 时，电磁力的作用较明显，杂质颗粒富集在分离器的内 侧。添加金属锰可以改善铝熔体中富铁相杂质的分离效果，适宜的加入量为 m n f e = 1 5 ；采用预先热处理和添加金属锰相结合的方法可以提高铝硅合金熔体中 富铁相杂质的分离效率，适宜的加入量为m 1 1 f e = 1 1 。缩短分离通道的宽度可以有 效提高分离效率。 动态试验的结果表明，增加磁感应强度可以提高分离效率，对丁 a 1 1 叭f e 1 1 州m n 一1 0 训s i 合金，f e 元素的分离效率可以达到6 5 ；对于 a 1 1 f e 1 5 m n 一0 5 s i 合金，f e 元素的分离效率可以达到3 0 ，在提高 磁感应强度的同时，也对分离器提出了更高的要求。采用矩形截面分离通道的分 离效率最高，采用三角形截面分离通道的分离效率次之，采用圆形截面分离通道 的分离效率最低。对于以上两种合金，增加l 倍的金属液回路面积，采用矩形截 面的分离通道可以提高1 2 和1 0 的分离效率；采用三角形截面的分离通道可以 提高7 和8 的分离效率，采用圆形截面分离通道的分离效率没有提高的迹象。 关键词：电磁力，磁场力，运动模型，分离效率，磁化率，形态规则化 静态，动态 i i i 东北大学博士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： b鲳： 曲歹t | t ，d 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文的研究目的及意义 铝是自然界中分布极广的元素之一，在地壳中的平均含量为8 7 ，仅次于氧 和硅。其矿石在自然界中已发现有2 5 0 多种。铝的密度仅为2 6 6 9 9 - c m 。3 ( 2 0 固态) ， 密度较小。铝的塑性高，具有很好的延展性，它还具有良好的导热性、导电性、 抗腐蚀性、光泽性以及可回收利用的特点。在纯铝中加入其它金属或非金属元素， 能配制成各种可供加工或铸造用的铝合金。铝及其合金的许多固有优点，决定了 它在工业上越来越重要的地位和越来越广泛的应用。铝在世界上的产量现在仅次 于钢铁，成为第二大金属。在工业、农业、军事、民用等领域得到了广泛的应用。 在我国每年要生产大量的铝板带材用于制造飞机、发动机、汽车等各种冲压 件、壳体件以及民用的易拉罐、压力罐、电工圆铝杆、建筑型材等制品。然而在 大量的铝金属制品中，由于杂质的存在严重地影响着它们的性能，尤其是影响到 机械强度和抗腐蚀能力。因此，除去铝中杂质，使金属纯净，对于提高铝制品的 质量及性能具有重要意义。 铝中的杂质来源除原料中固有的以外，铝及其合金的熔炼过程也是产生杂质 的主要来源。铝易氧化，在熔体表面形成氧化铝薄膜，它虽然有保护作用，但一 旦被破坏，进入熔体，便很难除去。因为a 1 2 0 3 不易还原，而且它能悬浮于熔体中， 并随熔液进入铸锭中，给材料的质量带来不利的影响。铝及其合金的吸气能力较 强( 主要是吸氢能力) ，特别是在有水蒸汽或还原性气氛的环境中。铝及其合金的 吸氢绝对量虽然不大，但达到熔点时，氢在固相和气相中的溶解度相差很大，铸 锭结晶时形成气孔和疏松的倾向性很大。铝及其合金中的一些合金元素具有很高 的化学活性，它们不仅能吸收直接从铁质坩埚和工具中溶解的铁，而且还能从炉 衬的许多氧化物中和溶解的氯盐中置换出铁、硅、锌等金属杂质。这些金属杂质 一旦进入铝熔体中，便很难除去，而且熔炼次数越多，杂质含量越高，对铝及其 合金的性能影响越大，严重时使纯铝品位降低，合金成分超标而报废。此外，各 国铝产品的原料有很大一部分来自于回收的各种废旧铝产品，经净化后，作为合 格产品出售。如日本铝产量的6 0 的原料来自回收的废旧铝产品。目前对于此类 原料只能用纯度更高的铝原料来稀释杂质浓度，手段单一，而且浪费大量的优质 铝材。 一1 壅i i 藿粪姜雾簧塞爹塞 鬟；l 耋! 霎 霎；- 二毫；i 三：! 害；。茎三雪蓄曼g g ：i 晕至；i 童至；兰室 ； ；量圣青ur r i 童i ；i j 三! ! 三辜j 壬i 霎i 釜 量善萼毒j 芋耋i ；兰毒 萝萝薹i 嚣妻荸! i ； ； ；i ；j 至蓁委垂j i i 耋翼每每妻静；彝； # l 童i ；，鲁l ；i ：i i i 毒i l 毫毫霉l l ；鏖1 蒉垂i i 妻莲。寺岛菩三孟 善i 茎毒羹；i _ 孚话! 毫革i m 妻薹萼一i ；耋i 一矗 i 一蠢i ；良；i f 笺；j i i i i 坠i 薹譬芋耋耋冀鲁；i i i 卜f ；惟自熏 ! w 鼍；薯二毫孳斥童：享 蚤蠹；l i i “童鲤白摹i ：；蹙i 章l ；w 量n 雩i 鼙薹j 。翼墓il 翁j i r 舞| ；缸 争ti ( 钌旦鼍至吾自 k i 太器 j ：姜富；鞭薯茹! i 虽萼蓦妻 ：诖l 蠢篱g = i ；芎；圣珏；差；! ! j 霪i 薹薹毒i 舀i 主五l ；蔫薹翟； 蓦善基r b ； 堇圭辜辜王 薹；喜毒孑；l l 至；謇磊i _ i ；冀；鸶窀i 套i 錾毒| l l 尹崞l j 篓吾喜i i 蠹薯 ；鞫鼍毳毳f ；露誊董j 鸯匪! f ；藿茔事毒主 l g 州i ； t 甍i 蠹i 二g - l ：j ；毒 珊i i i ? 差，薹彗亨置l ! “蠹剐塞! ! 薹 i 毒烈| 耋l ；羊i 差薹瞽瀚看妻望墓l 挲；“枣爹三；l 王曩垂誊j 孳 | i i 三釜弱虱 妥塞 i 囊蓄蓦塞蕊! 摹篓芎一搴磊；毒雾z 董奏! 嘻墼堇墓羔。! 甚美洲睡ij 萼i i 磊蔗融 葚咔董l 墨争墓“? r 每二；主? i 量：j ? j 噩，；宁 i ；子i i 三基鹾孽要互；! 陆囊l l i墨j ；蓊薹 鬟 蠢爹i堡童目 篓彝 l 米誓蚕l 耋；0 i ； ；i 藩l：囊 萎墓 | 每曼：主亭亭i 争鱼雷；i o 专彗 叁鼍；蠹喜三翟誊芎! j ；喜饕薹臻! ? 一薹i 藿 墓越囊曩毛蓦i 喜l i o j 至! ；卜掣妻昌宴蕈 ；喜每掣j l 每通瞿毒i ；喜l 辇l i ! 攀奎妻i i 曼蠹g g 霎l 主朗亳嚣萎i ；蘩藿羹孽w 薹；了i i i o i ! 疆疆瞻璧譬。蓉囊韬毒 苍曼鸟孽目；篮童；：苫毒l 塞! ! ! ；妻 i ；争妻喜! 虽囊 i 霪孽霞手l 童，j 月 田蓬_ t i 妻雾i ；i i 耋j 喜重雪羔垂：季雹l 园? 篓茎! o 主蚕害；耋l i l ，r ；莹曩嚣j j 氢噩；i 妻i 霸卅雩望；i ：! 霉蔓霉髦i i “捱兰黧 专睾| i l 霎川；董| i 毛氇囊掣篓毒；霉t 到萎璧咎写萌霉；鍪函藩瞳# | i 军p 卜阿崔学；i t ；i 羹 守，鐾塞嬲萼蚕 馨二；量口薯鲁最孽羹； 墨墨全燕至奏| 薯制鏊芎 医f 鲁l j i i 蓄；耋i ? ；当岳争至 蚕l 龟鞋誉；! 垂i 姜蓄；譬j ：薹；盂 l 蔓喜；蠹霉i 兰皇；j 誊i l 善垂玉蘑： 聿 妻i 律鲶 ；垂薹；善窒i 车喜霉； i ，囊l 鼋；i 王 毫蘸鬻l ； 霪每囊 ! i 羹笼 j 崩i l ；垮矗 ；羹琵i ；羹羹i ： ：i 玑i i 莓l ! j 茎蓦堂引 孽i x 东北大学博士学位论文第一章绪论 金属中的夹杂物显著破坏了金属基体的连续性，因而对金属性能产生巨大的 影响。随着人们对金属材料失效行为研究的不断深入，夹杂物的破坏作用逐渐被 人们认识，成为努力清除的目标。在钢铁冶金中，为提高钢的纯净度而蓬勃发展 起来的二次精炼或称炉外精炼技术，目标之一就是要除去钢中大量的细微夹杂物。 然而，对于某些特定用途的金属如火车轮用钢、镁合金等，目前的精炼技术难以 满足曰益增长的纯净度要求，因而发展新的高效净化技术，仍是冶金工作者努力 的目标之一，金属电磁净化技术也正好适应了这一需要。 电磁净化法是一种新型的净化方式，它的出现引起了各国冶金工作者的极大 兴趣，进行了广泛的研究工作，取得了一定的成绩。然而这方面的工作不论是在 理论研究上，还是在试验研究中，大部分精力都放在了铝合金中非金属氧化物的 净化分离上，对于金属型杂质( 以富铁相金属问化合物为主) 净化分离的报道较 少，这是由于金属杂质形态复杂，种类多样的原因。目前，试验处于实验室研究 阶段，没有形成稳定的工艺流程和生产参数，距工业应用还有很长的距离。但有 理由相信，电磁净化技术是一种充满前景的技术，它可以应用于铝合金净化和其 它有色金属的净化，进而在钢铁生产上应用，它的发展会将带来一场金属净化技 术的革命。本文将研究重点放在分离净化铝合金中的富铁相杂质上，通过控制改 善其在铝熔体中的形态，使其规则化提高分离效果，是一种崭新的思路。 1 2 铝合金净化方法 铝合金净化方法按其原理可分为吸附净化和非吸附净化两类。吸附净化是指 铝熔体直接和吸附剂相接触，使吸附剂和熔体中的气体和固态杂质发生物理化学 的、物理的或机械的作用达到除气和除杂的目的。吸附净化的方法有吹气法、过 滤法和熔剂法等。非吸附净化是指不依靠向熔体中加入吸附剂，而通过某种物理 作用，改变金属一气体系统或金属夹杂物系统的平衡状态，从而使气体和央杂物从 铝熔体中 受魏芎谯曩磐蠢套 鏖嚣鑫：扬磊甜掣矗殍巢一鞘劓鞋“黼卷，基澎馕溶始溺崔h耄塑铋驵二以 是将惰性气体、活性气体或混合气体通入到铝熔 体内部，形成气泡，熔体中 的氢在分压差的作用下扩散到气泡中，并随气泡上浮 东北大学博士学位论文第一章绪论 金属中的夹杂物显著破坏了金属基体的连续性，因而对金属性能产生巨大的 影响。随着人们对金属材料失效行为研究的不断深入，夹杂物的破坏作用逐渐被 人们认识，成为努力清除的目标。在钢铁冶金中，为提高钢的纯净度而蓬勃发展 起来的二次精炼或称炉外精炼技术，目标之一就是要除去钢中大量的细微夹杂物。 然而，对于某些特定用途的金属如火车轮用钢、镁合金等，目前的精炼技术难以 满足曰益增长的纯净度要求，因而发展新的高效净化技术，仍是冶金工作者努力 的目标之一，金属电磁净化技术也正好适应了这一需要。 电磁净化法是一种新型的净化方式，它的出现引起了各国冶金工作者的极大 兴趣，进行了广泛的研究工作，取得了一定的成绩。然而这方面的工作不论是在 理论研究上，还是在试验研究中，大部分精力都放在了铝合金中非金属氧化物的 净化分离上，对于金属型杂质( 以富铁相金属问化合物为主) 净化分离的报道较 少，这是由于金属杂质形态复杂，种类多样的原因。目前，试验处于实验室研究 阶段，没有形成稳定的工艺流程和生产参数，距工业应用还有很长的距离。但有 理由相信，电磁净化技术是一种充满前景的技术，它可以应用于铝合金净化和其 它有色金属的净化，进而在钢铁生产上应用，它的发展会将带来一场金属净化技 术的革命。本文将研究重点放在分离净化铝合金中的富铁相杂质上，通过控制改 善其在铝熔体中的形态，使其规则化提高分离效果，是一种崭新的思路。 1 2 铝合金净化方法 铝合金净化方法按其原理可分为吸附净化和非吸附净化两类。吸附净化是指 铝熔体直接和吸附剂相接触，使吸附剂和熔体中的气体和固态杂质发生物理化学 的、物理的或机械的作用达到除气和除杂的目的。吸附净化的方法有吹气法、过 滤法和熔剂法等。非吸附净化是指不依靠向熔体中加入吸附剂，而通过某种物理 作用，改变金属一气体系统或金属夹杂物系统的平衡状态，从而使气体和央杂物从 铝熔体中分离出来的方法，主要有静置处理、真空处理和超声波处理等。 1 2 1 吹气法 吹气法又称气泡浮游法，它是将惰性气体、活性气体或混合气体通入到铝熔 体内部，形成气泡，熔体中的氢在分压差的作用下扩散到气泡中，并随气泡上浮 达到除气的目的，此外气泡还能吸附部分固态夹杂f 1 】，同时达到除杂的目的。吹气 东北大学博士学位论文第一章绪论 陶瓷泡沫是近年来发展起来的新型陶瓷过滤材料，是由氧化铝和氧化铬等组 成的陶瓷浆料，借助聚胺酯泡沫成型，再经干燥、烧结而成。一般制成厚度5 0 m m ， 长宽各为2 0 0 “0 0 n 1 i i l 的过滤板块，孔隙度高达8 0 9 0 。它的特点是使用方便， 过滤不需要很高的压头，对于大于1 0 岬的夹杂去除效果较好，而对于小于1 0 u m 的夹杂去除效果较差，而且陶瓷泡沫较脆，易破损，通常只能使用一次。 然而，过滤器在工业中的应用还遇到了以下的难题：过滤器的孔径越细小， 能滤出的夹杂物的粒径也越细小，但浇注过程中压头的损失也越高，给液态金属 的自然流动造成很大的障碍；过滤器的寿命较短，一般只能使用一次，而且当夹 杂物含量较高时，过滤器很快被堵住，价格使用寿命比值太高；处理量有限，生 产效率低。 1 2 3 熔剂法 熔剂法【5 ”“】是在铝合金熔炼过程中，将熔剂加入到熔体内部，通过一系列的 物理化学作用，达到除气除杂的目的。熔剂的除杂能力是由熔剂对熔体中氧化夹 杂物的吸附作用、溶解作用以及熔剂与熔体之间的化学作用所决定的。熔剂和夹 杂物之间的界面张力愈小，熔剂的吸附性愈好，除杂效果愈好。 除了以除气除杂为主要目的的熔剂之外，还有一些其它的熔剂，如覆盖剂、 清渣剂等。各种熔剂的重复使用，造成熔炼成本提高，增加了人为引入杂质的几 率。目前，国内外研制和使用的熔剂种类繁多，如美国著名的p y r o t e k 公司生产的 各种熔剂、国内陈渭臣等研制的j g j 1 型铝合金熔剂和上海交通大学研制的j d l f 一1 和j d n 一1 铝合金熔剂等。 1 2 4 非吸附净化法 1 2 4 1 静置处理 静置处理是将铝熔体在浇注前静置一段时间，利用夹杂物和铝熔体的密度差， 在重力的作用下达到分离杂质的目的。显然，此法不能去除粒径细小的杂质，对 于密度和熔体密度相近的杂质无能为力，而且效率低下。应用中往往加入其它物 料来增加杂质的密度和体积以加快杂质的沉降速度，以提高分离效率。 1 2 4 2 真空处理 真空处理是将熔体置于有一定真空度的密闭保温容器内，利用氢在熔体中和 一d 一 东北大学博士学位论文第一章绪论 气氛中的分压差，使熔体中的氢不断产生气泡，并上浮出熔体进而被除去的方法。 真空处理是降低铝熔体中氢含量最有效的方法，但这种方法需要真空密闭设备， 价格昂贵，维护困难，而且造成熔体温度的损失也较大，除杂能力极为有限，因 此在工业中很少运用。 1 2 4 3 超声波处理 超声波处理是在2 0 世纪9 0 年代发展起来的一项新的铝合金熔体净化方法。 其原理是利用超声波在熔体中的空化作用，使液相连续性破坏成空穴，该空穴使 溶解在铝熔体中的气体聚集在一起，超声波弹性振荡促使气泡的结晶核心形成， 并促使气泡聚集到一定的尺寸，从而保证气体的析出。由于超声波发生的局限性， 该方法很难处理大批量的铝熔体，只适合于实验室研究使用，在工业生产中很少 使用。 1 2 4 4 高纯金属的处理 提纯方法主要有：区域熔炼，利用杂质在固相和液相金属间溶解度的差异， 局部加热形成熔区，缓慢加热移动熔区或金属锭条，在金属熔化和凝固过程中控 制杂质分布的方法。加热方式有高频加热、等离子加热、电予束加热等，广泛用 于提纯半导体材料和钨、铝、钽、铌等难熔金属的提纯：单晶法，包括使用坩 埚的提拉法和无坩埚悬浮区熔单晶法，前者用于较低熔点的金属，后者可用于高 熔点金属；真空蒸馏，利用金属和杂质饱和蒸气压和挥发速度的差别，在挥发 或冷凝过程中去除杂质的方法，以前主要用于熔点不太高的金属，如镁、锌、钙、 锂等金属的提纯，随着无坩埚蒸馏技术的发展，已扩展到较高熔点的金属如铍、 钇、镍、钴、钒等的提纯；电迁移法，是利用金属和杂质在电场作用下定向迁 移或扩散速度的差别来分离杂质的方法，多用于钒、锆、铪、铌、钽的提纯。 1 3 电磁流体力学在冶金生产中的应用 研究电磁和流动流体之间相互关系的学科，称为电磁流体力学 ( m a g n e t e h y d r - o n a m i c s 简称m h d ) 。这一领域包括经典电动力学、磁动 力学和流体力学，由于它与电动力学、地球物理学、等离子研究及发电技术有关， 从而受到了人们的关注。电磁流体力学应用于冶金生产有一个较长的发展过程。 早在1 8 2 3 年，m i c h a e lf a r a d y 就开始研究流体在磁 提出了“悬浮熔融”方法的专利。1 9 3 2 年，w b r a u n b e c k 认识到旋转磁场可以使 东北大学博士学位论文第一章绪论 流体旋转。二十世纪四十年代，h a l 如e n 得出m h d 理论公式。1 9 6 1 年， l a n g e n b e r g 指出，凝固钢锭的晶粒在交流电磁场中可以细化，这促使了m h d 原理广泛应用于冶金过程，并且在许多领域取得了重大进展，电磁流体力学才得 以全面发展【12 ，”j 。1 9 8 2 年国际理论与应用机械学会( t a m ) 在英国剑桥大学召 丌了首届电磁流体力学( m h d ) 在冶金生产中应用的国际会议，指出电磁流体力 学可以革新金属材料的生产过程。会中p m a 啊等报告了他们用电磁力使水银中的 水漓发生偏聚的试验及理论分析结果，让与会者认识到这一现象的潜在应用价值。 由于金属液中经常含有大量的夹杂物，其导电性与金属液有很大的区别，因此利 用上述原理就能将夹杂物从金属液中分离出来，由此诞生了金属液电磁净化技术 的设想。经过十几年的努力，1 9 9 4 年1 0 月在日本名古屋召开了材料的电磁加工过 程( e p m ) 国际会议，进一步确立了电磁作用在冶金生产中的应用地位，也标志 着它已成为一个独立的研究领域。1 9 9 6 年，日本钢铁业把电磁场净化除去夹杂物 技术确定为今后五年中重点发展的两大新技术之一。 电磁在冶金生产中应用的基础是电磁流体力学。电磁流体力学之所以能 在各种冶金过程中得到广泛的应用，主要是由于熔融金属是电的良导体。这样， 在磁场和电场的作用下金属熔体中就可以产生电磁力，利用电磁力就能对熔融金 属进行搅拌、传输、净化和铸造。这同采用机械手段相比，有着明显的优点。 电磁流体力学的原理已广泛应用于黑色及有色金属冶炼过程，并在很多领域 已取得了重要进展。应用于液态金属流动方面的有电磁搅拌( e m s ) 、电磁泵、电 渣重熔( e s r ) 、电渣熔接( e s w ) ；控制液态金属形状方面的有电磁铸造( e m c ) ； 控制液态金属悬浮方面的有悬浮熔炼：控制液态金属运动或波动方面的有电磁制 动( e m b ) ；净化提纯金属熔体方面的有电磁净化；其它还有无堰轧制、电弧焊接 等等【1 4 16 1 。 1 4 电磁法净化铝熔体研究现状 1 4 1 引言 目前，在采用电磁力的冶金过程中，电磁铸造、电磁搅拌和形状控制等方面 的研究已达到一定的水平，在实验室己取得了很大的进展，并且在工业上也得到 了一定的应用。而电磁净化这一课题，目前还处于实验室研究阶段，工业上的应 用还需要经过大量的试验和研究。 东北大学博士学位论文第一章绪论 k o l i n i l7 j 最早对磁场中通电流体中颗粒的受力情况进行了分析，认为通电流体 中的每一个微小单元都受到电磁力的作用，当该流体处于平衡状态时必然有一个 力与之平衡，这个力来自于周围的流体称为电磁挤压力，在匀质流体中( 尤指导 电率和磁化率) ，这两个力平衡。但如果这个微小单元的导电率或磁化率与周围环 境有差别，平衡就会被破坏，就会引起相对周围流体的运动。 电磁分离法就是利用这个原理达到去除杂质的目的。电磁分离法有直流电磁 分离法和交流电磁分离法两种形式。直流电磁分离法就是在金属熔体中插入电极 并加上稳恒磁场，由于铝熔体和杂质导电性存在差异，从而导致它们所受电磁力 不同而使杂质得到分离；交流电磁分离法是在金属熔体中加上一个交变电磁场， 由于熔体中磁通量的交化而产生感应电流( 涡电流) ，进而产生电磁分离驱动力达 到分离效果。对于前者，l e e n o v 、k d l i n 、m a n y 【1 8 】和a l e m a n y 已进行过理论研究， 而p a r k 等人则通过利用细管抑制金属熔体扰流和如何增强电磁力的研究来证明这 一理论，另一方面，他也曾就磁场频率对交流电磁力的影响进行过理论探讨。 第一次把电磁分离实际应用到金属上应归功于g a t e ，他在1 9 0 0 年叙述了一次 对于金银矿的电磁富集分离过程。他在熔融金属中通上直流电并外加磁场分离器， 为这一技术的发展奠定了基础，并申请了专利。随着这一发现，兴起了一股用电 磁力分离其它金属的热潮，德国人s t r o b e l 在1 9 4 2 年设计出第一个连续电磁分离器。 1 9 5 9 年，m i c h e k t i 指出连续电磁分离器的设计是分离效果的决定性因素，他还指 出在感应电磁分离器中，最小电磁搅拌力和外加电磁场相适应是这一技术成功应 用的关键”。 1 9 6 1 年，v e r t e r 提出用电磁力分离熔融金属中非金属夹杂物的基本想法。从 此，应用外加电流和磁场的相互作用来分离有色及黑色金属中的杂质才被广泛研 究。尽管在实验室取得了显著的成果，但这项技术成功地应用于工业还需较长的 时间。外通直流电和外加磁场，由于存在因电磁力搅拌而产生扰流的弊端，一直 阻碍这一技术的发展，直到八十年代后期提出了依靠感应技术设计电磁分离器， 才使电磁净化的研究得以发展【2 0 2 ”。目前，在这一研究领域处于领先水平的是美 国亚拉巴玛大学的e 1 k a d d a l l 等和日本名古屋大学的浅井滋生等，他们均采用交变 电磁场，但其中也有很大的区别。e 1 k a d d a l l 是用工频( 6 0 h z ) 交流电，利用感应 器的作用，使在磁场中流动的熔体受力而达到分离效果。为了把夹杂物除去，他 们利用电磁分离器和过滤器联合作用，在亚拉巴玛大学作了静态试验，创立了交 变磁场分离杂质的基础理论。a l c 0 a 技术研究中心作过动态试验以探讨这一设想 的可行性，已经能把大于3 0 m 的非金属夹杂物除去 1 9 ，2 。名古屋大学利用7 k h z 东北大学博士学位论文第一章绪论 的交流电能把1 0 岫的非金属夹杂物颗粒除去2 0 1 2 3 1 。上海交通大学口4 8 1 、上海 大学和东北大学也进行此方面的研究。感应器的设计以及如何尽可能降低扰流对 试验的影响，是决定试验成功与否的关键。 1 4 2 现有电磁净化方案 电磁净化技术有两个关键因素：磁场和电场。磁场可以是交变磁场也可以是 稳恒磁场：电场可以是直流电场也可以是交流电场，这两个因素的组合可以获得 多种电磁分离途径，可以产生多种电磁净化方案。 1 4 2 1 直流电加稳恒磁场 这种方案需要两套独立的设备来分别提供通入熔体的直流电和稳恒磁场。在 稳恒磁场中水平放入分离器，分离器中通入金属熔体，往金属熔体中通入直流电。 金属熔体会受到电磁力的作用，其中的杂质颗粒会受到一个相反的作用力，并在 此力的作用下定向移动并除去。由于直流电线圈不会产生感抗，所以提供大密度 的直流电可以产生较强的稳恒磁场，产生较大的电磁挤压力。 m a n y 和a l 锄a i l y 【2 w 以水银作为液态金属，以水银中的水滴模拟氧化物夹杂， 在冷态条件下对上述方案进行了研究( 电磁力为水平方向) ，结果表明垂直上升的 水滴在水平方向上发生了明显的偏转，水滴的水平速度与电磁力成函数关系。1 9 9 3 年浅井滋生f 3 0 】在a l e m a i i y 的启发下采用n a c l 溶液模拟金属液，而用聚苯乙烯颗粒 模拟夹杂物，采用视频记录设备，对恒定电磁力作用下的颗粒迁移速度进行了测 定，发现颗粒的迁移速度和理论值吻合良好。但他指出，电场和磁场不可能是绝 对均匀的，所得到的电磁力也是不均匀的，这导致金属熔体中产生扰流运动，加 上熔体中的夹杂物体积微小，更容易受到扰流的影响。日本的佐佐键介3 0 ，3 1 1 采用 减小管径的方法来抑制金属熔体的扰流现象，结果发现，管径越小，则扰流涉及 范围越小，对夹杂物分离效果影响也越小。国内的上海交通大学 3 5 1 对此方案进 行了探索。本方案的优点是电流和磁场提供方便，可以随意改变电流和磁场的方 向、大小以提供不同的电磁力；缺点是需要两套设备，电流的施加需要向熔体中 插入电极，对于高熔点金属来讲( 如钢) ，会引起电极浸渍污染金属的问题【3 6 】。 1 4 2 2 交变电流 此方案由谷口尚司【3 7 4 川和b r i m 犯o m b e 提出，他们从理论和实践中论证了采用 交流电分离金属熔体中夹杂物的可行性。他们的具体做法是在圆形或矩形通道内 东北大学博士学位论文第一章绪论 增加设备的体积和重量，另外线圈中的感抗作用突出，不利于提高磁感应强度。 1 4 2 4 高频磁场 高频磁场主要应用于连铸的软接触结晶，它对提高铸锭的表面质量和改善铸 锭的显微组织都起到了很好的促进作用，因此可以将这项技术应用于电磁净化领 域。日本的s a s s a 【58 1 、上海交通大学的疏达1 5 9 ，6 川等对此进行了理论上和实践上的初 步研究。s a s s a 等采用的方法是将盛有铝熔体的坩埚置于一螺线管中，坩埚直径为 3 6 衄，熔体用氩气保护，往螺线管中通入3 0 或3 3 k h z 的高频交流电。高频磁 场与铝熔体表层( 集肤层) 中的感应电流相互作用，产生指向轴心的挤压力，夹 杂物向柱形表面移动。高频磁场的不均匀性使铝熔体产生扰动，该扰动的出现有 两方面作用。一方面，扰动可以使已经迁移到表层的夹杂物重新卷回到熔体内部， 影响分离效果，此种危害在其它方案中也存在。另一方面，扰动也可以将熔体内 部的夹杂物带到熔体的表层，由于高频磁场的集肤深度很薄，只有在集肤层内电 磁力的作用才比较明显，可见也有利于夹杂物的去除。在集肤层以外的区域，产 生的电磁力很小，对夹杂物的去除作用不明显。根据电磁力渗透深度公式可知， 频率越高，渗透深度越小，在3 0 或3 3 k h z 的高频磁场中，渗透深度只有几个毫米。 因此，铝熔体内部的夹杂物主要靠这种扰动传递到集肤层，在电磁力的作用下去 除。 s a s s a 的研究还发现，当熔体直径和渗透深度的比值大于3 时，用较弱的磁场 很难将夹杂物去除，增加磁场的强度才有可能去除夹杂物。疏达等认为当熔体直 径和渗透深度的比值等于2 时，高频磁场的分离效率达到最佳，采用的磁场频率 为1 3 7 k h z 。此外，熔体中出现的扰动增加了夹杂物的运动距离，即增加了分离时 间和增大了电磁场的作用区域，对设备提出了更高的要求。 此方案存在的问题主要是电磁力的渗透深度问题，单靠很薄的电磁力有效作 用区域来实现金属熔体中夹杂物的分离，效率受到影响。另外高频磁场中的熔体 扰动的负面影响还有待进一步确定，扰动是利大于弊还是弊大于利目前还没有定 论，此方案的应用还需要进一步的探索。 1 4 2 5 超强磁场 近年来，随着超导技术的迅速发展，获得超强磁场( 5 2 0 t ) 的运行成本大大 降低，因而在工业上的应用也指日可待。与普通磁场相比( 6 破 3 、外加磁场沿z 轴取向且是时间的正弦函数。 6 图2 1 薄导电板中的电磁现象 f i g 2 1e l e c 仃d m a g n e t i cp h e n o m e n am at h i nc o n d u c t o rb o a r d 在这样的条件下，可以近似作为平面波来研究，且不考虑端部的边缘效应。 因此麦克斯韦方程( 向量形式) 在直角坐标系中的展开式为， 譬：一哆 出 车：一j 仃酝h ： d x 。 二 上两式可以综合成， 婴：_ ，掣胡：口z 且 ( 2 1 ) i 广2 j 掣删：2 口爿： ( 2 _ 1 ) 式中d 2 = ，掣正面= 2 矿，从而a = 石；面= ( ，+ 1 ) 囊丽= ( ，+ 1 ) 豇，显然 = 再丽，上式为二阶常微分方程，其通解为 日：= c 1 p 一+ c 2 p “( 2 2 ) 积分常数c ，和c ，由边界条件决定。 东北大学博士学位论文第二章电磁净化原理 当肖：昙时， 即可得 因而 h ：= h ：o c l = c 2 = c h ：= 2 c c h c d c 设时间坐标，= o 处，日；= 日加，则有 因而 得 电场强度为 电流体密度为 日：2 c 幽a 生 。 2 c - 鑫2 幽二 2 h z = 笔 c 力 e ，：! 墼：一坚垒妫蕊：一生 以 止= 一一= 一一s n 蕊= 一o n 以。戳oo j w 2 仃ey = 一h ：o o 博h 馓 计算各复数的模。下面以胁似l 为例进行计算 s 矗d 髫l = i s a ( ，+ 1 ) h | ：历瓦i i 五矛i ：i ；忑 同理，可得 f 拍2 舡一c o s 2 缸 v2 够唧l = j 塑竽堕 2 0 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 东北大学博士学位论文第二章电磁净化原理 强度在薄板中分布是不均匀的，在薄板的中心出现h 的极小值，这是涡电流的去 磁效应形成的，电流的流向在导板两边是相反的。低频率( 豇z 1 ) 时，由于涡 电流所产生的去磁效应不明显【2 】，在整个薄板中磁场强度的分布比较均匀。 2 2 金属熔体和夹杂物的受力分析 处于交变磁场中的金属熔体受到重力、电磁力和磁场力的作用；金属熔体中 的非金属夹杂物受到重力、浮力、电磁力和粘滞阻力的作用，由于它们的磁化率 为o 所以不受磁场力的作用；金属夹杂不但受到重力、浮力、电磁力和粘滞阻力 的作用，而且由于它们的磁化率不为0 ，与金属熔体的磁化率有差异，所以还受到 磁场力的作用。其中所受重力的方向始终向下，浮力的方向始终向上，电磁力和 金属熔体与电磁感应线圈的相对位置有关，磁场力和金属问化物的磁化率有关， 粘滞阻力的方向和杂质颗粒的运动方向相反。 2 2 1 重力和浮力 杂质颗粒悬浮在金属熔体中，受到重力和浮力的作用，是由杂质颗粒和金属 熔体的密度差引起的。这两种力的方向固定，不随外界条件的变化而改变。颗粒 所受重力和浮力的合力的表达式为 瓦= 忉，一p r 妇 式中是杂质颗粒的体积，跏和缈分别是杂质颗粒和金属熔体的密度。文献 3 中 以a 1 a 1 2 0 3 体系为例计算，a 1 2 0 3 颗粒在电磁挤压力下的运动速度是重力下沉速度 的1 l 倍，该比值与颗粒的粒径无关。对于那些密度和金属熔体接近( 如铝镁中的 夹杂物) 或颗粒非常细小的夹杂物，分析杂质颗粒在电磁场中的受力情况时，重 力和浮力可以忽略肼】。 2 2 2 电磁挤压力 电磁感应线圈两磁极间气隙磁场的分布随不同的气隙大小变化非常大，气隙 中磁感应强度并不十分均匀，其分布与电磁铁气隙磁场分布相似，电磁铁气隙磁 场的分布如图2 | 3 所示【5 1 。但气隙较小时或者在气隙的中心部分，一般可以认为磁 感应强度是均匀的。对电磁分离法作理论性研究时，可以认为气隙中有效工作区 的磁感应强度分布是均匀的。 2 2 东北走擘博士学位论文 第二章电磁净化原理 譬o z f 褂 ， 图2 ，3 磁极间气隙磁场分布不慈幽 f i g 2 3s k e t c hm a po f m a g n e t i cf i e l db e m e e nm a 鲫e 石cp o l e s 下面对电磁力的产生作简单分析，假设一个导电率为的球体悬浮在导电率 为田的金属熔体中，金属熔体中保持稳定的电场强度勘球体中的电场强度为昂。 根据麦克斯韦有关电磁的理论， e p _ e r 最 设西彦分别是球体和金属熔体中的电流密度，由e 矗可，上式可变化为 2 盯f + 盯。 jp 23 f 菇 球体所受的电磁重力( e m w ) 为b = 0 坷，) ，金属熔体单元所获得的电磁挤压 力( e m b ) 为，毋= 以砌吩。球体所受到的合力为， f - f p _ ：饵v 鼍 上述推导只是一种近似的处理，但在大部分情况下，上述受力公式与试验数据符 合良好【6 1 。更严格的计算可见文献【7 】，夹杂物所受到的电磁挤压力为 ，。：一要娑攀， ( 2 1 1 ) 9 22 盯r + 盯。6 。 、7 式中西是杂质颗粒的直径，是单位体积电磁力。如果夹杂物的电导率为o ( 如各 种氧化物杂质) 或夹杂物的电导率远小于金属熔体的电导率，则公式( 2 1 1 ) 可以化 简为 一寻孚， 东北大学博士学位论文第二章电磁净化原理 强度、磁性杂质颗粒的导电率、形状和大小。铝熔体中的磁性杂质颗粒的粒度很 小，绝大多数直径在几十微米的范围以内，交变磁场采用工频激励，所以产生的 涡电流强度很小，可以忽略不计。 磁性杂质颗粒在交变磁场中受到的磁力是引力还是斥力，取决于颗粒磁矩与 磁场强度的方向是一致还是相反，通过讨论b 锕曲线图，可以找到其变化规律， 曰i ，口矽曲线圈如图2 4 所示。 图2 4 中的正弦曲线是交流电产生的交变磁场尿f ，封闭曲线为磁性杂质颗粒 在该场中相应的磁感应饱和强度和磁滞回线曰坷。当b 日线在i 、i 两象限，杂 质颗粒处于磁化状态，因为杂质颗粒的曰与磁场的日符号相同，方向致，磁力 作用为引力。这时磁力的计算同稳恒磁场完全一样，即公式( 2 ，1 4 ) 。 ji 哆 ，7 一刁 i h r | 鼠 0 1 、h 一 一 7 一 z 一 一一 j 塌 t 一 7 ，1 图2 4 磁性颗粒在交变磁场中的饱和磁滞回线 f i g 2 4s a t u r a t e dh y s t e r e s i sl o o p - l i n eo f m a 印e 石cp 州c l ei na l t e r j n gm a g n e t i c 酊e l d 当髓h 线处于i i 、两象限为去磁过程，这时杂质颗粒的占与磁场的h 符号 相反，磁力为斥力。此时杂质颗粒的磁矩为去磁状态下的剩余磁矩m ，颗粒的磁 感应强度为剩余磁感应强度b 。通常说的矫顽磁力辟是牙= 0 时的剩余磁感应强 度，它是去磁的起点。当抒= 总时，b = o ，为去磁的终点。同样道理，去磁状态 下的磁化强度为剩余磁化强度m 。根据磁化强度定义：m ，= 足，且显然，式中 的k7 的意义不再是原来磁化率，成为剩磁率或剩磁系数。根据磁矩定义： m ? = y d | = v k h 将此式代入式( 2 1 3 ) 得到杂质颗粒受到磁斥力的表达式： ，月，m y 足丑g r a d 绣( 2 1 5 ) 式中足7 为去磁过程中杂质颗粒的剩磁系数，为无量纲负纯数。 东北大学博士学位论文第二章电磁净化原理 可见，磁性杂质颗粒在交变磁场受到的磁场力也具有和稳恒磁场相同的数学 表达式。不同的只是系数置的物理意义和符号。顺磁质和逆磁质的颗粒没有剩磁， 因此只有磁化系数k ，不存在剩磁系数k7 。顺磁质的k 为正值，磁力为引力， 口日磁化曲线全部在第1 、i 象限；逆磁质的k 为负值，磁力为斥力，全部发生 在口曲线的第1 i 、象限。在电磁分离的过程中，不论是采用交变磁场还是稳 恒磁场，铝熔体中存在的磁性杂质颗粒所受到的磁场力的本质和特性都是相同的， 颗粒在磁场力的作用下的运动规律也是相似的。 2 2 4 运动阻力 金属熔体的粘度受温度、压力和流动状况的影响。所有金属熔体的粘度都随 所受压力的增大而增大，铝熔体在不同温度下的粘度如表2 1 所示。 表2 1 锅在不同温度下的粘度 t 曲l e2 1v j s c o s i t yo f a l l 】1 1 1 i n 啪a td m 爸r e n tt e m p e r a t u r e s 铝的粘度在7 7 肚8 3 0 之间较小，而且变化范围不大，考虑到铝熔体的导电性 随着温度的升高而降低，电磁分离的温度不能过高，在此范围内选择比较适宜。 在液体中运动的物体受到的阻力主要和液体的相互摩擦而产生，此外还受到在颗 粒表面产生的扰流和颗粒尾部产生的紊流的影响，如果颗粒的粒径很微小，此部 分的影响可以忽略，只考虑液体的粘度，则球形杂质颗粒受到的粘滞阻力为 一 0f ，。= 孕p f v ；d ；( 2 1 6 ) 式中，牛是阻力系数；p f 是铝熔体的密度；v p 是杂质颗粒的运动速度；讳是杂质 颗粒的直径。其中，【p 和流体的雷诺数有关。此外，非球形杂质颗粒的粘滞阻力还 和杂质颗粒的形态有关，形态规则的杂质颗粒运动阻力小。尤其对铝熔体中的富 铁相杂质来说，一般以针状形态析出，此类杂质运动阻力大，在同等的电磁净化 条件下，运动速度低，不利于分离，而且它们容易互相搭叠、连接形成面积较大 的网状杂质，堵塞分离通道，降低分离通道的使用效率。所以，此类杂质颗粒的 形态规则化，是进行电磁分离的前提条件。 东北大学博士学位论文第二章电磁净化原理 参考文献 1 k o l e s n i c h e n k oaf e l e c 虹伽a g n e 6 cp m c e s s i n gi nl i q u i dm a t e r i a li nt 1 1 eu s s ra 士1 de a s t e u m p e a l lc o u n t r i e s j 】，i s i j ，1 9 9 0 ，3 0 ( 1 ) ：8 - 2 6 2 冯慈璋电磁场 m 】，北京：高等教育出版社，1 9 8 3 ，3 5 5 - 3 5 7 3 钟云波，任忠鸣，邓康，等金属净化技术的一种革命性方法一电磁净化法 j 】，包头钢铁 学院学报，1 9 9 9 ，1 8 ( 9 ) ：3 6 3 - 3