（钢铁冶金专业论文）电磁场在铜连铸中应用的研究.pdf

上海大学博士学位论文 电磁场在铜连铸中应用的研究 摘要 本文围绕电磁场在铜坯两种主要连铸工艺，即水平连铸和垂直半连铸中的应 用开展研究，包括板带坯水平连铸的电磁搅拌，电磁复合作用下的金属凝固和连 铸，以及高性能无氧铜的软接触电磁连铸，期望通过实验室模拟、现场试验和工 业实践，开发新技术，推动电磁技术在金属连铸中的推广和应用。 本文针对超薄板坯宽厚比大、电磁搅拌时感应效率低下，铜制结晶器对交变 电磁场强烈屏蔽，水冷感应线圈在生产中易产生安全事故，以及交变电磁场对生 产现场控制设备有干扰等问题，提出了施加静磁场和与其正交的直流电，形成定 向电磁搅拌的新模式，设计了工业试验和试生产用的铜合金超薄板坯( 板带坯) 水平连铸电磁搅拌结晶器，对其搅拌特点和规律进行了深入研究，掌握了基本规 律，进而开展了c u - f e p 系k f c 合金和c u n i - z n 系锌白铜合金的板带坯水平连 铸电磁搅拌的工业试验和试生产。结果显示，在电磁搅拌作用下，铜合金超薄板 坯( 板带坯) 水平连铸的凝固界面形状发生很大变化，搅拌对流对凝固前沿的溶 质富集生产强烈的抑制作用，使板带中的f e 元素偏析现象大幅度下降( 当输入 电流达到8 0 0 a 时偏析近零) ；同时，电磁搅拌使凝固组织细化，中心层出现明 显等轴晶带并使疏松等缺陷消失，而铸坯边缘区域的柱状晶组织则变细且生长方 向趋向铜液来流方向( 发生偏移) ，柱状晶一次主轴之间间距随搅拌电流增高而 减小，铸坯的抗拉强度比普通连铸时提高3 9 。 本文开发了采用稳恒强磁场与工频小电流复合作用产生电磁振荡的方法，在 实验时中进行了较高熔点的纯铝及a 卜4 5 c u 合金的电磁振荡下的凝固实验，发 现电磁振荡技术可以明显细化金属的凝固组织。对于纯铝，同一交变电流强度 ( 1 0 a ) 下，当磁感应强度为6 t 时，试样细化程度存在峰值，晶粒数最多，但 是在纵截面上存在明显的细化衰减现象。6 t 磁感应强度和5 a 交变电流时两者的 复合作用的细化晶粒作用最明显。对于a 1 4 5 c u 合金，单一稳恒磁场或单一 的交变电流均不能改变合金的树枝晶形貌。只有当磁场和电流复合时枝晶才有可 能被打碎，复合作用小时合金凝固组织为等轴状和颗粒状混合的凝固组织，复合 摘要 作用大时凝固组织以颗粒状为主。在1 0 t 磁感应强度下，随着交变电流的增加液 体波动加剧，枝晶被打碎的程度增加，直至完全转变为颗粒状组织。揭示晶粒细 化的原因主要是电磁复合作用造成的波动力对初始晶核的冲刷，以及电磁压力折 断枝晶臂引起的晶核增值，而并非通常认为的空化效应。工业试生产证明了在实 际生产中利用电磁复合作用细化晶粒改善铸坯质量的可行性。 本文在理论计算和实验室模拟实验的基础上，设计出铜坯连铸用软接触电磁 结晶器，并且在无氧铜的生产中得到成功应用，在此基础上提出“电磁( 搅拌) 脱氧电磁连铸”的无氧铜生产方法，实现了国内铜加工企业现有装备条件下的 大尺度、高性能无氧铜材料的非真空、低成本、连续性生产。该方法生产的无氧 铜材的铜含量 t 9 9 9 7 ，氧含量在5 1 0 p p m ，超过国家t u l 标准( 部分达到t u 0 标准) ，完全满足国际上电真空领域用高性能无氧铜的性能指标，并且物理、力 学性能均优于同类产品，其中，铸坯密度8 9 2 8 9 4 9 e r a 3 ( 接近铜的理论密度 8 9 6 9 e m 3 ) ，屈服强度5 1 m p a ，抗拉强度1 5 5 m p a ，延展率4 5 ，断面收缩率 7 0 ；材料电阻率0 0 1 7 1 2 q m m 2 m ( 国际退火无氧铜材料的标准电阻率为 o 0 1 7 4 2 q m m 2 m ，国内的行业标准为0 0 1 7 7 7n l m 2 m ) ，电导率为1 0 4 i a c s ， 比国际上同类材料的电导率标准提高1 7 5 ，比国内行业标准提高3 8 0 ；同时， 在高温真空条件下，材料的全排气量为5 6 m p a m 3 g ，仅为日本采用常规方法所 生产的同类产品的4 0 。 综合上述研究成果，本文在超薄板坯( 板带坯) 水平连铸电磁搅拌和电磁振 荡结晶器及连铸工艺等开辟了新的思路和有实用意义的工业试验，为今后的发展 和新技术开发建立了基础。在有色金属连铸用软接触电磁结晶器设计与实用化， 高性能无氧铜材料制备的电磁( 搅拌) 脱氧电磁连铸新方法等方面实现了技术 创新，形成了大尺度、高性能无氧铜材料的低成本和规模化生产，其产品在应用 领域和物理、力学性能等方面均达到国际前沿标准， 关键词：电磁连铸，电磁搅拌，超薄板坯，板带坯，水平连铸，电磁振荡，铜坯。 i i 上海大学博士学位论文 a p p l i c a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l di nc o p p e r c o n t i n u o u sc a s t i n g a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , w ef o c u so nt h es t u d yo fa p p l i c a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l di nt h e m a i nt w oc o p p e rc o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n o l o g i e s ：h o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n ga n d v e r t i c a ls e m i - c o n t i n u o u sc a s t i n g ，i n c l u d i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gi nt h i ns l a b h o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n g ，e l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o ni nl i q u i dm e t a ls o l i d i f i c a t i o n a n dc o n t i n u o u sc a s t i n g ，a n ds o f t c o n t a c td e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n go fh i 出 q u a l i t yo x y g e n f r e ec o p p e rw eh o p et h e s ee x p e r i m e n ti n v e s t i g a t i o n si nl a b o r a t o r ya n d f a c t o r yc o u l db r o u g h to u tn e wt e c h n i q u e sa n dp r o m o t et h ei n d u s t r ya p p l i c a t i o no f e l e c t r o m a g n e t i ct e c h n o l o g yi nl i q u i dm e t a lc o n t i n u o u sc a s t i n g b e c a u s eo ft h ed i s a d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gl a r g ew i d t h - h e i g h tr a t i oo fs u p e rt h i n s l a b ，t h ew e a k e ns t i r r i n ge f f e c to fe l e c t r o m a g n e t i ci n d u c ti ne m s ，t h es t r o n gs h i e l d i n g e f f e c t so fc o p p e rm o u l do nt h ea l t e r n a t e de l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，t h eu n s a f e t yo fb r a s s w a t e r - c o o l i n gi n d u c tc o i lu s i n gi np r a c t i c ea n dt h ei n t e r f e r e n c ee f f e c t so fa l t e m a t e d e l e c t r o m a g n e t i cf i e l do nt h ec o n t r o le q u i p m e n t ，ak i n do fn e ws t i r r i n gm o d eu n d e rt h e c o n d i t i o no fs t a t i cm a g n e t i cf i e l dc o u p l e dw i t ho r t h o g o n a ld i r e c t i o n a lc u r r e n tw a s b r o u g h tf o r w a r d e m sm o u l du s e di nc o p p e rt h i ns l a bh o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n g f o r i n d u s t r ye x p e r i m e n t s a n dp r o d u c t i o nw a sd e s i g n e do u ta n di t s s t i r r i n g c h a r a c t e r i s t i c sw e r es t u d i e dd e e p l y t h e n ，i tw a sa p p l i e dt oc u - f e ps e r i e sk f ca n d c u z n - n i a i l o yh o r i z o n t a l c o n t i n u o u sc a s t i n g s u c c e s s f u l l y i ts h o w e dt h a t t h e s o l i d i f i c a t i o ni n t e r f a c eo fc o p p e ra l l o yt h i ns l a bc h a n g e do b v i o u s l ya f t e re m s p r o c e s s ， t h es o l u t ea c c u m u l a t i o ni ns o l i dl i q u i di n t e r f a c ew a sr e p r e s s e ds t r o n g l yv i at h e e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ，a n dt h es e g r e g a t i o no ff ew a sr e d u c e dg r e a t l y ( a c h i e v e dt o z e r ow h e ns t i r r i n gc u r r e n ti s8 0 0 a ) a tt h es a m et i m et h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo ft h e b i l l e tw a sr e f i n e d ，e q u i a x e dg r a i nz o n ea p p e a r e di nt h em i d z o n ea n dt h ep o r o u s s h r i n k a g ed i s a p p e a r e d w h i l et h ec o l u m ng r a i nb e c a m et h i n n e ra tt h ee d g eo ft h e b i l l e t ，i t sg r o w t hd i r e c t i o nc h a n g e dt o w a r d st ot h em e t a lf l o w t h ep r i m a r yd e n d r i t e i i i s p a c i n gr e d u c e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fs t i r r i n gc u r r e n t ，a n dt h eb i l l e t st e n s i l es t r e n g t h e n h a n c e d3 9 a f t e re m s p r o c e s s i nl a b ，a l l o y sw i mh i g h e rm e l t i n gp o i n ts u c ha sp u r ea l u m i n u ma n da 1 4 5 c u a l l o yw e r es o l i d i f i e di nv i b r a t e dc o n d i t i o nw h i c hg e n e r a t e db ys t a t i ch i g hm a g n e t i c f i e l dw i t h5 0h za l t e r n a t i n gc u r r e n to r t h o g o n a l l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e sw e r er e f i n e do b v i o u s l yb yt h ee l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o n f o r p u r ea l u m i n u m ，t h es a m p l eh a st h em o s tg r a i nn u m b e rp e ra r e aw h e nt h em a g n e t i c f l u xs t r e n g t hw a s6 ta n dt h ea l t e r n a t i v ec u r r e n ts t r e n g t hk e e p i n ga t10 a ，b u to n v e r t i c a ls e c t i o n ，t h er e f i n ee f f e c ta t t e n u a t e df r o mt o pt ob o t t o m w h e nt h em a g n e t i c f l u xs t r e n g t hw a s6 ta n da l t e r n a t i v ec u r r e n ts t r e n g t hw a s5 a ，t h es a m p l eh a dt h em o s t r e f i n e ds o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e f o ra 1 4 5 c ua l l o y , t h es h a p eo fd e n d r i t i cc r y s t a l w o u l dn o tb ec h a n g e db yo n l yi m p o s i n gs t a t i cm a g n e t i cf i e l do ra l t e r n a t i v ec u r r e n t s i n g l y w h i l e i tw o u l db ec h a n g e dv i aas t a t i c m a g n e t i cf i e l di n t e r a c t e dw i t h a l t e m a t i n gc u r r e n t ，w h i c hc a l l e de l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o n w h e nt h i sm u l t i p l ea c t i o n w a sw e a k ，t h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ew a se q u i a x e dc r y s t a lm i x e dw i mg r a n u l a rg r a i n o n c et h i sa c t i o nw a ss t r o n g ，t h em a i ns t r u c t u r e sw e r eg r a n u l a r w h e nt h em a g n e t i c f l u xs t r e n g t hw a s10 互t h el i q u i dm e t a l f l u c t u a t i o na g g r a v a t e dw i t ht h er a i s eo f a l t e r n a t i n gc u r r e n ts t r e n g t h ，m o r ea n dm o r ed e n d r i t i cc r y s t a lw e r eb r o k e nu pa n d f i n a l l yc h a n g e dt og r a n u l a rg r a i ne n t i r e l y w ef o u n dt h a tt h em a i nc a u s eo fc r y s t a l r e f i n e m e n tw e r et h e c r y s t a l n u c l e u s m u l t i p l i c a t i o n w h i c h g e n e r a t e db y t h e e l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o na n dt h eb r o k e nu po fd e n d r i t i ca r mb ye l e c t r o m a g n e t i c p r e s s u r ed u r i n gt h ed e n d r i t i cc r y s t a lg r o w t h ，b u tn o tt h ec a v i t a t i o n se f f e c t si ng e n e r a l t h ei n d u s t r ye x p e r i m e n tu s i n gh 6 5b r a s st e s t i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo fe l e c t r o m a g n e t i c v i b r a t i o n ，w h i c hs h o w e dt h er e f i n eg r a i na n di m p r o v e db i l l e t sq u a l i t y b a s e do nt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti nl a b o r a t o r y , a k i n do fs o f t c o n t a c te l e c t r o m a g n e t i cm o u l du s e di nc o p p e ra l l o yc o n t i n u o u sc a s t i n gi s d e s i g n e da n da p p l i e ds u c c e s s f u l l yi nt h ep r o d u c t i o no fc o p p e ra n dm a g n e s i u ma l l o y f u r t h e r m o r e ，an e wt e c h n i q u ea c q u i r i n go x y g e n f r e ec o p p e rc a l l e d “e l e c t r o m a g n e t i c ( s t i r r i n g ) d e o x i d i z a t i o n e l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n g ”i sp r o p o s e d b yu s i n g i v 上海大学博士学位论文 t h i st e c h n i q u e ，t h ec o p p e rw i t ht h ec h a r a c t e r so fh i g hq u a l i t y , l a r g es i z ea n d o x y g e n - f r e ec o u l db er e a l i z e di nt h ed o m e s t i ce n t e r p r i s e su n d e rt h ec o n d i t i o no f n o n - v a c u u m ，l o wc o s ta n dc o n t i n u o u sp r o d u c t i o n t h ec o p p e rc o n t e n te x c e e d s 9 9 9 7 a n do x y g e nc o n t e n tl i e sb e t w e e n5a n d10p p m ，w h i c hm e e tt h et u ls t a n d a r d ， e v e nt h et u 0s t a n d a r da n dr e a c ht h ec o p p e rs t a n d a r du s e di ni n t e r n a t i o n a lv a c u u m e l e c t r o nf i e l d t h ep h y s i c sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t ya r eb e t t e rt h a nt h a ti ns i m i l a r p r o d u c t s ，i t sd e n s i t yr e a c ht o8 9 2 - 8 9 4g c r n ( t h ec o p p e rd e n s i t yi nt h e o r yi s8 9 6 e g c m 3 ) ，t h em e a ny i e l ds t r e n g t hi s5 1m p a ，t h et e n s i l es t r e n g t hi s15 5m p a , t h e e l o n g a t i o np e r c e n t a g ei s4 5 ，r e d u c t i o no fc r o s ss e c t i o na r e ai s7 0 ，r e s i s t a n c ei s o 01712f 2 m m 2 m ( t h ev a l u eo fa n n e a l e do x y g e n - f r e ec o p p e rs t a n d a r di n t e r n a t i o n a li s o 0 17 4 2qm m 2 m ) ，c o n d u c t i v i t ye x c e e d s1 0 4 i a c sw h i c he n h a n c e d1 7 5 a b o v et h a ti nt h es i m i l a rp r o d u c t i o nw o r dw i d e ，t h ef u l le x h a u s tg a sc o n t e n ti nh i g h t e m p e r a t u r ea n dv a c u u mi s 5 6m p a 。m j 儋，j u s ta b o u t4 0 o ft h ev a l u ei nt r a d i t i o n a l j a p a n e s ep r o d u c t i o n a sas u m ，t h er e s e a r c ho ne l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gm o u l du s e di nt h i n s l a b h o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n g ，e l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o nm o u l da n dn e wc o n t i n u o u s c a s t i n gt e c h n i q u eb r o k e nan e wp a t ha n dh a v ep r a c t i c a lv a l u e sa n de s t a b l i s ht h eb a s i s f o rt h ef u t u r ed e v e l o p m e n t ，t h ed e s i g na n du t i l i z a t i o no fc o p p e re l e c t r o m a g n e t i c s o r c o n t a c tc o n t i n u o u sc a s t i n gm o u l d ，n e wt e c h n i q u ea c q u i r i n go x y g e n f r e ec o p p e r c a l l e d “e l e c t r o m a g n e t i c ( s t i r r i n g ) d e o x i d i z a t i o n e l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n g w e r et e c h n i q u ei n n o v a t i o n s ，h i g hq u a l i t yo x y g e n - f r e ec o p p e rb i l l e tw i t hl a r g es i z e c o u l dp r o d u c e di ni n d u s t r yw i t hl o wc o s t ，a n dh i 曲p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t y k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n g ( e m c c ) ，e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g ( e m s ) ，t h i ns l a b b i l l e t ，s t r i pp l a t e ，h o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n g ， e l e c t r o m a g n e t i cv i b r a t i o n ，c o o p e rb i l l e t v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：婢日期：逸垃，乙 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名样导师虢幽吼出，2 上海大学博士学位论文 第一章文献综述 1 1 电磁场在冶金和材料制备中的应用和发展 1 1 1 电磁场在金属中的主要效应 近年来电磁场技术在金属和冶炼和加工过程中得到了广泛应用，主要是利用 电磁场在金属中的三种物理效应：电磁热效应，电磁力效应和对相变和传输过程 的特殊作用( 电迁移) 。电磁场在金属等导电流体中将产生感应、加热、驱动或 制动等电、热、力方面的物理作用，从而影响冶金和材料制备过程。 描述导电流体与电磁场间相互作用的控制模型和理论即为磁流体力学 ( m a g e n e t o h y d r o d y n a m i c s ，m h d ) 。磁流体力学的基础是电磁学和流体力学，其 基本数学模型包括麦克斯韦方程和相关的本构方程( 见式( 1 1 ) ( 1 7 ) ) ，以及 流体流动的控制方程： 描述电磁场的四个微分方程( 麦克斯韦方程组) 【1 】是： v x h ：j - i - - 一a d ( 1 1 ) v e ：一一a b 拼 ( 1 2 ) 订0t ( 1 3 ) v b = 0 、“。7 v d ：p ( 1 4 ) 上式分别为安培环路定律、电磁感应定律、磁通连续性定理、高斯通量定理，其 中日为磁场强度，为电流密度，d 为电通量密度，e 为电场强度，召为磁通密 度，l 口为电荷密度。这里，d 的物理意义为随时间变化的电场会产生磁场。 另外，在场矢量d 与e ，日与b ，与e 之间，还存有与场介质( 真空或材 料) 有关的内在关系( 即电磁介质的本构方程) ： d = e e b = 沮 j = 庙 ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) 其中，s 为电容率( 介电常数) ，口为磁导率，7 为电导率，均由场中介质( 或材料) 第一章文献综述 所唯一确定。当介质为均匀和各向同性时，上述参数均为常数。 描述流体的方程为： ( 1 ) 流体动量守恒方程( n a v i e r - s t o k e s 方程) p 娑+ p ( v v + 跏= 肌v 2 v + 五 ( 1 8 ) o t 式中，p 为流体的密度，。为流体的动力学黏度， ，流体流动速度，p 为流体的 压力，五为流体所受的内力，如重力= p g 、惯性力和电磁力z = j x b 等。 对电磁场在材料工艺的实际应用中，通常所施加的电磁场包括搅拌、悬浮金 属液或进行金属感应加热为目的交流磁场，以及对金属液的流动起制动作用的直 流或稳恒磁场【2 1 。对于前者，式( 1 8 ) 中的电磁力可参照固体导电体的感应电磁 力 正= 仃。e b ( 1 9 ) 而后者则电磁力完全由金属熔体运动切割磁力线而产生，且其方向与金属的流动 方向相反，于是此时的电磁力项写作【3 】 丘= 吒( v b ) b ( 1 1 0 ) ( 2 ) 流体连续性方程 挈+ v ( ) ：0 ( 1 1 1 ) o t ( 3 ) 能量守恒方程 ，瓦o t = v ( x v t ) 4 - 吮+ 丸 ( 1 1 2 ) 式中，丁为温度，c v 为比热，k 为导热率，哦为黏滞耗散系数，痧锄为电磁耗散 系数，即焦耳热效应。 1 1 2 电磁场在材料科学的应用概述 电磁场在材料科学中的应用主要有感应加热，液态金属的电磁处理，液态金 属的电磁成型与凝固控制等。这里，液态金属的电磁处理包括电磁泵输送、电磁 约束和电磁净化，而电磁约束又可分为电磁悬浮，电磁制动和电磁侧封等；液态 金属的电磁成型则主要是电磁连铸，如无模电磁连铸和软接触电磁连铸等：电磁 场对液态金属的凝固控制主要有电磁搅拌、电磁振荡等手段，近期亦将超导强磁 2 上海大学博士学位论文 场条件下的凝固及其控制问题纳入此项。 就电磁场在冶金、材料过程的应用而言，人们是利用电磁场在金属中的上述 物理效应进行非接触地驱动、搅拌、形状控制或加热作用，从而有效地控制冶金、 材料过程中的反应进程，通过改善冶金、材料过程中的反应动力学条件，达到改 善材料质量和组织结构的目的。同时，电磁场作用具有非接触、无污染的特性， 技术的引入对产品质量没有负面影响。 目前，电磁场在材料、冶金过程中的主要应用关系如下【4 】。 材料科学中的 电磁场应用 感应加热 f - 电磁铸造 液态金属的电l 磁成形与凝固弋 l l 电磁搅拌 r 电磁净化 液态金属 电磁泵送 电磁处理 l l 电磁约束 r 无模电磁连铸 i 有模( 软接触) 电磁连铸 i l 电磁振荡凝固 厂直流传导式 一行波磁场式 l 旋转磁场式 l 高频磁场式 广电磁悬浮 1 电磁制动 l 电磁密封 从电磁场在材料、冶金过程中应用的发展趋势看，目前已逐渐由单一的电磁 场形式( 利用电磁场的某一种功能作用于金属) 向多种形式电磁场的耦合( 将多 种电磁场功能相互耦合作用于金属) 方向发展，如冷坩埚电磁悬浮熔炼就是感应 加热、电磁悬浮和电磁搅拌的联合作用，软接触电磁连铸则是电磁约束和电磁搅 拌的复合结果。因此，电磁场工艺、装备，及其应用的理论研究日趋深入，这反 映出在材料、冶金科学及加工技术中电磁场应用领域的拓展和技术前景。 1 1 3 电磁冶金学的建立与发展 电磁冶金是伴随着磁流体力学的发展而形成和应用的。1 8 2 3 年法拉第已注意 到导电流体在磁场下所显示的力学现象【5 1 。m u k e 提出并获得了悬浮熔炼的专利 6 1 。1 8 4 2 年a l f v e n 建立了磁流体力学的基本体系，该理论后被应用于冶金工业 3 第一章文献综述 中，逐步取得了许多具有理论意义和应用价值的成果。1 9 6 1 年l a n g e n b e r g 指出 交变磁场会使凝固的钢锭晶粒细化，导致电磁搅拌技术的出现和应用 2 。1 9 6 5 年前苏联实现了铝和铝合金磁控成形技术的工业应用。1 9 7 8 年法国成立了 m a d y l a m c n r s 研究所，致力于m h d 在冶金中的应用【8 】。1 9 8 2 年国际理论 力学和应用力学联合会( i u t a m ) 在英国剑桥大学主持召开了“磁流体力学在冶 金中应用”国际学术会议，标志着电磁冶金研究新领域获得认可【9 1 。1 9 8 3 年a s a i 对m h d 的理论到应用进行了深入和全面的综趔1 0 】。1 9 8 5 年日本钢铁协会( i s l j ) 成立了“电磁冶金委员会”，组织探讨磁流体力学在冶金领域中应用的有关问题。 1 9 8 9 年a s a i 提出材料电磁加工( e l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n go f m a t e r i a l s ，e p m ) 的概念，并详细描述了其特征及在材料加工中应用的实例【1 1 1 。此后，1 9 9 4 2 0 0 6 年先后五次召开e p m 国际会议，将该领域研究推向新高度。 我国在2 0 世纪6 0 年代曾对电磁场应用于铸造过程进行研究【1 2 】。2 0 世纪8 0 年代初，随着连续铸钢技术的发展，国内开展了钢的电磁搅拌方面研究【1 3 】。同期， 我国在铝熔池电磁搅拌和铝合金电磁连铸方面进行了工业化试验。目前铝、铜及 其合金的圆锭或方锭的垂直和水平电磁连铸( 软接触连铸) 已进入工业生产，并 完成了一系列电磁场、流场、温度场、成分偏析和凝固组织控制方面的研究工作 1 4 - 1 6 】。随着国内e p m 领域的研究进展，以及2 0 0 5 2 0 0 7 年上海大学主办三届中 德e p m 双边会议和东北大学主办亚洲e p m 会议等，标志着中国在该方向的研究 得到国际同行的认可，并日趋扮演重要角色。 1 2 感应加热 交变磁场中的导体内所产生的感应电流和发热现象曾长期被人们视为能量 损耗，直到1 9 世纪末才开始利用该现象作为热源进行金属加热、熔炼、焊接、 热处理等。利用电磁场对金属进行非接触式感应加热具有加热温度高、效率高、 速度快、易控制，可局部加热或均匀加热，作业环境好、占地少、生产效率高等 优势，因此先后出现了有芯和无芯感应熔炼炉，分别应用于有色金属和钢铁冶炼， 以及高频、中频电源和相应的感应加热设备等陆续应用于不同的合金和金属加工 过程【1 7 - 1 9 1 。 4 上海大学博士学位论文 感应加热的原理如图1 1 所示，施加时变电流的线圈无接触地将电能传递给 其所包围的金属，电能在金属中转化为热能。当感应线圈中交变电流为f 时，线 圈内部产生相同频率的交变磁通，进而在金属工件中产生感应电势e 。 p ：塑( 1 1 3 ) d f 式中n 为线圈匝数。若磁通是以正弦规律变化的，则有 伊= 九s i nm t ( 1 1 4 ) 于是式( 1 1 3 ) 变为 e = 眠万c o s t e r ( 1 1 5 ) 其有效值为 e = 警4 4 4 n f # ( 1 1 6 ) 这里，m 为磁通的幅值，厂为频率。 进一步地，感应电势在金属工件中产生的感应电流( 涡流) 厶将工件加热。 q = 1 2 r t = e 2 t r ( 1 1 7 ) 由此可见，感应加热的功率与电流频率的平方成正比，与磁感应强度的平方 成正比，与线圈匝数的平方成正比，与金属工件的电阻成反比。而感应涡流的大 小则与金属工件的截面和形状、导电率、导磁率，以及电流的频率有关【2 0 2 1 1 。 i 图1 1 感应加热的原理图 f i g 1 1p r i n c i p l eo fi n d u c t i o nh e a t i n g 5 第一章文献综述 1 3 冷坩埚磁悬浮熔炼 磁悬浮熔炼是伴随着对特种纯净材料的需求，以及对微重力环境下材料制备 和特性研究的深入而发展起来的【2 2 - 2 5 ，被应用到超高温、极活泼、放射性、超纯 度等金属材料的研制与制备方面和冶金、材料物理化学等领域【2 6 】。冷坩埚磁悬浮 熔炼的原理见图1 2 。冷坩埚具有内部通水冷却的铜质分瓣式结构，可降低坩埚 自身的感应涡流损耗和并具有透磁作用。熔炼时，冷坩埚被置于真空、交变电磁 场内，利用感应加热熔化金属，并在金属表面形成向上的电磁合力以抵消金属的 重力，使熔融金属悬浮，由此获得高温和防止污染，实现高温、高纯或极活泼材 料的制备。 o o o o o o o o o o 图1 2 冷坩埚结构和磁悬浮熔炼原理 f i g 1 2s t r u c t u r eo fc o l dc r u c i b l ea n dp r i n c i p l eo fm a g n e t i cl e v i t a t i o nm e l t i n g 在忽略金属熔体流动的运流电流条件下，冷坩埚磁悬浮熔炼的电磁场数学模 型可归结为2 7 】： vxe = 一j c o b ( 电磁感应定律)( 1 1 8 ) v b = j ( 安培环路定律) v b = 0 ( 磁场连续定律) v j = 0 ( 电流连续定律) j = o e ( 欧姆定律) 式中，功= 2 矿为电流角频率，j = 一1 。 通过引入复向量势彳，使b = v xa ，且令v a = 0 ，则有 6 ( 1 1 9 ) ( 1 2 0 ) ( 1 2 1 ) ( 1 2 2 ) 上海大学博士学位论文 e = 一j o a v c p ( 矽为复标量势) v 2 a = 一 ( 向量泊松方程) 上式的解可写为 么4 x 并施 m i ( 1 2 3 ) ( 1 2 4 ) ( 1 2 5 ) 式中，尹为坐标向量，尹为源点到场点的向量，并q 为全部导电区域。再利用式 ( 1 2 3 ) 及( 1 2 1 ) 可得 ，= 警铲咖 2 6 ) 通过离散数值方法，将电磁场计算的全部导电区域剖分为相互离散、互不重 叠的电流单元，单元内部的电流分布可取为定常值( 有限差分法) 或线性、抛物 型函数( 有限单元法) 。于是软接触电磁连铸的电磁场问题归结为求解以下复线 性方程组： ( 限】+ j c o e x ) _ ) = 缈) ( 1 2 7 ) 式中， j ) 为电流复向量( 未知) ，妙) 为电势复向量( 为感应线圈端电压或感应 线圈电流的函数，边界条件) ， 月 为电阻矩阵，而 j 则为全满、对称的电抗矩 阵，该矩阵包含了软接触结晶器分瓣结构、铸坯、感应线圈之间的自感和互感作 用。 另由式( 1 1 8 ) 和( 1 2 1 ) ，得 及 b ：l v ， ( 1 2 8 ) 缈c r = 丢r e ( 彦) ( 电磁力) ( 1 2 9 ) 其中，电磁力，可分解为使熔体产生电磁搅拌驱动力的有旋分量正，以及造成熔 7 第一章文献综述 体磁悬浮的无旋分量厶： z = r 。 v ) b 2 k t 厶= r , - v b 2 4 】 ( 1 3 0 ) ( 1 3 1 ) 这里，厶为使金属熔体悬浮的无旋分量：感应圈所形成的磁场曰沿熔体的母 线方向，而熔体感应电流船熔体水平截面的环周方向，电磁力厂= j xb 为熔