（材料加工工程专业论文）电磁力对金属熔体驱动与运动形态控制的研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 电磁力对金属熔体驱动与运动形态控制的研究 摘要 对熔融金属的电磁驱动、控制是材料电磁过程的关键技术之一。研究电磁力对金 属液的驱动、控制作用，一方面，可以提高、改善连铸坯的质量，增加等轴晶率，减少 偏析，减少含气量和非金属夹杂，得到组织均质细化、缺陷少的连铸坯；另一方面，可 以改进和革新连铸操作。以往的研究往往侧重于单方面，如：电磁驱动( 如电磁搅拌技 术) 或电磁控制( 如电磁制动、电磁成型、电磁悬浮等) ，将电磁驱动和控制技术结合 起来往往能起到上述殒方面的作用；而且电磁力场的可设计更能体现电磁技术在材料制 备过程中的能动作用。开发新的综合电磁驱动控制手段是提高科技含量、提高连铸质量 和效率的重要方面。 电磁驱控技术越来越得到国家科技部门的重视。作者参与了国家自然科学基金重 大项目“电磁场作用下金属熔体成形及凝固基础研究”；国家科技部重大基础研究项目 “电磁力对连铸坯细化、均质化和洁净化影响”和国家跨世纪优秀人才培养计划“材 料电磁成型与电磁加工”等研究课题，并以此为题完成了博士学位论文。 基于m a x w e l l 电磁场理论，采用数值模拟和实验相结合的方法，对两相两极对和 三相三极对极电磁搅拌器两种电流输入方式下产生磁场的进行了分析，并考察了旋转磁 场的移动形态。对频率、磁轭的形状、尺寸进行了优化。上述研究的目的是为了开发节 能、高效的电磁驱动设备打下理论基础。 通过激光传感器测位的办法研究了液面的运动规律，作了两方面的工作： ( 1 ) 提出了工频下间断电磁场技术，并开发了比例电源，分析了旋转磁场在金属液 面产生波的属性，讨论了间断频率与熔体流速场之间的响应关系，考察了间断磁场的间 断频率、导通和截止时间对液面波动的影响规律； ( 2 ) 弯月面形状和波动的研究对指导连铸冶金操作具有重要意义，利用激光传感器 实时监测了弯月形状和波动，为电磁力和弯月面之间建立定量和实时监控关系奠定基 础。 以永磁材料为工作磁体的运动磁场在熔融金属中产生电磁力，对金属熔体进行驱 动控制的方法开辟了材料电磁加工的新技术。本文研究了两种永磁磁场：永磁行波磁场； 双系统旋转磁场。 提出了永磁行波磁场驱动技术，设计了永磁行波驱动器。通过理论解析的方法分 析了行波磁场产生的磁力，得到了磁力分量e ，只的解析表达式。并通过实验观测到了 磁驱动力，施加行波磁场对凝固组织具有明显的均质细化作用。 设计制造采用永磁体的双磁力驱动控制器，合理调节上、下磁驱动器的旋转速度 可改善弯月面形状，平抑液面波动，搅拌内部熔体的作用；施加双磁驱动可得到凝固壳 一i 均匀、组织细化的凝固组织。 利用低熔点合金模拟连铸末端金属凝固条件，研究了电磁驱动力对铸坯凝固进程 的影响机制，通过边界层和特征固相率分析了电磁驱动力对温度场、凝固速率的影响， 实验分析表明：施加电磁场时的凝固机制有别于未施加磁场时的，提出了新的凝固机制。 在此基础上探讨了电磁场作用下连铸末端金属凝固的补缩机理，并进行了钢的电磁搅拌 实验。 关键词电磁力行波磁场旋转磁场弯月面电磁搅拌永磁体凝固 1 1 一 查垄里三查兰堕主堂垡堡壅 s t u d y o n t e c h n o l o g yo fd r i v i n ga n dc o n t r o l l i n gf l o wm o d a l i t yo f m o l t e nm e t a l b ye l e c t r o m a g n e t i cf o r c e a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cd r i v i n ga n dc o n t r o l l i n g ( e m - d & c 1m o l t e nm e t a li so n eo fm o s t i m p o r t a n t k e yt e c h n i q u e ；o fe l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n go fm a t e r i a l s ( e p m ) s t u d yo fe m d & cn o to n l y i m p r o v e ss o l i d i f i c a t i o nq u a l i t y ，e x p a n d e q u i a x e dz o n e ，a n de l i m i n a t e s g a s 备m a c r o s e g r e g a t i o n a n dn o n - m e t a l l i ci n c l u s i o n ，b u ta l s oi n n o v a t e 怒o n t i n u o u s c a s t i n go p e r a t i o n 龇, a m h o f t e n e m p h a s i z e p a r t i c u l a r l yo ns i n g l ea s p e c t ：e l e c t r o m a g n e t i cd r i v i n g ( e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ) o r e l e c t r o m a g n e t i cc o n t r o l l i n g ( e l e c t r o m a g n e t i cb r a k e ，e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g ，e l e c t r o m a g n e t i c l e v i t a t i o n e t c ) ，e m d & c c o m b i n e t h e s et w of u n c t i o n s w h i c h e m b o d ye l e c t r o m a g n e t i c t e c h n i q u em o r ed e s i g n i n g - a b i l i t ya n dm a k ee p mm o r eh i g h - t e c h n o l o g i c a li n g r e d i e n ta n d i m p r o v eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo f c o n t i n u o u sc a s t i n g t e c h n i q u e o fe m d ci sp a i dm o r ea n dm o r ea r e n t i o n b yn a t i o n a ls c i e n c ea n dr e s e a r c h m i n i s t r i e s t h ea u t h o rf o r t u n a t e l yp a r t i c i p a t ei nf u n d sb yn m i o n a l m a j o rs c i e n t i f i cp r o j e c t s t u d y o n s h a p ec o n t r o l l i n g o fm o l t e nm e t a la n d s o l i d i f i c a t i o nf u n d a m e n t a lu n d e r e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d ”a n df u n d a m e n t a lr e s e a r c hf o u n d a t i o n “e f f e c to fe l e c t r o m a g n e t i c f o r c eo n r e f i n i n g ，h o m o g e n i z i n ga n dp u r i f y i n go f c o n t i n u o u sc a s t i n gs l a b ”，a n d “t r a n s c e n t u r y t a l e n t f o u n d a t i o n e l e c t r o m a g n e t i cs h a p ec o n t r o l l i n ga n dp r o c e s s i n go fm a t e r i a l s ”a n db a o s t e e lp r o j e c te r e 、o nw h i c hif m i s h e d m y d i s s e r t a t i o n b a s eo nm a x w e l le l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y , t w om a g n e t i cm o v i n gm o d a l i t ys t y l e so ft w o p h a s e t w o - p a i r s o f - p o l e m a dt h r e e - p h a s e t h r e e p a i r s - o f - p o l e e l e c t r o m a g n e t i cd r i v i n gd e v i c e s a r e a n a l y z e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t sa n a l y s i s ，p a r a m e t e r so ff r e q u e n c y , s h a p ea n dd i m e n s i o no fy o k e a r eo p t i m i z e d t h ea i mo fa b o v er e s e a r c hi st od e v e l o pe n e r g y - s a v i n ga n dh i 曲e f f e c t i v ee l e c t r o m a g n e t i cd r i v i n ge q u i p m e n t r u l e so fm o l t e nm e t a ls u r f a c e m o v i n g a r es t u d i e d b yt h em e t h o do fl a s e r s e n s o r m e a s u r i n gd i s p l a c e m e n t ：( 1 ) i n t e r m i t t e de l e c t r o m a g n e t i cf i e l dw i t hc o m m e r c i a lf r e q u e n c yi s d e v i s e d ，a n dr e l a t i v e l y p r o p o r t i o ne l e c t r i c a l s o u r c ei s d e v e l o p e d w a v ec h a r a c t e r i s t i c o n m o l t e nm e t a ls u r f a c eg e n e r a t e db yr o t a t i n ge l e c t r o m a g n e t i cf i e l di sa n a l y z e d r e l a t i o n s h i p s i n t e r m i t t e df r e q u e n c y , o na n do f ft i m i n gw i t hs u r f a c ew a v ea r er e v i e w e d r e s p o n s er u l e s b e t w e e ni n t e r m i x e df r e q u e n c ya n dv e l o c i t yf i e l da r er e s e a r c h e d ( 2 ) i ti so f g r e a td i r e c t i n g s i g n i f i c a t i o nf o rc o n t i n u o u sc a s t i n go p e r a t i o n t ou n d e r s t a n d s h a p ea n d w a v eo f m e n i s c u s ，a n d w h i c hi si n s p e c t e do nr e a lt i m eb yl a s e rs e n s o ei te s t a b l i s h e sf o u n d a t i o nt h a t q u a n t i t a t i v e l ya n d r e a l t i m e i n s p e c t i n gr e l a t i o n s h i p b e t w e e ne l e c t r o m a g n e t i cf o r c ew i t hs h a p ea n dw a v eo f i i i a b s t m c t 【i l c i u s o u s m a g n e t i cf o r c ee x c i t e db ym o v i n gm a g n e t i cf i e l dm e d i a w i t h p e r m a n e n tm a g n e t b r e a k sa n e ww a yo fe p m t w ok i n d so fp e r m a n e n tm a g n e th a v eb e e nb r o u g h tf o r w a r di nt h i s d i s s e r t a t i o n ，o n ei sp e r m a n e n tt r a v e l l i n gm a g n e t i cf i e l d ，a n dt h eo t h e r i sd o u b l ed r i v i n g p e r m a n e n tr o t a t i n gm a g n e t i c f i e l d p e r m a n e n tm a g n e tt r a v e l l i n ga p p a r a t u si s d e v e l o p e d a n a l y t i cr e s o l u t i o no fm a g n e t i c f o r c ee x c i t e db y t r a v e l l i n gm a g n e t i cf i e l di sa n a l y z e d ，t h ee x p r e s s i o no f m a g n e t i cf o r c ee ，e i sd e d u c e d ，a n dm a g n e t i cd r i v i n gf o r c ef r o md o w nt ou p s i d eh a sb e e n e x p e r i m e n t a l l yo b s e r v e d ， t h a t i m p o s i n gt r a v e l l i n gm a g n e t i c f i e l do nm o k e nm e t a lc a l lr e f i n ea n dh o m o g e n i z i n g s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e d o u b l e d r i v i n ga n dc o n t r o l l i n ga p p a r a t u s m e d i aw i m p e r m a n e n tm a g n e t i sm a n u f a c t u r e d ； r e a s o n a b l e r e g u l a t i n gr o t a t i n gv e l o c i t y o fu p o na n dd o w nd r i v e rc a n i m p r o v es h a p eo f m e n i s c u s ，s u p p r e s s s u r f a c e w a v e ，a n d s t i rm o l t e n m e t a l m e a n w h i l e ，u n i f o r m i n i t i a l s o l i d i f i c a t i o ns h e l la n dr e f i n es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ei so b t a i n e d m e c h a n i s mo fs o l i d i f i c a t i o nw h e n i m p o s i n ge l e c t r o m a g n e t i c 耐v i n gf o r c eo n t h em o l t e n m e t a li ss t u d i e db ys i m u l a t i n gs o l i d i f i c a t i o nc o n d i t i o na tf i n a ls t a g eo fc o n t i n u o u sc a s t i n gw i t h l o w m e l t i n gp o i n ta l l o y b yb o u n d a r yl a y e ra n dc h a r a c t e r i s t i cr a t i oo f s o l i d i f i e dp h a s e ，e f f e c t o f e l e c t r o m a g n e t i cd r i v i n gf o r c eo nt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n d s o l i d i f i e dv e l o c i t yi sa n a l y z e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ti t i s v e r yd i f f e r e n ts o l i d i f l e dm e c h a n i s mw i t ha n dw i t h o u t i m p o s i n ge l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，a n d n e wm e c h a n i s m ，w h e nt h em o h e nm e t a li s i m p o s e d e l e c t r o m a g n e t i cf i e l di sb r o u g h tf o r w a r d b a s eo n t h i s s o l i d i f i c a t i o nc e n t e rc a v i t ym e c h a n i s m a tf i n i a l s t a g e o fc o n t i n u o u s c a s t i n g i s d i s c u s s e d ，a n dv a l i d a t e db ye x p e r i m e n to fs t e e l e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g k e yw o r d se l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，t r a v e l l i n gm a g n e t i cf i e l d ，r o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d ， m e n i s c u s ，e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ，p e r m a n e n tm a g n e t ，s o l i d i f i c a t i o n i v - 大连理工大学博士学位论文 第1 章绪论 随着现代科技的飞速发展，对材料提出了越来越高的要求。在能源、信息、环境、 生命科学的发展过程中，材料起到了先导的作用，是高科技发展的基础。实现国民经济 和科技的持续发展离不开材料科学的基础研究和实际生产运用。同时，在工业发展的过 程中，材料、能源、环境之间又呈现相互依赖、相互制约的特点，重视材料科学的研究 有重要现实意义。 在材料科学领域里，开发新材料和材料制各新工艺、新方法是两个重要研究领域。 通过多学科交叉的现代科学研究模式，提出一些新的材料制备理念成为材料制备领域的 新特点，材料的电磁过程( e p m ，e l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n go fm a t e r i a l s ) 便是其中之 ，其显著特点是将电磁能以“场”的形式转换为材料制备过程中的热能和动能，对材 料的制备工艺、组织和性能产生质的影响。从环境学的角度来看，电磁设备和材料之间 不直接接触，对自然环境影响很小，另外使被加工的材料污染较小，可生产出高纯度的 材料。 m a x w e l l 的电磁场理论奠定的材料电磁冶金学的理论基础，揭示了电、磁的内在转 换形式。电磁技术用于材料的成型过程是电磁学、物理冶金、流体力学等多学科的综合 交叉运用，经过许多科研和生产工作者的不懈努力，材料电磁加工这门学科得到了空前 的发展。 1 1 材料电磁过程概述 材料电磁加工研究对象是金属熔体，因此必然要涉及到磁流体力学，在此，首先要 澄清磁流体和磁性流体概念之间的不同。棚桥隆彦将电磁流体归纳为两类：可压缩和 非压缩，如图1 1 所示。可压缩电磁流体包括等离子体，等离子体是一种高温电离气体， 是人们在研究航空宇宙物理学时发展起来的；菲压缩电磁流体包括两类：磁性流体力学 ( f h d ，f e r r o - h y d r o - d y n a m i c s ) ，其研究对象磁性流体也称磁液或铁流变体，是一种对 磁场敏感、可流动的液体磁性材料，它由三部分组成：磁性颗粒、基液和表面活性剂组 成。这种固、液相混的流体是一种胶体溶液。磁性流体应用主要基于两方面特性：在外 磁场作用下可使磁性流体受力、流动或保持在一定位置，如磁流体密封、润滑、轴承、 研磨、印刷、陀螺、光纤连接装置、继电器、医疗、选矿、废水处理等：在外磁场作用 下磁性流体的介质特性发生变化，如粘度特性、声学特性、温度特性、光学特性等。利 用此特性的应用有磁性流体阻尼、新型扬声器、热能转换装置、传感器、声纳等；电流 变体动力学( e h d ，e l e c t r o h y d r o d y n a m i c s ) 是研究在电场作用下液体的粘度、模量和 屈服应力发生质的改变的一门学科。本文研究的磁流体动力学( m h d ，m a g n e t o h y d r o d y n a m i c s ) 是研究电磁场对金属流体作用的一门学科。 第1 章绪论 电 磁 流 体 压缩 p l a s m a 牦缩_ ： - - 一e h d 图1 - 1 电磁流体分类 f i g l - 1s o r t so f e l e c t r o m a g n e t i c f l u i d 电磁流体力学主要研究电磁场、金属液、热之间的相互关系。如图1 - 2 所示。与电 磁场相关的热量，一是电磁能转换的焦耳热，加热金属熔体；一是电磁场在导电的金属 液中产生电磁力，电磁力使金属液定向流动或紊动，改变热的分布。由于本文研究是较 低频率( 工频和低频) 和永磁体产生的磁场，电磁能转化为焦耳热的部分很小t 可忽略 电磁的热效应，主要研究电磁力引起金属液流动对温度场分布的影响。电磁流体力学研 究难点在于：须将电磁场、流速场和温度场结合起来分析，这样才能准确把握电磁力对 金属凝固的作用。 图1 - 2 流体、热、电磁相互关系 f i g l - 2r e l a t i o n s h i pl i q u i d ，h e a t w i t h e l e c t r o m a g n e t 12 电磁驱动控制技术的发展概况 电磁搅拌技术是2 0 世纪7 0 年代产生并应用到生产实际中去的，主要是通过电流 一2 一 大连理工大学博士学位论文 的变化改变电磁力的大小。随着这一技术的深入研究，电磁场的频率、电磁场的电流波 形对电磁场的影响都被纳入了研究对象。 电磁驱动、控制技术是材料电磁加工的一个重要研究方向，它所涉及的研究问题 主要有以下几个方面： ( 1 ) 电磁场的选择。包括以下几个方面，频率：低频、工频、中频、高频、超高频： 磁场移动形态：旋转电磁场、行波电磁场和螺旋电磁场：电源：直流电，交流电：电流 波形：方波、变幅波形和变频波形、间断波形：磁场场源：线圈型、永磁体型； ( 2 ) 电磁力场的形态。由于上述多种多样的电磁场可供选择，就决定了产生电磁力 场的形态也各不相同，根据要求可人为地设计出二维甚至三维的力场；在金属熔体内不 同位置，根据需要设计出合理的电磁力分布； ( 3 1 电磁力场的作用。利用电磁力场实现各种所需要的功能，如：金属凝固的微细 化处理：金属的电磁净化技术；连铸凝固进程控制、对流速场分布或弯月面的控制；对 会属液流动和弯月面形状实时监控达到对金属液表面和内部流动的控制。 电磁冶会学是一门综合性的多领域的交叉学科，如果将其比作一棵大树的话，如图 1 3 所示i ”，那么材料学、电磁学、流体力学等便是这棵树的“根”，形状控制、金属流 体驱动控制，热、质传输，凝固组织控制、高能柬输出等则是这棵树的“干”，近年来， 这棵大树生长得“枝繁叶茂”，并且“硕果累累”。现选择几种主要的电磁冶金技术，对 其研究概况、发展动态进行阐述。 1 2 1 电磁搅拌( e m s ，e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ) 技术 1 2 1 1 电磁搅拌技术发展历史及其电磁学原理 连续浇注金属液的设想是1 9 世纪由s e l l e r s ( 1 8 4 0 年) 、l a i n g ( 1 8 4 3 年) 、b e s s e m e r ( 1 8 4 6 年) 等提出的，1 8 8 7 年德国人r m d a e l e n 提出了类似于现代连铸的建议，包括上下 敞口的水冷结晶器、液态金属流的注入、二次冷却区、引锭杆、夹足辊及铸坯切割装置 等设备和工艺。但钢坯粘模及钢液拉漏现象极易发生，工艺极不稳定，难以实现大规模 工业化。直到1 9 3 3 年s j u n f h a n s 开发了结晶器的振动系统，才奠定了工业化大规模 连铸工艺的基础。不过直到此时连铸技术还仅限于一些低熔点的金属。钢的生产采用连 铸技术始于本世纪5 0 年代，7 0 年代以后钢的连铸技术得到了迅速发展，8 0 年代连铸技 术渐趋成熟，连铸水平、连铸比率成为衡量一个国家钢铁工业现代化程度的重要标志。 电磁搅拌技术应j 羽于连铸生产始于本世纪6 0 年代末期，随着连铸比不断提高及用户对 钢材质量的要求日益严格，电磁搅拌技术在7 0 年代和8 0 年代逐步地应用到生产实践中。 各国科研工作者根据电磁力学原理发展了钢水的电磁搅拌理论。例如，1 9 8 3 年日 本名古屋大学浅井滋生教授发表了重要文章“电磁流体力学在冶金过程中的应用”口】， 文中对电磁感应流的基本公式、电磁感应流的分析以及电磁力对凝固组织的影响进行了 深入的论述。在理论发展的基础上，成功地研制了非常有效的搅拌方法和高效率的搅拌 装置：将搅拌位簧、搅拌方向、强度、频率等参数都控制在最佳的范围内，可将表面振 纹、裂纹、中心偏析、v 形偏析以及等轴晶率低等很多连铸缺陷大幅度减轻或消除【4 ”， rbc害基苦口一曲们oooj厶o；ii爵暑2芑。一o-o ou暑n_i兽 ；一辖搁h蓬p荽萁-一匦 查壅兰三奎兰堡主兰垡笙奎 从而使电磁搅拌技术成为能获得高质量铸坯的有效技术。 电磁搅拌的基本原理可以描述为：导电的金属熔体在交变磁场的作用下产生感应 电动势e ，进而存在感应电流工，由于磁通密度嚣和感应电流j 。的交互作用，在金属 熔体内产生电磁力，并驱使其流动。上述过程可表示成公式( 1 1 卜( 1 3 ) ： v x e d b 夙 j 。= 6 。( e + v b ) 严正b ( 1 - 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) 1 2 1 2 电磁搅拌分类及其冶金效果 电磁搅拌按搅拌器安装位置可分为：结晶器内电磁搅拌( m e m s ) 、二次冷却区的 电磁搅拌( s e m s ) 、凝固末端电磁搅拌( f e m s ) 。按照电磁力使金属熔体流动的方向 可分为旋转型搅拌和线性搅拌。旋转型搅拌用于方、圆、多边形断面铸坯和宽厚比接近 于i 的矩形坯，对于板坯及宽厚比大的矩形坯则采用线性电磁搅拌。另外，有学者开发 出介于二者之间的搅拌形式，熔体运动方向与水平方向呈一定角度【6 l ，以及旋转型搅拌 和线性搅拌复合到一起的螺旋型搅拌等。 下面简述按照搅拌器安装位置划分的几种电磁搅拌形式的特点及其具有的冶金作用 效果。 f 1 1 结晶器内的电磁搅拌( m e m s ) m e m s 是三种搅拌形式中改善铸坯质量最显著的方法。其主要冶金效果为： 电磁力冲刷凝固前沿，促使等轴晶粒形成，等轴晶区扩大，晶粒结构更细： 增加弯月面的纯净度； m 搅拌可将非金属夹杂物和浇注所产生的气泡有效地排除掉； 在金属凝固前沿，由于电磁搅拌力的作用，温度梯度变小，在获得相同等轴晶率的 条件下，可以合理地提高过热度，提高范围为2 5 5 0 ，有利于连铸工艺的稳定操作， 且等轴晶率变化不大口l 。 由于上述突出的冶金效果，人们对m e m s 的研究较为详尽，对过热度、搅拌强度、 搅拌位置、加屏蔽罩【8 “2 j 等因素影响搅拌效果的进行了深入的研究。搅拌器安装位置十 分重要，位置的选取主要考虑弯月面和水口吐出流的流动情况等。日本神户制钢为改 善方坯的中心偏析、提高等轴晶率，做了大量的研究工作。 搅拌器位置：将水口末端与搅拌器中心的垂宜距离定义为l ，则l ，的范围可表 示成式( 1 4 ) 。 生生：兰 0 4 d + 1 0 ( r a m ) ( 1 _ 6 ) 第二段的位置为： 0 4 d + 1 0 ( m m ) d 02 d + 4 0 ( m m ) ( 1 - 7 ) 针对工具钢的小方坯连铸，日本日立金属会社1 采用了施加多段电磁搅拌的方法。 根据铸造速度设置熔钢的过热度，当铸造速度r o ，4 m r a i n 时，熔钢过热度h t ( 6 4 6 3 6 4 v 1 。设距铸坯凝固开始点的距离为 z ，电磁搅拌器的安装位置为： 7 第1 章绪论 z s ( 2 k ( 1 - 8 ) 其中：k 为凝固系数，c l r d m i n “2 ；r 为铸造速度。只有搅拌器位置安装含适，才会 对中心偏析具有明显的改善效果。 电磁搅拌最初的应用对象为大方坯，随后又应用于小方坯、板坯、圆坯7 】、棒线材 p “”l 等。另外，有人1 2 ”根据连铸一连轧的思想，采用电磁搅拌+ 凝固末端( 固相分数 约为7 0 时) 压延的方法，在有效改善中心偏析的同时消除凝固缩孔，并提高表面质 量。 根据大量的实验结果得到了各种电磁搅拌的冶金作用，见表1 1 4 】： 各种搅拌形式对搅拌强度的要求是不一样的，这是由于处于不同阶段金属熔体的 粘度差异很大，所要改善的凝固缺陷也不尽相同，川崎制铁会社1 2 1 1 给出各种搅拌形式磁 场强度的下限，如表1 2 。 l - 2 1 3 电磁搅拌器的设计 人们对搅拌器的设计进行了细致的研究，设计出各种各样的搅拌器，申报了大量 的专利f 9 、”2 ”。其设计思想主要考虑提高搅拌功能，如电磁搅拌强度和搅拌的有 效面积、熔体流动形态，以及结构紧凑和拆装方便等。这里介绍一种加拿大j m e 公司 1 9 9 4 年研制成功的新型结晶器搅拌系统。它由两套感应线圈组成，一套布置在弯月面 区域，另一套布置在结晶器下部，被称为双线圈结晶器电磁搅拌系统。两套系统都可单 独控制其输入电流和频率。 表1 - 1 各种搅拌方式能改善的铸坯缺陷 t a b l 一1d i f f e r e n t s t i r r i n gs t y l e su s e dt oi m p r o v es o r t so f c a s t i n gd e f e c t s 缺陷类型 m e m ss 一e m ss 9 - e m sf _ e m s 表面夹渣 针孔 皮下夹杂 气孔 表面裂纹 柱状晶体 、， 内部裂纹 中心偏析 中心疏松 、， 、， v 型偏析 大连理工大学博士学位论文 表l - 2 各种电磁搅拌形式磁场强度下限的要求1 t a b l - 2l o w e rl i m i tr e q u i r e m e n t o f m a g n e t i cf l u xd e n s i t y w i _ 【1 1d i f f e r e n te l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n gs t y l e s 单独m 搅拌m e m sb 5 0 m t 单独s 搅拌s e m sb 1 0 0m t 单独f 搅拌f e m sb 5 0m t m + s 搅拌m e m sb 3 0m t s e m sb 5 0m t m + f 搅拌m e m sb 3 0 m t f e m sb 3 0m t s + f 搅拌s e m sb 5 0m t f e m sb 3 0m t m + f + s 搅拌m e m sb 3 0m t s e m sb 3 0m t f e m sb 3 0m t 在敞口浇注时，用此搅拌系统可提高弯月面的搅拌强度；当有浸入式水口进行保护 浇铸时，可用上部感应线圈的制动作用来抑制弯月面区域的搅拌。结果对高碳钢和合金 钢小方坯可很好地改善凝固组织和中心偏析 2 2 - 2 4 1 。目前，世界上生产电磁搅拌装置的主 要有三家公司，即加拿大的j m e 公司、瑞典的a b b 公司和法国的r o t e l e c 公司m l 。 1 2 2 电磁制动技术 结晶器是连铸机的心脏，结晶器内金属液流场与连铸坯的质量密切相关。从浸入式 水口流出的高温钢液冲击结晶器窄面的初期凝固壳，使局部区域温度过高，易导致凝固 壳重熔，甚至出现拉漏现象。此外，钢液中夹带的非金属夹杂物易被凝固壳捕获，影响 钢的纯挣度。钢液的回旋流使弯月面不稳，对保护渣的加入不利，吸气量增加，影响钢 的质量，实行高速连铸时上述问题更为突出。 电磁制动技术是解决上述问题的有效措施，它是利用施加在流动钢液上的磁场与感 应电流作用产生与流速方向相反的电磁力控制结晶器内钢液的流速场。用于电磁制动技 术的电磁场有两类：一类是行波磁场( t m f , t r a v e l l i n gm a g n e t i cf i e l d ) ，一般是交流电 通入线圈产生的：一类是直流磁场，直流磁场可以是直流电产生的，也可是强磁性的永 磁体产生的。 熔钢流速过大，非金属夹杂物和气体易卷入；熔钢流速过小，弯月面处供热不足， 此处凝固壳将形成钩子状。施加行波磁场时，磁场强度对流速有重要影响，研究认为速 度减速率与磁感应强度呈正比。t e s h i m a 定义了个铸型短边弯月面下的熔钢运动量 指标f 值，当f 值控制在合适的范围内时，才能使连铸顺利进行并且缺陷很少。n k k 口6 】 的研究认为流速控制在0 1 3 o 2 0 m s 范围内较为合适。 - 9 兰! 童竺堕 施加直流稳恒磁场时f 2 7 1 ，对长1 ，0 5 m ，宽0 2 5 m ，深5 m 的铸型数值模拟的结果显 示：当施加的磁感应强度b 达到9 0 r o t 以上时，弯月面处的流动发生逆转。此外，在 连铸过程中，抑制中间包内熔钢的流动，有利于钢液的纯净化，川崎制铁研究所采用施 加静磁场的方法实现上述目的，静磁场是由永磁体产生的( 五_ = 0 1 5 t ) ，施加静磁场方 向与钢液流动方向相垂直【2 8 】。 电磁制动技术在钢液净化和提高连铸速度等方面都是有效工具，例如：对超高纯度 钢( u l c ，u l t r ac l e a ns t e e l ) ，无缝钢( i f , i n t e r s t i t i a l - f r e es t e e l ) 和深冲拉拔钢而言，减 少夹杂物的卷入和脱模粉的裹入至关重要。目前，电磁制动主要应用是在板坯连铸上。 在6 m m i n 的高速连铸条件下，降低弯月面的紊动以减少脱模粉的裹入和表面缺陷等技 术尤为关键【2 9 1 。 此外，对弯月面进行控制还有在冷坩埚周围施加高频磁场的方法，高频电磁场产生 侧面的电磁压力抑制了自由表面的波动，这种方法还有一个优点是高频磁场产生的焦耳 热可以维持一定的自由表面过热度i ”】。 1 2 3 电磁分离( e l e c t r o m a g n e t i cs e p a r a t i o n ) 技术 1 2 3 1 金属液净化的意义 高纯度、高导热，良好塑韧性的铝材料是航空工业、电力工业的重要支持材料，铝 的纯度对其导电性能和深冲性能致关重要，而导电性能和深冲性能是生产电线、电缆、 电子封装和易拉罐等产品的重要工艺指标。 目前，我国铜加工工业的产品品种和质量与国外先进水平和国民经济的发展需要都 还有一定的差距。表现在：铜的冶炼技术；铜材的表面处理技术；铜材的功能化技术； 提高铜材的内在质量等。在铜材制各过程中，去除非金属夹杂物，特别是铜的吸气氧化 问题急需解决。 具有高导电、高导热、高强度和良好塑性的高性能铜材料，是微电子信息行业必不 可少的重要材料。超低氧含量( f o d 、 1 5 9 3m 2 q 。k g 。 的金属如金、镁、银、锌等金属的洁净化均可采用此法，通过磁极形状的改进( 增大磁 场梯度) 和磁隙的调整，还可以降低0 p 的值，这样较低0 p 值的金属如锡、青铜、 铅和钛等可利用电磁搅拌进行分离【3 4 l 。 基慨 b 2|ii；? k 晒p 基一 电磁搅拌技术应用于金属液净化的一个新的发展方向就是在连铸工艺的各个环节上 采用该技术。有人提出在吊包中金属液上方施加电磁力的方案p 5 l ，数值模拟和汞模拟实 验表明金属液内和表面的流场和搅拌强度影响了液面波动，而线圈半径对流场影响较 大，半径较小的线圈使吊包底部的流速增大，因而可减少电磁分离时间和增大搅拌效果。 为了使金属液在浇到铸型内之前保持较为洁净，开发了中间包内电磁分离技术， 它是将中间包做成两部分的合体，从熔炼系统流出的钢液进入外围施加交变电磁场的中 间包的半圆柱形部分，经电磁离心分离后，然后到中间包的长方体部分，经水口浇注到 结晶器内，中间包内经电磁分离后氧含量大幅降低，与二次精练技术相比，在脱氧速度 和夹杂物分离方面更为优越，可以取代二次精炼。金属熔体的电磁搅拌对去除气体有 非常明显的效果，新日铁的若木明德在研究弯蓝连铸机( 弯曲半径1 0 5 m ) 弯月面下3 9 m 处施加二冷区的电磁搅拌时，通过施加间断的电磁场可使气体含量减少2 0 ，且气体 在宽度方向上分布均匀，并使由于气泡产生的缺陷大幅降低【3 7 1 。表1 3 比较了电磁搅拌 与吹气搅拌的差异1 3 8 】。 表1 3 电磁搅拌与气体搅拌的比较【”1 i t e me l e c t r o m a g n e t i cg a ss t i r r i n 0 s t i r r r n g m o t i v ef o r c e f m = j b ( e l e c t r i ce n e r g y ) b u o y a n tf o r c e ( g a se x p a n s i o n ) c o n t a c tw i t hn oy e s m e l t ( g a si n j e c t i o nl a n c e ，p o r o u s n o z z l e ) ( w t o n ) 1 0 l l l 0 2a s e a s k f1 0 1 1 0 4 5 1 0 3 k 1 0 4c ft u n d i s h( a tb u b b l i n g ) ( q b o p ) c o n t r o l l e db ye l e c t r i cp o w e rc o n t r o l l e db y g a sf l o wr a t e 0 1 i o 行p o s s i b l e i m p o s s i b l e ( d i r e c t i o nc o n t r 0 1 )( e x c e p tp o r o u sn o z z l e ) c h a r g e s i z e一1 0 0t o n ( a s e a s k f ) 一3 5 0 t o n 10t o n ( c f t u n d i s h ) 在吸收传统的吹气净化技术的基础上，采用底吹气体并施加电磁搅拌办法去除夹杂