（材料加工工程专业论文）轻合金低频电磁水平连续铸造工艺及理论研究.pdf

东北大学博士学位论文 摘要 轻合金低频电磁水平连续铸造工艺及理论研究 摘要 本课题是国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 资助项目 “提高铝材质量 基础研究”中的部分内容，主要研究低频电磁场在轻合金水平连续铸造中的应用， 旨在利用低频电磁水平连铸技术制备高质量的铝合金、镁合金圆坯和板坯。 本文成功开发了铝合金及镁合金锭坯的低频电磁水平连铸新工艺，解决了常 规水平连铸难以制备的重金属元素含量较高的轻合金锭坯这一传统工艺难题，获 得了铸态组织显著细化、均匀、铸锭合金元素宏观分布均匀、铸锭溶质元素显著 提高、表面光洁的高质量铸锭。 与立式连续铸造相比，水平连续铸造拥有诸如投资小、工艺灵活等优势。但 是由于铸锭是沿水平方向被引出的，铸锭在竖直方向将受到垂直向下的重力作用， 而这种重力作用将导致熔体内部产生不均衡的流场及温度场，从而导致铸锭内部 产生不均匀的铸态组织和较严重的宏观偏析。 理论研究表明，低频电磁场与金属熔体的交互作用可以在熔体中产生电磁力 驱动的强制对流，从而改变结晶器内流场和温度场的分布。在水平连续铸造过程 中施加低频电磁场可以加强熔体中的传热传质，使液穴变浅变平，有效减少因重 力而产生的温度场差异。低频电磁场可以对金属的形核与长大产生影响，在其作 用下，熔体中的形核数目增加，晶粒尺寸减小。低频电磁场还可以改善溶质元素 在铸锭中的分布。一方面，低频电磁场的作用可以促使溶质元素在整个铸锭横截 面上均匀分布，从而减少负偏析、比重偏析等宏观偏析生成：另一方面，低频电 磁场的作用可以增加晶内台金元素的含量，从而降低晶界偏析的程度。 利用有限元法进行了低频电磁水平连续铸造中磁场、流场、温度场三维空间 分布的数值模拟。模拟结果表明，励磁电流的强度和频率对磁感应强度在金属熔 体内部的分布有着重要影响。在励磁电流频率不变的条件下，熔体内部的磁感应 强度随着电流强度的增强而增强，但是由于集肤效应的制约，仅通过增加励磁电 流强度不能有效提高熔体中心区域的磁感应强度。在励磁电流强度不变的条件下， 通过调节电流的频率能够更显著地改变熔体内部磁感应强度的分布情况。当磁场 频率较高时( 5 0 h z p a 上) ，集肤深度很浅，电磁力主要集中在熔体表面区域。磁感应 强度在金属表面的快速衰减意味着电磁力梯度很大，电磁力主要表现为作用于熔 体表面的约束力，但与此同时搅拌的作用就比较弱。随着频率的降低，磁场、感 ，i i ， 东北大学博士学位论文 摘要 应电流以及相应的洛仑兹力均逐渐增加，电磁力中的有旋力场逐渐占主导地位， 其强迫对流作用得到增强。当电磁场频率进一步降低时( 1 0 h z 以下) ，尽管磁感应强 度仍随之增加但其分布逐渐趋于均匀，强迫对流作用也相应减弱。所以，在磁场 强度一定的情况下，可以通过施加合适的磁场频率的方法在熔体中获得理想的流 场及温度场，从而最大程度的达到改善铸锭质量的目的。 铝合金圆坯的低频电磁水平连续铸造实验结果表明，在铝舍金水平连续铸造 中施加低频电磁场可显著提高铸锭质量，具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 施加低 频电磁场能够改善铸锭表面质量减少划痕、偏析瘤等表面缺陷生成，并有效减少 铸锭上下表面形貌之间的差异； ( 2 ) 施加低频电磁场能够细化晶粒，削弱重力对 铸锭凝固的影响，从而在整个铸锭横截面上获得细小均匀的铸态组织；( 3 ) 施加 低频电磁场能够减少负偏析和比重偏析的生成，使溶质元素在铸锭横截面上的分 布趋于均匀；( 4 ) 施加低频电磁场能够增加c u 、z n 之类溶质元素在晶内的含量。 此外，实验结果还表明，电磁场的强度和频率对其作用效果有着重要影响，在实 验设备功率许可的范围内，增强磁场强度及适当降低磁场频率均有助于提高磁场 的作用效果。实验最终给出了几种不同规格和牌号的铝合金铸锭的磁场条件。例 如，2 0 2 4 铝合金由6 0 m m 圆锭的铸造过程中最优的励磁线圈安匝数及频率分别为 1 0 0 0 0 a t 、3 0 h z 。 在上述实验的基础上开发了铝合金板坯的低频电磁水平连续铸造工艺并得到 了与圆坯实验中相类似的结果。值得特别指出的是，施加低频电磁场可以有效解 决扳坯铸造中的角部过冷闯题，起到防止角部拉裂、稳定铸造过程的作用。此外， 施加低频电磁场还可以有效提高铸锭的力学性能，以2 0 2 4 铝合金板坯为例，施加 低频电磁场后铸锭的铸态拉伸强度极限达到3 0 0 m p a ，比不加磁场时提高了2 8 。 在铝合金的实验基础上开发了镁合金低频电磁水平连续铸造工艺。实验表明， 在镁舍金水平连铸过程中施加低频电磁场可以提高铸造速度，提高了劳动生产率； 可以实现较低铸造温度下的水平铸造，这不仅有利于节能降耗、，还可显著降低 镁合金氧化燃烧倾向，并有利于减小内应力，避免热裂的发生与扩展，为高速铸 造提供条件。同时，在低频电磁场作用下，镁台金水平连铸锭坯中的含金元素呈 均匀分布，宏观偏析得到有效抑制；锭坯内部微观组织显著提高，晶粒显著细化， 枝晶退化为蔷薇晶或等轴晶，不同部位，特别是横截面高向的晶粒度差易4 显著减 小或消除。 关键词：水平连续铸造，低频电磁场，铝合金，镁台金，数值模拟，铸态组织， 宏观偏析 i i i 查! ! 垄兰堡主堂堡丝查 竺! 旦兰曼! s t u d yo nt h et e c h n o l o g ya n dt h e o r yo f h o r i z o n t a ld i r e c t c h i l lc a s t i n gp r o c e s so f l i g h ta l l o y su n d e rl o w f r e q u e n c y e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d a b s t r a c t t h i ss u b j e c ti sap a r tw o r ko f “f o u n d a t i o n a lr e s e a r c ho nt h eq u a l i t yi m p r o v e m e n to f a l u m i n u mp r o d u c t s ”，w h i c hi ss u p p o r t e db yt h ek e yb a s i cr e s e a r c hp r o g r a mo f c h i n a ( 9 7 3 ) t h em a i nc o n t e n t i st o s t u d y t h e a p p l i c a t i o n o fl o wf r e q u e n c y e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt ot h eh o r i z o n t a ld i r e c tc h i l lc a s t i n gp r o c e s s ( h d c ) o fl i g h ta l l o y s t h ea i mi st oo b t a i nl i g h ta l l o yi n g o t sw i t hh i g l lm e t a l l u t g i c a lq u a i l t y an e wp r o c e s s s - l o wf r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i ch o r i z o n t a ld i r e c tc h i l lc a s t i n g ( l f e m h d c ) w a sd e v e l o p e di nt h i sw o r k t h ed i f f i c u l tp l o b l e mo fg r a 口i t ys e g r e g a t i o n i nh d cw a so v e r c o m e ds ot h a tt h ei n g o t sw e r ep r o d u c e dw i t hf i n ea n du n i f o r mg r a i n s i z e ，l o wm a c r o s e g r e g a t i o n ，h i g ha l l o y i n g e l e m e n tc o n g t e n ti ng r a i n sa n dh i g hs u r f a c e q u a i l t y t h eh d cp r o c e s sh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sl o w e ri n v e s t m e n tc o s t ，h i g h e r f l e x i b i l i t ya n ds oo n h o w e v e r , t h eh d cp r o c e s sh a ss o m ec h a r a c t e r i s t i cp r o b l e m sd u e t ot h ed i f f e r e n c eo fg r a v i t yb e t w e e nt h et o pa n dt h eb o t t o ms u r f a c e si nt h eh o r i z o n t a l p o r t i o n ，w h i c h ，i nt u r n ，r e s u l t si nm a c r o s e g r e g a t i o na n dh e t e r o g e n o u sm i c r o s t r u c t u r e si n t h ei n g o t s t h er e s u l t so ft h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o wt h a tt h ei n t e r a c t i o no ft h el o w f r e q u e n c y e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dt h em e l tc h ag e n e r a t ea l le l e c t r o m a g n e t i c a l l yi n d u c e df o r c e d f l o wi nt h em e l t ，w h i c h ，i nt u r n ，c h a n g e sf l o wp a t t e ma n dt e m p e r a t u r ef i e l di nt h em o l d a p p l y i n gal o w - f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt oh d cc a s t i n gp r o c e s sc a ns t r e n g t h e n t h eh e a tt r a n s f e ra n dm a s st r a n s f e ri nt h em e l t ，d e c r e a s et h ed e p t ho ft h es u m pa n d r e d u c et h et e m p e r a t u r eg r a d i e n tc a u s e db yt h eg r a v i t yf o r c e n u c l e a t i o na n dg r a i n g r o w t hc a na l s ob ea f f e c t e db yt h el o w - f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，w h i c hr e s u l t si n t h ei n c r e a s eo fn u c l e ia n dt h er e d u c t i o no fg r a i ns i z e m o r e o v e r ，t h el o w - f r e q u e n c y e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dc a ni m p r o v et h ed i s t r i b u t i o no fs o l u t ee l e m e n t si nt h ei n g o t s f i r s t l y ，t h eh o m o g e n e o u sd i s t r i b u t i o no fs o l u t ee l e m e n t so v e rt h ec r o s s - s e c t i o no fi n g o t i v 东北大学博士学住论文 a b s 丁r a c 丁 i sa c h i e v e da n dt h em a c r o s e g r e g a t i o ns u c ha sn e g a t i v es e g r e g a t i o n ，g r a v i t ys e g r e g a t i o n i sr e d u c e da c c o r d i n g l y s e c o n d l y ，t h es o l u t ec o n t e n ti ng r a i n si si n c r e a s e d ，m a dt h e r e f o r e t h eg r a i n b o u n d a r ys e g r e g a t i o ni sd e c r e a s e d t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l m i o no nt h et h r e e d i m e n s i o n a ld i s t r i b u t i o no fm a g n e t i c f i e l da n df l o wp a t t e ma n dt e m p e r a t u r ef i e l d i nl o w f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i ch d c c a s t i n gs h o wt h a tt h ec u r r e n ti n t e n s i t ya n dt h ef r e q u e n c yh a v eas i g n i f i c a n ti m p a c to n t h ep a t t e r no fm a g n e t i ef l u xd e n s i t yi nt h em e l t i n t e n s i t yo fm a g n e t i cf i e l di nt h em e l ti s e n h a n c e dw i t ht h ei n c r e a s ei nt h ec u r r e n ti n t e n s i t yw h e nt h ef r e q u e n c yi sc o n s t a n t ， h o w e v e r ，t h ei n t e n s i t yo fm a g n e t i cf i e l di nt h ec e n t e rr e g i o no ft h em e l ti sl o wb e c a u s e o f s k i ne f f e c t o n t h eo t h e rh a n d ，f r e q u e n c yg r e a t l yi n f l u e n c e st h ed i s t r i b u t i o no f m a g n e t i cf l u xi n t e n s i t yi nm e l tu n d e rt h ec o n s t a n tc u r r e n td e n s i t y w h e nf r e q u e n c yi s h i g h e rt h a n5 0h z s k i nd e p t hi ss h a l l o wa n de l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei sm a i n l yf o r c e di n t h ep e r i p h e r yo f i n g o t ，t h a ti st os a y ，t h eg r a d i e n to fe l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei nt h ei n g o ti s l a r g e t h e r e f o r e ，e l e c t r o m a g n e t i cf o r c er e s u l t si nt h ec o n s t r a i n e de f f e c to nt h em e l t s u r f a c ea n dt h es t i r r i n ge f f e c ti sr e l a t i v e l yw e a k m a g n e t i ci n t e n s i t y ，i n d u c e dc u r r e n ta n d l o r e n t zf o r c ea r eg r a d u a l l yi n c r e a s e dw i t ht h ed e c r e a s eo ft h ef r e q u e n c y ，a n dt h er o t a r y c o m p o n e n to fl o r e n t zf o r c eb e c o m e sd o m i n a n t ，w h i c h ，i nt u r n ，i n c r e a s e saf o r c e d c o n v e c t i o n a l t h o u g ht h em a g n e t i cf l u xd e n s i t yi si n c r e a s e dw i t ht h ef u r t h e rd e c r e a s eo f t h ef r e q u e n c y ( b e l o w10 h z ) ，i t sd i s t r i b u t i o nt u r n sg r a d u a l l yu n i f o r ma n dt h ef o r c e d c o n v e c t i o nr e d u c e sa c c o r d i n g l y i nc o n c l u s i o n ，t h ei d e a lf l o wp a t t e r na n dt e m p e r a t u r e f i e l di nt h em e l tw i l lb ea c h i e v e db yt h ea p p l i c a t i o no ft h es u i t a b l ef r e q u e n c yu n d e rt h e c e r t a i nm a g n e t i ci n t e n s i t y ，w h i c hc a ni m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ec a s t i n gi n g o t st oag r e a t e x t e n t ap r o c e s s so fl o wf r e q u e n c yh d cc a s t i n gf o ra l u m i n i u ma l l o yr o u n di n g o t si s d e v e l o p e dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h eq u a l i t yo fi n g o t si sg r e a t l yi m p r o v e db ya p p l y i n g t h el o wf r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，w h i c ha r ep r e s e n t e di nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s f i r s t l y ，t h es u r f a c eq u a l i t yi sr e m a r k a b l yi m p r o v e d c a s f i n gd e f e c t ss u c ha ss c r a t c h m a r k sa n de x u d a t i o na r e e f f e c t i v e l ys u p p r e s s e da n dt h ed i f f e r e n c ei nt h es u r f a c e a p p e a r a n c eb e t w e e nt h eu pa n dt h el o wp a r t so ft h ei n g o ti sr e d u c e d s e c o n d l y ，t h e m i c r o s t r u c t u r e sa r eg r e a t l yr e f i n e da n dt h ee f f e c t so fg r a v i t yf o r c eo nt h es o l i d i f i e d m j c r o s t r u c t u r e sa r ew e a k e n e d w h i c hc a n1 c a dt o 也ef i n ee q u i a x e da s c a s ts t r u c t u r e s t h r o u g h o u tt h ec r o s s - s e c t i o no ft h ei n g o t t h i r d l y ，t h em a c r o s e g r e g a t i o ns u c ha s 。v 一 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t n e g a t i v es e g r e g a t i o na n dg r a v i t ys e g r e g a t i o n i sr e d u c e d ，w h i c hr e s u l t si nt h e h o m o g e n o u sd i s t r i b u t i o n so ft h es o l u t ee l e m e n t so v e rt h ec r o s s - s e c t i o no ft h ei n g o t f o u r t h l y ，t h es o l u t ec o n t e n ti ng r a i n si si n c r e a s e d m o r e o v e r ，e f f e c t so fe l e c t r o m a g n e t i c f i e l do nt h ei n g o t sd e p e n do nt h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e n s i t ya n df r e q u e n c y t h eo p t i m a l c o n d i t i o nc a nb ea c h i e v e di nt h eh i g he l e c t r o m a g n e t i ci n t e n s i t ya n dt h el o wf r e q u e n c y b a s e do nt h ec a s t i n ge x p e r i m e n t s ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r sf o ras e r i e so f a l n m i n i u ma l l o yi n g o t sa r ep r e s e n t e d f o r e x a m p l e ，t h eo p t i m a le l e c t r o m a g n e t i c i n t e n s i t ya n df r e q u e n c yf o r t h e2 0 2 4a l u m i n i u ma l l o yw i t h d i a m e t e ro f6 0 m ma r c 10 0 0 0 a ta n d3 0 h z ，r e s p e c t i v e l y b a s e do bt h ea b o v e - m e n t i o n e d e x p e r i m e n t s ，at e c l m o l o g y o f l o w - f r e q u e n c y e l e c t r o m a g n e t i ch o r i z o n t a ld i r e c tc h i l lc a s t i n gf o ra l u m i n i u ma l l o ys l a b si sd e v e l o p e d ， w h i c hh a st h es i m i l a rr e s u l t st o t h er o u n db i l l e t c a s t i n g s p e c i a l l y ，a p p l y i n gt h e l o w - f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l dd u r i n gt h ec a s t i n gc a r lo v e r c o m et h ep r o b l e mo f t h e c o m e ru n d e r c o o l i n go ft h ei n g o t s ，w h i c hc a r la v o i dt h ec o r n e rc r a c k sa n ds t a b i l i z et h e c a s t i n gp r o c e s s m o r e o v e r ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ei n g o t sc a nb ee f f e c t i v e l y i m p r o v e d i nt h ec a s eo f2 0 2 4s l a b s ，t h et e n s i l es t r e n g t hc a r lr e a c h3 0 0 m p ai nt h e p r e s e n c eo ft h el o w - f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，w h i c hi s2 8 h i g h e rt h a nt h a t w i t h o u tt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d b a s e do nt h e c a s t i n ge x p e r i m e n t s o fa l u m i n i u m a l l o y s ，at e c h n o l o g y o f l o w 一丘e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i ch o r i z o n t a ld i r e c tc h i l lc a s t i n go fm a g n e s i u ma l l o y si s d e v e l o p e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec a s t i n gs p e e dc a l lb ei n c r e a s e d ，w h i c hc a nr a i s et h e p r o d u c t i v i t yd u r i n gt h ec a s t i n gp r o c e s s m o r e o v e r ，h o r i z o n t a ld i r e c tc h i l lc a s t i n ga tl o w t e m p e r a t u r ei sa c h i e v e d ，w h i c hc a r ln o to n l ys a v et h ee n e r g yb u t a l s o r e d u c e t h e o x i d i z a t i o na n dc o m b u s t i o ni nt h em a g n e s i u mm e l t a st h ec a s t i n gt e m p e r a t u r ei sl o w ， t h et h e r m a ls t r e s si nt h ei n g o ti ss u b s t a n t i a l l yr e d u c e da n dt h eh o t t e a r i n gi sa v o i d e d ， w h i c hc a np r o v i d et h ef a v o r a b l ec o n d i t i o n sf o rt h ec a s i n ga tah i g hv e l o c i t y i na d d i t i o n ， t h eh o m o g e n e o u sd i s t r i b u t i o no fs o l u t ee l e m e n t so v e rt h ec r o s s s e c t i o no fi n g o ti s a c h i e v e da n dm a c r o s e g r e g a t i o ni se f f e c t i v e l ys u p p r e s s e d a st h em i c r o s t r u c t u r e s ， f i n e - g r a i n e de q u i a x e dm i c r o s t r u c t u r ei so b t a i n e da n dd e n d r i t e sa r eg r a d u a l l ye v o l v e d i n t or o s e t t e s h a p e do re q u i a x e df o r m s o nt h ec r o s s - s e c t i o no ft h ei n g o t ，t h ed i f f e r e n c e i ng r a i ns i z ei ss i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e d ，e v e ne l i m i n a t e da c c o r d i n g l y v i 东北大学博士学位论文 a b s t r a c 丁 k e ) r w o r d s ：h o r i z o n t a l d i r e c tc h i l l c a s t i n g ，l o w - f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i c f i e l d ， a l u m i n u ma l l o y ，m a g n e s i u ma l l o y ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a s c a s tm i c r o s t r u c t u r e ， m a c r o s e g r e g a t i o n v 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，不包含其他人已经发表 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：锄 日期：伊r p ， 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1 章绪论 第1 章绪论 连续直接水冷铸造法简称d c 铸造法( d i r e c tc h i l lc a s t i n g ) ，1 9 3 3 年由德国人 j u n g h a u s 首先研制成功，至今已成为铜、铝、镁、锌及其台金锭坯广泛采用的生产 方法。根据锭坯牵引方向的不同，连续铸造法又可分为立式连续铸造法( v e r t i c a l d i r e c tc h i l lc a s t i n g ) 和水平连续铸造法( h o r i z o n t a ld i r e c tc h i l lc a s t i n g ) 。其中水平 连续铸造又称卧式连续铸造或横向连续铸造，其铸锭拉出方向与地面平行。此法 上个世纪5 0 年代初开发应用，目前世界已有许多国家用其生产棒坯、管坯、型坯 和板坯，成为了金属锭坯制备的一种有效手段。连铸技术是现代金属材料质量控 制的关键，它不仅决定着铸件的铸态组织及某些缺陷是否形成，还直接影响着经 变形处理后最终产品的机械性能，因此，铸造不仅仅是材料成形的手段，更重要 的是材料组织性能调控的方法。随着当今科技日新月异的发展，各行业对材料的 性能提出了更高的要求，一些传统的材料成型方式己不足以满足新形势下的需求， 如何改善传统工艺，提高材料性能也就成为了材料科学领域内亟待解决的课题。 1 1 材料电磁过程发展历程 在材料科学研究领域中，控制材料的凝固过程已成为提高材料性能和开发新 兴材料的重要途径之一。如何创造各种凝固条件来控制材料的凝固组织、挖掘材 料的潜在性能以获得具有优异性能和特殊功能的新型材料是广大科研工作者极其 关注的课题。材料电磁过程- - e p m ( e l e c t r o m a g n e t i c p r o c e s s i n g o f m a t e r i a l s ) 是指将磁 流体力学- - m h d ( m a g n e t oh y d r o d y n a m i c s ) 与材料加工技术结合起来，在材料制备 和加工过程施加电磁场，从而实现对材料成形过程的控制及材料组织和性能的改 善。经过多年的发展，目前已形成多学科交叉、应用领域广泛、工艺方法众多的 一门边缘科学【i 一1 。 磁流体力学以连续介质的观点研究导电流体与电磁场的相互作用，它是经典 电磁理论和连续介质力学相交叉的边缘学科 9 - 1 1 】。磁流体力学的发展始于地球物理 和天体物理的研究，对受控热核反应装置和原理的探索，以及许多工程技术问题 的应用，与对宇宙过程的研究一起，促进了磁流体力学的发展，使之成为一门既 有理论意义，又具备广阔应用前景的现代科学。 早在1 8 2 3 年，f a r a d a y 就由海洋流动与地球磁场的关系着手，测量了流体在电 磁场中的流动情况。1 9 2 3 年，m u c k 获得了悬浮熔炼方法的专利。1 9 3 8 年，h a r t m a n n 东北大学博士学住论文 第1 章绪论 系统地研究和分析了水银在流动槽中运动时与电磁场的相互作用关系。1 9 4 2 年， a l f v d n 提出了磁冻结概念，a l f v 6 n 波的发现，使人们对导电流体与磁场的相互作用 有了本质上的认识和提高，然而磁流体力学理论的系统研究和发展却是直n - - 十 世纪六十年代后才逐渐开展起来的，最初，在材料制备过程中的应用也仅限于半 导体金属材料的成形。近二十年来，感应加热、电磁搅拌、电磁铸造等过程在有 色金属和黑色金属冶炼和制备方面得到广泛的应用和发展。1 9 8 2 年在英国举行的 i u t a m ( 国际力学理论和应用联合会) 学术会议上第一次提出材料电磁过程这一术 语，1 9 9 0 年和1 9 9 4 年先后在日本召开了第六届i l s s ( 国际钢铁研讨会) 会议以及第一 届材料电磁工艺国际会议，预示着材料电磁过程时代的到来。自1 9 9 4 年至今，每 三年举行一次材料电磁过程国际会议，1 9 9 7 年在法国举行，2 0 0 0 年在日本举行， 2 0 0 3 年又在法国举行。 目前，材料电磁过程中使用的电磁场主要有以下几种l 】2 】：1 ) 由传统线圈或超 导线圈所产生的直流磁场，主要用于制各具有强磁场取向的金属材料和控制液体 金属的流动。2 ) 频率从几赫兹到数十兆赫兹的交变磁场，通过对磁场频率的选择， 可分别应用于感应加热、电磁搅拌、电磁加压、电磁输送等工艺过程。3 ) 移动磁 场、脉冲磁场、变幅磁场等特殊磁场主要用于高效、节能等新技术工艺的开发。 上述各种磁场不仅可以单独使用，而且可以几种磁场或磁场和电场共同使用于某 一材料加工过程。 1 2 电磁场具有的功能 材料的电磁过程按其功能可分为形状控制、驱动液体、抑制流动、悬浮、雾 化、热量生成、探测、精炼和凝固组织的控制等功剿1 2 1 ，具体如下： 1 ) 形状控制功能 形状控制功能可分为利用高频交变磁场和直流磁场两类。前者在铝、铜及其 舍金的领域内实现了电磁铸造，冷态坩埚，熔化金属的薄膜以及悬浮熔炼和熔化 金属的喷射变形；后者主要用于有直流磁场梯度的地方，可阱使熔化金属的喷射 流扁平化。由于直流磁场几乎不伴有发热现象，因此适用于金属的凝固过程，而 且相对于高频交变磁场而言，利用直流磁场还可能使设备小型化，大大降低成本。 2 ) 电磁搅拌功能 电磁搅拌是对金属凝固过程进行控制的一种有效手段，在制取半固态浆料方 面获得了广泛应用。电磁搅拌对金属凝固组织的改变主要表现在改变柱状晶生长 方向、促进柱状晶向等轴晶转变、细化宏观组织、改变初生相形貌和尺寸、改变 东北大学博士学位论文 第1 章绪论 共晶组织形貌、减小枝晶臂间距等方面。 电磁复合铸造是利用共晶合金在电磁搅拌作用下产生分离共晶的原理，与连 续铸造技术相结合，可以开发出内表面分离共晶层为金属间化合物的铸件。利用 该技术生产的铸件基本不需要二次加工，内表面分离层自动生成，与基体相容性 良好，整个铸件组织均匀，是优良的功能材料。目前，已经开发出分离层为a l n i 、 a 1 m n 和a 1 f e 等金属间化合物的管件。 3 1 电磁制动功能 单晶硅的拉制过程中，在熔池中加直流磁场，设法控制其对流和控制氧气含 量的卓克拉尔斯基磁力法；以及在钢的板坯连铸中，以提高铸坯表面质量为目的 的抑制喷嘴出口弯月面波动的电磁制动法，均属于此类工艺。 4 1 磁悬浮功能 从相互正交的方向将直流电流和直流磁场加到金属上，可使金属悬浮起来。 磁悬浮列车以及水平式电磁铸造中利用对喷嘴流出的熔融金属施加相互正交的电 流和磁场，使之在悬浮状态下冷却凝固，均是该功能的具体体现和应用。 5 ) 雾化功能 在从细小喷射出的熔化金属和喷嘴对面的电极之间施加一定的电场，而在与 电场正交的方向施加直流磁场，在通电的一瞬间，在喷嘴和电极间的熔化金属内 就会产生电磁体积力，使熔化金属雾化，导致电流暂时被切断，而后流出的金属 使电流重新接通，并同样被雾化，这样可以使这一过程反复进行下去。这种方法 可以很好地控制金属的粒度及其分布。 6 ) 升温功能 利用向熔化金属直接通电流和施加中、高频磁场使金属内产生感生电流，加 热和熔化金属，主要应用于感应炉。 7 ) 检测流速的功能 v i v e s 根据楞次定律研制出了流速传感器，原理是将导线布置n d , 型强磁铁上， 当电流接通时产生感应电流，测得感应电流大小即可推算出流体的流速。用此方 法测得的流速精度很高，不过在居里点以上此方法无效。 8 ) 复合精炼功能 在r h 脱气装置中，可以利用气泡泵作用产生循环运动而脱气。如果在真空室 内进一步采用瞬态放s 邑( s g 火花) 可以使熔化金属飞散开来，也可达到脱气的目的， 此方法就是电磁精炼脱气。这种工艺能大幅度地简化真空设备，而且，在瞬时放 电作用下，由于产生的很多点状火点也可望促使活泼性物质挥发( 点状精炼) 。 3 东北大学博士学位论文 第】章绪论 9 ) 组织细化功能 利用电磁场对金属凝固组织的控制主要表现在电磁细化方面，电磁细化分为 电场细化和磁场细化两大类。电场细化是指在凝固过程中施加电场，使金属或合 金材料在电场中凝固的方法。此法可以获得有别于常规铸造条件下的凝固组织和 性能的铸锭。磁场细化是指使金属和合金在磁场中凝固的方法，利用了合金熔体 与磁场的相互作用的原理，使熔体在电磁力的作用下产生振动和发生对流以促进 形核和等轴晶的形成，从而达到细化凝固组织的目的。可以在金属凝固过程中单 独施加电场或磁场，也可以同时施加稳恒磁场和交变磁场，或者同时施加电流和 磁场等。 1 3 电磁场在金属材料制备过程