（材料加工工程专业论文）铝合金高频磁场电磁净化试验研究(1).pdf

丈避理王大学璇学缀论文 耥要 电磁净化律为一种新兴的净亿技术，由于萁其有的漓净、离效，以及夹杂物鲍去除与 密艘差关系不大等特点，近每来已戏为辨究的热点之一。乡 翱离簇交变磁场的魄磁冷纯方 法熨霞为具鸯施加方便等特点露戏必电磁净化锾域的主要毳拜究对象。 本文扶电磁场的基本源瑷出发，棱据金耩熔体内部嘏磁体积力的数学表这式，建立了 瞧磁净亿时蓠计簿模耋，依靠诧模型可以计舞弼电磁力去除理惑金属熔体中的不阍尺寸的 非金属夹杂物所襦的时间，以及圃管中的净化效率等。 为了验证电磁力对铝合金中不同尺寸的a 金属夹杂物的瞧磁净化效果，配制了舍硅爨 为1 8 、1 2 ，6 联1 0 静三耪锻硅舍佥，其中，1 8 浆锻硅舍金又分为鸯圆、不鸯瞄两寻孛 清况。在不两静凝固条件下，分稍生成了尺寸为1 0 0 p n 、3 0 b o n 和1 0 a n 的硅块，进而进 行电磁净化模拟试验研究。试验结果 芷明，初生硅块可以较好地模拟铝熔体中的非金属夹 杂物，在磁感应强度达到0 + 0 3 t 时，直径为1 0 0 v n 左右的非金属夹杂物可以在1 0 s 悫技去 除，攀个尺寸在1 0 # m 豹# 金藩夹杂携瞧胃以蔽靠惫磁按压力去除。 针对去除小尺寸非禽满夹杂物楚净化过程中的难点问题，本文采用定点加入5 a n 氧 化铝颗粒的方法，分另q 进行了如下验证性试验： 1 。0 ，7 m m 铁芯夕 爨铝箔鳃裹氧化键颗粒，定点老g 入镄熔体中，检验袁电磁办撵露下鳃 小辫瓷管内金属熔秫静流动； 2 2 m m 铁芯外甬锱箔包裹荤e 化铝颗粒，定点加入铝熔体中，模拟空心阐管电磁净化 试验： 3 ，铝熔钵中弥教分布褒戴化锯鬏粒魑，取爨铁蕊，检验在绥管中魄磁净纯去除锯熔搭 中缨，、# 龛瘸爽絷耱的可行蠼。 试验结聚表赣，在磁感瘦强度达戮0 0 3 t 蔽上嚣寸，锚溶俸中的流动严重影响小尺寸菲 鑫属夹杂材的去除，即便希n 髑空心圜管避行电磁净化试验，当磁感应强度为0 0 6 t ，净化 鼹间达到1 2 0 s ，巍径在5 t a n 的氧亿锅鬏靛也不骞完全去除。 美键词；电磁净化， 龛艨夹杂，嵩频磁场，净化时阆，净化效搴 铝合金高频磁场电磁净化试验研究 e x p e r i m e n t r e s e a r c h o f e l e c t r o m a g n e t i cp u r i f i c a t i o no f m o l t e n a l u m i n u m a l l o y w i t h h i g hf r e q u e n c ym a g n e t i c f i e l d a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cp u r i f i c a t i o n ( e ，w h i c hi sa n e w t e c h n i q u eo f p u r i f i c a t i o n , h a sb e c o m e o n e o fr e s e a r c hf o c u s e sb e c a u s eo fi t sn o n - p o l l u t i o n ，h i g h - e f f i c i e n c ya n dl e s se f f e c to ft h ed i f f e r e n t d e n s i t yb e t w e e nt h em e l ta n dn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n s s oa cm a g n e t i cf i e l dp u r i f i c a t i o n , w h i c h i s o n eo f t h ee l e c t r o m a g n e t i cp u r i f i c a t i o n ，h a sa l s ob e c o m eo n eo f t h em a i ns t r a yh o t sb e c a u s eo f i t s c o n v e n i e n t a p p l i c a t i o n ， i nt h i s p a p e r ，e l e c t r o m a g n e t i cb o d yf o r c e h a sb e e nd e d u c e do nt h eb a s eo ft h em a x w e l l e q u a t i o n sa n d 镪em o d e lo f 要期冒弼i e 巍c a nc a l c 越ep u r i f i c a t i o nt i m ea n de f f i c i e n c yo f d i f f e r e n t d i a m e t e ri n c l u s i o n si nm o l t e nm e t a lh a sa l s ob e e ns e tu p i no r d e rt oa c c u r a t e l ya n a l y z et h ee f f e c to f 越g hf 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 d0 1 2t h en o n - m e t a l l i ci n c l u s i o n s ，t h ee m pe x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n ew i t ht h e1 0 0 # r n 、3 0 朋a n d 1 0ed幻,wn p r i m a r ys i l i c o n sw h i c h a r en ss i m u l a t et h en o n r a e t a l l i ci n c l u s i o n sa n df l e ep r o d u c e db y 1 8 ( w t hp h o s p h o r a n dw i t h o mp h o s p h o r ) 、1 2 。6 a n d1 0 a 1 - s ia l l o y sr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ep r i m a r ys i l i c o n sa r em o r es u i t a b l et os i m u l a t et h en o n - m e t a l l i ci n c l u s i o n si nm o l t e n a l u m i n i u r a 。w h e nt h em a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t yi s0 0 3 鼍t h en o n - m e t a l l i ci n c l u s i o n sw i t ht h e d i a m e t e r1 0 0 蝴c a nb ee l i m i n a t e di n1 0s e c o n d s a n dt h es i n 斟en o n - m e t a l l i ci n c l u s i o n sw i t h t h e d i a m e t e r1 0a mc a na l s ob ee l i m i n a t e db ye l e c t r o m a g n e t i cr e p u l s i v ef o r c e ， n ek e yp r o b l e mi ne m pi sh o wt oe l i m i n a t em i n o rd i a m e t e rn o n - m e t a l l i ci n c l u s i o n s s o a l u m i n ap a r t i c l e sw i t h 蠢a m e t e r5 堋h a v eb e e na d d e di n t om o l t e na l u m i n u m a tc e r t a i np o s i t i o n n l ef o l l o w i n ge x p e r i m e n t sa r ed o n e ： 1 i no r d e rt ov e r i f yt h ef l o wi nm o l t e na l u m i n u mw i t he l e c t r o m a g n e t i cb o d yf o r c e ，a l u m i r m p a r t i c l e sh a v eb e e na d d e di n t om e l ta t c e r t a i np o s i t i o nw i t h0 7 m md i a m e t e ri r o nc o r e w h i c hi sw r a p p e db ya l u m i n m nf o i l ； 2 。i n o r d e r t os i m u l a t e e m p i n h o l l o w p i p e ，a l u m i n a p a r t i c l e s h a v e b e e n a d d e d i n t o m e l t w i t h 2 m md i a m e t e ri r o nw h i c hi sw r a p p e db ya l u m i n u mf o i l ； 3 ，w i 也a l u m i n a p a r t i c l e si n t h em e l t , e m ph a sb e e n p e r f o r m e d w i t h o u ti m nc o r ei nm b n e t h er e s m t ss h o wt h a tw h e nt h em a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t yi sm o r e t h a no ，0 3 tt h ef l o wi nt h e m o l t e na l u m i n u mw i us t r o n g l ya f f e c to ne l i m i n a t i o no f m i n o rd i a m e t e rn o n - m e t a l l i ci n c l u s i o n s a n de v e ni ft h ee x p e r i m e n ti sd o n ei nh o l l o wp i p ea n dt h ep u r i f i c a t i o nt i m ei s1 2 0s e c o n d s ，t h e 。， 大遽理工大学硬士学位论文 a l u m i n ap a r t i c l e sw i t hd i a m e t e r5 硎c a n n o tb e c o m p l e t e l y e l i m i n a t e dw h e nt h e m a g n e t i c i n d u c t i o n i n t e n s i t yi so 。0 6 t 。 k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cp u r i f i c a t i o n ，n o n - m e t a l l i ci n c l u s i o n s ，n i g hf r e q u e n c y m a g n e t i cf i e l d ，p u r i f i c a t i o nt i m e ，p u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c y 瑾， 大连理工大学硕士学位论文 l 前言 1 1 研究意义 壶子理代秘学鼓术戆发爨，为了潢慧航空麓天、汽牵露羹叁、电子器髂等领域慰金属蕊 能的越米越高的要求，出现了许许多多的踣在净化液态鑫属的工艺方法，为此，农近代科 学技术中弓| 迸了“金耩净纯”酌概念。所谓金属静净纯，甄憝秘瑁一定静物理诧掌原理帮 棚应的工艺揩旒，去除液态众属和会金中的气体、夹杂物和有诲元素的过程。 1 ) 净化是正业产品生产及应用的需要。 许多有色念属及会衾在熔炼、浇注过攫中郡袭理爨易于吸气、氧化鲍特性，戮恧导致 其中含商气体和非金属夹杂物，直接影响其冶金质量和产品的内在质量，会引起铸件或型 考孝产生针孔、气手l 窝头渣等一系歹袋陵，显著搿氐耪秘戆强度、疲势获力、辩瘸镶惶能、 威力腐蚀开裂性能和辍性等，甚至造成产品报废。所以，在熔炼、浇注过程中需要因地制 巍，采取专门的工艺措施，去除金属及台金中的气体箨珏菲金属夹杂物，戳保证产品质鼓 口1 。净化已经成为许多有色金属及会金，特别是极易吸气、氧化而冶众质爨又要求很高的 有色金脶及合众极其鞭要的、关键的生产工艺环节。先进的净化技术对于确傈有色金属殿 合金兹冷金霞爨，提窝产箍瓣最终搜震j | 垒g 其森# 豢重装鲍意义。 2 ) 鑫藩净纯遣楚久类社会生存与发袋辩需要 材料是进行各种生产活动的基础。在材料的聚掘、冶炼、加工、使用、废弃和再生等 备个环节中，常消耗大量的资源和能源，并排放大量的废气、废水翔废渣，污染了人类酌 生存环境，并攀来其它的繇蟪影响，如温嶷效应，臭氧爆破环，光、电磁、噪声污染等。 有关资料袭明，材料及其制品的生产是造成能源短缺、资源过度消耗乃至枯竭的主婺 凝嚣之一。2 0 瞧纪款穗巷5 0 孥阕，全整嚣金属李孝料瀵耗量终钇噫，瑟丧2 0 整缝8 0 年 代的1 0 年间，全世界的金属材料消耗量即达5 8 亿吨嘲。为了满足快速增长的原材料消 耗，需凝加快矿产资源的开采。煎由于矿产资源是不可荐生瓷源，骈瑷，如果入爨不麓发 现耨的矿产资源，大多数矿产瓷源将在本燃纪内陆续桔竭，将避一步影响到社会的可持续 发展。 金瀑及合金弱簧生摹熙擦兵骞嶷好懿环境效簦羲经济效茧e 具卷关资糍奔绥，生产羲 搬铝的能耗只脊生产原铝能耗的3 - - 5 ，c 0 2 排放擞则减少9 0 以上b 4 1 0 因而研究和 发震离散、节能的净亿技术，对未来享主会发震有着至关重要静俸霄。 铝合鑫商频磁场电磁净化试验研究 3 ) 发展和研究先进的金属净化工艺，是糍科技生产和发展的要求。 2 1 世纪对盒属材料的要求题高性能、劝熊化、低成本和绿色环保。而我圜现阶段冶金 行啦还存在众多问题，翔优质金属材料生产髓力低，能耗大，环境污染严重，基碱研究和 新技术开发不够等。铡鲡仪包装淆的易拽罐掰铝合金露材一颈簿年就需要进鞠十几万辘， 年耗乡 汇2 亿多美元l 。萄丽，如筒提离国产铝的质羹鞠罐高工、监麓废铝韵醚牧茅g 用率， 黠德遴我辍匿氏经济发溪其蠢黧要意义。 l 。2 铝及铝台金巾常见缺陷及其净化。 锅合金中存在谗多缺陷，这些缺陷使褥锻会金的性下降，影响到锅合愈在生产中斡 旋用。这然缺照最常见驰就是气体类( 烹要爽氢气) 缺酶帮菲盒属必杂物缺照，除戤以 外，还有裂纹、偏析、缩松、缩孔、过烧等缺陷。 1 2 1 气体缺陷疑其净纯 1 2 1 1 气体缺陷的分类及澎成 溶入锅液中的气体绝大部分是氢，氢气占铝液中气体含量的8 5 以上。氢在铝液中的 溶解度比在潮森银中大褥多，其比例怒1 9 ：1 6 1 。即使存在控审4 氢污染的鼹可行的方法，熔 融态的铝液若不经过处耀，都会禽有足以在凝圃时遥藏缺陷的氢。当温度降低时，氢在铝 液中附溶解度迅速降低，并且由于原子态盼氢觚络体中析出形成分子态的氢，结粜它可能 被封瓣在凝强豹金援中，在镪孛形残点状、潮泼或综合憋气孑0 ”。当针于l 等级越过一定标准 薅，孛莛城缝戆鞠显下降，劳影穗瓣镶耪硝辍戴纯蝗8 l t g l ，戮数使镳 孚投疲。其串网状铮琴l 或 枣分枣在晶爨及技是闻，割裂了组织闻熬联系，对极援性能的危密媳点状针孑l 还簧大。出 于氢的存在，馊变形铝形成疏松，在挤压的时候形成“貘缩尾”缺陷；氮还使板材表颇出 现气淑，使锻移中形成“壳片”和“小亮点”缺陷。其中嘉片明照降甄产龆的枧城瞧糍。 但是，铝合金中的气体并不来源于炉气中的氢。搬撰气体分析，大气中的氢分压极 低，约5 1 0 6 m p 。实践证明，铝液中的氢和氧化必杂物采螽铝液和水汽的反应翻。 锈在液态甜，与永汽发雏下弼反液： 2 a t ( 液) + 3 h 2 0 ( 汽) 2 ￥- a 1 2 0 3 + 3 h 2 ( 1 - 1 ) 3hz=6h(1-2) 2 a 1 ( 泼) + 3 h 2 0 ( 汽) ；y - a 1 2 0 3 + 6 h ( 1 “3 ) ，2 大避理工大学硕士学位论文 在一般熔炼温度下，例如，温度t - - 1 0 0 0 k ，p m o = 3 k p a ( 稳当于我国东南沿海夏季的 湿度) 时，根据热力学计簿，由于铝液与水汽发生上述反应，使得铝液表面上氯的分压可 达1 2 0 1 0 1 蜘8 。因数缀可以强烈的溶入铝液中，式( 1 3 ) 是一个非常有害的反应。为 了控割这个窍害反应，妒瓣经表蟊清毽嚣，必须预热，除去表羲嗷融的承汽，方髓进入铝 液。各种溶掰在使用前必须烘干或者脱水预熔，砂型中的水分应该严格控制。 1 2 1 。2 净纯气豁的穷法 气体净化的方法主螫柯吹气净化、真空净化和超声波处理等。 a ，欧气法 吹气法又称气泡浮游法，主要用于除氢。以不溶于铝液的气体为溶剂的气泡浮游法除 氢已经成为强今国内终镪熔铸行业较炎流行盼技术。其愿理是在镪液中通入卞骜性气体或不 溶于器液静活径气体，或翔入氯藏 t 5 # m 夹杂去除散环境污染；瘦弃过 率为4 * - 9 5 滤片难于处理 深瘴过滤耀屡避滤过滤效暴发稳定成本赛，嚣魏热装程线连续楚 邋滤 器( d b f )性比c f f 好，鬻，运杼熊护复杂，趣 使用寿命荧，处更换台金谢限制 理容量大 刚性介质滤饼过滤去除细小峡杂优对熔体滤动阻力大，在线连续处 过滤嚣予c f f ，1 0 - 2 5茹于堵簧，运行戚率耀 ( r m p ) “1 1 l 的夹杂的去高更换金有限 狳散率霹遮g 蕊 熔体静置重力沉降运行简单鼠对 9 0 - t 0 0i , tn l 抟炉内处理 燕杂有效，簸率低 气体精练气泡浮选除氮效果好只对 3 0 。4 0 u 1 1 1 的夹如果使用c l z 会带_ 谯线连续处 ( 旋转舞气)杂有效；穗熬去狳靛来邵境污袋释寝镳 琏 率为5 5 ，不稳定；问题：气体消耗量 台金元素爨烧摸太，鞋不能匿峻 熔剂喷射熔剂熔剂啵附烙剂与熔体接触盛除小夹杂效果缺少使用熔剂会造成一 炉内处理 齄炼觉势，可降低熔 验涯；定的环境污染：产在线连续处 【 剂用量生跋渣及用过的熔 琏 旋转喷吹气泡浮选科同时进行净澎成盐娄夹杂，污染 剂赡于处理； 髂剂暇甜纯、变质、细证髂体： l 缚熔体处理 6 大连瑗工大学硕士学位论文 1 3 电磁净化技术 1 3 。1 电磁净 芝技术的提出与发袋 1 9 5 4 年，dl e e n o v 和ak o l i n 【l “1 8 】首次提出电磁力对导电流体中的不导电物体能产 生挤压作用谣使萁分离的理论，但是，魄磁净化技术发展一直很缓慢。1 9 8 2 年，在剑桥举 行豹i u t a m ( 理论翻敷弼力学蓬际联合会) 会议上，知仇谚挎l 等缀告了蔫电磁分离垒耩溶 体中非导电粒子的理论分析及模拟试验研究结果，才使人们意识到该技术的实阁性和独到 之处。随厝a l e m a n y 提出了一种全新的分离技术一电磁分离技术。由于此项技术应用于 冶金领域凌金属中弱 # 念_ | i 霉夹枣i 躲去涂，箕效栗鸟鑫震净强鼓零( 妇过滤) 一襻，霆魏 也可口q 做电磁净化技术1 2 0 】。 电磁净化的主要影响因素是磁场和电流。电流按产生方式可分为由外加电源和电磁感 应产生，也w 鞋分为毫濂秘交流；磁场谣娃分为感生磁场和超强磁场，永磁场謦嚣电磁场， 还可以分为稳馕磁场私交嶷磁场( 行液磁场) 。用不同方式来缝含这两个因素，可褥到多 种电磁净化方法。但它们净化的基本原理都是一样的：根据导电帮不同的物质襁磁场中受 到的电磁作用力大小不同，利用金属熔体与非金属熔体的电导率的楚别，实现绒众属和非 金震夹杂物豹 霄 分离。通电导j 线在磁场中受 力原理懿嚣l + 1 所示，其中，f 为电磁力方 惫，i 为导体中 毫流方自，磁 场方向垂赢纸 面向内。 ooo 繇力线，垂耋纸露囊内 圈1 1 通电导线在磁场中的受力示意躅 h g 1 1s c h e m a t i cv i e wo fe l e c t r o m a g n e t i c f o r c eo ft h e e l e c t r i f i e de o n d u c t o ri nm a a ”n e t i cf i e l d 1 3 2 电磁净化技术的分类及应用 不同形式的电磁净化方案有：直流电场正交稳恒磁场呼2 2 、冰2 4 1 、交流电场阅、交变 磁场嘲、纷波磁场盼2 8 艚瑚、3 i 】、旋转磁场【3 2 】、强磁场馨3 l 裒毫频磁场器4 埘，弼等。 7 - 锅合金高频磁场电磁净化试验研究 a ，直流电场惩交稳恒磁场净化 在稳恒磁场中水平放箴陶瓷细管，细管中通入液态金属，往液态金属中通入直流电 滚，盘于通魄簿体在磁场中将受裂力的终t 霹，所以渡态金属将在重力方趣( 磁场方向在水 平面上) 上受到一个电磁办的作丽( f = j xb ，电流与磁场方向垂懑) ，液态金满中静菲 众属颗粒将受剐一个相反力的作用，并程此力的作用下发生迁移而去除口7 1 3 8 1 。但烧，磁场 和电场不可能是绝对均匀的，从而得到的电磁力也不均匀，这导致液态金属中产嫩对流运 动，分离戆夹杂锈重又重瑟遴入金i | ；嚣滚中，太大降低了滁杂效率圈。该怼滚将撬器k 夹杂豹 的定向迁移行为，最终使墩磁净化夹杂物的方法失去意义。日本的朴梭杓等采用了减小管 径的方法来抑制金属熔体的对流，结果发现，管径越小，则对流涉及范围越小，对夹杂物 分离效暴影螭魄裁越小。续爨表明，在会遥尺寸( 3 4 m m ) 麴譬邀中，对淀基本被季率专l 掉，夹杂物程电磁力的作鞴下快速移向管骥。 此方案的优点是电流施加及磁场施加均很方便，并且可很方便地改变电磁力，增强净 化效果；不是之处是电流的施加是在熔融金属中插入睡段，对高熔点金属( 如钢等) 丽 蠹，这将雩l 怒龟板漫渍污染金磊静润蘧。 b 交变电场净化 在霆影绞簸影警孛装脊滚态金藩，缎滚态金霪中藤麓瑟大豹交变奄滚，交炎瞧流与塞 身感生磁场确驻作用，对盒糯液产生指向轴心的挤压力，则不导电的夹杂物颗粒嗣管壁方 向移动，最终附着在管壁上而去除 4 0 “1 4 2 】。该方案在蜜际中的典型威用是中间包感应加热 炉；往线圈中逶入交流电浚，剧根据 祸合的原理，将在两强形游道中产生 强大的交变电流。根据前述原理，便 熊将熔融金属申的夹杂物肖效地去 涂。疫方案靛优煮是不嚣辨麴磁场， 设备简单，不需插入电极，可采用工 频电源，但缺点是须通过较大的交变 魄滚才能达到鏊懿，著曼藏时在孛蔑 包感应炉的通道中，流动为紊流，丽 紊流的形成将使分离出来的夹杂物重 灏进入熔体中，这大大降低了电磁净 涟 图l - 2 交变电流去除夹杂物示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fi n c l u s i o n r e m o v a lb ya ce l e c t r i cf i e l d 8 大琏理工大学硕士学位论文 亿的效果郴、删。另外，从去除效率来稽，该方案对徽细夹杂物( 1 2 a m ) 的去除作用不 大。交变电流去除夹杂物示意图见图1 2 。 此图中，b 为感生磁感应强度，j 为乡 = i 交变电流方向，f 为魄磁力。非金属夹杂物受 到秘逮磁力鞍，j 、，超对象疆来说受弼静楚毫磁挤鹾力，嚣恧可酞避步运动封蜜器逑舒，采 取定措施，则可以去除。 e ，行波磁场净纯 根据m a x w e l l 方程可知，线性电机中定子水平移动产生的行波磁场对置于麒中的板状 导体或线圈将产生感生电流( 涡流) ，该电流与行波磁场相互作用，使导体或线圈受到定 良力夔终麓，线选邀提中转子豹运瑟瑟楚壹这秘力驱动翡。竭榉，邀可j l 霸这转力来镬滚 体金属中的非金属夹杂物产生迁移运渤。在行波磁蛹中，液态：鑫瘸将受到一个与磁场移动 方向同向的电磁力的作用，从而使非众属夹杂物向与磁场移动方向相反的方向避移。其示 意图如1 3 黼。 为验滠该方案静可 行性，田中佳子等用含 a 1 2 0 3 夹杂龅铝液进行 了试验，缝暴在0 0 8 t 的行波磁场中，a h 0 3 夹杂物明驻地偏向了管 壁懿一侧( 与磁场移动 方向相反) ，从而证实 了移动磁场的除杂效 果。该方窳鼹像稳恒磁 圈1 3 行波磁场去除必杂物示意图 f j g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a m o f i n c l u s i o nr e m o v a lb yt r a v e l i n gm a g n e t i cf i e l d 场鸯e 妻流嘏流方案秀i 襻获褥擎自力静稼翔，毽是，钱瞧电瓿中磁汤分套戆不稳匀犍窕其它 磁场要大，因此对流的产生也更容易，这导致必须采用更有效的方法来抑制它，如果只降 低管的直襁，又将导致净化的金属量减少。 d 高频磁场净化 高频磁场首先应用在连铸的软接触结晶中。它对提高铸锭的寝面质量和组织都起到了 壤好终绳遴 擘鼹，因此人们童然也想戮了将莫用予夹杂妨的去除，s a s 鼹等9 鬈遴嚣了这方 9 。 铝台金商频磁场电磁净化试验研究 渐的研究。能们将一组盛肖铝液的坩塌黉于螺线管中，坩埚壹径为3 , - - 6 m m ，糟魏气作保 护气氛，往螺线管中通入高频电流( 频 零为3 0 或3 3 k h z ) 。箕示意图如图 i 4 。 高频磁场与铝熔体的旋层( 集肤 屡) 中感生的涡流相互作用，产生指向 聋囊心夔蘩垂力，剩夹杂秘在挠基力终焉 下向柱形表谳迁移而除去。但是，高频 磁场的不均匀性将使金属液产生流动， 该流动有利露势：一方嚣，熔体的流动 锼分离的夹杂物重新卷入剿金属液中， 影响去除夹杂效果：另一方面，该流动 又能将熔体内部的夹杂物颗粒运送到表 图1 4 嵩频磁场去豫夹杂物示意图 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f i n c l u s i o nr e m o v a lb yh i g h f r e q u e n c ym a m a e t i ef i e l d 豢( 囊l 麦藩) 内，嚣灵有强榘获屠蠹，魄磁力魏蘩嚣对夹蓉镌魏去狳方寿夫黪效莱。在集 肤层之外的迸城，产生的电磁力很小，甜夹杂物的去豫效果不明显。困此，该流幼又有利 于夹杂物的去除。根据电磁力渗透深度公式( 1 _ 4 ) 可知：频率f 越离，渗透深度6 越薄。 褒蠢颓磁场中，6 是缀薄弱，约戈几个畿涨( f = 3 0 k h z 隧上) ，舜髭，柱髂内聱躲夹杂锈 主要靠这种流动来传递到寝面的集肤屡中，在电磁力作用下两去除。 占= 历石 m 。， 上式中，5 为电磁力渗透深度，瓷零磁率，拶梵导电率，f 隽交浚电懿叛攀。 研究发蛾，当d 6 3 时( 其中d 为黼熔体直径) ，较弱的磁场缀难将夹杂物去除，只 有增加磁场强度，才有可能去除夹杂物。采用高频磁场存在的问题主要是电磁力渗透深度 阉题，靠缀簿懿电磁力鸯效作用区域爰乏实现金属中必杂物戆分离，效率上鸯定袋受到影 响，另外，麓频磁场强搅摊作用的负面影响也是个河黻。困戴，该方案还育待予滋一步酌 研究。 e 。强磁场净化 遥年来，随着超导按零酌迅速发袋，获褥超强磁场( 5 - - 2 0 t ) 瓣成本大努下降，露焉 在不远的将来，超强磁场有姐在工业上得到应用。与酱通磁场( 0 1t ) 相比，超强磁场 的磁感应强度是前者的十几倍甚至几十僚。因此，依嚣超强磁场获得的电磁力场也将大大 璞强。瑟隧灌溷鲍t 3 e a t r i c e p i i l i n 容p a s e a l e g i l l o n 等嘲攥逡了采翻越强滋场净纯金攥液匏方 1 0 - 大连理工大学硕士学位论文 案。在超强磁场中，如果金属液流动与磁力线不平行，则金属液中的非金属夹杂物颗粒将 受到两种力的作用：一种就是前面提到的电磁力，该电磁力是由金属液切割磁力线产生的 电流与强磁场的相互作用而产生；另一种力是由于非金属颗粒与金属液的磁化率不一致而 导致的。当颗粒与金属液的磁性( 顺磁或抗磁) 不一致或大小有较大差异时，在较大的磁 场梯度下，非金属夹杂物颗粒受到金属液的挤压力作用而朝某个方向迁移，结果从金属液 中分离出来，达到去除的目的。由于目前的超强磁场产生还只限于螺线管结构。在这种结 构中，电流与磁感应强度一般不成垂直方向，因而耍想获得大的电磁力场，在工业上不太 容易实现。但随着超导技术的发展，不久的将来必将实现亥姆霍兹线圈式( 磁轭) 超强磁 场，则在超强磁场中获得的电磁力场是其它任何方法无法比拟的。而另一种力场( 磁化力 场) 的利用，只对特定的体系有效，并且体积体积力还较小( 1 0 3 。n m ) ，目前关于物质的 磁化率或导磁率的数据还不齐全，因此该方法还有待进一步的研究。 1 3 - 3 各种电磁净化技术的优点及比较 去除金属液中的非金属夹杂物方法很多，每种方法都有自身的优缺点。电磁净化技术 相对其它非电磁净化方法，有以下几种特点： ( 1 ) 电磁能是一种洁净的能源，其操作的可控性为其用于金属的纯化提供了有利条 件，另外，电磁场的穿透作用，无需接触金属液而产生电磁力，加快杂质与金属 液的分离速度，避免了其他净化方法对金属液的污染。 ( 2 ) 它是利用金属与非金属夹杂物的电导性差异而将非金属夹杂物去除的，这有可能 实现快速分离那些密度与金属非常接近而靠上浮方法很难去除的微细非金属夹杂 物。 由于金属与非金属夹杂的导电率一般相差很大，因而能较好地解决以往因夹杂物 微细、渣与金密度相差小而难以除渣的问题。 ( 4 1 4 在导电液中颗粒即使比重、电导率相同，如形状不同，也可通过电磁技术分离。 ( 5 ) 电磁净化技术在有些文献中被称为“电磁过滤技术”，由于该技术所用的是一种 连续的场，它与其它的过滤技术( 如泡沫陶瓷过滤技术) 相比，它的过滤密度要 大得多，它甚至能对钢中的约2 n n 的夹杂物产生一定的作用，并且，它对液态、 气态的夹杂也能产生同样的作用，这些是泡沫陶瓷过滤器等无法比拟的a 其中，各种电磁净化方法又有自身的优缺点，见表l _ 3 。 铝合金离频磁场电磁净化试验研究 表i 3 各种电磁净亿方法的b e 较 t a b l e l 3c o m p a r a b i l i t yo f t h ed i f f e r e n t e l e c t r o m a g n e t i cp u r i f i c a t i o nm e t h o d s 狰化方法 优点缺点 不需外翻磁场，设备简单， 绥透过较大的交藏奄流；形或素 交变电流不错插入电极，可采用工频 梳，使分离出来的夹杂物重新进 入熔体中，降低了电磁分离的效 电源 鬃 恕浚施翔及磁场施船均穰方璐融金属中插入魄极，在高溶点 直流电流便，并且可很方便地改变电焱属中会引起电极浸溃污染金属 磁力，增强净化效聚 垮纯效粟缀好，魄磁力对夹磁场分布斡不均匀。容易产生= 尊亍波磁场杂物有分离阻骥作用，形残次对流 电磁过滤现象 在熊肤层 = l j f 电磁力的按压对 电磁力渗透深度不够，在集肤屡 高额磁场， 垮位效率不佳；还存在离频磁 炎疑镑夔去豫效豢鳋 场强搅拌终爝静受瑟影确 电流与磁感应强度不垂直，在工 超强磁场电磁力场强 业上不易获得大的电磁力场 1 4 本文溪突豹磊兹和痰蜜 在众多电磁分离技术方案中，由于商频交变磁场操作的简便性，得到了更广泛的关 注。e 卜k a d d a h 最早提出利用外加高频交焚磁场净化a 1 熔体的工艺，用试验验证了这种力 霹戳镬夹杂貔发生移动群”，并予1 9 9 0 年涛了专裁。y a m a o 等跌毽论上论涯了毒懋寒频线 圈感生磁场进行电磁分离的可操作性，并裔众多的辩研工作者进行了理论分析l 罅堋弼1 和探 索性试验口“蜊。目前电磁净化试验研究的主要方法是在纯金属或合焱中加入不熔性氧化物 颗粒。这梯的姣点是：当筑化物颗粒较少时试验现象不疆显，两氧优物颗粒过多则容易发 生透聚现象，缀难准确验诞瞧磁挤压力辩不同尺寸颗粒的影弼。同嚣哼，邀有焉镁合金内部 自生非金属颗粒进行电磁净化模拟试验的方法，这些方法在定程度上验证了电磁净化的 可行性孔。 缀警并麴毫磁场懿瑾谂分辑帮试验萋努究已经l 较威熬，毽还不鏊奁工篷生产中寝瘸， 其主要原因慰细管净化存猩的一些问题还没有解决，如： a 流量问题。细管的使用限制了大批量的工业产i 盼生产，增加细管的数量可以解决流 量遐瓣，毽阉露又会引莛磁场强发豹斛氐 1 2 大连理工大学硕士学位论文 b 电磁力渗透深度阔题。根据公姣( i 4 ) ，渗邂深度5 随着频率的增加而变小，在 高频祭件下( 如3 0 k i - i z ) ，渗遴深度只有几个m m 。 c 。费用阍题。电磁力对较小的夹象物( 如2 , t a n ) 也具有净化效果，僵去滁较小的夹 杂物需要较大添邀磁力，增大魄流是蹭大电磁力最直接有效麓方法，困掰会增鸯霹生 产成本。 d 对夹杂物的捕捉效率问题。陶瓷管壁对夹杂物的捕捉效率问题目前研究的较少，需 要懑一步戆试验萋嚣究。 e 陶瓷管的更换问磁。金属的电磁连续净化需鼹较长的陶瓷篱，在工业生产中更换净 化裟澄是必须要解决的问题。 综合上述，应簿电磁场连续净纯鑫满还有缀长的段路要走。本文校据强静电磁净佬 技术的发展的需要，进行了如下的理论计算和试验研究： 1 建立了电磁净化数学模型 摄据麦尧麓枣方程组，溺数学努辑懿方法对褰额交交毫磁揍孛镪终薅爨受 电磁作用力进行分析，得出了菲金属夹杂物所受的电磁挤压力与各个参数之间的 关系：建立了电献净化数学模型，根据该模型可以计算各个参数( 如非金属夹杂 物的密度、大小、金属液粘度、磁场强度、频率和细管盛径等) 对细臀内电磁净 化靛嚣藏，效率簿鼹影稳。 2 电磁净纯静锻硅台金模叛试验研究 为了更准确的分析高频交变电磁场对焱属凝固过程中不同尺寸的非愈属夹杂 物的去除效率，本文分别利用成份为1 8 ( 镩加磷和不加磷两种) 、1 2 6 0 o , 1 1 0 懿锈运会金瑟生液戆足寸不瓣熬建交寒模获 金震夹杂狻送霉亍了奄磁潦纯试验磅 究，验证了电磁力对不同尺寸q e 金属夹杂物的去除效果。 3 氧化铝颗粒定点加入电磁净化试验研究 锯台金孛数 金属夹杂物主要是氧化镁，因悉本文谯铝中加入少爨分数的氧 讹铭颗粒进行了不同的电磁净化试验研究，其中包括