（材料加工工程专业论文）铝熔体高频电磁净化效率研究.pdf

铝熔体高频电磁净化效率研究 摘要 由于电磁净化技术的夹杂去除效率比传统的净化技术，如泡沫陶瓷过滤技术等要高 得多，甚至能对钢中约2 啪的非金属夹杂物产生显著的作用，因此有着诱人的发展前景。 可是，电磁净化技术如果不能实现在线连续处理，就无法用于工业生产。近年来，有关 电磁连续净化的研究很多，却未见有任何突破性进展。本文用浇注法对各个净化参数与 净化效率的关系进行了研究，在此基础上，为电磁连续净化的发展方向指出了一条理想 的道路。 本文考查了圆形分离管管径、分离时间和功率等参数对净化效率的影响，优化出了 在本实验条件下既能保证较好分离效果，又能保证较高生产效率的分离参数，并结合实 验，研究了螺线管内部轴向与径向的净化效率分布。 比较了圆形、方形和三角形分离管的净化效率，指出，在本实验条件下，圆形管分 离效率最大，三角形和正方形管相差不大，效率均较低。三角形和正方形分离管的净化 效率受时间和功率的影响不大。 利用电子探针，研究了电磁净化过程中试样径向夹杂物的迁移和分布规律，进一步 证实了电磁净化使非金属夹杂物向分离管边缘聚集的现象。而且通过测量心部初品硅颗 粒的大小，证明了在本实验条件下，净化3 0 s 时，试样中心区初晶硅颗粒粒径最大约 8 “m ；当净化时间延艮到6 0 s 时，中心区初晶硅颗粒粒径可达1 p m 左右，这比泡沫陶 瓷过滤法只能滤去l o l - m 以上夹杂物颗粒要好得多。 最后，设计了一套理想化的电磁连续净化方案。在设计电磁连续净化方案时，计算 比较了各种形状分离管对金属液粘滞阻力的大小解释了净化效果沿轴向呈“周期性” 分布的原因并提出相应改善措施。为了提高生产效率，分离线圈中须放置多个分离管， 同寸应联接多个线圈以增加分离管的数目。在所设计的理想净化方案中，创造性地使分 离出的非金属夹杂物与被净化的洁净金属液连续不断地从不同的通道排出，避免了反复 更换分离管，实现了在线净化的真正连续性。 关键词：电磁；争化：非金属夹杂物：净化效率；分离管；粘滞阻力；电磁连续；争化 一塑堕堕查塑里堕翌些望兰翌塞 a b s t r a c t i n f l u e n c e so f s e p a r a t i n g t u b e d i a m e t e r ， s e p a r a t i n g t i m e a n dp o w e ro n p u r i f y i n ge f f i c i e n c ya r ee x a m i n e d ，t h e nt h eb e s tp u r i f y i n gp r o j e c ti so p t i m i z e d o u t - t h ed i s t r i b u t i o n s t a t eo f e l e c t r o m a g n e t i cf i e l di n s i d es o l e n o i dis c a l c u l a t e d ，a n do nt h eb a s iso fe x p e r i m e n t s ，p u r i f y i n ge f f i c i e n c yis s t u d i e d a l o n gt h ea x i sa n dr a d i a lo fs o l e n o i d a f t e rp u r i f y i n ge f f i c i e n c i e so fr o u n d ，s q u a r ea n dt r i a n g l es e p a r a t i n gt u b e s a r ec o m p a r e d ，at r u t hi se d u c e d ：p u r i f y i n ge f f i c i e n c yo fr o u n dt u b eis m a x i m a l ， a n dt h a to fs q u a r ea n d t r i a n g l es e p a r a t i n gt u b eism u c hl o w e r w l t ht h eh e i po fe l e c t r o n i cp r o b e ，m o v e m e n ta n dd i s t r i b u t i o no fn o n m e t a l o c c l u d e df o r e i g ns u b s t a n c e sa l o n gr a d i a ld u r i n gt h ep r o c e s so fe l e c t r o m a g n e t i c p u r l f y i n g a r es t u d i e d u n d e rt h ee x p e r i m e n tc o n d i t i o no ft h ed i s s e r t a t i o n w h e n t h ee u t e c t i ca l l o ya 1 2 4 s ii sg u r i f l e da b o u t8 0s e c o n d s t h eg r a i nd i a m e t e r o fp r i m a r yc r y s t a ls ig r a i n si nc e n t e ra r e a so fs a m p l e sc a nb er e d u c e dt ol n o rs o i nt h el a s t c h a p t e r ，t m e ep r o b l e m s a r ef i g u r e do u t ：f i r s t l yv i s c o u s r e sls t a n c e st om e t a lf h i do fs e p a r a t i n gt u b e so fv a r i o u ss h a p e sa r ec a l c u l a t e d ： s e c o n d l yt h er e a s o no fp e r i o d i c a ld i s t r i b u t i o no fp u r i f y i n ge f f e c ta l o n gt u b e a x i si sm a d ec l e a ra n da c c o r d i n g l ys o m ei m p r o v e m e n tm e a s u r e sa r eb r o u g h tf o r w a r d a t1 a s to nt h eb a s i so ff o r e g o i n gc o n t e n t ，a ai d e a lc o n t i n u o u se l e c t r o m a g n e t l c p u r l l y i n gp r o j e c ti sd e s i g n e d ，i n w h i c ht h en o n m e t a lo c c l u d e df o r e i g ns u b s t a n c e s t h a ta r es e p a r a t e do u tf r o mm e t a lm e l t ，a n dt h ec l e a nm e t a lf h i dt h a ti sp u r l f l e d b yh i g h f r e q u e n c ye l e c t r o f i a g n e t i cf i e l d ，c a nc o n t i n u o u s l ya r ed is c h a r g e df r o m d i f f e r e n tc h a n n e l s s ot h ep u r i f y i n gp r o j e c tn o to n l ya v o i d st h et r o u b i eo f r e p e a t i n g l yr e p l a c i n gs e p a r a t i n gt u b e ，b u ta l s or e a li z e s t h er e a lo n l i n e c o n t i n u i t y 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 y i n g ；n o n m e t a lo c c l u d e df o r e i g ns u b s t a n c e s p u r i f y i n ge f f i c i e n c y ：s e p a r a t i n gt u b e ：v i s c o u s r e s i s t a n c e s c o n t i n u o u se l e c t r o m a g n e t i cp u r i f y i n g 铝熔体高频电磁i 争化效率研究 1 绪论 1 1 铝液中的非金属夹杂物 洁净的金属熔体是获得优质零件的保证和前提。对铝合金熔体来说，影响洁净度的 杂质主要有三类：溶解的氢，非金属夹杂和不需要的碱或碱土金属，其中非金属夹杂是 最不稳定、最难控制的因素。非金属夹杂降低熔体的流动性，损害铝合金铸件的各项力 学性能，形成各种各样的铸造缺陷，导致零件早期失效。因此，有必要对铝熔体中的非 金属夹杂物的形成机理、影响因素及其危害进行比较深入的剖析。 1 1 1 非金属夹杂物的形成机理和分类 铝液中的非金属夹杂物含量是反映铝液冶金质量的一个重要标志。 铝液中的非金属夹杂物，主要是氧化夹杂物，它一部分来源于炉料，而大部分则是 在熔化和浇注过程中形成的，根据其在熔铸过程中形成的时间，可分为一次氧化夹杂物 和二次氧化夹杂物。 一次氧化夹杂物主要指铝液浇注前形成的所有氧化夹杂物。一次氧化夹杂物按其形 状可分两类：一类是宏观组织中分布不均匀的大块夹杂物，这类夹杂物，使合金组织不 连续，降低工件的气密性能，成为腐蚀的根源，明显降低台金的强度和塑性，也往往成 为零件的裂纹源：第二类夹杂物是指细小的、弥散的夹杂物，即使经过仔细净化也不能 全除去，它使金属液粘度增大，降低凝固时铝液的补缩能力，易造成铸件的缩松。 二次夹杂物主要是浇注过程中形成的。铝液在浇道中的飞溅、紊流是二次夹杂物主 表卜i 铝和各种气体反应时的反应方程式 t a b t e 1 一lt h er e a c t i o ne q u a t i o n so fa lw i t ht h ev a r i o u sg a s e s 3 地扩3 _ 2h 0 、，2 地。m m ，+ 3 h c m 9 a l c m m + j 吼2 a k o m 一，+ ；c o ! 铝熔体高频电磁净化效率研究 要来源。铝液在砂型中，与型砂中的水分作用，将水分为氧和氢，氧与铝作用形成夹杂 物，氢熔于铝液。 铝及铝合金在熔化过程中和炉气中的0 ：、n 。、h 。o ( 汽) 、c o ：、c o 、c , h 。、也等相接 触时，将发生各种反应，其反应方程式见表卜l 。从表卜l 可见，除个别反应式生成a i n 、 a l 。c 。外，其它反应都主要生成a l 。0 3 。a l ：0 。熔点2 0 5 0 。c ，化学稳定性高，在铝液中不分 解，因此是铝液中主要的氧化夹杂物。 应当指出，铝液强烈与水汽反应，生成v a 1 ：0 。和 h ，既导致铝液吸气，又导致 铝液形成氧化夹杂物，这是一个极其有害的反应。 人们发现铝液中含有大量a 1 = o ，后，会增加铝液的含氢量，并且很难排除，在铝液 凝固时有很容易在a 1 。0 夹杂物上析出针( 气) 孔，所以，铝液中的a 1 。o 。含量对铝铸锭、 铸件，乃至铝材及制品的气体缺陷形成都有很大影响。 1 1 2 影响非金属夹杂物形成的因素 ( 1 ) 炉料纯净度 铝液中一部分夹杂物来源于炉料。不同品质的金属炉料，纯净程度不同。即使同一 等级的铝合金锭，因炉次不同，含夹杂物量也不尽相同( 参见表卜2 ) 。炉料所带来的 氧化夹杂物，在合金熔化过程中又生成的新的夹杂物，使合金的污染更为严重。因此， 为了获得纯净的合金，必须净化所有的炉料和回炉料。 表卜2 同等级不同炉次铝合金锭的a 1 0 含量 t a b l e 卜2t h ea 1 2 0 3c o n t e n t so ft h ei d e n t i e a l g r a d eb u td i f f e r e n tf u r n a c e s 炉次a 1 ：吼含量( ) 0 0 2 0 00 4 0 0 0 2 7 0 0 3 3 o 0 7 0 ( 2 ) 炉料的存放条件 炉料与水相接触，会导致熔化的铝液氧化夹杂物增多。 ( 3 ) 合金元素 为了提高铝合金的机械性能，须向铝液中加入多种合金元素。但加入铝中的合金元 素将影响铝液中夹杂物的含量。s i 、c u 、z n 元素对铝液中氧化夹杂物含量的影响，参 见表卜3 。由表可见，硅、铜、锌都会不同程度地增加a 1 一o 夹杂物的含量，但当铜、 铝熔体高频电磁净化效率研究 锌增加到一定程度时，对铝合金液中a 1 ：0 ；夹杂物的影响就不显著了。镬加入铝液后 会优先于铝被氧化，生成疏松的m g o 膜，对铝液失去保护作用，增加其氧化夹杂物。 表卜3 硅、铜、锌对铝中夹杂物的影响 t a b l e 1 3i n f l u e n c eo fs i c ua n dz n o i ll a r d s 铝及其台金a 1 ：0 ，含量( ) ( 4 ) 合金元素 铝液的纯净程度与熔炉类型及加热方式有很大关系。 电阻炉熔化比油炉熔化条件好，前者金属液面上的水汽不超过o 8 ，后者可达1 6 4 。： 频感应电炉熔化速度快，所获得的铝液含夹杂物就少。 在铝合金中，除含有a 11 0 。之类夹杂物外，炉衬的侵蚀、脱落也容易进入合金，污 染合金，如下列反应： 2 a i + 3 m e o = a 1 ：0 。+ 3 m e m g + m e o = m g o + m e 式中m e 某种金属元素。 ( 5 ) 其它工艺因素 铝液温度愈高，过热度愈大，则污染愈严重。如z l l 0 4 合金在感应电炉中熔化， 6 8 0 。c 时，夹杂物为o 0 5 ；在8 0 0 c 时，夹杂物为o 0 8 。 实践证明，铝液在炉内停留时间愈长，渗入的夹杂物就愈多。快速熔化，缩短静止 时间，有助于获得更洁净的铝液。 在熔化过程中发现，搅拌铝液容易划破氧化膜并使其从铝液表面卷入熔池下部，造 成夹杂，因此应尽量减少搅拌或在尽量不破坏表面膜情况下进行搅拌操作。 此外，冷的浇包、工具等的表面，常常吸附有水汽，砂型中含有水分，它们与铝液 接触，发生反应，促使形成氧化夹杂物。对于需变质处理的合金，如果不是先变质后净 一 塑塑堡量塑皇壁堡些鏊垩! 塞 化，丽是先净化后变质，则也会污染合金液“。 1 1 3 夹杂物的危害及去除 由于铝的化学性质活泼，通常在熔铸过程中总是难以避免非金属夹杂物的形成。常 见的夹杂物有氧化物、氮化物、硼化物等，它们大都以颗粒状或膜状存在，典型的颗粒 尺寸在l 5 0 左右，在未处理熔体中的体积分数约为0 0 0 5 o 0 2 “。非金属夹 杂物的存在增加了铝熔体粘度，降低了铝合金的铸造性能，促进形成疏松等铸造缺陷： 夹杂和气孔提供了裂纹源，造成应力集中，严重恶化零件的力学性能，造成产品的早期 失效，给铸件的“可靠性”带来极大的损害”1 ；夹杂破坏了基体的连续性，为疲劳裂纹 的萌生提供核心，并影响裂纹的扩展过程“，降低零件的疲劳抗力；夹杂颗粒还在铝及 铝合金中形成硬质点，使加工性能和表面光洁度变差，增加加工工时和刀具损耗，提高 废品率和产品成本”“。另外，由于夹杂和氢的相互作用”1 ，夹杂的存在是气体难以除 净的关键限制因素，只有去除悬浮的夹杂，才能消除去氢障碍和防止铝液增氢9 1 。 所有的铝制品都要求从熔体中尽可能地除去这些夹杂，以保证坯料的后续加工性 能、力学性能、最终制品的完整性和外观质量。随着铝制品应用范围的扩大以及对高质 量产品的不断需求，对夹杂物含量和尺寸的要求越来越严格。一般认为去除1 0 m 以上 的夹杂已足以满足普通应用的要求。但近年来微米级的细夹杂的去除也引起了越来越多 的关注。这是因为在一些重要应用中，如集成电路用键合铝丝( 丝径可细至1 8 帅) 、高 压电容器用铝箔( 厚度仅几十个) 等，l 5 u m 左右的氧化夹杂对其形成性能和力学 性能便足咀产生明显的有害作用，如造成断丝、裂纹、表面质量差以及成品率低等。此 外，虽然微细夹杂物的体积分数很低，但其数量却是一个不小的数字。例如，夹杂的平 均尺寸为j 胁，那么即使是i p p m m 的夹杂体积分数也意味着每l g 熔体中包含有约6 4 0 0 个夹杂颗粒。因此，对这些微细夹杂的去除必须给予充分的关注。 现有的去除夹杂的工艺措施对大于l o 啪的夹杂有较好的去除效果，而很难去除l 5 啪的夹杂，只能满足普通应用的要求。如重力沉降一般只对大于9 0 1 0 0 1 f i l 的夹杂有 效；气泡浮选只对大于3 0 4 0 帅的夹杂去除较为可靠”1 ；使用泡沫陶瓷过滤对大于1 0 m 的夹杂过滤效果较好( 如去除4 0 胁夹杂的效率可达9 0 ) ，而对小于1 0 的夹杂去除 效果较差( 只有3 0 左右) t 0 1 ，且过滤效率不稳定；粘结的陶瓷颗粒过滤器对于1 0 2 5 啪颗粒的过滤效果为9 0 ，但夹杂越小效果越差，对小于6 i | i l l 的夹杂无效果“。 1 ，2 电磁净化技术简介 一般来说，铝熔体只有经过净化处理才能用于工业生产，尤其是高质量的现代铝合 金产：品要求越来越精细的净化技术。铝合金净化技术应用的另一个更长远更重要的方面 是铝合金的再生利用。铝合金的再生利用具有良好的环境效益和经济效益，生产再生铝 铝熔体高频电融净化效率研究 的能耗一般仪为生产原铝能耗的3 一5 ，c 0 2 排放量则可减少9 0 以上。由以上两 个方面，可以看到铝熔体净化技术的重要性。随着全球性资源危机的一步步逼近，人类 生活和生产对铝需求量的不断增长，不断进步的生活、生产水平对铝产品质量日益严格 的要求，废铝回收技术和铝熔体净化技术越来越受到人们的重视。 利用外场的作用可以显著强化夹杂的去除效果。夹杂的电磁分离就是一种利用外界 物理场作用强化夹杂分离效率的新型物理净化方法。 121 电磁；争化技术发展概况 1 9 5 4 年，l e e n o v 和k o l i n 提出电磁力对导电流体中的不导电物体能产生挤压作用 而使其分离的理论”3 。约3 0 年后，m e m a n y 将这一理论创造性地运用于金属熔体净化 领域，提出了一种全新的分离技术电磁分离技术“。电磁分离是一种高效、稳定、 洁净地去除铝熔体中非金属夹杂物的新型技术，它利用非金属夹杂物与a l 液之间因导 电率不同而引起的电磁力差异，来实现两者的分离。即施加强电磁力场，在熔体内形成 压力梯度，使导电性差的夹杂物受到电磁斥力而被除去“。不管夹杂物与液体金属之间 的密度多么接近，都能实现分离。这种方法，理论上可有效去除微米级夹杂物，而实践 当中，去除数量少、尺寸小的非金属夹杂，正好是a 1 合金熔体净化的重点与难点之所 在，靠传统的净化方法根本无法实现。因此，越来越多的冶金专家开始寄希望于，在电 磁分离技术领域寻找更加有效的金属熔体夹杂物去除途径。 电磁分离技术自提出至今，在实验室里己开发出多种具体的处理方案，但没有一种 被成功用于大批量的工业生产。本人通过大量阅读电磁分离方面的文献及简单的实验研 究，认为原因也许是多方面的，其一，传统设备显然不能满足新技术要求，需要一套革 命性的、特殊的能较好符合电磁特性的分离设备，其二，根据分离设备和金属熔体特性， 合理选择和确定各种工艺参数，等等。在国内，稳衡磁场正交直流电场、行波磁场、高 频电磁场等技术在实验室取得了定成功。其中因高频电磁场具有方便、高效、无电极 污染等优点，引起了人们的更多注意。 近年来，日本“、美国”“”二、法国以及国内上海大学、东北大学、上海交通大学等 单位对电磁分离技术进行了广泛的研究。在理论研究方面，采用数值计算方法“”“研究 不同形状与取向的单个或多个夹杂物所受电磁斥力的大小，通过物理模拟方法“：2 3 研究 不同雷诺数范围内夹杂物颗粒在电磁场作用下的运动规律；在工艺方面，分别考查了不 同电磁场施加方式下的电磁分离效果，如交变电场”“、移动磁场”6 ”、固定交变磁场 ”。、直流电场正交稳恒磁场；= o “以及电磁搅拌、电磁制动、旋转磁场。”、超导线圈产 生的强磁场”等等一系列有效而实用的净化工艺。这里有两个比较成功的例子。第一， 上海交通大学李天晓等人，用直流电场正交稳恒磁场技术解决了降低铝硅合金中铁含量 的难题。铝硅合金中铁含量超标时，容易形成针状或汉字状为主的富铁相。该相不仅割 裂基体，造成应力集中，使材料抗拉和屈服强度降低、延伸率下降，而且又因其硬而脆， 铝熔体高频电磁净化效宰研究 大大影响了母材外观和加工特性，因此必须加以去除。传统的去除铝硅合金中富铁相的 工艺方法有，过热法、中和元素法、自然沉降法、复合净化法和离心法等，虽然这些方 法均能部分消除铁相的有害作用，但效果较差。直流电场正交稳衡磁场分离法是一种全 新的去除铝熔体中初生富铁相、降低合金中铁含量的方法，即利用直流电场正交稳恒磁 场对铝硅合金熔体先后进行两次处理，将合金中大于1 0 “m 的初生富铁相全部去除，使 合金中铁的含量从1 1 3 降到o 4 1 ，基本满足高强度铝硅合金工业生产要求”。上 海大学钟云波等人采用行波磁场技术，实现了铝合金熔体的连续净化。金属液流经电磁 力作用段时，电磁力对金属液中夹杂物有分离阻隔作用，形成电磁过滤现象；夹杂物在 行波磁场作用下发生偏聚，偏聚区域夹杂物的面积分数逐渐趋于一常数。”。他们还发现， 当电磁力大小、电磁力作用距离与金属液流速相匹配时，净化效率达到最高。 电磁分离技术在a 1 液净化方面得到广泛应用同时，也逐渐被科学家们应用于新材 料制备等其它很有发展潜力的领域。由于金属熔体和初生相导电性的差异，电磁场下通 电金属熔体受到电磁力作用，在电磁力方向上的运动受到限制，使其在金属熔体内产生 压力梯度。初生相的导电性较低，所受电磁力小于施加在熔体上的电磁力，造成在初生 相周围的力场不平衡而受到金属熔体产生的电磁挤压力的作用。电磁挤压力与电磁力的 方向相反，在此压力作用下初生相在熔体中定向移动，并按一定的规律分布在截面上。 这便是用电磁技术制备，具有高硬度( 显微硬度为h v 8 2 4 8 7 ) 、高耐磨性初生富铁相增 强a i 一11 7 0 s i 一1 2 0 f e 一1 5 0 l ； o m n 合金自生表层复合材料的基本原理，它实际上只是前 面讲的电磁分离非金属夹杂物的原理的另一种探索而已。实验中，利用稳恒磁场正交直 流电场形成的电磁力场，制备出板状、管状及环状自生表层复合材料；通过添加不同的 合金元素使金属熔体在凝固过程中形成不同性能的初生相，获得不同表层性能的自生复 合材料；通过改变电磁力大小和方向，控制增强相的分布，制备出梯度复合材料。自生 表层复合材料和梯度材料的表层均具有高硬度、抗磨、耐腐蚀等性能，为解决服役环境 中不同部位要求不同性能材料的问题提供了新途径。”。 在所有用电磁场分离夹杂物的工艺方案中，外加交变磁场是实施起来最为方便的一 种，它无需引入电极，从而避免了电极污染，而且分离效率受夹杂颗粒粒径的影响最小， 对于分离小颗粒夹杂十分有效。利用外加高频交变磁场净化a l 熔体的工艺，最早由e 1 - - k a d d a h 提出，并于1 9 9 0 年申请专利。这种方案的磁场从单侧方向施加，其最大优 点是外加磁场的旋加和感应强度大小的调节方便，但是同时也带来问题，即位于施加磁 场另侧的大部分区域磁场很弱，细小夹杂的去除效率受到很大影响。y a m a o 从理论上 论证了利用线圈感生磁场进行电磁分离的可操作性，并进行了探索性熔体实验，但是缺 乏准确的实验数据来论证各种工艺参数与夹杂分离效率的关系”3 。上海交通大学李克等 人，通过用高频磁场分离静置a i 熔体中非金属夹杂物的实验，验证了理论计算出的磁 场频率、磁感应强度、颗粒直径、电磁力作用时间、管径与集肤深度的比值等参数与夹 杂物分离效率之间的关系，求出了实验条件下夹杂物分离率达到最大时对应的各种参数 铝熔体高颁电磁净化效翠研究 值，得出较高磁场频率和磁感应强度是夹杂物高分离率的保证的结论“。在此基础上， 他们通过高频电磁场中连续净化处理铝熔体的实验研究，设计了一套可以连续净化处理 铝熔体的“过滤一电磁”复合净化装置。，如图卜l 所示。另外，营口高中压阀门厂扬 图卜i 复合电磁净化实际应用的工艺流程示意图 f i g l 1 p r o c e s sd i a g r a mo fe l e c t r o m a g n e t i cs e p a r a t i o n a p p l l e di nt h ep r a c t c a lp r o d u c t i o n 桂香和南通工学院钱熔、倪红军，从理论上分析了高频磁场连续分离铝熔体中夹杂物的 效率问题。指出，夹杂物去除效率随管径增大而降低，随夹杂物平均停留时间的延长及 磁感应强度有效值的增加而增加：增大有效感应强度或减小管径，比延长夹杂平均停留 时间提高夹杂物去除效率更为有效，但减小管径的同时需要提高磁场频率，以保持最佳 分离效果1 。 高频磁场分离夹杂物技术目前还只是处于开发阶段，面临很多困难。主要困难之一 是熔体的体积越大，熔体内的电磁挤压力就越不均匀，甚至会导致熔体的不规则运动， 形成搅拌作用。主要困难之二是电磁力渗透深度问题，靠很薄的电磁力有效作用区域来 实现金属中夹杂物的分离，效率受很大影响。目前研究所用净化装置的熔体体积很小， 分离器管径只有几毫米，集肤效应尚不明显，分离效率较高。当分离器管径大于集肤层 厚度的3 倍时，夹杂物颗粒运动距离增大，且电磁力对心部熔体难以作用，使得分离效 率迅速降低。很明显管径只有几毫米的分离器是不能用于生产的，但是从分离效率考虑， 铝熔体高频电磁净化效睾研究 管径应更小一些，形成一对尖锐矛盾，大大降低了这种高频磁场分离技术的实用性m 。 1 2 2 电磁净化技术的特点 与传统的净化方法相比较，电磁净化技术去除夹杂具有如下几个方面的优点： ( 1 ) 高效率：电磁净化技术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因而靠上浮方法很难去 除的微细非金属夹杂物，例如铝熔体中的氧化夹杂由于比表面积大、形状不规则，并有 可能吸气，一般易悬浮于熔体中，和铝熔体密度相差不大“，很难利用自然沉降、上浮 或离心将它们去除，只能用电磁净化技术：该技术所用的是一种连续的场，与其它过滤 技术( 如泡沫陶瓷过滤技术) 相比，它的过滤密度要大得多，甚至能显著作用金属液中 2 m 大小的夹杂物，并且对气态、液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。 ( 2 ) 零污染：不使用熔剂，同时又是非接触处理过程，既不对环境造成污染，也 不会给熔体本身带来污染。 ( 3 ) 稳定：电磁净化中的电磁力与夹杂的成分、状态( 气、液或固态) 和密度无 关，电磁力很容易控制，夹杂净化速率不受热动力学因素影响，在整个处理过程中基本 保持恒定。”。 电磁净化技术从萌芽到被广泛关注，其问经历了近3 0 年时间，而对其进行大规模 的研究也不过是近十几年的事。特别是从2 0 世纪9 0 年代开始，越来越多的冶金工作者 开始重视这项技术，日本钢铁业今后五年研究的重点有两个：一个是电磁连铸，另一个 就是用电磁场去除钢中的非金属夹杂物。但是，电磁净化技术目前在国内外仍只是处于 基础研究阶段，还谈不上真正的工业应用，因此仍需深入研究和发展”7 。 12 3 电磁净化技术的应用前景 前面说过，外加交变磁场的方法在所有应用电磁场分离夹杂的方案中，实施起来最 为方便。因为直流电流加稳衡磁场方案不仅需要电流和磁场两套设备，而且还存在电极 的浸渍问题，因此也就不适合于高熔点金属夹杂物的去除。而交流磁场法可以不接触金 属液，通过感应的方式施加，真正体现了电磁过滤技术的优越性。 电磁净化技术最可能应用于大型铝合金加工厂，可以提高产品的成材率和生产效 率。以此法生产的铝合金，可以直接用于轧制罐装用易拉罐等高附加值产品，代替进口， 每年可节省外汇上亿美元。市场前景非常可观。 与通常的净化技术相比，电磁净化技术提高了净化效率，降低了生产成本，改善了 铸坯内部的组织性能，易于实现自动控制。 此外，经电磁净化工艺生产的铝材还可能被用作军工、航空、电子、电力传输行业 铝熔体高频电磁净化效率研究 的主要构件，如拉伸细线材、薄箔、信息储存盘、计数器元件、汽车装饰品、飞机结构 件和无切削加工要求的精密铸件。 本论文主要研究了铝熔体的电磁净化实际上该工艺还适用于其它许多合金系列， 如镁、锌、铜以及高熔点的黑色金属等，因而具有重要的工业应用价值。 1 3 电磁净化技术原理 电磁分离技术是利用电导率差异将非金属夹杂物和金属液分离开来的。金属液所受 电磁力为 五= ，b ( 1 一1 ) 式中，是单位体积电磁力，是电磁密度，占是磁通密度矢量。在含有非金属夹杂物 的熔融金属液中施加这种电磁力时，电磁力只产生在导电性好的熔融金属液中，而在导 电性差的非金属夹杂物中并不产生。因此，非金属夹杂物就受到了和电磁力方向相反的 体积力电磁挤压力或电磁排斥力，如图卜2 所示。 m 0 1t e nm e t a l 、 誊荔霉爹。 。i 。卜! 、生 ：。 士玎：、 j 一。二二 j i _ ；o ， 三二 ，一， ( a ) 净化示意圈 o o 圆 0 - _ 一j ，专 一 i 1_| 丫口 ：一 置 旬 _ ，： = ；_ 一 ：。 0 o ( ) o o ( b ) 电磁力与电磁挤压力示意图 表示金属原子。表示爽杂物颗卡立 图l 一2 高频电磁净化技术原理图 f i g 卜2p r i n c i p a l o fh i g hf r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cp u r i f y i n gt e c h n o l o g y ， ( a ) s k e t c ho fe l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n ，( b ) s k e t c ho f e l e c t r o m a g n e t i c f o r c ea n de i e o t r o l l l a g n e t i ce x t r u s i o n f o r c e k 以i nr w 最早对磁场作用下通电流体中颗粒的受力进行了分析，对处于磁场中通电 流体的每一个微小体积元d v ，都将受到一个电磁力的作用 铝熔体高频电磁净化效率研究 d f = ( z h j ) d v ( 1 2 ) 式中，弘为导磁率，为磁场强度，j 为电流密度。对一有限元体积为r 的任意流 体元，其所受的电磁力为 f 2j ( 且h j ) d v 。( ，j 4 j ) v ( 1 3 ) 式中，( p - 影) 相当于重力场中的密度，所以f 也可以称之为电磁重力( 删奶，当该流 体元旷处于平衡时，则必有个力与之抗衡，这个力来自于周围流体，这个力称为电磁 挤压力( e , g b ) 。在均一流体中显然吕栅毫届船，但如果该体积元r 被与周围流体电导 性不一致的物质取代，则删”厶慨平衡彼破坏，该体积元受到不平衡力的作用，必 然引起它对流体的相对运动。 根据m a x w e l l 有关电磁理论，推导出电磁挤压力为 一吾鲁鲁孚工 c 卜t ， 一一一j 菇彳 u 叫 式中，0 ，和一。分别是金属液和非金属夹杂物的导电率，磊是球形非金属夹杂物的 直径。对于许多非金属夹杂物，其导电率o 。为零，式( 1 - 4 ) 就变成 瓦：一三竺，( 1 - - 5 ) 。p 4 6 j t ?j 式中负号表明，颗粒受到的电磁挤压力b 与电磁力五方向相反。而且不难看出，非金 属夹杂物所受电磁挤压力与熔体粘度无关“。 非金属夹杂物颗粒在电磁挤压力的作用下，将获得一定的迁移速度( 简称电磁挤压 速度) ，而颗粒运动的同时将受到粘滞阻力( f o = 3 矿蛉，。) 的作用。令电磁挤压力和 粘滞阻力相等，则可求出颗粒获得的最终迁移速度 匕。= - d ：f t 2 4 p ( 1 - 6 ) 而非金属夹杂物由于密度差而获得终极上浮速度则为”“ 0 ，。，= d ；昭1 8 ( 1 7 ) 将式( 1 6 ) 和( 1 7 ) 相比较得 坚：一型坐( 卜8 ) 匕g “y 4 a , o g 为了比较电磁挤压速度与重力迁移速度的大小，以a 1 一a 1 。o j 体系来进行简单的说 明。设金属液中通过的电流密度为1 0 6 a m 2 ，磁感应强度为0 2 t ，而a 1 液密度为2 5 7 x 1 0 = 。k g m 。，g 取为l o m s = ，可以算出式( 1 8 ) 中的比值约为1 l ，也就是说，a i 一0 夹杂 物颗粒在电磁挤压力作用下的迁移速度是重力下沉速度的1 1 倍，该比值与颗粒直径无 关，由此可见，采用电磁力场，能使金属液中夹杂物颗粒迁移速度大大增加，因而大大 铝熔体高频电磁净化效率研宄 提高了净化效率。 值得注意的是，上面提到的非导电颗粒不局限于固体颗粒，还可包括液态夹杂和气 泡”j 。 1 4 本论文的主要内容和目的 目前，电磁净化技术还只是处于实验室开发阶段，人们对于各种净化参数和净化效 率的相互关系的认识还很浮浅，甚至在很多方面还存在争议。看来，要真正掌握电磁净 化技术，并使其产业化，还得做大量细致而艰苦的工作。本文在大量实验事实的支持下， 拟对如下问题展开研究和讨论： ( 1 ) 考查各个电磁净化参数对净化效率的影响，优化出最佳分离方案。用圆形管 陶瓷管做分离管，a i 一2 4 s i 合金做要净化的熔体，其中s l 被视为夹杂物。通过考查不 同管径分离管在不同功率和净化时间条件下的分离效率，找出这些参数和净化效率的内 在关系，优化出本实验条件下的最佳净化方案。 ( 2 ) 对比各种形状分离管的净化效率。考查三角形和正方形分离管在不同功率和 净化时间条件下的分离效率，并与圆形分离管的分离效率进行比较。 ( 3 ) 电磁净化过程中径向杂质元素的迁移和分布研究。利用电子探针，对不同净 化时间后试样的夹杂物分布情况和杂质粒径大小进行对比研究，从微观角度考查夹杂物 的迁移规律。 ( 4 ) 电磁连续净化方案设计。在完成了前面几项内容的基础上，利用优化出的各 个净化参数，设计一套理想的净化设备。 一塑竺堡苎塑皇丝堡垡鏊兰竺垄 2 不同内径圆形分离管的净化效率 2 1 实验 用天平称取一定量的工业纯金属铝，盛于陶瓷坩埚，然后将盛有铝块的坩埚放入电 阻炉进行熔化。调节温度控制仪，使其恒温指针( 红色) 指到约8 5 0 。c ，即炉内金属最 高可被加热到8 5 0 。c 并于此温度下保温。待炉内铝完全熔化后，打开炉盖，分批加入已 经称量好的硅粒，并及时搅拌使硅充分熔于铝液内。铝硅的质量比按合金a 1 2 4 s i 配 比。本实验中，铝硅合金中的硅被视为非金属夹杂物，因其不能导电，可以象一般非金 属夹杂物一样被电磁力分离出去。 在配置铝硅合金液的同时，把之前已经制好的浇注模型( 如图2 1 所示) 放入保温 炉进行预热，预热温度设为7 0 0 。c ，以使尚未晾干的浇铸模型彻底烘干，防止吸气及浇 铸时陶瓷管破裂。浇注模型外套粗耐火陶瓷管，外径庐6 5 m m ，内径函5 0 m m ，高5 5 m m ， 加上浇口高度6 5 m m 。从粗耐火陶瓷管的中心到管内壁依次放置三个内径q - 6 m m ( 或& 8 r a m 或毋l o m m ) 、高1 4 0 m m 的细耐火陶瓷管，粗细陶瓷管之间用耐火毡填充。图2 一l ( a ) 所示 为浇注模型的浇口一端，浇口由石膏做成，深度约l o m m 。 ( a ) 俯视图 图2 - 1 浇注模型 f i g 2 - ic a s t i n gm o l d ( b ) 侧视图 当熔化铝硅合金液和预热浇注模型的工作做好以后，就可以开启如图2 2 所示的净 化装置了。净化装置包括俩个部分，即高频电源和自带循环冷却水的感应线圈。高频电 源是张家港四通电子设备厂生产的真空感应熔炼电源型号i g b t f a 一2 0 k r a ，额定频率 2 0 k z ，最大输出电流1 0 0 0 a 。感应线圈由妒l o m m 空心铜管绕制而成，外径西l o o m m ，内 径曲7 5 m m ，高1 4 0 m m ，共1 0 匝，最大磁感应强度0 0 1 t ，加载时的磁感应强度3 - - 4 1 0 “t 。当线圈处于工作状态时，空心铜管中必须有冷却水通过。 铝熔体高频电磁净化效率研究 8 高频电源 b 感应线圈 图2 - 2 净化装置图 f i g 2 - 2p h o t o g r a p h so fp u r i f y i n ge q u i p m e n t s ， ( a ) h i g h t f r e q u e n c yd o w e r ( b ) i n d u c e dc o ii 打开水泵电源，检查循环水是否处于正常循环状态。用夹钳将浇注模型从预热炉中 夹出，小心地放入工作线圈中，使模型与线圈内壁紧贴，如图2 - 3 所示。向模型中浇注 合金液的同时，开启净化电源，并用秒表记时。净化完成后，循环水继续，以尽快冷却 试样。 工 图22 陶瓷管和工作线圈的位置关系 f i g 2 - 3p o s i t i o nr e l a t i o no fc e r a m i ct u b e sa n dw o r kt u r n 本实验主要考查净化时间、分离管径、分离功率与净化效率之间的关系。时间取 铝熔体高频电磁净化效率研究 5 s ，i o s ，2 0 s ，3 0 s ，6 0 s ，管径取妒6 m a l ，庐8 m m ，函l o m m ，分离功率取6 k w 和l o k w 。 实验思路是，每管径，先后用6 k w 和l o k w 的功率净化，净化时间取法相同，即分别 为5 s ，l o s ，2 0 s ，3 0 s ，6 0 s 。对应每一管径，至少需傲1 0 个实验，三个管径值，总共 需做3 0 个实验。 图2 4 所示为本实验所浇注的一个试样( 经净化处理) 。l 、2 、3 号试棒沿线圈径 向由外向内紧密排列，l 号紧贴线圈，3 号位于线圈轴线处，2 号则处于二者之间，它们 分别与图2 - 3 中的三个细陶瓷管相对应。 图2 - 4 净化后的试样 f i g 2 - 4t h es a m p l ea f t e rp u t i f y i n g 2 2 不同内径圆形分离管的净化效率 2 21 选用a i - 2 4 s i 合金作；争化金属的依据 在元素周期表中，a l 、s i 元素一前一后紧相连，a 1 的原子量是1 3 ，s i 的原子量为 i 4 。由于原子量仅仅相差1 ，决定a 1 、s i 的密度非常接近，所以处于熔化状态时，s i 能较好地存在于a l 液中而不出现沉淀分层现象，这是选用a 卜s i 合金作净化处理材料 的主要原因之一。选用a 卜s i 合金作净化处理材料的另外一个主要原因是，作为基体元 素的a l 是导电的金属材料，而s i 是不导电的非金属材料，满足电磁净化技术的要求一 一基体金属( a t ) 和夹杂物( s i ) 之间必须存在明显的导电率差，o c 时，a l 的导电率 为4 1 0 7s m ，s i 的导电率为4 3 5 l o 1s m 。本实验所使用的a 卜s i 合金中，s i 含 量达到了2 4 ，原因是，s i 含量太小的话，净化效粟不易观察，尤其是共晶点以下的 铝硅合金，净化效果用肉眼根本就看不到，必须借助于精密仪器。由a 卜s i 二元合金相 图( 即图2 5 ) 可知，a i 一2 4 s i 为过共晶合金。根据过共晶合金的凝固特性以及上面的 分析，实验中，用肉眼观察到的“夹杂物”( 实为先共晶相s i ) 只是共晶成分点以上的 那部分s i ，占合金中总s i 量的1 2 。 铝熔体高频电酲l 净化效率研究 1 4 1 4 i l lh p l + q ， ， l 。 5 7 7 c f ；p s 1 x 图2 - 5a t s i 二元相图 f i g 2 - 5a 1 一s ip h a s ed i a g r a m 22 2 对闻、功率和管径等参数对净化效率的影响 在各种参数下的浇注试样中，我们均选如图2 4 所示的2 号试棒为研究对象a 为了 保证可比性，只研究各2 号试棒的同一位置试棒中部的净化效率。表2 1 中日。值 为各试样2 号试棒中部位置的净化效率实验值， 表2 1 净化效率实验值 t a b l e 2 - 1e x p e r i m e n tv a l u e so fp u r l l y i n ge f f i c i e n c y t f s