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利用高频磁场去除铝液中的非金属夹杂 摘要 电磁净化技术作为材料电磁加工技术的一个分支，已经逐渐发展成为具有广 阔应用前景的新型金属熔体净化工艺。在各种电磁力施加方式中，外加高频交变 磁场方式有其特有的优点：只需通过提高电磁力密度就可以去除熔体中微米级的 夹杂，而无需添加任何净化介质，熔体流经置于磁场中的分离器就可以达到分离 的目的，因此不会对合金造成污染，而且夹杂的去除效率受夹杂物颗粒粒径的影 响小，比较适合于微小夹杂物的去除。 针对高频线圈感生磁场作用下分离铝熔体中非金属夹杂的特点，本文在已有 的相关研究基础上，进一步研究了，静止状态下，铝熔体中非金属夹杂物的运动 和分离规律，推导得到了实心圆柱熔体中球形夹杂物颗粒在高频磁场中所受电磁 排斥力的计算公式。并就实心圆柱状熔体在静止状态下的各工艺参数对电磁净化 效率进行了分析和讨论，结果表明，在熔体静止状态下，r l 6 值对分离效率的影 响与频率有关，频率高，则r j6 的取值范围也宽，一般的在r l 6 = 2 6 左右可得 到分离效率的最大值。 在现有的实验设备条件下分别以t m ( 电气石) 、s i c 、a 1 2 0 3 和s i 作为铝合 金中的夹杂物进行了实验，结果表明，在频率为3 0 4 0 k h z 、电流强度为4 a 时， 分离效果比较好；但是t m 颗粒的分离效果比较差，由于结晶水的存在，试样的 表面存在很多气孔。分离器中初生s i 相的迁移行为与电磁作用时间、分离器管 径、磁场频率等参数有关；对s i c 来说，颗粒尺寸的影响非常明显；另外，对 a 1 2 0 3 的分离也取得了一定的效果，而且感应线圈内不同径向位置分离通道内夹 杂物颗粒的电磁分离效果差别很小，不同轴向位置的电磁分离效果差别则比较明 显。 理想的有限长螺线管线圈通电流后会产生中心对称的磁场，磁场在线圈端 部、特别是靠近线圈内壁处会产生急剧变化，增大长径比b a 可使磁场强度在轴 向和径向分布得更均匀些。用小线圈法测定的实际线圈中磁场强度的分布比理论 计算结果稍微偏小。 关键词：铝熔体，非金属夹杂，高频磁场，电磁分离，去除效率 利用高频磁场击除铝液中的非金属夹杂 a b s t r a c t a sa no f f s e to ft h e e l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , e l e c t r o m a g n e t i c s e p a r a t i o nt e c h n o l o g yw a sr a p i d l yd e v e l o p e d a n db e c a m ean o v e lm e l t c l e a n i n g m e t h o dw i t hm u c hp r o s p e c ti na p p l i c a t i o n a m o n gv a r i o u sm e t h o d sw i t hd i f f e r e n t w a y t oe x e r te l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，t h em e t h o do f a p p l i e dh i g hf r e q u e n c ya l t e r n a t i n g m a g n e t i c f i e l d p o s s e s s u c h s p e c i a la d v a n t a g e s a s e a s i l yr e m o v i n gm i c r o n g r a d e i n c l u s i o nf r o mm e t a lm e l tb ye n h a n c e de l e c t r o m a g n e t i cf o r c ed e n s i t y , a n dn oa d d i t i o n o f c l e a n i n gm e d i a ，t h u sw i t h o u tp o l l u t i o nt ot h ee n v i r o n m e n t ，t h el e a s td e p e n d e n c e o f t h ei n c l u s i o nr e m o v a l e f f i c i e n c yo n t h ei n c l u s i o ns i z e ，h e n c eb e i n gm o s tf a v o r a b l ef o r t h er e m o v a lo f m i c r oi n c l u s i o n s b a s e do nt h ef o r m e rs t u d yo ft h i sm e t h o d ，t h et h e s i sf u r t h e r e dt h et h e o r e t i c a l s t u d yo nt h ep r i n c i p l eo fs e p a r a t i n gn o n m e t a l l i ci n c l u s i o n s i nt h ea l u m i n u mm e l t u s i n gh i g hf r e q u e n c ym a g n e t i cf i e l d ，t h ee 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 ee x e r t e do n t h eas p h e r i c a lp a r t i c l ei nt h es o l i dc y l i n d e r - l i k em e l tw a sd e d u c e d t h ei n f l u e n c eo f v a r i o u s p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s o nt h e e l e c t r o m a g n e t i c r e m o v a l e f f i c i e n c y u n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o no fs o l i d c y l i n d e r - l i k em e l t ，q u i e s c e n tf l o w i n gc o n d i t i o n ，w e r e a n a l y z e d a n dd i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c to fn 6o nr e m o v a l e f f i c i e n c yi s r e l a t e dw i t ht h ef r e q u e n c yi nt h ec a s eo fq u i e s c e n tm e l t ，a n dn a m e l y w i d e rv a l u e r a n g eo f r d 6 c a nb eo b t a i n e dw i t hh i g h e r f r e q u e n c y n o r m a l l y t h ev a l u e o fr 6a b o u ta t2 6l e a d st ot h eb e s tr e m o v a le f f i c i e n c y o nt h ee x p e r i m e n tc o n d i t i o n ，m e l t sw e r er e s p e c t i v e l yp e r f o r m e dt oi n v e s t i g a t e t h em i g r a t i n gb e h a v i o ro ft m p a r t i c l e ，t h ep r i m a r ys ip h a s e ，c a r b o r u n d u mp a r t i c l e s a n da l u m i n ap a r t i c l e si nt h eq u i e s c e n tm e l tb yu s i n gh i g hf r e q u e n c ym a g n e t i cf i e l d r e s u l t ss h o w e dw h i l et h ef r e q u e n c yi si nt h er a n g ef r o mt h i r t yt of o r t yk h za n dt h e c u r r e n ti n t e n s i t yi s4 a ，t h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yi sb e t t e r ；d u et ot h ee x i s to fc r y s t a l w a t e r , h o w e v e rt h e r ea r em a n yh o l e so nt h es u r f a c eo fs a m p l ef o rt h em e l tw i t ht m p a r t i c l e s t h em i g r a t i n gb e h a v i o ro ft h ep r i m a r ys ip h a s ei ns e g r e g a t o rr e l a t e st o i m p o s i n gt i m e ，p i p e d i a m e t e r0 ft h es e p a r a t o r , f r e q u e n c ya n ds oo n i nt e r m so f c a r b o r u n d u mp a r t i c l e s ，p a r t i c l e ss i z eh a sm o r ei n f l u e n c e ；a tt h es a m et i m e ，t h e m e t h o dc a n s e p a r a t e t h ea l u m i n ap a r t i c l e s t o o ，f u r t h e r m o r et h ee l e c t r o m a g n e t i c r e m o v a le f f i c i e n c yh a s t i n yd i f f e r e n c ea l o n g t h er a d i a l ，b u th a sc l e a rd i f f e r e n c e ， w h e nt h ee l e c t r i cc u r r e n tw a se x e r t e do nt h ei d e a ls o l e n o i dw i t hf i n i t el e n g t h i t 利用高频磁场去除铝液中的非金属夹杂 c a nb r i n gae e n t e r s y m m e t r ym a g n e t i cf i e l d ，t h ee n ds i d eo ft h ec o i l d i r e c t i o n ， e s p e c i a l l yt h ea r e aa p p r o a c h i n gt h ei n s i d ew a l l ，i sa m o n gt h ea r e aw h e r eg r e a tc h a n g e o f t h em a g n e t i cf i e l do c e t l l 等e n l a r g e dr a t i oo f t h e l e n g t ht od i a m e t e rc a l ll e a dt om o r e h o m o g e n e o u s d i s t r i b u t i o no f t h e m a g n e t i cf l u xd e n s i t yi nt h ec o i l k e yw o r d s ：a l u m i n u m m e l t ，n o n m e t a l l i c i n c l u s i o n ，h i g hf r e q u e n c y m a g n e t i cf i e l d ，e l e c t r o m a g n e t i cs e p a r a t i o n ，r e m o v a le f f i c i e n c y 1 i i 利用高频磁场去除铝合金中的非金属夹杂 第一章前言 铝是工业应用中仅次于钢铁的第二大金属，目前全世界原铝的年产量已经超 过2 0 0 0 万吨。我国已成为世界第三大铝材消费国，铝材产量也排名世界第四位， 但同时我国又是世界最大的铝材净进口国，主要是因为与先进国家还存在生产规 模、装机控制水平及产品质量等方面的差距川。由于铝具有较高的比强度、良好 的抗疲劳性能和成形性能、高耐腐蚀性能和高导电率等优越性能，所以铝合金已 在汽车制造、航空航天、包装、电力、电子电器、建筑等各个工业领域得到了广 泛的应用【2 】【。近年来，随着汽车制造业和航空航天工业的铝合金用量的持续增 加，对合金的夹杂物的要求也越来越高，铝合金的需求也将进一步扩大。 同一个零件，不同的厂或同一个厂的不同炉次，甚至同一个厂同一个炉次浇 铸出来的铸件在性能上也存在差异，其影响因素很多，而洁净的金属熔体是获得 优质零件的前提和保证f 4 i 。就铝合金熔体来说，影响其性能和洁净度的杂质主要 有三类：溶解的氢，非金属夹杂以及不需要的碱或碱土金属，其中非金属夹杂是 最不稳定、最难控制的一种夹杂物。由于铝是非常活泼的金属，很容易跟氧和其 他元素反应生成氧化物和其它多种非金属夹杂，一方面，非金属夹杂物使熔体的 流动性下降，促进疏松的形成，降低铝合金铸件的强度、韧性和疲劳抗力，导致 其可加工性、表面光洁度差和应力集中，从而引起零件早期失效。因此，提高熔 体洁净度的重点之一就是如何去除熔体中的微米级的氧化物和非金属夹杂。另一 方面，铝合金的再生利用具有良好的环境效益和经济效益。一般生产再生铝的能 耗只有生产原铝能耗的3 5 ，c 0 2 排放量则减少9 0 以上【5 】【“，因此提高废铝 等的回收利用率也引起了越来越多的重视。 1 1 铝合金中的夹杂物 1 1 1 夹杂物的类型 铝合金熔体中的夹杂类型很多，就工业纯铝为例，熔体中的夹杂物包括氧化 物、氮化物、碳化物、冰晶石、硼化物等：如果加入晶粒细化剂，还会生成t i b ：、 v b 2 、a 1 3 z r 、a i b 2 、a 1 3 t i 等中间相。如表1 - 1 所示。 氧化物是铝合金中最常见的夹杂，它可以是熔体直接氧化产生，也可能是外 来氧化物混入。氧化物夹杂和熔体的密度相差不大，且其比表面积大，形状不规 l 利用高频磁场去除铝合金中的非金属夹杂 则，容易吸附气体而悬浮于熔体中，因此很难去除。其中，以氧化铝的存在形式 最为复杂，包括非晶态、a a 1 ：0 3 、y a l 。0 。等多达1 5 种杂质，比重从2 3 5 到 4 0 各不相同。另外，熔体处理和成型过程中，熔体表面的氧化铝膜进入熔体内 部从而形成碎片状夹杂，高温铝热反应则形成颗粒状氧化铝，在无镁合金中常有 ya l ：如和q a 1 ：0 。出现。熔炉和熔炼工具表面的耐火材料进入熔体内部会形成 s i 0 ：、z r 。0 。等氧化物夹杂。除了氧化铝之外，高温铝热反应还会产生碳化物和氮 化物夹杂，如a 1 c 。和a 1 n 。 表卜1 铝合金中的典型夹杂物 t a b l e l 一1t y p i c a li n c l u s i o ni na l u m i n u ma l l o y s 夹杂种类化学式形态 密度( g ，c m 3 ) 尺寸( u m )含量( 1 0 - 4 )来源 a 1 2 0 3颗粒 3 9 7粒0 2 3 0 氧化物膜膜1 0 5 0 0 0 m g o 颗粒膜35 8粒0 1 5氧化反应 膜1 0 - 5 0 0 0 6 1 6 耐火材料 m g a l 2 0 d 颗粒膜 36粒0 1 5 膜1 0 - 5 0 0 0 s i 0 2 颗粒 26 605 5 氯化物颗粒 i9 8 2 1 60 1 5 氯精炼、冰晶石 盐类电解液，盐炉回 氪化物颗粒 19 8 2 1 60 1 5 401 - 5 0 初生金属间 1 s i化合物 硼的加入可使t i 、v 、c r 等过渡族元素脱溶，从而提高合金的导电性，如果 这些脱熔物在炉中没有完全沉底或者是被过滤掉，就会形成如t i b ：、v b 等夹杂”1 。 2 利用高频磁场去除铝合金中的非金属夹杂 此外，t i b ：晶粒细化剂加入量过多，会形成片状或棒状夹杂。 混入熔体的重元素固态化合物通常称为渣，其中以富f e 相金属间化合物最 多，女口一a 1 15 f e 3 s i 2 ，b a 1 5 f e s i ，6 一a 1 4 f e s i z ，一a i s m 9 3 f e s i 6 ( f e m n ) 3 s i 2 a l ls 等夹杂物。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，大大影响了母材外观和加工特性，因此必须加以去除。在金属 凝固之前，熔体中还会形成一些初生金属化合物类夹杂，如m n a l 3 ，f e a l 3 ，a 1 3 z r ， t i a l 3 等夹杂瞄j 。细小的t i a l 3 颗粒( 小于5 um ) 有细化晶粒的作用，但当使用 的是质量较差的晶粒细化剂时，形成的大t i m 3 颗粒( 大于1 0 l lm ) 则对熔体有 害，影响其洁净度。 根据形成时期的不同，夹杂还可以区分为一次夹杂和二次夹杂。一次夹杂是 由原材料带入或在熔炼过程中形成的；二次夹杂则主要形成于浇注及充型过程， 表面紊流是造成二次夹杂的主要原因。在利用重力充型下，当充型速度超过临界 值( 约o 5 m s ) 时，由于惯性力的作用，液流前端的氧化膜将被打破，从而造成 氧化物夹杂分布于整个铸件内；二次夹杂因为很难去除，隐蔽性大，因而具有更 大的危害性。 夹杂物的存在给铝合金铸件的性能及其可靠性带来极大的危害性，主要表现 在以下几个方面：( 1 ) 夹杂物的存在增加了铝熔体的粘度，使其流动性下降，降 低了铝合金的铸造性能，促进形成疏松等铸造缺陷：( 2 ) 夹杂物和气孔的存在提 供了裂纹源，很容易造成应力集中，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危害；( 3 ) 夹杂物的存在还破坏了基体的连续 性，为疲劳裂纹的萌生提供核心，并影响裂纹的扩展过程，从而降低零件的疲劳 抗力；( 4 ) 夹杂颗粒能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，增加加工时和刀具的摩擦损耗，也提高废品率和产品成本。( 5 ) 夹杂影响气 体的去除。由于夹杂和氢的相互作用，使得夹杂的存在成为气体难以去除的关键 性限制因素，只有去除杂质，才能消除去氢障碍及防止铝液增氢1 9 j 】。 1 1 2 夹杂物尺寸和含量的控制标准 关于有害夹杂尺寸的控制范围，不同的产品有不同的敏感性，除了满足技术 要求外，还需要考虑净化工艺的经济性。近来的研究发现，小夹杂由于被凝固界 面不断的推移而使得其难以被捕获，而很可能成为气泡形成基底，而大于1 0 - - - 2 0 利用高频磁场去除铝合金中的非金属夹杂 um 的夹杂有可能对铸件质量带来灾难性的影响。随着铸件的薄壁化、轻量化的 要求及铸造技术的不断发展，对夹杂物的尺寸限制也变得越来越严格，特别是对 用于汽车工业和航天航空工业的铝合金结构间的要求最为严格，一般认为3 5 “m 大小的夹杂物都是有害的。 对有害夹杂物的含量要求，一般来说，应该控制在几个p p m 的数量级上。未 经任何处理的铝熔体中夹杂的含量约为0 0 0 5 0 0 2 v 0 1 ，假如夹杂的平均尺寸 为4 0 pm ，那么即使是l p p m 的夹杂浓度也意味着每l k g 熔体中包含有约1 1 0 0 0 个颗粒，可见其数量很惊人，也可以想象其危害性3 。鉴于夹杂物的危害性和现 在国内的净化技术的水平，国家重点基础研究发展规划项目( 9 7 3 ) 已将降低铝 及铝合金中夹杂物的含量作为一项重要的研究内容，提出的技术指标为夹杂物总 含量小于0 0 2 ，尺寸小于1 0 u m 。 1 2 传统的去除工艺 在原材料和铸件生产厂家，采用各种熔体处理方法去除熔体中的氢和非金属 夹杂物已成为生产高质量铝材的必要环节。去除夹杂、提高合金的洁净度不仅可 以大大提高铝材的质量和性能，而且在铝台金废铸件、废零件和浇冒口的回用、 切屑和边脚料的再生利用方面具有极大的意义，是“走可持续发展之路”在铝材 生产和应用方面的具体体现。从金属熔体中去除夹杂类似于化学工程中的分离， 本质上是利用夹杂物与熔体之间物理或化学性质上的差异实现分离并去除的。另 外，夹杂和气体之间存在着相互作用，夹杂是气体的形核核心，气体寄生于夹杂， 夹杂吸附着气体，熔体中夹杂含量高且小夹杂的数量大时，合金凝固后内部的气 子l 就会圆整且数量多【9 1 ，因此去除合金熔体中的夹杂对除气同样意义很大。 近年来国内外夹杂的去除工艺发展很快，广泛应用于金属熔体从熔化、输送 及浇注的各个阶段，常见的去除夹杂的工艺如表1 - 2 。这些方法能一定程度上去 除气体杂质如氢等和颗粒比较大的非金属夹杂，起到净化熔体的作用。但是，这 些去除夹杂的方法一方面使用效果不理想、去除夹杂效率低，不能适应高质量铸 件的要求：另一方面还存在不同程度的环境污染和资源浪费问题，不能满足可持 续发展战略的要求，因此，研究开发新型的、高效的无污染去除夹杂技术已成为 迫切的需要。 目前工业中主要用过滤、静置、气体熔炼、熔剂精炼等方法去除铝合金中的 非金属夹杂，以下简述其中几种较常用的熔体净化工艺的原理和特点。 4 利用高频磁场去除铝台金中的非金属夹杂 表1 - 2 常见的去除夹杂工艺 t a b l e l - 2c o m m o n t e c h n o l o g i e sf o ri n c l u s i o nr e m o v a l 去除工艺去除原理优点缺点 环境与资源应用 泡沫陶瓷深层过滤易于使用，可快 小夹杂过滤效率低， 过滤器滤饼过滤速更换，成本 过滤效果变化大，铸型内置 ( c f f )低； 1 5u m 夹杂去除效 整流作用：率为4 0 “o - 9 5 过滤效果及稳成本高，需加热装过滤器制造过程 在线连续处 过 深床过滤深层过滤定性比c f f 好，置，运行维护复杂，中存在资源的消理 滤 器( d b f l使用寿命长，处更换合金有限制耗和环境污染； 理容量大废弃过滤片难于 刚性介质去除细小夹杂对熔体流动阻力大， 处理 在线连续处 过滤器滤饼过滤优于c f f ，1 0 2 5易于堵赛，运行成本理 f r m f )u i l l 的夹杂的去高，更换台金有限 除效率可达9 0 熔体静置重力沉降运行简单只对 9 0 1 0 0 1 tm 的 炉内处理 夹杂有效，效率低 气体精炼气泡浮选只对 3 0 4 0um 的如果使用c l ：会带 ( 旋转除气)除氢效果好夹杂有效；总的去除来环境污染和腐在线连续处 效率为5 5 ，不稳蚀问题；气体消耗理 定；台金元素易烧损量大，且不能回收 熔喷射熔剂熔剂吸附熔剂与熔体接去除小夹杂效果缺使用熔剂会造成炉内处理 剂触充分，可降低 少验证；一定的环境污染； 在线连续处 精熔剂用量产生废渣及用过理 炼旋转喷吹气泡浮选可同时进行净形成盐类夹杂，污染的熔剂难于处理： 熔剂吸附化、变质、细化熔体： 等熔体处理 1 2 1 过滤 过滤方法相对来说发展比较早，到今天已经作为一项很成熟的熔体净化技术 得到了很普遍的应用。它主要是采用各种刚性介质或液态熔剂介质对熔体进行净 化处理的方法，工业中常用的过滤方法有玻璃纤维过滤网、泡沫陶瓷过滤器、深 床过滤器、粘结的陶瓷颗粒过滤器、刚性陶瓷管过滤器等。过滤网一般用纤维织 物编织而成，国产玻璃纤维网的孔眼尺寸一般为1 - 2 1 - 5 m m 2 ，单位面积的f l i i e 数为3 0 个，过流量为2 0 0 k g m i n 左右。这种方法有适应性强、操作简单、成本 低的优点，但是过滤效果不稳定，只能去除尺寸较大的夹杂物，对微小夹杂物的 去除效果较差。玻璃纤维网只适用于质量要求不太高的铸锭生产，且为一次性使 5 利用高频磁场去除铝合金中的非金属夹杂 用，需要经常更换，否则，会堵塞网孔，失去净化作用。 泡沫陶瓷过滤器( 简称c f f ) u2 】是近年来发展起来的较新型的陶瓷过滤材 料，它是由氧化铝和氧化铬等组成的陶瓷浆料，并借助聚胺酯泡沫成形，再经干 燥、烧结而成。这种过滤器的空隙率高、吸附面积大，对大于1 5um 的夹杂物 都有过滤作用，采用5 0 p p i 的c f f 去除能去除9 0 的尺寸不小于4 0 um 的夹杂， 但对于尺寸小于1 0 um 的夹杂来说，其去除效果很差( 大约在3 0 左右) 。c f f 使用方便，过滤时不用很高的压头，过滤初期为1 0 0 1 5 0 m m ，过流后只需 2 1 0 m m ，价格也较便宜。其缺点是比较脆，易损坏，且只能一次性使用。 粘结的陶瓷颗粒过滤器是由固定尺寸紧密堆积的分散颗粒制成的，孔隙度只 有3 8 一- 4 2 ，相当于c f f 的一半，具有强度高、耐铝合金侵蚀性能好、导热系数 高和过滤效果好等优点。由于颗粒表面不规则，形成的孔很曲折，并且玻璃一陶 瓷粘接剂能吸附和粘住夹杂物，所以其过滤效果很好，对于1 0 ，2 5um 的夹杂物 颗粒，过滤效果能达到9 0 ，但随着夹杂物尺寸的变小，其过滤效果也变差，对 小于6 1 tm 的夹杂物颗粒几乎没有效果。 深床过滤技术( 简称p d b f ) 【】3 j 是由法国p e c h i n e y 公司开发的用来过滤大批 量铝液的一种过滤技术。这种过滤器由内衬耐火层的钢骨架、氧化铝颗粒、绝缘 盖和加热系统组成，其过滤速度为1 - - 4 m m s ，通常情况下，容积为2 5 吨的p d f b 每小时能过滤2 5 吨金属液，可见其生产率很高。不过深床过滤器的成本很高， 且需要加热装置，运行维护相对较复杂。 刚性陶瓷过滤器( 简称r m f ) 1 4 】的过滤方法是将刚性的多孔陶瓷管有规则 地排布，金属液从陶瓷管的外表面向管内浸透流出，当熔体通过陶瓷管大小不等 的曲折的微细孔道时，熔体中的夹杂物被阻滞、沉降，并受到介质表面的吸附和 范德华力的作用，将熔体中的夹杂物过滤掉，其中陶瓷管是以氧化铝为主要成分 的颗粒耐火材料作骨架，用低硅玻璃作结合剂，经压制成形、低温烘干、高温烧 结而成。该方法的净化效果很好，对于大于1um 而小于1 0 l am 的夹杂物颗粒可 过滤掉5 0 以上，而对大于l o ! - 1m 的颗粒可达到9 5 以上，适于生产高质量的 铝材，比如0 0 0 5 m m 厚的超薄铝箔、飞机锻件、高强薄壁型材、易拉罐板材等。 其缺点是生产效率低，金属液的流速小，一般只有o 0 6 0 0 7 c r r d s 。 以上几种过滤器的过滤效果均随流速的增加而急剧下降，因此，液体流速的 控制以及过滤器孔的可利用面积是影响生产效率的关键环节。另外，过滤效果还 与过滤器的结构参数( 如孔隙率、微孔平均尺寸、厚度等) 、熔体流动状态、夹 杂物与金属液体的物理化学性质等有密切的关系。过滤器在过滤中捕获效率并不 利用高频磁场去除铝合金中的非金属夹杂 是恒定的，它在使用过程中存在一个最佳时蒯”】。文献 1 3 1 通过水模拟实验和熔 体实验得到几种过滤介质的过滤效率的比较结果，当流速为1 m m s 时，各种过 滤器的过滤效率从小到大的顺序为： c f f 3 0 p p i ( 2 0 t ) c f f 3 0 p p i ( 5 0 t ) r m f ( h a a ) c = 辛 c = u d = = 3 = 3 = = = 图l 。4 交变电场法的原理图 f i g 1 - 4 s c h e m a t i cv i e wo f a ce l e c t r i cf i e l d 1 6 利用高频磁场去除铝合金中的非金属夹杂 其原理是：交流电在熔体中产生感生交变磁场，外加电流与自身感应磁 场相互作用在熔体中对金属液产生指向轴心的挤压力，非金属夹杂则受到一个方 向相反的电磁力而向管壁运动，并最终附着在管壁上被除去，如图1 - 4 所示。 这种方法实际应用于净化钢液时，采用工频电流，过滤通道的最大直径可达 到0 1 m 。该方案的优点是不需外加磁场，设备简单，可采用工频电源，但容易 产生紊流，降低电磁分离的效果，而且对细小夹杂( 1 - 2 0um ) 的去除作用不大。 1 3 2 4 行波磁场儿4 3 1 利用移动磁场进行金属熔体的输运和净化的工艺方法最早由b a r g l i k 和 s a j d a k “1 等提出，并进行了实验和理论研究。此后田中佳子等采用含三氧化二铝 夹杂的铝液进行了实验，证实了行波磁场的除杂效果。其原理是在与金属液所在 导管的轴线相垂直的方向旋加行波磁场，金属液受到洛仑兹力，对非金属夹杂来 说，就会产生一个电磁排斥力，从而使夹杂颗粒移动到与电磁力方向相反的一侧 管壁而被除去，如图1 5 所示。 图l 一5行波磁场去除夹杂物示意图 f i g 1 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f r e m o v i n gi n c l u s i o n sb yt r a v e l i n g 在国内，上海交大对行波磁场方案在钢液净化方面的应用研究比较多主要 集中在行波磁场作用下金属液内紊流的产生原因和防止措施、颗粒移动速度与电 磁力之间的关系和各工艺参数对颗粒迁移效果的影响等方面。他们采用活塞流及 1 7 利用高频磁场去除铝台金中的非金属夹杂 轨迹模型进行夹杂的去除效率计算，发现在等截面积的前提下，三角形管的夹杂 去除效率比矩形管高。电磁分离流动铝熔体的实验发现：当铝液以0 2 m s 的晟 大流速流经o 8 m 的电磁力作用区间时，等边三角形管( 边长o 0 1 5 m ) 中的粒径 大于1 5um 的氧化铝夹杂能全部被除去；而采用边长为0 0 1 m 的矩形管时，只能 全部去除粒径不小于2 0um 的夹杂。 在实际应用中，行波磁场不均匀性很大，因此金属液中的扰动很严重，极大 地影响了除杂效率；而且需要的电功率很大，电磁场能的利用率很低，设备相对 复杂。 1 3 2 5 旋转磁场及电磁搅拌“” 旋转磁场和电磁搅拌方法已经成功的应用于钢铁工业中的钢液除杂方面。 虽然旋转磁场法也是采用交变磁场，但其原理与交变磁场法有本质的区别， 而且使用磁场频率也远低于工频范围。旋转磁场是利用电磁感应原理，使液体金 属产生旋转搅拌作用，由于夹杂物与钢液因存在比重差，在搅拌过程中大量聚集 上浮，便于从熔体中去除。密度比金属液大的夹杂物在电磁离心力作用下，则被 甩向熔池壁，附着在炉衬上与金属液分离。由于铝熔体与夹杂物( 如a 1 2 0 3 等) 的密度差很小，且剧烈搅拌导致铝熔体氧化严重，因此该方法不适用于分离铝熔 体中的夹杂。 电磁搅拌法的原理则是在电磁力作用下金属熔体产生流动，从而产生搅拌 作用，使得夹杂物相互碰撞、夹杂与炉渣及炉村碰撞，提高夹杂物的去除效率， 其装置如图1 - 6 所示。同时，在搅拌的过程中大量夹杂会聚集上浮，从熔体中除 去。但是，当非金属夹杂比重与金属接近时，电磁搅拌的方法就不适用了。 1 3 2 6 强磁场” 近年来，随着超导技术的迅速发展，获得超强磁场( 5 - 2 0 t ) 的成本大大降 低，使得超强磁场净化法在工业上的应用也变成了可能。法国的b e a t r i c e & p a s c a l e 等提出了利用超强磁场进行金属液净化的方法。 超强磁场的磁感应强度是普通磁场的十几倍甚至几十倍，因此获得的电磁 力场将大大增强。在强磁场中，如果金属液流动与磁力线不平行，则颗粒将受到 两种力的作用：一种由金属液切割磁力线产生的洛仑兹力，另一种是因非金属颗 粒与金属液的磁化率不一致而产生的磁化力。在较大的磁场梯度下，颗粒将受到 挤压力作用而朝某个方向迁移，从而从金属液中分离出来。其优点是磁感应强度 利用赢频磁场去除铝合金中的非金属夹杂 大，电磁力大，但由于目前的超强磁场产生还只限于螺线管结构，要想获得大的 电磁力场在工业上不太容易实现，投资费用较高。 图1 6 电磁搅拌装置 f i g 1 6e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n ge q u i p m e n t 综上所述，与传统方法相比较，电磁分离法去除夹杂具有以下几方面优点： ( 1 ) 高效率：施加强电磁场可以比较彻底地去除大夹杂物，而且也可以有 效地去除微细夹杂，能满足高洁净度要求； ( 2 ) 无污染：不适用熔剂，同时又是非接触处理过程，即不对环境造成污 染，也不会给熔体本身带来污染； ( 3 ) 稳定性高：电磁分离中的电磁力与夹杂的成分、状态( 气态、液态或 者固态) 及密度无关，电磁力很容易控制，夹杂的分离速度也不受热动力学因素 影响，在整个处理过程中基本上处于稳定状态； ( 4 ) 可连续性：特别对熔体连续流动的连铸场合，能连续地净化金属液； 1 4 实验目的和实验内容 以往的电磁分离方面的研究还大多只限于实验室条件，只有很少的验证性试 验，很多方面的研究进行的还不够深入，还存在一些缺点，本文主要针对上述不 足，开展了以下几个方面的研究 ”1 ： 1 9 利用高频磁场去除铝合金中的非金属夹杂 1 4 1 电磁分离过程的动力学和运动学研究 在颗粒的受力分析方面，除球形颗粒和长圆柱体颗粒的受力有过研究以外 ( 带有很多假设) ，其他形状的颗粒的受力分析很少；在对颗粒的迁移过程的研 究中，对于雷诺数小于0 2 的情况下的颗粒的极限速度有了理论和实验研究，而 对于非s t o k e s 区域的颗粒的迁移速度还不清楚；在外加磁场方案中，圆柱状熔 体中心区域的颗粒由于远离集肤层而受力很小，使得其分离效率受到一定影响， 这个问题还需要进一步的研究来解决。另外，还缺乏足够和准确的实验数据来论 证和优化各种工艺参数与电磁分离效率的关系。 1 4 2 连续净化处理铝合金的基础和应用研究 到目前为止，大部分实验研究仅局限于静止熔体净化情况，对于连续流动处 理的研究很少。外加磁场方面，山尾文孝等只进行了圆管分离器内的静止熔体实 验，对流动情况的理论效率的计算结果未能用实验进行验证。上海交大用行波磁 场方式进行了模拟合金熔体的连续净化处理，人为地增加了熔体中的夹杂含量， 在一定程度上定性的说明了电磁净化的效果，但没有用实际的实验验证。 1 4 3 电磁连续净化处理过程中，分离效率的研究 对于理想的均质熔体来说，其粘度一般不会发生变化且处处均匀，管内熔体 的边界层厚度可以根据轨迹流模型的流速分布计算得到，但是在实际情况下，金 属熔体中的夹杂含量对熔体粘度有很大的影响。据相关研究表明，固相颗粒的加 入会改变熔体的粘度及流动性，随着颗粒体积分数的增加，熔体的物理性质也会 发生显著的变化，熔体的粘度增加，流动性下降。换句话说，由于夹杂在分离器 内壁的不断沉积，使得局部熔体的粘度上升，此时的层流边界层的实际厚度将不 同于理论值，管内流动的流速分布将发生变化，实际的分离效率也会随之变化。 1 4 4 电磁场的均匀性研究 所有的理论分析和计算都建立在螺线管线圈无限长、感生磁场沿轴向均匀分 布的假设基础上，与实际的情况有着很大的差别，因此有必要对有限长螺线管线 圈内的磁场分布进行研究。 2 0 利用高频磁场去除铝合金中的非金属夹杂 理想的无限长的螺线管线圈感生磁场只有一个轴向分量b ，磁场中的圆柱 导体的受力可简化成只受径向的电磁斥力作用。而实际中使用的感应线圈往往长 度有限，其内部磁场轴向分量沿长度方向呈类似抛物线的形状分布，也就是其轴 向分量不为零。所以，为了使电磁净化工艺达到或接近理论计算值，应测量有限 长螺线管线圈中的磁场分布情况，并对构成感应线圈的各个环节进行优化，以获 得较均匀的磁场分布。 1 4 5 电磁场引起流体扰动的本质分析与消除 不同区域间存在温度差从而产生对流换热，局部流动阻力不均匀导致的涡 流，不均匀磁场力使金属液产生无规则流动等因素，均能产生紊流。尺寸越小的 夹杂颗粒，其随流性越明显，这就是说如果在分离器孔中流体为紊流流动时，细 小夹杂颗粒将发生无规则运动，在短时间内将无法借助外加电磁力作用产生定向 运动而被除去。紊流究竟对夹杂颗粒的分离过程会产生多大程度的负面影响，目 前还没有有说服力的定性的解释，因此很有必要进行更深入的研究。 本论文主要研究目的是利用高频磁场在铝液中对非金属夹杂物产生的电磁 排斥力，使铝液中非金属夹杂物得到分离，探索各种工艺参数对其分离效率的影 响，进一步使工艺合理化，从而改进现有的分离技术，为其工业化应用奠定基础。 利用高频磁场去除铝合金中的非金属夹杂 第二章高频磁场作用下铝熔体中夹杂物电磁分离过程的 理论分析 铝合金铸件中的夹杂物对材料断裂过程的影响很大。当材料受到拉伸作用 时，裂纹首先会在夹杂物和基体界面或夹杂物本身成核，并在裂纹前缘处产生严 重的应力集中；当拉应力超过屈服强度时，裂纹尖端附近首先发生塑性变形，形 成一个塑性区，导致应力松弛，尖端钝化。随着塑性区扩大，裂纹前端的夹杂物 进入塑性区。由于夹杂物与基体间的结合力较弱，在拉伸应力的作用下，夹杂物 与基体分离，从而形成最初的微孔。继续加大载荷，裂纹尖端与微孔之间的内颈 缩加剧，使裂纹尖端和微孔迅速聚合，裂纹开始向前扩展，此外，与夹杂物伴生 的疏松直接成为裂纹源，从而降低合金的抗拉强度、屈服强度等机械性能。 2 1 高频磁场分离熔体中夹杂的基本原理 ( a ) “线圈一陶瓷管”体系示意图 o o o o 圆 ： 扎 0 ；旁 i - _ _ 0 肠 、 o ( ) ( ) z 0 o ( b ) 电磁力与电磁挤压力示意图 表示金属原子0 表示夹杂物颗粒 图2 1 利用高频磁场去除夹杂物示意图 f i g 2 1 t h es k e t c ho f s e p a r a t i n gi n c l u s i o nb yh i g hf r e q u e n c ym a g n e t i cf i e l d 利用高频磁场去除铝台金中的非金属夹杂 早在二十世纪八十年代，k o r o v i n 4 6 1 等就对用外加交变磁场分离金属熔体中 夹杂颗粒的方式进行了系统的理论研究，得出了无限长理想螺线管感生磁场中作 用于熔体的电磁力计算公式。其后，浅井滋生、山尾文孝p o 【3 7 1 等用模拟熔体实 验证实了利用高频线圈感生磁场进行电磁分离的可操作性，但是缺乏足够和精确 的实验数据来论证各种工艺参数与电磁分离效率的关系。上海交大对圆管分离器 即实心圆柱体熔体中夹杂颗粒的受力情况及分离效率随不同电磁分离工艺参数 的变化规律进行了理论分析，但仍有很多疑问没有得到解决47 1 。其原理示意如 上图2 一l ： 根据电磁感应定律和m a x w e l l 方程可知，在无限长直螺线管线圈中通入交流 电，其内部将会产生频率与交流电相同的感生交变磁场b ，此时若将充满熔融金 属的陶瓷管置于变化的磁场中，会在金属中感生出频率和交变磁场一致的涡电 流。设定磁感应强度和感应电流密度的实部分别为 b = r e ( o p 。“) ( 2 1 ) ，= r e ( , 。p ) ( 2 2 ) 式中，r e 表示复数的实部。涡流与感生磁场相互作用而产生指向轴心的电磁力 f 如图2 - 1 所示。当含有非金属夹杂的熔融金属受到这种电磁力的作用时，由 于非金属夹杂与金属在导电性上的