電磁場(chǎng)在金屬鑄造中的應(yīng)用

張銳　鄭鵬飛　樊斌

摘 要：隨著近年來(lái)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展電磁場(chǎng)在金屬鑄造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。電磁鑄造技術(shù)因具有高密性、可控性、響應(yīng)性、清潔性及能量利用率高等特點(diǎn)使得它在金屬鑄造中有著廣泛的前景。本文主要對(duì)電磁場(chǎng)在金屬鑄造中的應(yīng)用展開論述從而促使進(jìn)一步發(fā)揮它在金屬鑄造業(yè)的的作用，最終達(dá)到能量的最大化利用。

關(guān)鍵詞：電磁場(chǎng)；電磁攪拌技術(shù)；金屬鑄造

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.013

電磁場(chǎng)在金屬鑄造的得到應(yīng)用的主要原因是金屬是電的良好導(dǎo)體并且它能在金屬在磁場(chǎng)和電流的綜合作用下金屬內(nèi)部產(chǎn)生了電磁力。在產(chǎn)生電磁力的情況下進(jìn)行人為干預(yù)，利用電磁力對(duì)融化金屬進(jìn)行傳輸和非接觸下攪拌及形狀控制從而達(dá)到金屬鑄造的預(yù)期效果。電磁技術(shù)在金屬鑄造中的應(yīng)用將會(huì)對(duì)金屬鑄造業(yè)產(chǎn)生積極的促進(jìn)作用

1 電磁攪拌技術(shù)及其應(yīng)用

（1）電磁場(chǎng)的攪拌技術(shù)。電磁攪拌技術(shù)的原理是：當(dāng)金屬在熔化爐中呈液體狀態(tài)時(shí)，液體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，人們利用不同形式的磁場(chǎng)發(fā)生裝置通過(guò)對(duì)電流和磁場(chǎng)的作用產(chǎn)生的電磁力進(jìn)行控制。通過(guò)電磁力對(duì)連鑄過(guò)程中的鋼水的流動(dòng)性、傳熱和凝固過(guò)程的控制，使鋼水的流動(dòng)性、傳熱和凝固過(guò)程按照人們預(yù)想的狀態(tài)進(jìn)行，從而使鋼的清潔度得到提高，鑄造毛坯的等軸晶區(qū)偏析得到降低，中心疏松的癥狀得到較少，以及在鑄造過(guò)程中容易造成的缺陷均得到了有效的解決，實(shí)現(xiàn)了鑄造出的毛坯達(dá)到了優(yōu)質(zhì)、高等級(jí)的目地。

（2）電磁攪拌技術(shù)的應(yīng)用及使用現(xiàn)況。人們通過(guò)電磁對(duì)液態(tài)金屬的水平、豎直向上、豎直向下的不同方向進(jìn)行攪拌，對(duì)不同的電磁攪拌下的鑄造毛坯的清潔程度檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)通過(guò)三維有限元磁流體數(shù)值模擬對(duì)不同方向電磁攪拌后的鑄造毛坯進(jìn)行檢測(cè)的方法，發(fā)現(xiàn)豎直向上的電磁攪拌方式可以減少鋼液的深度有利于鋼液中雜物的上浮，改善了鑄造毛坯的質(zhì)量。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電磁攪拌對(duì)減少等軸晶區(qū)偏析，去除有害雜質(zhì)，凈化鋼水等方面有著非常顯著的優(yōu)點(diǎn)。但如果電磁攪拌器的安裝位置不正確導(dǎo)致攪拌強(qiáng)度過(guò)大時(shí)就會(huì)時(shí)這些優(yōu)點(diǎn)大打折扣。經(jīng)過(guò)多年的生產(chǎn)實(shí)踐論證，彎月面波動(dòng)是連鑄毛坯缺陷的主要因素，而電磁攪拌器的安裝位置不正確是造成彎月面的主要原因。鋼液在電磁攪拌的離心力作用下，在液體表面形成漩渦使型壁附近的金屬向上凸起、中心位置的金屬面出現(xiàn)凹陷，從而彎月面的穩(wěn)定性遭到破壞，阻礙了潤(rùn)滑劑的流入，降低了潤(rùn)滑效果。而因?yàn)橹行奈恢媒饘倜娴陌枷菔贡Ｗo(hù)渣被卷入鋼液中造成鑄件毛坯夾雜缺陷。月彎面的不穩(wěn)定性使結(jié)晶面的控制產(chǎn)生了不良的影響，在這方的研究還不透徹，還有待于進(jìn)一步的研究和證實(shí)。

2 電磁制動(dòng)技術(shù)及應(yīng)用

（1）電磁制動(dòng)技術(shù)。電磁制動(dòng)技術(shù)的原理：電磁制動(dòng)技術(shù)的關(guān)鍵要素是洛侖磁力。當(dāng)液態(tài)金屬流速方向的垂直方向上產(chǎn)生恒穩(wěn)磁場(chǎng)時(shí)，液態(tài)金屬流經(jīng)恒穩(wěn)磁場(chǎng)與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向重合處，根據(jù)歐姆定律，在液態(tài)金屬中產(chǎn)生感生電流，而感生電流與恒穩(wěn)磁場(chǎng)的交互作用又在液態(tài)金屬中產(chǎn)生與流速方向相反的洛侖磁力。人們經(jīng)過(guò)對(duì)洛侖磁力的控制從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液態(tài)金屬的流速控制。

（2）電磁攪拌技術(shù)的應(yīng)用。電磁控制技術(shù)是穩(wěn)定在結(jié)晶器內(nèi)金屬液體流動(dòng)的有效手段，尤其在薄板坯連鑄的行業(yè)受到用戶重視。電磁制動(dòng)技術(shù)使金屬液體在注流時(shí)避免發(fā)生鑄造毛坯初期因坯殼被鋼水重熔等現(xiàn)象的發(fā)生，使結(jié)晶器窄邊的沖刷強(qiáng)度減少，從而使鑄造毛坯橫裂的凝固缺陷得以減少。

3 電磁屏蔽技術(shù)及其應(yīng)用

（1）電磁屏蔽技術(shù)。電磁屏蔽技術(shù)的原理：鋼液在攪拌器的離心力作用下，在液體表面形成漩渦使型壁附近的金屬向上凸起、中心位置的金屬面出現(xiàn)凹陷，從而彎月面的穩(wěn)定性遭到破壞，而在攪拌器線圈的上部安裝具有吸收攪拌器上部漩渦的強(qiáng)磁材料，可以消弱彎月面附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度，保證了彎月面的穩(wěn)定性。

（2）電磁屏蔽技術(shù)的應(yīng)用。電磁屏蔽技術(shù)是降低彎月面附近磁場(chǎng)強(qiáng)度的有效手段，它可以大幅度增加攪拌強(qiáng)度，使表面裂紋和皮下夾雜得到減少，提高鑄造毛坯質(zhì)量。

4 電磁薄帶連鑄技術(shù)及應(yīng)用

（1）電磁薄帶連鑄技術(shù)的原理。當(dāng)鑄造方向向外接通直流電源時(shí)，在輥?zhàn)娱g設(shè)置耐火材料并外加恒定的磁場(chǎng)，直流電源磁場(chǎng)之間產(chǎn)生平行于輥?zhàn)虞S的電磁力，封住堰與輥間的鋼水。

（2）電磁薄帶連鑄技術(shù)的應(yīng)用。側(cè)封是薄帶連鑄的關(guān)鍵技術(shù)，薄帶連鑄密封不好的情況下，鋼水會(huì)進(jìn)入棍子和擋塊之間形成尖銳的突出物。當(dāng)薄帶從間隙拉出時(shí)，大的突出物就有可能將帶邊撕裂；而利用電磁技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸側(cè)封的方法不僅能封住鋼水，而且隨著鑄造方向向外接通的電流的增加，熔潭的深度也相應(yīng)的增加。電磁薄帶連鑄技術(shù)與原本單一的電磁側(cè)封相比，電磁薄帶連鑄技術(shù)的效率得到了提高，同時(shí)輥?zhàn)优c堰的鋼水自由面的穩(wěn)定性也得到了提高。

5 電磁在金屬鑄造中的作用

電磁在金屬鑄造中起到了如下的作用：（1）使鑄件表面非常光滑，不需要鑄造后的產(chǎn)品進(jìn)行去皮加工同時(shí)沒(méi)有了常規(guī)鑄模生產(chǎn)所造成的缺陷保證了產(chǎn)品質(zhì)量；（2）使鑄件內(nèi)部組織均勻，晶粒細(xì)小；（3）冷卻時(shí)不需要使用潤(rùn)滑油，保證了冷卻水的重復(fù)利用，工人的工作條件得到了改善；（4）鑄造成品的速度同比得到了增加，同時(shí)也提高生產(chǎn)率；（5）可鑄造復(fù)雜形狀的鑄件。

6 總結(jié)

在鑄造過(guò)程中從表面開始凝固到完全凝固，液態(tài)金屬的流動(dòng)性在其中起著至關(guān)重要的作用。電磁技術(shù)的核心技術(shù)就是用電磁力控制液態(tài)金屬的凝固過(guò)程中的流動(dòng)性，用來(lái)改善鑄造毛坯的機(jī)構(gòu)、質(zhì)量及性能的過(guò)程。在常規(guī)金屬鑄造時(shí)會(huì)存在組織不均勻、偏析、鑄造應(yīng)力和裂紋等缺陷，但在鑄造時(shí)加入電磁場(chǎng)就會(huì)較好的消除鑄坯的鑄造應(yīng)力及偏析等缺陷提高了鑄坯的質(zhì)量。電磁場(chǎng)的應(yīng)用在整個(gè)金屬鑄造的工藝上具有重要的意義。

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作者簡(jiǎn)介：張銳（1978-），男，陜西西安人，碩士，助理工程師，研究方向：金屬加工工藝。