電磁技術(shù)在金屬材料科學與工程中的應用

王旭江

摘 要：經(jīng)濟社會的不斷前進發(fā)展也為科學技術(shù)的發(fā)展提供了強大的動力，而電磁技術(shù)也隨之得到了極大的發(fā)展，并且當前電磁技術(shù)不止應用在物理學之中，而且已經(jīng)廣泛應用在工業(yè)之中，在金屬材料科學與工程中的應用也正在發(fā)展優(yōu)化過程之中?；诖耍疚氖紫确治隽穗姶偶夹g(shù)，再分析了當今電磁技術(shù)的發(fā)展方向，最后分析了電磁技術(shù)在金屬材料科學與工程中的應用，以此來供相關(guān)人士交流參考。

關(guān)鍵詞：電磁技術(shù);金屬材料科學;工程應用

引言

電磁技術(shù)是在物理學基礎(chǔ)上發(fā)展而來，雖然起步較晚，但是發(fā)展非常迅猛，已經(jīng)應用到了人們生產(chǎn)生活的各個方面，對人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了不小的影響。目前國內(nèi)對于電磁技術(shù)的應用相比于外國而言更加薄弱，時間更晚，但是其對于科學技術(shù)的推動起到了非常重要的作用。

一、電磁技術(shù)

電磁技術(shù)是是基于電磁熱流體力學為理論，而電磁冶金是關(guān)于材料制造與冶金的一種新興的工程學科。電磁冶金通過金屬受到的洛侖磁力來對金屬的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生改變，并且對于金屬的表面形態(tài)以及內(nèi)部流動的方式也會產(chǎn)生影響。在密閉的環(huán)境下，電磁力可以通過非接觸的方式進入到金屬的內(nèi)部，使得金屬內(nèi)部的組織性能提高，改善材料的質(zhì)量，還可以避免金屬的氧化。隨著電磁技術(shù)的發(fā)展，電磁流體力學被人們所發(fā)現(xiàn)，并將其應用于冶金生產(chǎn)過程中，并在生產(chǎn)發(fā)展之中逐步發(fā)展出了電磁懸浮熔煉、電磁攪拌等冶金技術(shù)，并且還發(fā)展到了材料制備過程中，也就是材料電磁過程[1]。

低頻電磁鑄造技術(shù)，簡稱EMC，是通過電磁感應原理來進行無模型的連續(xù)鑄造。利用低頻鑄造技術(shù)可以有效使得晶粒細化降低宏觀上的偏析，使得鑄態(tài)力學的性能顯著提升，使得鑄錠表面更加完善，可以在一定程度上減少鑄造時裂紋的產(chǎn)生。一般低頻電磁鑄造技術(shù)的鑄錠表面的偏析瘤比較稀少并且表面較為光滑，但是都會有非常淺的豎紋[2]。一般低頻電磁鑄錠的平均晶粒尺寸都很小且鑄錠都是等軸晶組織;在鑄造的過程中的形核率就會大大增加，這就使得組織可以更加細小且能夠均勻分布。

電磁懸浮熔煉技術(shù)，簡稱EML，通過線圈的交變電流來產(chǎn)生電磁場，這樣就可以產(chǎn)生感應電流，感應電流在空間之中可以產(chǎn)生電磁力使得金屬可以懸浮在空間中，同時感應電流還可以對金屬進行加熱熔化，對其進行過熱熔煉等等。電磁懸浮熔煉技術(shù)在進行加熱熔化和凝固時，都不會觸碰到熔爐的內(nèi)壁，這可以使得熔爐內(nèi)部更加清潔，避免受到污染，同時也可以增大熔爐的熔化量。合金元素與金屬粉末在燒結(jié)成為試樣以后，利用電磁作用可以使得熔化的各種材料得到充分的混合，在真空環(huán)境下進行試件的加熱熔化，能夠得到更加純凈無雜質(zhì)的材料。然而使用電磁懸浮熔煉技術(shù)依然有一些無法避免的缺陷，電磁懸浮相比其他技術(shù)而言，其效率更低并且穩(wěn)定性較差，對于溫度難以把控。并且電磁懸浮的體積比較巨大，頻率也比較高，因此其使用也受到了很大的限制，在今后的發(fā)展之中，電磁懸浮技術(shù)可以盡力往小型化的方向發(fā)展。

二、電磁技術(shù)的發(fā)展前景與方向

當前電磁技術(shù)的主要發(fā)展方向，可與材料科學與工程應用兩者結(jié)合，提高材料制造的質(zhì)量與效率，這將可以極大提升新型材料的物理性能，能夠使得新型材料的生產(chǎn)良率得到提高，這也將是未來一段時間電磁技術(shù)的主要發(fā)展方向。當前在新型材料的制備過程之中，國內(nèi)目前已經(jīng)有了此類項目的研究并且取得了一些階段性的成果，但是這些項目還并沒有轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)力。但有幸的是當前已經(jīng)有越來越多該領(lǐng)域以及相關(guān)專業(yè)的人才已經(jīng)開始注重電磁技術(shù)的發(fā)展，許多專業(yè)技術(shù)人員都偏向于將電磁技術(shù)發(fā)展到材料科學之中。但目前在金屬材料科學中引入電磁技術(shù)我國還處于起步階段，利用電磁技術(shù)還有很大的發(fā)展空間，應用前景廣闊，但由于技術(shù)限制等諸多的因素，電磁技術(shù)利用還不能大規(guī)模展開。因此需要我們更多的相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)研究學者與技術(shù)人員共同努力，將理論進行不斷的發(fā)展并將其高效地應用到實踐之中，使其能夠更快地轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)力創(chuàng)造經(jīng)濟效益，從而服務人民，造福社會。

三、電磁技術(shù)在金屬材料科學與工程中的應用

（一）電磁攪拌的應用

在金屬材料科學中應用電磁技術(shù)，其中電磁攪拌技術(shù)的應用最為廣泛。電磁攪拌技術(shù)是通過電磁感應來產(chǎn)生作用力，使其能夠?qū)σ簯B(tài)金屬做出定向的促使液態(tài)金屬能夠進行規(guī)制運動的推動力，由此來改變液態(tài)金屬的物理形態(tài)。使用電磁攪拌技術(shù)能夠利用鑄造抔來進行定型，這可以使得液態(tài)金屬的凝固過程得到極大的改良，與人工鑄件相比，能夠大大改善液態(tài)金屬的分子遷移與熱傳導能力，在凝固過程中采取電磁攪拌，使得液態(tài)金屬的凝固組織得到極大的改善[3]。電磁攪拌能夠在很大程度上提升金屬材料的品質(zhì)，并且對生產(chǎn)工具的磨損程度很小，可以顯著提升生產(chǎn)工具的使用壽命，也可以在一定程度上減輕專業(yè)工作人員你的勞動強度。目前國內(nèi)已經(jīng)有一些企業(yè)在使用電磁攪拌技術(shù)，并且取得了不小的收益，效果反響明顯。

（二）電磁制動的應用

在過去的板坯連鑄時，浸入式水口會噴出高速流動的鋼液，過快的流速會導致結(jié)晶器中鋼液形成劇烈的湍流，引發(fā)鋼液面的波動，這就會使得卷渣較多，這也會造成結(jié)晶器壁被強大的射流流股過分沖刷，造成窄面的凝固殼被熔。這些流股還具有穿透性，能夠讓一些雜質(zhì)被沖入到凝固殼之中，這也是破壞板坯質(zhì)量的重要因素之一。使用電磁制動技術(shù)可以在結(jié)晶器水口處與水口流出的鋼液方向互相垂直的一個持久穩(wěn)定的磁場，而液態(tài)金屬一般會切割磁力線來進行運動，根據(jù)歐姆定律，這就會使得液態(tài)金屬內(nèi)部出現(xiàn)電流，而電流與磁場會進行交互作用，使液態(tài)金屬內(nèi)出現(xiàn)與液態(tài)金屬流動相反的洛倫磁力。這就可以利用這種對于液態(tài)金屬流動的形式來提升鑄坯的質(zhì)量，對于操作工藝有極大的改善效果。

（三）電磁鑄造的應用

電磁鑄造技術(shù)最早源自于蘇聯(lián)，是一種無模的半連續(xù)性的鑄造技術(shù)，使用冷銅線圈感應器來束縛液態(tài)金屬立柱，使電磁力作為其支撐。在流場以及電磁場等綜合作用之下，利用電磁力將液態(tài)金屬約束成型，這也是當前全球最常見的鋁合金的鑄造方式。在感應器中接入交變電流，可以產(chǎn)生交變電磁場，當液態(tài)金屬流經(jīng)磁場時，會產(chǎn)生感應電流，感應電流與液態(tài)金屬流向相反，其與磁場相互作用可以形成向線圈中心方向的電磁力[4]。電磁力給予液態(tài)金屬支撐來使得其在感應器的內(nèi)部成型，鑄機又帶動鑄錠下移并不斷向上輸送金屬液，鑄錠會受到感應器持續(xù)的冷水噴淋，最終使得液態(tài)金屬冷卻成型。由此可見，與普通的鑄造技術(shù)相比，電磁鑄造獲得的金屬材料其組織能力更加優(yōu)良。

（四）電磁凈化的應用

電磁凈化技術(shù)是指利用磁化技術(shù)，將液態(tài)技術(shù)內(nèi)部的雜質(zhì)去除出去。具體操作是在陶瓷管內(nèi)加入規(guī)定量的金屬液體，將注入金屬液的陶瓷管放入磁場之中，利用磁場不斷的變化作用可以將金屬液體改變成與磁場變化規(guī)律相同的渦流。磁場與渦流也會互相影響，產(chǎn)生出電磁力并朝向軸心方向。一般金屬材料與非金屬材料相比擁有更好的導電性能，且一般含有雜質(zhì)的電流密度也比較小，因此電磁力對其影響也較小，此時雜質(zhì)就會在反向體積力的作用之下與電磁力的反方向進行運動，最終粘附到管壁上，此時就可以輕易將其去除。根據(jù)大量的研究，可以驗證利用高頻與高強度的磁場對于液態(tài)金屬中雜質(zhì)的去除能夠起到更好更潔凈的效果。目前國際上對于電磁凈化的分類主要分為兩大類，一是感應式凈化，二是傳導式凈化，一般兩者采取的方案都有旋轉(zhuǎn)磁場、高頻磁場、交變復合電磁場以及交變電流或是直流電等方案進行。因此在進行液態(tài)金屬凈化時，可以加大分離器的管徑并增強磁場的感應強度，這可以使得液態(tài)金屬的凈化能夠更加徹底，并確保液態(tài)金屬的凈化工作能夠順序有效的進行。

四、結(jié)束語

綜上所述，電磁技術(shù)還依然是處于一個比較新的發(fā)展階段，電磁技術(shù)在材料科學方面的應用發(fā)展還有很大的潛力值得去挖掘，相關(guān)領(lǐng)域還有很多具有重要意義的科學研究還未進行。在材料的研究加工生產(chǎn)之中，電磁冶金技術(shù)已經(jīng)成為了提高生產(chǎn)工藝和材料質(zhì)量的重要技術(shù)，而電磁技術(shù)所擁有的安全性能以及其優(yōu)勢是材料科學今后發(fā)展的必需技術(shù)。對于電磁技術(shù)的研究發(fā)展，我國還與國外有一定的差距，應當努力縮小差距，并且使電磁技術(shù)能夠在我國的應用更加廣泛，及時使得研究成果轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)力，推動我國金屬制造行業(yè)的發(fā)展前進，并且借此來促進我國材料科學的不斷發(fā)展和進步。

參考文獻

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