金屬建材電磁連鑄技術(shù)復(fù)習資料.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除1.1 電磁冶金工藝發(fā)展概況19世紀初，英國人法拉第通過分析海水運動和地球磁場的關(guān)系來研究磁流體動力學（MHD）；磁流體動力學（MHD）現(xiàn)象是指在導(dǎo)電的液體里，速度場和磁場相互聯(lián)系又相互影響的現(xiàn)象；把磁流體動力學應(yīng)用于冶金工業(yè)，稱為電磁冶金，也叫材料電磁工藝（EPM）；導(dǎo)體在磁場中運動產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流也產(chǎn)生磁場（發(fā)電機的原理）；通電的導(dǎo)體在磁場中產(chǎn)生電磁力（電動機的原理）；電磁力使液體導(dǎo)體運動，并伴隨三種現(xiàn)象：電磁熱、電磁攪拌、電磁壓力，這三種現(xiàn)象在材料冶煉、成形、凝固等工藝中廣泛應(yīng)用；電磁冶金技術(shù)的研究是從電磁場控制金屬的凝固過程開始的；電磁場控制凝固過程是金屬凝固原理與電磁理論相結(jié)合的產(chǎn)物，以凝固理論為基礎(chǔ)，借助電磁場來控制液態(tài)金屬的熱量、質(zhì)量、動量的傳輸，獲得預(yù)期的凝固組織和優(yōu)質(zhì)材料；電磁控制凝固的動力是金屬連鑄技術(shù)；電磁攪拌可以改善金屬連鑄坯的質(zhì)量；1952年，第一臺電磁攪拌裝置在連鑄機上實驗；隨著汽車工業(yè)對優(yōu)質(zhì)板材的急需，產(chǎn)生了電磁制動技術(shù)，可提高連鑄板坯的質(zhì)量；我國電磁冶金技術(shù)開始于20世紀60年代，最早是哈工大等院校和研究院所；70年代后，我國引進了一批特殊鋼連鑄機和板坯連鑄機；我國現(xiàn)已研究成功各種電磁攪拌器；1.2 國內(nèi)外電磁冶金研究進展法國、日本等發(fā)達國家正不斷加快對電磁冶金工藝的研究與開發(fā)：1、結(jié)晶過程控制 主要是向結(jié)晶器施加低頻脈沖電磁力、超高頻連續(xù)作用電磁力、高頻振蕩電磁力2、電磁結(jié)晶器設(shè)計 電磁結(jié)晶器必須允許磁通量通過，現(xiàn)在多用分瓣結(jié)構(gòu)的電磁結(jié)晶器，存在不足3、電磁制動技術(shù) 利用磁場對結(jié)晶器內(nèi)的高速鋼水進行制動。人們正積極研究磁場對非金屬、有機體的影響，人們還把生存環(huán)境的凈化也寄望于電磁工藝。1.3 電磁冶金工藝發(fā)展前景電磁冶金工藝將在鋼鐵和其它金屬材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；電磁冶金工藝將在常規(guī)連鑄機和板坯連鑄機上廣泛應(yīng)用；電磁攪拌技術(shù)非?？春?，有望用于提高鑄件的潔凈度和致密度、提高連鑄的生產(chǎn)率、提高焊接性能等；在非金屬領(lǐng)域也將取得大的發(fā)展。目標：使學生了解電磁學方面的基本知識電磁學基本理論電荷有兩種，同種電荷相斥，異種電荷相吸；電子帶負電荷，質(zhì)子帶正電荷，中子不帶電；電荷的量子性：自然界中，電荷總是以一個基本單元的整數(shù)倍出現(xiàn)；電荷的基本單元是一個電子所帶電量的絕對值， e1.60210（-19）C電荷守恒定律：電荷不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消滅，只會轉(zhuǎn)移；電荷的相對論不變性：一個電荷的電量與它的運動狀態(tài)無關(guān)；庫侖定律：在慣性系中，真空中兩個靜止的點電荷之間的作用力與這兩個電荷的電量成正比，與距離的平方成反比，力的方向沿兩個電荷之間的連線；電力的疊加原理：兩個點電荷之間的作用力并不因為第三個點電荷的存在而有所改變（在極小距離或極大力時，疊加原理會失效）；兩個質(zhì)點之間的萬有引力定律是一種超距作用（即超越距離，直接給予）；而兩個電荷之間的作用力是通過它們釋放出的電場給予的；電磁場具有能量、質(zhì)量、動量；電場中某點的電場強度E，EF/q0，F(xiàn)為檢驗電荷受的力，q0為檢驗電荷的電量；電通量：通過電場中某個面的電場線條數(shù)就稱為通過這個面的電通量；電場強度E F/q0 /S , S 為垂直于電場線的面；電磁學基本理論高斯定律1.一個封閉曲面上某點的電場強度是由曲面內(nèi)外所有電荷共同產(chǎn)生的合場強2.通過此封閉曲面的總電通量只取決于它所包圍的內(nèi)部電荷 qint /0 庫侖定律能在電荷分布已知時求出場強分布；高斯定律能在場強分布已知時求出任意區(qū)域內(nèi)的電荷。電磁學基本理論電場強度與電勢都是描述電場中各點性質(zhì)的物理量，電勢等于電場強度的線積分，場強等于電勢的導(dǎo)數(shù)；場強沿著電場線方向，而電勢沿電場線方向下降；電場強度與電勢都是描述電場中各點性質(zhì)的物理量，電勢等于電場強度的線積分，場強等于電勢的導(dǎo)數(shù)；場強沿著電場線方向，而電勢沿電場線方向下降；過電場中任意一點，沿不同方向其電勢隨距離的變化率一般是不等的，沿某一方向其電勢隨距離變化率最大，此最大變化率稱為該點的電勢梯度，此方向為梯度方向；電場中任意點處的場強等于電勢梯度的負值，E=-grad 。磁力是運動電荷之間相互作用的表現(xiàn)；一個運動電荷在它周圍除了產(chǎn)生電場，還產(chǎn)生磁場；兩個運動電荷通過磁場來相互作用；產(chǎn)生磁場的運動電荷或電流可稱為磁場源；磁通量是通過某個面的磁力線的條數(shù)；磁場強度是單位面積上的磁通量。場的概念: 在某一空間區(qū)域內(nèi)的每一點，都對應(yīng)著某個物理量 的一個確定的值 場的特性: 占有一定空間在該空間域內(nèi)， 除有限個點和表面外，處處連續(xù)目標：使學生了解矢量分析方面的知識標量場: 在一定空間的分布狀態(tài)時，數(shù)學上只需用標量函數(shù)確定的場，如溫度場T(x, y, z)、電位場(x, y, z)等。矢量場: 需要用一個矢量來描述場的狀態(tài)，如電場、磁場、流速場等等。 方向?qū)?shù)和梯度問題的提出一塊長方形的金屬板，四個頂點的坐標是，(1,1)，(5,1)，(1,3)，(5,3)在坐標原點處有一個火焰，它使金屬板受熱假定板上任意一點處的溫度與該點，到原點的距離成反比在(3,2)處有一個螞蟻，問這只螞蟻應(yīng)沿什么方向爬行才能最快到達較涼快的地點？問題的實質(zhì)：應(yīng)沿由熱變冷變化最驟烈的方向（即梯度方向）爬行。引出：由求等值面的最大變化率引出標量的梯度概念。 標量場的梯度是一個矢量，是空間坐標點的函數(shù)。1. 是一個矢量2. f的模就是f在給定點的最大方向?qū)?shù)3. 方向就是該具有最大方向?qū)?shù)的方向, 亦即f的變化率最大的方向。4. 矢量：大寫黑體斜體字母 A5. 大寫斜體字母加表示矢量的符號6. 標量：小寫斜體字母 u7. 單位矢量：小寫上加倒勾梯度的大小為該點標量函數(shù) 的最大變化率，即最大方向?qū)?shù)。梯度的方向為該點最大方向?qū)?shù)的方向。定義：標量場u在某點的梯度是一個矢量，其方向為u增加最大的方向，即等值面法線方向；其大小等于u在該方向上的增加率，即最大增加率。 亥姆霍茲定理： 在有限區(qū)域內(nèi)，矢量場由它的散度、旋度及邊界條件惟一地確定。無旋場： 旋度為零的矢量場叫做無旋場。 標量場的梯度場是無旋場，如靜電場。無散場： 散度為零的矢量場叫做無散場。矢量場的旋度場是無散場，如恒定磁場。矢量分析矢量表示，矢量模，矢量加減，矢量乘，三乘積矢量場的空間變化規(guī)律通常用散度和旋度描述定義：當閉合面 S 向某點無限收縮時，矢量 A 通過該閉合面S 的通量與該閉合面包圍的體積之比的極限稱為矢量場 A 在該點的散度，以 div A 表示，即散度的物理意義1) 矢量場的散度代表矢量場的通量源的分布特性；2) 矢量場的散度是一個標量；3) 矢量場的散度是空間坐標的函數(shù)；散度定理：既然矢量的散度代表的是其通量的體密度, 因此直觀地可知, 矢量場散度的體積分等于該矢量穿過包圍該體積的封閉面的總通量。環(huán)量矢量A沿某封閉曲線的線積分, 定義為A沿該曲線的環(huán)量旋度矢量A的旋度是一個矢量, 其大小是矢量A在給定點處的最大環(huán)量面密度, 其方向就是當面元的取向使環(huán)量面密度最大時, 該面元矢量的方向 。 若某區(qū)域中各點curl A=0, 稱A為無旋場或保守場。 1 .1 .2 標量積和矢量積矢量的相乘有兩種定義: 標量積(點乘)和矢量積(叉乘)。標量積 Dot production 定義：標量積AB是一標量, 其大小等于兩個矢量模值相乘, 再乘以它們夾角AB(取小角, 即AB)的余弦: 矢量積 Cross production 定義：矢量積AB是一個矢量, 其大小等于兩個矢量的模值相乘, 再乘以它們夾角AB()的正弦, 其方向與A , B成右手螺旋關(guān)系, 為A , B所在平面的右手法向 1 .1 .3 三重積 在電場中，電位移矢量在某一曲面上的面積分就是矢量通過該曲面的電通量；在磁場中，磁感應(yīng)強度在某一曲面上的面積分就是矢量通過該曲面的磁通量麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組揭示了電場與磁場、磁場與電流和電荷之間的關(guān)系作用類似于經(jīng)典力學中的牛頓定律麥克斯韋是電磁場的基本方程在研究電磁場時，主要關(guān)注四個矢量： 電場強度E 電通量密度D 磁場強度H 磁通量密度B 第一方程表明：不僅傳導(dǎo)電流產(chǎn)生磁場，而且隨時間變化的電場也產(chǎn)生磁場第二方程表明：隨時間變化的磁場產(chǎn)生電場第三方程表明：磁場無通量源，即不存在磁荷第四方程表明：電場有通量源，電荷是產(chǎn)生電場的源電流連續(xù)性方程取一閉合曲面S,S 所包圍的體積為 ， 從閉合面內(nèi)流出的總的電流等于單位時間流出的電荷量。由電荷守恒定律，它應(yīng)等于體積 內(nèi)電荷的減少率，即靜態(tài)場靜態(tài)場是電磁場的特殊情況，是場量不隨時間變化的場在靜態(tài)情況下，電場和磁場可以獨立存在靜電場僅由電荷產(chǎn)生恒定磁場是由恒定電流產(chǎn)生的時變電磁場時變電磁場即隨時間變化的電磁場此時，電場和磁場互相影響在無源區(qū)域內(nèi)，時變的電場產(chǎn)生磁場，時變的磁場產(chǎn)生電場正弦電磁場正弦電磁場又稱時諧場，是指電場和磁場的每一個分量都隨著時間作正弦變化正弦電磁場在工程實際中有廣泛應(yīng)用電磁場的邊界條件1為什么需要邊界條件：1）描述媒質(zhì)分界面兩側(cè)電磁場的變化情況，由于媒質(zhì)和場量不連續(xù)，微分不存在，所以微分方程不能用。2）從數(shù)學上講，用麥克斯韋微分方程求解電磁場時必須有邊界條件才能有確定解。用積分方程求解不需要邊界條件，事實上積分方程就包含了邊界條件。我們正是用積分方程導(dǎo)出邊界條件的。2 邊界條件1）H的邊界條件 H的切向分量在分界面上不連續(xù)，與分界面上的自由電流面密度有關(guān)2）E的邊界條件 E的切向分量在分界面上是連續(xù)的3）B的邊界條件 B的法向分量在分界面上連續(xù)4）D的邊界條件 D的法向分量在分界面上不連續(xù)電磁場的物質(zhì)屬性電磁場不是物質(zhì)，但是有物質(zhì)屬性電磁場可以有力的作用，如靜電力、磁鐵對鐵磁物質(zhì)的吸力、電流周圍產(chǎn)生的磁力等電磁場具有能量教學目標：使學生了解極化磁化和部分流體力學知識各電磁場定律的物理意義法拉第電磁感應(yīng)定律：時變的磁場可以產(chǎn)生漩渦電場安培環(huán)路定律：電流和時變的電場可以產(chǎn)生漩渦磁場電場高斯定律：電荷是電通密度矢量的源磁場高斯定律：不存在磁通密度矢量的源磁荷電荷守恒定律：電荷只能以電流形式轉(zhuǎn)移，不能產(chǎn)生或消失電場中的物質(zhì)物質(zhì)是帶電粒子的集合帶電粒子在電磁場中運動狀態(tài)發(fā)生變化，此時物質(zhì)受到極化或磁化帶電粒子的狀態(tài)變化使電磁場源發(fā)生變化，從而影響外加電磁場電磁場中的物質(zhì)可以等效為一定的電荷電流分布物質(zhì)的極化極化：指事物在一定條件下發(fā)生兩極分化，使其性質(zhì)相對于原來狀態(tài)有所偏離的現(xiàn)象 中性的原子受外加電場作用，正電荷發(fā)生位移（相對于負電荷），使中性原子對外界呈現(xiàn)電性效果，即稱受到極化極化的種類：電子極化、取向極化、離子極化物質(zhì)在外加電場下會被極化；同時，物質(zhì)的極化又會使外加電場發(fā)生變化物質(zhì)的磁化磁化：是指原來不具有磁性的物質(zhì)獲得磁性的過程磁性材料里面分成很多微小的區(qū)域，每一個微小區(qū)域就叫一個磁疇。每一個磁疇都有自己的磁距（即一個微小的磁場），一般情況下，各個磁疇的磁距方向不同，磁場互相抵消，所以整個材料對外就不顯磁性。當各個磁疇的方向趨于一致時，整塊材料對外就顯示出磁性 。磁化就是要讓磁性材料中磁疇的磁距方向變得一致只有少數(shù)金屬及金屬化合物可以被磁化 ，如鐵、鈷、鎳及化合物流體的概念流體：可承受壓力，幾乎不可承受拉力或剪切力易流動性：在極小的剪切力作用下，即可產(chǎn)生連續(xù)的剪切變形流體的形狀不固定流體一般分為：液體和氣體兩類液體流體的流動性更大，可壓縮液體流體具有流動性，不易壓縮流體具有伯努利效應(yīng)。教學目標：使學生了解極化磁化和部分流體力學知識各電磁場定律的物理意義法拉第電磁感應(yīng)定律：時變的磁場可以產(chǎn)生漩渦電場安培環(huán)路定律：電流和時變的電場可以產(chǎn)生漩渦磁場電場高斯定律：電荷是電通密度矢量的源磁場高斯定律：不存在磁通密度矢量的源磁荷電荷守恒定律：電荷只能以電流形式轉(zhuǎn)移，不能產(chǎn)生或消失電場中的物質(zhì)物質(zhì)是帶電粒子的集合帶電粒子在電磁場中運動狀態(tài)發(fā)生變化，此時物質(zhì)受到極化或磁化帶電粒子的狀態(tài)變化使電磁場源發(fā)生變化，從而影響外加電磁場電磁場中的物質(zhì)可以等效為一定的電荷電流分布物質(zhì)的極化極化：指事物在一定條件下發(fā)生兩極分化，使其性質(zhì)相對于原來狀態(tài)有所偏離的現(xiàn)象 中性的原子受外加電場作用，正電荷發(fā)生位移（相對于負電荷），使中性原子對外界呈現(xiàn)電性效果，即稱受到極化極化的種類：電子極化、取向極化、離子極化物質(zhì)在外加電場下會被極化；同時，物質(zhì)的極化又會使外加電場發(fā)生變化物質(zhì)的磁化磁化：是指原來不具有磁性的物質(zhì)獲得磁性的過程磁性材料里面分成很多微小的區(qū)域，每一個微小區(qū)域就叫一個磁疇。每一個磁疇都有自己的磁距（即一個微小的磁場），一般情況下，各個磁疇的磁距方向不同，磁場互相抵消，所以整個材料對外就不顯磁性。當各個磁疇的方向趨于一致時，整塊材料對外就顯示出磁性 。磁化就是要讓磁性材料中磁疇的磁距方向變得一致只有少數(shù)金屬及金屬化合物可以被磁化 ，如鐵、鈷、鎳及化合物流體的概念流體：可承受壓力，幾乎不可承受拉力或剪切力易流動性：在極小的剪切力作用下，即可產(chǎn)生連續(xù)的剪切變形流體的形狀不固定流體一般分為：液體和氣體兩類液體流體的流動性更大，可壓縮液體流體具有流動性，不易壓縮流體具有伯努利效應(yīng)。液態(tài)金屬的輸送與定量u 工程中，有時需要液態(tài)金屬在非接觸條件下運動，且運動速度和數(shù)量可控u 例如：核反應(yīng)堆用電磁泵使傳熱介質(zhì)運動u 例如：鑄造時用電磁泵驅(qū)動液態(tài)金屬從澆包到鑄模u 電磁泵可以非接觸條件下完成液態(tài)金屬的輸送和定量u 1.通電的液態(tài)金屬在磁場中的受力用左手定則判斷u 2.左手定則：左手平伸，讓磁力線穿過手心，四指指向電流的方向，大指則是受力方向 交流傳導(dǎo)泵的工作原理1.交變電流在鐵芯中產(chǎn)生交變磁場2.交變磁場感生交變電流作用在液態(tài)金屬左右兩側(cè)3.感生電流和交變磁場以同樣規(guī)律周期變化，電磁力方向不變交流傳導(dǎo)泵的缺點u 交流傳導(dǎo)泵與直流傳導(dǎo)泵相比，鐵芯發(fā)熱量大，且感應(yīng)電流與外接交流電相位很難完全一致，導(dǎo)致效率變低。u 由于有缺點，工程上交流傳導(dǎo)泵應(yīng)用較少交流感應(yīng)電磁泵1.感應(yīng)器產(chǎn)生行波磁場 2.液態(tài)金屬在磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電流3.有電流的液態(tài)金屬在磁場中受電磁力運動交流感應(yīng)電磁泵u 感應(yīng)器繞組方法與異步電動機類似u 交流感應(yīng)泵分為：平面型、圓柱型、螺旋型三種u 感應(yīng)泵應(yīng)用較多，但液態(tài)金屬溫度高時，效率降低u 直流傳導(dǎo)電磁泵應(yīng)用最廣電磁泵的電磁力計算u 理想直流傳導(dǎo)電磁泵的電磁力為： FBIb/g B:磁感強度 I：電流 b：泵溝寬度 g：重力加速度u 實際中，直流電產(chǎn)生附加磁場，削弱了主磁場；而且，金屬液的流動產(chǎn)生感應(yīng)電流，削弱了直流電。u 實際中，計算電磁泵的電磁力很復(fù)雜，常用經(jīng)驗公式近似計算電樞反應(yīng)u 電樞反應(yīng)：液態(tài)金屬通入的直流電產(chǎn)生了感應(yīng)磁場，本感應(yīng)磁場使主磁場受到改變u 在泵的入口處主磁場被加強，出口處被減弱3.2 液態(tài)金屬電磁封閉 工程中，由于工藝需要，常常會在液態(tài)金屬液面以下部位設(shè)置流出口 傳統(tǒng)上，流出口用一個塞桿或固態(tài)封閉閥堵住，需要時打開封閉閥 封閉閥的開關(guān)十分不便，容易造成液態(tài)金屬外漏或嚴重事故 在浸鍍超長鋼管時，往往不許堵死流出口，此時需要非接觸式的電磁封閉直流傳導(dǎo)泵與直流封閉閥.通電的液態(tài)金屬在磁場中的受力用左手定則判斷2.左手定則：左手平伸，讓磁力線穿過手心，四指指向電流的方向，大指則是受力方向 直流傳導(dǎo)式電磁封閉閥 直流傳導(dǎo)電磁封閉閥的原理，與直流傳導(dǎo)電磁泵原理類似，通過改變電流方向，產(chǎn)生一個向里的電磁力 優(yōu)點：無需堵塞出口；通過改變電流方向來控制液體金屬的流出或封閉，很方便；可實現(xiàn)超長工件連續(xù)通過式浸鍍工藝 缺點：需要設(shè)置接觸液態(tài)金屬的電極；要保證電極與液態(tài)金屬的浸潤性好，電阻?。浑姌O應(yīng)有很好的耐高溫腐蝕能力；電極難以密閉安裝在出口；電極經(jīng)常出現(xiàn)各種故障感應(yīng)電磁封閉閥 直流封閉閥的主要問題是：電極的設(shè)置和直流電流的通入 為了避免這兩個問題，研制了感應(yīng)電磁封閉閥 感應(yīng)電磁封閉閥的原理：感應(yīng)器的繞組通入三相交流電后產(chǎn)生行波磁場，液態(tài)金屬在行波磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在行波磁場中產(chǎn)生向里（容器內(nèi)）的電磁力 感應(yīng)電磁封閉閥的優(yōu)點：通過開關(guān)電流控制封閉閥的開合；不需要設(shè)置電極把電流通入液態(tài)金屬；感應(yīng)器可以在單面，也可在雙面，也可在周向 主要缺點：需要保證行波磁場的透入深度連鑄 連鑄即為連續(xù)鑄鋼（英文，Continuous Steel Casting）的簡稱。 在鋼鐵廠生產(chǎn)各類鋼鐵產(chǎn)品過程中，使用鋼水凝固成型有兩種方法：傳統(tǒng)的模鑄法和連續(xù)鑄鋼法。 而在二十世紀五十年代在歐美國家出現(xiàn)的連鑄技術(shù)是一項把鋼水直接澆注成形的先進技術(shù)。 與傳統(tǒng)方法相比，連鑄技術(shù)具有大幅提高金屬收得率和鑄坯質(zhì)量，節(jié)約能源等顯著優(yōu)勢。雙輥薄帶連鑄機的側(cè)封 為何要側(cè)封：堵住雙輥的兩側(cè)，防止液態(tài)金屬流出 兩種側(cè)封方法：1.固態(tài)側(cè)封 2.電磁側(cè)封 3.混合側(cè)封 固態(tài)側(cè)封的缺點：磨損、泄露、凝固、堵塞 電磁側(cè)封利用高功率的電磁裝置產(chǎn)生向內(nèi)的電磁力，封住液態(tài)金屬，完全防止了固態(tài)側(cè)封的缺點 混合側(cè)封：結(jié)合固態(tài)側(cè)封與電磁側(cè)封，只用電磁裝置封住小的縫隙，用小的電磁力即可完成3.3 液態(tài)金屬電磁凈化 工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對鋼材質(zhì)量要求越來越高 鋼中的非金屬夾雜物是有害的，要采取各種工藝措施，使其含量盡量降低 傳統(tǒng)的工藝措施有：真空熔煉法，CAS（封閉式吹氬成分微調(diào)法）, RH（真空循環(huán)脫氣法）, LIP等 電磁凈化是一種能顯著去除非金屬夾雜物的新工藝電磁凈化的原理自然條件下，液態(tài)金屬中夾雜物的上浮速度 可見：上浮速度與密度差成正比，與夾雜物的半徑平方成正比 夾雜物半徑一般極小，上浮速度也極慢，靠自然上浮來去除雜質(zhì)不現(xiàn)實 電磁凈化的基本原理是：使液態(tài)金屬處于磁場中，使液態(tài)金屬帶電流，液態(tài)金屬載流導(dǎo)體與磁場相互作用而受到電磁力，其中的夾雜物也受到同向的電磁力，但是夾雜物與液態(tài)金屬電阻相差很大，兩者所受電磁力大小不同，導(dǎo)致兩者分離。直流傳導(dǎo)式電磁凈化的特點：優(yōu)點：凈化效果比較好缺點：1、難以得到大范圍的均勻強磁場 2、通入液態(tài)金屬的直流電難以均勻分 布，易出現(xiàn)渦流，降低分離效果 3、需要電極插入液態(tài)金屬，易污染液態(tài)金屬，或電極易損毀行波磁場式凈化的特點：1、靠行波磁場感應(yīng)液態(tài)金屬，是非接觸的2、設(shè)備單一，裝配容易，凈化效果較好比直流傳導(dǎo)式優(yōu)勢更多一般旋流場：旋轉(zhuǎn)時，同半徑處金屬與雜質(zhì)切向速度相同，但向圓心處移動的速度不同，速度差與密度差成正比。最終，在旋流場中，不同密度的物質(zhì)按照密度不同而分布。電磁旋流場：在電磁旋流場中，因切向速度“ 金屬雜質(zhì) ”，故徑向方向雜質(zhì)以更快速度向圓心移動高頻磁場電磁凈化特點：1、無需外加電流和電極2、無接觸式電磁鑄造 電磁鑄造是利用電磁力克服金屬液的靜壓力來實現(xiàn)無模無接觸鑄造 原理：利用交變磁場在金屬液中產(chǎn)生感生渦流，感生渦流與磁場作用產(chǎn)生向心的電磁力，電磁力束縛金屬液 電磁鑄造發(fā)明后，逐步衍生出電磁連鑄、懸浮熔煉等技術(shù)，大大促進了材料成型與凝固領(lǐng)域的發(fā)展 電磁鑄造具有：無模、電磁攪拌、強冷卻的工藝特點 前蘇聯(lián)在60年代末研制成功電磁鑄造，并于1969年在美國申請專利 此后，美國、瑞士先后引進該技術(shù)，1977年后美國和瑞士先后宣布投入工業(yè)生產(chǎn)，目前已大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用 美國Caiser公司現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)計算機控制7錠同時鑄造 至1988年，僅瑞士Alusuisse公司就使用電磁鑄造生產(chǎn)數(shù)百萬噸鋁產(chǎn)品 1976年，東北輕合金加工廠開始對電磁鑄造進行研究，鑄錠質(zhì)量明顯提高，由于控制水平及整體技術(shù)落后，未投入工業(yè)生產(chǎn) 1986年，由中國有色金屬總公司組織，西南鋁加工廠、北方工業(yè)大學、東北輕合金加工廠、大連理工大學共同開展方錠電磁鑄造技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)了計算機控制，由于缺乏技術(shù)與經(jīng)驗，系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定性，至今未投入工業(yè)生產(chǎn) 85期間，大連理工大學進行了電磁鑄造感應(yīng)器設(shè)計及鑄造工藝優(yōu)化研究，取得不小進展1、鑄造各種形狀的鑄錠 現(xiàn)在可以生產(chǎn)螺旋狀、管棒狀、板狀鑄錠2、使用各種材料進行電磁鑄造 現(xiàn)在可以對銅、鋁、鋼進行電磁鑄造。但是對于鋼，其熔點高、導(dǎo)熱性差、控制較困難、需要強電磁場，經(jīng)濟上不劃算。電磁鑄造法與傳統(tǒng)帶結(jié)晶器的鑄造法相比，具有以下優(yōu)點： 延長了鑄模的使用壽命，減少了拉矯機的驅(qū)動力； 鑄件表面質(zhì)量改善 鑄造速度、生產(chǎn)率提高，可鑄造形狀較復(fù)雜的鑄件； 避免使用潤滑油供給系統(tǒng)，從而避開由此帶來的諸多技術(shù)難點； 晶粒細小，成分偏析少，組織比較均勻工藝特點：v 無模型、電磁攪拌、強冷卻；v 流速場、溫度場、溶質(zhì)場快速劇烈變化；v 強烈的對流傳熱傳質(zhì)；v 是一個動態(tài)過程。 電磁鑄造原理 感應(yīng)器通以交流電，產(chǎn)生交變磁場。 液態(tài)金屬通過交變電場內(nèi)產(chǎn)生感生渦流 液態(tài)金屬與感應(yīng)器產(chǎn)生的交變磁場相互作用，進而產(chǎn)生始終指向液態(tài)金屬中心的電磁力。 當電磁力足夠大時，就可束縛液態(tài)金屬向外的靜壓力，將液態(tài)金屬推離感應(yīng)器，形成獨立的液柱。 液態(tài)金屬在此條件下冷卻、凝固，獲得表面光滑、組織細小的鑄件4.2 液態(tài)金屬電磁成形與凝固 電磁連鑄是一項把鋼水直接澆鑄成坯的新工藝 優(yōu)點：簡化生產(chǎn)工序、提高金屬收得率、節(jié)約能源、機械化和自動化程度高 連鑄技術(shù)的三個趨勢：近終形連鑄、高速連鑄、連鑄高質(zhì)量鑄坯 電磁連鑄是一項把鋼水直接澆鑄成坯的新工藝 優(yōu)點：簡化生產(chǎn)工序、提高金屬收得率、節(jié)約能源、機械化和自動化程度高 連鑄技術(shù)的三個趨勢：近終形連鑄、高速連鑄、連鑄高質(zhì)量鑄坯 高效連鑄的障礙： 1、結(jié)晶器內(nèi)初凝殼減薄，增加了漏鋼的危險 2、液面波動加劇，初生殼不均勻，坯殼表面熱裂紋敏感性增加，鑄坯表面缺陷增加 3、鑄坯凝固的界面前沿的溫度梯度增大易形成發(fā)達的柱狀晶 鑄坯的表面質(zhì)量主要取決于結(jié)晶器內(nèi)初生殼的均勻性，最初幾秒鐘傳熱強度和熱流分布的均勻性，即結(jié)晶器內(nèi)彎月面的初始凝固過程直接影響鑄坯的表面質(zhì)量 消除鑄坯表面缺陷的傳統(tǒng)措施：改變結(jié)晶器振動方式、高振頻低振幅、減少負滑脫率、改變保護渣的性能、增加潤滑效果等 1986年，法國人VIVES研究表明：軟接觸電磁連鑄技術(shù)能顯著改善鑄坯質(zhì)量 軟接觸電磁連鑄技術(shù)是下一代主要連鑄技術(shù) 90年代后各國加強了軟接觸電磁連鑄技術(shù)的研究 傳統(tǒng)鑄造：是有接觸鑄造，利用鑄模壁來克服液態(tài)金屬的靜壓力 電磁鑄造：是無接觸鑄造，利用電磁裝置代替鑄模壁，用電磁力來克服液態(tài)金屬的靜壓力 軟接觸電磁連鑄：是軟接觸鑄造，鑄模壁外設(shè)置電磁裝置，用鑄模壁和電磁力共同克服液態(tài)金屬的靜壓力 1、減小了液態(tài)金屬與結(jié)晶器的接觸壓力和摩擦力，使保護渣液的滲流通道順暢 2、高頻磁場對鋼液有電磁攪拌作用，使初凝殼晶粒細化 3、電磁場對鑄坯的感應(yīng)加熱，降低了鑄坯初凝位置和初凝殼的溫度梯度 結(jié)晶器內(nèi)彎月面和鑄坯的最終質(zhì)量受到彎月面區(qū)域磁場（磁場頻率和磁場強度分布）有很大影響 磁場又和結(jié)晶器結(jié)構(gòu)、電源功率、感應(yīng)器線圈匝數(shù)、線圈與彎月面的相對位置等有關(guān) 磁場在結(jié)晶器內(nèi)分布較均勻，隨電源功率提高，磁場強度也提高 線圈匝數(shù)增加，使得磁場強度和磁場范圍增加4.2 電磁連鑄4.2.4 電磁連鑄結(jié)晶器內(nèi)彎月面形態(tài) 磁場影響彎月面，彎月面影響鑄件表面質(zhì)量 所以要研究磁場對彎月面的影響規(guī)律 實驗采用可視化方案，對彎月面全程錄像，記錄彎月面形狀彎月面影響因素總結(jié)1、電源功率增大，電磁作用增強，彎月面升高2、感應(yīng)器升高，電磁作用增強，彎月面升高3、線圈匝數(shù)較少，電磁作用增強，彎月面升高 并非電磁作用越強，鑄件表面質(zhì)量越好 鑄件表面質(zhì)量不光受彎月面高度影響，也受彎月面波動影響電磁參數(shù)與鑄件表面質(zhì)量 1、電源功率越高，鑄件表面質(zhì)量越好 2、感應(yīng)器線圈匝數(shù)為5時，鑄件表面質(zhì)量最好 3、感應(yīng)器位置為零時（與液面同高），鑄件表面質(zhì)量最好 電磁攪拌就是利用電磁力攪拌正在凝固的液態(tài)金屬，從而控制凝固過程，改善內(nèi)部與表面質(zhì)量 研究表明，電磁攪拌后，鑄件組織細化、氣體與夾雜物減少，使夾雜物分布均勻，減少皮下氣孔，減少縮松和成分偏析，提高內(nèi)部質(zhì)量，等軸晶增多，柱狀晶減少 電磁攪拌與連鑄技術(shù)密不可分，作用越來越大 按感應(yīng)形式分：直流傳導(dǎo)式、交流感應(yīng)式、永磁式 按磁場形態(tài)分：恒定磁場型、旋轉(zhuǎn)磁場型、行波磁場型、螺旋磁場型 按電源相數(shù)分：兩相電源、三相電源 按安裝位置分：結(jié)晶器電磁攪拌裝置、二冷段電磁攪拌裝置、凝固末端電磁攪拌裝置4.3.3 電磁攪拌力產(chǎn)生原理和計算 產(chǎn)生原理：旋轉(zhuǎn)磁場在液態(tài)金屬中產(chǎn)生感生電流，感生電流受到旋轉(zhuǎn)磁場的作用產(chǎn)生力，距離中心不同處力的大小不同（半徑越大力越大），再由于液態(tài)金屬的黏性，產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)運動 簡單情況下，電磁力電流磁場強度 實際連鑄機上的電磁力計算如下：注：本式適用于攪拌器的級數(shù)為2的情況，B取一個周期內(nèi)磁感強度的平均值 外加磁場在液態(tài)金屬中產(chǎn)生感生渦流，感生渦流也產(chǎn)生磁場，與外加磁場相互作用，外加磁場被削弱 下式為透入深度計算公式，其中分別為電源頻率，磁導(dǎo)率，電導(dǎo)率 對比電磁攪拌和機械攪拌，發(fā)現(xiàn)電磁攪拌對固液界面處的攪拌速度最大，對均勻凝固的影響最好。所以電磁攪拌比機械攪拌能更好的影響鑄件組織和性能 此外，機械攪拌還會造成接觸污染等不利影響 電磁攪拌造成鑄坯橫斷面上溫度場分布均勻 電磁攪拌引起鋼水流