金属凝固理论剖析

磁悬浮原理框图
电磁力分析
液态金属电磁离心 其 沿 y转 场 呈 凝 图 恒 角 的 的 系沿方x的中周固示磁速作圆后轴x向液受期力．场度用管管轴正在态到性场设中为形，长负向图金方变分液作成如沿w向，，属向化析体运壁图1z。中由方在在和的的金动厚选可xx于向稳大电模属，为定轴轴见离．恒小磁型在旋坐左右(，心R磁都力如稳转标方 方旋—力。r)
梯凝两心核蚀液 度固相的同作对 增前区传时用树 大沿迅热，造枝 ，
7、电磁悬浮凝固技术是指利用 金属熔滴与交流磁场相互作用 产生的电磁力使熔滴在悬浮状 态发生下凝固的技术。
应用：一方面，它被应用在地 面实验室中，利用电磁力来克 服重力影响而将金属样品悬浮 起来，实现微重力环境下的凝 固过程；另一方面，它被用在 空间实验中，来实现对样品的 定位,可用来实现金属材料在较 大过冷度情况下的凝固技术。
电磁场有如一只无形的手, 通过场将热和力效应 施加给导电流体。电磁场的这种“超距作用”, 一方 面为控制金属凝固传输过程提供了一种清洁、高效的 手段, 成为材料制造过程的“利器”; 另一方面, 电 磁场的作用效果与材料本身的电磁物性、凝固传输特 性密切相关, 彼此影响、相互耦合; 这一特点也是我 们恰当地选用电磁场的难度所在。相信经过材料加工 工作者的努力, 电磁场在材料加工领域的应用会取得 更加丰硕的成果。
拌型位方性性如
。旋置向的的图
6、电磁离心凝固法
转有相加变所 方关反强化示
向。，、，：
由于在电磁离心凝固过程中，金相反属切向熔并且
减 弱
其 径
电 磁
体不仅受到电磁力的作用，而且还受的到分很其 作 向 力
强的离心力的作用。同时由于结晶前运沿量存太 用 分 的
在着较强的液相流动，柱状晶发生迎动．流促使倾小与
电磁场凝固技术简介
电磁处理是指将电磁场用于材料的各种加 工过程，实现对过程的控制、材料组织和性能 的改善。因它具有无污染、操作方便和效果显 著等优点，受到了人们的高度重视。经过近年 来的ຫໍສະໝຸດ Baidu速发展，这一领域已发展成为多学科交 叉、工艺手段繁多及应用领域广泛的体系。
利用直流磁场可通过 抑制熔体流动，与电场交 互作用产生电磁搅拌控制 凝固。引入交流磁场既可 实现对液相的电磁搅拌， 又可产生电磁悬浮，细化 晶粒，改善铸件的冶金质 量，减轻成分偏析。
4、高频磁场与 电磁成形技术： 高频磁场可用于 电磁净化，悬浮 熔炼等。电磁悬 浮熔炼的特点是 无污染、熔体均 匀、熔化速度快 等，但悬浮金属 的质量受限。
高频电磁场在金属凝固过程中的物理模型示意图
5、复合电磁场：
该法采用低频交变电场 加静磁场的组合方式，利用 电磁力强迫流体流动并产生 穴化现象( cavitation phenomena) 以细化晶粒。
二、镁铝合金中的应用
电磁连铸过程中，作用 在熔体的电磁压力使压强增 大，使金属熔体的熔点升高， 过冷度增大，凝固驱动力增 大，有利于熔体中大量形核， 达到细化晶粒目的。同时由 于电磁搅拌和电磁振动作用， 使镁合金铸有利于提高性能。
电磁场在伴有凝固相变现象的材料加工工程中扮 演着重要角色, 上述仅是就笔者所了解的情况做一粗 略介绍。
电磁制动改变液态金属流动状态示意图
2、强静磁场：强磁场能够改变临界形核核心尺寸，强 制晶体取向；并使顺磁性物质凝固点降低，抗磁性物质 的凝固点提高。
3、低频磁场：铝合金的低频( 50 Hz)电磁铸造法（利 用电磁力实现液态金属的约束成形，在无成形模具的条 件下完成金属的熔炼与成形，即电磁铸造），利用其强 烈的电磁搅拌，可显著细化晶粒，提高铸锭的表面质量， 减小表面偏析层厚度。
FE JBsin rB2 sin t
液体金属所受的电磁力（注意到J与B的夹角 / 2 ）
结论：
(1)在稳恒磁场中旋转的液体金属同时受到电磁力场、 离心力场和重力场的作用。电磁力的大小和方向均呈 周期性变化，与液体金属的位置有关；
(2)电磁力在液体金属管的径向分量对离心铸造的径 向压强起周期性增大和减小作用；切向分量驱动结晶 前沿的液相与固相作相对运动，形成电磁搅拌，改变 离心铸管的凝固方式和凝固组织。
电磁场凝固应用
一、板坯连铸结晶器
板坯连铸结晶器电磁搅拌技术 （1）减少最终产品的表面缺陷 （2）减少板材和管线内部缺陷
板坯连铸结晶器电磁制动技术 （1）减少保护渣卷吸 （2）提高了钢的清洁度
电磁搅拌装置
在铸轧区 中施加不同 的电磁场 ，其晶粒 细 化 效果是不同的。电磁振动 不仅加剧结构起伏 和能量 起伏 ，有促进均匀形 核 的作用 ，而且还 能 产生 大量的非均匀形核的晶核 ， 晶粒细化效果 较好 ，对 柱状晶的生长有极强的抑 制作用 。
低频磁场
如图所示，感应器中通入一定 频率的交变电流，液态金属内 部将产生交变的感应电流。在 液态金属的侧表面内产生一个 指向液态金属内部的电磁压力 压缩液态金属。同时，在金属 液表面和内部都产生电磁搅拌 力，金属液内部的电磁搅拌力 将引起金属液的流动，可以改 善铸件内部的组织形态；而金 属液表面的电磁搅拌力则引起 表面波动，影响表面质量，因 此应予消除或抑制。
材料电磁处理如今被广泛应用，例如悬浮 熔炼，电磁铸造，电磁雾化，电磁分离非金属
夹杂物，电磁搅拌等。
按照电磁场的类别和强度, 材料的电磁加工大致可 分为以下几方面:
1、静磁场: 施加静磁场的 目的主要是利用静磁场 对导电流体的电磁制动 作( Electromagnetic Brake) 抑制流体的流动, 以达到提高凝固材料性 能与质量的目的。
； 而
量 对
方 向
斜生长，进而被折断，为等轴晶的形从成液提液 切 径 和
供了形核条件，从而促进了柱状晶向而形等态金轴态金
向 分
向 压
大 小
晶的转化。
成属属量强都
电作所与起呈
磁与处旋周周
电磁离心铸造原理示意图
搅铸的转期期
两扩速而强成晶电 相散扩使力大前磁 区边大过流量端搅 成界，热动晶的拌 分层加度可枝动通 过减速迅大碎力过 冷薄传速大片折流 增而质消加供断动 加浓，失速作及金 。度使、液晶熔属