电磁分离技术综述

电磁分离制备颗粒增强金属基复合材料综述

1 电磁分离的原理

自1954年Leenov 等[1]提出电磁力对导电流体中非导电物体能产生挤压作用而使其与熔体分离这一理论以来,电磁净化技术发展引起人们越来越多的关注. 置于电磁场中的熔体将受到电磁力的作用,当浸没于熔体内的异质相颗粒导电性较差时,颗粒内部、颗粒周围与熔体内的电流分布不同,致使异质相颗粒和熔体受到的电磁力大小不同,因此异质相颗粒在熔体内受到某一方向合力而在熔体中定向运动,异质颗粒受到的力被称为电磁斥力,其受力示意图如图1所示[2]。在熔体中形成压力梯度，导电率小的颗粒受到挤压而向外表面产生迁移和富集，最终分布在铸件的表面。

Leenov 在假定一个导电率为p σ的固体球粒子浸没在一个导电率为f σ的流体中，在电磁场的作用下推导出球体粒子所受的合力为:

2

03()22=-2P f P P f

F f B f σσσσμ-=-⨯⨯+ 其中电磁压力：

2 电磁分离技术的工艺方案

近年来,电磁分离净化技术得到了一定程度的完善,不同形式电磁场的金属熔体净化处理方案有直流电场正交稳恒磁场[2]、交流电场[3]、交变磁场[4、5]、行波磁场[6、7]以及超强磁场[8、9]等.在这些分离方案中,外加交变磁场是实施起来最方便的一种,这种方案不需要在熔体中通入电流,没有电极污染问题,而且分离效率受夹杂颗粒粒径影响最小.利用外加高频交变磁场净化铝合金的工艺最早是由El-Kaddah 等提出的,这是一种从单侧施加磁场的方法,其优点是外加磁场的施加以及磁感应强度的大小可以通过电源来调节,使用方便,但是在集肤层区域以外作用力比较小,夹杂的分离比较困难. Yamao 等[4] 从理论上论证了利用线圈感应磁场进行电磁分离的可操作性。

电磁分离方法制备的原位梯度材料主要有两种:圆棒状(或管状)和块状梯度材料[10]。圆棒状原位梯度材料是将交变电流通入圆柱状感应线圈内,从而在置于感应线圈内的熔体中产生交变电磁场来制备原位梯度材料,制备示意图如图2a 所示。而块状梯度材料是将通电熔体置于稳恒磁场中,磁场与电流正交从而在熔体中产生洛伦兹力来制备梯度材料,制备示意图如图2b 所示。

直流电场正交稳恒磁场是应用最早的工艺方案。这种方法的优点是电流和磁场施加方便，易于改变电磁力的大小，且不存在电场和磁场的藕合问题；不足之处是需在熔融金属中插入电极，易对熔体产生浸渍污染，且只能制成线性梯度的颗粒分布，这限制了该方法的应用。交流电场的方案的优点是不需外加磁场，可采用工频电源，且相比于正交的电场和磁场的方案，夹杂迁移距离短，分离器利用率高；但缺点是为了有效去除细小夹杂物(l~20μm)，需要通过大的交变电流，但在大的交变电流下熔体的流动为紊流，分离效率、能量的利用率低。交变磁场方案去除效率对颗粒尺寸的依赖性很小，更适合分离小尺寸夹杂；无需另设回路来导通外加电流或感生电流，易于实施，无需引入电极，不产生电极污染，是无接触的洁净处理过程，磁感应强度大小调节方便。因此有着良好的应用前景。

3 使用交变磁场的电磁分离技术的进展

中频[11] 、高频[12]交流磁场都被应用于SiC颗粒增强的铝基圆柱形铸件的制备。高频（30KHZ-200KHZ）的应用减小了透入深度及电磁力作用区域，只能在表面得到很薄的颗粒聚集层。降低频率至3KHZ增加了作用深度，然而却引起了金属液体的激烈搅拌，阻碍了颗粒沿指定方向的迁移。Slawomir Golak等[13]使用间歇交变磁场来解决这一问题，粘滞力减慢金属流动，但是充模后金属长时间保持液体状态，重力沉积带来了负面影响。Slawomir Golak等的另一篇文献里[14]，利用在模具上添加导体单元、抛物线型线圈等措施获得更均匀的磁场分布，从而减弱液体的搅拌流动。

陈东风[15]等在电磁净化金属熔体研究的基础上，进一步研究了电磁净化在制备表层复合材料方面的应用，选用Al-5%Fe合金熔体，加人Mn做变质剂来改变铁相的形态，通过改变施加高频磁场时间的长短来控制富铁相在熔体中沿径向的迁移，使之在电磁力的作用下迁移到表层，制取预想的自生表层复合材料。

D. Shu等[16]设计了双步骤多通道电磁分离器，颗粒聚集分布和轴向速度显著变化，分离效率提高。

[1] LEENOV D, KOLIN A. Theory of electromagnetophoresis. I. Magnetohydrodynamic forces experienced by spherical and symmetrically oriented cylindrical particles [J].J Chem Phys, 1954,22(4):683-688.

[2]张国志,辛启斌,张辉彦,等.关于液态金属电磁净化的讨论[J].材料与冶金学报,2002,1(1): 31-35.

[3]杨桂香,钱熔,倪红军.利用高频磁场连续分离铝熔体中夹杂物的理论分析[J].铝加工,2002,25(3):1-3,49.

[4] YAMAO F, SASSA K, IWAI K,et al. Separation of inclusions in liquid metal using fixed alternating magnetic field [J].Tetsu-to-Hagane, 1997,83(1):30-35.

[5]钟云波,任忠鸣,邓康,等.行波磁场净化液态金属时矩形管及三角形管内夹杂去除效率的理论解析[J].金属学报,1999,35(5):503-508.

[6]翟秀静,范立志,孙中祺,等.电磁分离铝熔体中不同粒径夹杂颗粒的研究[J].分子科学学报,2001,17(1):23-26.

[7]钟云波,任忠鸣,邓康,等.行波磁场净化液体金属的电磁力参数[J].中国有色金属学报, 1999,9(3):482-487.

[8]钟云波,任忠鸣,邓康,等.金属净化技术的一种革命性方法——电磁净化法[J].包头钢铁学院学报,1999,18(9):363-368.