电磁场在金属铸造中的应用_高建华

面必须形成足够的磁感应强度梯度，EMC 采用的电磁场
频率通常为 2 000 Hz~3 000 Hz。
EMC 的工作原理如图 1 所示，当感应线圈中通过 交变电流 Jo 时，在线圈内产生交变磁场 B，磁场作用
图 2 电磁细晶铸造
于金属液体，产生与 Jo 方向相反的感应电流 J，磁场与
线圈内的交变电流在熔体内部产生垂直方向的交
和快速达到稳定，每 50 mL 水样中加入一滴中性 0.1 质。
moL/LKCl溶液。”虽然此方法改变了水样中的离子强
收稿：2011－04－28
度，在一定程度上引起了其 pH 值的变化，但经实验证
的中心线发生了显著的偏转，导致熔体内部 Lorentz 力 率，磁力线逐渐深入熔体内部，电磁力 F2=J×b 的旋转 的时间平均值同时存在垂直分量和水平分量。其中水 分量逐渐增加，对熔体的搅拌作用增强的同时，其频率
平分量为与金属静压力梯度平衡的有势力，而垂直分 为 2f 的振荡分量也相应增加且深入熔体内部，起着更
量为有旋力场，起到了搅拌熔体的作用。Lorentz 力水 好地均匀温场和合金元素的作用
平分量使得熔体自由表面形成凸起的弯月形，从而减
6 低频水平连铸
小了熔体与结晶器接触高度和接触压力，实现了所谓
的软接触，改变了一次冷却区热通量的大小与分布情
结晶器外设置了电磁感应线圈，可以通过施加不
况，起到了减弱一次冷却强度的作用，使初生凝固壳形 同强度及频率的励磁电流产生不同强度及频率的电磁
3 电磁细晶铸造
Vives 提出的电磁细晶铸造 CREM (Casting, Refining, Electromagnetic) 工艺是指在 DC 铸造结晶器外布置感 应线圈，线圈中施加 50 Hz 的工频交流电，通过其在金
上世纪 60 年代，前苏联铝合金专家 Getselev 在铝合 属熔体中产生的电磁场作用达到细化晶粒和改善表面
参考文献
〔1〕王祝堂.田荣璋.铝合金及其加工手册(第 2 版)[M].长沙: 中南大学出版社，2006.
5 低频电磁振荡铸造
〔2〕李宝绵. 电磁场在金属液态成形过程中的应用.
在 CREM的基础上，在 DC 半连铸结晶器外同时
收稿：2011－02－14
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围内的宏观偏析没有产生显著的影响。随着输入功率 流，使整个熔体内部的温度降低且均匀、温度梯度减 的增大，铸锭表面的环状波纹逐渐减小，当输入功率达 小、液穴变浅、液穴中大部分甚至全部体积内的熔体处
到 2.2 kW 时，熔体与结晶器的接触高度趋于 0，得到 于两相区，从而增加了结晶晶核数目，有效地细化晶
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明此变化在数值上只改变了 0.01pH 左右，是完全可以
作为离子强度调节剂，改变溶液中的离子总强度，增加 接受的。但采用这种方法时，一定要注意所加的 KCl溶
导电性，使测量快速稳定。此方法国家标准 GB/T6P04. 液不应含任何碱性或酸性的杂质。因此，KCl 试剂要采
3- 93 中规定：“测量水样时为了减少液接电位的影响 用高纯度的，所配溶液的水质也要高纯度的中性水
成位置下降，表面渗出现象减弱，表面偏析层厚度随输 场。电磁场与熔体内部产生的感应电流之间的交互作
入功率的增加而线性减小，与 EMC 一样，也可以有效 用使熔体受到 Lorentz 力的作用。Lorentz 力由两部分
地提高铸锭的表面质量，但对铸锭横截面上大尺度范 组成，第一项为一回旋力，这个力在熔体中产生强制对
感应电流交互作用，产生向内的电磁力 F=J×H，F 从 变电磁场，金属熔体内部的感生电流与磁场交互作用，
2011 年
新疆有色金属
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使熔体受到 Lorentz 力的作用，由于铸锭与结晶器几何 施加与重力矢量方向平行的稳恒磁场 B0 和一低频周
形状在垂直方向的不对称性，使得磁力线相对于铸锭 期性交变磁场 B(t)，实现了电磁振荡铸造。通过降低频
金 DC 半连续铸造的基础上开发了 EMC(Electromagnetic 质量的目的，见图 2。
Casting)工艺。通过交变电磁场产生的 Lorentz 力约束金
属熔体，并维持一定的液柱高度，替代了结晶器的支撑作
用，实现了无模铸造。设备主要由感应线圈、屏蔽体和冷
却水套组成。为了获得支撑熔体所需的约束力，在熔体表
工艺是指近年来在 CREM 的基础上，采用更低的频率 7 总 结
(低于 50 Hz)，在 DC 铸造技术的结晶器周围布置交流感
应线圈，半连续低频电磁铸造制备铝合金锭坯的方法。
电磁场在金属的铸造过程中有细化晶粒、减少表
利用低频电磁场的渗透熔体能力强的特点，制备了直 面缺陷，减少宏观偏析等作用。通过电磁场的特点，在
径为 100～500 mm 的不同合金规格的铝合金铸锭，发 铸造过程中可以根据实际的生产情况进行调整应用，
现 LFEC 不但可以实现 CREM 铸锭微观组织细小均 以达到最佳效果。
匀，表面质量好的目的，更重要的是发现了 LFEC 可以 大大提高晶内合金元素含量，而且还可以增强锭坯的 抗裂纹能力，减小宏观偏析。
还具有驱动功能如电磁搅拌；具有抑制流动功能如电
磁制动；具有悬浮功能如水平悬浮铸造。根据其功能有
图 1 EMC 示意图
如下的区分：⑴ EMC（电磁无模铸造）；⑵ CREM（电磁 细晶铸造）；⑶ LEMC（低频电磁铸造）；⑷ LFEVC（低 频电磁振荡铸造）；⑸ EMHCC（低频水平连铸）。
2 电磁无模铸造
的使用性能等特点，在近五十年里，铝的连续铸造技术
得到了显著的发展。但是直接水冷铸造法也存在不少
的缺陷，如宏观方向上的偏析，组织的不均匀，以及存
在铸造应力大的等。在 1961 的朗金贝格和 1965 的盖
兹列夫在实际铸造过程中加入的电磁场，使得晶粒细
化，成分偏析减少，提高了铸造质量。电磁场具有形状
控制功能如高频磁场（EMC)和直流磁场（喷射成形）；
了光滑的铸锭表面，消除了表面偏析区，提高了成材 粒。第二项是由熔体静压力梯度平衡的有势力，它和熔
率。
体静压力相平衡，对金属熔体产生约束作用。电磁压力
4 低频电磁铸造
替代了部分的结晶器支撑力，从而减少了熔体与结晶 器内壁之间的接触压力，进而降低了二者之间的摩擦
低频电磁铸造(LowFrequencyElectromagneticCasting) 阻力，有效提高了铸锭的表面质量。
关键词 电磁场 铸造
1 引言
直接水冷铸造法(Direct Chilling，即 DC 铸造)是连 续铸造法的一种，1953 年由美国 Alcoa 铝业公司成功 开发。由于铝的导热性能好、熔体金属容易处理和优良
侧面约束金属熔体使其保持柱面平衡。电磁力可以分 解为径向分量(非转动部分)和竖直分量(转动部分)，径 向分量与金属静压力保持平衡，从而形成弯月面；而竖 直分量能起到搅拌金属液体，形成强制对流作用。
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新疆有色金属
增刊 1
电磁场在金属铸造中的应用
Baidu Nhomakorabea
高建华 (新疆众和股份有限公司 乌鲁木齐 830013)
摘 要 常规铸造板锭时，会存在组织不均、宏观偏析、铸造应力与裂纹等缺陷。但是在板锭的铸造时加入电磁场，能较好地消除板锭的 成分偏析、铸造应力等缺陷，提高板锭的内在质量。目前，随着铸造工艺的不断发展，铸造时的电磁场技术也在不断的优化，发展出了不同的应用工 艺，并各有优缺点。了解电磁场在金属铸造时的应用，对板锭的铸造具有一定的指导意义。