电磁离心铸造工艺及其对合金凝固组织影响的研究化工设备

电磁离心铸造工艺及其对合金凝固组织影响的研究

电磁离心铸造工艺及其对合金凝固组织影响的研究 2011年12月09日 来源： 1 绪 论近年来电磁作用在工业、农业、医疗卫生等方面的应用越来越广泛并且引起了人们极大的兴趣，尤其电磁作用在冶金生产中的应用经过人们几十年的探索，已经取得了很大的进展，并且越来越受到科学工作者的重视。1982年国际理论与应用力学联合会（IUTAM）在英国剑桥召开了首届电磁流体力学（MHD）在冶金生产中的应用国际会议，指出电磁流体力学可以革新金属材料的生产过程[1] 。又经过十几年的努力，1994年10月在日本名古屋召开了材料的电磁加工过程（EPM）国际会议，进一步确立了电磁作用在冶金生产中的应用的地位，也标志着它已成为一个独立的研究领域。电磁作用对金属凝固过程的影响是其中最重要的方面。对铸造工作者来说提高铸件质量是最重要的任务，而提高铸件质量的关键在于改善铸件的凝固过程。与传统方法不同，电磁作用为有效地控制铸件凝固过程开辟了广阔的前景。研究电磁作用在冶金生产中的应用的基础就是电磁流体力学。以前的研究主要侧重于电磁作用在液态金属中造成流动，进而流动改变了金属的凝固过程。而电磁作用对液态金属的物理性质产生的影响也会影响金属凝固过程，而且由于不同物质的电磁特性不同，因而在其它工艺条件相同情况下电磁作用对它们的影响也会不同。因此有必要说明一下电磁作用在液态金属中的几种效应及电磁流体力学的基本理论。　1.1 电磁作用在液态金属中的效应1.1.1液态金属的磁特性　　金属或合金在液态常常表现出与固态下不同的磁特性，如铁和碳钢在居里点以下表现为铁磁性，而在居里点以上和液态表现为顺磁性。在大多数情况下液态金属表现为抗磁性或弱的顺磁性，但一些含有过渡金属溶质的合金在液态表现为较大的顺磁性。目前还没有发现铁磁性和反铁磁性的情况[2] 。一般情况下磁场对液态金属的磁化作用很弱。　1.1.2 电磁感应由于液态金属是电导体，当圆柱状液态金属中有电流通过时，电流在距液柱表面ｘ处的磁场强度为[3] ：　　　H＝I／2πa2 (a－x)　　 　1.1液态金属处在交变或运动磁场作用下时，或液态金属在恒稳磁场中运动切割磁力线时，液态金属中就会感应出电流，感生电流密度为：　　　J＝σV×B 1.2高频感生电流具有集肤效应，即交变磁场的穿透深度与其变化频率有关，频率越高，穿透力越小；频率越低，穿透力越大。　1.1.3 电磁力（洛仑兹力）液态金属中电流与磁场相互作用就在液态金属中产生了电磁力。电磁力为体积力，单位体积上的电磁力为：　　　f＝J×B 1.3液态金属中的电流包括外加电场产生的电流和感生电流，有时还有热电效应产生的电流，即当液态金属中存在温度梯度时产生的热电效应电流，该电流由冷端流向热端。　1.1.4 霍尔效应液态金属(导体)中通电流并且施加与之正交的磁场，便会产生一个与电流和磁场都垂直的电场。　1.1.5热效应由于液态金属有一定的电阻当电流在液态金属中通过时，就产生了焦尔热。单位时间内放出的热量为：　　　　P=I2 RΩ 1.4热效应使液态金属温度升高，粘度下降，流动性提高。　1.1.6 液态金属物理性能的变化电磁作用下由于上面提到的几种效应的作用，液态金属的物理性质必然会发生变化。有人已发现在脉冲磁场下液态金属的表面张力下降[4] ，磁导率、电导率都受磁场变化频率的影响[5][6] 。目前电磁作用对液态金属其它物理性质的影响还不清楚，这方面研究的深入必将为电磁流体力学在冶金生产上的应用打下良好的基础。　1.2 应用电磁流体力学简介研究电磁作用和流体流动间相互关系的科学叫电磁流体力学，又叫磁流体动力学(MHD)。它包括了经典电动力学、磁动力学和流体力学。电磁流体力学主要研究宏观和宇宙空间的磁流体现象和规律，而在工业、农业、医疗卫生等实际方面的研究相对来说是局部(有限)空间的问题，因此称为应用电磁流体力学。应用电磁流体力学的发展可以追溯到1823年，当时Farady就曾设想利用电极之间的感生电动势来测量流体在磁场中的运动规律。1923年O.Muck申请了"悬浮融熔"专利。1932年W.Braunbeck认识到旋转磁场可以使流体旋转。然而直到六十年代，电磁流体力学才得以系统发展，在此以后MHD的原理被广泛地应用于黑色及有色金属的冶金过程，并在许多方面取得了进展[1] 。　1.2.1 电磁流体力学的基本方程Maxwell方程　ｅH　　Δ×E＝－μ0 1.5 　ｅt　　 Δ×H＝J 1.6　　 Δ·H＝0 1.7 欧姆定律　 J＝σ（E＋μ0 V×H） 1.8 液态金属所受的电磁力为：　　 f＝σ（E＋V×B）×B 1.9 定常状态下，牛顿流体的运动方程为：　　　ρ（V·Δ）V＝－Δp＋ηΔ2 V＋f 1.10由于流体在冶金装置中流速较慢，因而流动对电磁场的影响作用较小(磁雷诺数＝μ0 σVL《1，L－长度)，可以忽略[7] 。　1.2.2 应用电磁流体力学在冶金生产上的主要应用 引起液态金属流动的有电磁搅拌(EMS)、电磁泵、电渣重熔(ESR)、电渣熔接(ESW)；控制液态金属形状的有电磁铸造(EMC)；控

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