電磁場在金屬鑄造中的應用

張銳　鄭鵬飛　樊斌

摘 要：隨著近年來工業技術的發展電磁場在金屬鑄造業中得到了廣泛的應用。電磁鑄造技術因具有高密性、可控性、響應性、清潔性及能量利用率高等特點使得它在金屬鑄造中有著廣泛的前景。本文主要對電磁場在金屬鑄造中的應用展開論述從而促使進一步發揮它在金屬鑄造業的的作用，最終達到能量的最大化利用。

關鍵詞：電磁場；電磁攪拌技術；金屬鑄造

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.013

電磁場在金屬鑄造的得到應用的主要原因是金屬是電的良好導體并且它能在金屬在磁場和電流的綜合作用下金屬內部產生了電磁力。在產生電磁力的情況下進行人為干預，利用電磁力對融化金屬進行傳輸和非接觸下攪拌及形狀控制從而達到金屬鑄造的預期效果。電磁技術在金屬鑄造中的應用將會對金屬鑄造業產生積極的促進作用

1 電磁攪拌技術及其應用

（1）電磁場的攪拌技術。電磁攪拌技術的原理是：當金屬在熔化爐中呈液體狀態時，液體中產生感應電流，人們利用不同形式的磁場發生裝置通過對電流和磁場的作用產生的電磁力進行控制。通過電磁力對連鑄過程中的鋼水的流動性、傳熱和凝固過程的控制，使鋼水的流動性、傳熱和凝固過程按照人們預想的狀態進行，從而使鋼的清潔度得到提高，鑄造毛坯的等軸晶區偏析得到降低，中心疏松的癥狀得到較少，以及在鑄造過程中容易造成的缺陷均得到了有效的解決，實現了鑄造出的毛坯達到了優質、高等級的目地。

（2）電磁攪拌技術的應用及使用現況。人們通過電磁對液態金屬的水平、豎直向上、豎直向下的不同方向進行攪拌，對不同的電磁攪拌下的鑄造毛坯的清潔程度檢測試驗。試驗通過三維有限元磁流體數值模擬對不同方向電磁攪拌后的鑄造毛坯進行檢測的方法，發現豎直向上的電磁攪拌方式可以減少鋼液的深度有利于鋼液中雜物的上浮，改善了鑄造毛坯的質量。通過試驗發現，電磁攪拌對減少等軸晶區偏析，去除有害雜質，凈化鋼水等方面有著非常顯著的優點。但如果電磁攪拌器的安裝位置不正確導致攪拌強度過大時就會時這些優點大打折扣。經過多年的生產實踐論證，彎月面波動是連鑄毛坯缺陷的主要因素，而電磁攪拌器的安裝位置不正確是造成彎月面的主要原因。鋼液在電磁攪拌的離心力作用下，在液體表面形成漩渦使型壁附近的金屬向上凸起、中心位置的金屬面出現凹陷，從而彎月面的穩定性遭到破壞，阻礙了潤滑劑的流入，降低了潤滑效果。而因為中心位置金屬面的凹陷使保護渣被卷入鋼液中造成鑄件毛坯夾雜缺陷。月彎面的不穩定性使結晶面的控制產生了不良的影響，在這方的研究還不透徹，還有待于進一步的研究和證實。

2 電磁制動技術及應用

（1）電磁制動技術。電磁制動技術的原理：電磁制動技術的關鍵要素是洛侖磁力。當液態金屬流速方向的垂直方向上產生恒穩磁場時，液態金屬流經恒穩磁場與磁感應強度方向重合處，根據歐姆定律，在液態金屬中產生感生電流，而感生電流與恒穩磁場的交互作用又在液態金屬中產生與流速方向相反的洛侖磁力。人們經過對洛侖磁力的控制從而實現對液態金屬的流速控制。

（2）電磁攪拌技術的應用。電磁控制技術是穩定在結晶器內金屬液體流動的有效手段，尤其在薄板坯連鑄的行業受到用戶重視。電磁制動技術使金屬液體在注流時避免發生鑄造毛坯初期因坯殼被鋼水重熔等現象的發生，使結晶器窄邊的沖刷強度減少，從而使鑄造毛坯橫裂的凝固缺陷得以減少。

3 電磁屏蔽技術及其應用

（1）電磁屏蔽技術。電磁屏蔽技術的原理：鋼液在攪拌器的離心力作用下，在液體表面形成漩渦使型壁附近的金屬向上凸起、中心位置的金屬面出現凹陷，從而彎月面的穩定性遭到破壞，而在攪拌器線圈的上部安裝具有吸收攪拌器上部漩渦的強磁材料，可以消弱彎月面附近的磁場強度，保證了彎月面的穩定性。

（2）電磁屏蔽技術的應用。電磁屏蔽技術是降低彎月面附近磁場強度的有效手段，它可以大幅度增加攪拌強度，使表面裂紋和皮下夾雜得到減少，提高鑄造毛坯質量。

4 電磁薄帶連鑄技術及應用

（1）電磁薄帶連鑄技術的原理。當鑄造方向向外接通直流電源時，在輥子間設置耐火材料并外加恒定的磁場，直流電源磁場之間產生平行于輥子軸的電磁力，封住堰與輥間的鋼水。

（2）電磁薄帶連鑄技術的應用。側封是薄帶連鑄的關鍵技術，薄帶連鑄密封不好的情況下，鋼水會進入棍子和擋塊之間形成尖銳的突出物。當薄帶從間隙拉出時，大的突出物就有可能將帶邊撕裂；而利用電磁技術實現無接觸側封的方法不僅能封住鋼水，而且隨著鑄造方向向外接通的電流的增加，熔潭的深度也相應的增加。電磁薄帶連鑄技術與原本單一的電磁側封相比，電磁薄帶連鑄技術的效率得到了提高，同時輥子與堰的鋼水自由面的穩定性也得到了提高。

5 電磁在金屬鑄造中的作用

電磁在金屬鑄造中起到了如下的作用：（1）使鑄件表面非常光滑，不需要鑄造后的產品進行去皮加工同時沒有了常規鑄模生產所造成的缺陷保證了產品質量；（2）使鑄件內部組織均勻，晶粒細小；（3）冷卻時不需要使用潤滑油，保證了冷卻水的重復利用，工人的工作條件得到了改善；（4）鑄造成品的速度同比得到了增加，同時也提高生產率；（5）可鑄造復雜形狀的鑄件。

6 總結

在鑄造過程中從表面開始凝固到完全凝固，液態金屬的流動性在其中起著至關重要的作用。電磁技術的核心技術就是用電磁力控制液態金屬的凝固過程中的流動性，用來改善鑄造毛坯的機構、質量及性能的過程。在常規金屬鑄造時會存在組織不均勻、偏析、鑄造應力和裂紋等缺陷，但在鑄造時加入電磁場就會較好的消除鑄坯的鑄造應力及偏析等缺陷提高了鑄坯的質量。電磁場的應用在整個金屬鑄造的工藝上具有重要的意義。

參考文獻：

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作者簡介：張銳（1978-），男，陜西西安人，碩士，助理工程師，研究方向：金屬加工工藝。