（钢铁冶金专业论文）单电流电磁分离夹杂物的基础研究.pdf

上海大学硕士学位论文 单电流电磁分离夹杂物的基础研究 摘要 随着材料电磁加工的迅速发展和对熔体洁净度的要求越来越高，利用电磁力 分离金属熔体中的非金属夹杂物作为一种新的金属净化方法和生态加工工艺，具 有广阔的应用前景。电磁分离的基本原理是根据熔体中夹杂物与熔体导电性的差 异，夹杂颗粒受到个与电磁力反向的电磁浮力的作用而从熔体中被分离出来。 作者解析了直流电和交流电在圆形管和矩形管中激励的磁场和电磁力的分 布，提出了相对电磁浮力、等效电流密度的概念，得出了分离效率的表达式；对 矩形管的数值分析表明交流电产生的电磁力场会在截面诱发二次流，二次流的存 在可能扰乱了夹杂颗粒的正常迁移，对夹杂颗粒的去除可能不利。 采用a 1 2 0 s i 和a i 5 m g 2 s i c 两种合金进行的工频电静态分离的模拟 实验表明，施加3 0 0 a 的电流，并维持2 0 s 通电时间，初生硅颗粒在不同管型的 分离器中都能完全偏聚；s i c 颗粒的分离效率随电流密度和通电时间的增加而增 大，在电流为2 5 0 a 、通电时间为2 0 s 时，圆形管和扁平管的分离效率均能达到 9 0 以上。实验证实单电流电磁分茸镘禾是完垒可行的，同时该技术可望丌辟表 一#l一一 画塑堡鱼坐燮星丑战挝魁剑鱼鲍= 叠堑友鎏。 采用a 1 8 m g 一2 a 1 2 0 3 合金进行的工频电连续分离实验发现，在本实验室 的釜壁工：堡盒金速生氢圭堕皇量壹旦垄型! ! 坚垄查，而且随着合金液流速的 增加，氧去除率显著下降：当停留时间超过1 8 s 后，实验值与理论预测比较吻合： 多孔管道磁场分布的分析表明，多孔磁场的相互作用对夹杂物的去除是不利的。 关键词：非金属夹杂物；电磁分离：铝合金：去除效率；单电流 上海大学硕士学位论文 b a s i cs t u d yo fe l e c t r o m a g n e t i cs e p a r a t i o no f i n c l u s i o n p a r t i c l e so n l yb yc u r r e n t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h ee p m ( e l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n go f m a t e r i a l s ) a n dt h eu r g e n td e m a n d sf o rh i g h e rm e l tc l e a n l i n e s s ，e l e c t r o m a g n e t i cs e p a r a t i o no f n o n m e t a l l i ci n c l u s i o nf r o mm o l t e nm e t a l ，a sa r ti n n o v a t i v ew a yt op u r i f y i n gl i q u i d m e t a l sa n dan o v e le c o p r o c e s s i n gm e t h o d ，h a sm u c hp r o s p e c ti na p p l i c a t i o n s t h e p r i n c i p l eo fe l e c t r o m a g n e t i cs e p a r a t i o n i st h a ti n c l u s i o n p a r t i c l e ss u s p e n d e di nal i q u i d m e t a lw h i c he l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y i sl e s st h a nt h a to ft h em e l t e x p e r i e n c e a n e l e c t r o m a g n e t i cb u o y a n c y f o r c ei nt h eo p p o s i t ed i r e c t i o nt ot h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ， a n da r es q u e e z e do u tf r o mt h el i q u i dm e t a l b a s e do nt h ep r e v i o u ss t u d yo fi n c l u s i o ns e p a r a t i o nt h i sp a p e rf i r s t l yi n v e s t i g a t e s t h eg e n e r mt h e o r e t i c a la s p e c t so ft h eo n l y b y - - c u r r e n te l e c t r o m a g n e t i cs e p a r a t i o no f i n c l u s i o nf r o mm o l t e nm e l t ，w h i c he s t a b l i s h e sab a s i co u t l i n eo ft h i s s e p a r a t i o n t e c h n i q u e ，a n d t h e nt h e e x p e r i m e n t s o fs t a t i ca n dc o n t i n u o u s p u r i f i c a t i o n f o r a l u m i n u m a l l o y s h a v eb e e nc o n d u c t e d r e s p e c t i v e l yb yi m p o s i n g a ni n d u s t r i a l f r e q u e n c ya l t e r n a t i n gc u r r e n to n t h em e l t t h er e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s t h e r e s e a r c ho fo u r s t u d y w i l l p r o v i d e t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lb a s i sf o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n so f t h i st e c h n i q u e t h em a g n e t i cf i e l da n d e l e c t r o m a g n e t i c f o r c eo nt h em e l tg e n e r a t e db yd i r e c ta n d a l t e r n a t i n gc u r r e n tr e s p e c t i v e l yt h r o u g hac i r c u l a ro rr e c t a n g u l a rp i p ea r es t u d i e db y t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，a n d t h e ns u c h p a r a m e t e r s a st h er e l a t i v e e l e c t r o m a g n e t i c b u o y a n c yf o r c e ，t h ee q u i v a l e n tc u r r e n td e n s i t ya r ef o r m u l a t e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i p s b e t w e e nt h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n d p r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e dt h e o r e t i c a l l y s e c o n d a r yf l o ww i l l b ei n d u c e di nt h ec r o s ss e c t i o no fr e c t a n g u l a rp i p et h r o u g h n u m e r i c a la n a l y s i s ，w h i c hm a y b e p l a ya na d v e r s ee f f e c to nt h er e m o v a lo fi n c l u s i o n p a r t i c l e sf o ri td i s t u r b st h em i g r a t i o nt r a j e c t o r i e so f p a r t i c l e s i i 上海大学硕士学位论文 一一 t h es t a t i c e x p e r i m e n t s o fe l e c t r o m a g n e t i cs e p a r a t i o n f o ra i - 2 0 s ia l l o ya n d a i 5 m g 2 s i ca l l o ys h o w t h a tw h i l ea p p l i e dc u r r e n ti s3 0 0 aa n di m p o s e d t i m ei s 2 0 s t h e r ea r eo b s e r v a b l ee f f e c t si na l lt y p e so fp i p e s ；t h er e s u l t sa l s os h o w t h a tt h e h i g h e rc u r r e n td e n s i t ya n dl o n g e ri m p o s e dt i m e r e s u l ti nh i g h e rr e m o v a le f f i c i e n c y ， a n dt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fs i cp a r t i c l e sr e a c h e s9 0 w h e na p p l i e dc u r r e n ti s2 5 0 a a n di m p o s e dt i m ei s2 0 s ，t h ef e a s i b i l i t yo fe l e c t r o m a g n e t i cs e p a r a t i o nf r o mm o l t e n m e t a lo n l yb yc u r r e n th a sb e e na p p r o v e dt h r o u g ht h e s ee x p e r i m e n t s f u r t h e r m o r e ，i ti s p r o m i s i n g t h a tt h i s t e c h n i q u e i s t r a n s p l a m e d t o p r o d u c e t h ef g m s ( f u n c t i o n a l g r a d i e n tm a t e r i a l s ) w i t hs u r f a c er e i n f o r c e dp h a s e t h ee x p e r i m e n to fc o n t i n u o u se l e c t r o m a g n e t i cs e p a r a t i o nf o ra 1 ，8 m g - 2 a 1 2 0 3 a l l o yu t i l i z i n gt h er e c t a n g u l a rp i p es e p a r a t o rs h o w s t h a tu n d e rt h ec o n d i t i o no fo u r l a b o r a t o r yt h em a x i m u me f f i c i e n c yo fo x y g e nc a nr e a c h7 0 o rm o r e ，a n dt h a tt h e r e m o v a le f f i c i e n c yd e c r e a s e sd r a m a t i c a l l yw i t ht h ei n c r e a s i n gv e l o c i t yo fm e l t s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h et h e o r e t i c a lo n e sw h e nt h er e s i d e n tt i m eo f m e l t si sm o r et h a n18 s t h et h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w st h a tt h ei n t e r a c t i o n so fm a n y p i p e s m a g n e t i cf i e l d sm a y b ed i s a d v a n t a g eo f t h er e m o v a lo f i n c l u s i o n s k e yw o r d s ：n o n m e t a l l i ci n c l u s i o n ；e l e c t r o m a g n e t i cs e p a r a t i o n ；a l u m i n u ma l l o y r e m o v a le f f i c i e n c y ；d i r e c to ra l t e r n a t i n gc u r r e n t i i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：f j 期 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 上海大学硕士学位论文 第一章序言 现代科学技术的迅猛发展，特别是航天航空、汽车及核能等高新技术的发展， 对材料的组织和性能提出了越来越高的要求。在金属材料科学的领域中，如何综 合利用各种新理论和新技术形成新的材料制备技术以获得具有优异往能和特定 功能的新型材料是各国冶金和材料工作者共同关注的课题。 电磁场在材料制备中的应用开辟了新材料研制的一条新途径。电磁场是一种 具有体作用效应的物理场，具有均匀高效、不接触、无污染、易控制和实现自动 化操作等突出优点。电磁场对液体金属的作用主要体现为力效应和热效应，利用 力效应可以对熔融金属进行形状控制、驱动或抑制流动、悬浮、净化和雾化等， 利用热效应可以进行加热熔炼，综合利用两效应可以进行凝固组织的控制及电磁 精炼等1 1j 。由此应运而生的电磁冶金学即是以电磁热流体力学理论为基础，研究 电磁场作用下的冶金过程和材料加工的新兴工程学科。 随着人们对金属材料失效行为研究的不断深入，金属中非金属夹杂物对金属 基体的破坏作用逐渐被披露。如在钢的冶金中，为提高钢的纯净度而蓬勃发展起 来的二次精炼技术【“，主要目标之一就是要除去钢中大量的微细非金属夹杂物。 然而，对于在工业上广泛应用的铝合金来说，目前的精炼技术难以满足日益增长 的纯净度的要求，制备高品质的铝合金的难点就是如何去除其中微米级的夹杂 物、降低氢含量以及去除微量元素。研究如何获得高洁净度的铝合金熔体，成为 当前我国铝材制备的重点之一。国家重点基础研究发展规划项目( 9 7 3 ) 已将降 低铝及铝合金中夹杂物含量作为一项研究内容，提出的技术指标为夹杂总含量小 于o 0 2 ，尺寸小于l o g m 【3 j 。近十几年来发展起来的金属液电磁净化技术正好 适应了这需要。 金属液电磁净化技术是指利用电磁场作用下金属流体中不导电的异相颗粒 受到与流体所受的电磁力( l o r e n 眩f o r c e ) 方向相反的电磁浮力( e l e c # v d 肼p t i c a r c h i m e d e s f o r c e ) 作用而发生迁移、分离并最终从金属液中除去的一种革命性的 净化方法辟1 。与铝合金熔体净化所用的传统方法相比，这一净化技术具有夹杂去 除效率高、不易引起二次污染、能去除微细夹杂、稳定性和可操作性好等突出优 点，能较好解决目前夹杂物深度净化方面的技术难题。 上海大学硕士学位论文 1 9 5 4 年，d l e e n o v 和a ，k o i i n f 5 , 6 j 首先从理论上分析了磁场作用下通电流体 中球形颗粒的受力和运动行为，科学地揭示了这一方法的基本原理：1 9 8 2 年， 在由i u t a m 举办的题为“磁流体力学在冶金中应用”的国际会议上，r m a r r y 和a a l e m a n y i v l 报告了他们用电磁力使水银中的水滴发生偏聚的实验及理论分 析结果，引起了与会者的广泛关注，由此诞生了金属液电磁净化技术的设想；随 后，日【8 1 、美1 9 1 、法【1 0 】等国学者对此技术进行了广泛的研究，1 9 9 6 年日本钢铁工 业将电磁场净化技术确定为今后五年中重点发展的两大新技术之一1 。 近些年来，我国也迅速展开了金属液电磁净化技术的实验和理论研究 1 2 , 1 3 l ， 并取得了一定的进展，但所试验的电磁净化方案均存在一定的缺陷净化效果并 不能令人满意。基于s t a n i g u c h i 和j k ，b r i m a c o m b e 【h j 提出的交流电净化钢液的 设想和理论研究，本课题采用交流电对铝合金熔体的净化进行了一定的实验研究 和理论补充，提出了单电流分离夹杂物的基本框架，为铝合金熔体的电磁净化技 术的应用提供了一条新途径。 全文共分六章。第一章为序言，介绍了本文的研究背景及大致思路；第二章 文献综述介绍了相关的研究进展情况：第三章对单电流电磁分离夹杂物的一般理 论问题作了深入研究，对夹杂颗粒分离效率进行了分析和探讨；第四、五两章对 铝合金熔体采用交流电分别进行了静态和连续分离实验，考察了电流强度、通电 时间、分离器管型等实验参数对夹杂颗粒的偏聚行为和分离效率的影响；第六章 是全文的结论及展望，指出了尚存在的不足及实际应用应解决的问题为以后的 研究提供有益的借鉴。 一2 上海大学硕士学位论文 第二章文献综述 2 1 材料电磁加工的由来 在二十世纪四十年代，瑞典物理学家h o ga l f v e n 在总结前人研究的基础 上进行了磁流体动力学体系化的工作，并使“m a g n e t o h y d r o d y n a m i c s ”( m h d ) 一词开始被使用”1 。磁流体动力学是研究电磁场和导电流体流动之间相互关系 的科学，它涉及到经典电动力学、热力学和流体力学；而电磁冶金学即属于磁流 体动力学在冶金中应用的范畴。 m h d 在冶金生产中的应用是从上世纪六十年代开始的：t 9 6 1 年l a n ，g e n b e r g 指出，在交变电磁场中凝固的钢锭晶粒可以被细化，这促使p o p p m e i e r 等人把电 磁搅拌应用到铸钢的连铸生产中；1 9 6 5 年，前苏联盖兹列夫等人利用磁控成形 技术对铝及其合金实行电磁铸造并应用于工业上。1 9 8 2 年9 月在英国剑桥大学， 由国际理论力学和应用力学联合会( 几硼m ) 首次主持召开了“磁流体力学在冶 金中应用”的国际学术会议【l ”，这是一次具有里程碑意义的会议；受i u t a m 研 讨会的启发，日本钢铁协会( 1 s i j ) 于1 9 8 5 年建立了“电磁冶金委员会”，电磁 冶金开始明确成为冶金学的一个分支学科”。 1 9 8 9 年s h i g e oa s a i 明确提出了材料电磁加工( e l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n go f m a t e r i a l s ，e p m ) 的概念，并详细描述了这门工程学科产生的背景、特征以及电 磁场在材料加工中的应用实例【1 5 】；1 9 9 4 年和1 9 9 7 年在日本和法国先后召开的第 一、第二届材料电磁加工国际会议充分反映了材料电磁研究的最新进展，这明确 标志着e p m 时代的到来：2 0 0 0 年和2 0 0 3 年在日本和法国先后召开的第三和第 四届会议又把e p m 研究推向了一个新的发展高度。 目前，国内外的不少冶金学者特别注意材料的电磁加工方面的基础研究工 作，如我们课题组在国内较早而深入地开展了强磁场在金属材料的凝固过程中的 作用机理的基础研究【1 8 】，以及软接触电磁连铸技术【1 9 , 2 0 、电磁净化技术1 2 1 和电 磁侧封技术1 2 2 1 等的基础研究。本课题的研究方向即为电磁净化技术中的单电流 电磁分离非金属夹杂物的基础研究。 - 3 上海大学硕士学位论文 2 2 e p m 基本概况 m h d 之所以能在冶金过程中得到极广泛的应用，主要是由于液体金属是电 的良好导体。在实际的应用实践中，磁场通常分为直流静磁场、低频移动磁场、 高频交变磁场和强静磁场，而形成电场的电流密度通常由三部分组成口3 j ： j = j o + f v b ) , u + a v b ( 2 - 1 ) 上式中第一项为直接施加在导电流体上的交流或直流电流，第二项为交变磁场产 生的感应电流，第三项是磁场和运动的流体相互作用而产生的动生电流。 如前所述，材料电磁加工技术主要就是在材料加工过程中利用电磁场的热能 和力能效应，其热能效应就是焦耳效应( t h ej o u l ee f f e c t ) ，力能效应主要体现为 电磁力丘。( l o r e n t z f o r c e ) 和磁化力r ( m a g n e t i z a t i o n r f o ? c e ) 的作用1 2 4 1 ： e 。= j x b = ( z r ) ( a v ) a m b( 2 - 2 ) 根据所采用的电场和磁场的不同，常见的电磁加工工艺有：电磁搅拌【2 ：；j 、 电磁铸造f 2 6 】、悬浮冶金【2 7 1 、电磁分离【2 8 】和晶体生长的控制等等。近年来，超 导强磁场技术发展异常迅速，实验室规模的1 0 t 左右强磁场已经得到实现。与普 通电磁场多作用于材料加工的动力学过程( 如电磁搅拌、电磁制动等) 不同，强 磁场能够将大强度的磁化能量输入到材料中，改变材料的热力学状态，改变原子 和分子的排列、匹配和迁移等行为，从而对包括非铁磁性材料在内的各种材料的 组织和性能产生巨大而深刻的影响，由此产生了一些具有重大理论和实用价值的 强磁现象( 如晶体取向、电磁激振川、磁悬浮吲和磁分离等) ，并形成一个 全新的研究领域( s c i e n c er e l a t e d w i t ha h i g hm a g n e t i cf i e l d ) 3 4 1 。 总之，材料电磁加工是借助于电流和磁场所形成的电磁力和所产生的强大能 量，对材料加工处理过程中的表面形态、流体流动和传热传质等施加影响，以便 有效控制其变化和反应过程，改善材料的表面质量和组织结构，从而获得具有优 异性能和特定功能的新型材料。 2 3 铝合金中的夹杂物 洁净的液态金属是获得优质铸件( 锭) 的前提和保证。液态金属中的夹杂物 一般是指液相线温度以上就已存在的任何固相或液相的外生杂质。在大多数情况 - 4 圭壹奎堂塑主堂垡丝苎一一 下，夹杂物的存在破坏了金属基体的连续性，造成金属组织的不均匀，从而大大 降低了金属材料的各种性能口“。 铝是人类应用的仅次于钢铁的第二大金属，铝及其合金由于具有较高的比强 度、较好的导电导热性能、良好的成形性能和耐蚀性能，在汽车、航空、电子、 建筑等领域得到了广泛的应用。另外，铝合金具有很高的可回收性，它是最具回 收与再生利用价值的工程金属之一，铝合金的再生利用具有良好的环境效益和经 济效益【3 6 】。 在未进行过任何处理的铝熔体中夹杂物的含量一般在o 0 0 5 到o 0 2v 0 1 范 围内，即使夹杂物的含量不高，数量却非常大，例如在1 千克的铝液中，如果夹 杂物含量为i p p m 而夹杂物的尺寸为4 0 t a m ，j g z , 夹杂物的数量约为l 1 0 0 0 个1 。 铝熔体中的非金属夹杂物种类繁多，状态各异，如按成分划分，夹杂物可分 为氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、盐类和渣等。根据文献1 3 8 4 0 】的报道，铝及 其合金液中常见的非金属夹杂物种类、形态及尺寸范围如下表所示( 表中丁表示 厚度，d 表示直径，表示长度，单位为p m ) ： 表1 1 铝熔体中常见非金属夹杂物种类、形态及尺寸范围 种类形态尺寸范围 a 1 = o )薄片状：薄片集合体：粒状、块状 t = 0 1 - 5 ：d = 1 0 - 1 0 0 0 ：d = l r 3 0 0 m g o 粒状：由粒状组成的块状 t = o2 - 1 ：t = l 一8 ，d ；1 0 1 0 0 0 a 1 2 m g o d 方粒；厚膜片粒子群 d = 0 卜5 ：t = l 一6 ，d 。1 0 - 1 0 0 0 s i 0 2块状、球状 d = j 0 一1 0 0 0 硅酸盐 块状、球状 d = 1 0 一1 0 0 0 a 1 s j - o块状、球状d = 1 0 1 0 0 0 f e o 、f e 2 0 3片状集台体：块状 t = 0 卜l ：1 3 = 5 0 1 0 3 0 复台氧化物厚膜状。r - 1 0 ：d = 5 0 - 1 0 0 0 a l d c 卜a 1 4 0 4 c矩形、六角形板 t ( i ：d = 05 2 5 a i b 2 、a 1 b i 2六角、矩形扳：块状 t o - e 时电磁浮力与电磁力反向 当盯， 1 2 5 ，如磁场沿其长轴分布，c 。* 0 ；对于矩形薄片，c 。“0 8 1 2 。对 于表面粗糙的簇状颗粒，由于颗粒周围的电磁力场严重扭曲，预计电磁浮力还会 减小，甚至于c 。 1 ，故在本文中c 。耿为0 5 。 n e 1 k a d d a h 等2 8 峙旨出在交变电磁场作用下导电流体中夹杂颗粒的受力可以 电磁力密度表示为耳= 矽善f 矿，式中为几何因素，与颗粒的形状和相对于电 场及磁场的取向有关：参数善表示电磁力场对颗粒和流体的导电性的依赖性。对 于球形颗粒而言，善可由式( 2 4 ) 计算： ； 焉 f l - 蛔4 c o 。( a ) 陋a ， 上海大学硕士学位论文 式中n 为颗粒半径，颗粒的电磁作用参数r ( a p = 2 ( 口j ) 2 ，6 为集肤深度，d 为 电流与感应磁场的相位差。函数g 与颗粒的大小、电流频率等参数有关。对于实 际的金属流体一非金属夹杂物( d ， 1 0 0 m ) 体系而言，月 o 1 ，计算表 明对于这样小的值，g f 口，撕瓦) 一c o s ( 口) 。这说明对于粒径小于1 0 0 b m 的夹杂 颗粒，频率的影响完全可以忽略不计。 综合以上分析，考虑夹杂颗粒的形状修正系数，再结合本实验所采用的小粒 径颗粒( d 。 1 0 0 b m ) ，本文采用如下的电磁浮力计算公式： 斥2 五，f e m b = - - 4 3 _ c 删f = 一；1 7 画j ( 2 - 5 ) 2 7 电磁净化技术的方案概述 自二十世纪八十年代初期正式提出电磁净化技术以来，国内外对此进行了广 泛的基础研究，已提出多种不同的电磁净化技术方案。这些方案主要可分为：( 1 ) 磁场和电流分别施加，如直流电+ 稳恒磁场 5 4 , 5 5 】，交流电+ 交变磁场 6 3 】；( 2 ) 交 变磁场及其感应电流方式，如感应线圈磁场 6 46 6 j 、行波磁场 2 1 , 6 7 】；( 3 ) 交变电流 及其感生磁场方式 1 4 6 8 】。现分述如下： ( 1 ) 磁场和电流分别施加方式 这种方式一般又可分为两种情况，一是“直流电场+ 稳恒磁场”，另一是“交 流电+ 交变磁场”。这两种情况由于产生电磁场需要两套独立的设备，一次性投 资和维护成本较大，并且技术实施存在很大的难度，因此此种方案并不实用，多 用于实验室的探索研究。 “直流电+ 稳恒磁场”正交电磁场模式是最早研究、也是最简单的一种方法。 其原理如图2 - 3 所示，在恒定磁场中水平放置细陶瓷管，液态金属从中流过，给 液态金属通入直流电流，在磁场作用下，液态金属将在重力方向上受到电磁力的 作用。根据前面的分析，液态金属中的夹杂物颗粒将受到相反的力作用，向管壁 发生迁移，最终附着在管壁而与金属液分离。 m a n y 和a l e m a n y ( 1 9 8 2 ) 1 7 j 以水银中的水滴模拟非金属夹杂物，用上述方 法进行了研究( 电磁力为水平方向) ，结果表明：垂直上升的水滴( 上升速度 一9 一 上海大学硕士学位论文 1 4 c f w s ，直径为2 m m ) 在水平方向上发生了明显的偏转，水滴水平速度与电磁 力成函数关系，实验结果与理论分析吻合较好。 图2 3 正交的电磁场去除液态金属中夹杂物的示意图 受m a r t y 和a l e m a n y 的启发，浅井滋生( 1 9 9 3 ) 等【5 5 】采用n a c l 溶液模拟金 属液，用聚苯乙烯颗粒( 粒径1 5 2 1 x m ，密度1 0 5 9 l c m 3 ) 模拟夹杂物，采用视频 记录设备对恒定电磁力作用下的颗粒迁移速度进行了测定，结果发现颗粒迁移速 度与理论值吻合良好。此外，他们还指出：当磁场分布不均时，导电流体受到的 电磁力也是不均匀的，这将导致流体中紊流的产生，该紊流将扰乱夹杂物的定向 迁移行为，使电磁分离夹杂物的方法失去意义；他们提出采用减小管径的方法来 抑制金属流体的紊流，分析结果发现：管径越小，则紊流涉及范围越小，在合适 尺寸( 3 4 m m ) 的管道中，紊流基本被抑制掉，聚苯乙烯颗粒在电磁浮力的作用 下得到了较大的迁移速度( 2 0 0 - - 4 0 0 1 t m s ) 。 对于“交流电+ 交变磁场”模式，n e l k a d d a h 5 6 , 5 7 j 及k o r o v i n 【s l 5 2 均从理 论上进行了分析：只要将交变磁场和交变电流之间的相位作适当调整( 同相或者 相位差很小) ，就可获得强大的单向电磁力。谷口尚司( 1 9 9 8 ) 等【6 3 】等采用a a l e m a n y 同样的方法，对水银中甘油油滴的迁移行为进行了研究，实验结果与理 论预测吻合良好。 ( 2 ) 单独施加磁场方式 单磁场方式是以交变磁场为激励源，在金属液中感生出电流，两者相互作用 产生电磁力和电磁浮力。这种方式的研究也可分为两种情况，一是采用螺旋管线 圈的高频磁场，另一种是直线电机产生的行波磁场。 高频磁场在连铸中得到较广泛的应用f 6 4 】，它对提高铸锭的表面质量和内部 组织都起到了很好的促进作用，因此人们自然也想到了将其用于夹杂物的除去。 浅井滋生、山尾文孝( 1 9 9 7 ) 等1 6 5 】便进行了这方面的研究：他们将盛有铝液的 坩埚( 直径为3 - 6 m m ) 置于圆柱形线圈中，用氩气作保护气氛，往螺线管中通 - 1 0 上海大学硕士学位论文 入高频电流( 3 0 k h z 或3 3 k h z ) ，如图2 - 4 ( a ) 所示。根据电磁感应原理，在柱形铝 熔体的表层( 集肤层) 中产生的涡流与高频磁场相互作用，产生指向轴心的挤压 力，则夹杂颗粒在电磁浮力作用下向柱形表面迁移而除去。 图2 - 4 单磁场分离金属液夹杂物示意图( a ) 螺旋管线圈( b ) 行波磁场 采用感应线圈磁场，n e 1 k a d d a h ( 1 9 9 5 ) 等9 , 2 8 1 设计了一种分离器，他们在 铝熔体中加入t i b 2 示踪颗粒代表夹杂物，在磁场o ，0 s t 、处理量2 5 k g m i n 的条 件下进行了夹杂物连续过滤的实验，结果发现大于3 0 t m 的颗粒都能成功去除。 高桥功一( 2 0 0 1 ) 等【6 郫利用感应线圈和圆形分离管，进行了铝熔体分离s i c 颗 粒的静态模拟实验，并在施加感应磁场的同时进行机械搅拌，实验发现在低频率、 无搅拌的情况下，9 0 以上的s i c 颗粒都能去除。李克( 2 0 0 2 ) 等【6 6 采用铝合 金体系进行了高频磁场分离夹杂物的模拟实验，详细考察了处理时间、频率及管 型等实验参数对分离效果的影响。 行波磁场是浅井滋生、田中佳子( 1 9 9 5 ) 等6 7 1 提出的一种方案，该提案的 原理是基于线性电机中，定子产生移动的交变磁场( 行波磁场) 。如图2 - 4 ( b ) 所 示：陶瓷管中的液态金属在移动磁场中产生诱导电流，此电流又与磁场相互作用， 则金属液将受到与磁场移动方向相同的电磁力作用，而非金属夹杂物将受到液态 金属的挤压而向反方向迁移并附着在管壁上。钟云波、任忠呜( 2 0 0 0 ) 等2 1 1 在 不同的管型中进行了铝合金分离夹杂物的连续实验，结果发现三角管效率比矩形 管和圆管要高，在磁场为o 1 t 、电流密度为4 7 1 0 6 a m 2 和平均流速为4 c m s 的条件下，三角管中获得了7 7 以上的净化效率。 上海大学硕士学位论文 ( 3 ) 单独施加电流方式 单电流方式是以直流电或交流电为激励源，利用电流和它所感生的磁场的相 互作用，产生电磁力和电磁浮力，这两个力的方向相反，同样会使夹杂物向壁面 迁移沉积而除去。施加电流的方式有两种，一种是直接通过电极施加，我们称之 为“单电流电磁分离”( e l e c t r o m a g n e t i cs e p a r a t i o no n t y b y c u r r e n t ) , 另一种是利 用变压器的工作原理，以两个金属液通道形成的回路为次级线圈与铁芯上的多匝 初级线圈相耦合，在通道中产生强大的交变电流( 见图2 6 ( a ) ) 。 t a n i g u c h i 和b r i m a c o m b e t l 4 8 1 首先从理论上论证了采用交变电流可以实现夹 杂物的电磁分离。根据m a x w e t l 方程组( v 日= j ，v x e = a _ 自b _ b ，v b = 0 ， v j = 0 ) 可知，交变电流产生交变磁场，两者相互作用产生电磁力。他们的设 想是：圆形管或矩形管中装有液态金属，往液态金属中施加强大的交变电流，交 变电流与产生的感生磁场相互作用，对金属液产生指向轴心的挤压力，则夹杂物 颗粒向管壁方向移动，最终附着在管壁上除去；其原理如图2 5 所示。 t 。 f e m m e l tf l o w m e l t f l o w 图2 5 单电流分离金属液中夹杂物的示意图 在钢的连铸生产中，人们发现中间包感应加热装置能有效的去除非金属夹杂 物”，其结构如图2 - 6 ( a ) 所示。这其实是利用了单电流分离的基本原理：线 圈中通入交变电流，根据变压器的工作原理，将在两圆形通道中产生强大的交变 电流。根据前述原理，这样便能将钢液中的夹杂物有效地除去。根据t a n i g u c h i 等”4 j 的计算，最大感生电流为4 4 2 0 0 a ，电流转换效率为8 0 ，管径为o 。l m ， 处理量为0 5 t o r d m i n 时，尺寸大于6 0 1 t m 的夹杂物绝大部分被除去( 9 5 以上) ： 而小于此尺寸的夹杂物的去除效率则较低，见图2 - 6 ( b ) 所示。 1 2 上海大学硕士学位论文 ( m ) ( a ) 感应加热装置结构示意图 ( b ) 分离效率图 图2 - 6 中间包感应加热器的结构示意图( a ) 和计算的分离效率图( b ) ( a ) 主视图 图2 _ 7 配有外加磁场及多孔分离器的连铸中间包示意图 为了能仅依靠电流来提高微小夹杂物的分离效率，需要加大所施加的电流， 同时伴随有钢水温度的提高。但若同时施加与电流相位一致的外部磁场，则可在 抑止钢水升温的同时实现高的分离效率。将外部磁场箍加于中间包槽部的概念图 示于图2 7 。 目前关于使用单纯的交流或直流电分离夹杂物的实验尚未见报道，且考虑到 交流电尤其是工频交流电的经济实用性，因此开展这方面的研究工作是有实际意 义的，这为电磁净化技术在工业上的应用提供了一条新的途径。 一1 3 一 上海大学硕士学位论文 2 8 电磁净化技术的方案小结 由上所述，利用电磁力去除夹杂物的思想由来已久，磁流体力学学者着重从 导电流体的扰动和夹杂颗粒的受力出发进行了理论分析，而冶金和材料工作者更 多地从应用出发，着重对不同的工艺方案进行了初步验证和探索性研究。现有的 研究充分表明了电磁分离方法的可行性、有效性和它的潜力，但从揭示电磁分离 的物理过程、为电磁分离装置的设计和工艺参数的确定提供指导的角度而言，现 有的理论基础研究不够深入和系统，应用研究也才刚刚起步；而目前，电磁净化 技术的研究热点是采用交变电流或交变磁场净化金属液，但相关的实验报道尚不 多见，尚缺乏准确的实验数据来论证各种工艺参数与夹杂物分离效率的关系。 综合比较以上各种技术方案可知：第一种方案获得的电磁力较均匀，但需 要两套独立的设备产生电磁场，成本太大，显然在工业应用上是不具有吸引力的： 第二种方案中感应线圈磁场研究较多，但要满足电磁分离的实际要求，感应线圈 的长度和内径在设计上受到极大限制，而行波磁场需要直线电机产生，成本高、 维护起来不便，而且所产生的电磁力极不均匀；第三种方案的最大优点在于设备 简单，工艺实施起来比较方便，是目前比较有工程应用前景的方案之一，因此， 本文将以铝合金熔体为对象对该种方案作进一步的研究。本课题的研究工作对以 后的中间实验和工业实验的研究具有指导意义，并为单电流电磁分离技术在工业 上的应用提供理论和实验支持。 2 9 本文的主要研究内容 基于以上的文献综述，结合本实验室的实验条件，本文对以下几方面的内容 进行了研究： 1 ) 单电流电磁分离夹杂物的理论探讨 a ) 解析了电磁力作用下夹杂颗粒的迁移速度，推导了圆形管、矩形管在通直 流电和交流电时金属液中的磁场与洛仑兹力的解析式；提出了相对电磁 浮力m 、等效电流密度j 。的概念，建立起了单电流电磁分离技术的基本 理论框架。 b ) 借助于轨迹模型理论解析了单电流静态与连续分离时夹杂颗粒的分离效 一1 4 上海大学硕士学位论文 率与各实验参数的定量关系。 c ) 采用数值计算分析了矩形管中夹杂颗粒的迁移规律和分离效率。 2 ) 单电流静态分离夹杂物的实验研究 本单元采用a 1 - 2 0 s i 和a i - 5 m g - 2 s i c 两种台金，利用工频电流进行了 电磁分离夹杂物的静态模拟实验研究，证实了单电流电磁分离夹杂物是完全可行 的，并初步考察了电流强度、通电时间、分离管管型等实验参数对颗粒偏聚行为 和分离效率的影响。 3 ) 单电流连续分离夹杂物的实验研究 本单元采用a 1 5 m g 2 s i c 和a 1 培m g 2 a 1 2 0 3 两种合金，利用工频电 流进行了电磁分离夹杂物的连续实验研究，测量了分离管的磁场分布和电流对金 属液的加热效果，并考察了电流强度、通电时间等实验参数对颗粒迁移行为和分 离效率的影响，实验结果与理论分析基本吻合，上述工作将为单电流电磁净化技 术在生产中的应用提供借鉴。 1 5 上海大学硕士学位论文 第三章单电流分离夹杂物的理论探讨 单电流电磁分离非金属夹杂物是指利用电流及其感应磁场所产生的洛仑兹 力对液体金属的挤压作用而间接迫使悬浮于金属液中的夹杂颗粒从中分离出来， 这里面主要涉及到夹杂颗粒的受力分析、运动分析，分离效率的计算，流场与电 磁场的耦合分析等诸多方面的内容，本文只是在适当的简化和一定的假设的基础 上作初步的探讨。 本章在前人的理论研究的基础上考察了单电流电磁分离夹杂物的相关理论 问题，建立了单电流电磁分离技术的基本框架，为后面两章的实验研究提供了理 论依据。本单元主要包括以下几方面的内容：分析了电磁力作用下夹杂颗粒的迁 移速度，推导了圆形管、矩形管在通直流电和交流电时金属液中的磁感应强度与 洛仑兹力的解析式，并解析了单电流静态和连续分离时夹杂颗粒的分离效率，最 后数值分析了矩形管中夹杂颗粒的迁移规律和分离效率。 3 1 电磁力作用下夹杂颗粒的迁移速度 冶金熔体中夹杂物的形状非常复杂，且大多数极不规则，比如椭球状、块状、 片状、棒状以及珊瑚状等等。要理论解析流体