（材料科学与工程专业论文）特种合金软接触电磁成形定向凝固技术研究.pdf

摘蘩l 摘要 本文利矮爨制 囊空燕溺逮毫磁约袁戏露试验设惫，隧寒滠会金蠹实验糕 鹳，理论势褥与实羧骚究鞠缝台，对拷爨台金鞍臻皴毫磁袋形及凝固糖憋进行 了系统她磷究，开发出一毒孛适餍予特罩串合会测箍的真空强化冷龆魄磁较接魅戚 形定囱凝辫技术，实瑰了燃瓣剿套短滚程、少或无污染、组织缨他、残影形拔 精确积控制蠲单化。主溪磷究内容及结论妻噩下： 对不黼截戮形状金瘸熔体软接触憩磁城形鹃激磁场与电磁压力特歉滋 亍了 系统地磷究，搽讨_ 感应器高度及大小、磁摸、磁化爨高度及位餐对电磁场晦 黪蛹，分析了软接触电磁戏形工艺特点，并对较接触电磁残形工艺进行了热模 拟研究，建立了憋应器一磁化套一熔体的耦台系统，提出了两羊申特种合金软接触 电磁成形工艺，结暴交璃：软接簸电磁藏澎具有污染少、可成形截露形妖菠杂、 操作简单翁控制的特点；选用较离魄频率，合理的感应器缠梅与磁模、合适鲍 磁化套蔫盛及谴嚣豹台理蕊配，有利于特静合金软接触电磁成澎；在本文实验 条忭f ，电压在1 2 0 v 1 6 0 v ，感成器齑度为2 7 5 r a m 并且上沿筒子静态熔体液 萄5 m m ，磁化套赢霾为8 r a m 并位于撼应器下部时，精侮驻蜂窝泼为1 2 m m 1 6 m m ，络体与磁筷的较接触高度平均为l l ，5 m m ，有秘予软接触成形及凝固组织 的控鞠；裁用磁壤与凝藏衾属一起摘较鹃双频较藏触亳磁成形工慧，实现了透 霸片状商溢台金试样的较接触成澎。 系籁魏研究了沸耩德纯寐中鬏粒翡运鞠特键，结合实耱条徉设计了一套颗 粒滤佬冷却系统，建立了沸腾流纯瘴传然横型，遴过实验研究了流亿涞冷却特 瞧并确定了基本工茳参数，撬蠢了一耱囊空下特耱会金软簇鼹邀磁成搿寇淘凝 围焱亿冷却瑟王艺；练台考虑籀控速瘦、麓体i 蹙热、凝露涤热、磁筷、滤纯颗 粒流量、鞭粒黪瞧等嚣豢对转热遭程静影滴，建立了软接魅毫磁成形定弱凝阖 过程冷帮馋热模鍪。缭莱袭疆：邋过控涮气流丈，l 、以及选粥不阉大小瓣颡粒， 可以有效羧裁鬏粒囊穹运凌：减枣鬏粒载足+ 及寮震是囊空f 实臻颞粒浚纯戆寄 效撬蕤：在沸黪流纯寐审鬏粒、气髂对滚终热楚圭蘩赞热氍涮，在最臻气流速 发”f ，终热是以鬏凝对浚为主，接热系数达到爨丈傻：在本实验祭传_ f ，1 0 0 # s i e 颓靛黪漆寒瘦为6 g 8 糯霹，沸翳流纯床程豢滠除羧戆冷却裁力毯子滚态 金属，沿蛰滤豫廉藏度方自冷韶戆力逐灏减弱；在壤氮艇力为0 。3 p a 、霾裕颗粒 为1 0 0 # s i e 麴条件下获缮了潦蕊缓缀一次技磊鹪爨乎均为# i l l 秘6 0 | | m 酾藏 张丰收藕北工业 学博士学位论文 i i 漱合金板袄和圆柱状样件；提高熔体静造燕度死死、合适静擒拉速度、提高 冷却点的位置以及增大流化颗粒的流量、合适的颗粒、导热性能良好的磁模和 合适的磁模壁厚，都可以霄效提蘸传热效率。 综合考虑真空条件f 特种合金软接触电磁成形过程中电流强度、抽拉速度、 凝阉潜煞等霞素对较接簸电磁或影过程瀚影确，建立了软接辍毫磁成形定两凝 固过程的控制模烈：导出了软接触电磁成形圆柱形熔体袭面力平衡表达式及软 接齄电磁液形懿蘩本条徉。 对软接触电磁成形定向凝固组织特性进行了初步探讨，结果表明：在强化 冷帮条 孛下，合逶懿擒拉速率、黻亿套有筏子获褥绍仡、平壹懿柱瑟组织；定 向凝固组织细化是在枝晶生长阶段通过枝晶尖端开裂和竞争生长淘汰方式进行 靛。 关键词特种合金；软接触；电磁成形；真空：定向凝固；磁模；磁化套：强化 冷却 。，：，窒茎圣呈呈坌基三呈。，。，。，。，。，。，。， a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , o n t h eb a s i so fs y s t e m a t i c a l l y s t u d y i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so f s o f t c o n t a c t e l e c t r o m a g n e t i cc o n f i n e m e n t ( s c e m c ) a n ds o l i d i f i e d s t r u c t u r ef o r s p e c i a la l l o y sb yu s i n gs e l f - m a d ee m c se x p e r i m e n ta p p a r a t u sw i t hw i d er a n g eo f v e l o c i t ya n dt a k i n gs u p e r a l l o ya sm a t e r i a l s ，t h ep r o c e s so fs c e m c a n dd i r e c t i o n a l s o l i d i f i c a t i o nf o r s p e c i a la l l o y s u n d e rv a c u u ma n ds t r o n g l y c o o l i n gc o n d i t i o n i s b r o u g h tu p ，i t sc h a r a c t e r i s t i c sa r es h o r t c i r c u i t i n gm a n u f a c t u r ep r o c e s s ，m i n i m i z i n g p o l l u t i o n ，d e c r e a s i n gt h ed e n d r i t e g r i l l s p a c i n g ，n e a r - n e ts h a p i n ga n ds i m p l i f y i n g o p e r a t i o nt h em a i nr e s u l t sa r ep r e s e n t e d a sf o l l o w i n g t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nm e l t s h a p e ，m a g n e t i c f i e l di nt h ei n d u c t o ra n d e l e c t r o m a g n e t i cp r e s s u r ea c t i n go n t h em e l ts u r f a c ei sr e s e a r c h e df o rs c e m c p r o c e s s ， a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n d u c t o rs t r u c t u r e ，m a g n e t i cm o l d ，s u s c e p t o r ss t r u c t u r e a n dm a g n e t i cf i e l di nt h ei n d u c t o ri s q u e s t i o n e da l s o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs c e m c p r o c e s si sn o to n l ya n a l y z i n g ，b u ta l s os c e m cp r o c e s si si n v e s t i g a t e db ys i m u l a t i n g e x p e r i m e n t a c c o r d i n g t ot h e s p e c i a l t y o fs c e m c ，t h e s y s t e m o fi n d u c t o r - s u s c e p t o r s - m e l t i s f i r s t l y e s t a b l i s h e d o nt h eb a s i so fs y s t e m a t i c a l l ys t u d y i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so fs c e m c ，t w on e wa p p r o a c h e sa r ep r o p o s e df o rs p e c i a la l l o y s t h e r e s u l t sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs c e m ca r em i n i m i z i n g p o l l u t i o n ，s h a p i n gc o m p l e xc r o s s s e c t i o nf o r m ，s i m p l i f y i n go p e r a t i o n w h e nh i g h e r f r e q u e n c yi s s e l e c t e da n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n d u c t o es t r u c t u r e ，m a g n e t i c m o l da n ds u s c e p t o r ss t r u c t u r ei sr a t i o n a l ，t h es c e m cf o rs p e c i a la l l o y sw i l lb e p e r f o r m e d u n d e re x p e r i m e n tc o n d i t i o n ，w h e nv o l t a g ei n1 2 0 v 1 6 0 v , t h ei n d u c t o r h e i g h t2 75 m m ，m e l t s t a t i ch e i g h t2 2 5 m m ，s u s c e p t o r sh e i g h t8 m ma n d p l a c e do nt h e b o t t o mo f t h ei n d u c t o r , t h eh e i g h to f t h em e l tm e n i c u sw i l lb e1 2 m m 1 6 m ma n dt h e h e i g h to fm e l ts o f t c o n t a c t w i l lb ea v e r a g e11 5 m m ，w h i c ha s s u r et h ep r o c e s so f s c e m ca n ds o l i d i f i e ds t r u c t u r e t h en e a r n e ts h a p eb l a d es u p e r a l l o yc a s t i n gi s s u c c e s s f u l l yo b t a i n e db ys c e m cp r o c e s so f s o l i d i f i e ds a m p l e sm o v e dw i t hm a g n e t i c m o l d t h ec h a r a c t e r i s t i c so f p a r t i c u l a t e m o v e m e n ti nt h ef i u i d i z e db e di s s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d ，t h es y s t e mo ft h ep a r t i c u l a t ef l u i d i z e di sd e s i g n e d o nt h e 张丰收曲北工主史学博士学位论文 b a s i so f a n a l y z i n gh e a tt r a n s f e rc o u r s ei nt h ef l u i d i z e db e d ，t h eh e a tt r a n s f e rm o d e li s e s t a b l i s h e d b a s e d o n c o o l i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dt e c h n i c a l p a r a m e t e r sb y e x p e r i m e n t s ，t h es t r o n g l yc o o l i n gp r o c e s so fs c e m c a n dd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o nf o r s p e c i a la l l o y su n d e rv a c u m ni sp r e s e n t e d c o n s i d e r i n gt h ed r a w i n g ，t h em e l ts u p e r h e a t ，s o l i d i f i c a t i o nl a t e n th e a t ，m a g n e t i cm o l d ，f l u i d i z e dp a r t i c u l a t e sp o u r i n g q u a n t i t y , p a r t i c u l a t ec h a r a c t e r i s t i c sa n do t h e rf a c t o r so n h e a tt r a n s f e rc o u r s e ，t h ec o o l i n gm o d e l o fs c e m ca n dd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o ni sf o u n d e d t h er e s u l t ss h o wt h a tp a r t i c u l a t e s m o v e m e n ti nt h ef l u i d i z e db e dc a l lb ec o n t r o l l e d b yg a sv e l o c i t ya n dc h a n g i n g p a r t i c u l a t ed i a m e t e r , d e c r e a s i n gp a r t i c u l a t e s d i a m e t e ra n dd e n s i t yi sae f f e c t i v e m e t h o do fp a r t i c u l a t e sf l u i d i z e du n d e rv a c u u mc o n d i t i o n i nf i u i d i z e db e d ，t h em a i n m e c h a n i s mo ft r a n s f e rb e t w e e nb e da n ds u r f a c e sa r e p a r t i c l ec o n v e c t i o na n dg a s c o n v e c t i o n ；w h e np a r t i c l ec o n v e c t i o ni st h em a i nt r a n s f e rm e c h a n i s mu n d e r a p p r o p r i a t eg a sv e l o c i t y , h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw i l l b em a x i m u m u n d e rt h e e x p e r i m e n tc o n d i t i o n ，w h e nm o t i o n l e s sh e i g h to f1 0 0 # s i cp a r t i c l e si s6 0 8 0 m m ， t h ec o o l i n gp o w e ro ff l u i d i z e db e di si na d v a n c eo f l i q u i dm e t a l ，w h i c hi sg r a d u a l l y d e c r e a s e do nf l u i d i z e db e dh e i g h t t h es u p e r a l l o yf l a ta n dc y l i n d r i cs a m p l e sw i t h s o l i d i f i e ds t m c t u r ef i r s td e n d r i t ea r l ns p a c i n g8 0 9 i na n d6 0 9 ma r eo b t a i n e du n d e r l i q u i dn i t r o g e np r e s s u r e 0 3 p aa n d1 0 0 # s i c p a r t i c l e c o n d i t i o n h e a tt r a n s f e r e f f i c i e n c y c a r lb e e f f e c t i v e l yi m p r o v e db y i n c r e a s i n g m e l t s u p e r t e m p e r a t u r e ， s e l e c t i n g s u i t e dd r a w i n gv e l o c i t y ，r a i s i n gt h ep o s i t i o no fc o o l i n gp o i n t ，i n c r e a s i n g f l u i d i z e dp a r t i c l ep o u r i n g q u a n t i t y , s e l e c t i n gc o r r e c tp a r t i c u l a t ea n dm a g n e t i cm o l d 、 c o n s i d e r i n gc u r r e n td e n s i t y , t h ed r a w i n g ，s o l i d i f i c a t i o nl a t e n th e a ta n do t h e r f a c t o r so ns c e m c c o u r s e ，t h ec o n t r o lm o d e lo fs c e m ca n dd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n i s e r e c t e d u s i n gm h d ( m a g n e t o h y d r o d y n a m i c s ) t h e o r y t o s y s t e m i ca n a l y s i s b a l a n c ee q u a t i o n so fs c e m cc i r c u l a rp r o f i l eo fl i q u i dm e t a l ，t h eb a l a n c ee q u a t i o n s f o rc i r c u l a rc r o s ss e c t i o no nt h el i q u i ds u r f a c ei so b t a i n e d s o l i d i f i e ds t r u c t u r eo fs u p e r a l l o yu n d e rs c e m ca n dd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n i se l e m e n t a r yd i s c u s s e d i ts h o w st h a tt e n u o u sa n dp a r a l l e lc o l u m n a rd e n d r i t ec a nb e o b m i n e db ys e l e c t i n gc o r r e c td r a w i n gv e l o c i t ya n d u s i n gs u s c e p t o r su n d e rs t r o n g l y c o o l i n gc o n d i t i o n ，t h e d e n d r i t ea r ms p a c i n go fd i r e c t i o n a ls o l i d i f i e ds t r u c t u r ei s d e c r e a s e di nd e n d r i t eg r o w t hb yc r a c k i n go nt h ed e n d r i t e t o p a n dc o m p e t i t i v e g r o w t h + 。，。，。，。i i i ：! ! ! ! ：，。，。，。，。，。， k e yw o r d s ：s p e c i a la l l o y ；s o f t c o n t a c t ；e l e c t r o m a g n e t i cc o n f i n e m e n t ；v a c u u m ； d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o n ；m a g n e t i cm o l d ：s u s c e p t o r s ；s t r o n g l y c o o l i n g 张率收函抟盖主土学博士学经论文v l ! ! ! s 曼燃, i i , , , i i i l l l l i l l l l ll l l ! ! ! ! 黑! ! ! ! 本文主要创新与贾献 开笈了耱逶矮子特释舍金麓萋夔真察强化冷瑟较接继电磁藏形淹离凝潼 新工艺，实现了材料制备翘流程、少或无污染、缎织细化、成形形状精确和控 毒麓单纯，并翅步建立了软潦触电磁或影定囱凝霾遭程摸燮。 透遭大蹩实验，系统施磷究了谶稼套襄瘦及链鳖对骥壤、熔体滋波及誓悬 浮漆度缝彩稿，穗窭并建立了感应器一磁纯套一薅俸凝合系统，窦瓒了力场与 热场麓褊含，为拷耱台金软撩触电磁残形及凝飘缌织控铡夔定了基磁。 对浚纯床冷却蟪性进 予了大量鲍实验纛毋究，并在此基破上开艇了静特嵇 台金软接魑逛磁残形真空强化冷却新工艺，初步实现了高温台金薄板状和强拄 获浚祥熬缮缀缨讫；耪步建交了软搂艇邀疆域澎定舞凝嚣冷瑟模羹。 结合本嶷验条传设计了一鏊邋用于真空条件下中小尺寸特种禽愈试榉强化 冷却的圈体颗粒流化冷却系统，并经实验使用验证，具有较好的实用性和可操 佟链，达到了设诗嚣豹。 主要物理量名称及符号表v i i 主要物理量名称及符号表 b磁感应强度t 1电磁场频率h z e电场强度v m 感应电动势v p电磁力n p 。电磁压力n n静压力n p 。表面张力n p 。，磁模对熔体的约束力n 磁场强度a m g重力加速度m s 2 j电流密度a m 2 ，、i 电流强度a 线圈匝数 s横截面积m 2 h 传热系数w ( m 2 ) 高度m k 导热系数w ( m 2 - ) 表面曲率 日热流密度w m 2 s ( )热量w r 、r 半径i l l s 、厶风熔化潜热k j t o o l n电磁悬浮力n g温度梯度k m m ，时间s d试样直径m 1颗粒停留时间s 7 温度，k l 熔点，k v 、“速度m s 仃 电导率l ( n m 1 d电流透入深度m m s流化床的空隙率 “相对磁导率 枷真空磁导率t 。= 4 r e 1 0 。 风试样材质密度k g m 3 p 。颗粒团密度k g m 3 p g 气体密度k g m 3 眼固体颗粒密度k g m 3 导热系数w ( m 2 ) n 热扩散率m 2 s y表面张力n m 角频率= 2 n f “。，临界流化时的气体速度m s p气体压力p a m 雷诺数r e = u g d ，& a t g 以颗粒直径m r抽拉速度m s q 。 局部瞬时热流量w m 2 s 岛。颗粒团比热容w k g k 气体比热容w k g k c 。，固体颗粒比热容w k g k 岛试样材质比热容w k g k 妒流化颗粒流量k g s 颗粒团热扩散系数 e r f c 误差函数 第l 章文献评述 1 第1 章文献评述 1 1 前言 金属熔体的凝固和成形是材料制备与加工过程中的重要环节，利用各种方 法和控制措施促使材料在凝固过程中获得理想的组织结构是材料科学工作者追 求的目标，为此开发出了诸如真空冶金、连续铸造、定向凝固等多种材料冶炼 和成形技术。而利用电磁技术处理金属熔体实现熔体的直接成形并控制其凝固 组织，是近几年开发的材料冶炼和成形新技术之一“。该技术一经提出，在材 料、冶金领域引起了广泛的关注，并成为该领域的重要发展方向。熔体的电磁 加工技术的理论基础是麦克斯韦电磁场理论，虽然该理论己发表了一百多年， 但： 业上利用电磁场对金属材料进行冶炼、约束成形以及抑制熔体中流动的研 究也仅仅是近j l 十年的事。由于熔体的电磁加工技术可以提供一个高纯净、低 污染、短流程的材料制备工艺，因此该技术原理一经提出引起了广泛的重视， 并相继丌发了多种熔体的电磁加工技术，最具代表性的有：电磁悬浮熔铸技术 ( m s m p ) 和电磁连续铸造技术( e m c ) 。电磁连铸技术初步实现了非接触的连续铸 坯，在冶金工j 世中起了划时代的作用，但目前尚只能用于铝合金圆、方坯锭在 大气下的约束成形，而且熔体在凝固成形过程中温度和组织均难以调节；而电 磁悬浮熔铸技术虽然实现了金属熔体的无坩埚熔炼，避免了坩埚材料对金属熔 体的污染，但仍需要将熔体浇注于铸型中，类似于常规的精密铸造，在凝固的 过程中熔体与模壳接触的时间比较长，模壳材料对熔体的污染难以避免。近几 年的研究资料显示5 “，人们对钢的电磁连续铸造问题更为关注，然而所提出 的技术方案仅是对电磁力成形的部分应用，即软接触式电磁成形，而且成形形 状仅限于简单形状，对复杂截面形状熔体的无容器成形也仅停留在理论探索阶 段，虽然也提出了一些可供参考的技术方案，但无论在理论研究上还是在实际 应用上均无大的突破。 随着高科技及相应产业对先进金属材料的需求日益迫切，大量的先进材料 如n i 、t i 、z r 及其合金广泛应用于航空、航天、能源、交通及化工等产业。 据n a s a 统计”。j “，到本世纪初航空航天未来发动机用材仅n i 与t i 及其合金即 占全部材料用量的7 0 。利用电磁加工技术直接由液体成形坯件和构件可能是 实现上述要求的重要途径。 高温合金、特种钢及钛、锆合金等先进材料，具有大比重、高熔点、低磁 。 张丰收曲北i 业_ 大学博士学僚论文 2 导率与电导率、高活性、易氧化污染及难变形等特性，因此，电磁约束成形必 须在真空戴保护性气体下进行。由于合金的大比蒽与低的电磁参数，约泵相同 葛瘦潼 奉默瀵弱逛磁压力( 懿麓滋合金) 凑是铝豹6 7 倍，夏铡及每潺合金的幕 热性只有锅的l 6 导热幸耋熬麓辩，使得钢及毫滠台金熔体的肉井温差增大，极 不利于液体会属的稳定与成形。 西北工业大学凝固技术围家重点实验室在探索如何提高定向凝围过程中液 固界面前沿濑度梯度方面，发展出了超高梯度定向凝固方法，在实验象中实现 了毫达i 0 0 0 c m 疆上熬涅发臻囊2 3 ，割鍪出戆奉季瓣鳇技晶滔距仅见微凑到几 _ 微米，力学性能提高鼗倍。为了将这一实验室硪聚转移到工监应丽中，簿惶 志等人吸收无坩埚熔炼和电磁铸造技术的研究成聚，在国际上首次摁出旨在通 过提高定向凝固过程的温度梯艘，实现合金组织趣细化并满足高熔点、高活性 材料定向凝固要求的电磁约束成形技术，包括无接触电磁约束成形技术和软接 触电磁约柬戏形技术。与电磁铸造技术不同，墓主鞭特点是固态台金坯籽涎期 热藩亿与食愆港俸成形同步遴行，是对定蠢凝蘸毅术秘逛磁祷造按零懿继承霹 发展，具有谶要的理论研究价德和广泛的工程应用前景。 经过几年的探索与研究，在非真空环境下，利用单、双频电磁场已实现了 圆、椭圆、矩形及近叶片形截颇铝合金样件的无接触电磁约束稳定成形，对感 瘟线圈豹缀掏菠诗、电源频率姻影确、工艺参数鼹遮择、试验感应热热特性秘 溶薅成形籽浚帮遴行了一定筑滚避”83 ：在囊空环麓下磅究了不锈钢、麓瀣台金 的无接触成形，己获得了大宽厚比板状、圆、椭嘲形截面不锈钢、高温合金样 件”。然而，要进一步实现艇杂截面的稳定成形逐存在着技术上的难度。为了 实现复杂截颟样件的精确成形，在对无接触电磁约束成形技术研究的同时，也 对真空环境f 高温合金的软接触电磁约束成形技术进行了探讨，取锶了一定的 蕊桑，实袋了蓑湛合会豹近时蔑+ 露传豹粳步戏形，漫示了电磁约寒较羧囊虫藏黟 技术的特点因此该技术具裔广泛的工程应用前聚。针对以上的前缓和研究背 景，我们掇 h 了特种合金软接触电磁成形定向凝圈技术的研究，实现高熔点、 高活性、难变形的特种合金材料的无坩埚熔炼和少或无污染的精确成彤，以期 利用电磁期j 【一技术直接幽液体威形坯件或构件。 。2 金嚣熔傣电磁魏王技术及英发震 余属熔体电磁加工技术酌理论基础是电磁溅体力学( m a g n e t i ch y d r o d y n a m i c s ，简称m h d ) “”1 “，将电磁流体力学用于处理液态金属类的情况时，通 常要有一些假设，这些假设主要有：( 1 ) 不可压缩性假设i ( 2 ) 准瓮常电磁场 第1 章文献评述3 假设，即假定电极矢量与电场平行，磁极矢量与磁场平行；( 3 ) 无极性假设；( 4 ) 无内部热源假设，即假定只存在感应热；( 5 ) 电中性假设，即忽略对流电流， 只考虑传导电流：( 6 ) 忽略位移电流；以及( 7 ) 物质常数定的假设。 在上述基本假设条件下，电磁流体力学的基本方程式是： m a x w e l l 方程： v e = 一”百o h ( 1 - 1 ) v h = j( 1 2 ) v ，h = 0( 1 3 ) o h m 方程： j = 仃f e + v u h ) ( 1 4 ) n a v io f s t o k e s 方程 其中，电磁力 连续性方程： 能量守恒方程 其中，感应热 por+(矿v)矿=一vp+1,ifv2y+fot f = jxu h v v = 0 ( 卜5 ) ( 卜6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 卜9 ) l h c l 可以看出，在电磁流体力学所涉及的系统中，流场和电磁场是相互耦合 相互影响的。一般地，由于流体速度以及系统的特征尺寸都比较小，因此相关 地磁雷诺数r a 。，= u a v l 远小于1 ( 其中矿为特征速度，为特征尺寸) 。所以， 虽然电磁场对流体流动有影响，但流场对电磁场的影响却很小，通常不予考虑。 电磁流体力学之所以能在冶金、成形过程中得到广泛应用，用来处理液态金 属一类情况，主要是由于熔体金属是电的良导体，因此能因磁束和电流的作用 而在会属熔体内产生电磁力，利用电磁力就可以对熔体金属进行成形形状控制。 基于该原理开发的熔体的电磁加工技术主要有电磁悬浮熔炼技术、电磁悬浮熔 铸技术、冷坩埚技术以及电磁连续铸造技术等。 旦蚌 s寸羽 名 r ， v = 儿 q 望a + 张丰收西北工业土学博十学位论文4 1 2 1 电磁悬浮熔炼技术 电磁悬浮熔炼技术是利用通入线圈的交变电流在空间产生的电磁力将金属 悬浮在空间，使负载在悬浮状态下被加热熔化，其原理如图卜l 所示。该技术 早在1 9 2 3 年就被德国学者0 m u c k 1 从理论上证实，并申请了专利，但直到2 0 世纪5 0 年代o k r e s s 等人l 才成功地实现了固态和液态金属的电磁悬浮熔炼 ( e m l ) 。该技术的主要优点是无坩埚污染、熔体温度及成份均匀、加热熔化速 度快以及表面气一液相平衡速度快等；然而，它存在着炉容量小( 熔体质量以克 计算) 、电效率低、技术复杂、操作以及熔体温度控制困难等缺点。因此，当冷 坩埚技术早已实现大规模工业化应用时，电磁悬浮熔炼技术仍停留在实验室应 用和理论研究阶段。直到八十年代末期，h e r l a c h 和l o h o f e r 等人开展了双频电 磁耦合规律的研究，才为这一技术注入了新的活力脚。 电磁悬浮熔炼技术综合运用了电磁场对负载材料的加热升温功能和悬浮功 能，即以电磁力抵消负载所受重力，使负载在失重状态下被加热熔化，其基本 原理可表述为： 互：一萼幽；( 1 1 0 ) 2 p u 。t bv j b q ，：型丝盟( b b ) ( i - 1 1 ) 吲。 、 其中 x = r 8 = r ( 可妒 ( 卜1 2 ) 显而易见，电磁悬浮力的大小与电磁场的强度和梯度有关，而加热则主要依 赖于电磁场的强度。值得注意的是，( 卜l o ) 式所表示的电磁悬浮力具有旋转力 的形式。更进一步的研究显示，随着频率l 厂的增大，集肤深度占减小，悬浮力 函数g 俐很快地趋近于l 后基本保持稳定，加热函数衄劬则不断增大。这也就 是说，提高电磁场的频率对加热熔化非常有利，但当频率大到一定程度后，频 率对悬浮力的影响并不明显。因此，稳定的悬浮要求适度的频率和较高的电磁 场强度，快速加热熔化则希望采用较高的频率和适度的电磁场强度，这就是双 频电磁悬浮熔炼的基本原理。 张军等! ”：将电磁悬浮熔炼与离心铸造结合起来，建立了低成本太阳电池硅 片电磁悬浮熔炼离心铸造技术( e l e c t r o m a g n e t i cl e v i t a t i o n m e l tc e n t r i f u g a l c a s t i n g ，简称e l c c ) ，制各大面积超薄多晶太阳电池硅片，为低成本太阳能级硅 第l 蕈文献评述5 材料的制备开辟了一条新的途径。太阳能级硅电磁约束感应熔炼技术是为满足 e l c c 技术研究的需要而发展起来的一种新型的高纯硅材料无污染熔炼技术，它 以高频电磁悬浮熔炼技术为基础，结合了冷坩埚技术熔化量大的特点，具有硅 材料熔化量大、二次污染少、过热度高、可以定量浇注等优点。其基本原理和 主要的技术路线是：置于组合水冷铜支架上的硅材料，在能产生大强度高梯度 削l - l 电磁恳浮技术原理示意幽 f i g 1 一ip r i n c i p l eo fe m l 石壁预热环i 水冷q 目支架 剀1 - 2 电磁约柬感应熔炼f 艺示意图 f i g 1 2t e c h n o l o g yo fe l c c 电磁场的高频感应线圈内被石墨环预热至6 0 0 。c ，硅材料的电阻率下降到它本身 可以被感应加热。这时，依靠感应线圈熔化并约束熔融硅，实现过热熔融硅的 定量浇注，如图l 一2 所示”。这一技术方法已成功地应用于e l c c 技术，熔化重 量l o g ，熔化过热度高达2 0 0 。c ，定量精度达到9 7 。 12 2 冷坩埚感应熔炼技术 随着高科技及相应产业的发展，大量的n i 、t i 、n b 、z r 及其合金广泛应用 于航空、航天、能源、交通及化工等产业。如何减少甚至消除这些合金在冶炼、 j j h a 2 过程中的污染，特别是来自坩埚、铸型的污染，获得成份均匀、准确、高 纯净的金属是当代先进冶金技术面临的重大课题。早在7 0 年代就出现了利用水 冷坩埚熔炼钛废料以回收钛的感应渣熔炼技术，该技术的原理是，在熔炼时水 冷铜坩蜗与金属熔体之间存在一层由金属熔体重凝而形成的固体壳层。此时， 坩埚内衬相当于用所熔炼的金属制成，坩埚内表面成分与金属成分相同，避免 了坩埚对金属熔体的污染”“。 水冷铜坩埚技术熔炼金属的加热方式有多种”“1 ，根据其加热方式可分成： 。 张半1 1 5 ( 由北 业土喾博士学位论文 6 自耗电极电弧熔炼、非自糕电极电弧熔炼、电源加热熔炼、等离子弧及感应熔 蕊。鸯耗电稷毫弧滚炼嚣砉，电极就楚所需车才辩，络纯与凝瓣嗣时遴彳亍，奁绦证 铸锭成分及质量上存在着困难。非自耗电极电弧熔炼最初采用钨或石墨作为电 投材辩，容易对金黧造残污粢，采爝承冷键电辍竞簸了藏缺陷，毽承冷销瞧极 的功率受到限制，铸锭重量不超过1 公斤。等离子弧熔炼鼹以电流通过气体时 傻气簿电裹产生弧光，款式豹热量溶炼令瓣；电予寒熔炼囊子逛予褒炉一般包 括多个电子束枪、多个水冷坩埚及真空室，功率可达3 3 m w ，铸锭重2 5 t 。但是， 垂巍电援电弧炉怼滚援夔覆量瞄及裢辩要求攫毫；邀子泰及等亵予弧炉要袋毫 源功率较大，成本较高：而且，这灶方法所造成的熔池较浅，如要增大熔池就 会攘应增大熔遗懿袭嚣获，也裁会楣应增大舍金元素懿烧摸，不裂予合金藏分 的控制。鉴于以上情况，人们提出了感应式水冷坩埚技术。最初的研究表明， 当用导电的堪埚熔炼金鼹时，出予集豉效应，增援本身被趣热，萋用水冷堪 埚，所产生的热量绝大部分被水带走。美国活性金属公司b m i 研究所研究了将 钢瓣埚玎缝切断感艘电流回路，测定了不同频率下土冀埚磁场衰减壤况，结鬃表 明：不开缝的坩埚内磁场衰减殆尽，开缝扁磁场衰减很少，感应圈的主要功率 消糕在炉毒喜m 上”“+ 。 1 9 6 5 年茨国b m i 研究所介绍了用四块弧形片组合成的钢坩埚詹，c l i t e s ” 发熙了采用c a f = 作为绝缘爨的感应渣熔炼工艺，成功地用于熔炼钛、锆等活性 金聪。1 9 8 0 年d u r i o n 公司决定采用冷坩埚感应渣熔炼法生产中小尺寸的钛和锆 会属铸件，劳与1 9 8 2 年建造了第一套熔炼和铸造活性金属的两用炉。1 9 8 9 年美 国c o n s a r c 公司“采用5 0 撤矩形铜管制成了直径1 0 7 m m 的冰冷铜掰埚，与由4 块扇形片组成的水冷坩埚( 电耗率为4 k w h k g ) 相比，电耗率很小。目的，冷坩 埚熔炼钛等活性金满已达到工业化生产永平，最大容量可达3 2 k g ，c o n s a r c 公司 正致力于丌发可熔炼l o o k g 钛的更大型冷坩埚感应熔炼炉。 图l3 为两种冷坩璃结梅示意图，它是鞠导热惶好的会聪( 如销) 的数个弧形 块或管线作内壁( 坩埚) ，备块间彼此绝缘不构成回路，外绕感应线圈，每块 或簿内都产譬三感应电流。 蟊于在稠邻两管的邻近截蕊上，泡流方两相反，穰褥 管删的磁场增强，阕而冷坩埚每一缝隙都怒强磁场处。缝隙的强磁场作用在冷 瑶粥中的妒褥t ，傻之被慧应翻热熔往帮约束悬浮，强纯斡磁场键送炉科溶纯 并产：生搅拌作用，使熔体温度和成分均匀，磁场的约束作用使熔体向内移动， 部分逢与瑶埚壁分开，实磷了熔体豹软接触溶炼。 冷坩埚技术实现了活性愈属( 如t i 、z r 及其合众) 的无污染熔炼和加工，并 第l 章文献评述7 已达到了工业化生产水平，既是如此，该技术仍然存在着自身难以克服的缺陷， ( a ) 曲种结构示意图( b ) 原理图 蚓l 一3 冷坩埚结构及原理图 f i g1 - 3t h es c h e m ea n dp r i n c i p l eo f c o l dc r u c i b l e 如设备一次性投资太大、电效率低，熔炼和约束成形的形状简单等。 1 23 磁悬浮熔铸技术 美国a l a b a m a 大学n a g y k a d d a h 等人在研究电磁感应熔炼技术基础上，结 合冷坩埚熔炼技术，首先提出了磁悬浮熔铸技术( m s m p ) ，并在实验室已经实现。 其装置及原理如图l 一4 所示“3 “，该技术一方面利用移动线圈中通入的交变电流 将冷却支架上的固态金属无接触地从上到下加热熔化：另一方面，利用交变磁 场和金属感应出的涡流之间相互作用产生的电磁压力使熔化的液态金属在无接 触的条件下保持一一定的形状，同时，由于电磁搅拌力的作用使金属熔体中的气 体和夹杂物上浮，净化熔体，当固态金属全部熔化后，底漏( 冷却支架为带孔的 圆盘) 浇注到下部真空室的成形模壳中，达到成形零件的目的。 m s m p 技术由于采用了直接感应加热，热效率可达到5 0 左右，远远高于冷 坩埚技术( 5 1 0 ) 。“，并且固态金属是在悬浮状态下熔化，消除了坩埚材料 对熔体的污染，而熔体在真空室的模壳中凝固。该技术适合于高熔点、大比重、 易氧化以及难变形的金属及合金的熔炼及精确成形。但是，与传统的铸造相比， m s m p 技术仍然需要制备铸型的全套工艺及相应材料，工艺复杂；而且，凝固过 程中熔体与模壳长时间接触，仍可能存在界面反应，模壳材料对熔体的污染难 以避免，同时，凝固速率与凝固组织也难以控制。 + 张丰收曲姥l 业土学蹲士学能论文8 ( a ) 装置示意豳抽) 原溅简鞘 麴l - 4 滋悬浮熔体整理技术骧瑾及蜜竣装置麓鹭 f i g i - 4t h ep r i n c i p l eo f m s m pa n da p p a r a t u su s e df o rm s m p 12 4 电磁连续铸造技术 铝的遣续铸造始于 9 3 5 年开发的d c ( d i r e c tc h i l l ir i gc a s t i n g ) 法，在6 0 年代开发了热顶( h o t - - t o p ) 铸造法和电磁铸造法( e 燃) ，两这些铸造工艺作为完 整鹣技术在穗色