金属凝固理论

电磁场凝固技术简介电磁处理是指将电磁场用于材料的各种加工过程，实现对过程的控制、材料组织和性能的改善。因它具有无污染、操作方便和效果显著等优点，受到了人们的高度重视。经过近年来的迅速发展，这一领域已发展成为多学科交叉、工艺手段繁多及应用领域广泛的体系。

利用直流磁场可通过抑制熔体流动，与电场交互作用产生电磁搅拌控制凝固。引入交流磁场既可实现对液相的电磁搅拌，又可产生电磁悬浮，细化晶粒，改善铸件的冶金质量，减轻成分偏析。材料电磁处理如今被广泛应用，例如悬浮熔炼，电磁铸造，电磁雾化，电磁分离非金属夹杂物，电磁搅拌等。

按照电磁场的类别和强度,材料的电磁加工大致可分为以下几方面:1、静磁场:施加静磁场的目的主要是利用静磁场对导电流体的电磁制动作(ElectromagneticBrake)抑制流体的流动,以达到提高凝固材料性能与质量的目的。电磁制动改变液态金属流动状态示意图2、强静磁场：强磁场能够改变临界形核核心尺寸，强制晶体取向；并使顺磁性物质凝固点降低，抗磁性物质的凝固点提高。3、低频磁场：铝合金的低频(50Hz)电磁铸造法（利用电磁力实现液态金属的约束成形，在无成形模具的条件下完成金属的熔炼与成形，即电磁铸造），利用其强烈的电磁搅拌，可显著细化晶粒，提高铸锭的表面质量，减小表面偏析层厚度。如图所示，感应器中通入一定频率的交变电流，液态金属内部将产生交变的感应电流。在液态金属的侧表面内产生一个指向液态金属内部的电磁压力压缩液态金属。同时，在金属液表面和内部都产生电磁搅拌力，金属液内部的电磁搅拌力将引起金属液的流动，可以改善铸件内部的组织形态；而金属液表面的电磁搅拌力则引起表面波动，影响表面质量，因此应予消除或抑制。低频磁场高频电磁场在金属凝固过程中的物理模型示意图4、高频磁场与电磁成形技术：高频磁场可用于电磁净化，悬浮熔炼等。电磁悬浮熔炼的特点是无污染、熔体均匀、熔化速度快等，但悬浮金属的质量受限。

该法采用低频交变电场加静磁场的组合方式，利用电磁力强迫流体流动并产生穴化现象(cavitationphenomena)以细化晶粒。5、复合电磁场：电磁离心铸造原理示意图如图所示：电磁力的方向和大小都呈周期性的变化，其径向分量对径向压强起周期性的加强、减弱作用；而切向分量与旋转方向相反，并且其太小与液态金属所处的位置有关。切向分量促使液态金属作与铸型旋转方向相反的运动．从而形成电磁搅拌。6、电磁离心凝固法

由于在电磁离心凝固过程中，金属熔体不仅受到电磁力的作用，而且还受到很强的离心力的作用。同时由于结晶前沿存在着较强的液相流动，柱状晶发生迎流倾斜生长，进而被折断，为等轴晶的形成提供了形核条件，从而促进了柱状晶向等轴晶的转化。电磁搅拌通过流动金属液对树枝晶前端的动力折断及熔蚀作用造成大量晶枝碎片供作晶核同时，强力流动可大大加速液心的传热而使过热度迅速消失、两相区迅速扩大，加速传质，使凝固前沿扩散边界层减薄而浓度梯度增大，两相区成分过冷增加。7、电磁悬浮凝固技术是指利用金属熔滴与交流磁场相互作用产生的电磁力使熔滴在悬浮状态发生下凝固的技术。应用：一方面，它被应用在地面实验室中，利用电磁力来克服重力影响而将金属样品悬浮起来，实现微重力环境下的凝固过程；另一方面，它被用在空间实验中，来实现对样品的定位,可用来实现金属材料在较大过冷度情况下的凝固技术。磁悬浮原理框图其方向在图1中x轴左方沿x轴正向，在x轴右方y沿x轴负向。可见，旋转的液态金属在稳恒磁场中受到方向和大小都呈周期性变化的电磁力。液态金属电磁离心凝固力场分析的模型如图示．设液体金属在稳恒磁场中作运动，旋转角速度为w，由于离心力的作用形成壁厚为(R—r)的圆管，如图选定坐标系后管长沿z方向．电磁力分析液体金属所受的电磁力（注意到J与B的夹角）(1)在稳恒磁场中旋转的液体金属同时受到电磁力场、离心力场和重力场的作用。电磁力的大小和方向均呈周期性变化，与液体金属的位置有关；(2)电磁力在液体金属管的径向分量对离心铸造的径向压强起周期性增大和减小作用；切向分量驱动结晶前沿的液相与固相作相对运动，形成电磁搅拌，改变离心铸管的凝固方式和凝固组织。结论：电磁场凝固应用板坯连铸结晶器电磁搅拌技术（1）减少最终产品的表面缺陷（2）减少板材和管线内部缺陷板坯连铸结晶器电磁制动技术（1）减少保护渣卷吸（2）提高了钢的清洁度一、板坯连铸结晶器电磁搅拌装置

在铸轧区中施加不同的电磁场，其晶粒细化效果是不同的。电磁振动不仅加剧结构起伏和能量起伏，有促进均匀形核的作用，而且还能产生大量的非均匀形核的晶核，晶粒细化效果较好，对柱状晶的生长有极强的抑制作用。二、镁铝合金中的应用电磁连铸过程中，作用在熔体的电磁压力使压强增大，使金属熔体的熔点升高，过冷度增大，凝固驱动力增大，有利于熔体中大量形核，达到细化晶粒目的。同时由于电磁搅拌和电磁振动作用，使镁合金铸有利于提高性能。电磁场在伴有凝固相变现象的材料加工工程中扮演着重要角色,上述仅是就笔者所了解的情况做一粗略介绍。

电磁场有如一只无形的手,通过场将热和力效应施加给导电流体。电磁场的这种“超距作用”,一方面为控制金属凝固传输过程提供了一种清洁、高效的手段,成为材料制造过程的“利器”;