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电磁冶金技术分类
电磁冶金技术分类
电磁场的力效应和热效应可以赋予材料高密度能量,且施加方法简单.易控制。
因此电磁治金技术具有高效、清洁、可控性好等优点,迄今为止已有很多电磁治金技术被提出、研究、应用和发展。
在电磁冶金技术中使用的电磁场主要包括时变磁场、静磁场、电场、复合场,本节将从这以方面分类介绍电磁场的作用效果及相对应的电磁冶金技术。
面。
1.2.1时变磁场治金技术
时变磁场是指强度和方同随时间按照定规律发生变化的场。
时变磁场分为交变磁场和脉冲磁场:
场强与时间的函数满足正弦波规则的为交变磁场,满足脉冲性质的则为脉冲磁场。
时变磁场不仅具有加热和驱动作用,也表现出形状控制、振荡、悬浮等功能,应用广泛。
1.交变磁场
般情况下通入交流电的电磁线圈会产:
交变磁场,交变磁场应用于冶金技术主要基于以下三种作用形式:
焦耳热效应、形状控制作用、驱动(搅拌)作用。
这儿种作用效果是同时有在的,但由于电源参数和材料物性不同,每种作用效果有所差别。
焦耳热效应:
在线圈内通入交流电流后。
在其内部激发出交变磁场,根据法拉第电磁感应定律。
处-线圈内的工件《导电物质)中会感出满电流,利用沟电流的焦耳热效应可加热工件,这种加热技术称为电磁感应加热。
出于集肤效应,工件表面首先被迅速加热,之后通过热传导使工件内部被加热,根据使用频举不同,感应加热可分为上频(50Hz)、中频(50Hz~10kHz)、高额(l0kHz以F),另外,感应加热具有升温速度快、加热温度高等优点.可应用于金属表面热处理、熔炼、焊接、热装配、热拆卸等。
形状控制作用:
根据法拉第电微感应定,周期变化的磁场会在液态金属内部生成感应电流,该感应电流和外加磁场相互作用产生电磁力(洛伦兹力)。
由于集肤效应,该力:
要集中在液态金属的集肤层厚度内,液态金属表面向内部呈指数规律衰减。
当施加磁场频率很高时.集肤层岸度与熔体的尺寸相比非常小.可认为电磁力集中在液态金属表面,可以将它视为·种作用于表面的电磁压力。
利用该电磁压力可以非接触控制液态金属的形状。
当金属所受电磁力与静压力相平衡时就可以实现白出忌浮而不与坩锅壁接触。
电微铸造技术、冷场和恳浮熔炼技术利用的就是交变磁场的这种作用效果。
这些技术可以显若改善铸愤表面质量、熔炼活泼金属及成分与组织要求精确的合金、金属间化合物、金属功能材料等。
驱动(搅拌)作用:
交变磁场感生的电磁力可以强化液态金属内的流动或者驱动液态金属定向流动。
出于低频磁场可以渗透到液态金属内部,集肤层厚度可与试样尺于基本一致,此时形状控制效果可以忽略不计。
利用该作用效果的电磁治金技术包括电磁搅拌技术、旋转式电磁喷雾技术、电磁泵技术、薄带连铸机电磁侧封技术等。
此外.山于液态金属中的非金属夹杂物受到流体电磁力的反作用力,交变磁场还可用于液态金届中夹杂物的去除(电磁分离夹杂物技术)。
2.脉冲磁场
脉冲磁场包括普通脉冲磁场和脉强磁场。
普通脉冲磁场包括低频和高频脉冲磁场。
脉冲强磁场是指在瞬间可以产几十甚至近百特斯拉的磁场。
脉冲强磁场的脉宽非常窄,为毫秒、微秒量级。
脉冲磁场冶金技术主要利用脉冲磁场的振荡作用和磁化效果。
振荡作用:
在金属熔休凝固的过程中施加脉冲磁场,可以在熔体内部产生个脉动的指向熔体中心的电磁力,使熔体产周期件的受迫运动,进而改变金属熔体凝固过程的温度场、溶质场、增加金属熔体凝固过程中的形核率,使金属凝固组织和凝固方式发生变化,达到细化品粒、均匀溶质分布的效果。
龄化效果:
在热处理的过程中施加脉冲磁场,可利用材料与磁场的交作用及材料的各向异件特点改变材料的组织结构以获得所需要的件能1。
另外,对非品薄带进行脉冲磁场热处理时,在脉磁场作用下,材料内部往复磁化、去磁,从而导致磁矩取向不断发:
变化,引起原子的运动状态发生改变而使原子之间的距离发周期变化,最终实现微观结构转变1。
该技术还可应用在高精密零件的热处理等方面,
1.2.2静磁场治金技术
稳恒电流激发的磁场和永磁休所产生的磁场称为静磁场,静磁场的强度和方向不随时间改变。
其强度;山源向尤限远处以定的指数规律衰减。
存在定的梯度。
当磁感应强度超过2.0时,静磁场也被称为稳恒强感场。
静磁场具有多种作用效果。
制动作用:
静磁场下导电熔体受到的洛伦兹力方向大部分与流体流动方向相反,因而静磁场对流体流动和表面波动具有抑制作用。
利用静磁场的该作用效果,让开发利用的冶金技术包括电磁制动技术、磁场辅助(Czxhralski法制备单品硅技术、薄带连铸机电磁侧封技术等。
另外,利用静磁场的制动作用对液态金属进行形状控制的原理,提出了金属薄膜的静磁场制备技术1s1。
流速测量:
导电流体在依场中做切剖磁力线运动时,流体和磁场的相i.作用产生感应电流,通过检测磁体两端电极间感生电动势可以计算导电流休中与两个电连线垂直方向的流体流速,此为利用静磁场的电磁测速技术”。
分离作用:
当梯度磁场作用于物体时可以产生磁化力。
磁化力是-种体积力.它正比于物质磁化率、磁感应强度和磁场梯度。
应用于选矿等领域的磁分选技术就是利用不同依性物质受到的磁化力不同而进行分离的冶金技术。
组织调控:
近牛来,材料电磁过程和强磁场材料科学研究发现,强磁场下增强洛伦兹力和磁化作用对材料凝阳、热处理过程中的形核、溶质分配、溶质迁磁侧封技术等。
此外.l山*液态金属中的非金属夹杂物受到流体电磁力的反作用力,交变磁场还可用于液态金届中夹杂物的去除(电磁分离夹杂物技术)。
2.脉冲磁场
脉冲磁场包括普通脉冲磁场和脉强磁场。
普通脉训磁场包括低频和高频脉冲磁场,脉冲强磁场是指在瞬间可以产:
几十甚至近百特斯拉的磁场。
脉冲强磁场的脉宽非常窄,为毫秒、微秒量级。
脉冲磁场治金技术主要利用脉冲磁场的振荡作用和磁化效果。
振荡作用:
在金属熔休凝阳的过程中施加脉冲磁场,可以在熔休内部产生个脉动的指问熔体中心的电磁力,使熔体产生周期件的受迫运动,进而改变金属熔体凝固过程的温度场、溶质场、增加金属熔体凝固过程中的形核率,使金属凝固组织和凝固方式发:
变化,达到细化品粒、均匀溶质分布的效果。
磁化效:
在热处理的过程中施加脉冲磁场,可利用材料与磁场的交作用及材料的各向异件特点收变材料的组织结构以获得所需要的件能1。
另外,对非品薄带进行脉冲磁场热处理时,在脉磁场作用下,材料内部往复磁化、去磁,从而导致磁矩取向不断发生变化,引起原子的运动状态发改变而使原子之间的距离发周期变化,最终实现微观结构转变。
该技术还可应用在高精密零件的热处理等方面,
1.2.2静磁场治金技术
稳恒电流激发的磁场和永磁体所产生的磁场称为静磁场,静磁场的强度和方向不随时间改变。
其强度山源向尤限远处以定的指数规律衰减。
存在定的梯度。
当做感应强度超过2.0时,静磁场也被称为稳强磁场。
静磁场具有多种作用效果。
制动作用:
静磁场下导电熔体受到的洛伦兹力方向大部分与流体流动方向相反,因而静磁场对流体流动和表面波动其有抑制作用。
利用静磁场的该作用效果,开发利的治金技术包括电磁制动技术、磁场辅助(Czochralski法制备单品研技术、薄带连铸机电磁侧封技术等。
另外,利用静磁场的制动作用对液态金属进行形状控制的原理,提出了金属薄膜的静磁场制备技术191。
流速测量:
导电流体在依场山做切浏磁力线运动时,流体和磁场的相i作用产生感应电流,通过检测磁体两端电极间感生电动势可以计算导电流休中与两个电做连线垂直方向的流体流速.此为利用静磁场的电磁测速技术”。
分离作用:
当梯度磁场作用于物体时可以产:
磁化力.磁化力是一种体积力.它正比于物质磁化率、磁感应强度和磁场梯度。
应用于选矿等领域的磁分选技术就是利用不同依性物质受到的运化力不同而进行分离的冶金技术,组织调控:
近华来,材料电磁过程和强磁场材料科学研究发现,强磁场下增强洛伦兹力和磁化作用对材料凝固、热处理过释中的形核、溶质分配、溶质迁移、结晶等行为产:
影响,从而改变最终的合金组织42,山此可以制备取向、梯度功能材料等。
1.2.3电场治金技术
电场治金技术:
要是利用电能获得冶金所需要的高温(利用焦耳热或电弧加热).或者是利用电化学反应从原料中提取、回收和精炼金属的冶金过程。
根据使用电场类型的不同,电场治金包括直流电流冶金、交流电流冶金、脉冲电流治金和静电场治金技术。
电场冶金技术主要是通过以下儿个电场效应“实现的,电传输效应:
液态金属中的各种带电物质在电场作用下发生定向迁移称为电传输效应。
迁移的方问取决于电场的极性,电传输效应只在直流电场中能表现出来。
交流电场作用下。
电传输速度为零,尤法表现出来。
利用电传输效应的冶金技术有电解技术和电镀技术,焦耳热效应:
电流通过导体时产生焦耳热,该焦耳热与电流的平方、导体的电阻成正比。
电渣重熔正是利用熔渣的焦耳热效应来实现金属提纯的冶金工艺。
另外,从能量转换角度上讲。
真空白耗电弧冶炼、电弧焊接等也属电能转换为热能的冶金工艺,它们是利用电极与电极或电极与被熔炼物之间产电弧米熔炼或熔化金属。
对于电场下的凝固来说.焦耳热相当于内热源,它将使凝固系统的整体冷速降低,过冷度减小。
在固/液共存状态下,出于固态金属的电导率比同材质的液态金属大数倍,电流优先选择固相作为通道,因而固相内产生的热量大相邻液相,有可能导致阳相重熔,可降低界面处的温度梯度.促进整休的同时凝固。
因此电场作用下的凝固过程趋于同时凝固、均匀长大.最终的结晶组织比较均匀。
起伏效应:
处于熔点附近的凝固系统处于短程有序状态,电场作用于这个系统时,短程有序的结构、尺寸和数量都会随着电场强度、方向而发生变化。
此外,这种短程有序状态也导致了电场作用下结构起伏、能起伏及温度起伏的加荆.这现象称为起伏效应。
电场下凝固研究发现,基于此效应,电场可促进均质形核和细化品粒。
佩尔捷效应:
电流通过电导率不同的两种材料接触点时,除了因为电流流经电路饰产生的焦耳热外,还会在接触点产生吸热或放热的效应,称为佩尔捷效应,相应的热量称为佩尔捷热,共大小与通过界面的电流密度成正比。
同/液两相的电导率存在明显差异。
电场作用下,佩尔捷热使固/液界面上的凸出部分熔化。
从而使界面趋于光滑圆整。
电场作用促进球形或准球形晶粒的形成,抑制树枝晶|长。
1I前已经应用的电场治金技术多以直流电和交流电为主。
关于电场尤其是脉冲电场(流)下的凝固组!
控制研笼越来越受到广泛关注。
在20世纪8)年代末,人们就发现脉冲电流对冷变形金属的恢复和再结鼎有显著影响。
近年来有将脉冲电流应用]电解加工T艺技术的研究,相比传统的连续直流,脉冲电流提供了更多的可调参数.为过释控制提供了便利.H共表面加工质量高,可以显著改浴加工精度。
1.2.4复合场治金技术
在冶金过程中。
有时单·电场或磁场尤法满足工艺效果要求,需要同时施加两种或多种电磁场,称为复合场治金技术。
1.直流电流加静磁场
张动(搅拌)作用:
向液态金属中直接施加静磁场和直流电流,如果电流和磁场方向相互垂直,就可以生成驱动(搅拌)流体流动的电磁力。
该作用的应用有连铸电磁搅拌技术、电渣重熔中的搅拌技术、凝固组织细化等.而利用直流磁场的连铸电磁搅拌技术,避免了交变磁场的集肤效应。
所以效率较高。
使用直流电的电重熔技术中,施加静磁场产牛的强烈搅拌强化了治金反应,促进了有告杂质元素和非金属夹杂物的排除。
悬浮作用:
液态金属1,直流电流与静磁场复合场下牛成的电磁力与重力相平衡时,可实现液态金属的悬浮。
水平式电微铸造就是利用该复合场的一种电燃冶金技术,它可以铸造小口径圆锭以及薄板,有利于设备轻型化,适用于铸造高密度、低热导型金属。
2.交流电流加静磁场
制动作用:
在使用交流电流的真空白耗电弧炉治金过程中施加静磁场,可以利用其电磁力的制动效果、合理的稳弧线圈布管和参数给定,使电弧围绕电板稳缓慢地移动,防止集中在用锅壁l上击穿堆端,从而使成品铸键表面均匀。
将静磁场施加到电流重熔过程中也有类似效果。
振荡作川和超声波效果:
同时施加交流电流和静磁场有两个重要的作用:
电磁振荡和电磁超声波。
当交流电频率较低,静磁场与交流电流相互作用将在熔体全域内生成往复振荡力.激发熔体振荡,即电磁振荡,当交流电频率较高时,由于集肤效应的存在,该复合场在熔体的集肤层内生成高频电磁力,进而形成高强度电磁超声波向熔体内部传播。
尤论是电磁振荡还是电磁超声波,都与传统方法的机械振荡和超声波一样,会对熔体中的流场和温度场等产生较大影响,从而影响品核的形成和长大,最终改变凝固组织。
此外,这种电磁场感应产牛的电磁振荡和电磁超声波克服了传统机械振荡和超声波振荡污染熔体、探头损耗等缺点。
3.其他复合场
直流电流加交变磁场的驱动(搅拌)作用:
该复合场技术是将交变磁场的驱动作用应用于通直流电的冶金技术中。
将交变磁场的电磁搅拌用于焊接的技术兴起于20世纪70年代。
最早的尝试是将电磁搅拌用钢、钛合金钨极饭弧焊。
达到细化焊缝组织、降低焊缝气孔率的目的,该技术还可川于熔化极惰性气体保护焊、等离子弧焊等多种焊接技术中的电磁搅拌控制方面。
交流电流加交变磁场的驱动(搅拌)作用:
交流电流和交变磁场相互作用:
成交变洛伦兹力,可以驱动流体的流动。
在通交流电的电清重熔过程中施加交变磁场。
利用电磁搅拌作用可促进治金反应进行等。
另外,在凝固过程中同时施加交流电和交变磁场生成的洛伦兹力具有细化组织的作用。
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