金屬凝固理論

電磁場凝固技術(shù)簡介電磁處理是指將電磁場用于材料的各種加工過程，實現(xiàn)對過程的控制、材料組織和性能的改善。因它具有無污染、操作方便和效果顯著等優(yōu)點，受到了人們的高度重視。經(jīng)過近年來的迅速發(fā)展，這一領(lǐng)域已發(fā)展成為多學(xué)科交叉、工藝手段繁多及應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的體系。

利用直流磁場可通過抑制熔體流動，與電場交互作用產(chǎn)生電磁攪拌控制凝固。引入交流磁場既可實現(xiàn)對液相的電磁攪拌，又可產(chǎn)生電磁懸浮，細化晶粒，改善鑄件的冶金質(zhì)量，減輕成分偏析。材料電磁處理如今被廣泛應(yīng)用，例如懸浮熔煉，電磁鑄造，電磁霧化，電磁分離非金屬夾雜物，電磁攪拌等。

按照電磁場的類別和強度,材料的電磁加工大致可分為以下幾方面:1、靜磁場:施加靜磁場的目的主要是利用靜磁場對導(dǎo)電流體的電磁制動作(ElectromagneticBrake)抑制流體的流動,以達到提高凝固材料性能與質(zhì)量的目的。電磁制動改變液態(tài)金屬流動狀態(tài)示意圖2、強靜磁場：強磁場能夠改變臨界形核核心尺寸，強制晶體取向；并使順磁性物質(zhì)凝固點降低，抗磁性物質(zhì)的凝固點提高。3、低頻磁場：鋁合金的低頻(50Hz)電磁鑄造法（利用電磁力實現(xiàn)液態(tài)金屬的約束成形，在無成形模具的條件下完成金屬的熔煉與成形，即電磁鑄造），利用其強烈的電磁攪拌，可顯著細化晶粒，提高鑄錠的表面質(zhì)量，減小表面偏析層厚度。如圖所示，感應(yīng)器中通入一定頻率的交變電流，液態(tài)金屬內(nèi)部將產(chǎn)生交變的感應(yīng)電流。在液態(tài)金屬的側(cè)表面內(nèi)產(chǎn)生一個指向液態(tài)金屬內(nèi)部的電磁壓力壓縮液態(tài)金屬。同時，在金屬液表面和內(nèi)部都產(chǎn)生電磁攪拌力，金屬液內(nèi)部的電磁攪拌力將引起金屬液的流動，可以改善鑄件內(nèi)部的組織形態(tài)；而金屬液表面的電磁攪拌力則引起表面波動，影響表面質(zhì)量，因此應(yīng)予消除或抑制。低頻磁場高頻電磁場在金屬凝固過程中的物理模型示意圖4、高頻磁場與電磁成形技術(shù)：高頻磁場可用于電磁凈化，懸浮熔煉等。電磁懸浮熔煉的特點是無污染、熔體均勻、熔化速度快等，但懸浮金屬的質(zhì)量受限。

該法采用低頻交變電場加靜磁場的組合方式，利用電磁力強迫流體流動并產(chǎn)生穴化現(xiàn)象(cavitationphenomena)以細化晶粒。5、復(fù)合電磁場：電磁離心鑄造原理示意圖如圖所示：電磁力的方向和大小都呈周期性的變化，其徑向分量對徑向壓強起周期性的加強、減弱作用；而切向分量與旋轉(zhuǎn)方向相反，并且其太小與液態(tài)金屬所處的位置有關(guān)。切向分量促使液態(tài)金屬作與鑄型旋轉(zhuǎn)方向相反的運動．從而形成電磁攪拌。6、電磁離心凝固法

由于在電磁離心凝固過程中，金屬熔體不僅受到電磁力的作用，而且還受到很強的離心力的作用。同時由于結(jié)晶前沿存在著較強的液相流動，柱狀晶發(fā)生迎流傾斜生長，進而被折斷，為等軸晶的形成提供了形核條件，從而促進了柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)化。電磁攪拌通過流動金屬液對樹枝晶前端的動力折斷及熔蝕作用造成大量晶枝碎片供作晶核同時，強力流動可大大加速液心的傳熱而使過熱度迅速消失、兩相區(qū)迅速擴大，加速傳質(zhì)，使凝固前沿擴散邊界層減薄而濃度梯度增大，兩相區(qū)成分過冷增加。7、電磁懸浮凝固技術(shù)是指利用金屬熔滴與交流磁場相互作用產(chǎn)生的電磁力使熔滴在懸浮狀態(tài)發(fā)生下凝固的技術(shù)。應(yīng)用：一方面，它被應(yīng)用在地面實驗室中，利用電磁力來克服重力影響而將金屬樣品懸浮起來，實現(xiàn)微重力環(huán)境下的凝固過程；另一方面，它被用在空間實驗中，來實現(xiàn)對樣品的定位,可用來實現(xiàn)金屬材料在較大過冷度情況下的凝固技術(shù)。磁懸浮原理框圖其方向在圖1中x軸左方沿x軸正向，在x軸右方y(tǒng)沿x軸負向?？梢?，旋轉(zhuǎn)的液態(tài)金屬在穩(wěn)恒磁場中受到方向和大小都呈周期性變化的電磁力。液態(tài)金屬電磁離心凝固力場分析的模型如圖示．設(shè)液體金屬在穩(wěn)恒磁場中作運動，旋轉(zhuǎn)角速度為w，由于離心力的作用形成壁厚為(R—r)的圓管，如圖選定坐標(biāo)系后管長沿z方向．電磁力分析液體金屬所受的電磁力（注意到J與B的夾角）(1)在穩(wěn)恒磁場中旋轉(zhuǎn)的液體金屬同時受到電磁力場、離心力場和重力場的作用。電磁力的大小和方向均呈周期性變化，與液體金屬的位置有關(guān)；(2)電磁力在液體金屬管的徑向分量對離心鑄造的徑向壓強起周期性增大和減小作用；切向分量驅(qū)動結(jié)晶前沿的液相與固相作相對運動，形成電磁攪拌，改變離心鑄管的凝固方式和凝固組織。結(jié)論：電磁場凝固應(yīng)用板坯連鑄結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù)（1）減少最終產(chǎn)品的表面缺陷（2）減少板材和管線內(nèi)部缺陷板坯連鑄結(jié)晶器電磁制動技術(shù)（1）減少保護渣卷吸（2）提高了鋼的清潔度一、板坯連鑄結(jié)晶器電磁攪拌裝置

在鑄軋區(qū)中施加不同的電磁場，其晶粒細化效果是不同的。電磁振動不僅加劇結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏，有促進均勻形核的作用，而且還能產(chǎn)生大量的非均勻形核的晶核，晶粒細化效果較好，對柱狀晶的生長有極強的抑制作用。二、鎂鋁合金中的應(yīng)用電磁連鑄過程中，作用在熔體的電磁壓力使壓強增大，使金屬熔體的熔點升高，過冷度增大，凝固驅(qū)動力增大，有利于熔體中大量形核，達到細化晶粒目的。同時由于電磁攪拌和電磁振動作用，使鎂合金鑄有利于提高性能。電磁場在伴有凝固相變現(xiàn)象的材料加工工程中扮演著重要角色,上述僅是就筆者所了解的情況做一粗略介紹。

電磁場有如一只無形的手,通過場將熱和力效應(yīng)施加給導(dǎo)電流體。電磁場的這種“超距作用”,一方面為控制金屬凝固傳輸過程提供了一種清潔、高效的手段,成為材料制造過程的“利器”;