电磁力场作用下液态金属中非金属颗粒迁移规律及其应用研究

【摘要】：电磁场在冶金中的应用是近年来冶金工作者致力研究的重要领域之一。利用电磁场的力能和热能效应，可以对熔融金属进行非接触性加热、搅拌、传输和形状控制，而采用其他手段则较难实现。因此，电磁与冶金过程的结合往往意味着新技术的产生。电磁搅拌、电磁铸造等已在工业中发挥着越来越重要的作用。作为冶金领域中又一潜在的新技术-液态金属中颗粒电磁迁移，近年来受到日、法、美等发达国家冶金工作者的广泛关注。 本文在简单回顾该领域的发展历史、对比相关研究的基础上，对交变电磁力场(行波磁场产生)及恒定电磁力场作用下液态金属中颗粒的电磁迁移行为进行了基础和应用研究。采用电解液-氧化铝空心球、铝液-富硅颗粒及铝液-氧化铝夹杂物三种体系，围绕金属液中颗粒迁移规律、液态金属电磁净化及金属液凝固过程中颗粒分布行为三个主题依次展开。 本文的第一部分围绕液态金属中颗粒迁移规律进行研究。针对前人对电磁力场(尤其是交变场)作用下刚性颗粒迁移速率研究不够充分的问题，本文采用行波磁场和电解液模拟体系进行了探讨。通过颗粒速率测量值与理论计算值的对比，发现当雷诺数大于5.8，Hartman数接近或大于1时，随着颗粒直径的增加，颗粒的迁移速率与理论值偏差增大，实验值与理论值比值趋近某一常数0.50，这一现象表明此种条件下颗粒受力低于前人的理论分析值0.75，但当颗粒直径小于1mm时，由于雷诺数 2000年上海人学博士学位论文 及Hartl二an数降低，该比值接近于!。根据实验结果对理论公 式的应用条件进行了补充。 采用过共晶铝硅合金液，使凝固过程中析出的富硅颗粒在 行波磁场作用下发生迁移的实验表明，金属液流道形状、大小 对颗粒迁移效果产生重要的影响:当采用圆形流道时，颗粒难 以稳定迁移，而采用矩形或三角形流道则能取得较好的效果。 基于紊流造成颗粒难以偏聚的原因，对上述现象进行了模拟实 验及分析，结果发现圆形管道之圆弧壁面对不均电磁力导致的 金属液紊流抑制作用较弱，而矩形及三角形管由于具有平直壁 面，比圆形管的比表面积要大14%一24%，因而能有效抑制紊 流的扩展。 紊流的产生主要是由于金属液受到不均匀电磁力的作用， 但是，至今，对紊流的形成、电磁力均匀性等方面都没有提出 合适的评价方法，因而对颗粒电磁迁移规律的应用产生阻碍作 用。本文通过对影响电磁力均匀性的因素进行考察，发现当金 属液流道截面尺寸远小于磁通渗透深度时，电流分布及次生磁 场的影响较小，而磁感应强度的不均匀分布是造成电磁力不均 匀的主要原因。为了考察磁感应强度的影响，本文提出了采用 磁感应强度不均匀度来衡量磁场均匀性的方法。当磁场分布不 均度小于5%且采用矩形或三角形管道时，金属液中紊流较弱 甚至基本消失，颗粒能进行稳定的定向迁移;当磁感应强度分 布不均度大于9%时，紊流强烈，颗粒定向迁移行为被打乱， 导致颗粒电磁迁移行为失去意义。这一规律在金属嫁液的模拟 实验中得到了证实，因此，利用磁感应强度分布不均度来衡量 磁场分布以及由此而导致的紊流的强弱是可行的。进一步对行 波磁场中磁感应强度分布的测定发现，齿面上方磁场不均度最 电磁力场作用下液态金属中非金属颗粒迁移规律及其应用研究 大不超过5%，适合用于电磁迁移，而齿槽面上方只有在水平 中分面附近区域磁场不均度才符合颗粒电磁迁移的要求。另外， 在上述的磁感应强度分布均匀度下，采用比前人所用管径大5- 10倍的管道进行颗粒电磁迁移，效果良好，从而证明在较大管 截面积下也能实现颗粒的稳定迁移。 颗粒电磁迁移现象最重要的应用之一是去除金属液中氧化 物夹杂物，因此采用氧化铝夹杂含量较高的铝液进行了电磁迁 移实验.结果表明，行波磁场能使铝液中粒径大于20似m的三 氧化二铝夹杂物发生明显的迁移，发生迁移后的铝液中夹杂物 含量大大降低，残余夹杂物粒径不但与电磁力大小有关，而且 与流道形状有关，如采用三角形流道中残余夹杂物的最大粒径 要低于矩形流道。 基于上述的电磁迁移实验结果，本文第二部分对行波磁场 净化金属液进行了理论和实验研究。根据本文提出的行波磁场 净化金属液装置，采用活塞流和轨线模型，对夹杂物去除效率 进行了理论分析。结果表明:夹杂物去除效率受电磁力、夹杂 物迁移距离、夹杂物粒径、金属液流动距离、管道形状等因素 的制约，其中减小夹杂物迁移距离对提高除杂效率最为有效， 因而对矩形管而言，采用长宽比较大的板状管更合适;理论分 析还解释了管形之所以对除杂效率产生影响，是因为不同管中 流速分布以及颗粒迁移距离发生改变的缘故;当电磁力场密度 达到重力场密度15倍以上时，重力场对夹杂物去除的贡献可忽 略不计。上述结果为净化器的结构设计及优化提供了理论依据。 在理论分析的基础上，本文进一步对行波磁场净化金属液 过程进行了实验研究。结果表明，随金属液流速的减小，夹杂 物去除效率增加，在合适的电磁力密度及金属液流速下，金属 2000年上海人学博士学位论文 液中氧含量能去除80%左右，氧含量的降低即表明夹杂物含量 的降低。金