冶金業電磁凝固研究論文

　　1引言

　　在材料科學領域里，控制材料的凝固過程是提高傳統工程材料和鑄件性能以及開發新材料的重要途徑。近幾十年來，人們在利用各種手段控制凝固過程的研究和生產實踐中發現，綜合利用電磁場的多種功能對金屬的凝固過程進行控制有著明顯的優越性。電磁場下的凝固技術是指在液態合金凝固過程中施加以電磁場來控制材料組織和性能的方法。該方法在工業生產和科學研究中有其自身獨特的特點，如：細化晶粒、改善偏析、獲取單一組織、制備鋼鐵半固態坯料等，并且該方法具有不改變合金的原有成分、無污染、無接觸、設備簡單、操作方便等其它細化方法不可代替的優點，所以這一技術一經出現就受到了人們的極大關注，目前已經取得了顯著的成果，并已在實際生產中得到廣泛應用。如何能進一步拓展電磁凝固技術的應用空間，讓這一技術更好的應用與于冶金生產及材料的加工方面，仍然是有待探索與解決的問題。

　　2材料電磁凝固過程技術簡介

　　電磁場在冶金生產過程中的作用，實質上是通過電磁場與熔融金屬液相互感應產生電磁力，作用于金屬流體以達到預期目的。目前，把這種研究電磁場與流動之間相互關系的科學，稱為電磁流體力學。材料電磁過程是指將磁流體力學與材料加工技術結合起來，將電磁場應用于材料制造和加工過程，從而實現對材料工藝過程的控制及材料組織和性能的改善。

　　2.1材料電磁凝固過程技術使用的電磁場

　　材料電磁過程技術使用的電磁場主要有以下幾種：①由傳統線圈產生的普通強度的直流磁場。主要用于控制液體金屬的流動：例如，作為電磁制動抑制連鑄結晶器內鋼液的流動，抑制中間包內鋼液的紊流等。②由超導線圈產生的高強度的直流磁場。主要用于控制液體金屬的流動；控制液體金屬的形核、生長等凝固過程，開發新材料。③頻率從幾赫茲到數十赫茲的交流磁場。交流磁場是材料加工過程中應用最廣泛的一種磁場，可以通過磁場頻率的選擇，將其應用于感應加熱、電磁攪拌、電磁加壓、電磁傳輸等工藝過程，是控制液體金屬傳輸的有力手段。④其他特殊磁場。例如，移動磁場、脈沖磁場、變幅磁場等。主要用于高效、節能等新技術工藝的開發。上述各種磁場不僅可以單獨使用，還可以幾種磁場或磁場和電場共同使用于某一材料加工過程。

　　2.2電磁場對凝固組織的影響

　　電磁場主要是通過電磁力對熔融金屬液起抑制或攪拌作用。不同的電磁場產生的電磁力大小、形狀、方向都不同，對凝固組織的影響也不同。

　　2.2.1直流磁場對凝固組織的形態的影響

　　直流磁場產生的直流磁束既可抑制液態金屬中的自然對流，也可抑制固液界面處晶核的生長，從而有利于形成柱狀晶組織，為發展單晶體提供了有利條件。目前，國際上已有人根據直流磁束抑制鋼液流動的作用，應用于連鑄澆口處的鋼流，從而開發了一種能止噴出流的電閘，防止和降低連鑄件內非金屬夾雜物的聚集帶[1]。國內也有人將直流磁場用于拉制單晶硅的過程及金屬成形的控制等方面，尤其是西北工大在這方面做了大量的工作[2][3]。

　　2.2.2交流磁場對凝固組織形態的影響

　　交流磁場作用于熔融金屬時，則產生定時改變方向和大小的體積力。該力可對正在凝固中的熔融金屬實施攪拌，使凝固界面產生結晶的熔解、枝晶的折斷與脫開，同時使結晶核移動呈活潑狀態，并促使結晶組織等軸晶化。其作用正好與直流磁場作用相反。諸多交流磁場形式中，旋轉磁場是其中一種較普遍采用的形式。旋轉磁場與液態金屬相互作用，對正在結晶的金屬液產生強烈的攪拌作用，使金屬液處于不同于重力狀態下的結晶狀態，凝固模式發生變化，成為一種不平衡結晶。電磁攪拌最早用于考察液態金屬流動對有色金屬凝固過程和凝固組織的影響。但60年代初，Langen．berg等人[4]報道了交流磁場可顯著細化鋼錠的凝固晶粒以后，該技術才得到了蓬勃發展和廣泛應用。電磁攪拌還可改善鑄件的冶金質量，消除宏觀偏析[5]。大部分的研究工作，都是對定向凝固過程中采用旋轉磁場來實現電磁攪拌的。

　　3電磁凝固技術在冶金生產中的應用探索

　　對于材料電磁凝固技術的研究的主要目的在于應用。拓展其在冶金及材料加工方面的應用，讓電磁凝固技術更好、更有效地應用于生產，還需要不斷地探索與大量的試驗研究。

　　3.1拓寬電磁凝固技術的應用范圍

　　目前，材料電磁凝固技術主要應用于砂型鑄造方面，進行材料組織與性能的改變。在特種鑄造方面，電磁離心鑄造是近年來發展起來的一種新穎的凝固技術，該技術可以改善耐熱鋼的宏觀凝固組織，從而可應用其制造梯度復合材料[6]。特種鑄造包含有離心鑄造，金屬型鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造及熔模鑄造等多種鑄造方式，能否將電磁技術應用于這些特種鑄造生產，以改善鑄件的凝固組織與結構，制造出符合要求的相關設備，值得我們探索與思考。其次，對于材料的熱加工方法除包含鑄造加工外，還包括鍛壓生產及焊接生產。對于鍛壓件，可以采用電磁技術控制其成形過程，并且在鍛件冷卻過程中能否嘗試采用電磁技術對其固態組織與性能進行控制；對于焊接件焊接時，由于焊縫金屬凝固較快，焊縫的質量難于控制，容易產生應力及變形等缺陷，那么，能否嘗試在焊接過程中對焊縫金屬施以電磁凝固技術，控制其凝固速度，讓焊縫化學成分趨于均勻，從而改善并提高焊縫的質量，也值得我們去研究及考證。

　　3.2毛坯件的生產方面

　　對于一些要求有較高性能的機械構件，如最常見的齒輪，軸類零件等，其毛坯件往往是選擇鍛件、軋制件或擠壓件，因為鑄造工藝不能滿足其力學性能和使用性能的要求。而鍛造生產條件差、勞動強度大，對原材料的利用率較低，且生產周期長，鍛模的制造成本高，鍛件的切削加工性差；軋制件和擠壓件的表面質量又難于控制，表面精度低，易產生裂紋等缺陷。若能對這些常用機械構件的毛坯件改用電磁鑄造的方式來生產，通過磁場力來控制鑄件的凝固過程，獲得我們所需要的微觀組織與性能，這樣，與鍛造生產相比，可以改善鍛造工人的勞動強度和工作條件，節省成本，提高原材料的利用率，減少其機械切削加工前的熱處理工序，提高生產率；與軋制與擠壓工序相比，電磁鑄造可以控制零件的表面質量，減少表面缺陷，提高力學性能。

　　3.3毛坯件的選材方面

　　不同材料的毛坯件，其本身的性能不同。如20鋼和45鋼，都屬于優質碳素結構鋼，但是由于含碳量不同，導致其力學性能不同。若均采用軋制的方式制作軸類圓鋼毛坯件，45鋼的綜合力學性能要高于20鋼。若將20鋼材料以電磁鑄造的方式凝固成形來制作圓鋼毛坯件，通過晶粒細化，獲得中心細小的等軸晶區，且可以輔助安排熱處理工序來共同提高其力學性能，從而達到45鋼軋制件的綜合要求。這樣推廣開來，不僅可大大節省原材料的成本，而且可改善不同材料的制造及應用范圍，拓展材料的利用率。

　　3.4零件的加工方面

　　要將經過熱加工制得的毛坯件應用于生產，一般均要對其進行切削加工及熱處理工序。機械切削加工的主要目的是提高零件的尺寸精度與形位精度，獲得符合裝配及使用性能要求的零部件。熱處理工序是穿插在切削加工工序中，目的是改變零件的力學性能，以滿足其加工或使用的需要。任何一種熱處理方式均包含加熱、保溫及冷卻三個步驟，不同的金屬材料在不同的熱處理方式下，其加熱溫度、保溫時間及冷卻速度均不相同。若在金屬材料熱處理工藝中采用電磁技術，觀察其對材料固態組織的影響，則可討論該技術對材料熱處理領域的影響程度與可行性。