金属建材电磁连铸技术复习资料

1.1 电磁冶金工艺发展概况19世纪初，英国人法拉第通过分析海水运动和地球磁场的关系来研究磁流体动力学（MHD）；磁流体动力学（MHD）现象是指在导电的液体里，速度场和磁场相互联系又相互影响的现象；把磁流体动力学应用于冶金工业，称为电磁冶金，也叫材料电磁工艺（EPM）；导体在磁场中运动产生感应电流，感应电流也产生磁场（发电机的原理）；通电的导体在磁场中产生电磁力（电动机的原理）；电磁力使液体导体运动，并伴随三种现象：电磁热、电磁搅拌、电磁压力，这三种现象在材料冶炼、成形、凝固等工艺中广泛应用；电磁冶金技术的研究是从电磁场控制金属的凝固过程开始的；电磁场控制凝固过程是金属凝固原理与电磁理论相结合的产物，以凝固理论为基础，借助电磁场来控制液态金属的热量、质量、动量的传输，获得预期的凝固组织和优质材料；电磁控制凝固的动力是金属连铸技术；电磁搅拌可以改善金属连铸坯的质量；1952年，第一台电磁搅拌装置在连铸机上实验；随着汽车工业对优质板材的急需，产生了电磁制动技术，可提高连铸板坯的质量；我国电磁冶金技术开始于20世纪60年代，最早是哈工大等院校和研究院所；70年代后，我国引进了一批特殊钢连铸机和板坯连铸机；我国现已研究成功各种电磁搅拌器；1.2 国内外电磁冶金研究进展法国、日本等发达国家正不断加快对电磁冶金工艺的研究与开发：1、结晶过程控制 主要是向结晶器施加低频脉冲电磁力、超高频连续作用电磁力、高频振荡电磁力2、电磁结晶器设计 电磁结晶器必须允许磁通量通过，现在多用分瓣结构的电磁结晶器，存在不足3、电磁制动技术 利用磁场对结晶器内的高速钢水进行制动。人们正积极研究磁场对非金属、有机体的影响，人们还把生存环境的净化也寄望于电磁工艺。1.3 电磁冶金工艺发展前景电磁冶金工艺将在钢铁和其它金属材料领域得到广泛应用；电磁冶金工艺将在常规连铸机和板坯连铸机上广泛应用；电磁搅拌技术非常看好，有望用于提高铸件的洁净度和致密度、提高连铸的生产率、提高焊接性能等；在非金属领域也将取得大的发展。目标：使学生了解电磁学方面的基本知识电磁学基本理论电荷有两种，同种电荷相斥，异种电荷相吸；电子带负电荷，质子带正电荷，中子不带电；电荷的量子性：自然界中，电荷总是以一个基本单元的整数倍出现；电荷的基本单元是一个电子所带电量的绝对值， e1.60210（-19）C电荷守恒定律：电荷不会凭空产生，也不会凭空消灭，只会转移；电荷的相对论不变性：一个电荷的电量与它的运动状态无关；库仑定律：在惯性系中，真空中两个静止的点电荷之间的作用力与这两个电荷的电量成正比，与距离的平方成反比，力的方向沿两个电荷之间的连线；电力的叠加原理：两个点电荷之间的作用力并不因为第三个点电荷的存在而有所改变（在极小距离或极大力时，叠加原理会失效）；两个质点之间的万有引力定律是一种超距作用（即超越距离，直接给予）；而两个电荷之间的作用力是通过它们释放出的电场给予的；电磁场具有能量、质量、动量；电场中某点的电场强度E，EF/q0，F为检验电荷受的力，q0为检验电荷的电量；电通量：通过电场中某个面的电场线条数就称为通过这个面的电通量；电场强度E F/q0 /S , S 为垂直于电场线的面；电磁学基本理论高斯定律1.一个封闭曲面上某点的电场强度是由曲面内外所有电荷共同产生的合场强2.通过此封闭曲面的总电通量只取决于它所包围的内部电荷 qint /0 库仑定律能在电荷分布已知时求出场强分布；高斯定律能在场强分布已知时求出任意区域内的电荷。电磁学基本理论电场强度与电势都是描述电场中各点性质的物理量，电势等于电场强度的线积分，场强等于电势的导数；场强沿着电场线方向，而电势沿电场线方向下降；电场强度与电势都是描述电场中各点性质的物理量，电势等于电场强度的线积分，场强等于电势的导数；场强沿着电场线方向，而电势沿电场线方向下降；过电场中任意一点，沿不同方向其电势随距离的变化率一般是不等的，沿某一方向其电势随距离变化率最大，此最大变化率称为该点的电势梯度，此方向为梯度方向；电场中任意点处的场强等于电势梯度的负值，E=-grad 。磁力是运动电荷之间相互作用的表现；一个运动电荷在它周围除了产生电场，还产生磁场；两个运动电荷通过磁场来相互作用；产生磁场的运动电荷或电流可称为磁场源；磁通量是通过某个面的磁力线的条数；磁场强度是单位面积上的磁通量。场的概念: 在某一空间区域内的每一点，都对应着某个物理量 的一个确定的值 场的特性: 占有一定空间在该空间域内， 除有限个点和表面外，处处连续目标：使学生了解矢量分析方面的知识标量场: 在一定空间的分布状态时，数学上只需用标量函数确定的场，如温度场T(x, y, z)、电位场(x, y, z)等。矢量场: 需要用一个矢量来描述场的状态，如电场、磁场、流速场等等。 方向导数和梯度问题的提出一块长方形的金属板，四个顶点的坐标是，(1,1)，(5,1)，(1,3)，(5,3)在坐标原点处有一个火焰，它使金属板受热假定板上任意一点处的温度与该点，到原点的距离成反比在(3,2)处有一个蚂蚁，问这只蚂蚁应沿什么方向爬行才能最快到达较凉快的地点？问题的实质：应沿由热变冷变化最骤烈的方向（即梯度方向）爬行。引出：由求等值面的最大变化率引出标量的梯度概念。 标量场的梯度是一个矢量，是空间坐标点的函数。1. 是一个矢量2. f的模就是f在给定点的最大方向导数3. 方向就是该具有最大方向导数的方向, 亦即f的变化率最大的方向。4. 矢量：大写黑体斜体字母 A5. 大写斜体字母加表示矢量的符号6. 标量：小写斜体字母 u7. 单位矢量：小写上加倒勾梯度的大小为该点标量函数 的最大变化率，即最大方向导数。梯度的方向为该点最大方向导数的方向。定义：标量场u在某点的梯度是一个矢量，其方向为u增加最大的方向，即等值面法线方向；其大小等于u在该方向上的增加率，即最大增加率。 亥姆霍兹定理： 在有限区域内，矢量场由它的散度、旋度及边界条件惟一地确定。无旋场： 旋度为零的矢量场叫做无旋场。 标量场的梯度场是无旋场，如静电场。无散场： 散度为零的矢量场叫做无散场。矢量场的旋度场是无散场，如恒定磁场。矢量分析矢量表示，矢量模，矢量加减，矢量乘，三乘积矢量场的空间变化规律通常用散度和旋度描述定义：当闭合面 S 向某点无限收缩时，矢量 A 通过该闭合面S 的通量与该闭合面包围的体积之比的极限称为矢量场 A 在该点的散度，以 div A 表示，即散度的物理意义1) 矢量场的散度代表矢量场的通量源的分布特性；2) 矢量场的散度是一个标量；3) 矢量场的散度是空间坐标的函数；散度定理：既然矢量的散度代表的是其通量的体密度, 因此直观地可知, 矢量场散度的体积分等于该矢量穿过包围该体积的封闭面的总通量。环量矢量A沿某封闭曲线的线积分, 定义为A沿该曲线的环量旋度矢量A的旋度是一个矢量, 其大小是矢量A在给定点处的最大环量面密度, 其方向就是当面元的取向使环量面密度最大时, 该面元矢量的方向 。 若某区域中各点curl A=0, 称A为无旋场或保守场。 1 .1 .2 标量积和矢量积矢量的相乘有两种定义: 标量积(点乘)和矢量积(叉乘)。标量积 Dot production 定义：标量积AB是一标量, 其大小等于两个矢量模值相乘, 再乘以它们夹角AB(取小角, 即AB)的余弦: 矢量积 Cross production 定义：矢量积AB是一个矢量, 其大小等于两个矢量的模值相乘, 再乘以它们夹角AB()的正弦, 其方向与A , B成右手螺旋关系, 为A , B所在平面的右手法向 1 .1 .3 三重积 在电场中，电位移矢量在某一曲面上的面积分就是矢量通过该曲面的电通量；在磁场中，磁感应强度在某一曲面上的面积分就是矢量通过该曲面的磁通量麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组揭示了电场与磁场、磁场与电流和电荷之间的关系作用类似于经典力学中的牛顿定律麦克斯韦是电磁场的基本方程在研究电磁场时，主要关注四个矢量： 电场强度E 电通量密度D 磁场强度H 磁通量密度B 第一方程表明：不仅传导电流产生磁场，而且随时间变化的电场也产生磁场第二方程表明：随时间变化的磁场产生电场第三方程表明：磁场无通量源，即不存在磁荷第四方程表明：电场有通量源，电荷是产生电场的源电流连续性方程取一闭合曲面S,S 所包围的体积为 ， 从闭合面内流出的总的电流等于单位时间流出的电荷量。由电荷守恒定律，它应等于体积 内电荷的减少率，即静态场静态场是电磁场的特殊情况，是场量不随时间变化的场在静态情况下，电场和磁场可以独立存在静电场仅由电荷产生恒定磁场是由恒定电流产生的时变电磁场时变电磁场即随时间变化的电磁场此时，电场和磁场互相影响在无源区域内，时变的电场产生磁场，时变的磁场产生电场正弦电磁场正弦电磁场又称时谐场，是指电场和磁场的每一个分量都随着时间作正弦变化正弦电磁场在工程实际中有广泛应用电磁场的边界条件1为什么需要边界条件：1）描述媒质分界面两侧电磁场的变化情况，由于媒质和场量不连续，微分不存在，所以微分方程不能用。2）从数学上讲，用麦克斯韦微分方程求解电磁场时必须有边界条件才能有确定解。用积分方程求解不需要边界条件，事实上积分方程就包含了边界条件。我们正是用积分方程导出边界条件的。2 边界条件1）H的边界条件 H的切向分量在分界面上不连续，与分界面上的自由电流面密度有关2）E的边界条件 E的切向分量在分界面上是连续的3）B的边界条件 B的法向分量在分界面上连续4）D的边界条件 D的法向分量在分界面上不连续电磁场的物质属性电磁场不是物质，但是有物质属性电磁场可以有力的作用，如静电力、磁铁对铁磁物质的吸力、电流周围产生的磁力等电磁场具有能量教学目标：使学生了解极化磁化和部分流体力学知识各电磁场定律的物理意义法拉第电磁感应定律：时变的磁场可以产生漩涡电场安培环路定律：电流和时变的电场可以产生漩涡磁场电场高斯定律：电荷是电通密度矢量的源磁场高斯定律：不存在磁通密度矢量的源磁荷电荷守恒定律：电荷只能以电流形式转移，不能产生或消失电场中的物质物质是带电粒子的集合带电粒子在电磁场中运动状态发生变化，此时物质受到极化或磁化带电粒子的状态变化使电磁场源发生变化，从而影响外加电磁场电磁场中的物质可以等效为一定的电荷电流分布物质的极化极化：指事物在一定条件下发生两极分化，使其性质相对于原来状态有所偏离的现象 中性的原子受外加电场作用，正电荷发生位移（相对于负电荷），使中性原子对外界呈现电性效果，即称受到极化极化的种类：电子极化、取向极化、离子极化物质在外加电场下会被极化；同时，物质的极化又会使外加电场发生变化物质的磁化磁化：是指原来不具有磁性的物质获得磁性的过程磁性材料里面分成很多微小的区域，每一个微小区域就叫一个磁畴。每一个磁畴都有自己的磁距（即一个微小的磁场），一般情况下，各个磁畴的磁距方向不同，磁场互相抵消，所以整个材料对外就不显磁性。当各个磁畴的方向趋于一致时，整块材料对外就显示出磁性 。磁化就是要让磁性材料中磁畴的磁距方向变得一致只有少数金属及金属化合物可以被磁化 ，如铁、钴、镍及化合物流体的概念流体：可承受压力，几乎不可承受拉力或剪切力易流动性：在极小的剪切力作用下，即可产生连续的剪切变形流体的形状不固定流体一般分为：液体和气体两类液体流体的流动性更大，可压缩液体流体具有流动性，不易压缩流体具有伯努利效应。教学目标：使学生了解极化磁化和部分流体力学知识各电磁场定律的物理意义法拉第电磁感应定律：时变的磁场可以产生漩涡电场安培环路定律：电流和时变的电场可以产生漩涡磁场电场高斯定律：电荷是电通密度矢量的源磁场高斯定律：不存在磁通密度矢量的源磁荷电荷守恒定律：电荷只能以电流形式转移，不能产生或消失电场中的物质物质是带电粒子的集合带电粒子在电磁场中运动状态发生变化，此时物质受到极化或磁化带电粒子的状态变化使电磁场源发生变化，从而影响外加电磁场电磁场中的物质可以等效为一定的电荷电流分布物质的极化极化：指事物在一定条件下发生两极分化，使其性质相对于原来状态有所偏离的现象 中性的原子受外加电场作用，正电荷发生位移（相对于负电荷），使中性原子对外界呈现电性效果，即称受到极化极化的种类：电子极化、取向极化、离子极化物质在外加电场下会被极化；同时，物质的极化又会使外加电场发生变化物质的磁化磁化：是指原来不具有磁性的物质获得磁性的过程磁性材料里面分成很多微小的区域，每一个微小区域就叫一个磁畴。每一个磁畴都有自己的磁距（即一个微小的磁场），一般情况下，各个磁畴的磁距方向不同，磁场互相抵消，所以整个材料对外就不显磁性。当各个磁畴的方向趋于一致时，整块材料对外就显示出磁性 。磁化就是要让磁性材料中磁畴的磁距方向变得一致只有少数金属及金属化合物可以被磁化 ，如铁、钴、镍及化合物流体的概念流体：可承受压力，几乎不可承受拉力或剪切力易流动性：在极小的剪切力作用下，即可产生连续的剪切变形流体的形状不固定流体一般分为：液体和气体两类液体流体的流动性更大，可压缩液体流体具有流动性，不易压缩流体具有伯努利效应。液态金属的输送与定量u 工程中，有时需要液态金属在非接触条件下运动，且运动速度和数量可控u 例如：核反应堆用电磁泵使传热介质运动u 例如：铸造时用电磁泵驱动液态金属从浇包到铸模u 电磁泵可以非接触条件下完成液态金属的输送和定量u 1.通电的液态金属在磁场中的受力用左手定则判断u 2.左手定则：左手平伸，让磁力线穿过手心，四指指向电流的方向，大指则是受力方向 交流传导泵的工作原理1.交变电流在铁芯中产生交变磁场2.交变磁场感生交变电流作用在液态金属左右两侧3.感生电流和交变磁场以同样规律周期变化，电磁力方向不变交流传导泵的缺点u 交流传导泵与直流传导泵相比，铁芯发热量大，且感应电流与外接交流电相位很难完全一致，导致效率变低。u 由于有缺点，工程上交流传导泵应用较少交流感应电磁泵1.感应器产生行波磁场 2.液态金属在磁场中产生感应电流3.有电流的液态金属在磁场中受电磁力运动交流感应电磁泵u 感应器绕组方法与异步电动机类似u 交流感应泵分为：平面型、圆柱型、螺旋型三种u 感应泵应用较多，但液态金属温度高时，效率降低u 直流传导电磁泵应用最广电磁泵的电磁力计算u 理想直流传导电磁泵的电磁力为： FBIb/g B:磁感强度 I：电流 b：泵沟宽度 g：重力加速度u 实际中，直流电产生附加磁场，削弱了主磁场；而且，金属液的流动产生感应电流，削弱了直流电。u 实际中，计算电磁泵的电磁力很复杂，常用经验公式近似计算电枢反应u 电枢反应：液态金属通入的直流电产生了感应磁场，本感应磁场使主磁场受到改变u 在泵的入口处主磁场被加强，出口处被减弱3.2 液态金属电磁封闭 工程中，由于工艺需要，常常会在液态金属液面以下部位设置流出口 传统上，流出口用一个塞杆或固态封闭阀堵住，需要时打开封闭阀 封闭阀的开关十分不便，容易造成液态金属外漏或严重事故 在浸镀超长钢管时，往往不许堵死流出口，此时需要非接触式的电磁封闭直流传导泵与直流封闭阀.通电的液态金属在磁场中的受力用左手定则判断2.左手定则：左手平伸，让磁力线穿过手心，四指指向电流的方向，大指则是受力方向 直流传导式电磁封闭阀 直流传导电磁封闭阀的原理，与直流传导电磁泵原理类似，通过改变电流方向，产生一个向里的电磁力 优点：无需堵塞出口；通过改变电流方向来控制液体金属的流出或封闭，很方便；可实现超长工件连续通过式浸镀工艺 缺点：需要设置接触液态金属的电极；要保证电极与液态金属的浸润性好，电阻小；电极应有很好的耐高温腐蚀能力；电极难以密闭安装在出口；电极经常出现各种故障感应电磁封闭阀 直流封闭阀的主要问题是：电极的设置和直流电流的通入 为了避免这两个问题，研制了感应电磁封闭阀 感应电磁封闭阀的原理：感应器的绕组通入三相交流电后产生行波磁场，液态金属在行波磁场中产生感应电流，感应电流在行波磁场中产生向里（容器内）的电磁力 感应电磁封闭阀的优点：通过开关电流控制封闭阀的开合；不需要设置电极把电流通入液态金属；感应器可以在单面，也可在双面，也可在周向 主要缺点：需要保证行波磁场的透入深度连铸 连铸即为连续铸钢（英文，Continuous Steel Casting）的简称。 在钢铁厂生产各类钢铁产品过程中，使用钢水凝固成型有两种方法：传统的模铸法和连续铸钢法。 而在二十世纪五十年代在欧美国家出现的连铸技术是一项把钢水直接浇注成形的先进技术。 与传统方法相比，连铸技术具有大幅提高金属收得率和铸坯质量，节约能源等显著优势。双辊薄带连铸机的侧封 为何要侧封：堵住双辊的两侧，防止液态金属流出 两种侧封方法：1.固态侧封 2.电磁侧封 3.混合侧封 固态侧封的缺点：磨损、泄露、凝固、堵塞 电磁侧封利用高功率的电磁装置产生向内的电磁力，封住液态金属，完全防止了固态侧封的缺点 混合侧封：结合固态侧封与电磁侧封，只用电磁装置封住小的缝隙，用小的电磁力即可完成3.3 液态金属电磁净化 工业技术的发展，对钢材质量要求越来越高 钢中的非金属夹杂物是有害的，要采取各种工艺措施，使其含量尽量降低 传统的工艺措施有：真空熔炼法，CAS（封闭式吹氩成分微调法）, RH（真空循环脱气法）, LIP等 电磁净化是一种能显著去除非金属夹杂物的新工艺电磁净化的原理自然条件下，液态金属中夹杂物的上浮速度 可见：上浮速度与密度差成正比，与夹杂物的半径平方成正比 夹杂物半径一般极小，上浮速度也极慢，靠自然上浮来去除杂质不现实 电磁净化的基本原理是：使液态金属处于磁场中，使液态金属带电流，液态金属载流导体与磁场相互作用而受到电磁力，其中的夹杂物也受到同向的电磁力，但是夹杂物与液态金属电阻相差很大，两者所受电磁力大小不同，导致两者分离。直流传导式电磁净化的特点：优点：净化效果比较好缺点：1、难以得到大范围的均匀强磁场 2、通入液态金属的直流电难以均匀分 布，易出现涡流，降低分离效果 3、需要电极插入液态金属，易污染液态金属，或电极易损毁行波磁场式净化的特点：1、靠行波磁场感应液态金属，是非接触的2、设备单一，装配容易，净化效果较好比直流传导式优势更多一般旋流场：旋转时，同半径处金属与杂质切向速度相同，但向圆心处移动的速度不同，速度差与密度差成正比。最终，在旋流场中，不同密度的物质按照密度不同而分布。电磁旋流场：在电磁旋流场中，因切向速度“ 金属杂质 ”，故径向方向杂质以更快速度向圆心移动高频磁场电磁净化特点：1、无需外加电流和电极2、无接触式电磁铸造 电磁铸造是利用电磁力克服金属液的静压力来实现无模无接触铸造 原理：利用交变磁场在金属液中产生感生涡流，感生涡流与磁场作用产生向心的电磁力，电磁力束缚金属液 电磁铸造发明后，逐步衍生出电磁连铸、悬浮熔炼等技术，大大促进了材料成型与凝固领域的发展 电磁铸造具有：无模、电磁搅拌、强冷却的工艺特点 前苏联在60年代末研制成功电磁铸造，并于1969年在美国申请专利 此后，美国、瑞士先后引进该技术，1977年后美国和瑞士先后宣布投入工业生产，目前已大规模工业应用 美国Caiser公司现在能够实现计算机控制7锭同时铸造 至1988年，仅瑞士Alusuisse公司就使用电磁铸造生产数百万吨铝产品 1976年，东北轻合金加工厂开始对电磁铸造进行研究，铸锭质量明显提高，由于控制水平及整体技术落后，未投入工业生产 1986年，由中国有色金属总公司组织，西南铝加工厂、北方工业大学、东北轻合金加工厂、大连理工大学共同开展方锭电磁铸造技术攻关，实现了计算机控制，由于缺乏技术与经验，系统缺乏稳定性，至今未投入工业生产 85期间，大连理工大学进行了电磁铸造感应器设计及铸造工艺优化研究，取得不小进展1、铸造各种形状的铸锭 现在可以生产螺旋状、管棒状、板状铸锭2、使用各种材料进行电磁铸造 现在可以对铜、铝、钢进行电磁铸造。但是对于钢，其熔点高、导热性差、控制较困难、需要强电磁场，经济上不划算。电磁铸造法与传统带结晶器的铸造法相比，具有以下优点： 延长了铸模的使用寿命，减少了拉矫机的驱动力； 铸件表面质量改善 铸造速度、生产率提高，可铸造形状较复杂的铸件； 避免使用润滑油供给系统，从而避开由此带来的诸多技术难点； 晶粒细小，成分偏析少，组织比较均匀工艺特点：v 无模型、电磁搅拌、强冷却；v 流速场、温度场、溶质场快速剧烈变化；v 强烈的对流传热传质；v 是一个动态过程。 电磁铸造原理 感应器通以交流电，产生交变磁场。 液态金属通过交变电场内产生感生涡流 液态金属与感应器产生的交变磁场相互作用，进而产生始终指向液态金属中心的电磁力。 当电磁力足够大时，就可束缚液态金属向外的静压力，将液态金属推离感应器，形成独立的液柱。 液态金属在此条件下冷却、凝固，获得表面光滑、组织细小的铸件4.2 液态金属电磁成形与凝固 电磁连铸是一项把钢水直接浇铸成坯的新工艺 优点：简化生产工序、提高金属收得率、节约能源、机械化和自动化程度高 连铸技术的三个趋势：近终形连铸、高速连铸、连铸高质量铸坯 电磁连铸是一项把钢水直接浇铸成坯的新工艺 优点：简化生产工序、提高金属收得率、节约能源、机械化和自动化程度高 连铸技术的三个趋势：近终形连铸、高速连铸、连铸高质量铸坯 高效连铸的障碍： 1、结晶器内初凝壳减薄，增加了漏钢的危险 2、液面波动加剧，初生壳不均匀，坯壳表面热裂纹敏感性增加，铸坯表面缺陷增加 3、铸坯凝固的界面前沿的温度梯度增大易形成发达的柱状晶 铸坯的表面质量主要取决于结晶器内初生壳的均匀性，最初几秒钟传热强度和热流分布的均匀性，即结晶器内弯月面的初始凝固过程直接影响铸坯的表面质量 消除铸坯表面缺陷的传统措施：改变结晶器振动方式、高振频低振幅、减少负滑脱率、改变保护渣的性能、增加润滑效果等 1986年，法国人VIVES研究表明：软接触电磁连铸技术能显著改善铸坯质量 软接触电磁连铸技术是下一代主要连铸技术 90年代后各国加强了软接触电磁连铸技术的研究 传统铸造：是有接触铸造，利用铸模壁来克服液态金属的静压力 电磁铸造：是无接触铸造，利用电磁装置代替铸模壁，用电磁力来克服液态金属的静压力 软接触电磁连铸：是软接触铸造，铸模壁外设置电磁装置，用铸模壁和电磁力共同克服液态金属的静压力 1、减小了液态金属与结晶器的接触压力和摩擦力，使保护渣液的渗流通道顺畅 2、高频磁场对钢液有电磁搅拌作用，使初凝壳晶粒细化 3、电磁场对铸坯的感应加热，降低了铸坯初凝位置和初凝壳的温度梯度 结晶器内弯月面和铸坯的最终质量受到弯月面区域磁场（磁场频率和磁场强度分布）有很大影响 磁场又和结晶器结构、电源功率、感应器线圈匝数、线圈与弯月面的相对位置等有关 磁场在结晶器内分布较均匀，随电源功率提高，磁场强度也提高 线圈匝数增加，使得磁场强度和磁场范围增加4.2 电磁连铸4.2.4 电磁连铸结晶器内弯月面形态 磁场影响弯月面，弯月面影响铸件表面质量 所以要研究磁场对弯月面的影响规律 实验采用可视化方案，对弯月面全程录像，记录弯月面形状弯月面影响因素总结1、电源功率增大，电磁作用增强，弯月面升高2、感应器升高，电磁作用增强，弯月面升高3、线圈匝数较少，电磁作用增强，弯月面升高 并非电磁作用越强，铸件表面质量越好 铸件表面质量不光受弯月面高度影响，也受弯月面波动影响电磁参数与铸件表面质量 1、电源功率越高，铸件表面质量越好 2、感应器线圈匝数为5时，铸件表面质量最好 3、感应器位置为零时（与液面同高），铸件表面质量最好 电磁搅拌就是利用电磁力搅拌正在凝固的液态金属，从而控制凝固过程，改善内部与表面质量 研究表明，电磁搅拌后，铸件组织细化、气体与夹杂物减少，使夹杂物分布均匀，减少皮下气孔，减少缩松和成分偏析，提高内部质量，等轴晶增多，柱状晶减少 电磁搅拌与连铸技术密不可分，作用越来越大 按感应形式分：直流传导式、交流感应式、永磁式 按磁场形态分：恒定磁场型、旋转磁场型、行波磁场型、螺旋磁场型 按电源相数分：两相电源、三相电源 按安装位置分：结晶器电磁搅拌装置、二冷段电磁搅拌装置、凝固末端电磁搅拌装置4.3.3 电磁搅拌力产生原理和计算 产生原理：旋转磁场在液态金属中产生感生电流，感生电流受到旋转磁场的作用产生力，距离中心不同处力的大小不同（半径越大力越大），再由于液态金属的黏性，产生了旋转运动 简单情况下，电磁力电流磁场强度 实际连铸机上的电磁力计算如下：注：本式适用于搅拌器的级数为2的情况，B取一个周期内磁感强度的平均值 外加磁场在液态金属中产生感生涡流，感生涡流也产生磁场，与外加磁场相互作用，外加磁场被削弱 下式为透入深度计算公式，其中分别为电源频率，磁导率，电导率 对比电磁搅拌和机械搅拌，发现电磁搅拌对固液界面处的搅拌速度最大，对均匀凝固的影响最好。所以电磁搅拌比机械搅拌能更好的影响铸件组织和性能 此外，机械搅拌还会造成接触污染等不利影响 电磁搅拌造成铸坯横断面上温度场分布均匀 电磁搅拌引起钢水流动，流动时钢水不易凝固，经过长时间释放大量热量后，停止搅拌，低温的液态金属迅速凝固，来不及成长为粗大的柱状晶，等轴晶增多 漏钢：电磁搅拌促进钢水流动，加速了结晶器内外的传热，结晶器内钢水凝固过程中固液界面前沿的温度分布趋于一致，消除了初生坯壳在局部生长不均匀的现象，从而减少了漏钢事故发生 气孔夹杂：电磁搅拌下，钢水做旋转运动，密度小的气泡、夹杂物迅速向中心（周向速度慢）移动，脱离固液界面前沿，更能上浮去除，从而使铸坯中气孔和夹杂物减少 等轴晶率：电磁搅拌促进结晶器内外、上下的热交换，降低了铸坯断面的温度梯度，使固液界面的成分过冷变大，容易生成等轴晶。而且，电磁搅拌使热量大量散失，温度下降，但是由于液体流动不易凝固，停止搅拌后，液体迅速凝固，来不及成长为粗大的柱状晶，形成细小等轴晶。同时减少了中心偏析。 液面波动和卷渣：电磁搅拌强度太大时，会带来负面影响，导致液面波动和卷渣，故不可强度太大 经试验，对于结晶器内的电磁搅拌器，液面位置的搅拌强度为中心强度的1/10左右为宜 小铸锭凝固：在二冷段，如果不用电磁搅拌，由于某些区域凝固速度快钢液补充不及，容易造成“小铸锭凝固”现象 小铸锭凝固易造成铸坯内部缩孔、缩松等严重缺陷 等轴晶率：在二冷段，如果不用电磁搅拌，还是容易生成大量柱状晶，导致铸坯中心偏析 二冷段使用电磁搅拌，可冲断枝晶，使前沿温度梯度变小，成分过冷变大，凝固方式由逐层凝固变为体积凝固，容易生成等轴晶 V型缺陷、中心缩松：在二冷段末端使用电磁搅拌可以减少V型缺陷和中心缩松 对合金钢，一定要用二冷段末端电磁搅拌 白亮带偏析：在使用电磁搅拌的连铸中，铸坯可能出现一种不好的现象，白亮带。白亮带是铸坯断面上的一种宏观偏析，即白亮带区碳硫减少，白亮带区后面碳硫增多，导致钢材性能下降 形成机理：固液界面前沿的液体有规律的定向流动对于枝晶迎流侧和背流侧冲刷不同，迎流侧溶质易被带走，导致迎流侧比背流侧的成分过冷大，导致细小倾斜的柱状晶在迎流侧生长，形成白亮带 改善措施：适当降低搅拌强度，把单一定向搅拌调整为间断、变向搅拌 实践证明，熔铸铝时使用电磁搅拌装置可起到如下效果： 仅需20分钟即可使整炉铝溶液中的合金成分均匀 搅拌过程中不破坏表面氧化层、不开炉门，可减少吸氧，防止氧化损失质量，每年减少的烧损相当于一套电磁搅拌器 可使熔体上下部温度均匀，提高合金融化速度 可缩短熔炼时间，减少能耗20-30 非接触搅拌，不污染铝液 减轻劳动强度，改善工作条件 电磁搅拌器根据安装位置的不同，目的也不同： 安装在结晶器上，目的是去除皮下夹杂和气孔，坯壳凝固均匀 安装在二冷区，目的在于提高等轴晶率，改善偏析 安装在二冷区末端，目的在于消除缩孔缩松和内裂，改善偏析13