電磁鑄造概論

1、電磁鑄造概論摘要 電磁鑄造(簡(jiǎn)稱EMC)是利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)的無模型連續(xù)鑄造技術(shù)。該技術(shù)由于其高純?nèi)刍c無污染成型的鑄造特點(diǎn),為在實(shí)際生產(chǎn)中獲得表面光潔、力學(xué)性能優(yōu)異的部件提供了可行的技術(shù)途徑。本文對(duì)電磁鑄造的特點(diǎn)、基本原理、溫度場(chǎng)分析、發(fā)展及其應(yīng)用等方面進(jìn)行綜合概述。關(guān)鍵詞 電磁鑄造；電磁場(chǎng)；溫度場(chǎng)；應(yīng)用Introduction to Electromagnetic CastingAbstract Electromagnetic casting (EMC) is the use of electromagnetic induction principle, no model of cont

2、inuous casting technology. The technology because of its high purity melting and casting characteristics of non-pollution molding, as in the actual production with excellent mechanical properties, bright and clean parts provides a feasible technical way. In this paper, the characteristics, basic pri

3、nciple of electromagnetic casting, temperature field analysis, development and application of comprehensive overview. Key words Electromagnetic casting; The electromagnetic field; Temperature field; Application1. 電磁鑄造的概念及特點(diǎn)1.1電磁鑄造的概念電磁鑄造是借助于電磁力克服金屬液的靜壓實(shí)現(xiàn)無接觸鑄造的方法，簡(jiǎn)稱EMC。1.2電磁鑄造的特點(diǎn) 與傳統(tǒng)鑄造方法（DC）相比電磁鑄造具有以

4、下優(yōu)點(diǎn):1) 鑄件表面光滑,粗糙度Ra為0.8-1.6,沒有模鑄生產(chǎn)所固有的缺陷,不需要進(jìn)行去皮加工,金屬收得率高(模鑄中切除量達(dá)15%-20%)；2) 鑄件內(nèi)部組織均勻,晶粒細(xì)??；3) 冷卻水利用率高,無須使用潤(rùn)滑油,改善工作條件；4) 鑄速可增加20%-30%,提高生產(chǎn)率1。2. 電磁鑄造的基本原理2.1電磁鑄造的基本原理電磁鑄造采用感應(yīng)線圈代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)晶器,靠電磁壓力和金屬熔體表面張力使金屬熔體在自由表面狀態(tài)下凝固,其基本原理如圖1所示:當(dāng)感應(yīng)線圈中通交變電流J0時(shí),感應(yīng)線圈周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H,由電磁場(chǎng)理論可知,處于交變磁場(chǎng)中的金屬液將產(chǎn)生與感應(yīng)線圈中電流方向相反的交變感應(yīng)電流J,感應(yīng)電流

5、與交變磁場(chǎng)相互作用在產(chǎn)生向內(nèi)的電磁力F=JxB壓迫下液體金屬成形。為使液柱側(cè)面保持垂直,磁壓力在液柱高度方向的分布必須與液柱靜壓力的分布一致,如圖b所示,即滿足Pm+Ps=gh,式中,Pm為磁壓力,Ps為表面張力壓力,為熔體密度,g為重力加速度,h為液柱高度。為達(dá)此目的,在液柱上方設(shè)置一屏蔽罩,它同時(shí)起抑制熔體流動(dòng)以穩(wěn)定液柱的作用。冷卻水在感應(yīng)器下部噴向鑄錠使液體金屬凝固,鑄機(jī)拖動(dòng)底模向下運(yùn)動(dòng),形成連鑄過程2。圖1電磁鑄造原理圖由上可知,電磁鑄造技術(shù)徹底擺脫了傳統(tǒng)的鑄造概念,液體金屬不與鑄模接觸,完全在電磁成形系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁力下成形,并且在保持自由表面的狀態(tài)下凝固,其表面接近鏡面,又由于它受到

6、較強(qiáng)磁場(chǎng)的電磁攪拌作用,金屬內(nèi)部組織得到改善,因此可獲得優(yōu)異的鑄錠性能,實(shí)現(xiàn)了真正的無模鑄造。2.2電磁鑄造中的溫度場(chǎng)分析為確定電磁鑄造過程的各項(xiàng)工藝參數(shù),保證鑄錠的質(zhì)量,溫度場(chǎng)的分析是十分必要的。電磁鑄造過程中的溫度場(chǎng)與普通連鑄法相比有其特殊性,主要為:1）液態(tài)金屬由電磁力加以約束,無模壁與之接觸,因此不存在由模壁向外傳熱的過程；2）液相區(qū)存在著強(qiáng)烈的電磁攪拌作用,使得液相區(qū)內(nèi)溫差減少。液相區(qū)內(nèi)溫度變化很小,幾乎看不出有過熱度,液穴形狀明顯比DC法平坦。這主要是由于強(qiáng)烈的電磁攪拌作用使液相區(qū)內(nèi)溫度趨于一致,凝固界面拉平。此外,由于電磁感應(yīng)的邊部加熱作用,促進(jìn)邊部的固液界面下移。還有冷卻水直接

7、噴在鑄錠上,形成強(qiáng)烈的軸向冷卻,造成近似定向凝固的傳熱方式,使液穴變平；3）受強(qiáng)電磁場(chǎng)作用,液柱以及鑄錠的表面層受到強(qiáng)烈的感應(yīng)加熱作用,在外部冷卻條件較差的情況下,這一加熱作用甚至可使鑄錠升溫；4）冷卻水直接噴在鑄錠表面上,具有很高的冷卻強(qiáng)度；5）存在對(duì)EMC過程影響很大的非穩(wěn)態(tài)過渡區(qū),即溫度場(chǎng)是運(yùn)動(dòng)的。可以看出由于感應(yīng)加熱、電磁攪拌、強(qiáng)烈水冷、有一定鑄速等特點(diǎn)的存在且它們之間又相互影響,從而使得EMC的傳熱過程非常復(fù)雜3。2.3電磁鑄造材料的宏觀組織形成機(jī)理 電磁鑄造材料的宏觀組織一般為均勻、細(xì)小的等軸晶組織4。2.3.1等軸晶組織的形成機(jī)理 一般從熱力學(xué)角度解釋為枝晶機(jī)械斷裂或熔斷轉(zhuǎn)變?yōu)樾?/p>

8、的晶核,在過冷度較大的情況下,晶核不易長(zhǎng)大而生長(zhǎng)為細(xì)小的等軸晶。常規(guī)鑄造過程可看做是相對(duì)靜止的,而EMC鑄造過程由于磁場(chǎng)的作用一直處于強(qiáng)烈的對(duì)流傳熱傳質(zhì)過程,溫度場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)、流速場(chǎng)無時(shí)不在變化,因此說EMC過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。在這種情況下,沒有哪一個(gè)方向更占優(yōu)勢(shì),因此也就決定了晶粒不會(huì)在某一方向上優(yōu)先生長(zhǎng),整體趨于各向同性,最終形成等軸晶。2.3.2柱狀晶形成的可能金屬熔體凝固、晶粒長(zhǎng)大方式,是EMC凝固過程中的一種趨勢(shì)。然而,由于合金成分或某方面工藝因素的變化,會(huì)對(duì)凝固組織的形成產(chǎn)生一定的影響。除形成等軸晶組織之外,如強(qiáng)化某一特殊工藝因素（在感應(yīng)圈中通入高頻電流、增大液柱高度、降低液-固界面

9、在反應(yīng)圈中的位置,）還有可能形成柱狀晶5。3. 電磁鑄造工藝及設(shè)備3.1電磁鑄造的工藝電磁鑄造工藝過程如下:1）調(diào)整電磁感應(yīng)器、屏蔽罩、冷卻水套和底模等的水平和相對(duì)位置；2）將底模升入感應(yīng)器中,使其頂面位于磁場(chǎng)強(qiáng)度最大位置；3）通入冷卻水,啟動(dòng)中頻電源,調(diào)整功率、頻率和感應(yīng)器電流等至規(guī)定值；4）澆注液體金屬于底模中,當(dāng)形成的半懸浮液柱接近規(guī)定的高度時(shí)放入浮漂漏斗；5）噴水冷卻,啟動(dòng)拉坯系統(tǒng),使鑄速按一定模式逐漸過渡到正常值；6）當(dāng)鑄造過程進(jìn)入穩(wěn)定階段后,鑄造速度基本恒定,嚴(yán)格控制流槽中的液位,保持靜壓頭和液位恒定,直至鑄造過程完畢3。3.2電磁鑄造設(shè)備 電磁鑄造可分為立式電磁鑄造和水平電磁鑄造

10、。立式電磁鑄造又可分為上拉式即與下引式。目前國(guó)外投入大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的電磁鑄造屬于下引式。它主要由中頻電源、結(jié)晶器、底模、鑄機(jī)、熔鋁爐等組成。此處將以下引式電磁鑄造設(shè)備為例進(jìn)行介紹6。3.2.1結(jié)晶器電磁鑄造結(jié)晶器由感應(yīng)線圈、屏蔽罩和冷卻水系統(tǒng)組成,如圖2所示。結(jié)晶器形狀決定了所鑄鑄件的形狀,如圓錠、扁錠、薄板、棒材等。圖2 電磁鑄造裝置示意圖1感應(yīng)器；2屏蔽罩；3鑄錠；4底座；5流槽；6冷卻水套1）感應(yīng)線圈 電磁鑄造用感應(yīng)線圈為單匝線圈。目前工業(yè)生產(chǎn)采用的感應(yīng)器分為“Russia”直邊式與“Kaiser”斜邊式兩種,如圖3所示。其中，“Russia”直邊感應(yīng)器在液柱上部產(chǎn)生的磁場(chǎng)較強(qiáng),使得液柱

11、成為“山”形,故需引入屏蔽罩。“Kaiser”斜邊感應(yīng)器在上部被截去一部分,主要是為了減弱上部磁場(chǎng),起到屏蔽罩的作用。 圖3 電磁鑄造所采用的兩種電磁感應(yīng)器結(jié)構(gòu)感應(yīng)線圈一般由紫銅制作,有時(shí)為了得到合適的磁場(chǎng)分布,將線圈加工成與水平方向成某一角度,即感應(yīng)器上部的直徑大于下部直徑。感應(yīng)器的中部通常在鑄坯周邊凝固線附近。此時(shí)感應(yīng)線圈能向凝固線處的液態(tài)金屬提供最大的推力。凝固線偏上時(shí),易產(chǎn)生冷隔,偏下時(shí),易產(chǎn)生偏件瘤。除上述兩種結(jié)晶器外,瑞士Haller還設(shè)計(jì)了一種尺寸可調(diào)的結(jié)晶器。它具有可移動(dòng)的端面模壁,在側(cè)壁和端壁之間有1.58-12.7mm的小間隙便于移動(dòng)端壁。用它可生產(chǎn)多種尺寸的鑄錠,在扁錠的

12、鑄造中,為使鑄錠角部曲率半徑盡量小,感應(yīng)器角部被加工成凸形。有時(shí)為了得到所需的磁場(chǎng)分布還采用組合感應(yīng)線圈。感應(yīng)線圈的各個(gè)部分或不同線圈可通以位相或頻率不同的電流。2）屏蔽罩 使用“Russia”式結(jié)晶器需引入屏蔽罩。屏蔽罩的基本作用是使電磁推力與金屬液的靜壓力由下向上逐點(diǎn)保持平衡,并使液穴內(nèi)的流動(dòng)不至于過分劇烈,以免造成液面動(dòng)影響鑄錠質(zhì)量。屏蔽罩橫截面一般是從下向上逐漸增大。屏蔽罩下口的錐度由鑄錠的逆向?qū)峋嚯x和線圈結(jié)構(gòu)及所鑄合金性質(zhì)決定。屏蔽罩材料的選擇必須考慮以下兩個(gè)方面:a.屏蔽罩要起到減弱磁場(chǎng)的作用,但又不能完全消除磁場(chǎng)。b.盡量減少整個(gè)系統(tǒng)的能量消耗,即屏蔽罩材料的電阻要盡量小。在中

13、頻條件下(1-10kHz),銅和鋁的穿透深度均為0.2-2mm。用銅和鋁作屏蔽罩將基本消除磁場(chǎng)。不銹鋼的穿透深度為4-13mm,因此一般地選為屏蔽罩材料。但由于電阻較大,其消耗的能量約占整個(gè)系統(tǒng)能量消耗的10-30%。為了節(jié)能,有人提出可在銅質(zhì)或鋁質(zhì)屏蔽罩中通以與感應(yīng)器中電流反相的中頻電流,或設(shè)法增大系統(tǒng)的阻抗使屏蔽體中感應(yīng)電流減小,有時(shí)屏蔽罩還可以作為冷卻水套的一部分。3）冷卻水套 冷卻水套必須使冷卻水均勻、合理地噴射到鑄錠的表面。一方面提供一定的流量,另一方面要使冷卻水保持一定的角度和流動(dòng)形態(tài)。對(duì)于矩形扁錠,由于窄邊與角部冷卻較快,因此噴水孔較稀,這樣可使整個(gè)鑄錠斷面冷卻均勻。冷卻水套的設(shè)

14、計(jì)比較靈活,既可單排冷卻水,也可多排冷卻水；有直噴,也有帶角度的；有組裝的,也有分離的，視具體情況而定。冷卻水的強(qiáng)度及見水點(diǎn)決定著凝固帶的位置,決定著逆流導(dǎo)熱距離。見水點(diǎn)上移,冷卻強(qiáng)度增加,凝固線下降；見水點(diǎn)下移,冷卻強(qiáng)度減少,凝固線上升。冷卻強(qiáng)度必須與鑄造速度相匹配。冷卻強(qiáng)度隨鑄速增加而增加。冷卻強(qiáng)度太小,有可能拉漏；冷卻強(qiáng)度太大,液柱高度變小,容易產(chǎn)生縱向波浪等缺陷。由于冷卻水直接噴到鑄錠表面,這種強(qiáng)烈的冷卻有時(shí)將導(dǎo)致鑄錠產(chǎn)生裂紋。為降低生成裂紋的趨勢(shì),需提高鑄件已凝固部分的溫度,提高鑄件的溫度通常有以下方法:CO2法、脈沖式冷卻法和“刮水器”法,刮水器法就是在著水點(diǎn)下方某一距離處增設(shè)橡皮

15、擋水板阻止冷卻水直接噴到鑄錠上,利用余熱起到熱處理作用,消除應(yīng)力。綜上所述：結(jié)晶器的設(shè)計(jì)要基本滿足以下三個(gè)條件:1）保證電磁推力與一定高度的金屬液的靜壓力處處平衡。2）使液穴內(nèi)的流動(dòng)不至于過分劇烈。3）冷卻水均勻合理地分布。3.2.2底模底模的結(jié)構(gòu)對(duì)鑄造起動(dòng)以及鑄錠質(zhì)量均起著重要作用。鑄造開始時(shí),鑄錠下面與底模接觸處的凝固層較薄,而周邊的凝固層變厚,并由于周邊的凝固及冷卻作用,使鑄錠下面薄凝固層發(fā)生彎曲變形,從而與底模的接觸面減少,嚴(yán)重時(shí)容易拉漏。若周邊收縮不均勻,將引起鑄錠的中垂線偏離垂直方向,引起鑄錠的搖晃,金屬液就有可能從側(cè)面溢出。且鑄錠下部在鑄造開始時(shí)就產(chǎn)生彎曲,噴射于鑄件表面的冷卻水

16、將流入底模和鑄錠間的空隙內(nèi),冷卻水在此汽化,加劇鑄錠的搖晃。為使鑄造正常進(jìn)行,需要對(duì)底模進(jìn)行以下改進(jìn):a.選擇導(dǎo)熱性能較好的材料制作底模。這樣當(dāng)冷卻水直接噴到鑄錠上時(shí),不致引起冷卻速率的較大變化,有利于鑄造過程穩(wěn)定。b.為防止鑄錠底部翹曲,底模的形狀要做成“凹膛”式結(jié)構(gòu),并開有扁形溝槽與排氣孔。鑄造時(shí)底模上還可放置金屬墊片或純鋁墊底。底模結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要盡量消除彎曲變形,拉速,尤其是起動(dòng)段的拉速要與設(shè)定值擬合。鑄造溫度、電流、頻率、功率、液位、水壓等工藝參數(shù)要穩(wěn)定在工藝給定值。4. 電磁鑄造的發(fā)展及應(yīng)用4.1 電磁鑄造的發(fā)展4.1.1國(guó)外電磁鑄造的發(fā)展1960年年中蘇聯(lián)Getselev發(fā)明了電磁鑄

17、造法(EMC)。1966年用EMC制得了第一個(gè)鑄錠,1969年在工業(yè)上鑄造了直徑為200-500毫米的鑄錠。后來,由于它也適于鑄造方錠,實(shí)際上用于鑄造300x（1250-1550）mm2的鑄錠，在捷克斯洛伐克、匈牙利、東德等東歐各國(guó)進(jìn)行了普及。在西方各國(guó),1973年美國(guó)Kaiser公司引進(jìn)了專利，同年Alusuisse公司也引進(jìn)了該技術(shù),此外,Alcoa、Reynolds、Pechiney等公司的大型鋁廠也都在同時(shí)期引進(jìn)了該技術(shù)。日本的三菱化成公司在1972年10月也引進(jìn)了該技術(shù)。從蘇聯(lián)引進(jìn)的EMC技術(shù),單塊鑄造技術(shù)是基本的,距離西歐各國(guó)對(duì)多塊鑄造技術(shù)或大斷面鑄錠連續(xù)鑄造技術(shù)的要求相差很遠(yuǎn),引

18、進(jìn)之后,各公司還必須發(fā)展這種技術(shù)。Alusuisse公司1975年在美國(guó)的分公司Comalco開始裝備了實(shí)用的成套設(shè)備,投產(chǎn)了鑄錠尺寸為500x1300mm2的4塊連續(xù)鑄造設(shè)備。Kaiser公司1981年完成了500x1300mm2的5塊連續(xù)鑄造設(shè)備?，F(xiàn)在,在引進(jìn)EMC技術(shù)過程中,達(dá)到工業(yè)實(shí)用化的只有Kaiser及Alusuisse二個(gè)公司,它們都是在引進(jìn)基本技術(shù)后經(jīng)過數(shù)年才達(dá)到實(shí)用化。在EMC實(shí)用化方面不可缺少的是電算機(jī)控制的鑄造自動(dòng)化。目前,EMC可以說是變成了技術(shù)水平高的鑄造方法7。 4.1.2國(guó)內(nèi)電磁鑄造的發(fā)展 我國(guó)的電磁鑄造技術(shù)研究起步也較早,70年代中期,東北輕合金加工廠就開始這方

19、面的研究,并于1982年試制出鋁合金圓錠。但因缺乏基礎(chǔ)理論和配套設(shè)備的系統(tǒng)研究,工藝操作難度較大,沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,致使這一技術(shù)實(shí)際上被擱置起來,未能在生產(chǎn)中發(fā)揮應(yīng)有作用。“七五”期間,中國(guó)有色金屬工業(yè)總公司主持將鋁合金方錠的電磁鑄造方法列入國(guó)家攻關(guān)計(jì)劃,組織大連理工大學(xué)、西南鋁加工廠、北方工業(yè)大學(xué)、東北輕合金加工廠共同進(jìn)行開發(fā)研究,并取得了一系列成果。近年來,大連理工大學(xué)電磁鑄造實(shí)驗(yàn)室在國(guó)家自然科學(xué)基金和遼寧省科技基金的支持下,建立了電磁鑄造中試基地,進(jìn)行了鋁合金電磁鑄造的中試實(shí)驗(yàn)；優(yōu)化設(shè)計(jì)出電磁感應(yīng)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu),確定了成型控制參數(shù)；鑄造出多種優(yōu)質(zhì)鋁合金鑄錠,并對(duì)EMC溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)

20、與數(shù)值模擬的研究。4.2電磁鑄造的應(yīng)用EMC技術(shù)自20世紀(jì)60年代問世以來,倍受關(guān)注并獲得迅速發(fā)展。除開發(fā)了水平的、立式的不同方向的EMC技術(shù)外,還研究了不同金屬及其合金電磁鑄造的可能性,鋁、銅、鋼、鎂、鋅、鉍等都成為電磁鑄造的實(shí)驗(yàn)和研究對(duì)象。目前,鋁及其合金的電磁鑄造已大規(guī)模投人工業(yè)性生產(chǎn),銅、鋼的電磁鑄造也正成為人們研究的熱點(diǎn)。日本已有鋼的電磁鑄造用于工業(yè)性試生產(chǎn)的報(bào)道。至于EMC的研究方法、手段也不斷更新、現(xiàn)代化,尤其是高速、大容量計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為高精度、高效率的數(shù)值計(jì)算提供了可行條件,也為解決各種場(chǎng)的藕合問題奠定了基礎(chǔ)。5.電磁鑄造技術(shù)的研究方向及新進(jìn)展5.1電磁鑄造技術(shù)的研究方向電磁鑄

21、造技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)，僅僅30多年的時(shí)間，但在工藝、設(shè)備等諸方面都取得了新的進(jìn)展和突破，主要研究方向集中在以下幾個(gè)方面:1) 多流化、盒形化；2) 可調(diào)節(jié)的電磁模和無接觸液位檢測(cè)；3) 異型鑄坯；4) 不同材料的開發(fā)應(yīng)用8。5.2電磁鑄造技術(shù)的新進(jìn)展5.2.1鑄造各種形狀的鑄錠 美國(guó)Olin公司發(fā)明了一種生產(chǎn)透平機(jī)葉片的電磁鑄造法，其結(jié)晶器可由一齒輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn),感應(yīng)線圈做成透平機(jī)葉片的截面形狀。在電磁鑄造過程中,調(diào)節(jié)外加電流的大小可以改變鑄錠的截尺寸,齒輪緩緩轉(zhuǎn)動(dòng),使拉出的鑄錠成為螺旋狀。此外,還有生產(chǎn)管棒材,薄板的電磁鑄造技術(shù)報(bào)到。圖4為美國(guó)GE公司開發(fā)出的一種專門用于生產(chǎn)管棒材的GELC法原理圖

22、。該裝置巧妙地利用行波磁場(chǎng)向上的推力抵消重力,環(huán)形線圈向軸線方向的擠壓力使液態(tài)金屬脫離結(jié)晶器壁后凝固,工藝過程穩(wěn)定且便于調(diào)整9。圖4 CELE裝置示意圖5.2.2不同材料的電磁鑄造電磁鑄造應(yīng)用于鋁及鋁合金已經(jīng)很普遍了，最近幾年它的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，如硅、鍺、鎂等棒材及鋁合金的管材。美國(guó)Olin公司開發(fā)銅和銅合金的電磁鑄造技術(shù)，并成功地將其應(yīng)用于大截面銅坯和薄銅帶的生產(chǎn)中。目前，最引人注目的是鋼的電磁鑄造的開發(fā)和應(yīng)用。鋼的產(chǎn)量巨大,如果實(shí)現(xiàn)無模電磁鑄造將大大改善鋼坯的表面質(zhì)量,消除軋制中產(chǎn)生的各種缺陷,顯著提高組織和機(jī)械性能又由于無模取消了復(fù)雜的潤(rùn)滑和振動(dòng)系統(tǒng)以及檢測(cè)、控制系統(tǒng),可大大簡(jiǎn)化工藝及

23、裝備,降低勞動(dòng)強(qiáng)度。因此,實(shí)現(xiàn)鋼的電磁鑄造意義重大。但是,鋼的電磁鑄造受以下因素的困擾:1)鋼的密度大,約是鋁的三倍,若要形成與鋁相同高度的液柱,磁感應(yīng)強(qiáng)度則需鋁的1.7倍。表1列出了幾種合金電磁鑄造的特性參數(shù)。2)鋼的電導(dǎo)率低,僅為鋁的1/6,而且趨膚深度大,在相同電源參數(shù)下鋼表面形成的感應(yīng)電流密度小,電磁推力也小。表1 電磁鑄造在鋁、銅及鋼中應(yīng)用比較（頻率3000HZ，液體金屬高度5cm）綜合上述因素,可推知鋼電磁鑄造應(yīng)滿足的電流條件為20000A。俄羅斯學(xué)者用250KW的電源制造出直徑為300mm的圓鋼坯,能耗接近于鋁合金的10倍,這在實(shí)際生產(chǎn)中是無法接受的。3)鋼的熔點(diǎn)高,難于凝固。因

24、此,目前尚無實(shí)用的鋼電磁鑄造技術(shù)獲得成功，此外,用電磁鑄造法生產(chǎn)鋼坯在經(jīng)濟(jì)上的合理性,還缺乏充分的論證10。圖5 鋼電磁鑄造示意圖5.2.3水平電磁鑄造技術(shù)淺井滋生首先開發(fā)了靜磁場(chǎng)中通以直流電的水平電磁鑄造裝置如圖6所示圖6 直流水平電磁鑄造裝置原理圖隨后日本住友公司和美國(guó)能源部,先后也申報(bào)了水平電磁鑄造薄板的專利。其中美國(guó)能源部的專利對(duì)設(shè)備說明相當(dāng)詳細(xì)，其原理如圖7所示。被鑄金屬位于鐵芯中間,在上線圈與被鑄金屬之間放有一金屬導(dǎo)板。導(dǎo)板一邊與液態(tài)金屬熔池連接,另一邊通過引導(dǎo)輥與被鑄金屬連接,形成導(dǎo)電閉合回路。在上下兩個(gè)線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)作用下,閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流。受磁場(chǎng)作用,導(dǎo)板受壓力向下

25、,被鑄金屬受浮力向上。由于上層導(dǎo)板被固定,所以下層被鑄金屬受浮力懸浮。冷卻劑從上下兩面噴出使金屬在懸浮段凝固,引導(dǎo)輥引導(dǎo)被鑄金屬板運(yùn)動(dòng)形成連鑄過程。當(dāng)被鑄金屬受干擾向下偏離時(shí),閉合回路面積加大,感應(yīng)電流增加而使浮力增加,使被鑄金屬回到原位。反之亦然。因此這一裝置具有自動(dòng)穩(wěn)定的功能。兩側(cè)兩個(gè)小凸緣可使磁路形成小閉環(huán),產(chǎn)生側(cè)面向內(nèi)的壓力10。圖7 交流水平電磁鑄造原理5.2.4鋁合金薄板的電磁鑄造電磁鑄造主要用于鋁合金圓錠和厚大扁錠的生產(chǎn),其產(chǎn)品需經(jīng)過二十多個(gè)道次的熱軋和冷軋制成不同規(guī)格的板、帶和箔材。電磁鑄造對(duì)鑄錠組織和性能的改善主要在表層30-40mm范圍內(nèi),而內(nèi)部與DC法生產(chǎn)的鑄坯相差不大。Evans在闡述電磁鑄造技術(shù)時(shí),認(rèn)為用電磁鑄造法直接制取厚10mm以下的鋁薄板,以便省去熱軋而直接冷軋,從而可大大降低設(shè)備投資和能耗,減少工序。所以,鋁薄板電磁鑄造技術(shù)的研究具有重要意義,因而己成為當(dāng)前電磁鑄造的研究熱點(diǎn)之一。Cook等首先用有限元法計(jì)算了電磁鑄造鋁薄板時(shí)液一固界面的