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高频磁场电磁净化模拟

来源期刊:中国有色金属学报2005年第7期

论文作者:郭庆涛 金俊泽 李廷举

文章页码:1112 - 1117

关键词:电磁力; 电磁净化; 非金属夹杂物

Key words:electromagnetic force; electromagnetic purification; nonmetallic inclusions

摘    要:为了更准确地分析高频交变电磁场对金属熔体中的非金属夹杂物的去除效果, 分别利用硅含量为18%、 12.6%和10% 3种铝硅合金所生成的尺寸为100、 50和10 μm的硅块来模拟非金属夹杂物以进行电磁净化实验研究。 实验证明: 生成的硅块可以更好地模拟金属液中单个的非金属夹杂物; 施加电磁场后发现, 电磁挤压力对单个尺寸在100和50 μm的非金属夹杂物的去除效果明显, 同时也可以去除10 μm左右的非金属夹杂物。

Abstract: To accurately analyze the eliminative effect of high frequency electromagnetic field on the nonmetallic inclusions in liquid metal, the electromagnetic eliminating experiments were made with 100, 50 and 10 μm primary Si produced by Al-Si alloys with Si content of 18%, 12.6% and 10% respectively, and was used to simulate the nonmetallic inclusions. The results show that the produced primary Si are more suitable to substitute the single nonmetallic inclusions in the molten alloys. Primary Si with size of 100, 50 μm can be wiped off evidently under electromagnetic force, similarly primary Si with size of 10 μm can also be eliminated.



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文章编号: 1004-0609(2005)07-1112-06

高频磁场电磁净化模拟

郭庆涛, 金俊泽, 李廷举

(大连理工大学 材料科学与工程系, 大连 116023)

摘要: 为了更准确地分析高频交变电磁场对金属熔体中的非金属夹杂物的去除效果, 分别利用硅含量为18%、 12.6%和10% 3种铝硅合金所生成的尺寸为100、 50和10μm的硅块来模拟非金属夹杂物以进行电磁净化实验研究。 实验证明: 生成的硅块可以更好地模拟金属液中单个的非金属夹杂物; 施加电磁场后发现, 电磁挤压力对单个尺寸在100和50μm的非金属夹杂物的去除效果明显, 同时也可以去除10μm左右的非金属夹杂物。

关键词: 电磁力; 电磁净化; 非金属夹杂物 中图分类号: TF111.18

文献标识码: A

Simulation of electromagnetic purification by using high frequency magnetic field

GUO Qing-tao, JIN Jun-ze, LI Ting-ju

(Department of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Abstract: To accurately analyze the eliminative effect of high frequency electromagnetic field on the nonmetallic inclusions in liquid metal, the electromagnetic eliminating experiments were made with 100, 50 and 10μm primary Si produced by Al-Si alloys with Si content of 18%, 12.6% and 10% respectively, and was used to simulate the nonmetallic inclusions. The results show that the produced primary Si are more suitable to substitute the single nonmetallic inclusions in the molten alloys. Primary Si with size of 100, 50μm can be wiped off evidently under electromagnetic force, similarly primary Si with size of 10μm can also be eliminated.

Key words: electromagnetic force; electromagnetic purification; nonmetallic inclusions

金属电磁净化技术是利用金属与非金属的导电性差异分离液态金属中非金属杂质的技术。 金属和非金属在磁场中受到的电磁力大小不同, 因而会产生相对的运动, 达到一定条件, 即可实现分离[1, 2] 。 目前常用的电磁分离方案有: 直流电场正交稳恒磁场[3, 4]、 交流电场[5]、 交变磁场[6, 7]、 行波磁场[8, 9]和高频磁场[10-13]等。 在这些电磁分离技术方案中, 高频交变磁场以其操作的简便性, 得到了更广泛的关注。 El-Kaddah等[14]最早提出利用外加高频交变磁场净化Al熔体的工艺, 并于1988年申请了专利。 Yamao等[7]从理论上论证了利用高频线圈感生磁场进行电磁分离的可操作性, 随后众多的科研工作者进行了探索性实验[10-13, 15]。 但是目前普遍的电磁净化实验研究是在纯金属或合金中加入不熔性氧化物颗粒来模拟非金属夹杂物, 其缺点是: 当氧化物颗粒较少时实验现象不明显, 而氧化物颗粒过多则容易发生团聚现象, 很难准确验证电磁挤压力对不同尺寸颗粒的影响。 为了克服以上缺点, 本文作者进行了两个方面的研究: 1) 采用了铝硅合金中自生的硅块模拟非金属夹杂物以更加准确的再现实际情况; 2) 研究了交变电磁场对小尺寸的硅块去除情况。

1电磁分离原理

如图1所示, 线圈中通入高频交变电流后, 在金属内部产生一个与线圈电流频率一致、 方向相反的感生电流(J), 感生电流(J)与磁场相互作用产生指向金属中心的电磁体积力, 即

F=J×B(1)

式中F为电磁体积力, N/m3; J为感应电流, A; B为磁感应强度, T。

熔融状态金属的导电率远大于非金属夹杂物的导电率, 因而, 液态金属受到较大的指向金属内部的电磁力, 而非金属夹杂物相对受到了一个与电磁力方向相反的电磁挤压力的作用。 在电磁挤压力的作用下, 非金属夹杂物逐渐运动到金属熔体的表面, 进而可以去除, 即施加高频交变磁场电磁净化的基本原理。

图1  高频磁场电磁净化原理图

Fig.1  Principle diagram of electromagnetic purification with high frequency magnetic field

在流动速度很小的假设条件下, 电磁场在电导率不同的夹杂物中产生的电磁力合力, 由Leenov和Kolin[1]计算为

式中 Fp为电磁挤压力; σl, σp分别为熔体和夹杂物的电导率; dp为夹杂物粒子直径。 对于许多非金属夹杂物, 导电率趋近于零, 因此式(2)变为

由式(3)可以看出: 作用在夹杂物上的电磁挤压力与电磁力方向相反; 电磁挤压力与熔体的动力粘度无关; 非金属夹杂物的直径对电磁净化效果有显著的影响, 颗粒直径越小, 所受电磁挤压力越小, 越难从熔融金属中去除。

在本实验中, 忽略重力对非金属夹杂物运动的影响, 根据电磁挤压力与Stokes粘滞力的平衡, 可以确定颗粒的最终分离速度为[11]:

式中η为熔体的运动粘度。

2实验与结果

电磁净化实验装置示意图如图2所示, 其中电磁场由IGBT中频电源柜控制。 施加电磁场时, 电源柜的输出电压为160V, 功率为6kW, 频率为20kHz。 线圈中心处磁感应强度由CT3-A型特斯拉计测定可以达到0.2T。 实验用线圈及陶瓷管具体尺寸如图所示。 实验所用原材料为纯度为99.7%的国产工业纯铝和纯度为99.9%的工业用硅。 铝硅合金在SG2-5-12坩埚电阻炉中配制。 为了生成不同尺寸的硅块, 实验中共配置了含硅量为18%、 12.6%和10%的3种铝硅合金, 在不同的凝固条件[CM(22]下, 分别生成了尺寸为100、 50和10μm的硅块,[CM)]

图2  电磁净化实验装置示意图

Fig.2  Sketch of experimental apparatus  for electromagnetic purification (mm)

并进行了电磁净化实验。 实验中, 假设试样所处位置的电磁场分布均匀; 由于陶瓷管内径较小, 故忽略流动对电磁净化效果的影响。

2.1100μm硅颗粒的制备及电磁净化实验

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