电磁铸造（电磁铸造）

简介

电磁铸造的基本技术方法是，在金属成形的过程中，在熔融金属中施加由交变电场产生的磁场。根据电磁感应原理，在感应线圈中通入交变电流，就会在放入线圈的导体中感应出频率相同的感应电流。由于涡电流和磁场的相互作用而产生洛伦兹力，该作用力在一个周期内的平均值指向熔体内部，即电磁压力，相当于有容器存在时器壁产生的向内压力。

所产生的电磁压力通过克服液态金属的静压力和表面张力而实现对熔融金属形状的控制。通过改变电磁场的具体布置和线圈电流就可以改变电磁压力对熔融金属的影响，达到改变被约束熔体形态的目的，从而铸造出不同形状的铸件。电磁能够使熔体被约束成形主要是依靠磁场在熔体表面产生的电磁压力和熔体本身的静压力之间的平衡，通过调节两者的相对大小及分布即可实现电磁约束成形。

电磁铸造的特点

电磁铸造法与传统的带有结晶器的铸造法(direct chill casting，DC)相比，具有以下主要特点：

(1)DC法的液体金属凝固靠结晶器壁的传热和二冷水区的冷却，而在EMC法中，金属液凝固主要在冷却水的激冷作用下进行；

(2)金属熔体在电磁场作用下进行结晶，液穴范围内的熔融金属将受到电磁场所固有的强制运动；

(3)由熔体下弯面到水冷带距离比传统的直接铸造法小得多；

(4)电磁铸造不存在金属铸模与铸锭外壳之间的直接接触；

(5)内部组织在强冷却及电磁搅拌条件下形成。由于电磁搅拌作用，EMC中的金属液穴较浅，凝固前沿较平直，糊状区宽度也较小，枝晶间距较小，化学成分均匀，铸锭宏观组织均为细小等轴晶，因而具有较好的压延性能。

鉴于以上特点，用电磁铸造法铸造的铝或铜合金，其表面质量、宏观组织、显微结构、偏析和机械性能均有明显的提高，铸成的锭子加工性能极好，成品收得率高，无需进行表面精整处理，轧制后不用切边或切边量大大减少，使综合成材率提高。

电磁铸造的优点

电磁铸造通过在金属材料成形过程中施加适当的电磁搅拌力，控制晶粒大小和元素的分布，从而改善材料的性能。与普通连铸法生产的铸锭相比，EMC法有以下优点：

(1)铸锭表面光滑，在压力加工前可以不铣面或少铣面。而DC法生产的铸锭表面不可避免地存在偏析瘤、冷隔和拉伤等缺陷，水冷铸模与金属间气隙的存在常使铸锭边部出现成分偏析和晶粒粗大等问题，轧制前必须进行铣面处理，铣面量软合金为5～10mm，硬合金为15～25mm。另外，DC法生产的铸锭由于热轧产生裂边问题，还必须进行切边加工。所以，EMC法使金属利用率提高，节省能源和减少工序。

(2)电磁铸造中液态金属是在电磁力的约束下水冷强迫凝固，电磁搅拌作用使铸锭的内部组织致密、均匀，消除了DC法铸锭表层附近出现的粗大晶粒带，材料的机械性能特别是压延性能大大提高，铸锭横截面的密度和硬度增加。

(3)铸造速度高，一般比DC法提高10%～30%，提高了生产效率。

(4)冷却水消耗量降低至50%～60%。

(5)无需弯曲铸锭，也不再需要铸锭与铸模间的润滑系统，减少了设备开支。

可以看出，电磁铸造是目前生产优质铝合金铸锭的较好方法。由于铝合金材料的性能在很大程度上取决于铸锭的质量，对于要求较高的材料，例如冲制易拉罐的3004合金板材、一些航天航空材料等，采用电磁铸造法生产的铸锭加工，其成材率和产品合格率都高于其他方法生产的铸锭。

板坯电磁铸造方法

对于长宽比例不同的板形铸坯进行电磁铸造时主要有两种方式：一种为水平铸造法；另一种为垂直铸造法。

水平电磁铸造法是利用水平的高频(HF)电磁场与由HF感应生成的涡电流相互作用，使金属液水平方向悬浮起来实现熔体成形；垂直电磁铸造法是使金属液垂直穿过由长宽比大的电磁感应线圈产生的HF电磁场，熔体成形通过来自感应线圈的垂直HF电磁场与感应的涡电流共同作用实现。静压力的影响受垂直移动的电磁场控制。

垂直电磁铸造法是目前采用较多的一种铸造方法。由于很难实现完全无模铸造，所以国外在电磁铸钢的试验中均采用类似冷坩埚的结构，即在感应线圈中放置一些铜板条，钢液与铜板条以点接触来实现铸造。在垂直电磁铸造中，由于可以分别对电磁力和液体金属悬浮进行分析，因此其不稳性是可控的，但此控制方法不适用于水平铸造。另外垂直连铸具有一个优点，其涡电流在铸坯内是闭合回路，从而减少了外部电流的电磁干扰。垂直铸造需要用到三种电磁场：①高频低幅磁场，用于约束液体金属；②低频移动磁场，能覆盖到金属熔体宽度方向的绝大部分，以便抵消液体金属静压力的作用；③高频移动磁场，可以提高悬浮力，用于补偿铸坯边部的重力。

水平电磁铸造法在液体金属下方有均匀分布的水平磁场，而上方则要求尽可能小的磁场。理论上设计了这样一个磁场，它是由交流线圈、磁铁轭和磁极组成的。这种磁铁通常又称为“窗框”或“白圈”磁铁，已广泛用于粒子加速器中。在磁铁的上部和下部线圈之间能产生出非常均匀的水平磁场。在线圈横断面方向上以及沿磁轭的反方向上，水平磁场强度呈线性下降。水平铸造的开发研究主要致力于以下方面：一是水平小型铸机的磁铁设计；二是设计并制造出用于该方法的试验性磁铁。