姚祥
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摘要：在我国现代化建设不断发展的过程中，电磁技术在工程与金属材料制造领域的应用越来越广泛，本文对电磁技术的内涵进行了详细的介绍，对强磁场、电磁悬浮、电磁感应加热、电磁净化、电磁制动、电磁铸造、电磁搅拌等技术的发展现状进行了阐述与分析，希望可以起到参考作用。
关键词：数值模拟；材料科学；电磁技术
电磁技术是一项覆盖面大、应用广泛的重要技术，电磁作用一种重要资源广泛存在于自然界。在我国科学技术不断发展的大背景下，电磁技术与其他学科之间的联系越来越紧密，该技术目前已经应用于国防、生物、农业、医学、机械、环保以及节能等领域。传统电磁学包含边缘磁学、应用磁学、材料磁学、基础磁学等分支。将电磁与工程与材料领域结合起来，能够对材料工作的研究方向与材料的性能与组织起到改善作用。在新型材料领域，电磁技术的应用相对比较晚，但是发展势头良好，投入于产生应用的场景比较多，目前已经成为应用灵活广泛、工艺手段多样、多学科交融的研究领域。
一、电磁技术在材料中的应用形式
根据电磁场使用形式与生成方式的差异，可以将电磁场在工程与材料学中的应用分为强磁场技术、电磁悬浮技术、电磁感应加热技术、电磁净化技术、电磁制动技术以及电磁搅拌技术等。
1.1电磁搅拌
电磁搅拌指的是通过电磁感应所生成的作用力来促使液态金属以人类的意愿进行运动。在交流感应方面，这方面的原理可以参考异步电机，由多相线圈绕组而产生旋转磁场或行波磁场，由于液态金属自身具有比较强的导电性，磁场与感应电流作用下会生成电磁力，在电磁力的作用下搅拌液态金属。
从本质上说电磁搅拌即是以电磁力为基础，加速铸坯内液态金属的运动，实现处于凝固过程中的液态金属产生迁移、传热以及流动，使铸坯质量得到改善。经实验研究发现，在金属凝固的过程中，对其进行电磁搅拌，可以起到减轻偏析、降低非金属杂质含量、增加等轴晶率以及改善凝固组织等方面的作用。比如在铝合金材料的生产中，在液态材料不断凝固的过程中，加以电磁搅拌，可以降低生产工具与物料的损耗、提高合金质量，进而提升铝合金材料生产的经济性与安全性。
1.2电磁铸造
电磁铸造是一种半连续无模制造技术。采用这种铸造方法，可以摒弃普容连铸中的结晶器，使用单匝水冷铜线圈电磁感应器，是利用约束液体金属立柱与电磁力支撑成型的连续型铸造工艺。液态金属在流场、温度场以及电磁声等综合作用下，受到电磁力约束，是当前合金与铝材料铸造常用的技术手段之一。
在交变电流通入感应器的情况下会生成交变电磁场，在这种磁场的影响下，磁场作用于液体金属形成与方向相反的感应电流，感应电流在与磁场产生作用的过程中也会相应地生成电磁力。电磁力可以为液态金属提供支撑，液态金属所产生的形状与感应器内液腔形状相一致，在铸锭在铸机的带动下会向下移动，金属液不断供应于液面上方，冷却水会于感应器下方喷向铸锭，液态金属在冷却的作用下会立即凝固。为了能够使浇注液面保持平稳，需要保持电磁压力与熔体上静压力相一致，使液柱侧面保持垂直。另外，采用这种处理方法也可以对电磁搅拌的幅度进行有效的控制。在电磁铸造环节中，感应器与液态金属不接触，液态金属可以成型于自由表面状态。因此，相比于普遍铸造技术来说，电磁铸造在材料组织性能与铸锭表面质量两方面都有着比较突出的优势，实现了电磁铸造应力场、电磁场以及温度场的计算机模拟计算，水平电磁铸造技术在实践与理论上也得到了快速的发展。
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电磁离心铸造技术出现于20世纪90年代，该技术是于磁场中设置离心铸造设备，使液态金属能够在该设备的作用下凝固结晶，是电磁搅拌与离心铸造技术的结合体。在模具不断转动的情况下，金属模体可以在外加直流磁场的作用下生成电磁力。模具转动方向与外磁力方向相反，所产生的电磁搅拌力位于融体内部。电磁离心铸造过程中，液态金属受到电磁力、重力以及离心力的复合作用，使金属凝固过程受到改变，进而实现离心铸件机械性能与凝固组织的改善。这种铸造技术的特点主要体现在离心铸造技术优点得到保留的同时，也能够取得电磁搅拌的效果，一定范围内会使材料机械性能与力学性能得到改善。
1.3电磁制动
剧烈波动的液面很可能会存在卷渣的问题，结晶壁一定程度上也会在射流流股的力学作用下受到冲刷，产生窄面凝固壳重熔的现象，同时在流股的作用下，会使凝壳中卷入一定量的杂质，对板坯内部质量与表面质量造成不利影响。电磁制动技术指的是于结晶器水口区域设置一个直流恒稳磁场，该磁场的流动方向垂直于钢液流动方向。液态金属在运动过程中，由于其运动方向与磁力线相垂直，在运动过程中会产生感应电流，恒稳磁场与感应电流在交互作用下会在与流动方向相反应方向生成洛仑兹力，可以对液态金属的流动方向进行人为的控制，消除流动与紊流的不稳定性。在加强对于液态金属控制的情况下，能够对铸坯质量与操作工艺起到一定的改善作用。
1.4电磁振荡
在与铸锭对称轴方向相平等的位置设置交变磁场与稳恒磁场，能够在二者之间产生洛仑兹力，在熔体受迫振荡的情况下得到电磁振荡效果。在金属不段凝固的过程中，所产生的熔振荡一定程度上会体现出与超声波相同的特性。这各特性主要体现在提高充型能力、增加合金熔体流动性、降低孔隙率、实现弥散作用、细化晶粒等方面。依照电磁感应方面的有关理论，于半边铸结晶器外位置施加一个平等于重力方向的低频周期性交变磁场与直流稳恒磁场，位于熔体内的交变磁场所形成的交变电流与磁场有着相同的频率，在三者交互作用的情况下，会产生一定的洛仑兹力场，方向上述电、磁两场相垂直，熔体在洛仑兹力场的作用下会出现运动。
1.5电磁净化
电磁净化本质上是一种电磁分离技术，电磁分离技术主要包含感应式与传导式两种，由这两各方案所延伸的方案包含高频磁场、旋转磁场、行波磁场、交变复合电磁场、交变电流等。在磁感应强度与磁场频率比较高的情况下，能够促进非金属杂物的分离，尤其是在增加分离器管径后，一定要磁感应强度进行提升，才能够使非金属杂物以比较高的效率从液态金属中分离出去。另外，液态金属回路中行波磁场发生器电流、气隙大小以及几何尺寸对于电磁力参数的着十分明显的影响，行波电磁能够成倍提高微细非金属杂物的迁移速率。
二、发展趋势
将材料科学、工程与电磁场技术结合起来，能够对金属材料的制备效率与材料合成起到有效的改善作用，进而改善材料的化学性能与物理性能。然而我国在这方面的技术的应用上还有着很大的进步空间，需要进一步加强研究力度，尤其是强磁场下的物理化学过程、强磁场对电化学过程、电磁场对无机化学反感过程等方面的研究还需要进一步加强。
结束语：
当前我国已经进入改变经济发展方式，促进产业结构优化升级的关键阶段，如何提高金属材料的生产质量已经成为相关企业十分重要的研究课题，这就需要有关科研人员进一步加大研究力度，对电磁技术的应用方法与应用特点有一个深入的了解，实现生产效率与质量两方面的提升。
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论文作者:姚祥
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第5期
论文发表时间:2019/9/24
标签：电磁论文; 磁场论文; 液态论文; 金属论文; 技术论文; 材料论文; 电磁场论文; 《建筑细部》2019年第5期论文;