脈沖電磁場在金屬熔體中的電磁效應(yīng)及其應(yīng)用

徐燕祎, 翟啟杰

(上海大學先進凝固技術(shù)中心,上海200444)

在跨入21世紀后,人類認識到資源短缺和環(huán)境污染已成為制約人類社會發(fā)展的重要因素.材料研究者開始重新考慮現(xiàn)有材料的發(fā)展道路,一方面努力提高材料的性能,試圖用最低的資源和能源消耗最大限度地滿足人類社會發(fā)展的需求;另一方面在材料制備中更多地使用物理手段,以避免化學手段對材料本身和環(huán)境的污染.在金屬結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域,控制潔凈度和細化凝固組織是提高金屬材料性能的共性需求[1-3],而物理科學和技術(shù)的高速發(fā)展為滿足這種需求提供了新的途徑.超強磁場等超高強物理場雖然對金屬材料組織和性能有顯著影響[4-6],但是由于成本和效率等方面的因素,這些超強物理手段很難應(yīng)用于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的生產(chǎn)中.脈沖電磁場,包括脈沖電流(electric current pulse,ECP)和脈沖磁場(pulsed magnetic field,PMF),由于瞬時能量高而線路負荷和總能耗低,近年來在金屬制備中的應(yīng)用受到普遍關(guān)注[7-16].

1 脈沖電磁場在金屬熔體中的電磁效應(yīng)

研究脈沖電磁場在金屬中的電磁效應(yīng),是科學利用脈沖電磁場實現(xiàn)金屬潔凈化和均質(zhì)化的基礎(chǔ).

1.1 電效應(yīng)和磁效應(yīng)

脈沖電磁場作用下的金屬內(nèi)電磁現(xiàn)象可用麥克斯韋方程組[17]描述:

式中:B為磁感應(yīng)強度;E為感生電場.式(1)表示空間中變化的磁場能產(chǎn)生感應(yīng)電場.

式中:J為電流密度;ε0為真空電導率;μ0為真空磁導率.式(2)表示傳導電流和位移電流在空間中能產(chǎn)生磁場.

式(3)表示磁場具有連續(xù)性.

式(4)表示電荷可在空間激發(fā)電場,經(jīng)過任意閉合曲面的電通量由內(nèi)部包含的電荷所決定.

由麥克斯韋方程組可知,無論是脈沖電流還是脈沖磁場,都會在金屬熔體中產(chǎn)生電流和磁場.脈沖電流經(jīng)過金屬熔體時,會產(chǎn)生感應(yīng)磁場.脈沖磁場作用于金屬熔體時,會在熔體中產(chǎn)生感應(yīng)渦流.因此,脈沖電流和脈沖磁場在金屬熔體中產(chǎn)生的電磁效應(yīng)本質(zhì)上是一樣的,但由于施加方式不同,相應(yīng)的電磁效應(yīng)和大小有差異.

當傳導電流或者感應(yīng)電流通過金屬熔體時,由于熔體具有電阻,因此產(chǎn)生焦耳熱效應(yīng).在金屬熔體的冷卻過程中,焦耳熱會對冷卻速度產(chǎn)生影響[18].此外,由于固液兩相電導率不同,界面處會產(chǎn)生接觸電位差.當電流通過固液界面時,會產(chǎn)生額外熱量,稱為Peltier熱[19].有學者認為Peltier熱相較于焦耳熱有數(shù)量級差別,可忽略[20].另外,當脈沖電流或感生的脈沖渦流通過金屬熔體時,呈現(xiàn)聚集在熔體表面的趨勢,即趨膚效應(yīng)[21].

1.2 電磁力效應(yīng)

當脈沖電流進入金屬熔體時,會在熔體區(qū)域感應(yīng)出脈沖磁場,二者相互作用產(chǎn)生電磁力.同樣地,當脈沖磁場作用于金屬熔體時,會產(chǎn)生感應(yīng)電流,進而產(chǎn)生電磁力.電磁力表達式為

根據(jù)磁流體力學理論,當產(chǎn)生的電磁力作用于金屬熔體時,電磁力將驅(qū)使流體運動,該流動可用Navier-Stokes(N-S)方程來描述.不可壓縮牛頓流體的N-S方程為[22]

式中:ρ為熔體密度;u為熔體瞬時速度;p為壓力;ν為熔體運動學黏性;F 為體積力,包括流體受到的重力、電磁力等.式(6)以歐拉法進行書寫,等式左側(cè)第一項稱為局部加速度,代表空間某點處,流體質(zhì)量隨時間的變化率;等式左側(cè)第二項稱為對流加速度,代表某一時刻,空間不同點處由于速度不同而引起的位變加速度;等式右側(cè)第一項稱為壓力項,代表流體靜壓力;等式右側(cè)第二項稱為擴散項,代表流體微團由于黏性產(chǎn)生的切應(yīng)力;等式右側(cè)第三項為源項,代表重力、電磁力等其他施加在流體微團上的體積力.

2 脈沖電流在金屬熔體中電磁效應(yīng)分布規(guī)律

由于實驗研究遇到困難,電流在金屬熔體中的電磁效應(yīng)研究起初以數(shù)值模擬研究為主.隨著實驗手段的進步,近年來開始與物理模擬相結(jié)合.電流形式從最初的直流電過渡到脈沖電流.

Nikrityuk等[23]首先研究了從熔體液面和底部沿熔體軸線插入電極時,直流電作用下熔體凝固過程中流場分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)電極表面附近的熔體在電磁力作用下產(chǎn)生射流,射流方向由電極附近電流密度大的區(qū)域指向熔體中心電流密度小的區(qū)域.Zhang等[24]在矩形熔體兩側(cè)水平放置電極,對不同形式電流作用下金屬熔體磁場、電磁力和流速大小與熔體寬厚比的關(guān)系進行研究,所得有關(guān)熔體流動規(guī)律的結(jié)論與Nikrityuk等結(jié)論不同,研究表明沿電極軸線,液態(tài)金屬由熔體中心向兩電極運動.

Xu等[25]在方形熔體壁布置兩個電極,研究了電極放置于同一側(cè)和兩側(cè)ECP作用下熔體內(nèi)磁場、電流分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)電極所在區(qū)域熔體表面電流密度比其他側(cè)面強,且在電極與熔體界面處達到極大值.張震斌等[26]研究了平行電極條件下Al-5%Cu合金電場分布,發(fā)現(xiàn)電場主要集中于熔體表層,并隨熔體深度的增加而減弱.增大電極間距,將導致熔體內(nèi)部電場減小,同時更均勻.此外,電極電阻率對熔體內(nèi)電場大小有影響,電阻率越小電極附近電場越大.但電極浸入熔體的深度不影響熔體電場分布.該模擬結(jié)果的可靠性由實測電場驗證.張榮等[27]研究平行電極條件下電磁場分布規(guī)律時得到相似的結(jié)論,發(fā)現(xiàn)電磁場主要集中在電極附近,熔體內(nèi)電磁力由四周指向鋼液中心.馬靜超等[28]研究了熔體電磁場分布規(guī)律與電流強度、脈寬的關(guān)系,以及電極間距對熔體電磁場分布的影響.數(shù)值模擬結(jié)果表明,熔體電磁場各項數(shù)值與電流強度呈正相關(guān),與脈寬呈負相關(guān).此外,電極內(nèi)側(cè)電磁場隨著電極間距的減小而增大,外側(cè)則減小.Li等[29-30]研究了ECP作用下熔體溫度場和流場分布規(guī)律,討論了電流頻率、峰值、電極插入深度和液面波動對熔體流動的影響.發(fā)現(xiàn)熔體流動強度與電流頻率、峰值成正比,但不隨電極深度變化.有關(guān)流動的研究表明,電極之間熔體豎直向下運動,而電極下方熔體向電極底部運動.此外,焦耳熱引起的熱質(zhì)對流和液面表面張力對熔體流動有重要影響.上述有關(guān)不同電極位置、電流形式的熔體電磁效應(yīng)研究工作均為數(shù)值模擬,對于電磁場分布規(guī)律結(jié)論基本一致,都是集中分布在電極附近,但有關(guān)熔體流動的研究結(jié)果有所不同,甚至是矛盾的.

為了澄清ECP作用下金屬熔體中的流動規(guī)律,R¨abiger等[31]通過數(shù)值模擬和實驗測量相結(jié)合的方式,研究了平行電極ECP和等效直流電作用下,GaInSn共晶合金金屬液電磁場、流場的分布規(guī)律.實驗中浸入熔體的電極側(cè)壁涂有電絕緣材料氮化硼(NB),熔體流速由多普勒測速儀測量.直流電作用下熔體內(nèi)磁感應(yīng)強度、焦耳熱和電磁力分布規(guī)律如圖1所示[31].熔體中感應(yīng)磁場(見圖1(a))主要集中在電極插入深度范圍內(nèi)的區(qū)域,且在電極表面達到極大值.與感應(yīng)電流相關(guān)的焦耳熱(見圖1(b))主要集中于電極底部,說明該處電流密度遠大于其他區(qū)域.電磁力(見圖1(c))集中于電極底部,并以向下的分量為主.熔體流場如圖2所示,圖2(a)為數(shù)值模擬結(jié)果,由流場流線和速度uz等值面可以看出,在電磁力作用下,電極底部產(chǎn)生方向向下的射流,一直延伸至金屬液底部,在該射流的驅(qū)動下,最終產(chǎn)生整個熔體范圍內(nèi)的對流.圖2(b)和(d)分別為電極所在平面和垂直電極平面截面上的熔體流場實測值.電極底部和熔體側(cè)壁上的熔體流動方向和流速分布規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果一致.此外電極之間沿高度方向上半部分熔體向下運動,下半部分熔體向上運動.進一步地,將ECP與等效直流電作用下熔體流場分布實測值進行對比,發(fā)現(xiàn)二者在熔體內(nèi)產(chǎn)生的流動規(guī)律基本一致.至此,平行電極ECP作用下,熔體流動的數(shù)值模擬結(jié)果得到了實驗驗證.此外,也進一步明確了流動產(chǎn)生的原因,即熔體在電極底部集中向下的電磁力的驅(qū)動下,產(chǎn)生兩個流動強度很大的射流,金屬熔體在這兩個射流的作用下,進一步產(chǎn)生充滿空間的環(huán)流.

圖1 直流電作用下金屬熔體感應(yīng)磁場、焦耳熱、電磁力分布規(guī)律[31]Fig.1 Distributions of induced magnetic field,Joule heating and electromagnetic force in molten metal under applied direct current[31]

更進一步的研究表明熔體流動強度受電流分布影響.在平行電極實驗中,Zhang等[32]通過在電極側(cè)壁是否噴涂電絕緣材料氮化硼(BN)來控制熔體內(nèi)電流分布,進而獲得不同強度的熔體流動.研究表明:電極側(cè)壁涂有BN時,電流經(jīng)由電極底部進入熔體;電極側(cè)壁不噴涂BN時,電流主要沿熔體表面?zhèn)鞑?上述兩種電流分布最終導致熔體內(nèi)電磁力分布規(guī)律存在差異.研究發(fā)現(xiàn),當相同電流通過電路時,涂有BN的電極底部電磁力更集中,強度更大,相應(yīng)的熔體流動更強.這說明通過改變電流分布,可以實現(xiàn)相同電流參數(shù)條件下對熔體不同流動強度的控制,這對電流在金屬熔體中的應(yīng)用非常重要.

上述有關(guān)ECP作用下金屬熔體的研究表明,早期的研究手段主要為數(shù)值模擬,研究結(jié)果存在一些矛盾.但是,隨后通過與物理模擬相結(jié)合,已經(jīng)對ECP作用下的電磁效應(yīng)分布規(guī)律有了比較統(tǒng)一的認識,且ECP引起熔體中的流動機制已經(jīng)基本明確.

圖2 直流電作用下金屬熔體流場[31]Fig.2 Flow field in molten metal under applied direct current[31]

3 脈沖磁場在金屬熔體中電磁效應(yīng)分布規(guī)律

當PMF作用于金屬熔體時,熔體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流.感應(yīng)電流與磁場作用產(chǎn)生電磁力,驅(qū)動熔體流動.相比通過電極導入ECP的方式,PMF是一種非接觸式的施加方式,因此不會由于電極材料選擇不當而引入外來雜質(zhì),操作也比較方便,更有利于工業(yè)應(yīng)用.

3.1 理論分析

當PMF經(jīng)由螺線管線圈產(chǎn)生,并作用于圓柱形金屬熔體時,熔體內(nèi)電磁場呈軸對稱分布,因此可在柱狀坐標系下簡化為二維模型,即只考慮豎直方向和徑向的電磁場分布規(guī)律.這與通有交變電流的長直導線在x-z平面產(chǎn)生的電磁場分布規(guī)律相似.認識長直導線條件下熔體內(nèi)的電磁場、流場分布規(guī)律,有利于深入理解PMF電磁效應(yīng).

如圖3所示[33],長直導線沿垂直紙面方向延伸至無限遠,當長直導線內(nèi)通有交變電流I sin(wt)ey時,空間中產(chǎn)生非均勻磁場,該磁場經(jīng)過右側(cè)熔體區(qū)域時,熔體內(nèi)磁場Bz表達式為

式中:B0為高度z的函數(shù).根據(jù)高斯定律,磁場的水平分量為

將式(7)和(8)代入如下電磁力表達式:

并對一個周期求時均值

式(9)和(10)右側(cè)第一項為壓力項,在無自由液面情況下,該項對熔體內(nèi)部流動無貢獻;第二項稱為對流項,是產(chǎn)生熔體流動的根源.對流項的方向與當?shù)卮鸥袘?yīng)強度沿z的梯度有關(guān),即沿豎直方向,該項由磁壓力低的位置指向磁壓力高的位置,作用效果表現(xiàn)為推動固體壁面附近的熔體由兩端向中心匯聚,匯聚后的熔體繼續(xù)向遠離壁面的方向運動,最終形成如圖3所示的環(huán)流.

圖3 長直導線磁場分布示意圖[33]Fig.3 Sketch of magnetic field generated by long straight wires[33]

針對電磁力矢量表達式(9)的進一步分析表明[34],壓力項與對流項的比值可用磁場趨膚深度和熔體特征長度的比值代替,該值越大意味著磁場對熔體的振蕩作用越強.

在實際應(yīng)用中,線圈與熔體之間存在間隙且熔體尺寸有限,因此二維軸對稱條件下熔體內(nèi)電磁場分布規(guī)律與長直導線作用下熔體內(nèi)電磁場分布規(guī)律存在差異.

3.2 模鑄條件下熔體內(nèi)電磁場、流場分布規(guī)律

Kolesnichenko等[35]采用邊界元和有限差分相結(jié)合的方法,研究一個脈沖期間熔體流速與電流脈寬的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)存在一個最佳脈寬使熔體流速達到最大.Zi等[36-37]研究了不同PMF強度條件下,熔體的磁場、電磁力和流場分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)電磁力和熔體流速在線圈端部附近達到極大值.楊院生團隊研究了PMF作用下金屬熔體內(nèi)電磁場、流場分布規(guī)律[38-39].研究表明,當線圈內(nèi)通入的脈沖電流為三角波時,一個脈沖期間熔體內(nèi)電磁力方向發(fā)生兩次變化,如圖4(a)～(d)所示[39].在上述電磁力作用下,硅鋼熔體內(nèi)部垂直方向產(chǎn)生兩個環(huán)流,壁面附近熔體由液面和底部向中心流動,在環(huán)流分界處,熔體由壁面向內(nèi)部流動.此外,熔體底部流動強度大于頂部.楊院生等[40]研究PMF用下鎂合金熔體流動規(guī)律時,同樣發(fā)現(xiàn)熔體底部環(huán)流強度與頂部環(huán)流強度存在差異,如圖5(a)所示.這一現(xiàn)象在熔體密度較大時尤為顯著.例如,Chen等[41]在研究PMF作用下液態(tài)金屬汞流動規(guī)律時發(fā)現(xiàn)熔體底部環(huán)流強度明顯大于頂部環(huán)流強度,如圖5(b)所示.Ma等[42]在PMF作用下鎳基高溫合金熔體規(guī)律的研究中發(fā)現(xiàn),當熔體中心高于線圈中心時,PMF引起熔體環(huán)流方向與二者對稱放置時的環(huán)流方向不同.如圖5(b)所示,在上下環(huán)流分界處,熔體由心部流向壁面,到達壁面后分別向液面和底部流動.清華大學沈厚發(fā)團隊通過數(shù)值模擬對比研究了PMF和諧波磁場(harmonic magnetic field,HMF)作用下Al-5%Cu熔體電磁場和流場分布規(guī)律[43].激發(fā)磁場的線圈電流分別為脈沖三角波和正弦波.研究表明,PMF作用下一個脈沖期間電磁力水平分量方向發(fā)生一次改變,且電磁壓力遠大于電磁拉力.此外,沿熔體徑向電磁力存在相位差,即由鑄型壁至熔體中心,電磁力相位依次減小.在電磁力的作用下熔體內(nèi)形成關(guān)于線圈中心對稱的兩個環(huán)流,中心附近熔體由壁面兩側(cè)向中心匯聚,匯聚后流入內(nèi)部.對比HMF在熔體中的電磁效應(yīng),發(fā)現(xiàn)PMF作用下熔體內(nèi)某點的電磁力極值大于HMF,但熔體流速小于HMF.

圖4 PMF作用下一個脈沖期間不同時刻電磁力分布[39]Fig.4 Distributions of electromagnetic force in a pulse duration under PMF at dif f erent time[39]

圖5 PMF作用下金屬熔體流場分布[40-42]Fig.5 Flow field in molten metal under application of PMF[40-42]

翟啟杰團隊基于脈沖電磁場理論開發(fā)出脈沖磁致振蕩(pulsed magneto-oscillation,PMO)技術(shù)[9],屬于脈沖磁場的一種形式.針對PMO作用下熔體電磁效應(yīng),該團隊進行了細致的研究.研究表明,當線圈中心與熔體中心重合[44-46]時,熔體內(nèi)部電磁場分布規(guī)律與上述研究一致,即線圈附近的熔體區(qū)域磁場、電磁力最為集中.為了將PMO技術(shù)推廣至模鑄生產(chǎn)中,Zhao等[47-49]研究了液面線圈脈沖磁致振蕩(surface pulsed magneto oscillation,SPMO)、冒口線圈脈沖磁致振蕩(hot-top pulsed magneto oscillation,HPMO)以及復合脈沖磁致振蕩(combined pulsed magneto oscillation,CPMO)作用下熔體電磁效應(yīng),發(fā)現(xiàn)熔體內(nèi)電磁場、流場分布規(guī)律與線圈形式、線圈位置密切相關(guān).研究表明,三種線圈條件下,電磁力方向隨時間變化,但主要指向熔體內(nèi)部.Tp/4時刻熔體內(nèi)電磁力分布規(guī)律如圖6所示.SPMO作用下電磁力極大值主要分布在熔體上表面和鑄型壁附近,方向與型壁平行;HPMO作用下,電磁力極大值出現(xiàn)鑄型側(cè)壁線圈半高處,方向與型壁垂直;CPMO作用下,電磁力極大值出現(xiàn)在液面與型壁的夾角區(qū)域,相應(yīng)的極值大于其他兩種線圈條件.對比流場可知,HPMO和CPMO在熔體中產(chǎn)生的環(huán)流面積最大,CPMO作用下熔體軸線處流動最強.

3.3 連鑄條件下熔體內(nèi)電磁場、流場分布規(guī)律

在連鑄過程中,連鑄坯自身與線圈存在相對運動.通過數(shù)值模擬研究連鑄條件下熔體內(nèi)電磁場、流場分布規(guī)律的難度相較模鑄條件更大.因此,現(xiàn)有數(shù)值模擬研究主要采用二維幾何模型進行研究.郝軍利等[50]研究了PMO作用下連鑄圓坯二冷區(qū)電磁場、流場分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)PMO作用下一個脈沖期間,二冷區(qū)內(nèi)電磁力方向發(fā)生兩次變化.此外,PMO在二冷區(qū)內(nèi)產(chǎn)生回流區(qū),線圈起始端附近的熔體由坯殼流向心部,線圈中部和末端附近的熔體由鑄坯中心流向表面.

圖6 PMO作用下不同線圈結(jié)構(gòu)對電磁力、流場的影響[48]Fig.6 Inf l uence of coil configurations on electromagnetic force and f l ow field under applied PMO[48]

東北大學樂啟熾團隊研究了PMF作用下半連續(xù)鑄造過程中金屬熔體電磁效應(yīng),分析了電磁力與電流峰值、電壓占空比和頻率的關(guān)系[51].此外,發(fā)現(xiàn)相位相差90?的兩組PMF疊加后,熔體內(nèi)電磁力豎直分量峰值增大,但對于電磁力水平分量的峰值基本無影響[52].對比諧波磁場在金屬熔體中的電磁效應(yīng)[53],認為單一PMF有利于促進熔體的振動,經(jīng)過疊加處理的PMF能同時促進熔體的對流和振動.

李廷舉團隊在對PMF作用下半連續(xù)鑄造熔體電磁力、流場分布規(guī)律的研究中發(fā)現(xiàn)電磁力方向隨時間變化[54].此外,在電磁力作用下,熔體內(nèi)形成環(huán)流,線圈側(cè)壁附近的熔體向液面流動.

上述有關(guān)PMF作用下模鑄、連鑄和半連續(xù)鑄造過程中熔體內(nèi)電磁效應(yīng)的模擬研究表明,PMF作用下,不同導電金屬熔體的電磁效應(yīng)沒有本質(zhì)差異,但電磁場、流場分布規(guī)律與熔體密度、線圈電流波形、線圈位置、線圈形狀密切相關(guān).值得注意的是,有關(guān)PMF作用下熔體環(huán)流規(guī)律仍需物理實驗驗證.

4 脈沖電磁場在金屬潔凈化和細晶化方面的研究與應(yīng)用

脈沖電磁場不僅能控制夾雜物的遷移[55-56],實現(xiàn)金屬的潔凈化,而且能有效促進凝固組織晶粒細化[57-60],達到均質(zhì)化目的.上述有關(guān)脈沖電磁場作用下金屬熔體電磁效應(yīng)的研究,有助于理解脈沖電磁作用下夾雜物運動規(guī)律和晶粒細化機理,進而指導金屬潔凈化和均質(zhì)化生產(chǎn)實踐.

在脈沖電磁場對金屬的潔凈化研究方面,秦榮山團隊通過脈沖電流調(diào)控夾雜物向鑄件表面遷移,進而提高金屬內(nèi)部的潔凈度[55].類似地,Li等[56]將PMO用于模鑄冒口,發(fā)現(xiàn)夾雜物向組織心部和冒口聚集,該效果有利于去除大部分夾雜物,從而提高金屬質(zhì)量.之所以能通過脈沖電磁場實現(xiàn)鋼的潔凈化,原因在于脈沖電磁場作用下金屬與夾雜物的電磁效應(yīng)不同.已知脈沖電磁場作用于金屬熔體時,會產(chǎn)生電磁力.對于含有夾雜物的金屬熔體,二者由于電導率不同,因而受到的電磁力不同.上述電磁力導致夾雜物與熔體發(fā)生相對運動,此外熔體流動也會影響夾雜物的分布,二者相互作用最終實現(xiàn)金屬的潔凈化.

在脈沖電磁場金屬凝固組織均質(zhì)化的細晶研究方面,研究者提出了諸多細化機理,包括異質(zhì)形核機制[61-63]、枝晶斷裂機制[64-66]、結(jié)晶雨機制[8]和原子團簇機制[67].上述機理的發(fā)生條件與脈沖電磁場作用下金屬熔體電磁效應(yīng)有著密切關(guān)系.異質(zhì)形核方面,已知電磁場作用于金屬熔體時,會產(chǎn)生磁壓力(見式(9)).Wang等[68]認為磁壓力會促使金屬熔點升高進而增大過冷度,有利于形核;秦榮山等[69]認為脈沖電流的施加會引起熔體形核勢壘的減小,進而增大形核率,促進形核.通過計算熔體中的磁壓力大小和電流引起的自由能改變,能清晰地認識到脈沖電磁場對異質(zhì)形核的影響.枝晶斷裂機制包括剪切應(yīng)力折斷枝晶[64]和枝晶熔斷[66],二者與電磁場作用下熔體流動有著密切關(guān)系.Nakada等[64]認為熔體宏觀流動會產(chǎn)生切應(yīng)力,當切應(yīng)力足夠大時能夠折斷枝晶進而導致凝固組織的細化;Liotti[66]基于合金溶質(zhì)濃度與熔點的關(guān)系,認為在枝晶間的微觀流動作用下,當溶質(zhì)富集的熔體流向溶質(zhì)含量低的區(qū)域時,會引起局部枝晶熔斷,并利用同步輻射技術(shù)觀測到枝晶熔斷的現(xiàn)象.有關(guān)熔體中電磁效應(yīng)的研究揭示了熔體宏觀流動和枝晶間流動規(guī)律,為討論枝晶斷裂的臨界條件提供幫助.翟啟杰團隊認為PMO集中作用于自由液面、鑄型壁以及固液界面,觸發(fā)形核并產(chǎn)生結(jié)晶雨,由此提出PMO結(jié)晶雨細晶機制[9,70].PMO作用下熔體電磁場分布規(guī)律的研究將有助于深化結(jié)晶雨機制.Wang等[71]利用同步輻射原位觀察技術(shù)觀測直流電作用下Sn-12%Bi二元合金凝固過程枝晶形貌的演變,討論了焦耳熱、電流擁擠效應(yīng)、界面能和成分過冷對晶粒細化的影響.王建中等[67]認為脈沖電流能改變液態(tài)原子團簇外電層密度,促使小原子團簇匯聚成尺寸更大的團簇,進而降低形核勢壘,孕育出大量晶核.此外,脈沖電磁場作用下熔體內(nèi)會產(chǎn)生強制對流,可以加速金屬凝固過程的熱交換,進而降低溫度梯度[68].而溫度梯度降低有利于抑制柱狀晶生長,且提高晶粒的存活率,最終有利于凝固組織的細化.

上述有關(guān)脈沖電磁場作用下金屬凝固組織的細晶機理適用于不同的實驗條件,對于實際生產(chǎn)過程,有可能是上述一種或多種細化機理共同作用,因此需結(jié)合實際情況進行討論.

認識脈沖電磁場作用下金屬熔體電磁效應(yīng)有助于建立電磁場、流動分布規(guī)律與晶粒細化的關(guān)系,進而指導工業(yè)生產(chǎn).Zhang等[32]在脈沖電流處理Al-7%Si的凝固實驗中發(fā)現(xiàn),電極側(cè)壁噴涂NB電絕緣材料的金屬凝固組織的晶粒尺寸小于不噴涂NB條件.結(jié)合相關(guān)電磁效應(yīng)的研究,可以推測電流強度相同時,電磁力、流動強度越大,越有利于凝固組織的細化.這對于在工業(yè)生產(chǎn)中,相同能耗條件下,獲得更細小的凝固組織有著重要指導意義.趙靜等[48]在不同形式線圈對純鋁凝固組織影響的研究中,發(fā)現(xiàn)SPMO,HPMO,CPMO作用下,金屬凝固組織等軸晶面積依次增大,如圖7所示.此外,HPMO和CPMO對熔體底部柱狀晶生長的抑制作用和金屬凝固組織的細化效果都強于SPMO,其中CPMO的作用效果尤其明顯.結(jié)合前文所述不同線圈條件下熔體內(nèi)電磁力大小及分布規(guī)律,可知PMO作用下晶粒尺寸、等軸晶面積占比與PMO電磁效應(yīng)密切相關(guān).

圖7 PMO作用下純鋁(99.7%)凝固組織[48]Fig.7 Solidifcation structures of pure Al(99.7%)under PMO[48]

基于對脈沖電磁場在金屬熔體中電磁效應(yīng)的認識,以及實驗條件下金屬凝固組織潔凈化和均質(zhì)化的研究,一些學者開展了工業(yè)實驗.目前,秦榮山團隊基于脈沖電流理論開發(fā)的電脈沖技術(shù)[72-74],在鋼的潔凈化生產(chǎn)方面取得重要突破.在金屬凝固組織均質(zhì)化方面,研究人員根據(jù)脈沖磁場理論開發(fā)出多種凝固細晶技術(shù),包括上海大學翟啟杰團隊的PMO技術(shù)[75-81]、中國科學院金屬研究所楊院生團隊的低壓脈沖磁場(low-voltage pulsed magnetic field,LVPMF)技術(shù)[38-39]、大連理工大學李廷舉團隊的PMF技術(shù)[54],其中翟啟杰團隊的PMO技術(shù)在金屬凝固組織均質(zhì)化方面的研究成果最早發(fā)表于2008年[9],相關(guān)專利于2007年授權(quán)[82].近年來,翟啟杰團隊圍繞PMO技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用開展諸多研究,并發(fā)表多項專利[83-89].目前PMO技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在鋼的連鑄生產(chǎn)中,并且實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用.此外,與PMO技術(shù)有關(guān)的脈沖磁致振蕩連鑄方坯凝固均質(zhì)化技術(shù)獲得2017年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎[90].

秦榮山團隊將電脈沖技術(shù)應(yīng)用于鋼的潔凈化生產(chǎn)中,獲得內(nèi)部不含MnS夾雜物的凝固組織[72-74].經(jīng)電流密度1.6×106A/m2、脈寬60μs的電脈沖處理后,非金屬夾雜物MnS在金屬內(nèi)部的分布如圖8所示[74].圖8(a)和(b)分別為金屬上下表面MnS分布,圖8(c)為MnS在基體心部分布.由圖可知,經(jīng)脈沖電流處理,MnS趨于向基體表面富集,而基體內(nèi)部不含夾雜物,上述效果有利于提升基體內(nèi)部的潔凈度.當電流密度和脈寬分別降低至1.0×105A/m2和20μs時,仍能觀測到上述現(xiàn)象.這種將氧化物由基體內(nèi)部轉(zhuǎn)移至基體表面的電脈沖技術(shù)在鋼的潔凈化生產(chǎn)方面有著廣闊的應(yīng)用前景.

圖8 電脈沖作用下MnS在基體表面和內(nèi)部的分布[74]Fig.8 Distribution of MnS on surface and in inner part by electropulsing[74]

翟啟杰團隊將PMO技術(shù)應(yīng)用在鋼的模鑄和連鑄生產(chǎn)中,顯著地細化了凝固組織,促進等軸晶轉(zhuǎn)變(columnar to equiaxed transition,CET),增大等軸晶率,改善偏析[60,75-81].在模鑄條件下65Mn冷鐓鋼凝固過程中施加PMO,所得凝固組織如圖9(a)～(f)所示[75],取樣位置如圖9(g)所示.圖9(a)～(c)為空白實驗,圖9(d)～(f)為對比實驗,白線代表柱狀晶區(qū)長度.由圖可知,經(jīng)PMO處理的凝固組織柱狀晶區(qū)明顯縮短,等軸晶面積顯著增大,等軸晶率提高了1.8倍以上.

將PMO施加在GCr15軸承鋼連鑄過程中,同樣能促進等軸晶的生成[76].對比PMO處理前后的凝固組織(見圖10),發(fā)現(xiàn)經(jīng)PMO處理后凝固組織等軸晶面積明顯增大.此外,碳偏析得到改善,控制在0.93～1.06之間.對PMO作用下GCr15軸承鋼連鑄矩形坯微觀組織形貌的研究表明[79],PMO作用下凝固組織一次枝晶臂間距減小,二次枝晶臂間距增大.將PMO施加在AM2錨鏈鋼連鑄過程中[80],仍然能有效地促進CET.對比發(fā)現(xiàn)PMO作用下鑄坯等軸晶面積明顯增大.此外,經(jīng)PMO處理的鑄坯中心縮孔基本消失.采用“五點法”測量鑄坯中心碳偏析指數(shù)及平均值,發(fā)現(xiàn)第一組實驗平均碳偏析指數(shù)從未處理的1.33下降至1.10;第二組實驗平均碳偏析指數(shù)從未處理的1.38下降至1.02,即PMO的施加有利于降低鑄坯中心碳偏析指數(shù).在20CrMnTi齒輪鋼的連鑄過程中施加PMO得到與上述相似的結(jié)論[78].如圖11所示,經(jīng)PMO處理后,凝固組織中心等軸晶面積顯著增大,由11.76%增大到24.09%.此外,未經(jīng)PMO處理的鑄坯中心縮孔嚴重,最大直徑約3 mm,最大連續(xù)長度約12 mm,但經(jīng)過PMO處理后鑄坯中心未出現(xiàn)縮孔.統(tǒng)計鑄坯不同位置的碳的質(zhì)量分數(shù),發(fā)現(xiàn)PMO的施加能有效改善中心碳偏析.此外PMO作用下錳、鉻、硅元素在鑄坯心部的富集程度大幅度降低.目前PMO技術(shù)已經(jīng)穩(wěn)定應(yīng)用于中天鋼鐵集團特殊鋼生產(chǎn),顯著提高了鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)效率,同時PMO的能耗不足電磁攪拌的一半.

楊院生團隊將LVPMF技術(shù)應(yīng)用在AZ80鎂合金半連續(xù)鑄造過程中,得到的金屬凝固組織微觀形貌明顯細化[13].沿鑄坯徑向統(tǒng)計Al和Zn溶質(zhì)相對含量,發(fā)現(xiàn)LVPM作用下,鑄坯表面至距離表面60 mm范圍內(nèi)的微觀偏析明顯改善.李廷舉團隊在6063鋁合金半連續(xù)鑄造過程中施加PMF,同樣實現(xiàn)了金屬宏觀組織和微觀組織的細化,此外Mg和Si元素的宏觀和微觀偏析得到改善[54].

5 展望

高品質(zhì)、低消耗、低排放是制造業(yè)共同的追求,而高潔凈和均質(zhì)化是金屬材料領(lǐng)域孜孜以求的目標.由于脈沖電磁場可以顯著提高金屬的潔凈度和均勻度,加之其線路負荷小、能耗低、無排放和對金屬本身無污染等一系列優(yōu)勢,必將得到更加廣泛的關(guān)注和應(yīng)用.

圖9 PMO對65Mn冷鐓鋼凝固組織的影響[75]Fig.9 Inf l uence of PMO on 65Mn cold heading steel solidification structures[75]

圖10 PMO作用下GCr15軸承鋼連鑄坯凝固組織[76]Fig.10 Solidification structures of GCr15 bearing steel during continuous casting under PMO[76]

圖11 PMO對20CrMnTi連鑄坯的影響[78]Fig.11 Inf l uence of PMO on GCr15 bearing steel during continuous casting[78]

研究和認識脈沖電磁場在金屬熔體中的電磁效應(yīng),特別是電磁效應(yīng)的分布規(guī)律,對于科學合理地應(yīng)用脈沖電磁場具有十分重要的意義,在今后相當長一段時期內(nèi)必將成為研究熱點.研究重點包括:脈沖電磁場在金屬熔體中電磁效應(yīng)的基本理論、電磁效應(yīng)在金屬熔體中的分布規(guī)律、電磁效應(yīng)與金屬熔體中夾雜物等異質(zhì)相的相互作用,以及電磁效應(yīng)對金屬熔體流動、溶質(zhì)遷移和相變的影響規(guī)律和機制.

值得注意的是,脈沖電磁場“瞬時”和“高能”兩個特點,使其物理模型的建立、數(shù)學解析和數(shù)值計算,以及實驗測定都有很大的難度.加之金屬熔體“高溫”和“不透明”兩個特點,使脈沖電磁場在金屬熔體中電磁效應(yīng)的研究更加困難.因此,該領(lǐng)域的研究需要物理、冶金、材料領(lǐng)域的學者以及實驗技術(shù)人員的協(xié)同工作,需要理論研究和實驗研究的相互印證,需要數(shù)值模擬和實驗模擬的相互支撐.在模擬研究中,基于物性相似的以此見彼的物質(zhì)模擬、以小見大的幾何模擬,以及以點見面的熱模擬等物理模擬方法將相互補充,與數(shù)值模擬一起為脈沖電磁場新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用發(fā)揮重要作用.