电磁搅拌工艺技术在铝合金生产中的应用

电磁搅拌工艺技术在铝合金生产中的应用

刘大军

贵州省遵义市播州区遵义铝业股份有限公司贵州遵义563100

摘要：铝合金是世界工业中目前使用最为广泛的有色金属结构材料之一，主要大量应用在航天工业、航空工业、船舶工业、机械制造工业、汽车工业和化工工业以及民用工业中。但过去铝合金的生产过程中，使用的是接触式搅拌方法，生产效率低，能源浪费严重，而且还会造成熔体的二次污染。本文简单的介绍了电磁搅拌工艺技术的发展和在铝合金的工业生产中，电磁搅拌工艺技术的原理和优势，利用其安全性和经济性的优点，提高铝合金生产的效率和产品质量。

关键词：电磁搅拌；铝合金；结晶器；应用

随着我国工业经济的快速发展，对铝合金产品需求量日益增多，使铝合金的熔化铸造的研究也随之深入。

一、传统接触式搅拌方法的缺点

在铝合金的生产过程中，过去一直使用的是接触式搅拌工艺技术，即生产过程中工人必须敞开炉门，利用人工使用铁耙直接搅拌铝合金熔体，热量损失非常大，电量供应的时间也延长，不仅耗费大量能源，而且铝合金熔液极易溅到熔炉顶部，严重侵蚀硅碳棒和镍铬带等发热组成元件，消耗量过高。此种搅拌工艺方法远远落后于现在广泛应用于合金生产的电磁搅拌工艺方法。人力操作铁耙进行搅拌，工人劳动强度也大，由于受熔炉门口大小的限制，搅拌范围小，搅拌均匀性差，生产效率低，浪费能源，也容易造成铝合金熔体的二次污染。

二、电磁搅拌技术历史发展

1930年，瑞典首先提出了电磁搅拌技术在钢铁生产中的应用，并在1939年瑞典钢厂的电弧炉上完成实验，其方法是将电磁搅拌器放置在电弧炉的底部。

1947年瑞典生产出世界上第一台使用电磁搅拌器装置的15吨电弧炉。随后，日本、美国也相继研制和发明了使用电磁搅拌装置的铝熔炉，容量从5吨-110吨，并且均投入到铝合金工业生产中，取得了明显的工业生产效果。

在二十世纪六十年代中期，我国也开始研制带有电磁搅拌器装置的电弧炉，并在七十年代中期成功研制出生产能力为40吨的带有电磁搅拌器装置的电弧炉，并投入生产。1989年年末，我国在制铝工业生产中，第一台电磁搅拌器在青铜峡铝厂安装成功并投入生产，之后，我国的电磁搅拌工艺技术，在各个工业生产领域不断的发展和提高。目前，铝熔铸电磁搅拌工艺技术已经广泛地应用于普通铝合金工业生产、特种铝合金工业生产以及高纯铝的冶炼铸造工业生产中。

三、电磁搅拌器的工作原理

1，电磁搅拌器的工艺技术，其工作原理就是利用一种特殊的变频电源，将三相交流电改变成超低频的两相或三相正交的交流电，然后在利用直线异步感应电机的工作原理，所产生电磁方向和电磁大小可变的行波磁场，也叫平移磁场，在行波磁场的作用下，这个磁场可以穿过熔炉底部作用于铝熔液，并推动铝熔液在铝熔炉内有规律的定向平行运动，从而完成对熔炉内的铝溶液产生无接触式搅拌作用。

2，把通入交流电的一组感应线圈，在其终端产生适当的电压相位差，再由于电磁场的交变作用，电磁搅拌器系统内的金属包括液态金属，感应产生震荡磁场和电流密度场，进而形成一个洛伦兹力场。正由于其之间的相位关系所产生的不仅仅是震荡运动，而是一个使铝液体产生旋转运动的力场。

3，由此可知，电磁搅拌主要是依靠电磁力对铝液体进行非接触式搅拌的，不会像人工用铁耙搅拌那样容易污染熔体。通过改变电流的大小就可以调整搅拌力度，只要改变两相电流的相位即可以改变自动搅拌方向，因此搅拌方便而充分，使熔体的温度和铝合金成分均匀生产。

4，电磁搅拌工艺一般由低频电源装置、变频控制器、隔离变压器、电气控制柜、炉底感应器和冷却系统等部分组成，。其中变频控制器是电磁搅拌工艺技术的最核心的部分；感应器应放置于铝熔炉的最底部，由铁心和线圈构成；冷却系统主要用于冷却感应器的铁心和线圈，使铁心和线圈不会因熔炉温度过热而遭到损坏。

四、电磁搅拌在结晶器上的应用

近几年来，由于科学技术的不断发展，电磁搅拌工艺技术在铝合金生产工业中的应用又增加了新方法，由熔炉内搅拌发展到在结晶器中的搅拌。结晶器一种槽形容器，在器壁上设有夹套和在容器内装有蛇管，其目的是用来加热或冷却结晶器槽内的铝熔液。结晶槽可做蒸发结晶器或冷却结晶器。为提高晶体生产强度，可在槽内增设搅拌器。结晶槽可用于连续性操作或间歇性操作。

铝合金熔体组织部分在电磁不断的强烈搅拌作用下逐渐凝固时，促使晶体在向各个方向上的加速长大速而且产生均匀变化，凝固的铝合金组织变化形成树枝晶碎细化和一次固体晶体变得圆整。

1，形成树枝晶碎细化原因，主要是铝合金熔体在电磁搅拌强烈作用下，在枝晶臂上形成了一个剪切力，由于液态铝合金熔体的不断的平行流动，从而使枝晶臂萎缩断裂，而且加速了枝晶根部的重熔，液体的不断流动改变和加速溶质的不断大规模扩散，使枝晶根部逐渐出现萎缩现象并形成枝晶断裂，并把熔断的枝晶带离母晶粒，然后再生长出成新的晶粒，同时，在热对流的过程中温度也进行反复不断变化，也同样加速了枝晶的萎缩而不断的断裂。总的来说，多种不同的因素的共同相互作用形成了树枝晶碎细化的现象。

2，形成一次固体晶体变圆整现象，主要是由于一次固态晶体之间相互发生碰撞，以及它们又与铝合金熔体之间也发生碰撞、相互摩擦和相互冲刷等作用，由于固相颗粒在其各个方向上的温度始终处于均匀运动状态，也不存在热流的方向性，另外，在固一液界面处也不存在熔体物质富集的现象，进而排除了熔体成分过冷现象，使得晶体在结晶器内各个方向上的长大速度既快而且均匀，最后变成圆整的颗粒状组织现象。

五、利用电磁搅拌工艺技术的优势

1，电磁搅拌工艺技术可以强化基体的组织性能，改善铝合金熔体的整体偏析，细化晶体，在搅拌过程中能防止羽毛晶组织产生，提高铝合金金属的结晶质量。

2，因为电磁搅拌工艺技术是依靠电磁力对铝合金熔体进行非接触式搅拌，在搅拌过程中，可以实现铝合金熔体成分运动均匀化，不会对熔体带来二次污染，保持了原有铝合金的成分不变。

3，电磁搅拌工艺技术可以控制熔炉内的温度变化，铝合金熔体的上下温差不超过10℃以内，保持搅拌温度在均匀的条件下工作。

4，由于电磁搅拌对铝合金熔体的充分搅拌，熔体的温度又上下均匀，使铝合金的成分扩散的更充分，因而缩短熔炼的工作时间，提高了设备的生产能力。

5，由于电磁搅拌工艺技术在生产过程中，无需打开熔炉门，大量减少热损失。另外该工艺技术还可以在低温下进行熔化作业，降低炉内的气体温度，从而减少废气的热损失和通过炉壁的散热损失。由于缩短了熔化的时间，温度均匀的优势，在铝合金熔炼的过程中还可以降低熔体温度50℃，大大降低了能源消耗。

6，由于使用电磁搅拌工艺技术，可以使产生的氧化渣定向移动，便于工人的扒渣工作。在生产过程中无需关开炉门的活动，也不需要使用人工进行搅拌，使工人的劳动强度和工作环境得到了改善，还能延长熔炉的使用寿命。

结束语

电磁搅拌工艺技术在铝合金生产中的应用，使铝合金熔化铸造的生产过程能够完全得到控制，可以均匀的搅拌铝液的成分和控制熔体的温差，同时大大地缩短了铝锭熔化时间，减少了能源消耗，降低了生产成本。电磁搅拌工艺技术在结晶器上的使用，也优化了铝合金组成原子的排列次序，改善了铝合金的内部组织结构合理性，提高了铝合金产品的质量和性能。同时，也为下一阶段铝合金产品的机械加工奠定了良好的基础。

参考文献

1.朱明原等ZL101A非树枝晶铸态组织的力学性能{J}上海大学学报.（自然科学版），1995.5（4）：308

2.井满清.电磁搅拌工艺技术在铝合金生产中的应用.青海科技（研究与开发）2005.01