徐燕祎, 翟啟杰

(上海大學(xué)先進(jìn)凝固技術(shù)中心,上海200444)

在跨入21世紀(jì)后,人類認(rèn)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(xué)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(xì)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(xué)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(qiáng)磁場等超高強(qiáng)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(qiáng)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(shí)能量高而線路負(fù)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(xué)利用脈沖電磁場實(shí)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(qiáng)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(dǎo)率;μ0為真空磁導(dǎo)率.式(2)表示傳導(dǎo)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(shí),會產(chǎn)生感應(yīng)磁場.脈沖磁場作用于金屬熔體時(shí),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(dāng)傳導(dǎo)電流或者感應(yīng)電流通過金屬熔體時(shí),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(dǎo)率不同,界面處會產(chǎn)生接觸電位差.當(dāng)電流通過固液界面時(shí),會產(chǎn)生額外熱量,稱為Peltier熱[19].有學(xué)者認(rèn)為Peltier熱相較于焦耳熱有數(shù)量級差別,可忽略[20].另外,當(dāng)脈沖電流或感生的脈沖渦流通過金屬熔體時(shí),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(dāng)脈沖電流進(jìn)入金屬熔體時(shí),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(dāng)脈沖磁場作用于金屬熔體時(shí),會產(chǎn)生感應(yīng)電流,進(jìn)而產(chǎn)生電磁力.電磁力表達(dá)式為

根據(jù)磁流體力學(xué)理論,當(dāng)產(chǎn)生的電磁力作用于金屬熔體時(shí),電磁力將驅(qū)使流體運(yùn)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(shí)速度;p為壓力;ν為熔體運(yùn)動學(xué)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(jìn)行書寫,等式左側(cè)第一項(xiàng)稱為局部加速度,代表空間某點(diǎn)處,流體質(zhì)量隨時(shí)間的變化率;等式左側(cè)第二項(xiàng)稱為對流加速度,代表某一時(shí)刻,空間不同點(diǎn)處由于速度不同而引起的位變加速度;等式右側(cè)第一項(xiàng)稱為壓力項(xiàng),代表流體靜壓力;等式右側(cè)第二項(xiàng)稱為擴(kuò)散項(xiàng),代表流體微團(tuán)由于黏性產(chǎn)生的切應(yīng)力;等式右側(cè)第三項(xiàng)為源項(xiàng),代表重力、電磁力等其他施加在流體微團(tuán)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)手段的進(jìn)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(shí),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(jìn)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(yùn)動.

Xu等[25]在方形熔體壁布置兩個(gè)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(qiáng),且在電極與熔體界面處達(dá)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(dǎo)致熔體內(nèi)部電場減小,同時(shí)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(shí)測電場驗(yàn)證.張榮等[27]研究平行電極條件下電磁場分布規(guī)律時(shí)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(qiáng)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(xiàng)數(shù)值與電流強(qiáng)度呈正相關(guān),與脈寬呈負(fù)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(qiáng)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(yùn)動,而電極下方熔體向電極底部運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(dá)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(yuǎn)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(gè)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(shí)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(yùn)動,下半部分熔體向上運(yùn)動.進(jìn)一步地,將ECP與等效直流電作用下熔體流場分布實(shí)測值進(jìn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.此外,也進(jìn)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(gè)流動強(qiáng)度很大的射流,金屬熔體在這兩個(gè)射流的作用下,進(jìn)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(jìn)一步的研究表明熔體流動強(qiáng)度受電流分布影響.在平行電極實(shí)驗(yàn)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(jìn)而獲得不同強(qiáng)度的熔體流動.研究表明:電極側(cè)壁涂有BN時(shí),電流經(jīng)由電極底部進(jìn)入熔體;電極側(cè)壁不噴涂BN時(shí),電流主要沿熔體表面?zhèn)鞑?上述兩種電流分布最終導(dǎo)致熔體內(nèi)電磁力分布規(guī)律存在差異.研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)相同電流通過電路時(shí),涂有BN的電極底部電磁力更集中,強(qiáng)度更大,相應(yīng)的熔體流動更強(qiáng).這說明通過改變電流分布,可以實(shí)現(xiàn)相同電流參數(shù)條件下對熔體不同流動強(qiáng)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(rèn)識,且ECP引起熔體中的流動機(jī)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(dāng)PMF作用于金屬熔體時(shí),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(dǎo)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(dāng)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(dāng)PMF經(jīng)由螺線管線圈產(chǎn)生,并作用于圓柱形金屬熔體時(shí),熔體內(nèi)電磁場呈軸對稱分布,因此可在柱狀坐標(biāo)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(dǎo)線在x-z平面產(chǎn)生的電磁場分布規(guī)律相似.認(rèn)識長直導(dǎo)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(dǎo)線沿垂直紙面方向延伸至無限遠(yuǎn),當(dāng)長直導(dǎo)線內(nèi)通有交變電流I sin(wt)ey時(shí),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(shí),熔體內(nèi)磁場Bz表達(dá)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(dá)式:

并對一個(gè)周期求時(shí)均值

式(9)和(10)右側(cè)第一項(xiàng)為壓力項(xiàng),在無自由液面情況下,該項(xiàng)對熔體內(nèi)部流動無貢獻(xiàn);第二項(xiàng)稱為對流項(xiàng),是產(chǎn)生熔體流動的根源.對流項(xiàng)的方向與當(dāng)?shù)卮鸥袘?yīng)強(qiáng)度沿z的梯度有關(guān),即沿豎直方向,該項(xiàng)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(yuǎn)離壁面的方向運(yùn)動,最終形成如圖3所示的環(huán)流.

圖3 長直導(dǎo)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(dá)式(9)的進(jìn)一步分析表明[34],壓力項(xiàng)與對流項(xiàng)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(qiáng).

在實(shí)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(dǎo)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(gè)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(gè)最佳脈寬使熔體流速達(dá)到最大.Zi等[36-37]研究了不同PMF強(qiáng)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(dá)到極大值.楊院生團(tuán)隊(duì)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(dāng)線圈內(nèi)通入的脈沖電流為三角波時(shí),一個(gè)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(gè)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(qiáng)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(shí),同樣發(fā)現(xiàn)熔體底部環(huán)流強(qiáng)度與頂部環(huán)流強(qiáng)度存在差異,如圖5(a)所示.這一現(xiàn)象在熔體密度較大時(shí)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(shí)發(fā)現(xiàn)熔體底部環(huán)流強(qiáng)度明顯大于頂部環(huán)流強(qiáng)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(dāng)熔體中心高于線圈中心時(shí),PMF引起熔體環(huán)流方向與二者對稱放置時(shí)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(dá)壁面后分別向液面和底部流動.清華大學(xué)沈厚發(fā)團(tuán)隊(duì)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(gè)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(yuǎn)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(gè)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(diǎn)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(gè)脈沖期間不同時(shí)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(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)進(jìn)行了細(xì)致的研究.研究表明,當(dāng)線圈中心與熔體中心重合[44-46]時(shí),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(fù)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(shí)間變化,但主要指向熔體內(nèi)部.Tp/4時(shí)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(qiáng).

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(yùn)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(jìn)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(gè)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(xué)樂啟熾團(tuán)隊(duì)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(rèn)為單一PMF有利于促進(jìn)熔體的振動,經(jīng)過疊加處理的PMF能同時(shí)促進(jìn)熔體的對流和振動.

李廷舉團(tuán)隊(duì)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(shí)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

4 脈沖電磁場在金屬潔凈化和細(xì)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(shí)現(xiàn)金屬的潔凈化,而且能有效促進(jìn)凝固組織晶粒細(xì)化[57-60],達(dá)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(yùn)動規(guī)律和晶粒細(xì)化機(jī)理,進(jìn)而指導(dǎo)金屬潔凈化和均質(zhì)化生產(chǎn)實(shí)踐.

在脈沖電磁場對金屬的潔凈化研究方面,秦榮山團(tuán)隊(duì)通過脈沖電流調(diào)控夾雜物向鑄件表面遷移,進(jìn)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(shí)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(shí),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(dǎo)率不同,因而受到的電磁力不同.上述電磁力導(dǎo)致夾雜物與熔體發(fā)生相對運(yùn)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(shí)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(xì)晶研究方面,研究者提出了諸多細(xì)化機(jī)理,包括異質(zhì)形核機(jī)制[61-63]、枝晶斷裂機(jī)制[64-66]、結(jié)晶雨機(jī)制[8]和原子團(tuán)簇機(jī)制[67].上述機(jī)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(shí),會產(chǎn)生磁壓力(見式(9)).Wang等[68]認(rèn)為磁壓力會促使金屬熔點(diǎn)升高進(jìn)而增大過冷度,有利于形核;秦榮山等[69]認(rèn)為脈沖電流的施加會引起熔體形核勢壘的減小,進(jìn)而增大形核率,促進(jìn)形核.通過計(jì)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(rèn)識到脈沖電磁場對異質(zhì)形核的影響.枝晶斷裂機(jī)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(rèn)為熔體宏觀流動會產(chǎn)生切應(yīng)力,當(dāng)切應(yīng)力足夠大時(shí)能夠折斷枝晶進(jìn)而導(dǎo)致凝固組織的細(xì)化;Liotti[66]基于合金溶質(zhì)濃度與熔點(diǎn)的關(guān)系,認(rèn)為在枝晶間的微觀流動作用下,當(dāng)溶質(zhì)富集的熔體流向溶質(zhì)含量低的區(qū)域時(shí),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(tuán)隊(duì)認(rèn)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(xì)晶機(jī)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(jī)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(xì)化的影響.王建中等[67]認(rèn)為脈沖電流能改變液態(tài)原子團(tuán)簇外電層密度,促使小原子團(tuán)簇匯聚成尺寸更大的團(tuán)簇,進(jìn)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(qiáng)制對流,可以加速金屬凝固過程的熱交換,進(jìn)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(xì)化.

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

認(rèn)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(xì)化的關(guān)系,進(jìn)而指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn).Zhang等[32]在脈沖電流處理Al-7%Si的凝固實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度相同時(shí),電磁力、流動強(qiáng)度越大,越有利于凝固組織的細(xì)化.這對于在工業(yè)生產(chǎn)中,相同能耗條件下,獲得更細(xì)小的凝固組織有著重要指導(dǎo)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(xì)化效果都強(qiáng)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(rèn)識,以及實(shí)驗(yàn)條件下金屬凝固組織潔凈化和均質(zhì)化的研究,一些學(xué)者開展了工業(yè)實(shí)驗(yàn).目前,秦榮山團(tuán)隊(duì)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(xì)晶技術(shù),包括上海大學(xué)翟啟杰團(tuán)隊(duì)的PMO技術(shù)[75-81]、中國科學(xué)院金屬研究所楊院生團(tuán)隊(duì)的低壓脈沖磁場(low-voltage pulsed magnetic field,LVPMF)技術(shù)[38-39]、大連理工大學(xué)李廷舉團(tuán)隊(duì)的PMF技術(shù)[54],其中翟啟杰團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(xiàng)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(shí)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(jiǎng)[90].

秦榮山團(tuán)隊(duì)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(dāng)電流密度和脈寬分別降低至1.0×105A/m2和20μs時(shí),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(tuán)隊(duì)將PMO技術(shù)應(yīng)用在鋼的模鑄和連鑄生產(chǎn)中,顯著地細(xì)化了凝固組織,促進(jìn)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(shí)驗(yàn),圖9(d)～(f)為對比實(shí)驗(yàn),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(jìn)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(jìn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)平均碳偏析指數(shù)從未處理的1.33下降至1.10;第二組實(shí)驗(yàn)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(yán)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(jì)鑄坯不同位置的碳的質(zhì)量分?jǐn)?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(tuán)特殊鋼生產(chǎn),顯著提高了鑄坯質(zhì)量和生產(chǎn)效率,同時(shí)PMO的能耗不足電磁攪拌的一半.

楊院生團(tuán)隊(duì)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(xì)化[13].沿鑄坯徑向統(tǒng)計(jì)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(tuán)隊(duì)在6063鋁合金半連續(xù)鑄造過程中施加PMF,同樣實(shí)現(xiàn)了金屬宏觀組織和微觀組織的細(xì)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(biāo).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(fù)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(rèn)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(xué)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(dāng)長一段時(shí)期內(nèi)必將成為研究熱點(diǎn).研究重點(diǎn)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(jī)制.

值得注意的是,脈沖電磁場“瞬時(shí)”和“高能”兩個(gè)特點(diǎn),使其物理模型的建立、數(shù)學(xué)解析和數(shù)值計(jì)算,以及實(shí)驗(yàn)測定都有很大的難度.加之金屬熔體“高溫”和“不透明”兩個(gè)特點(diǎn),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(xué)者以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的協(xié)同工作,需要理論研究和實(shí)驗(yàn)研究的相互印證,需要數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)?zāi)M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(diǎn)見面的熱模擬等物理模擬方法將相互補(bǔ)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.