下行波磁場(chǎng)在熔體凈化中的應(yīng)用

張林英　楊勛剛　姚志勇　胡旭峰

摘 要：研究了在0Hz～50Hz范圍下行波磁場(chǎng)作用下，圓柱型坩堝內(nèi)鈾金屬熔體中的夾雜物運(yùn)動(dòng)遷移行為。模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在下行波磁場(chǎng)作用下，熔體中夾雜物在圓柱型坩堝上部靠近磁場(chǎng)發(fā)生器處，具有明顯的富集區(qū)域，下行波磁場(chǎng)對(duì)熔體中夾雜物具有凈化作用。

關(guān)鍵詞：下行波磁場(chǎng)；熔體凈化；夾雜物

中圖分類號(hào)：TG292 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）03-0178-02

Abstract： Under the action of downward wave magnetic field in the range of 0Hz～50Hz， the movement and migration behavior of inclusions in uranium metal melt in cylindrical crucible were studied. The simulation and experimental results show that under the action of the traveling magnetic field， the inclusions in the melt are concentrated in the upper part of the cylindrical crucible near the magnetic field generator， and the downward wave magnetic field can purify the inclusions in the melt.

Keywords： downward wave magnetic field； melt purification； inclusion

1 概述

眾多研究表明夾雜物是對(duì)金屬材料的塑性、韌性以及材料的抗腐蝕性能帶來(lái)不良影響。金屬冶煉過(guò)程中夾雜物控制自然成為重要的關(guān)注點(diǎn)。熔體凈化方法有許多，其中電磁凈化技術(shù)無(wú)需接觸熔體，不會(huì)造成二次污染，而且磁場(chǎng)發(fā)生設(shè)備較為簡(jiǎn)單，因此在被提出之后受到了冶金工作者關(guān)注，被譽(yù)為新興的熔體凈化技術(shù)[1-2]。本文采用下行波磁場(chǎng)，研究了磁場(chǎng)頻率與電流強(qiáng)度變化對(duì)熔體流場(chǎng)以及熔體中夾雜物遷移運(yùn)動(dòng)行為的影響，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與討論。

2 材料與方法

實(shí)驗(yàn)與設(shè)備：

實(shí)驗(yàn)原料為貧化鈾，采用原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）分析得到原料中主要雜質(zhì)元素成分，其中主要非金屬雜質(zhì)元素為：C-620μg/g，N-120μg/g。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為真空電磁凈化爐，行波磁場(chǎng)頻率在（0-50）Hz，電流在（0-400）A范圍內(nèi)可調(diào)，采用三相交變電源。實(shí)驗(yàn)中使用坩堝內(nèi)徑為Ф70mm、H=200mm圓柱形坩堝。在1200℃保溫10min，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示，樣品處理完后，將坩堝移出加熱區(qū)，爐冷至室溫，試樣分別編號(hào)。經(jīng)電磁凈化處理后，將鑄錠沿中軸線縱向解剖，試樣剖面逐級(jí)打磨后拋光，經(jīng)超聲清洗后，采用金相顯微鏡觀察夾雜物的尺寸、分布特點(diǎn)等。凈化后的鑄錠金相樣品主要觀察了鑄錠上部區(qū)域與下部區(qū)域。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1分別為采用下行波磁場(chǎng)處理的鑄錠上部（T1，2，3樣品）拋光態(tài)的金相圖。取多個(gè)視場(chǎng)觀察，不同磁場(chǎng)強(qiáng)度與頻率下行波凈化后的鑄錠上部中夾雜物分布未有明顯變化。隨著行波磁場(chǎng)作用增強(qiáng)，可以觀察到T1樣品到T3樣品中夾雜物尺寸依次減小，在T3樣品中可以看到有夾雜物碰撞聚合的效果。

圖2為T2與T3樣品鑄錠下部邊緣部位典型拋光態(tài)的金相圖，可見(jiàn)在鑄錠下部仍然有團(tuán)簇的夾雜物分布，證明在坩堝邊緣下行的熔體會(huì)將上浮于頂部的夾雜物又從新帶回熔體中，因此下行波磁場(chǎng)加載時(shí)間也是值得凈化過(guò)程中考慮的因素。

表2為經(jīng)行波磁場(chǎng)處理后鑄錠中下部主要雜質(zhì)化學(xué)成分分析結(jié)果，其中C元素為主要?dú)堄嚯s質(zhì)。從結(jié)果可以看出經(jīng)下行波磁場(chǎng)處理后雜質(zhì)去除效果優(yōu)于重力沉降法，且隨著下行波電磁力的增加，鑄錠中下部的雜質(zhì)含量逐漸減少，說(shuō)明在層流條件下，下行波磁場(chǎng)具有去除金屬鈾中夾雜物的效果。何彥潔[3]在對(duì)行波磁場(chǎng)凈化鋁硅銅合金體系的實(shí)驗(yàn)研究中也得到增加電磁力能促進(jìn)夾雜物聚集長(zhǎng)大，優(yōu)化凈化效果的結(jié)論。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，下行波磁場(chǎng)通過(guò)驅(qū)使熔體運(yùn)動(dòng)，能加速中心區(qū)域的夾雜物上浮，尺寸較大夾雜物集中于鑄錠帽口中心區(qū)域，尺寸較小的夾雜物分布于鑄錠帽口邊緣區(qū)域。與重力沉降相比，下行波磁場(chǎng)能加速熔體中夾雜物富集在熔體頂部與近坩堝壁區(qū)域，增加下行波磁場(chǎng)強(qiáng)度與頻率能使夾雜物富集速率加快。

參考文獻(xiàn)：

[1]何彥潔，李丘林，劉偉.利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)去除鋁熔體中的夾雜物顆粒[J].熱加工工藝，2011，19：1-3.

[2]Volz M P， Mazuruk K. Lorentz body force induced by traveling magnetic fields[J]. Magneto-hydrodynamics， 2004，40（2）：117-127.

[3]何彥潔.非金屬顆粒在磁場(chǎng)下遷移規(guī)律的研究[D].北京：清華大學(xué)材料系，2011.