電磁技術在金屬材料科學與工程中的應用

王旭江

摘 要：經濟社會的不斷前進發展也為科學技術的發展提供了強大的動力，而電磁技術也隨之得到了極大的發展，并且當前電磁技術不止應用在物理學之中，而且已經廣泛應用在工業之中，在金屬材料科學與工程中的應用也正在發展優化過程之中。基于此，本文首先分析了電磁技術，再分析了當今電磁技術的發展方向，最后分析了電磁技術在金屬材料科學與工程中的應用，以此來供相關人士交流參考。

關鍵詞：電磁技術;金屬材料科學;工程應用

引言

電磁技術是在物理學基礎上發展而來，雖然起步較晚，但是發展非常迅猛，已經應用到了人們生產生活的各個方面，對人們的生產生活產生了不小的影響。目前國內對于電磁技術的應用相比于外國而言更加薄弱，時間更晚，但是其對于科學技術的推動起到了非常重要的作用。

一、電磁技術

電磁技術是是基于電磁熱流體力學為理論，而電磁冶金是關于材料制造與冶金的一種新興的工程學科。電磁冶金通過金屬受到的洛侖磁力來對金屬的組織結構產生改變，并且對于金屬的表面形態以及內部流動的方式也會產生影響。在密閉的環境下，電磁力可以通過非接觸的方式進入到金屬的內部，使得金屬內部的組織性能提高，改善材料的質量，還可以避免金屬的氧化。隨著電磁技術的發展，電磁流體力學被人們所發現，并將其應用于冶金生產過程中，并在生產發展之中逐步發展出了電磁懸浮熔煉、電磁攪拌等冶金技術，并且還發展到了材料制備過程中，也就是材料電磁過程[1]。

低頻電磁鑄造技術，簡稱EMC，是通過電磁感應原理來進行無模型的連續鑄造。利用低頻鑄造技術可以有效使得晶粒細化降低宏觀上的偏析，使得鑄態力學的性能顯著提升，使得鑄錠表面更加完善，可以在一定程度上減少鑄造時裂紋的產生。一般低頻電磁鑄造技術的鑄錠表面的偏析瘤比較稀少并且表面較為光滑，但是都會有非常淺的豎紋[2]。一般低頻電磁鑄錠的平均晶粒尺寸都很小且鑄錠都是等軸晶組織;在鑄造的過程中的形核率就會大大增加，這就使得組織可以更加細小且能夠均勻分布。

電磁懸浮熔煉技術，簡稱EML，通過線圈的交變電流來產生電磁場，這樣就可以產生感應電流，感應電流在空間之中可以產生電磁力使得金屬可以懸浮在空間中，同時感應電流還可以對金屬進行加熱熔化，對其進行過熱熔煉等等。電磁懸浮熔煉技術在進行加熱熔化和凝固時，都不會觸碰到熔爐的內壁，這可以使得熔爐內部更加清潔，避免受到污染，同時也可以增大熔爐的熔化量。合金元素與金屬粉末在燒結成為試樣以后，利用電磁作用可以使得熔化的各種材料得到充分的混合，在真空環境下進行試件的加熱熔化，能夠得到更加純凈無雜質的材料。然而使用電磁懸浮熔煉技術依然有一些無法避免的缺陷，電磁懸浮相比其他技術而言，其效率更低并且穩定性較差，對于溫度難以把控。并且電磁懸浮的體積比較巨大，頻率也比較高，因此其使用也受到了很大的限制，在今后的發展之中，電磁懸浮技術可以盡力往小型化的方向發展。

二、電磁技術的發展前景與方向

當前電磁技術的主要發展方向，可與材料科學與工程應用兩者結合，提高材料制造的質量與效率，這將可以極大提升新型材料的物理性能，能夠使得新型材料的生產良率得到提高，這也將是未來一段時間電磁技術的主要發展方向。當前在新型材料的制備過程之中，國內目前已經有了此類項目的研究并且取得了一些階段性的成果，但是這些項目還并沒有轉換為生產力。但有幸的是當前已經有越來越多該領域以及相關專業的人才已經開始注重電磁技術的發展，許多專業技術人員都偏向于將電磁技術發展到材料科學之中。但目前在金屬材料科學中引入電磁技術我國還處于起步階段，利用電磁技術還有很大的發展空間，應用前景廣闊，但由于技術限制等諸多的因素，電磁技術利用還不能大規模展開。因此需要我們更多的相關領域的專業研究學者與技術人員共同努力，將理論進行不斷的發展并將其高效地應用到實踐之中，使其能夠更快地轉換為生產力創造經濟效益，從而服務人民，造福社會。

三、電磁技術在金屬材料科學與工程中的應用

（一）電磁攪拌的應用

在金屬材料科學中應用電磁技術，其中電磁攪拌技術的應用最為廣泛。電磁攪拌技術是通過電磁感應來產生作用力，使其能夠對液態金屬做出定向的促使液態金屬能夠進行規制運動的推動力，由此來改變液態金屬的物理形態。使用電磁攪拌技術能夠利用鑄造抔來進行定型，這可以使得液態金屬的凝固過程得到極大的改良，與人工鑄件相比，能夠大大改善液態金屬的分子遷移與熱傳導能力，在凝固過程中采取電磁攪拌，使得液態金屬的凝固組織得到極大的改善[3]。電磁攪拌能夠在很大程度上提升金屬材料的品質，并且對生產工具的磨損程度很小，可以顯著提升生產工具的使用壽命，也可以在一定程度上減輕專業工作人員你的勞動強度。目前國內已經有一些企業在使用電磁攪拌技術，并且取得了不小的收益，效果反響明顯。

（二）電磁制動的應用

在過去的板坯連鑄時，浸入式水口會噴出高速流動的鋼液，過快的流速會導致結晶器中鋼液形成劇烈的湍流，引發鋼液面的波動，這就會使得卷渣較多，這也會造成結晶器壁被強大的射流流股過分沖刷，造成窄面的凝固殼被熔。這些流股還具有穿透性，能夠讓一些雜質被沖入到凝固殼之中，這也是破壞板坯質量的重要因素之一。使用電磁制動技術可以在結晶器水口處與水口流出的鋼液方向互相垂直的一個持久穩定的磁場，而液態金屬一般會切割磁力線來進行運動，根據歐姆定律，這就會使得液態金屬內部出現電流，而電流與磁場會進行交互作用，使液態金屬內出現與液態金屬流動相反的洛倫磁力。這就可以利用這種對于液態金屬流動的形式來提升鑄坯的質量，對于操作工藝有極大的改善效果。

（三）電磁鑄造的應用

電磁鑄造技術最早源自于蘇聯，是一種無模的半連續性的鑄造技術，使用冷銅線圈感應器來束縛液態金屬立柱，使電磁力作為其支撐。在流場以及電磁場等綜合作用之下，利用電磁力將液態金屬約束成型，這也是當前全球最常見的鋁合金的鑄造方式。在感應器中接入交變電流，可以產生交變電磁場，當液態金屬流經磁場時，會產生感應電流，感應電流與液態金屬流向相反，其與磁場相互作用可以形成向線圈中心方向的電磁力[4]。電磁力給予液態金屬支撐來使得其在感應器的內部成型，鑄機又帶動鑄錠下移并不斷向上輸送金屬液，鑄錠會受到感應器持續的冷水噴淋，最終使得液態金屬冷卻成型。由此可見，與普通的鑄造技術相比，電磁鑄造獲得的金屬材料其組織能力更加優良。

（四）電磁凈化的應用

電磁凈化技術是指利用磁化技術，將液態技術內部的雜質去除出去。具體操作是在陶瓷管內加入規定量的金屬液體，將注入金屬液的陶瓷管放入磁場之中，利用磁場不斷的變化作用可以將金屬液體改變成與磁場變化規律相同的渦流。磁場與渦流也會互相影響，產生出電磁力并朝向軸心方向。一般金屬材料與非金屬材料相比擁有更好的導電性能，且一般含有雜質的電流密度也比較小，因此電磁力對其影響也較小，此時雜質就會在反向體積力的作用之下與電磁力的反方向進行運動，最終粘附到管壁上，此時就可以輕易將其去除。根據大量的研究，可以驗證利用高頻與高強度的磁場對于液態金屬中雜質的去除能夠起到更好更潔凈的效果。目前國際上對于電磁凈化的分類主要分為兩大類，一是感應式凈化，二是傳導式凈化，一般兩者采取的方案都有旋轉磁場、高頻磁場、交變復合電磁場以及交變電流或是直流電等方案進行。因此在進行液態金屬凈化時，可以加大分離器的管徑并增強磁場的感應強度，這可以使得液態金屬的凈化能夠更加徹底，并確保液態金屬的凈化工作能夠順序有效的進行。

四、結束語

綜上所述，電磁技術還依然是處于一個比較新的發展階段，電磁技術在材料科學方面的應用發展還有很大的潛力值得去挖掘，相關領域還有很多具有重要意義的科學研究還未進行。在材料的研究加工生產之中，電磁冶金技術已經成為了提高生產工藝和材料質量的重要技術，而電磁技術所擁有的安全性能以及其優勢是材料科學今后發展的必需技術。對于電磁技術的研究發展，我國還與國外有一定的差距，應當努力縮小差距，并且使電磁技術能夠在我國的應用更加廣泛，及時使得研究成果轉換為生產力，推動我國金屬制造行業的發展前進，并且借此來促進我國材料科學的不斷發展和進步。

參考文獻

[1]張睿.應用技術類材料科學與工程專業卓越工程師教育培養實踐[J].科技與創新，2018（23）.

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[3]關巖，欒艦，李志輝，et al.無機非金屬材料工程專業實驗教學體系的研究與實踐[J].教育教學論壇，2017（39）.

[4]高麗敏，王蕾，趙志鳳，et al.基于建構主義的《無機非金屬材料工藝學》課程教學實踐改革探討[J].科學技術創新，2017（9）：81-81.