電磁分離鋁合金中富鐵相雜質(zhì)的研究.pdf

1、電磁場在冶金中的應(yīng)用是近年來冶金工作者致力研究的重要領(lǐng)域之一，利用電磁場，可以對熔融金屬進(jìn)行非接觸性的加熱、攪拌、傳輸和形狀控制，作為冶金領(lǐng)域中的一項(xiàng)潛在新技術(shù)——電磁凈化，近年來已經(jīng)受到日、美等發(fā)達(dá)國家的重視。本文在總結(jié)前人相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，對交變電磁力場和穩(wěn)恒磁力場作用下的鋁熔體中富鐵相雜質(zhì)顆粒的遷移行為進(jìn)行了理論研究和試驗(yàn)應(yīng)用研究。 對自制電磁場發(fā)生器，進(jìn)行了理論分析和計(jì)算，建立了磁感應(yīng)強(qiáng)度分布模型和電磁力體積模型。對雜質(zhì)

2、顆粒在電磁場中的受力情況進(jìn)行了分析，建立了其在電磁力和磁場力作用下的運(yùn)動模型，計(jì)算了理論分離效率。計(jì)算出了在電磁力和磁場力作用下雜質(zhì)顆粒的運(yùn)動速度，采用柱塞流模型和軌線模型得出了雜質(zhì)顆粒的分離效率。確定了影響電磁分離效率的因素，包括分離通道寬度、金屬熔體流速、分離通道長度、電磁力體積密度和磁感應(yīng)強(qiáng)度。分離效率隨分離通道寬度和金屬熔體流速的減小而提高；隨分離通道長度的增加、電磁力體積密度、磁感應(yīng)強(qiáng)度的提高而提高。在電磁力的作用下，雜質(zhì)顆粒

3、的粒徑對分離效率的影響最大；在磁場力的作用下雜質(zhì)顆粒的粒徑和磁感應(yīng)強(qiáng)度對分離效率的影響最為明顯。 結(jié)合試驗(yàn)室的條件，自行設(shè)計(jì)了采用了工頻電流激勵，閉合磁路設(shè)計(jì)的交變磁場發(fā)生器和穩(wěn)恒磁場發(fā)生器。整套設(shè)備投資少，工作穩(wěn)定，幾乎不需要人工維護(hù)，而且氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布均勻。尤其在電路中采用串聯(lián)電容器的設(shè)計(jì)，大大降低了電路的總阻抗(減少90％以上)，降低了無功功率，減少能耗。 富鐵相雜質(zhì)是鋁合金產(chǎn)品中的一類主要雜質(zhì)，其存在形態(tài)

4、多種多樣，但都具有運(yùn)動阻力大的特點(diǎn)，電磁場對其的分離效果不理想，本文首次采用聯(lián)合添加劑和預(yù)先熱處理的方法使其形態(tài)規(guī)則化。試驗(yàn)結(jié)果表明，對于鋁硅合金來說，單純加入Mn元素的方法不能從根本上抑制針狀鐵相的出現(xiàn)，Mn可以從一定程度上改變富鐵相的形態(tài)，適宜的加入量為Mn/Fe=1.1左右。經(jīng)過熱處理的Al-Si合金熔體，加入Mn后富鐵相以規(guī)則的多邊形形態(tài)析出，幾乎完全抑制針狀鐵相的出現(xiàn)，適宜的加入量為Mn/Fe=0.5～1.1。多邊形富鐵相粒徑

5、的大小和Mn的加入量密切相關(guān)，通過控制Mn(Mn/Fe=0.5～1.1)的加入量，可以使大部分富鐵相以一定粒徑(10～40μm)析出。對于含硅較少的鋁來說，Mn的加入可以改善富鐵相的形態(tài)，合適的加入量為Mn/Fe＞1，以Mn/Fe=1.4～1.5為宜，但不能完全抑制不規(guī)則富鐵相的出現(xiàn)。證明了Mn-Fe-Si-4Al和Mn-Fe-6Al在800℃是順磁性物質(zhì)，可以被磁場磁化，從理論上講，磁場力可以分離鋁熔體中的富鐵相雜質(zhì)。 對鋁熔

6、體和鋁硅合金熔體中的富鐵相雜質(zhì)顆粒進(jìn)行了靜態(tài)和動態(tài)電磁分離試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中分別考察了電磁力和磁場力對雜質(zhì)顆粒的分離作用，研究了磁感應(yīng)強(qiáng)度、富鐵相雜質(zhì)顆粒形態(tài)、擾流現(xiàn)象、分離通道寬度、分離通道的截面形狀和金屬液環(huán)流面積大小等因素對分離效果的影響。靜態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果表明，穩(wěn)恒磁場產(chǎn)生的磁場力對富鐵相雜質(zhì)顆粒有分離作用，800℃是比較適宜的分離溫度。交變磁場產(chǎn)生的電磁力和磁場力對鋁熔體中的富鐵相雜質(zhì)顆粒都有分離作用，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度小于120mT時

7、，磁場力的作用明顯，雜質(zhì)顆粒富集在分離器的側(cè)面；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度大于145mT時，電磁力的作用較明顯，雜質(zhì)顆粒富集在分離器的內(nèi)側(cè)。添加金屬錳可以改善鋁熔體中富鐵相雜質(zhì)的分離效果，適宜的加入量為Mn/Fe=1.5；采用預(yù)先熱處理和添加金屬錳相結(jié)合的方法可以提高鋁硅合金熔體中富鐵相雜質(zhì)的分離效率，適宜的加入量為Mn/Fe=1.1?？s短分離通道的寬度可以有效提高分離效率。 動態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果表明，增加磁感應(yīng)強(qiáng)度可以提高分離效率，對于A1-1w

8、t％Fe-1.1wt％Mn-10wt％Si合金，F(xiàn)e元素的分離效率可以達(dá)到65％；對于A1-1wt％Fe-1.5wt％Mn-0.5wt％Si合金，F(xiàn)e元素的分離效率可以達(dá)到30％，在提高磁感應(yīng)強(qiáng)度的同時，也對分離器提出了更高的要求。采用矩形截面分離通道的分離效率最高，采用三角形截面分離通道的分離效率次之，采用圓形截面分離通道的分離效率最低。對于以上兩種合金，增加1倍的金屬液回路面積，采用矩形截面的分離通道可以提高12％和10％的分離效率