下行波磁场在熔体净化中的应用

张林英　杨勋刚　姚志勇　胡旭峰

摘 要：研究了在0Hz～50Hz范围下行波磁场作用下，圆柱型坩埚内铀金属熔体中的夹杂物运动迁移行为。模拟与实验结果表明，在下行波磁场作用下，熔体中夹杂物在圆柱型坩埚上部靠近磁场发生器处，具有明显的富集区域，下行波磁场对熔体中夹杂物具有净化作用。

关键词：下行波磁场；熔体净化；夹杂物

中图分类号：TG292 文献标志码：A 文章编号：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

眾多研究表明夹杂物是对金属材料的塑性、韧性以及材料的抗腐蚀性能带来不良影响。金属冶炼过程中夹杂物控制自然成为重要的关注点。熔体净化方法有许多，其中电磁净化技术无需接触熔体，不会造成二次污染，而且磁场发生设备较为简单，因此在被提出之后受到了冶金工作者关注，被誉为新兴的熔体净化技术[1-2]。本文采用下行波磁场，研究了磁场频率与电流强度变化对熔体流场以及熔体中夹杂物迁移运动行为的影响，并对结果进行分析与讨论。

2 材料与方法

实验与设备：

实验原料为贫化铀，采用原子发射光谱法（ICP-AES）分析得到原料中主要杂质元素成分，其中主要非金属杂质元素为：C-620μg/g，N-120μg/g。实验设备为真空电磁净化炉，行波磁场频率在（0-50）Hz，电流在（0-400）A范围内可调，采用三相交变电源。实验中使用坩埚内径为Ф70mm、H=200mm圆柱形坩埚。在1200℃保温10min，实验参数如表1所示，样品处理完后，将坩埚移出加热区，炉冷至室温，试样分别编号。经电磁净化处理后，将铸锭沿中轴线纵向解剖，试样剖面逐级打磨后抛光，经超声清洗后，采用金相显微镜观察夹杂物的尺寸、分布特点等。净化后的铸锭金相样品主要观察了铸锭上部区域与下部区域。

3 实验结果

图1分别为采用下行波磁场处理的铸锭上部（T1，2，3样品）抛光态的金相图。取多个视场观察，不同磁场强度与频率下行波净化后的铸锭上部中夹杂物分布未有明显变化。随着行波磁场作用增强，可以观察到T1样品到T3样品中夹杂物尺寸依次减小，在T3样品中可以看到有夹杂物碰撞聚合的效果。

图2为T2与T3样品铸锭下部边缘部位典型抛光态的金相图，可见在铸锭下部仍然有团簇的夹杂物分布，证明在坩埚边缘下行的熔体会将上浮于顶部的夹杂物又从新带回熔体中，因此下行波磁场加载时间也是值得净化过程中考虑的因素。

表2为经行波磁场处理后铸锭中下部主要杂质化学成分分析结果，其中C元素为主要残余杂质。从结果可以看出经下行波磁场处理后杂质去除效果优于重力沉降法，且随着下行波电磁力的增加，铸锭中下部的杂质含量逐渐减少，说明在层流条件下，下行波磁场具有去除金属铀中夹杂物的效果。何彦洁[3]在对行波磁场净化铝硅铜合金体系的实验研究中也得到增加电磁力能促进夹杂物聚集长大，优化净化效果的结论。

4 结束语

实验结果表明，下行波磁场通过驱使熔体运动，能加速中心区域的夹杂物上浮，尺寸较大夹杂物集中于铸锭帽口中心区域，尺寸较小的夹杂物分布于铸锭帽口边缘区域。与重力沉降相比，下行波磁场能加速熔体中夹杂物富集在熔体顶部与近坩埚壁区域，增加下行波磁场强度与频率能使夹杂物富集速率加快。

参考文献：

[1]何彦洁，李丘林，刘伟.利用旋转磁场去除铝熔体中的夹杂物颗粒[J].热加工工艺，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]何彦洁.非金属颗粒在磁场下迁移规律的研究[D].北京：清华大学材料系，2011.