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浅论铝合金电磁搅拌技术的应用与发展
作者：徐晓光
来源：《科学与信息化》2018年第05期
摘 要 本文论述了铝合金电磁搅拌技术的应用与发展，为铝合金电磁搅拌技术的应用走可持续发展的道路提供了一定的见解。
关键词 铝合金电磁搅拌技术；应用与发展；使用效果 前言
铝熔池的有效搅拌能够增加冶金反应速度、改善传热和传质过程。其是提高生产效率、改善铸造质量和降低操作成本的关键因素。电磁搅拌技术是对熔铝炉和静置炉中铝液进行搅拌的有效技术，并广为接受。通过改善传热和传质过程以及反应动力学，电磁搅拌技术能够缩短熔炼时间、减少炉渣形成，大幅降低操作成本[2]。随着对增加产量和在最小投资前提下降低操作成本的要求不断增加，铝工业对电磁搅拌技术的兴趣也在不断增加。 1 对铝合金电磁搅拌技术的应用现状的分析与认识
基于电磁感应原理而研制出的电磁搅拌器是当前铝熔炼过程中应用较广的搅拌技术之一。如何对熔铝炉中的铝液进行有效的搅拌从而使其成分和温度更均匀，是保证铝合金产品质量的重要一环[1]。以往的人工搅拌为接触式搅拌，由人力操纵铁扒进行搅拌，劳动强度大，由于受熔炉门口的，搅拌范围小搅拌均匀性差，且生产效率低，浪费能源，易造成熔体的二次污染基于以上原因。使用电磁搅拌器，用于铝合金的熔炼，以提高生产效率及产品质量。 1.1 铝电磁搅拌（Al-EMS）系统
铝电磁搅拌系统的主要部件是电磁搅拌线圈。线圈为水冷式，安装于炉子底部或侧部，线圈与炉体之间没有直接的物理接触。可以采用通常的炉衬厚度，为了保证磁场进入熔池，必须在线圈前方的炉壳上安装奥氏体不锈钢窗。线圈采用低频行波磁场，磁场穿透炉壳和炉衬对熔池实现搅拌，其作用机理类似于线性电机。 1.2 Al-EMS的使用效果 （1）缩短熔炼时间
在工厂试验中，相对于机械搅拌，Al-EMS可以大幅降低顶装式100t熔铝炉的熔炼时间[2]。
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电磁搅拌提高了熔化速度，改善了合金化条件及温度控制，缩短了烧嘴关闭时间，或取消了人工搅拌、人工扒渣和塌堆，大大缩短了熔炼时间。有效的搅拌能够降低液面温度，增加熔池和炉膛顶部的温差，因此使用Al-EMS能够改善从炉膛向熔池的传热。采用Al-EMS允许增加烧嘴燃烧功率直至达到预定熔池温度。许多炉子在熔炼后期降低燃烧功率，以减少熔池表面过热和氧化渣的形成。通常情况下，使用Al-EMS可以提高生产率10%～25%；熔炼时间的缩短可以减少10%～15%的燃料消耗。而一个熔炼周期内使用Al-EMS每吨铝仅耗电6～8kWh。 （2）减少炉渣
许多参数都影响炉渣的形成，诸如废铝的成分和形状、装料方式、炉膛的氧势、炉内温度、烧嘴设置和熔炼时间等。铝锭（液）暴露于气体中的时间以及熔池的温度是影响氧化过程和炉渣形成的两个关键因素。Al-EMS是减少熔炼时间和降低熔池表面温度的有效手段，尤其是降低熔池表面温度对控制氧化过程具有非常重要的作用[2]。
Al-EMS相对于其他搅拌方式如气体搅拌和机械搅拌等，能够减少金属熔滴在渣层内的包裹，进而提高金属收得率。炉渣的减少大致在15%～25%左右。 （3）缩短均匀熔化时间
电磁搅拌能够显著缩短高熔点合金元素的熔化时间。图1给出了采用电磁搅拌和气体搅拌对含硅铝合金熔化均匀所需时间的比较。这个炉子上同时装有多孔透气砖和电磁搅拌器。当采用电磁搅拌时，熔化均匀所需时间相对于气体搅拌能够缩短40%。其取样位置位于合金加入位置的对面。采用气体搅拌时，气体离开透气砖后向上移动，形成局部对流，而横向传输以及对熔池的整体均匀相对于电磁搅拌大大降低。 （4）温度均匀
未搅拌的熔池表面和底部在某些情况下温差可超过100℃。因此仅采用一个热电偶测温无法反映整个熔池的温度状态。一个65t熔铝炉在采用电磁搅拌时的温度测量结果。熔池深度为600mm，一个热电偶位于熔池表面下50mm处，一个热电偶位于炉底上方50mm处，在初期熔池没有搅拌，在开启电磁搅拌150s后上下温差从80℃降到5℃。这不仅降低了炉渣的产生，同时也使热电偶的测温更能反映熔池的温度状态，使熔池内的温度更稳定。 （5）数值模拟
为了优化Al-EMS系统，ABB开发了一个强有力的工具对熔池内的过程进行模拟。ABB基本的设计依据是保证在1min内对整个熔池实现一次完全搅拌。这远高于其他搅拌方式如机械泵和人工搅拌等所能产生的效果。 （6）可靠的操作和低维护
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Al-EMS能够在不借助任何机械搅拌的情况下实现熔池中铝液的充分混合。整个操作过程具有低成本、安全可靠和稳定的特点，并且可实现各种搅拌模式。其能够在任何时间获知熔池中铝液的准确温度和成分，无疑能够减少废品的产生。
2 依靠技术进步，以促进铝合金电磁搅拌技术的应用的可持续发展 2.1 电磁搅拌技术概述
电磁搅拌技术是瑞典在1930年首先提出的。1939年电磁搅拌装置在瑞典钢厂的电弧炉上做了初步实验，在针对试验中出现的问题进行了多次改进后，世界上第一台能适应工业生产的装置-15吨电弧炉用电磁搅拌装置在1947年问世。
进入20世纪50年代初期，世界各国对电磁搅拌装置极为重视并开始广泛研究应用。原苏联在20世纪50年代中期研制成功并定型生产，配套使用在25吨电弧炉上。我国是在20世纪60年代中期开始研制，到20世纪70年代中期制成了40吨电弧炉配套使用的大型水冷电磁搅拌装置。目前，电磁搅拌技术已在黑色冶金领域得到了广泛的应用。 2.2 Al-EMS系统的可持续发展
目前，除了在单室熔铝炉内应用Al-EMS外，在其他领域内应用Al-EMS系统的兴趣也在不断增长。 3 结束语
进入21世纪后，我国的铝工业发展很快。大容量铝熔炉不断涌现，同时对产品质量也提出了更高的要求，可是传统的人工及机械搅拌方法根本不能适应这一需要。而电磁搅拌技术以其实施搅拌方便、充分、能确保产品质量、不污染铝熔液等优势得到了快速的发展。电磁搅拌技术是目前国际铝合金熔炼搅拌工艺中最先进的技术。而电磁搅拌装置更成为铝熔铸业的必需装备。 参考文献
[1] 李兴波.电磁搅拌器在铝熔炼过程中的应用及效果[J].黑龙江科技信息，2010，（22）：60-61.
[2] 杨洪良.铝合金电磁铸造技术[J].轻合金加工技术，2003，（11）： 12-22. 作者简介
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徐晓光（1980-），男，内蒙古呼伦贝尔人；毕业院校：内蒙古工业大学，专业：材料成型及控制专业，学历：大学本科，现就职单位：中铝包头铝业熔铸中心，研究方向：铝合金铸造。
