[科普中国]-铝合金热顶电磁铸造技术

铝合金热顶电磁铸造技术与普通电磁铸造法的区别在于采用特制的屏蔽罩结构，并在其内部用耐火材料制成热顶约束液柱顶部熔体成型，也就是热顶兼有屏蔽罩的功能。

简介电磁铸造的基本技术方法是，在金属成形的过程中，在熔融金属中施加由交变电场产生的磁场。根据电磁感应原理，在感应线圈中通入交变电流，就会在放入线圈的导体中感应出频率相同的感应电流。由于涡电流和磁场的相互作用而产生洛伦兹力，该作用力在一个周期内的平均值指向熔体内部，即电磁压力，相当于有容器存在时器壁产生的向内压力。

所产生的电磁压力通过克服液态金属的静压力和表面张力而实现对熔融金属形状的控制。通过改变电磁场的具体布置和线圈电流就可以改变电磁压力对熔融金属的影响，达到改变被约束熔体形态的目的，从而铸造出不同形状的铸件。电磁能够使熔体被约束成形主要是依靠磁场在熔体表面产生的电磁压力和熔体本身的静压力之间的平衡，通过调节两者的相对大小及分布即可实现电磁约束成形。1

区别热顶电磁铸造法与普通电磁铸造法的区别在于采用特制的屏蔽罩结构，并在其内部用耐火材料制成热顶约束液柱顶部熔体成型，也就是热顶兼有屏蔽罩的功能。

优点
热顶电磁铸造技术具有如下优点：
（1）与电磁铸造技术相比，热顶具有约束部分液柱成型的作用。金属液面位置的控制相比之下更为容易，并有利于液柱高度的稳定。
（2）热顶截面由于由下到上逐渐增大，在铸造过程中金属液浇注量的增减对液柱高度的影响明显减弱，从而增强了液柱高度和铸锭尺寸的稳定性。
（3）热顶有利于金属液的浇注，减弱了浇流对金属液柱的冲击力。
（4）由于液-固界面处的液柱仍依靠电磁力约束成半悬浮状态，保证了铸锭侧表面在自由表面状态下凝固，并未削弱液穴内的电磁搅拌作用，继承了电磁铸造铸锭表面光亮、内部组织致密的优点。
热顶电磁铸造技术即充分发挥了普通电磁铸造和电磁连铸的优点，又增强了系统的可操作性，其磁场强度和电磁压力分布合理，能有效控制铸锭夹杂，提高铸锭表面和内部质量。

板坯电磁铸造方法对于长宽比例不同的板形铸坯进行电磁铸造时主要有两种方式：一种为水平铸造法；另一种为垂直铸造法。

水平电磁铸造法是利用水平的高频(HF)电磁场与由HF感应生成的涡电流相互作用，使金属液水平方向悬浮起来实现熔体成形；垂直电磁铸造法是使金属液垂直穿过由长宽比大的电磁感应线圈产生的HF电磁场，熔体成形通过来自感应线圈的垂直HF电磁场与感应的涡电流共同作用实现。静压力的影响受垂直移动的电磁场控制。

垂直电磁铸造法是目前采用较多的一种铸造方法。由于很难实现完全无模铸造，所以国外在电磁铸钢的试验中均采用类似冷坩埚的结构，即在感应线圈中放置一些铜板条，钢液与铜板条以点接触来实现铸造。在垂直电磁铸造中，由于可以分别对电磁力和液体金属悬浮进行分析，因此其不稳性是可控的，但此控制方法不适用于水平铸造。另外垂直连铸具有一个优点，其涡电流在铸坯内是闭合回路，从而减少了外部电流的电磁干扰。垂直铸造需要用到三种电磁场：①高频低幅磁场，用于约束液体金属；②低频移动磁场，能覆盖到金属熔体宽度方向的绝大部分，以便抵消液体金属静压力的作用；③高频移动磁场，可以提高悬浮力，用于补偿铸坯边部的重力。

水平电磁铸造法在液体金属下方有均匀分布的水平磁场，而上方则要求尽可能小的磁场。理论上设计了这样一个磁场，它是由交流线圈、磁铁轭和磁极组成的。这种磁铁通常又称为“窗框”或“白圈”磁铁，已广泛用于粒子加速器中。在磁铁的上部和下部线圈之间能产生出非常均匀的水平磁场。在线圈横断面方向上以及沿磁轭的反方向上，水平磁场强度呈线性下降。水平铸造的开发研究主要致力于以下方面：一是水平小型铸机的磁铁设计；二是设计并制造出用于该方法的试验性磁铁。2

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学