第1章绪论
许多流体能对周围电磁场作出响应，并且和电磁场相互作用。这些流体本身可以是电中性的，如等离子流体、液态金属等；也可以是带电性的，如正离子流、电子流、带有电荷的尘埃流等。电中性流体有的导电，有的不导电。导电的电中性流体，在外加磁场中做切割磁力线运动时，流体内部将产生感应电流，感应电流产生附加磁场。同时，感应电流和外加磁场相互作用产生洛伦兹力，这个力可以抑制流体的运动。所以导电流体的运动可以改变磁场，而磁场又对运动产生影响。对于带电流体，由于本身带有电荷，运动将产生电流，当其周围存在磁场时也会产生上述类似的相互作用效果。本身不导电的电中性流体，如液氧和含有固相磁性颗粒的铁磁性流体等，在外加磁场作用下被磁化。磁化使流体内磁场发生变化，同时由于受到磁化力作用，流体本身的运动也受到相应的影响。磁化力是外加磁场和流体磁化而产生的附加磁场相互作用的结果，它并不依赖于流体本身的运动，即使流体不发生运动，磁化力依然存在。和上述流体与磁场间的相互作用类似，流体和电场间也会产生上述类似现象。这种电磁场和流体运动间相互影响的现象称为电磁流体力学现象。研究电磁场和流体流动间相互关系的科学，称为电磁流体为学。这一领域包括经典电动力学、磁动力学和流体力学。电磁流体力学最先在地球物理学、等离子体物理学等领域中获得了较为广泛的应用。随着科学技术、工业发展与环境能源间矛盾的日益增加，开发环境友好、高生产率、高品质的材料制备技术变得越发重要。由于电磁场具有高密度、清洁、可控性好等优点，科技工作者逐步将电磁流体力学应用于冶金生产甚至整个材料制备领域。这种将电磁场效应用于冶金过程控制及材料加工制备的技术被称为电磁冶金技术。近三十年来，电磁冶金技术的内涵不断拓展，逐步成为新兴的交叉学科研究领域。
1.1电磁冶金技术的发展历史、现状与趋势
电磁冶金技术利用电磁场的力效应及热效应等来实现对冶金过程中能量传输、流体运动和形状的控制，进而达到优化冶金过程、提高生产效率、改善产品质量和性能的目的。很早以前人们就开始使用电能来熔炼金属；之后，人们发现了电场和磁场共同作用于液态金属产生的电磁流体力学现象，并将其应用于冶金生产，形成了电磁搅拌、电磁悬浮熔炼等一系列电磁冶金技术，随后扩展到材料制备的诸多过程中，被称为材料电磁过程，英文简称为EPM(electromagneticprocessingofmaterials)。最近，随着强磁场技术的不断进步和研究的进一步扩展，形成了“强磁场材料科学”新领域。这里，我们将这些统称为电磁冶金技术，这是一种广义上的描述。
早在18世纪60年代，单一电场就被用来精炼铜金属，之后逐步发展到钢的冶炼等冶金生产中。19世纪初期，又涌现出应用磁场及电场与磁场的复合场的冶金技术，如1922年的电磁搅拌技术、1923年的悬浮熔炼技术、1926年的冷坩埚熔炼技术口3等。这些技术的理论基础都是电磁流体力学，然而当时电磁流体力学与冶金技术之间的关系没有被认识和重视。关于电磁流体力学的历史最早可以追溯到1823年，Faraday提出，海洋运动和地球磁场的关系是一种电磁流体力学现象阻]。1865年Maxwell发表论文《电磁场的动力学理论》，提出了完整描述电磁场的方程组b]。1942年，Alfven提出了在天体等离子体研究中有重要作用的磁流体力学波（后被称为阿尔文波）[6]，“磁流体力学”(magnetohydro-dynamics，MHD)-词开始被应用，磁流体力掌也趋于系统化。
之后，电磁流体力学在冶金领域内的研究与应用逐渐获得人们的重视。1965年，苏联lVIagnetohydrodVnarn，zcs杂志创刊，该杂志收录了很多关于电磁流体力学在冶金中应用的文章。1978年，法国Moreau教授在格勒诺布尔成立了隶属于法国国家科学研究院，以电磁流体力学冶金应用为目的的Madylam研究室，现被称为EPM-Madylam研究室。1982年9月，国际理论与应用力学联合会在英国剑桥大学主持召开了首次“冶金中的电磁流体力学应用”这一将“电磁流体力学”和“冶金”联系在一起的国际会议，这标志着电磁冶金技术日趋成熟并已在国际学术界引起重视。日本是较早开展电磁冶金研究的国家之一。1984年，日本钢铁协会研究委员会明确提出了“电磁冶金”是未来炼钢四大重要技术之一，并于1985年设立了电磁冶金基础研究分会。1989年，该分会更名为材料电磁过程分会。从这段时期开始，电磁冶金的研究一直受到全世界研究者的广泛关注。1988年苏联里加“液态金属磁流体力学会议”、1990年日本名古屋“第六届国际钢铁年会”、1992年美国圣迭戈“MHD研讨会”等国际会议先后召开，对电磁冶金方而的研究成果进行了专题讨论。1994年在日本名古屋召开了首届“材料电磁过程”国际会议，之后每3年举行一次，到2012年为止已成功举办了7届，举办国家也从日本、法国，逐步向德国和中国等其他国家转移。会议的主要内容包括电磁感应加热、冷坩埚熔炼、电磁搅拌、电磁制动、电磁铸造、电磁悬浮等。自2003年起，等离子体、强磁场材料科学、资源与废弃物电磁处理等内容不断涌现，使会议规模不断扩大，研究领域和内容也不断拓展和深入。与美国、日本、法国和德国等发达国家相比，我国的电磁冶金技术理论和应在国家自然科学基金委员会、科技部“863”计划与“973”计划和相关企业等多方资助下，我国的电磁冶金相关研究已逐步在国际电磁冶金领域占有一席之地。2010年，中国金属学会成立了电磁冶金与强磁场材料科学分会。2012年在北京举办了第7届“材料电磁过程”国际会议，会议内容涉及冶金与材料电磁制备过程中的电磁流体力学、电磁连铸技术、凝固与组织控制、电磁检测与仪器开发、等离子加热等基础研究和应用技术研究，充分反映了国际材料电磁过程领域的最新研究成果和发展动态。该会议为国内外同行提供了高水准的学术思想沟通机会和关于技术研发的交流机会，促进了我国冶金与材料电磁过程领域的进一步发展。21世纪以来，能源、环境、信息、生物、先进制造和国防科技的高速发展对材料提出了新要求，高产高效、环境友好的冶金生产和材料制备技术越来越受到人们的重视。电磁冶金技术的发展主要呈现以下几个趋势：一是在钢铁冶金领域，传统电磁冶金技术如电磁搅拌、电磁铸造和电磁制动等不断成熟和扩展，工艺朝着自动化和智能化发展。新一代冶金技术不断涌现，如不使用引流砂的钢包电磁感应加热出钢技术、电磁旋流水口技术、电磁防漩技术、电磁控流技术等正在不断开发研究中。二是电磁冶金技术的应用领域不断扩大，从最初的钢连铸的电磁搅拌、铝合全的电磁铸造不断延伸发展，现已贯穿整个钢连铸的每个环节以及有色金属冶炼、铸造和非金属材料与新材料的制备等多个新兴领域。三是电磁场尤其是强磁场发生技术和高熔点金属直接通电技术等的快速发展，为电磁场在冶金生产和材料加工领域的应用带来了前所未有的机遇。目前，大孔径、磁感应强度在2.OT以上的超导强磁场装置的利用成为可能，这不但使洛伦兹力的作用效果变得更加明显，对非磁性物质一直被忽略的磁化力作用效果和塞曼效应也变得不容忽视，这使得电磁冶金的应用扩展到整个材料领域，尤其在功能材料领域具有广阔的应用前景。强磁场对材料制备过程在宏观和微观尺度上的控制，有望改善材料性能甚至开发出新型材料。关于强磁场的理论和应用技术研究是未来发展的重点，也是难点。另外，耐高温陶瓷电极ZrB2(熔点高达3000℃、阻抗低至10-。Q．cm)已被成功开发，使直接向高熔点金属通电成为可能。电磁超声波技术。71的出现解决了电极熔损对材料的污染问题。这些技术的进步意味着可以向高温液态金属直接施加电磁场，使电磁冶金技术在高熔点材料制备领域的应用成为可能。综上所述，电磁冶金技术的研究和应用方兴未艾，是21世纪冶金和材料技术发展的重要万向之一。
1.2电磁冶金技术分类
电磁场的力效应和热效应可以赋予材料高密度能量，且施加方法简单，易于控制。因此电磁冶金技术具有高效、清洁、可控性好等优点，迄今为止已有很多电磁冶金技术被提出、研究、应用和发展。在电磁冶金技术中使用的电磁场主要包括时变磁场、静磁场、电场、复合场，本节将从这四方面分类介绍电磁场的作用效果及相对应的电磁冶金技术‘8-16]。1.2.1时变磁场冶金技术时变磁场是指强度和方向随时间按照一定规律发生变化的场。时变磁场分为
交变磁场和脉冲磁场：场强与时间的函数满足正弦波规则的为交变磁场，满足脉冲性质的则为脉冲磁场。时变磁场不仅具有加热和驱动作用，也表现出形状控制、振荡、悬浮等功能，应用广泛。
1．交变磁场
一般情况下通入交流电的电磁线圈会产生交变磁场，交变磁场应用于冶金技术主要基于以下三种作用形式：焦耳热效应、形状控制作用、驱动（搅拌）作用。这几种作用效果是同时存在的，但由于电源参数和材料物性不同，每种作用效果有所差别。
焦耳热效应：在线圈内通入交流电流后，在其内部激发出交变磁场，根据法拉第电磁感应定律，处于线圈内的工件（导电物质）中会感生出涡电流，利用涡电流的焦耳热效应可加热工件，这种加热技术称为电磁感应加热。由于集肤效应，工件表面首先被迅速加热，之后通过热传导使工件内部被加热。根据使用频率不同，感应加热可分为工频(50Hz)、中频(50Hz～lOkHz)、高频(lokHz以上)。另外，感应加热具有升温速度怏、加热温度高等优点，可应用于金属表面热处理、熔炼、焊接、热装配、热拆卸等。形状控制作用：根据法拉第电磁感应定律，周期变化的磁场会在液态金属内部生成感应电流，该感应电流和外加磁场相互作用产生电磁力（洛伦兹力）。由于集肤效应，该力主要集中在液态金属的集肤层厚度内，由液态金属表面向内部呈指数规律衰减。当施加磁场频率很高时，集肤层厚度与熔体的尺寸相比非常小，可认为电磁力集中在液态金属表面，可以将它视为一种作用于表面的电磁压力。利用该电磁压力可以非接触控制液态金属的形状。当金属所受电磁力与静压力相平衡时可以实现自由悬浮而不与坩埚壁接触。电磁铸造技术、冷坩埚和悬浮熔炼技术利用的就是交变磁场的这种作用效果。这些技术可以显著改善铸锭表面质量、熔炼活泼金属及成分与组织要求精确的合金、金属间化合物、金属功能材料等。
驱动（搅拌）作用：交变磁场感生的电磁力可以强化液态金属内的流动或者驱动液态金属定向流动。由于低频磁场可以渗透到液态金属内部，集肤层厚度可与试样尺寸基一致，此时形状控制效果可以忽略不计。利用该作用效果的电磁冶金技术包括电磁搅拌技术、旋转式电磁喷雾技术、电磁泵技术、薄带连铸机电磁侧封技术等。此外，由于液态金属中的非金属夹杂物受到流体电磁力的反作用力，交变磁场还可用于液态金属中夹杂物的去除（电磁分离夹杂物技术）。
2．脉冲磁场
脉冲磁场包括普通脉冲磁场和脉冲强磁场。普通脉冲磁场包括低频和高频脉冲磁场。脉冲强磁场是指在瞬间可以产生几十甚至近百特斯拉的磁场。脉冲强磁场的脉宽非常窄，为毫秒、微秒量级。脉冲磁场冶金技术主要利用脉冲磁场的振荡作用和磁化效果。
振荡作用：在金属熔体凝固的过程中施加脉冲磁场，可以在熔体内部产生一个脉动的指向熔体中心的电磁力，使熔体产生周期性的受迫运动，进而改变金属熔体凝固过程的温度场、溶质场、增加金属熔体凝固过程中的形核率，使金属凝固组织和凝固方式发生变化，达到细化晶粒、均匀溶质分布的效果。
磁化效果：在热处理的过程中施加脉冲磁场，可利用材料与磁场的交互作用及材料的各向异性特点改变材料的组织结构以获得所需要的性能17]。另外，对非晶薄带进行脉冲磁场热处理时，在脉冲磁场作用下，材料内部往复磁化、去磁，从而导致磁矩取向不断发生变化，引起原子的运动状态发生改变而使原子之间的距离发生周期变化，最终实现微观结构转变。18]。该技术还可应用在高精密零件的热处埋等方面。
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