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【摘 要】：本文论述了铝合金电磁铸造技术的应用与发展，为铝合金电磁铸造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】：铝合金电磁铸造技术 应用与发展
1、引言
铝及铝合金轧制、挤压和锻造用的铸锭通常用定向激冷式半连续或连续铸造方法（简称DC法）生产。铝合金电磁法铸造技术是20世纪60年代初期由原苏联首先研究开发的。这种用电磁力来维持铝熔体形状的连续铸造方法简称EMC法。20世纪60年代末电磁铸造铝合金圆铸锭的技术才成熟并正式应用于工业生产。20世纪70年代初电磁铸造铝合金方锭技术也获得成功并推广应用。紧接着，东欧各国和瑞士、美国、日本的一些大型铝业公司都相继引进和进一步发展了这一新技术，诸如美国凯撒铝业和化学公司、雷诺金属公司、瑞士铝业公司和日本三菱化成工业公司等[1]。
2、对铝合金电磁铸造技术的应用现状的分析与认识
2.1、电磁铸造的基本原理[1]
如图1所示，当感应线圈中有中频交变电流I流过时，在线圈导体周围会产生交变磁场H。由于“集肤效应”和“圆圈效应”，感应圈内侧的电流密度和磁场强度要比外侧强大很多。交变磁场H将使磁场内的金属液柱感生出与电流l方向相反的感应电流，即涡流I1、，涡流在金属液柱内自行闭合，产生涡流磁场H1。H1和H磁力线方向相同，因其互相排斥作用产生电磁推力F。F总是指向金属液柱并作用在金属液柱表面，可以推住一定高度的金属液柱，使之成为与感应圈内圈相似的形状，并在金属液柱与感应圈内壁之间保持一定距离。与此同时，对金属液柱表面直接喷水冷却，使其结晶凝固，控制铸造速度和各项工艺参数与金属流入量相互平衡，保持液柱高度相对稳定，就能使铸造过程连续下去，铸造出高质量的铝合金铸锭。
图1 电磁铸造原理
2.2、EMC法与DC法比较的三个基本特点
a）、EMC法液态金属结晶是在电磁场内进行结晶，液穴范围内的金属液将受电磁力作用而流动；
b）、电磁结晶器铸造时，由弯液面到铸锭被水直接冷却区的距离比金属结晶器的小得多；
c）、电磁结晶器铸造时，正在结晶的液态金属和已结晶的铸锭与模壁之间保持一定的距离，没有任何接触。
2.3、电磁法铸造的铸锭质量
使用电磁法可以铸造不同尺寸的各种铝合金圆锭、方锭和空心锭。无论铸锭的外观、宏观组织、显微结构，逆偏析和力学性能等方面都具有独特优越性，是其他铸造方法无可比拟的。
电磁法铸造的铸锭表面光滑、没有冷隔成层、偏析瘤、拉痕等缺陷。由于电磁力的作用，对铸造中的铝液柱有搅拌和加热作用，使铝合金化学成分更加均匀，内部组织细化，并伴有除气除渣作用。
电磁法铸造的铸锭表皮部分完全是均一的晶体结构。铸锭表面晶粒生长方向几乎是垂直向内的，晶粒平均线性尺寸仅为传统铸锭的1/2-1/3，晶粒细小。
电磁法铸造的铸锭与传统的铸锭相比，显微组织最明显差异在外周层。电磁法铸锭外周层显微组织不存在深度偏析瘤，树枝晶尺寸小，中间过渡区变短。铸锭逆偏析量和逆偏析范围较小。
用电磁法铸造的铸锭具有特别好的加工性能，并能提高最终产品的成品率。其用于挤压和锻造可不必先车皮，在轧制后可大大减少切边。
由于是在高频下“向着球心压缩熔体”，在施加高频振动下凝固，内部体积收缩使微观空隙显著减小，因此其能生产出更精密和力学性能优越的铸锭。
由于铸锭截面上的致密度、强度和塑性的提高，因此圆锭的性能和挤压产品的性能都均匀。3004和5182合金扁锭轧制的薄板分别用于制造饮料桶和盖，能减少轧制道次。飞机用高强AA7075铝合金，用电磁铸造可获得优异的显微组织。
由于“集肤效应”的作用，铸锭表皮层的性能不管是抗拉强度还是伸长率都有显著提高。因此，对于铸造空心薄壁铸件会获得更加优异的质量。
电磁法铸造的各种规格铸锭目前有：实心圆铸锭Φ150mm-Φ800mm，扁铸锭300mm-500mm×1200×1900mm，空心圆铸锭Φ789/525mm。可为航天航合金铸锭。正在开发的空心薄壁的铝合金铸件将为特需产品提供结构复杂、质量更高的毛料。因此，电磁铸造不但能提高铝合金铸造的内部质量，满足高新技术领域发展的需求，还有较高的经济效益。
瑞士铝业有限公司（以下简称为瑞士铝公司）改进了其电磁铸造（（EMC）技术[3]。其中，最显著的特点是，铝液冷却和凝固的控制，可调式电磁结晶器和非接触式金属水平传感器的操作过程都全部自动化。经六年工业生产的考核，电磁铸造法已被证明是可靠的，操作是安全的，具有高的生产率和好的经济效益。目前应用瑞士铝公司的电磁铸造技术生产的铸锭，年产量已达30多万吨。其产品规格多，同时，生产量也正迅速增长。用电磁铸造法铸造的铸锭能使其后的铣面和切边减少或消除，从而节约了大量金属。瑞士铝公司的电磁铸造技术现已得到其它铝制品生产厂家的确认。
铸造凝固期间的金属与结晶器无任何机械接触曾是长期的梦想。Z.N.Gevselev在其1969年的专利中阐明了如何实现用电磁力使液体金属与结晶器不接触而铸造成型的原理。虽然多数大铝业公司早已承认电磁铸造的可能性和现实性，并且拥有这种技术专利，但是，电磁铸造法在试验这阶段完成很长时间之后才被西方国家应用于工业生产。
2.4、铝合金电磁铸造技术的应用
我国东北轻合金加工厂在20世纪70年代初开展了铝合金圆锭电磁铸造的研究。20世纪70年代末研制了一套电源装置。其一次可铸3根φ482mm圆铸锭，并成功地在生产中应用了一段时间。20世纪80年代中期，在铝合金圆锭电磁铸造圆锭电磁铸造成功经验的基础上，国家将方锭电磁铸造列为“七五”重点科技攻关项目。由东北轻合金加工厂、西南铝加工厂和北方工业大学联合承担攻关任务，经共同努力，完成了340mm×1260mm方锭微机程控电磁铸造任务，并且达到了国际20世纪80年代水平。1990年12月其通过国家鉴定验收。 虽然我国在20世纪80年代相继研究开发成功铝合金圆锭电磁铸造和方锭微机程控电磁铸造。但基于当时的管理体制和技术形势，电磁铸造的成功只是均衡了一下国际新技术的发展趋势。要推广应用电磁铸造技术就要额外增加设备投资，增加能源消耗，以及复杂的操作技术等。这样就增加了生产成本。而当时的国内用户对金属内部质量要求不高，大众产品多，尖端产品少，使用普通铸造方法就能满足用户需求等诸多因素，致使电磁铸造新技术被搁置。
随着社会的发展，科学技术的飞速前进，产品质量的不断提高，对金属内部质量的要求也越来越高。尤其目前的航天航空和国防军工尖端产品的飞速发展，对金属内部质量要求就更高了。因此，用普通铸造方法生产的金属内部质量很难或无法满足要求。这就需要采用最先进的技术来生产内部质量好的产品，才能满足市场飞速发展的需求。而电磁铸造法则是目前国际上保证铝合金铸锭内部质量最佳的铸造方法。诸如美国、瑞士、日本和俄罗斯等国都一直在应用电磁铸造。据中国有色金属工业总公司率团赴澳大利亚和美国技术考察报告中报道：美国雷诺公司在利斯特希尔工厂用电磁铸造生产660mm×2032mm×6048mm扁锭。美铝公司在南厂装有2台立式电磁铸造机。凯撒铝技术中心、雷诺冶金研究所也都在应用电磁铸造技术。而俄罗斯的白卡利托瓦冶金厂用电磁铸造生产的铝合金厚板可满足航空航天工业的需要。萨马尔冶金联合企业1966年就开发了电磁铸造新工艺。俄罗斯的电磁结晶器铸造技术比较成熟，并且应用较为普遍。俄罗斯有很大部分的扁铸锭是用电磁结晶器生产的。其可铸造截面为300mm-500mm×1200mm-1900mm的扁锭，直径150mm-480mm的圆锭，而且金属利用率平均提高5%。
3、依靠技术进步，以促进铝合金电磁铸造技术的应用的可持续发展
因为用电磁铸造法，依靠电磁力约束熔体，在不接触结晶器的情况下进行铸造，所以没有造成前述缺陷原因的结晶器和铸锭间的空隙区，即能获得健全的表层组织、有光泽表面的铸锭（图2）。这样，除大幅度降低表面铣削量外，表层组织也微细化。因此其也能防止热轧时产生裂边。
图2 EMC法铸锭组织照片
为了使受熔体静压和控制范围限制的电磁力均衡，其铸造条件管理范围与传统铸造方法相比，狭窄得多，因此应当利用结晶器设计技术、结晶器内液面控制技术及铸锭冷却技术进行严格管理。这些技术如下[2]。
a）、结晶器设计技术
电磁铸造不用传统的结晶器，其原理是用通高频电流的线圈使熔体内产生感应电流，该感应电流和线圈电流所形成的磁场相互作用，在熔体内诱发电磁力，保持熔体（图1）。通常熔体保持高度定为30mm-50mm，凝固时为了容易得到平滑的铸锭，在减弱熔体上部电磁力上下功夫。俄罗斯的原理专利设置电磁屏蔽栅网进行磁场控制，同时也提出了正确选择电流线圈断面形状的方法和栅网线圈化改变阻抗的方法。为了探讨栅网的形状和位置，磁场解析技术是不可缺少的。其根据有限单元法的数值解析结果求出电磁力，通过流动解析探讨结晶器内熔池的流动和铸锭质量的相关性。
在实用方面，开发了能铸造多种尺寸铸锭的宽度可调结晶器。
底座的形状与结晶器一样重要。在EMC中，由于底座与铸锭间夹着的冷却水沸腾蒸发，摇动铸锭的剧沸现象，对铸锭形状有很大影响，因此其应当采取排水对策。
b）、浇铸自动化技术
浇铸自动化技术的核心是使熔体静压和电磁力经常保持平衡的结晶器内液面控制装置。该装置由液位传感器、调 整熔体流出量的执行器及控制器等构成。传感器有静电容量型、感应电流型、光学型；执行器有旋转型、油缸型等。现在正在开发多种装置。液位控制采用比例积分微分（PID）控制，与铸造速度、冷却水量等与铸造机相关的控制一起，以系统化的形态进行铸造条件管理。其铸造初期条件的管理尤为重要。如何适应铸锭合金的种类和结晶器型式，已成为EMC操作的技术决窍。
EMC除固有的优点外，可通过自动化消除了操作偏差，铸锭质量稳定。
c）、铸锭冷却技术
开始向结晶器内浇铸熔体不久，熔体在底座内凝固。其后，如果底座下降而被直接水冷，凝固壳急剧增高。其增高速度极快，在铸造机的下降速度控制方面，往往很难适应。因此，在铸造初期一般采用缓慢冷却，使凝固壳缓慢增高。作为缓慢冷却技术有脉冲开闭冷却水喷出的方法、冷却水中混入CO2气和小苏打使其发生细小气泡的方法以及降低冷却水的喷出角度，降低热传导的方法。瑞士Alusuisse公司的EMC技术，即使用CO2气。
正常铸造时的冷却，通过控制一定水量的方法进行。但是，结晶器冷却水喷射部分的设计应能保证结晶器周边没有剧烈的水量变化。为了防止冷却水不均匀喷出，应当充分探讨冷却水的清净化。
d）、一般铸造技术
结晶器内的玻璃滤网，原来的目的是防止氧化物流入铸锭。最近，为了在熔池内得到最佳的温度分布也采用这种滤网，并开发了COMBO bag和MINI bag （COMBO bag，MINI bag，是把粗、细网目的玻璃滤网重合，为控制结晶器内的熔体流动而开发的新技术产品）。在EMC中，除上述目的外，为了控制液位，在bag内外应当使用没有熔体压力差的滤网。另外，为了防止结晶器内熔体上面的厚氧化膜流进铸锭表面，探讨了各种断面形状和尺寸的拦渣挡板（Skim Dam ）。
目前电磁铸造法是一种很先进的铸造技术。用瑞士铝公司的电磁铸造法每年生产30多万吨铸锭，而且在今后几年内，还将会有显著的增加。在经济效益上，瑞士铝公司已超过预期的设想。其主要效益是在热轧时消除了洗面和减少了切边。然而，其它效益经实践证明，也取决于现存设备和产品配料。最先进的铝合金电磁铸造装置如图3、图4所示。电磁法铸造的铸锭表面与直接冷却法铸造的铸锭表面质盆对比如图5所示。
图3 瑞士Chippis工厂高强铝合金电磁铸造装置的控制盘 图4 俄亥俄州Hannibal联合铝厂三台电磁铸造装置之一
图5 电磁法铸造的铸锭表面（右）与直接冷却法铸造的铸锭表面质盆对比
回顾过去，产生此重要发明公认有两个重要因素，即技术因素和人材因素[3]。
a）、技术因素
技术因素是指应用电磁成型这一有特殊意义的复杂技术。其比直接冷却（DC）铸造法更加完善得多。在其同时由于光学检测和其它可靠装置的采用，产品的质量标准也提高了。这就需要铸造车间研究和应用新的设备和工艺。其包括：电子计算机控制（对生产中众多的参数和快速反应的必要条件加以保证）；金属水平控制（让结晶器中的金属水平维持在很窄的范围内波动）；电磁铸造结晶器和过滤装置（以便获得最好的产品质量）；控制金属的冷却和凝固（铸锭铸造刚出头时，难以控制）。
自动控制-对于电磁铸造法和直接冷却铸造法，计算机控制已经有了发展。在电磁铸造中，计算机是必不可少的，因为要进行多参数控制。特别当开始下降，铸锭刚出头时，自动控制尤为关键。
计算机有三个主要的功能：
1）、起动检测；
2）、铸造参数的参照；
3）、程序控制。
铸锭开始下降前，在初始位置时，要检查传感器和仪器的正常功能。然后计算机对铸造操作几乎进行全部管理，并根据铸造实际的特殊需要给予不同的控制程序。在铸锭开始下降并刚出头的临界期间内，计算机的监控是十分重要的。其也监控铸造的全过程。若误差超过要求时，其就进行干预，并对操作人员发出信号，因而改善了工序的稳定性和可靠性。变量的监测对质量起反馈作用。操作人员控制盘的设计是以人机工程学的原理为依据。其得到全体操作者的赞赏。
由于金属水平控制-在电磁铸造时，结晶器中的金属水平（结晶器中金属液面的高度）是一个非常关键的参数，因此，自动化程序中，金属水平控制装置担负着重要的任务。其由一台非接触金属水平传感器和一个步进电机驱动的流量控制元件所组成。两者在铸造车间的环境里都已被证明是可靠的。其可以保持金属水平的控制误差在1mm以内。
对于多模铸造，结晶器中金属液流速度与金属水平的控制是很重要的。利用现有设备的程序自动控制，可以同时控制8个以内的结晶器。
结晶器-电磁铸造结晶器的设计将影响铸锭的表面质量和金属回收率。如果铸锭规格频繁更换，则可调式结晶器降低了投资费用，并提高了适应性和生产率。其最大调整范围为512mm；最小调整量和每次可调量都为25.6-mm。
控制金属的冷却与凝固-铸锭的冷却由总的热传导率来确定。阿尔考（A1coa）公司的CO2法能完全改变铝水交界面处的热交换。
b）、人的因素
技术文件-所提供的文件是建立在技术转让已获得成功的基础上。瑞士铝公司提供的文件由下列部分组成：
1）、工艺方法介绍；
2）、设计说明书；
3）、制造；
（1）、自动化
（2）、运转
（3）、铸造
4）、维护。
“设计说明书”部分包括工厂为适应电磁铸造的特殊要求所必需的全部准则。“制造”和“自动化”配有装置详图。
5）、培训-整体范围内的全面培训是很重要的。操作和维修的人员、冶金工作者、设计和工艺工程师都必须接受培训。培训中，理论与实际相结合是十分有效的。在开工以前，可在研究和试验单位，或某些生产单位进行基本训练。在试运转期间完成培训。
6）、操作实践
生产单位-瑞士铝公司这种工艺使用在它的Chippis工厂和它的Hannibal美国子公司的联合铝厂。Hannibal工厂能生产饮料罐坯料、箔材坯料和一些3003，3005，5052合金，铸造厂为多模铸造（四或五个结晶器，其尺寸从512mm×1024mm到512mm×536mm）。
Chippis工厂是专门铸造硬合金，诸如2024，7075，5182等。产品带有高塑性的特点，铸锭尺寸从307mm×1024mm到307mm×2176mm。
瑞士铝公司已对雷诺（Reynolds）和阿尔考（（Alcoa）公司给予电磁技术转让。这些公司的部分生产厂在生产中均使用电磁铸造技术。
使用瑞士铝公司电磁铸造技术生产的铸锭，年产量已超过30万吨，主要是生产饮料罐坯料用的3004合金。
7）、质量-电磁铸造的铸锭可以不锐面，广泛用作生产饮料罐和其盖的坯料、箔材坯料和其它板材等。在热轧时，甚至对于硬合金2024或7075，基本上都可消除裂边。这些合金的铸锭比用直接冷却法铸出的铸锭有更好的可轧制性。电磁铸造的铸锭如果再进行轻微的铣面，与铣面的直接冷却法铸锭相比，其制品有更好的阳极化处理质量。从冶金学的角度来看，电磁铸造的铸锭，表面光滑，偏析层薄，晶粒细小并为等轴晶。
用户对产品评价很高，因此都购买电磁铸造法生产的产品。
8）、节约一很显然，节约是与不铣面和不裂边有关。碎屑的处理和重熔（包括在操作时正常的烧损），甚致比铣面工艺本身花费的费用要更大。特别对于硬铝合金节约更是与不铣面和不切边有直接关系，它们通常要求深铣面和宽切边。
除了这些“共同”方面的节约之外，还有相当程度的“间接”节约。其基本上取决于某些现有的设备（这些设备，一些工厂已制造，一些工厂还未制造）。由于碎屑重熔大减，这就提高了生产率。当某些其它工艺步骤不再需要时，可以减少铸锭用量和缩短铸锭的交付时间。同样的理由，其适应性也提高了。如果以前因受炉子、铣床、锯床等条件的“约束”，那么现在就可以生产出较大尺寸的铝卷。由于轧制时道次压下量增加，维修时间的减少以及裂边所引起的划伤废品的降低。这些都会导致节约和成本降低。
省去铣面和减少切边的“直接”费用是可以预先正确的估算出。但是想从“间接”的节约中估算出有多少效益是很困难的。总的来说，与直接冷却铸造法相比，瑞士铝公司的电磁铸造法通常可以节约8￠/kg以上，在某些情况下，甚至可以超过13￠/kg。
4、结束语
电磁铸造技术是绝对可行的技术。但非必是取得铸造成功的充分条件。必须承认在早期试验阶段，人的因素是很重要的。这些复杂的技术，要求操作人员必须具备电子计算机控制、电子学、精密机械和冶金铸造工艺等方面的知识和操作能力。这些复杂的技术需要准备进行技术转让，包括全体操作人员完成全面培训计划和加大铸造车间的工释能力。
参考文献
[1]、魏宝昌等.铝及铝合金电磁铸造的工业应用[A].全国铝合金熔铸技术交流会论文集[C].2004年；
[2]、[日]林典史.铝合金电磁铸造技术[J].有色金属加工.1996（06）：21-23。
[3]、曲贵贞等. 铝合金电磁铸造法的工业应用[J].轻金属.1989（12）：57-60。
作者简介
谢恩（1972，06）， 男，工程师，主要从事有色金属材料研发及相关的生产管理工作。
【关键词】：铝合金电磁铸造技术 应用与发展
1、引言
铝及铝合金轧制、挤压和锻造用的铸锭通常用定向激冷式半连续或连续铸造方法（简称DC法）生产。铝合金电磁法铸造技术是20世纪60年代初期由原苏联首先研究开发的。这种用电磁力来维持铝熔体形状的连续铸造方法简称EMC法。20世纪60年代末电磁铸造铝合金圆铸锭的技术才成熟并正式应用于工业生产。20世纪70年代初电磁铸造铝合金方锭技术也获得成功并推广应用。紧接着，东欧各国和瑞士、美国、日本的一些大型铝业公司都相继引进和进一步发展了这一新技术，诸如美国凯撒铝业和化学公司、雷诺金属公司、瑞士铝业公司和日本三菱化成工业公司等[1]。
2、对铝合金电磁铸造技术的应用现状的分析与认识
2.1、电磁铸造的基本原理[1]
如图1所示，当感应线圈中有中频交变电流I流过时，在线圈导体周围会产生交变磁场H。由于“集肤效应”和“圆圈效应”，感应圈内侧的电流密度和磁场强度要比外侧强大很多。交变磁场H将使磁场内的金属液柱感生出与电流l方向相反的感应电流，即涡流I1、，涡流在金属液柱内自行闭合，产生涡流磁场H1。H1和H磁力线方向相同，因其互相排斥作用产生电磁推力F。F总是指向金属液柱并作用在金属液柱表面，可以推住一定高度的金属液柱，使之成为与感应圈内圈相似的形状，并在金属液柱与感应圈内壁之间保持一定距离。与此同时，对金属液柱表面直接喷水冷却，使其结晶凝固，控制铸造速度和各项工艺参数与金属流入量相互平衡，保持液柱高度相对稳定，就能使铸造过程连续下去，铸造出高质量的铝合金铸锭。
图1 电磁铸造原理
2.2、EMC法与DC法比较的三个基本特点
a）、EMC法液态金属结晶是在电磁场内进行结晶，液穴范围内的金属液将受电磁力作用而流动；
b）、电磁结晶器铸造时，由弯液面到铸锭被水直接冷却区的距离比金属结晶器的小得多；
c）、电磁结晶器铸造时，正在结晶的液态金属和已结晶的铸锭与模壁之间保持一定的距离，没有任何接触。
2.3、电磁法铸造的铸锭质量
使用电磁法可以铸造不同尺寸的各种铝合金圆锭、方锭和空心锭。无论铸锭的外观、宏观组织、显微结构，逆偏析和力学性能等方面都具有独特优越性，是其他铸造方法无可比拟的。
电磁法铸造的铸锭表面光滑、没有冷隔成层、偏析瘤、拉痕等缺陷。由于电磁力的作用，对铸造中的铝液柱有搅拌和加热作用，使铝合金化学成分更加均匀，内部组织细化，并伴有除气除渣作用。
电磁法铸造的铸锭表皮部分完全是均一的晶体结构。铸锭表面晶粒生长方向几乎是垂直向内的，晶粒平均线性尺寸仅为传统铸锭的1/2-1/3，晶粒细小。
电磁法铸造的铸锭与传统的铸锭相比，显微组织最明显差异在外周层。电磁法铸锭外周层显微组织不存在深度偏析瘤，树枝晶尺寸小，中间过渡区变短。铸锭逆偏析量和逆偏析范围较小。
用电磁法铸造的铸锭具有特别好的加工性能，并能提高最终产品的成品率。其用于挤压和锻造可不必先车皮，在轧制后可大大减少切边。
由于是在高频下“向着球心压缩熔体”，在施加高频振动下凝固，内部体积收缩使微观空隙显著减小，因此其能生产出更精密和力学性能优越的铸锭。
由于铸锭截面上的致密度、强度和塑性的提高，因此圆锭的性能和挤压产品的性能都均匀。3004和5182合金扁锭轧制的薄板分别用于制造饮料桶和盖，能减少轧制道次。飞机用高强AA7075铝合金，用电磁铸造可获得优异的显微组织。
由于“集肤效应”的作用，铸锭表皮层的性能不管是抗拉强度还是伸长率都有显著提高。因此，对于铸造空心薄壁铸件会获得更加优异的质量。
电磁法铸造的各种规格铸锭目前有：实心圆铸锭Φ150mm-Φ800mm，扁铸锭300mm-500mm×1200×1900mm，空心圆铸锭Φ789/525mm。可为航天航合金铸锭。正在开发的空心薄壁的铝合金铸件将为特需产品提供结构复杂、质量更高的毛料。因此，电磁铸造不但能提高铝合金铸造的内部质量，满足高新技术领域发展的需求，还有较高的经济效益。
瑞士铝业有限公司（以下简称为瑞士铝公司）改进了其电磁铸造（（EMC）技术[3]。其中，最显著的特点是，铝液冷却和凝固的控制，可调式电磁结晶器和非接触式金属水平传感器的操作过程都全部自动化。经六年工业生产的考核，电磁铸造法已被证明是可靠的，操作是安全的，具有高的生产率和好的经济效益。目前应用瑞士铝公司的电磁铸造技术生产的铸锭，年产量已达30多万吨。其产品规格多，同时，生产量也正迅速增长。用电磁铸造法铸造的铸锭能使其后的铣面和切边减少或消除，从而节约了大量金属。瑞士铝公司的电磁铸造技术现已得到其它铝制品生产厂家的确认。
铸造凝固期间的金属与结晶器无任何机械接触曾是长期的梦想。Z.N.Gevselev在其1969年的专利中阐明了如何实现用电磁力使液体金属与结晶器不接触而铸造成型的原理。虽然多数大铝业公司早已承认电磁铸造的可能性和现实性，并且拥有这种技术专利，但是，电磁铸造法在试验这阶段完成很长时间之后才被西方国家应用于工业生产。
2.4、铝合金电磁铸造技术的应用
我国东北轻合金加工厂在20世纪70年代初开展了铝合金圆锭电磁铸造的研究。20世纪70年代末研制了一套电源装置。其一次可铸3根φ482mm圆铸锭，并成功地在生产中应用了一段时间。20世纪80年代中期，在铝合金圆锭电磁铸造圆锭电磁铸造成功经验的基础上，国家将方锭电磁铸造列为“七五”重点科技攻关项目。由东北轻合金加工厂、西南铝加工厂和北方工业大学联合承担攻关任务，经共同努力，完成了340mm×1260mm方锭微机程控电磁铸造任务，并且达到了国际20世纪80年代水平。1990年12月其通过国家鉴定验收。 虽然我国在20世纪80年代相继研究开发成功铝合金圆锭电磁铸造和方锭微机程控电磁铸造。但基于当时的管理体制和技术形势，电磁铸造的成功只是均衡了一下国际新技术的发展趋势。要推广应用电磁铸造技术就要额外增加设备投资，增加能源消耗，以及复杂的操作技术等。这样就增加了生产成本。而当时的国内用户对金属内部质量要求不高，大众产品多，尖端产品少，使用普通铸造方法就能满足用户需求等诸多因素，致使电磁铸造新技术被搁置。
随着社会的发展，科学技术的飞速前进，产品质量的不断提高，对金属内部质量的要求也越来越高。尤其目前的航天航空和国防军工尖端产品的飞速发展，对金属内部质量要求就更高了。因此，用普通铸造方法生产的金属内部质量很难或无法满足要求。这就需要采用最先进的技术来生产内部质量好的产品，才能满足市场飞速发展的需求。而电磁铸造法则是目前国际上保证铝合金铸锭内部质量最佳的铸造方法。诸如美国、瑞士、日本和俄罗斯等国都一直在应用电磁铸造。据中国有色金属工业总公司率团赴澳大利亚和美国技术考察报告中报道：美国雷诺公司在利斯特希尔工厂用电磁铸造生产660mm×2032mm×6048mm扁锭。美铝公司在南厂装有2台立式电磁铸造机。凯撒铝技术中心、雷诺冶金研究所也都在应用电磁铸造技术。而俄罗斯的白卡利托瓦冶金厂用电磁铸造生产的铝合金厚板可满足航空航天工业的需要。萨马尔冶金联合企业1966年就开发了电磁铸造新工艺。俄罗斯的电磁结晶器铸造技术比较成熟，并且应用较为普遍。俄罗斯有很大部分的扁铸锭是用电磁结晶器生产的。其可铸造截面为300mm-500mm×1200mm-1900mm的扁锭，直径150mm-480mm的圆锭，而且金属利用率平均提高5%。
3、依靠技术进步，以促进铝合金电磁铸造技术的应用的可持续发展
因为用电磁铸造法，依靠电磁力约束熔体，在不接触结晶器的情况下进行铸造，所以没有造成前述缺陷原因的结晶器和铸锭间的空隙区，即能获得健全的表层组织、有光泽表面的铸锭（图2）。这样，除大幅度降低表面铣削量外，表层组织也微细化。因此其也能防止热轧时产生裂边。
图2 EMC法铸锭组织照片
为了使受熔体静压和控制范围限制的电磁力均衡，其铸造条件管理范围与传统铸造方法相比，狭窄得多，因此应当利用结晶器设计技术、结晶器内液面控制技术及铸锭冷却技术进行严格管理。这些技术如下[2]。
a）、结晶器设计技术
电磁铸造不用传统的结晶器，其原理是用通高频电流的线圈使熔体内产生感应电流，该感应电流和线圈电流所形成的磁场相互作用，在熔体内诱发电磁力，保持熔体（图1）。通常熔体保持高度定为30mm-50mm，凝固时为了容易得到平滑的铸锭，在减弱熔体上部电磁力上下功夫。俄罗斯的原理专利设置电磁屏蔽栅网进行磁场控制，同时也提出了正确选择电流线圈断面形状的方法和栅网线圈化改变阻抗的方法。为了探讨栅网的形状和位置，磁场解析技术是不可缺少的。其根据有限单元法的数值解析结果求出电磁力，通过流动解析探讨结晶器内熔池的流动和铸锭质量的相关性。
在实用方面，开发了能铸造多种尺寸铸锭的宽度可调结晶器。
底座的形状与结晶器一样重要。在EMC中，由于底座与铸锭间夹着的冷却水沸腾蒸发，摇动铸锭的剧沸现象，对铸锭形状有很大影响，因此其应当采取排水对策。
b）、浇铸自动化技术
浇铸自动化技术的核心是使熔体静压和电磁力经常保持平衡的结晶器内液面控制装置。该装置由液位传感器、调 整熔体流出量的执行器及控制器等构成。传感器有静电容量型、感应电流型、光学型；执行器有旋转型、油缸型等。现在正在开发多种装置。液位控制采用比例积分微分（PID）控制，与铸造速度、冷却水量等与铸造机相关的控制一起，以系统化的形态进行铸造条件管理。其铸造初期条件的管理尤为重要。如何适应铸锭合金的种类和结晶器型式，已成为EMC操作的技术决窍。
EMC除固有的优点外，可通过自动化消除了操作偏差，铸锭质量稳定。
c）、铸锭冷却技术
开始向结晶器内浇铸熔体不久，熔体在底座内凝固。其后，如果底座下降而被直接水冷，凝固壳急剧增高。其增高速度极快，在铸造机的下降速度控制方面，往往很难适应。因此，在铸造初期一般采用缓慢冷却，使凝固壳缓慢增高。作为缓慢冷却技术有脉冲开闭冷却水喷出的方法、冷却水中混入CO2气和小苏打使其发生细小气泡的方法以及降低冷却水的喷出角度，降低热传导的方法。瑞士Alusuisse公司的EMC技术，即使用CO2气。
正常铸造时的冷却，通过控制一定水量的方法进行。但是，结晶器冷却水喷射部分的设计应能保证结晶器周边没有剧烈的水量变化。为了防止冷却水不均匀喷出，应当充分探讨冷却水的清净化。
d）、一般铸造技术
结晶器内的玻璃滤网，原来的目的是防止氧化物流入铸锭。最近，为了在熔池内得到最佳的温度分布也采用这种滤网，并开发了COMBO bag和MINI bag （COMBO bag，MINI bag，是把粗、细网目的玻璃滤网重合，为控制结晶器内的熔体流动而开发的新技术产品）。在EMC中，除上述目的外，为了控制液位，在bag内外应当使用没有熔体压力差的滤网。另外，为了防止结晶器内熔体上面的厚氧化膜流进铸锭表面，探讨了各种断面形状和尺寸的拦渣挡板（Skim Dam ）。
目前电磁铸造法是一种很先进的铸造技术。用瑞士铝公司的电磁铸造法每年生产30多万吨铸锭，而且在今后几年内，还将会有显著的增加。在经济效益上，瑞士铝公司已超过预期的设想。其主要效益是在热轧时消除了洗面和减少了切边。然而，其它效益经实践证明，也取决于现存设备和产品配料。最先进的铝合金电磁铸造装置如图3、图4所示。电磁法铸造的铸锭表面与直接冷却法铸造的铸锭表面质盆对比如图5所示。
图3 瑞士Chippis工厂高强铝合金电磁铸造装置的控制盘 图4 俄亥俄州Hannibal联合铝厂三台电磁铸造装置之一
图5 电磁法铸造的铸锭表面（右）与直接冷却法铸造的铸锭表面质盆对比
回顾过去，产生此重要发明公认有两个重要因素，即技术因素和人材因素[3]。
a）、技术因素
技术因素是指应用电磁成型这一有特殊意义的复杂技术。其比直接冷却（DC）铸造法更加完善得多。在其同时由于光学检测和其它可靠装置的采用，产品的质量标准也提高了。这就需要铸造车间研究和应用新的设备和工艺。其包括：电子计算机控制（对生产中众多的参数和快速反应的必要条件加以保证）；金属水平控制（让结晶器中的金属水平维持在很窄的范围内波动）；电磁铸造结晶器和过滤装置（以便获得最好的产品质量）；控制金属的冷却和凝固（铸锭铸造刚出头时，难以控制）。
自动控制-对于电磁铸造法和直接冷却铸造法，计算机控制已经有了发展。在电磁铸造中，计算机是必不可少的，因为要进行多参数控制。特别当开始下降，铸锭刚出头时，自动控制尤为关键。
计算机有三个主要的功能：
1）、起动检测；
2）、铸造参数的参照；
3）、程序控制。
铸锭开始下降前，在初始位置时，要检查传感器和仪器的正常功能。然后计算机对铸造操作几乎进行全部管理，并根据铸造实际的特殊需要给予不同的控制程序。在铸锭开始下降并刚出头的临界期间内，计算机的监控是十分重要的。其也监控铸造的全过程。若误差超过要求时，其就进行干预，并对操作人员发出信号，因而改善了工序的稳定性和可靠性。变量的监测对质量起反馈作用。操作人员控制盘的设计是以人机工程学的原理为依据。其得到全体操作者的赞赏。
由于金属水平控制-在电磁铸造时，结晶器中的金属水平（结晶器中金属液面的高度）是一个非常关键的参数，因此，自动化程序中，金属水平控制装置担负着重要的任务。其由一台非接触金属水平传感器和一个步进电机驱动的流量控制元件所组成。两者在铸造车间的环境里都已被证明是可靠的。其可以保持金属水平的控制误差在1mm以内。
对于多模铸造，结晶器中金属液流速度与金属水平的控制是很重要的。利用现有设备的程序自动控制，可以同时控制8个以内的结晶器。
结晶器-电磁铸造结晶器的设计将影响铸锭的表面质量和金属回收率。如果铸锭规格频繁更换，则可调式结晶器降低了投资费用，并提高了适应性和生产率。其最大调整范围为512mm；最小调整量和每次可调量都为25.6-mm。
控制金属的冷却与凝固-铸锭的冷却由总的热传导率来确定。阿尔考（A1coa）公司的CO2法能完全改变铝水交界面处的热交换。
b）、人的因素
技术文件-所提供的文件是建立在技术转让已获得成功的基础上。瑞士铝公司提供的文件由下列部分组成：
1）、工艺方法介绍；
2）、设计说明书；
3）、制造；
（1）、自动化
（2）、运转
（3）、铸造
4）、维护。
“设计说明书”部分包括工厂为适应电磁铸造的特殊要求所必需的全部准则。“制造”和“自动化”配有装置详图。
5）、培训-整体范围内的全面培训是很重要的。操作和维修的人员、冶金工作者、设计和工艺工程师都必须接受培训。培训中，理论与实际相结合是十分有效的。在开工以前，可在研究和试验单位，或某些生产单位进行基本训练。在试运转期间完成培训。
6）、操作实践
生产单位-瑞士铝公司这种工艺使用在它的Chippis工厂和它的Hannibal美国子公司的联合铝厂。Hannibal工厂能生产饮料罐坯料、箔材坯料和一些3003，3005，5052合金，铸造厂为多模铸造（四或五个结晶器，其尺寸从512mm×1024mm到512mm×536mm）。
Chippis工厂是专门铸造硬合金，诸如2024，7075，5182等。产品带有高塑性的特点，铸锭尺寸从307mm×1024mm到307mm×2176mm。
瑞士铝公司已对雷诺（Reynolds）和阿尔考（（Alcoa）公司给予电磁技术转让。这些公司的部分生产厂在生产中均使用电磁铸造技术。
使用瑞士铝公司电磁铸造技术生产的铸锭，年产量已超过30万吨，主要是生产饮料罐坯料用的3004合金。
7）、质量-电磁铸造的铸锭可以不锐面，广泛用作生产饮料罐和其盖的坯料、箔材坯料和其它板材等。在热轧时，甚至对于硬合金2024或7075，基本上都可消除裂边。这些合金的铸锭比用直接冷却法铸出的铸锭有更好的可轧制性。电磁铸造的铸锭如果再进行轻微的铣面，与铣面的直接冷却法铸锭相比，其制品有更好的阳极化处理质量。从冶金学的角度来看，电磁铸造的铸锭，表面光滑，偏析层薄，晶粒细小并为等轴晶。
用户对产品评价很高，因此都购买电磁铸造法生产的产品。
8）、节约一很显然，节约是与不铣面和不裂边有关。碎屑的处理和重熔（包括在操作时正常的烧损），甚致比铣面工艺本身花费的费用要更大。特别对于硬铝合金节约更是与不铣面和不切边有直接关系，它们通常要求深铣面和宽切边。
除了这些“共同”方面的节约之外，还有相当程度的“间接”节约。其基本上取决于某些现有的设备（这些设备，一些工厂已制造，一些工厂还未制造）。由于碎屑重熔大减，这就提高了生产率。当某些其它工艺步骤不再需要时，可以减少铸锭用量和缩短铸锭的交付时间。同样的理由，其适应性也提高了。如果以前因受炉子、铣床、锯床等条件的“约束”，那么现在就可以生产出较大尺寸的铝卷。由于轧制时道次压下量增加，维修时间的减少以及裂边所引起的划伤废品的降低。这些都会导致节约和成本降低。
省去铣面和减少切边的“直接”费用是可以预先正确的估算出。但是想从“间接”的节约中估算出有多少效益是很困难的。总的来说，与直接冷却铸造法相比，瑞士铝公司的电磁铸造法通常可以节约8￠/kg以上，在某些情况下，甚至可以超过13￠/kg。
4、结束语
电磁铸造技术是绝对可行的技术。但非必是取得铸造成功的充分条件。必须承认在早期试验阶段，人的因素是很重要的。这些复杂的技术，要求操作人员必须具备电子计算机控制、电子学、精密机械和冶金铸造工艺等方面的知识和操作能力。这些复杂的技术需要准备进行技术转让，包括全体操作人员完成全面培训计划和加大铸造车间的工释能力。
参考文献
[1]、魏宝昌等.铝及铝合金电磁铸造的工业应用[A].全国铝合金熔铸技术交流会论文集[C].2004年；
[2]、[日]林典史.铝合金电磁铸造技术[J].有色金属加工.1996（06）：21-23。
[3]、曲贵贞等. 铝合金电磁铸造法的工业应用[J].轻金属.1989（12）：57-60。
作者简介
谢恩（1972，06）， 男，工程师，主要从事有色金属材料研发及相关的生产管理工作。