電磁攪拌耦合場的數值模擬及實驗研究

董浪

摘 要 電磁攪拌法因具有可精確控制、非接觸和環保清潔與大工業生產容易對接等優點，在工業應用半固態金屬坯料制備技術方面處于領先地位，并且產業化得以實現。制作半固態漿料最常使用的工藝就是電磁攪拌，顆粒增強金屬基復合材料的制備也是常用電磁攪拌法，因此研究電磁攪拌通過數值模擬來實現，對于制定復合材料復合工藝優化和半固態漿料制備工藝都具有重要意義。國內外常用電磁場-流場的耦合計算來做電磁攪拌的數值模擬，近年增加了同時考慮電磁-熱-流體的耦合計算實驗。

關鍵詞 電磁攪拌 耦合場 實驗研究

中圖分類號：TG27 文獻標識碼：A

0引言

利用電磁攪拌鋁合金半固態漿料的過程為例，進行分析物理量耦合的數字模型，采用有限差分和有限元結合，來進行分析電磁攪拌下溫度場、流場和電磁場的耦合模擬，研究流場和溫度場參數受電磁攪拌工藝影響的規律，并實驗進行驗證。根據實驗結果顯示：鋁合金熔體在受水平旋轉的電磁力場影響下均勻分布，交變電磁場的旋轉方向與其方向一致，大小從邊部到中心則因集膚效應遞減；電磁力與熔體內速度場分布相似，但隨著延長攪拌時間，熔體溫度和速度不斷降低；熔體凝固速度在電磁攪拌條件下加快，熔體溫度梯度在心部和邊部的變小。

1電磁攪拌過程模型的建立

1.1 電磁攪拌器結構及模型

電磁攪拌裝置中攪拌器磁軛和鐵芯系統使用高磁導率的硅鋼片制成，攪拌線圈采用在鐵芯上安裝中空的銅導線作為繞組，一對極的電磁攪拌器制備形成。通過電容使線圈的兩對線圈相位角相差90啊F涔ぷ髟砘救縵攏喊嚴轡喚淺？0暗慕渙韉緦魍ㄈ氳礁杏ο呷χ校桓黿槐湫懦【突嵩誚漣枸巔鮒脅彼懈盥梁轄鶉厶迨備杏ο呷χ謝岵杏Φ緦鰲4懦『馱亓髀梁轄鶉厶逑嗷プ饔茫梁轄鶉厶逕喜叫绱帕Γ詰绱帕η侶梁轄鶉厶蹇莢碩6雜詬呔侗群艽蟮慕漣枸巔觶朔獎慵撲悖梢雜枚侍飫醇蚧淼绱漚漣枳爸眉撲愕惱瞿P汀5绱漚漣柚平爸糜上呷?、蹘p觥⒋砰?、空瓢靳橍熔体等部纺[槌桑治齙鬧氐鬮梁轄鶉厶?。?/p>

1.2 數字模型的建立

為便于數字模型的建立，假設流動的鋁合金熔體是不可壓縮的黏性流體。電磁場的攪拌強度在試驗過程中并不是很大，相對比較小的熔體流動速度，雷諾數小于2100，因此可以采用層流模型進行建模。除熔體的黏度隨溫度升降而發生改變，假設均為各向同性材料的不銹鋼坩堝、磁軛、鋁合金熔體和銅線圈，磁導率均為常數；溫度變化對密度的影響不作考慮，除焦耳熱外無其他內熱源，即加熱過程的熱膨脹被忽略，密度一直被設定為固定值；產生的位移電流忽略不計；不考慮電磁場受鋁合金熔體流動時的影響，與其它場的耦合通過時均電磁力代替時變電磁力來實現；本研究不考慮固液兩相流動，而把液態金屬熔體的流動狀態作為主要考慮的問題。

2 模擬結果和分析

2.1磁場分布分析

在頻率為10 Hz、電流為30A的攪拌電流下，計算得到鋁合金熔體中電磁力分布和磁力線。不難得出，鋁合金熔體被線圈產生的磁力線完全穿過。在鋁合金熔體內均勻分布著水平旋轉的電磁力場，磁場的旋轉方向與電磁力的作用方向一致，使鋁合金熔體沿著水平方向上向上旋轉流動。由于感應電流的集膚效應，電磁力在合金熔體中由外向內依次減小。說明鋁合金熔體均在攪拌區域內受到電磁力的作用，因此熔體的整個區域都能獲得均勻的攪拌處理。

2.2流場分布分析

把電流頻率設定為10Hz，電流為10 A，計算鋁合金熔體內流場在不同時間下的分布，可以看出，在5s的電磁攪拌時間下，還處于完全液態的鋁合金熔體，受到旋轉電磁力的作用，在液態鋁水平面上呈旋轉運動，基本實現速度場均勻分布。由于集膚效應，由外向內合金熔體中的電磁力依次減小，這也導致在鋁合金熔體邊緣流速達到最大值，流速從邊緣到中心逐漸減小，攪拌漩渦在鋁合金熔體中逐漸形成。隨著延長攪拌的時間，金屬熔體的流動速度減小，黏度增加，溫度降低。攪拌時間為10秒與5s時熔體的動速度明顯減小。

2.3溫度場分布分析

在10 Hz的電流頻率下， 把電流分別設定為10A、20A和30A，求出態溫度場的瞬時分布。選取中心到邊部路徑上的點對金屬熔體進行分析，在攪拌時間相同的條件下，隨著電流的增大熔體整體的溫度反而依次減小。電磁力隨著電流的增大而增大，也增強了鋁合金熔體的旋轉運動，熱量傳輸在熔體內部更快。電流為10A時熔體中心的溫度為633.305℃，而電流為30A時熔體中心的溫度反而降到617.161℃。因此，攪拌強度的提高能最大限度地增強熔體熱交換的動力學過程，要獲得好的攪拌效果必須控制好這些參數。

3 結束語

隨著不斷發展的強磁場技術，有關強磁場的數值計算模型需要建立。使人們對金屬材料電磁加工過程可以通過計算模型有深刻地認識和理解，包括電磁攪拌下熔體的熔體內溶質的分布狀況、凝固過程、凝固坯細晶組織的機理形成以及非金屬物運動軌跡受電磁場影響情況，從而能夠更加合理有效的利用電磁場攪拌。總之，在應用范圍和計算精度上數字模型應該進一步擴展，使其在實際生產中能真正應用。

參考文獻

[1] 張襯新.電磁攪拌作用下鋁合金凝固組織的數值模擬[D].北京有色金屬研究總院碩士，2012.

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