電磁場下液態金屬流速的測量技術分析

張華祥，雷 彬，孟學平，王俊曉

(陸軍工程大學彈藥工程系，河北 石家莊 050003)

0 引言

控制液態金屬的流速和形態可以避免卷渣、鑄坯裂紋和控制晶粒生長[1]，是提高鑄件質量的重要手段。電磁場對液態金屬的作用是可控的，可實現對液態金屬的攪拌、傳輸和箍縮[2]。因此，電磁場在連續鑄造等方面的應用越來越廣泛。但目前在控制液態金屬流動方面的研究主要利用數值模擬，相關計算參數和邊界條件沒有準確試驗數據，仿真計算結果的精度存在局限性。電磁場下液態金屬流速的測量數據可用于驗證仿真結果和校正仿真模型。

液態金屬具有非透明和高溫等特點，使得液態金屬在電磁場作用下的流動狀態測量更加困難，采用畢托管和Vives探針法等常用方法無法測量。因此，對電磁場下液態金屬流速和形態的測量技術進行了研究，對比了各測量技術的優缺點，總結了各測量技術的應用場合及應用難點，指出了電磁場下液態金屬流速測量技術的研究方向。

1 電磁場作用下液態金屬流速測量方法

1.1 超聲波多普勒測速法

超聲波多普勒測速法(ultrasound Doppler velocimetry,UDV)是根據時間差和位移，計算出液態金屬的流速，進而測得流場的一維、二維和三維流速。

王松偉和王曉東等[3-4]采用超聲波測速儀DOP3000對GaInSn合金液流動進行測量，研究了方形、圓形和旋轉模式周期等對金屬液流動狀態的影響，測量了軸向和周向速度。王敏、賈皓和李潔等[5-7]測量了板坯結晶器模型內水銀流速的分布，優化了電磁攪拌和電磁制動的工藝參數。S.Eckert等[8]研制出組合式超聲波傳感器，測量了300 ℃的PbBi液和650 ℃的CuSn液的流速；K.Timmel等人[9]研究了直流磁場對400 ℃的SnBi合金液從浸入式噴嘴的出口流出的影響。近年來，S.Eckert團隊[10]研制出超聲波陣列多普勒測速儀(ultrasound array Doppler velocimeter,UADV)，測量了旋轉磁場中金屬液的三維流速。超聲波陣列傳感器被安裝在GaInSn合金液方形容器的4個面中心，測量時間超過1 h，測量空間分辨率較高。這種方法既可用于測量金屬液中的氣泡速度[8]，又可用于研究磁場作用下氣泡的速度和尺寸。

測量氣泡速度原理如圖1所示。

圖1 測量氣泡速度原理圖

該方法的優點是穩定、有效，可以實現三維流速測量，空間分辨率較高；缺點是測量得到的最大速度和最大深度，受金屬的純凈度限制。它主要用于電磁場作用下的鑄造過程，尤其是流場復雜的板坯連鑄過程。

1.2 照相法

照相法的原理是在液態金屬表面布置一些與金屬液密度相近且不會被熔化的非金屬物質，通過相機或高速攝影機對金屬液表面流動進行拍攝，根據時間差和流動的距離算出金屬液表面的流速。照相法原理如圖2所示。

圖2 照相法原理圖

徐振洋[11]利用高速攝影攝像機記錄聚能射流侵徹圓柱混凝土，測量了聚能射流的形變及各部分的速度。溫長飛[12]為研究復合電磁場作用下的液面波動情況，利用高速攝像機記錄在不同電流強度、磁場頻率等情況下的彎月面變形。E.D.Tarapore等[13]為驗證在感應爐中電磁攪拌力驅動的金屬流體的流動和理論計算的吻合度，在室溫下用水銀模擬鋼液，在頻閃閃光燈和照相機的配合下記錄金屬熔體的表面流動速度。測試系統得出的結果和建立的模型吻合較好。M.Dubke等[14]用照相法研究在方形容器中進行電磁攪拌后金屬液面的流動狀態。

照相法的優點是操作簡單，非接觸式記錄高速流動或金屬液的形變；缺點是拍攝時容易受其他物體遮擋和強光的影響，不能測量液體內部速度和任意位置的速度。該方法一般應用于測量金屬液表面流速。

1.3 X光攝像法

X光具有很強的穿透能力，在試驗之前設置標尺，通過比對拍攝底片可進行定量測量。X光攝像法既可用于測量聚能射流的伸長和頸縮過程，也可用于測量兩相流動或結晶過程中氣泡的尺寸和流速。

魏繼峰等[15]將鎢粉作為射流的示蹤物質，用X光攝影分析了射流的速度變化和射流各部分的動態塑性參數變化趨勢。許世昌[16]用X光攝像機記錄雙層含能藥型罩射流成型過程，兩臺X光機設定不同的延遲時間，并在底片上劃定標記線，測量了射流的拉伸長度及杵體和射流頭部的速度。S.Boden等[17]用X射線透射儀研究了GaIn合金在電磁驅動下的定向凝固，用X射線透視儀拍攝的圖像觀察樹枝晶和熔融金屬液的流動情況，記錄電磁攪拌下合金凝固的過程。其缺點是拍攝區域小。N．Shevchenko等[18]將X射線法用于研究液態金屬兩相流動和結晶過程，研究了浮力和電磁力對結晶的影響，并探討了Ar氣泡在液態GaInSn中的變形和內部結構特征。X光射像法示意圖如圖3所示。

圖3 X光射像法示意圖

該方法使不透明的金屬液內部可視，具有高速攝影等優點；缺點是使用X射線需要注意防輻射，透射深度有限，底片區域較小，適用于拍攝聚能射流等高速形變的場合或鑄件結晶過程。

1.4 機械光學法

機械光學法示意圖如圖4所示。

圖4 機械光學法示意圖

由S.Eckert等人[19-20]研發的機械光學探針，主要由計算機、機械傳感器、CCD陣列傳感器和光學儀器等組成。其感應部分是與金屬液直接接觸的玻璃管，玻璃管內部是很細的玻璃桿。若液態金屬發生流動，尖端發生彈性變形，玻璃桿發生偏移。CCD相機記錄玻璃桿上端的偏移距離，即可計算出與傳感器垂直的兩個速度分量。

傳感器觸頭是核心部件，S.Eckert研制的觸頭材質為硼硅玻璃，在測量高溫液態金屬會因發生塑性變形造成失效。改進后的觸頭采用石英玻璃，其變形溫度較高(大約1 200 ℃)，并在光學系統外通冷卻水，保證光學系統的工作溫度一直在100 ℃以下。對室溫下的水和GaInSn合金以及對400 ℃下的SnPb和PbBi合金的測量結果證實了改進后的觸頭的適用性[21]。其優點是不受外界磁場和電場干擾，能在高溫環境下測量；缺點是需要精密的光學系統，制造成本昂貴，由于測量原理限制，不適合測量有速度波動的湍流。

2 測量技術的應用難點及研究方向

2.1 測量技術的應用難點

各測量液態金屬流場的技術原理不同，在特定的場合具有各自的優勢，如X光攝像法具有透射性，多普勒超聲波測速法可測三維流速。但測量技術在應用中仍存在不可忽視的難題。

①高溫條件下測量困難。金屬結構材料的熔點大多在1 000 ℃以上，但研發時大多使用低熔點金屬作為試驗工質。目前，這些金屬適用于高溫測量的組合式超聲波傳感器和工作溫度在800 ℃的機械光學儀器。

②時序控制和匹配。聚能射流形成和通過X光機底片或高速攝影拍攝區域的時間極短(微秒量級)。只有確保射流頭部剛進入拍攝區域就觸發拍攝按鈕，才能拍攝到射流的飛行過程。使用超聲波陣列傳感器測速時，控制不同位置的傳感器發射超聲波的時序對獲取瞬態的三維流速至關重要。

③測量體積相差較大。工藝優化設計時，模型一般采用幾何相似方法，對結晶器按比例縮小。將測量技術用于工業測量時，結晶器底部和中心部位測量得到的工藝優化參數在實際生產中作用發揮不明顯。

2.2 測量技術的研究方向

基于現有的測量技術和以上應用需求，電磁場液態金屬流速的測量技術具有如下發展趨勢。

①耐高溫設計。結晶器內熔融高溫合金液的流動狀態對控制鑄件質量十分重要。目前的測量技術可以實現連續1 h、溫度低于800 ℃的測量，但同期望指標還有差距。

②小型化和屏蔽性設計。一方面減少或防止測量儀器對金屬液流動的影響，另一方面減少外界環境(如加熱器件、電噪聲)的干擾。機械光學儀會干擾金屬液的流動，測量深度也有限制，將探針小型化和提高屏蔽性有助于提高測量精度。

③提高反應速度和擴大測速范圍。超聲波陣列多普勒測速法是可靠性較高的測量技術，可以實現三維流速測量，但測量湍流時響應速度不夠快；機械光學法的測速范圍有限，不適用于各區域流速差異較大的場合。因此，新測量技術應朝著高測試速度和寬測速范圍的方向發展。

④多測量技術的組合匹配。單一測量技術難以滿足有電磁攪拌或電磁制動的連續鑄造過程。多種測量技術組合可以實現高空間分辨率、大深度測量，既可以測量內部流場結構，又可以測量液面波動情況。但多測量技術同時使用易發生干擾，超聲波傳播過程可能碰到探頭發生反射引起誤差。因此，如何組合匹配測量技術也是研究方向之一。

3 結束語

液態金屬具有高溫和多維流動的特點，對液態金屬在電磁場作用下的流場測量困難，故研發了特定的測量技術。但每種方法都有其局限性和應用場合，且存在應用難點。向高溫、小型化和多技術組合匹配等方向發展的測量技術，能夠實現準確無誤的測量。

上述的測量技術為冶金、鑄造過程數學物理模型提供了有用的參數信息，為驗證和評價數值仿真結果提供了數據，也為研究在電磁場作用條件下的凝固和鑄造過程提供了有效測量手段。此外，該技術有利于研究電磁場對聚能射流形態的影響。只有研究更適用的測量電磁場下液態金屬的技術，才能更好地理解和研究電磁場的作用，實現鑄件質量的改善或聚能射流侵徹深度的增加。

[1] VIVES C.Crystallization of aluminum alloys in the presence of vertical electromagnetic force fields[J].Journal of Crystal Growth,1997,173(3-4):541-549.

[2] 馬彬，黃正祥，祖旭東，等.縱向磁場對聚能射流極限拉伸系數的影響[J].爆炸與沖擊，2016，36(6)：759-766.

[3] 王松偉，那賢昭，張新德.螺旋磁場驅動金屬液軸向流動的研究[J].鋼鐵釩鈦，2013，34(4)：52-56.

[4] 王松偉，王曉東，倪明玖，等.模式螺旋磁場驅動金屬液流動的研究[J].金屬學報，2013，49(5)：544-552.

[5] 王敏，賈皓，張振強，等.電磁制動下板坯結晶器內金屬流動的物理模擬[J].上海金屬，2011，33(6)：41-60.

[6] 賈皓，張振強，吳吉文，等.板坯連鑄電磁制動下結晶器內金屬流場的研究[J].過程工程學報，2012，12(5)：721-727.

[7] 李潔，周月明，王俊.電磁攪拌作用下板坯結晶器內金屬液流動行為試驗研究[J].上海金屬，2014，36(1)：42-47.

[8] ECKERT S,GERBETH G,MELNIKOV V I.Velocity measurements at high temperatures by ultrasound Doppler velocimetry using an acoustic wave guide[J].Experiments in Fluids,2003,35(5):381-388.

[9] TIMMEL K,ECKERT S,GERBETH G.Experimental modeling of the continuous casting process of steel using low melting point metal alloys—the LIMMCAST program[J].ISIJ International,2010,50(8):1134-1141.

[10]GALINDO V,NAUBER R,FRANKE S,et al.Measurements of a three-dimensional flow in a cube by means of an ultrasound array Doppler velocimeter(UADV) [C]//10th International Symposium on Ultrasonic Doppler Methods for Fluid Mechanics and Fluid Engineering,2016.

[11]徐振洋，楊軍，郭連軍.爆炸聚能作用下混凝土試件劈裂的高速3D DIC試驗[J].爆炸與沖擊，2016，36(3)：400-406.

[12]溫長飛.復合磁場作用下金屬液面行為的試驗研究[D].沈陽：東北大學，2009.

[13]TARAPORE E D,EVANS J W.Fluid velocities in induction melting furnaces:Part I.Theory and laboratory experiments[J].Metallurgical and Materials Transactions B,1976,7(3):343-351.

[14]DUBKE M,TACKE K H,SPITZER K H,et al.Flow fields in electromagnetic stirring of rectangular strands with linear inductors:Part I.Theory and experiments with cold models[J].Metallurgical Transactions B,1988,19(4):581-593.

[15]魏繼鋒，張超，魏錦，等.基于鎢粉示蹤的射流塑性參數研究[J].兵工學報，2014，35(2)：193-197.

[16]許世昌.雙層含能藥型罩射流成型機理及侵徹性能研究[D].南京：南京理工大學，2015.

[17]BODEN S,ECKERT S,GERBETH G.Visualization of freckle formation induced by forced melt convection in solidifying gaInalloys[J].Materials Letters,2010,64(12):1340-1343.

[18]SHEVCHENKO N,BODEN S,ECKERT S,et al.Application of X-ray radioscopic methods for characterization of two-phase phenomena and solidification processes in metallic melts[J].The European Physical Journal Special Topics,2013,220(1):63-77.

[19]ECKERT S,GERBETH G,GUNDRUM T,et al.Velocity measurements in metallic melts[C]//ASME 2005 Fluids Engineering Division SummerMeeting.American Society of Mechanical Engineers,2005:49-56.

[20]ECKERT S,WITKE G,GERBETH G.A New Mechano-optical technique to measure local velocities in opaque fluids[J].Flow Measurement and Instrumentation,2000,11(2):71-78.

[21]ECKERT S,GERBETH G,GUNDRUM T,et al.New approaches to determine the velocity field in metallic melts[C]//Proceedings of the Electromagnetic Processing of Materials International Conference,2003.