下行波磁場(chǎng)在熔體凈化中的模擬

劉武　宋虎　張林英　姚志勇

【摘 要】采用comsol與MATLAB軟件模擬了0Hz～50Hz范圍下行波磁場(chǎng)對(duì)圓柱型坩堝內(nèi)金屬熔體中的夾雜物運(yùn)動(dòng)遷移行為影響。結(jié)果表明，在下行波磁場(chǎng)作用下，熔體中夾雜物受到浮力與電磁作用力的耦合作用聚集在圓柱型坩堝上部并靠近磁場(chǎng)發(fā)生器處，具有明顯的富集區(qū)域，下行波磁場(chǎng)對(duì)熔體中夾雜物具有凈化作用。

【關(guān)鍵詞】下行波磁場(chǎng);熔體凈化;夾雜物;計(jì)算模擬

中圖分類(lèi)號(hào)： TG243文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）36-0308-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.147

0 引言

夾雜物對(duì)金屬材料的塑性、韌性以及材料的抗腐蝕性具有不良影響，夾雜物控制一直是金屬冶煉中的控制重點(diǎn)[1]。電磁凈化技術(shù)是一種新興的熔體凈化技術(shù)，無(wú)需接觸熔體，不會(huì)造成二次污染，而且磁場(chǎng)發(fā)生設(shè)備較為簡(jiǎn)單，一直受到了冶金工作者關(guān)注。本文采用Comsol與MATLAB自編程序模擬了下行波磁場(chǎng)作用下，磁場(chǎng)頻率與電流強(qiáng)度對(duì)熔體流場(chǎng)以及熔體中夾雜物遷移運(yùn)動(dòng)行為的影響，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與討論。

1 模擬方法

計(jì)算采用二維軸對(duì)稱模型，在計(jì)算模型中采用時(shí)間平均電磁力。在柱坐標(biāo)下，下行波磁場(chǎng)在Z方向?qū)挝粚?dǎo)電熔體時(shí)間平均力可以表示為[2]：

■z=-■B■■σωr■k（1）

式中：B0為熔體邊緣磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值，r為坩堝半徑，σ為金屬液電導(dǎo)率，ω為磁場(chǎng)頻率，k為行波波數(shù)。流動(dòng)采用層流模型，熔體不可壓縮，流動(dòng)為穩(wěn)定狀態(tài)，速度場(chǎng)與時(shí)間無(wú)關(guān)。流場(chǎng)計(jì)算采用COMSOL Multiphysics 多物理場(chǎng)仿真軟件，獲得穩(wěn)定流場(chǎng)數(shù)據(jù)后，將夾雜物顆粒視為球形，夾雜物在熔體中受流體粘滯力、電磁擠壓力以及浮力的共同作用，采用拉格朗日模型，對(duì)隨機(jī)分布于流場(chǎng)中的夾雜物進(jìn)行跟蹤，最后獲得夾雜物分布情況。

2 模擬結(jié)果

2.1 下行波磁場(chǎng)參數(shù)對(duì)熔體流動(dòng)的影響

圖2 夾雜物下行波作用不同時(shí)間下的分布云圖

圖1分別為不同磁場(chǎng)強(qiáng)度與頻率下行波作用下的流體速度分布云圖。在下行波電磁力作用下，熔體在坩堝壁附近至上而下流動(dòng)，靠近坩堝芯部，電磁力逐漸減弱，熔體至下而上流動(dòng)，在熔體頂部與底部沿軸向流動(dòng)，在熔體內(nèi)部形成穩(wěn)定環(huán)流，最大流速出現(xiàn)在熔體芯部區(qū)域。由圖1可知隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度與頻率增加，流速隨之增加，但流速分布未發(fā)生改變。

2.2 不同磁場(chǎng)參數(shù)對(duì)夾雜物遷移效果影響

夾雜物為隨機(jī)注入30000個(gè)尺寸正態(tài)分布于5～25μm的夾雜物，圖2分別為熔體中夾雜物下行波作用不同時(shí)間下的分布云圖，結(jié)果表明在下行波作用下，夾雜物顆粒在熔體中出現(xiàn)富集趨勢(shì)，上行的熔體加速了夾雜物上浮，下行波磁場(chǎng)對(duì)熔體中夾雜物凈化作用首先從熔體的芯部開(kāi)始，在熔體芯部形成夾雜物顆粒分布較少區(qū)域，夾雜物主要集中分布于熔體上部以及坩堝壁上部，增加磁場(chǎng)強(qiáng)度與頻率可以加快夾雜物上浮。

3 結(jié)論

模擬結(jié)果表明，在電磁力與浮力的共同作用下，磁場(chǎng)作用能有效加速中心區(qū)域的夾雜物上浮，尺寸較大夾雜物集中于鑄錠帽口中心區(qū)域，尺寸較小的夾雜物分布于鑄錠帽口邊緣區(qū)域。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李杰華，郝啟堂.鋁合金熔體凈化技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2005（6）：1.

[2]Volz M P， Mazuruk K. Lorentz body force induced by traveling magnetic fields[J].Magneto-hydrodynamics，2004，40（2）：117-127.