铝硅合金软接触电磁铸造成型中耦合场计算研究

张红霞，杜永胜

（内蒙古科技大学数理与生物工程学院，内蒙 古包头 014010）

电磁铸造技术是建立在电磁流体力学基础上，并与冶金工程相结合的先进材料加工方法。通过电磁力在材料成形过程中可实现形状控制、驱动熔体、抑制流动、悬浮、升温、精炼和凝固组织控制等作用。利用该技术生产的铸坯加工性能好、表面质量高[1-3]。液态金属的电磁铸造成型是在电磁场、温度场、流场等复杂的三维场的综合作用下进行，铸造过程物理图象呈现多样化。电磁场在结晶器内的分布不仅影响铸池内的流场和铸锭内的温度场，同时还决定液柱形状，直接关系到铸造的成败[4]。本文通过建立简化的二维电磁铸造模型，利用有限元计算软件ANSYS求解电磁场对流场及温度场的影响规律，为电磁铸造约束成型方法的进一步工程化应用提供理论依据[5]。

1 洛伦兹力计算

实验装置为圆柱形坩埚置于通有交变电流的感应线圈中进行电磁铸造约束成型。由于该问题具有轴对称性特点，可转化为二维问题进行研究处理。其模型图如图1所示，其中1为金属熔体，2为线圈，3为空气区域。取线圈通电频率为2500Hz，线圈电流密度为74074 A/m2，金属相对磁导率为8、电阻率为2.1×10-7Ω·m。

计算可得金属内磁场的分布如图2所示，插图为ab路径上磁场沿x、y方向的大小分布。由于计算模型中电流主要沿z轴方向传导以及金属本身的集肤效应，导致磁场主要分布于y轴表面，磁场最大值为0.00845 T。参照传统的无限长螺线管内部磁场公式：

图1 电磁铸造模拟图

图2 频率f=2500Hz时磁场分布图

其中B为磁感应强度、n为单位长度线圈匝数、N为线圈总匝数、l为螺线管长度、I为螺线管所通电流。考虑到二者模型差异后，可证实ANSYS计算的可靠性。

在电磁软接触连铸工艺中，直接决定液柱形状的是金属熔体所受电磁力的大小和方向。图3是频率为2500Hz时金属所受洛伦兹力密度分布图，插图是ab路径上洛伦兹力密度沿x、y方向大小分布图。可以得到洛伦兹力密度主要沿x方向分布，表现为电磁压力密度。并且其主要分布于集肤深度范围内，在靠近金属表面时达到最大值，而后数值有所减小，这主要是由磁感应强度与感生电流共同作用所导致。

2 磁流耦合计算研究

图3 频率f=2500Hz时洛伦兹力密度分布图

图4是不同电磁场频率下合金熔体受洛伦兹力作用的流场分布图，其中频率分别为100Hz、500Hz、1000Hz、2500Hz和5000Hz。合金熔体的密度为2740kg/m3，黏度为 4.12×10-3kg/m·s。由于熔体表面受到电磁压力的作用产生向内部运动的趋势，金属熔体便产生了图中所示的两个对称漩涡[6]。金属熔体内部流动速度最大值出现在图中熔体区域的右上角和右下角处，流动速度最大值随着搅拌频率的增而逐渐减小，搅拌频率为100Hz时流动最为明显，并且作用范围最大。流动作用区域及流速随搅拌频率的增大而减小，这是由于感应线圈产生的电磁波在有损媒质中传播时，随传播距离的增加而逐渐衰减，电磁波频率越大，其衰减越快，损失的能量转化为金属中的焦耳热。所以当频率较高时，由于电磁波的穿透深度减小，主要集中于熔体的表面附近。由于熔体表面磁感应强度梯度很大，电磁力主要表现为作用于熔体表面的约束力，即图2所示的电磁压力。而随着电磁场频率的下降，磁力线逐渐渗入熔体内部，电磁力的回旋部分逐渐增加，强迫对流得到加强，电磁搅拌剧烈，电磁压力减小，不利于半悬浮液柱的电磁铸造成型[7]。

图4 不同频率下流场矢量分布图

3 磁热耦合计算

计算采用分步计算法，电磁场与温度场分别采用非线性谐性分析和瞬态热分析。图5是加热频率为5000Hz，在不同加热时间下的温度场分布云图。

图5 不同加热时间条件下温度场分布图

图6为不同频率下的温度场分布云图。由图5和图6可以得到，感应热的分布呈现表面强而内部弱的特点，这与电磁铸造中磁场的分布相吻合。感应线圈电流频率对感应热有明显影响，随频率的升高趋肤效应更加明显，趋肤层变薄，但加热效率提高很快[8]。

4 结论

利用ANSYS软件对电磁铸造中的磁流和磁热耦合问题进行了数值计算，研究了流场和温度场随相关参数的变化情况，并利用电磁场理论进行了相关解释，为确定和优化工业中电磁铸造参数提供了理论依据。

图6 不同加热频率条件下温度场分布图

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［5］张红霞，杜永胜.不同电磁搅拌器内电磁力的有限元数值计算［J］.铸造设备与工艺，2011（3）：41-43.

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