电磁搅拌耦合场的数值模拟及实验研究

董浪

摘 要 电磁搅拌法因具有可精确控制、非接触和环保清洁与大工业生产容易对接等优点，在工业应用半固态金属坯料制备技术方面处于领先地位，并且产业化得以实现。制作半固态浆料最常使用的工艺就是电磁搅拌，颗粒增强金属基复合材料的制备也是常用电磁搅拌法，因此研究电磁搅拌通过数值模拟来实现，对于制定复合材料复合工艺优化和半固态浆料制备工艺都具有重要意义。国内外常用电磁场-流场的耦合计算来做电磁搅拌的数值模拟，近年增加了同时考虑电磁-热-流体的耦合计算实验。

关键词 电磁搅拌 耦合场 实验研究

中图分类号：TG27 文献标识码：A

0引言

利用电磁搅拌铝合金半固态浆料的过程为例，进行分析物理量耦合的数字模型，采用有限差分和有限元结合，来进行分析电磁搅拌下温度场、流场和电磁场的耦合模拟，研究流场和温度场参数受电磁搅拌工艺影响的规律，并实验进行验证。根据实验结果显示：铝合金熔体在受水平旋转的电磁力场影响下均匀分布，交变电磁场的旋转方向与其方向一致，大小从边部到中心则因集肤效应递减；电磁力与熔体内速度场分布相似，但随着延长搅拌时间，熔体温度和速度不断降低；熔体凝固速度在电磁搅拌条件下加快，熔体温度梯度在心部和边部的变小。

1电磁搅拌过程模型的建立

1.1 电磁搅拌器结构及模型

电磁搅拌装置中搅拌器磁轭和铁芯系统使用高磁导率的硅钢片制成，搅拌线圈采用在铁芯上安装中空的铜导线作为绕组，一对极的电磁搅拌器制备形成。通过电容使线圈的两对线圈相位角相差90啊F涔ぷ髟砘救缦拢喊严辔唤浅？0暗慕涣鞯缌魍ㄈ氲礁杏ο呷χ校桓鼋槐湫懦【突嵩诮涟枸巅鲋胁彼懈盥梁辖鹑厶迨备杏ο呷χ谢岵杏Φ缌鳌4懦『驮亓髀梁辖鹑厶逑嗷プ饔茫梁辖鹑厶迳喜叫绱帕Γ诘绱帕η侣梁辖鹑厶蹇荚硕6杂诟呔侗群艽蟮慕涟枸巅觯朔奖慵扑悖梢杂枚侍饫醇蚧淼绱沤涟枳爸眉扑愕恼瞿P汀5绱沤涟柚平爸糜上呷Α③巅觥⒋砰睢⒖掌敖鹗羧厶宓炔糠肿槌桑治龅闹氐阄梁辖鹑厶濉？

1.2 数字模型的建立

为便于数字模型的建立，假设流动的铝合金熔体是不可压缩的黏性流体。电磁场的搅拌强度在试验过程中并不是很大，相对比较小的熔体流动速度，雷诺数小于2100，因此可以采用层流模型进行建模。除熔体的黏度随温度升降而发生改变，假设均为各向同性材料的不锈钢坩埚、磁轭、铝合金熔体和铜线圈，磁导率均为常数；温度变化对密度的影响不作考虑，除焦耳热外无其他内热源，即加热过程的热膨胀被忽略，密度一直被设定为固定值；产生的位移电流忽略不计；不考虑电磁场受铝合金熔体流动时的影响，与其它场的耦合通过时均电磁力代替时变电磁力来实现；本研究不考虑固液两相流动，而把液态金属熔体的流动状态作为主要考虑的问题。

2 模拟结果和分析

2.1磁场分布分析

在频率为10 Hz、电流为30A的搅拌电流下，计算得到铝合金熔体中电磁力分布和磁力线。不难得出，铝合金熔体被线圈产生的磁力线完全穿过。在铝合金熔体内均匀分布着水平旋转的电磁力场，磁场的旋转方向与电磁力的作用方向一致，使铝合金熔体沿着水平方向上向上旋转流动。由于感应电流的集肤效应，电磁力在合金熔体中由外向内依次减小。说明铝合金熔体均在搅拌区域内受到电磁力的作用，因此熔体的整个区域都能获得均匀的搅拌处理。

2.2流场分布分析

把电流频率设定为10Hz，电流为10 A，计算铝合金熔体内流场在不同时间下的分布，可以看出，在5s的电磁搅拌时间下，还处于完全液态的铝合金熔体，受到旋转电磁力的作用，在液态铝水平面上呈旋转运动，基本实现速度场均匀分布。由于集肤效应，由外向内合金熔体中的电磁力依次减小，这也导致在铝合金熔体边缘流速达到最大值，流速从边缘到中心逐渐减小，搅拌漩涡在铝合金熔体中逐渐形成。随着延长搅拌的时间，金属熔体的流动速度减小，黏度增加，温度降低。搅拌时间为10秒与5s时熔体的动速度明显减小。

2.3温度场分布分析

在10 Hz的电流频率下， 把电流分别设定为10A、20A和30A，求出态温度场的瞬時分布。选取中心到边部路径上的点对金属熔体进行分析，在搅拌时间相同的条件下，随着电流的增大熔体整体的温度反而依次减小。电磁力随着电流的增大而增大，也增强了铝合金熔体的旋转运动，热量传输在熔体内部更快。电流为10A时熔体中心的温度为633.305℃，而电流为30A时熔体中心的温度反而降到617.161℃。因此，搅拌强度的提高能最大限度地增强熔体热交换的动力学过程，要获得好的搅拌效果必须控制好这些参数。

3 结束语

随着不断发展的强磁场技术，有关强磁场的数值计算模型需要建立。使人们对金属材料电磁加工过程可以通过计算模型有深刻地认识和理解，包括电磁搅拌下熔体的熔体内溶质的分布状况、凝固过程、凝固坯细晶组织的机理形成以及非金属物运动轨迹受电磁场影响情况，从而能够更加合理有效的利用电磁场搅拌。总之，在应用范围和计算精度上数字模型应该进一步扩展，使其在实际生产中能真正应用。

参考文献

[1] 张衬新.电磁搅拌作用下铝合金凝固组织的数值模拟[D].北京有色金属研究总院硕士，2012.

[2] 汤孟欧.环缝式电磁搅拌理论与工艺研究[D].北京有色金属研究总院博士，2011.