電磁攪拌耦合場(chǎng)的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究

董浪

摘 要 電磁攪拌法因具有可精確控制、非接觸和環(huán)保清潔與大工業(yè)生產(chǎn)容易對(duì)接等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)應(yīng)用半固態(tài)金屬坯料制備技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，并且產(chǎn)業(yè)化得以實(shí)現(xiàn)。制作半固態(tài)漿料最常使用的工藝就是電磁攪拌，顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)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(guò)數(shù)值模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于制定復(fù)合材料復(fù)合工藝優(yōu)化和半固態(tài)漿料制備工藝都具有重要意義。國(guó)內(nèi)外常用電磁場(chǎng)-流場(chǎng)的耦合計(jì)算來(lái)做電磁攪拌的數(shù)值模擬，近年增加了同時(shí)考慮電磁-熱-流體的耦合計(jì)算實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞 電磁攪拌 耦合場(chǎng) 實(shí)驗(yàn)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TG27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

利用電磁攪拌鋁合金半固態(tài)漿料的過(guò)程為例，進(jìn)行分析物理量耦合的數(shù)字模型，采用有限差分和有限元結(jié)合，來(lái)進(jìn)行分析電磁攪拌下溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和電磁場(chǎng)的耦合模擬，研究流場(chǎng)和溫度場(chǎng)參數(shù)受電磁攪拌工藝影響的規(guī)律，并實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：鋁合金熔體在受水平旋轉(zhuǎn)的電磁力場(chǎng)影響下均勻分布，交變電磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向與其方向一致，大小從邊部到中心則因集膚效應(yīng)遞減；電磁力與熔體內(nèi)速度場(chǎng)分布相似，但隨著延長(zhǎng)攪拌時(shí)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(guò)程模型的建立

1.1 電磁攪拌器結(jié)構(gòu)及模型

電磁攪拌裝置中攪拌器磁軛和鐵芯系統(tǒng)使用高磁導(dǎo)率的硅鋼片制成，攪拌線(xiàn)圈采用在鐵芯上安裝中空的銅導(dǎo)線(xiàn)作為繞組，一對(duì)極的電磁攪拌器制備形成。通過(guò)電容使線(xiàn)圈的兩對(duì)線(xiàn)圈相位角相差90啊F涔ぷ髟砘救縵攏喊嚴(yán)轡喚淺？0暗慕渙韉緦魍ㄈ氳礁杏ο呷χ?；更x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(jiǎng)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Α③巔?、磁轭、空瓢靳橍熔体等部纺[槌桑治齙鬧氐鬮梁轄鶉厶?。?/p>

1.2 數(shù)字模型的建立

為便于數(shù)字模型的建立，假設(shè)流動(dòng)的鋁合金熔體是不可壓縮的黏性流體。電磁場(chǎng)的攪拌強(qiáng)度在試驗(yàn)過(guò)程中并不是很大，相對(duì)比較小的熔體流動(dòng)速度，雷諾數(shù)小于2100，因此可以采用層流模型進(jìn)行建模。除熔體的黏度隨溫度升降而發(fā)生改變，假設(shè)均為各向同性材料的不銹鋼坩堝、磁軛、鋁合金熔體和銅線(xiàn)圈，磁導(dǎo)率均為常數(shù)；溫度變化對(duì)密度的影響不作考慮，除焦耳熱外無(wú)其他內(nèi)熱源，即加熱過(guò)程的熱膨脹被忽略，密度一直被設(shè)定為固定值；產(chǎn)生的位移電流忽略不計(jì)；不考慮電磁場(chǎng)受鋁合金熔體流動(dòng)時(shí)的影響，與其它場(chǎng)的耦合通過(guò)時(shí)均電磁力代替時(shí)變電磁力來(lái)實(shí)現(xiàn)；本研究不考慮固液兩相流動(dòng)，而把液態(tài)金屬熔體的流動(dòng)狀態(tài)作為主要考慮的問(wèn)題。

2 模擬結(jié)果和分析

2.1磁場(chǎng)分布分析

在頻率為10 Hz、電流為30A的攪拌電流下，計(jì)算得到鋁合金熔體中電磁力分布和磁力線(xiàn)。不難得出，鋁合金熔體被線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁力線(xiàn)完全穿過(guò)。在鋁合金熔體內(nèi)均勻分布著水平旋轉(zhuǎn)的電磁力場(chǎng)，磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)流動(dòng)。由于感應(yīng)電流的集膚效應(yīng)，電磁力在合金熔體中由外向內(nèi)依次減小。說(shuō)明鋁合金熔體均在攪拌區(qū)域內(nèi)受到電磁力的作用，因此熔體的整個(gè)區(qū)域都能獲得均勻的攪拌處理。

2.2流場(chǎng)分布分析

把電流頻率設(shè)定為10Hz，電流為10 A，計(jì)算鋁合金熔體內(nèi)流場(chǎng)在不同時(shí)間下的分布，可以看出，在5s的電磁攪拌時(shí)間下，還處于完全液態(tài)的鋁合金熔體，受到旋轉(zhuǎn)電磁力的作用，在液態(tài)鋁水平面上呈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，基本實(shí)現(xiàn)速度場(chǎng)均勻分布。由于集膚效應(yīng)，由外向內(nèi)合金熔體中的電磁力依次減小，這也導(dǎo)致在鋁合金熔體邊緣流速達(dá)到最大值，流速?gòu)倪吘壍街行闹饾u減小，攪拌漩渦在鋁合金熔體中逐漸形成。隨著延長(zhǎng)攪拌的時(shí)間，金屬熔體的流動(dòng)速度減小，黏度增加，溫度降低。攪拌時(shí)間為10秒與5s時(shí)熔體的動(dòng)速度明顯減小。

2.3溫度場(chǎng)分布分析

在10 Hz的電流頻率下， 把電流分別設(shè)定為10A、20A和30A，求出態(tài)溫度場(chǎng)的瞬時(shí)分布。選取中心到邊部路徑上的點(diǎn)對(duì)金屬熔體進(jìn)行分析，在攪拌時(shí)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(qiáng)了鋁合金熔體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，熱量傳輸在熔體內(nèi)部更快。電流為10A時(shí)熔體中心的溫度為633.305℃，而電流為30A時(shí)熔體中心的溫度反而降到617.161℃。因此，攪拌強(qiáng)度的提高能最大限度地增強(qiáng)熔體熱交換的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，要獲得好的攪拌效果必須控制好這些參數(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著不斷發(fā)展的強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)，有關(guān)強(qiáng)磁場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算模型需要建立。使人們對(duì)金屬材料電磁加工過(guò)程可以通過(guò)計(jì)算模型有深刻地認(rèn)識(shí)和理解，包括電磁攪拌下熔體的熔體內(nèi)溶質(zhì)的分布狀況、凝固過(guò)程、凝固坯細(xì)晶組織的機(jī)理形成以及非金屬物運(yùn)動(dòng)軌跡受電磁場(chǎng)影響情況，從而能夠更加合理有效的利用電磁場(chǎng)攪拌?？傊?，在應(yīng)用范圍和計(jì)算精度上數(shù)字模型應(yīng)該進(jìn)一步擴(kuò)展，使其在實(shí)際生產(chǎn)中能真正應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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