D0I:10.13374/i.issnl00It03.2009.10.007 第31卷第10期 北京科技大学学报 Vol-31 No.10 2009年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0t.2009 环缝式电磁搅拌法制备半固态浆料过程电磁场的数值 模拟 陈兴润 张志峰徐骏石力开 北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心，北京100088 摘要建立了环缝式电磁搅拌法制备半固态金属浆料系统电磁场的计算模型，采用商用ANSYS软件对制浆系统内电磁场 分布进行了数值模拟，分析了电流、频率、坩埚材质、冷却器材质和环缝宽度对磁感应强度的影响规律，并进行了相应的实验 验证·研究结果表明：电磁场模拟结果与实验结果具有较好地一致性，验证了计算模型与软件算法的可行性：系统电磁力主要 分布于环缝内，提高了对合金熔体的搅拌强度：在相同的环缝宽度下，磁感应强度随频率的增大而依次减小，随电流的增大而 依次增大：同时选用不锈钢坩埚与石墨冷却器可以使环缝内铝合金熔体的磁感应强度获得最大：相同电流和频率条件下，磁 感应强度随着环缝宽度减小而逐渐增大：相同搅拌功率条件下，环缝式电磁搅拌法可以获得更加细小均匀的半固态组织，平 均晶粒尺寸较普通电磁搅拌法减小31%. 关键词半固态浆料：电磁场；环缝式电磁搅拌：数值模拟：ANSYS软件 分类号TM153+.1 Numerical simulation of electromagnetic field in semi-solid slurry preparation by A-EMS CHEN Xing-run,ZHA NG Zhi-feng,XU Jun,SHI Li-kai National Engineering Technology Research Center for Non-ferrous Metal Matrix Composites.General Research Institute for Non ferrous Metals, Beijing 100088.China ABSTRACT The calculation models of electromagnetic field in semisolid slurry preparation by annular electromagnetic stirring (A-EMS)were established,and the effects of stirring current,stirring frequency.crucible materials,cooler materials and gap width on the magnetic flux density in the slurry"making system were analyzed by ANSYS software with corresponding experimental verifica- tion.It is concluded that the simulation results are in good agreement with those obtained by experiment,verifying the reliability of the calculation models and the software algorithm.The electromagnetic force mainly distributed in the strring gap enhances the strring intensity of the A-EMS system.At the same gap width.the magnetic flux density increases with an increase in stirring current,but decreases with the stirring frequency increasing.The maximum magnetic flux density can be obtained by choosing both a stainless crucible and a graphite cooler.At the same current and frequency.the magnetic flux density increases as the stirring gap width de- creases gradually.In comparison with conventional electromagnetic stirring.A-EMS can produce a finer and more uniform semi"solid structure with the average grain size decreased by 31%under the same stirring power. KEY WORDS semisolid slurry:electromagnetic field:electromagnetic stirring:numerical simulation:ANSYS software 电磁搅拌法由于具有非接触、不污染金属液、可坯料组织不均匀、不能制备大尺寸坯料及制备成本 精确控制以及容易与大工业生产对接等优点，在半高等问题，主要原因是存在难以克服的集肤效应，导 固态坯料制备领域率先获得工业应用并且实现产业 致被搅拌金属熔体的靠外区域受到强烈的搅拌，越 化山.但是，传统的电磁搅拌工艺还存在着半固态 向中心区域搅拌强度越弱，为解决这个问题，国内 收稿日期：2009-04-14 基金项目：国家重点基础研究规划资助项目(N。.2006CB605203):国家高技术研究发展计划资助项目(N。.2006AA03z115:Na, 2009AA03Z534) 作者简介：陈兴润(1985一)，男，颈士研究生；张志峰(1970一)，男，高级工程师，博士，E-mail:zhang平f@grinm·com
环缝式电磁搅拌法制备半固态浆料过程电磁场的数值 模拟 陈兴润 张志峰 徐 骏 石力开 北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心北京100088 摘 要 建立了环缝式电磁搅拌法制备半固态金属浆料系统电磁场的计算模型采用商用 ANSYS 软件对制浆系统内电磁场 分布进行了数值模拟分析了电流、频率、坩埚材质、冷却器材质和环缝宽度对磁感应强度的影响规律并进行了相应的实验 验证．研究结果表明：电磁场模拟结果与实验结果具有较好地一致性验证了计算模型与软件算法的可行性；系统电磁力主要 分布于环缝内提高了对合金熔体的搅拌强度；在相同的环缝宽度下磁感应强度随频率的增大而依次减小随电流的增大而 依次增大；同时选用不锈钢坩埚与石墨冷却器可以使环缝内铝合金熔体的磁感应强度获得最大；相同电流和频率条件下磁 感应强度随着环缝宽度减小而逐渐增大；相同搅拌功率条件下环缝式电磁搅拌法可以获得更加细小均匀的半固态组织平 均晶粒尺寸较普通电磁搅拌法减小31％． 关键词 半固态浆料；电磁场；环缝式电磁搅拌；数值模拟；ANSYS 软件 分类号 T M153＋∙1 Numerical simulation of electromagnetic field in sem-i solid slurry preparation by A-EMS CHEN Xing-runZHA NG Zh-i fengXU JunSHI L-i kai National Engineering ＆ Technology Research Center for Non-ferrous Metal Matrix CompositesGeneral Research Institute for Non-ferrous Metals Beijing100088China ABSTRACT T he calculation models of electromagnetic field in semisolid slurry preparation by annular electromagnetic stirring （A-EMS） were establishedand the effects of stirring currentstirring frequencycrucible materialscooler materials and gap width on the magnetic flux density in the slurry-making system were analyzed by ANSYS software with corresponding experimental verification．It is concluded that the simulation results are in good agreement with those obtained by experimentverifying the reliability of the calculation models and the software algorithm．T he electromagnetic force mainly distributed in the strring gap enhances the strring intensity of the A-EMS system．At the same gap widththe magnetic flux density increases with an increase in stirring currentbut decreases with the stirring frequency increasing．T he maximum magnetic flux density can be obtained by choosing both a stainless crucible and a graphite cooler．At the same current and frequencythe magnetic flux density increases as the stirring gap width decreases gradually．In comparison with conventional electromagnetic stirringA-EMS can produce a finer and more uniform sem-i solid structure with the average grain size decreased by 31％ under the same stirring power． KEY WORDS semisolid slurry；electromagnetic field；electromagnetic stirring；numerical simulation；ANSYS software 收稿日期：20090414 基金项目：国 家 重 点 基 础 研 究 规 划 资 助 项 目 （No．2006CB605203）；国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 （ No．2006AA03Z115；No． 2009AA03Z534） 作者简介：陈兴润（1985—）男硕士研究生；张志峰（1970—）男高级工程师博士E-mail：zhangzf＠grinm．com 电磁搅拌法由于具有非接触、不污染金属液、可 精确控制以及容易与大工业生产对接等优点在半 固态坯料制备领域率先获得工业应用并且实现产业 化［1］．但是传统的电磁搅拌工艺还存在着半固态 坯料组织不均匀、不能制备大尺寸坯料及制备成本 高等问题主要原因是存在难以克服的集肤效应导 致被搅拌金属熔体的靠外区域受到强烈的搅拌越 向中心区域搅拌强度越弱．为解决这个问题国内 第31卷 第10期 2009年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．10 Oct．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．10．007
,1306 北京科技大学学报 第31卷 外学者均在改变感应器结构、增加功率以及降低频 法更大的旋转电磁力，实现强制均匀搅拌，其中，线 率等方面做了大量工作，但收效甚微，而且还额外增 圈尺寸为0.04m×0.14m;硅钢片的外部尺寸为 加制备成本，限制了半固态金属加工技术的推广和 0.32m×0.32m,内部尺寸为0.24m×0.24m:坩埚 应用26]. 的外径为0.09m,内径为0.08m,高度为0.2m,实 本课题组在长期的电磁搅拌法和机械搅拌法研 验中选用不同材质的坩埚和冷却器，来研究电磁搅 究的基础上，通过把电磁搅拌与环缝式制浆室巧妙 拌装置中磁感应强度的大小.在搅拌过程中，电压 结合，提出了环缝式电磁搅拌制备半固态浆料新方 的选择范围是0~220V,频率的选择范围是0~ 法，为半固态坯料高质量、低成本制备开辟了新路 50z. 子，该方法将交变电磁场集肤效应劣势转变为优 1.2环缝式电磁搅拌装置的计算模型 势，充分利用集肤效应层磁感应强度高、剪切强度和 由于搅拌坩埚的高径比很大，为了计算方便，整 速率大的优点，在搅拌缝隙宽度可调的环缝式制浆 个环缝式电磁搅拌装置的计算模型可以简化成二维 系统内实现半固态浆料强制均匀凝固，可以获得组 问题来处理，物理模型如图2(a)所示，结构为图1 织细小均匀的半固态浆料，其中，环缝式电磁制浆系 横截面，它由磁轭、线圈、坩埚、冷却器、金属熔体及 统内电磁场的设计是关键. 空气几部分组成 本文建立了环缝式电磁搅拌制浆系统二维电磁 场计算模型，采用商业软件ANSYS分析考查了电 熔体 磁制浆系统中电流、频率、坩埚材质、冷却器材质和 搅拌缝隙宽度对电磁场分布的影响规律，并且进行 了相应的实验验证，以期为该方法的进一步工程化 应用提供理论依据 甘 冷却器 1电磁场的数值模拟 (a) (b) 1.1环缝式电磁搅拌方法及装置 图2环缝式电磁搅拌物理模型(：)和熔体有限元模型(b)示意图 图1为环缝式电磁搅拌装置示意图.环缝式电 Fig.2 Physical model of A-EMS (a)and finite-element model of 磁搅拌装置采用高磁导率的硅钢片制成搅拌器磁轭 melt (b) 和铁芯系统，搅拌线圈采用中空的铜导线作为绕组 本文利用基于有限元法的ANSYS10.0软件， 安装在铁芯上，形成一对极的电磁搅拌器，两极线 采用矢势法对该搅拌装置的谐波电磁场进行了数值 圈通过电容使线圈的相位角相差90°.被搅拌金属 模拟]，所有的材料均选用Planes53有限元单元， 熔体在不锈钢坩埚中通过插入冷却器形成环缝，基 金属熔体为分析的重点，集肤效应区域可以通过控 本工作原理是：在感应线圈中通入相位角成90°的 制剖分单位尺寸来进行精细划分，网格剖分如 交流电流，在搅拌坩埚和冷却器形成的环缝内产生 图2()所示，其他区域用SMARTSIZE进行智能 一个旋转磁场，由于被搅拌熔体主要集中在环缝区 剖分，电磁场边界条件为：①磁轭采用高磁导率的 域，可以充分利用集肤效应层磁感应强度高、剪切强 硅钢片组成，搅拌系统的漏磁很小，因此计算过程中 度和速率大的优点，在熔体中产生较普通电磁搅拌 设定搅拌器最外层节点的磁势位为零，计算模型上 ·冷却器 施加磁力线平行边界条件；②电磁搅拌装置的线圈 绕组简化为具有相同导电面积的载流区，并用载流 搅拌坩埚 密度来表征线圈绕组的电流强度9].计算过程中， 铝合金熔体 认为铝合金熔体、不锈钢坩埚、线圈和硅钢片均为各 向同性材料，且其相对磁导率为常数，主要的电磁 电磁搅拌器 参数选定如下：不锈钢柑锅、铜线圈、冷却器和空气 的相对磁导率为1，铝合金熔体的相对磁导率为8， 硅钢片的相对磁导率为2000，空气和硅钢片的电阻 率为0，铜线圈的电阻率为1.5×10-7nm,不锈钢 图1环缝式电磁搅拌装置示意图 Fig.1 Schematic of an A-EMS apparatus 坩埚的电阻率为1.45×10-52m,石墨冷却器的电
外学者均在改变感应器结构、增加功率以及降低频 率等方面做了大量工作但收效甚微而且还额外增 加制备成本限制了半固态金属加工技术的推广和 应用［2—6］． 本课题组在长期的电磁搅拌法和机械搅拌法研 究的基础上通过把电磁搅拌与环缝式制浆室巧妙 结合提出了环缝式电磁搅拌制备半固态浆料新方 法为半固态坯料高质量、低成本制备开辟了新路 子．该方法将交变电磁场集肤效应劣势转变为优 势充分利用集肤效应层磁感应强度高、剪切强度和 速率大的优点在搅拌缝隙宽度可调的环缝式制浆 系统内实现半固态浆料强制均匀凝固可以获得组 织细小均匀的半固态浆料其中环缝式电磁制浆系 统内电磁场的设计是关键． 本文建立了环缝式电磁搅拌制浆系统二维电磁 场计算模型采用商业软件 ANSYS 分析考查了电 磁制浆系统中电流、频率、坩埚材质、冷却器材质和 搅拌缝隙宽度对电磁场分布的影响规律并且进行 了相应的实验验证以期为该方法的进一步工程化 应用提供理论依据． 1 电磁场的数值模拟 图1 环缝式电磁搅拌装置示意图 Fig．1 Schematic of an A-EMS apparatus 1∙1 环缝式电磁搅拌方法及装置 图1为环缝式电磁搅拌装置示意图．环缝式电 磁搅拌装置采用高磁导率的硅钢片制成搅拌器磁轭 和铁芯系统搅拌线圈采用中空的铜导线作为绕组 安装在铁芯上形成一对极的电磁搅拌器．两极线 圈通过电容使线圈的相位角相差90°．被搅拌金属 熔体在不锈钢坩埚中通过插入冷却器形成环缝．基 本工作原理是：在感应线圈中通入相位角成90°的 交流电流在搅拌坩埚和冷却器形成的环缝内产生 一个旋转磁场由于被搅拌熔体主要集中在环缝区 域可以充分利用集肤效应层磁感应强度高、剪切强 度和速率大的优点在熔体中产生较普通电磁搅拌 法更大的旋转电磁力实现强制均匀搅拌．其中线 圈尺寸为0∙04m ×0∙14m；硅钢片的外部尺寸为 0∙32m×0∙32m内部尺寸为0∙24m×0∙24m；坩埚 的外径为0∙09m内径为0∙08m高度为0∙2m．实 验中选用不同材质的坩埚和冷却器来研究电磁搅 拌装置中磁感应强度的大小．在搅拌过程中电压 的选择范围是0～220V频率的选择范围是0～ 50Hz． 1∙2 环缝式电磁搅拌装置的计算模型 由于搅拌坩埚的高径比很大为了计算方便整 个环缝式电磁搅拌装置的计算模型可以简化成二维 问题来处理物理模型如图2（a）所示结构为图1 横截面它由磁轭、线圈、坩埚、冷却器、金属熔体及 空气几部分组成． 图2 环缝式电磁搅拌物理模型（a）和熔体有限元模型（b）示意图 Fig．2 Physical model of A-EMS （a） and finite-element model of melt （b） 本文利用基于有限元法的 ANSYS10∙0软件 采用矢势法对该搅拌装置的谐波电磁场进行了数值 模拟［7—9］所有的材料均选用 Plane53有限元单元 金属熔体为分析的重点集肤效应区域可以通过控 制剖分单位尺寸来进行精细划分网格剖分如 图2（b）所示．其他区域用 SMARTSIZE 进行智能 剖分．电磁场边界条件为：①磁轭采用高磁导率的 硅钢片组成搅拌系统的漏磁很小因此计算过程中 设定搅拌器最外层节点的磁势位为零计算模型上 施加磁力线平行边界条件；②电磁搅拌装置的线圈 绕组简化为具有相同导电面积的载流区并用载流 密度来表征线圈绕组的电流强度［9］．计算过程中 认为铝合金熔体、不锈钢坩埚、线圈和硅钢片均为各 向同性材料且其相对磁导率为常数．主要的电磁 参数选定如下：不锈钢柑锅、铜线圈、冷却器和空气 的相对磁导率为1铝合金熔体的相对磁导率为8 硅钢片的相对磁导率为2000空气和硅钢片的电阻 率为0铜线圈的电阻率为1∙5×10—7Ω·m不锈钢 坩埚的电阻率为1∙45×10—6Ω·m石墨冷却器的电 ·1306· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第10期 陈兴润等：环缝式电磁搅拌法制备半固态浆料过程电磁场的数值模拟 ,1307 阻率为8.0×10-62m,铝合金熔体的电阻率为 材料穿过.图6为环缝式电磁搅拌装置中电磁力的 2.1×10-7Ωm.数值模拟计算流程图如图3所示. 分布图.由图可见，电磁力主要分布在冷却器的外 建立模型 部.这充分利用了电磁搅拌过程中的集肤效应，使 合金熔体在电磁力比较大的部位旋转运动，有利于 主要物理参数确定 实验测定 获得好的搅拌效果，而且在制浆室外尺寸相同条件 少 下，环缝使得被搅拌熔体的总量减少，便于对其凝固 网格剖分设定边界条件 少 过程进行精确控制， 加载与求解 变 修正 结果对比 数据采集 图3计算流程示意图 Fig.3 Schematic of the calculation procedure 2计算结果 2.1计算结果可靠性的验证 图5环缝式电磁搅拌装置中磁力线分布图 采用CT3型特斯拉计测量坩埚中心的磁感应 Fig.5 Distribution of magnetic flux lines 强度.测量条件：电流强度10A,频率分别取5,10， 20,30,40及50z,坩埚材质为奥氏体不锈钢，坩埚 内无铝合金熔体，不加石墨冷却器.然后把测量结 果和计算结果进行对比，如图4所示，可以看出计 算值和实测值吻合较好，验证了计算模型与软件算 法的可行性；说明利用ANSYS软件能基本描述出 环缝式电磁搅拌装置的电磁场分布状况 1.6 14 士对资 1.0 图6环缝式电磁搅拌装置中电磁力分布图 0.8 Fig.6 Distribution of electromagnetic force 0.6 2.3频率对环缝式电磁搅拌装置磁感应强度的 0.4 影响 0 10 2030 40 50 频率Hz 在搅拌缝隙宽度为20mm,电流I=10A的情 况下，分别取f=5,10,20,30,40及50出，计算 图4不锈钢坩埚中心磁感应强度计算结果与实验数据的比较 环缝式电磁搅拌装置中磁感应强度的大小.选取不 Fig.4 Comparison of magnetic flux density calculated and measured at the centre of the stainless steel crucible 锈钢坩埚中心到边部路径上的点进行分析，得到不 同频率下铝合金熔体沿坩埚半径方向上磁感应强度 2.2环缝式电磁搅拌装置电磁场计算结果分析 的变化如图7所示，由图可见，在半径方向上，磁感 图5是环缝宽度为20mm、搅拌电流为30A、频 应强度随频率的增大依次减小，这与任兵芝等的结 率为10z时，环缝式电磁搅拌装置中磁力线的分 果是一致的o].频率一定的情况下，冷却器所在的 布图.由图5可见，在环缝式电磁搅拌装置中，只有 区域磁感应强度变化不大，在铝合金熔体所在的区 少量磁力线穿过冷却器，这主要是因为冷却器材料 域中磁感应强度的大小变化明显，由于感应电流的 的电阻率比铝合金熔体大，磁力线选择电阻率小的 集肤效应，沿着路径方向磁感应强度依次增大
阻率为8∙0×10—6Ω·m铝合金熔体的电阻率为 2∙1×10—7Ω·m．数值模拟计算流程图如图3所示． 图3 计算流程示意图 Fig．3 Schematic of the calculation procedure 2 计算结果 2∙1 计算结果可靠性的验证 采用 CT3型特斯拉计测量坩埚中心的磁感应 强度．测量条件：电流强度10A频率分别取510 203040及50Hz坩埚材质为奥氏体不锈钢坩埚 内无铝合金熔体不加石墨冷却器．然后把测量结 果和计算结果进行对比如图4所示．可以看出计 算值和实测值吻合较好验证了计算模型与软件算 法的可行性；说明利用 ANSYS 软件能基本描述出 环缝式电磁搅拌装置的电磁场分布状况． 图4 不锈钢坩埚中心磁感应强度计算结果与实验数据的比较 Fig．4 Comparison of magnetic flux density calculated and measured at the centre of the stainless steel crucible 2∙2 环缝式电磁搅拌装置电磁场计算结果分析 图5是环缝宽度为20mm、搅拌电流为30A、频 率为10Hz 时环缝式电磁搅拌装置中磁力线的分 布图．由图5可见在环缝式电磁搅拌装置中只有 少量磁力线穿过冷却器．这主要是因为冷却器材料 的电阻率比铝合金熔体大磁力线选择电阻率小的 材料穿过．图6为环缝式电磁搅拌装置中电磁力的 分布图．由图可见电磁力主要分布在冷却器的外 部．这充分利用了电磁搅拌过程中的集肤效应使 合金熔体在电磁力比较大的部位旋转运动有利于 获得好的搅拌效果．而且在制浆室外尺寸相同条件 下环缝使得被搅拌熔体的总量减少便于对其凝固 过程进行精确控制． 图5 环缝式电磁搅拌装置中磁力线分布图 Fig．5 Distribution of magnetic flux lines 图6 环缝式电磁搅拌装置中电磁力分布图 Fig．6 Distribution of electromagnetic force 2∙3 频率对环缝式电磁搅拌装置磁感应强度的 影响 在搅拌缝隙宽度为20mm电流 I＝10A 的情 况下分别取 f ＝510203040及50Hz计算 环缝式电磁搅拌装置中磁感应强度的大小．选取不 锈钢坩埚中心到边部路径上的点进行分析得到不 同频率下铝合金熔体沿坩埚半径方向上磁感应强度 的变化如图7所示．由图可见在半径方向上磁感 应强度随频率的增大依次减小．这与任兵芝等的结 果是一致的［10］．频率一定的情况下冷却器所在的 区域磁感应强度变化不大在铝合金熔体所在的区 域中磁感应强度的大小变化明显．由于感应电流的 集肤效应沿着路径方向磁感应强度依次增大． 第10期 陈兴润等： 环缝式电磁搅拌法制备半固态浆料过程电磁场的数值模拟 ·1307·
,1308 北京科技大学学报 第31卷 率为10z时，选用不同材质坩埚对磁感应强度进 8 5 Hz 行研究，其中铸铁坩埚的相对磁导率为200，电阻率 -。-10Hz 7 -20Hz 为5.0×10-6Ωm,坩埚中各节点磁感应强度随半 6 ★-30Hz 米-40Hz 径的变化如图9所示，由图可见，选用三种不同的 5 ◆-50Hz 4 坩埚，由于铸铁坩埚的相对磁导率大，对磁通透入或 削弱作用很强，磁通被铸铁坩埚所吸收，在熔体区域 和冷却器所在的区域磁感应强度比选用铜合金和不 锈钢都要低，在半径方向上，选用不锈钢坩埚各节 0.01 0.02 0.03 0.04 点磁感应强度都要比选用铜合金坩埚大，这主要是 半径m 因为不锈钢坩埚的电阻率比铜合金坩埚大，有利于 图7相同电流强度下磁感应强度随频率的变化规律 减少涡流损失，提高电磁场的渗透深度，磁场的利用 Fig-7 Effect of stirring frequeney on the magnetic flux density at 率高.因此在采用金属坩埚的条件下，材料的相对 the same current 磁导率和电阻率是需要重点考虑的因素之一，通过 选用不锈钢材料制作坩埚，能够大幅度地减小电磁 2.4电流强度对环缝式电磁搅拌装置磁感应强度 场的涡流损耗，提高有效功率 的影响 除了频率，搅拌电流强度是影响搅拌效果的另 。不锈钢坩埚 外一个重要参数.在搅拌缝隙宽度为20mm,频率 12 ◆←铜坩埚 ◆铸铁坩埚 f=10h的情况下，分别取电流1=10,20,30,40 和50A计算环缝式电磁搅拌装置中磁感应强度的 大小，选取不锈钢坩埚中心到边部路径上的点进行 分析，得到不同电流强度下沿坩埚半径方向上电磁 搅拌装置中磁感应强度的变化如图8所示，由图可 0.01 0.02 0.03 0.04 半径m 见，在半径方向上，磁感应强度随电流强度的增大依 次增大，电流强度一定的情况下，冷却器所在的区 图9不同材质坩埚对磁感应强度的影响规律 域磁感应强度变化不大，在铝合金熔体所在的区域 Fig.9 Effect of crucible materials on the magnetic flux density 中磁感应强度的大小变化明显，这和上面的结果是 2.6冷却器材质对环缝式电磁搅拌装置磁感应强 致的，由于感应电流的集肤效应，沿着路径方向 度的影响 磁感应强度依次增大， 搅拌缝隙宽度为20mm时，选用石墨冷却器、 14 铜冷却器和铸铁冷却器进行模拟计算，其中铸铁冷 -10A ·-20A 却器的相对磁导率为200，电阻率为5.0×10-6Ω. 10 ▲30A -40A m.当搅拌电流为50A,频率为10Hz时，选取不锈 8 ←50A 钢坩埚中心到边部路径上的点进行分析，得到各节 6 点磁感应强度随半径的变化图10所示，由图可见， 4 选用石墨冷却器在半径方向上磁感应强度比选用铜 和铸铁冷却器都要大，在冷却器材质一定的情况 0.01 0.02 0.03 0.04 下，在冷却器所在的位置磁感应强度变化不大，在铝 半径m 合金熔体所在区域磁感应强度变化明显，磁感应强 度和电磁力是成正比的，磁感应强度越大，金属熔体 图8相同频率条件下磁感应强度随搅拌电流的变化规律 的搅拌效果越好.因此为了得到好的搅拌效果，应 Fig.8 Effect of stirring current on the magnetic flux density at the same stirring frequency 该选用石墨冷却器 2.7搅拌缝隙宽度对环缝式电磁搅拌装置磁感应 2.5坩埚材质对环缝式电磁搅拌装置磁感应强度 强度的影响 的影响 搅拌缝隙宽度是不锈钢坩埚的内壁与冷却器外 在搅拌缝隙宽度为20mm、搅拌电流为50A、频 壁之间的环缝宽度.在频率f=50z、I=50A的情
图7 相同电流强度下磁感应强度随频率的变化规律 Fig．7 Effect of stirring frequency on the magnetic flux density at the same current 2∙4 电流强度对环缝式电磁搅拌装置磁感应强度 的影响 除了频率搅拌电流强度是影响搅拌效果的另 外一个重要参数．在搅拌缝隙宽度为20mm频率 f＝10Hz 的情况下分别取电流 I＝10203040 和50A 计算环缝式电磁搅拌装置中磁感应强度的 大小．选取不锈钢坩埚中心到边部路径上的点进行 分析得到不同电流强度下沿坩埚半径方向上电磁 搅拌装置中磁感应强度的变化如图8所示．由图可 见在半径方向上磁感应强度随电流强度的增大依 次增大．电流强度一定的情况下冷却器所在的区 域磁感应强度变化不大在铝合金熔体所在的区域 中磁感应强度的大小变化明显．这和上面的结果是 一致的．由于感应电流的集肤效应沿着路径方向 磁感应强度依次增大． 图8 相同频率条件下磁感应强度随搅拌电流的变化规律 Fig．8 Effect of stirring current on the magnetic flux density at the same stirring frequency 2∙5 坩埚材质对环缝式电磁搅拌装置磁感应强度 的影响 在搅拌缝隙宽度为20mm、搅拌电流为50A、频 率为10Hz 时选用不同材质坩埚对磁感应强度进 行研究其中铸铁坩埚的相对磁导率为200电阻率 为5∙0×10—6Ω·m．坩埚中各节点磁感应强度随半 径的变化如图9所示．由图可见选用三种不同的 坩埚由于铸铁坩埚的相对磁导率大对磁通透入或 削弱作用很强磁通被铸铁坩埚所吸收在熔体区域 和冷却器所在的区域磁感应强度比选用铜合金和不 锈钢都要低．在半径方向上选用不锈钢坩埚各节 点磁感应强度都要比选用铜合金坩埚大．这主要是 因为不锈钢坩埚的电阻率比铜合金坩埚大有利于 减少涡流损失提高电磁场的渗透深度磁场的利用 率高．因此在采用金属坩埚的条件下材料的相对 磁导率和电阻率是需要重点考虑的因素之一通过 选用不锈钢材料制作坩埚能够大幅度地减小电磁 场的涡流损耗提高有效功率． 图9 不同材质坩埚对磁感应强度的影响规律 Fig．9 Effect of crucible materials on the magnetic flux density 2∙6 冷却器材质对环缝式电磁搅拌装置磁感应强 度的影响 搅拌缝隙宽度为20mm 时选用石墨冷却器、 铜冷却器和铸铁冷却器进行模拟计算其中铸铁冷 却器的相对磁导率为200电阻率为5∙0×10—6Ω· m．当搅拌电流为50A频率为10Hz 时选取不锈 钢坩埚中心到边部路径上的点进行分析得到各节 点磁感应强度随半径的变化图10所示．由图可见 选用石墨冷却器在半径方向上磁感应强度比选用铜 和铸铁冷却器都要大．在冷却器材质一定的情况 下在冷却器所在的位置磁感应强度变化不大在铝 合金熔体所在区域磁感应强度变化明显．磁感应强 度和电磁力是成正比的磁感应强度越大金属熔体 的搅拌效果越好．因此为了得到好的搅拌效果应 该选用石墨冷却器． 2∙7 搅拌缝隙宽度对环缝式电磁搅拌装置磁感应 强度的影响 搅拌缝隙宽度是不锈钢坩埚的内壁与冷却器外 壁之间的环缝宽度．在频率 f＝50Hz、I＝50A 的情 ·1308· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第10期 陈兴润等：环缝式电磁搅拌法制备半固态浆料过程电磁场的数值模拟 ,1309 14 14 12 。一石墨冷却器 12 。20mm搅拌缝隙宽度 ·一铜冷却器 一10mm搅拌缝隙宽度 10 。一30mm搅拌缝隙宽度 Lw/ 。一铸铁冷却器 10 8 6 6 4 2 以 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0 0.010.020.030.04 半径/m 半径m 图11搅拌缝隙宽度对磁感应强度的影响规律 图10冷却器材质对磁感应强度的影响规律 Fig-10 Effect of cooler materials on the magnetic flux density Fig.11 Effect of gap width on the magnetic flux density 况下，分别插入20mm、40mm、60mm的三种石 2.8实验验证 墨冷却器形成宽度为30,20和10mm的环缝，计算 在相同的实验条件下（电流I=50A,频率∫= 环缝式电磁搅拌装置中磁感应强度的大小，选取不 10z),用普通电磁搅拌装置和环缝式电磁搅拌装 锈钢坩埚中心到边部路径上的点进行分析，得到不 置制备A357铝合金半固态浆料，环缝式电磁搅拌 同环缝宽度下铝合金熔体在坩埚半径方向上磁感应 装置中搅拌缝隙宽度为20mm,把半固态浆料直接 强度的变化如图11所示.由图可见，在铝合金熔体 水冷得到金相试样，在金相研磨抛光机上进行研磨 中插入冷却器影响了整个磁场的磁感应强度大小， 和抛光，在德国产ZEISS200MAT型金相显微镜上 在冷却器所在的区域中，磁感应强度随半径的变化 进行观察和图像采集，得到的金相照片如图12所 很小，随着环缝宽度的减小，磁感应强度依次增大， 示.釆用Micro image Analysis and Process System 因此为了获得好的搅拌效果，应该选取尽量小的搅 软件测量初生相尺寸.经过测量得到普通电磁搅拌 拌缝隙宽度 装置初生相晶粒平均尺寸为71.2m,而环缝式电 (b) 200m 200um 图12采用不同方法制备的A357铝合金半固态浆料的金相照片.(a)普通电磁搅拌法；(b)环缝式电磁搅拌法 Fig-12 Metallographic photos of A357 alloy semisolid slurry by different methods:(a)normal EMS:(b)A-EMS 磁搅拌装置初生相晶粒平均尺寸为49.1m,平均 熔体在电磁力比较大的部位产生旋转运动；在相同 晶粒尺寸减小了31%，组织也更加均匀， 的环缝宽度下，环缝式电磁搅拌装置中磁感应强度 3结论 随频率的增大依次减小，随电流的增大依次增大；同 时，选用不锈钢坩埚和石墨冷却器可以使环缝内铝 (1)电磁场模拟结果与实验结果具有较好的一 合金熔体的磁感应强度获得最大， 致性，验证了计算模型与软件算法的可行性，说明利 (3)相同电流和频率条件下，环缝式电磁搅拌 用ANSYS软件能基本描述出环缝式电磁搅拌装置 装置中磁感应强度随着搅拌缝隙宽度减小而逐渐增 的电磁场分布状况 大；相同搅拌功率条件下，环缝式电磁搅拌法较普通 (2)和普通电磁搅拌装置相比，环缝式电磁搅 电磁搅拌法可以获得更加细小均匀的半固态组织， 拌装置中电磁力主要分布在冷却器的外部，使合金 平均晶粒尺寸减小31%
图10 冷却器材质对磁感应强度的影响规律 Fig．10 Effect of cooler materials on the magnetic flux density 况下分别插入●20mm、●40mm、●60mm 的三种石 墨冷却器形成宽度为3020和10mm 的环缝计算 环缝式电磁搅拌装置中磁感应强度的大小．选取不 锈钢坩埚中心到边部路径上的点进行分析得到不 同环缝宽度下铝合金熔体在坩埚半径方向上磁感应 强度的变化如图11所示．由图可见在铝合金熔体 中插入冷却器影响了整个磁场的磁感应强度大小． 在冷却器所在的区域中磁感应强度随半径的变化 很小．随着环缝宽度的减小磁感应强度依次增大． 因此为了获得好的搅拌效果应该选取尽量小的搅 拌缝隙宽度． 图11 搅拌缝隙宽度对磁感应强度的影响规律 Fig．11 Effect of gap width on the magnetic flux density 2∙8 实验验证 在相同的实验条件下（电流 I＝50A频率 f ＝ 10Hz）用普通电磁搅拌装置和环缝式电磁搅拌装 置制备 A357铝合金半固态浆料环缝式电磁搅拌 装置中搅拌缝隙宽度为20mm．把半固态浆料直接 水冷得到金相试样在金相研磨抛光机上进行研磨 和抛光在德国产 ZEISS 200MAT 型金相显微镜上 进行观察和图像采集得到的金相照片如图12所 示．采用 Micro-image Analysis and Process System 软件测量初生相尺寸．经过测量得到普通电磁搅拌 装置初生相晶粒平均尺寸为71∙2μm而环缝式电 图12 采用不同方法制备的 A357铝合金半固态浆料的金相照片．（a） 普通电磁搅拌法；（b） 环缝式电磁搅拌法 Fig．12 Metallographic photos of A357alloy semisolid slurry by different methods：（a） normal EMS；（b） A-EMS 磁搅拌装置初生相晶粒平均尺寸为49∙1μm平均 晶粒尺寸减小了31％组织也更加均匀． 3 结论 （1） 电磁场模拟结果与实验结果具有较好的一 致性验证了计算模型与软件算法的可行性说明利 用 ANSYS 软件能基本描述出环缝式电磁搅拌装置 的电磁场分布状况． （2） 和普通电磁搅拌装置相比环缝式电磁搅 拌装置中电磁力主要分布在冷却器的外部使合金 熔体在电磁力比较大的部位产生旋转运动；在相同 的环缝宽度下环缝式电磁搅拌装置中磁感应强度 随频率的增大依次减小随电流的增大依次增大；同 时选用不锈钢坩埚和石墨冷却器可以使环缝内铝 合金熔体的磁感应强度获得最大． （3） 相同电流和频率条件下环缝式电磁搅拌 装置中磁感应强度随着搅拌缝隙宽度减小而逐渐增 大；相同搅拌功率条件下环缝式电磁搅拌法较普通 电磁搅拌法可以获得更加细小均匀的半固态组织 平均晶粒尺寸减小31％． 第10期 陈兴润等： 环缝式电磁搅拌法制备半固态浆料过程电磁场的数值模拟 ·1309·
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参 考 文 献 ［1］ Zhang Z FLi T JWen Bet al．Electromagnetic continuous casting by imposing mult-i electromagnetic field．T rans Nonferrous Met Soc China200010（6）：741 ［2］ Tian Z FZhang Z FXu Jet al．The MSCP process for sem-i solid slurry production∥9th International Conference A dv anced Sem-i Solid Processing of Alloys and Composites．Korea2006： 362 ［3］ Zhang Z FXu JShi L K．Study on multiple electromagnetic continuous casting of aluminum alloy．Mater Sci Technol2006 22（4）：437 ［4］ Zhang Z FTian Z FXu Jet al．Effect of multiple electromagnetic stirring on microstructure of A357alloy．Chin J Rare Met 200630（2）：217 （张志峰田战峰徐骏等．施加复合电磁搅拌对 A357合金 微观组织的影响．稀有金属200630（2）：217） ［5］ Kang C GBae J WKim B M．The grain size control of A356 aluminum alloy by horizontal electromagnetic stirring for rheology forging．J Mater Process Technol2007187／188：344 ［6］ Zhao Z DMao W MZhong R M．Preparation of sem-i solid AlSi7Mg alloy slurry through traveling-wave electromagnetic stirring．Chin J Mater Res200822（4）：369 （赵振 铎毛 卫 民钟 荣 茂．用 行 波 电 磁 搅 拌 制 备 半 固 态 AlSi7Mg合金浆料．材料研究学报200822（4）：369） ［7］ Jia G LPang W C． Electromagnetic Metallurgy Theory and Process．Shenyang：Northeastern University Press2003 （贾光霖庞维成．电磁冶金原理与工艺．沈阳：东北大学出 版社2003） ［8］ Li GLi H D．Simulation of the electromagnetic field in steel slabs based on the finite element method． J Univ Sci Technol Beijing200426（1）：95 （李光李华德．利用有限元法对板坯电磁搅拌中电磁场的数 值模拟．北京科技大学学报200426（1）：95） ［9］ Guo X FWang C ZZhang Y Tet al．The numerical simulation of magne to fluids in the course of semisolid slurry preparation of aluminum alloy．Res Stud Foundry Equip2007（1）：19 （郭晓凤王承志张玉妥等．铝合金半固态浆料制备过程的 电磁—流体数值模拟．铸造设备研究2007（1）：19） ［10］ Ren B ZZhu M YWang H Det al．3D numerical simulation of electromagnetic field and flow field in bloom continuous casting mold with electromagnetic stirring． Acta Metall Sin2008 44（4）：507 （任兵芝朱苗勇王宏丹等．大方坯连铸结晶器电磁搅拌 三维电磁场与流场的数值模拟．金属学报200844（4）：507） ·1310· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
