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30‚20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·