·344· 北京科技大学学报 2003年第4期 来讲，在相同名义功率条件下，其转速并不是随运动，但是处于搅拌器内的金属液要进行旋转， 电源频率的增大而一直增大.最近的一项研究结 必须有一个向心力来维持，这个力由洛伦兹力在 果甚至得出“在高频率下的转速低于低频条件下 径向上的分力F和搅拌器壁面对金属液的反作 的转速”的结论例.同时由于与已经研究过的铝合 用力F的合力来提供.这样的结果就会使得中心 金和该铁合金材料相比，镁合金的密度低，且与 的金属液不断向壁面处输送而壁面处的金属液 之相差较大，这样金属液在受搅拌作用下，固相 则被迫受挤而不断上升，当上升至一定高度时， 颗粒之间由于碰撞而产生的作用力就比较小，因 金属液的自重与之达到平衡时就不再上升，并通 此高频率下组织形态更好的实验结果并不能由 过表面向中心回落，依次周而复始，从而造成了 高频率条件下金属液获得更高的搅拌速度和剪 除水平旋转运动以外还有由中心向边缘，而在边 切速率来解释，应当另有其他原因.笔者认为这 缘处又由下向上最后又从中心下落的附加流动， 种原因就是高频率下造成的集肤效应. 并在表面形成旋涡.附加流动的示意图如图6中 电磁搅拌器的定子电路电源的能量是通过 粗实线所示.这种附加流动是处于电磁搅拌条件 电磁波的形式传递给中间的导体的，而电磁波的 下的金属液所具有的特有的流场特征，由于它的 渗透深度与电源的频率有关，频率越大，渗透层 存在，才使得金属液能够获得更充分的搅拌作 深度越小阿.这就造成了在高频率下搅拌器内的 用，这样就使得金属液连同其中的固相颗粒不断 金属液上产生的感生电流主要聚集在靠近搅拌 从壁面处的高温区向中心低温区转移热量，以使 器内壁的位置，而中心位置的感生电流则很小， 宏观温度更均匀，但是这样的结果使得固相颗粒 这就是集肤效应，集肤层的厚度可以通过下式来 不断的经受温度的起伏，从而加速了枝晶臂根部 计算： 位置的熔断过程，使得组织形态更圆整和细小， 6=5030./2 (2) uf 其中，6为电流透入深度，cm;p为金属的电阻率， Ωcm;μ为相对磁导率；f为电源频率，Hz.由于金 属液有电阻，因此感生电流就会产生电阻热而使 金属液温度升高，电流越大，电阻热越大.因此靠 近搅拌器内壁处的温度相对于中心处就会稍高， 造成宏观上表面和中心温度的不均 假设将处于旋转电磁场下的金属液分割成 无数个不同大小但垂直于纸面，且相互在中心线 处相交的导体环，图5所示在此假设基础上对金 属熔体进行的受力分析.从中可以看出，在洛伦 兹力切向分力F的作用下金属液会作水平旋转 图6电磁搅拌流体附加流动示意图 Fig.6 Schematic diagram of secondary flow of the electro- magnetic stirred slurry 对于本实验合金AZ91D,4≈1，p=0.17×10-4 Dcm,依据式(2)电源频率为50Hz和200Hz时 的集肤层厚度分别大约为2.9cm和1.4cm,而本 实验坩埚的半径为2.75cm,其集肤层厚度与盛装 F 金属液的坩埚的半径之比分别为1.001和0.509. 图5旋转磁场内金属液受力分析 由此可见，当频率小于50Hz时，在试样上不会产 Fig.5 Mechanical condition of the electro-magnetic stirred 生集肤效应；而当电源频率为200Hz时，集肤层 slurry 厚度为1.4cm.因此在200Hz下就会形成更强烈一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 来 讲 ， 在 相 同名 义 功 率 条 件 下 ， 其 转 速 并 不 是 随 电源 频 率 的增 大而 一 直 增大 最近 的一 项 研究 结 果甚 至 得 出 “ 在 高频 率下 的转 速低 于 低 频 条件下 的转速 ” 的结论 同时 由于 与 己 经研 究过 的铝 合 金 和 该 铁 合 金 材 料 相 比 ， 镁 合 金 的密 度 低 ， 且 与 之相 差 较大 ， 这 样 金 属 液 在 受搅拌 作用 下 ， 固相 颗 粒之 间 由于碰撞 而 产 生 的作用 力就 比较 小 ， 因 此 高 频 率 下 组 织 形 态 更 好 的 实 验 结 果 并 不 能 由 高 频 率 条 件 下 金 属 液 获 得 更 高 的搅 拌 速 度 和 剪 切 速 率 来 解 释 ， 应 当另 有 其 他 原 因 笔 者 认 为 这 种 原 因就 是 高频 率 下 造 成 的集 肤 效 应 电磁 搅 拌 器 的 定 子 电路 电源 的 能 量 是 通 过 电磁 波 的形 式传 递 给 中 间 的导 体 的 ， 而 电磁 波 的 渗 透 深 度 与 电源 的频 率有 关 ， 频 率越 大 ， 渗 透 层 深度越 小 环， 这 就 造 成 了在 高频 率下 搅 拌 器 内的 金 属 液 上 产 生 的 感 生 电流 主 要 聚 集在 靠 近 搅 拌 器 内壁 的位 置 ， 而 中心 位 置 的感 生 电流 则 很 小 ， 这 就 是集肤 效应 集肤 层 的厚度 可 以通 过 下 式来 计 算 运 动 ， 但 是 处 于搅拌 器 内 的金属 液要 进 行 旋 转 ， 必 须 有 一 个 向心 力来维持 ， 这个 力 由洛伦兹 力在 径 向上 的分 力万认 川 和 搅 拌器 壁 面 对 金 属液 的反作 用 力 的合 力来提 供 这 样 的结果 就会 使得 中心 的金 属 液 不 断 向壁 面 处 输 送 而 壁 面 处 的金 属 液 则 被 迫 受 挤 而 不 断上 升 ， 当上 升 至 一 定 高度 时 ， 金 属液 的 自重 与之 达 到 平 衡 时就 不 再 上 升 ， 并通 过 表 面 向 中心 回落 ， 依 次 周 而 复 始 ， 从 而 造成 了 除水 平 旋转 运动 以外 还 有 由中心 向边缘 ， 而 在边 缘 处又 由下 向上 最 后 又 从 中心 下 落 的 附加 流动 ， 并在 表 面 形 成 旋 涡 附加 流 动 的示 意 图如 图 中 粗 实线 所 示 这 种 附加 流 动 是 处 于 电磁 搅 拌条件 下 的金 属 液 所 具 有 的特有 的流场 特 征 ， 由于它 的 存 在 ， 才 使 得 金 属 液 能够 获 得 更 充 分 的搅 拌 作 用 ， 这 样就 使得金 属 液连 同其 中的 固相颗粒 不 断 从 壁 面 处 的高温 区 向中心 低温 区转移热量 ， 以使 宏 观温度 更 均 匀 但 是 这 样 的结果 使得 固相 颗粒 不 断 的经 受温度 的起 伏 ， 从 而加 速 了枝 晶臂根 部 位 置 的熔 断过 程 ， 使 得 组 织 形 态 更 圆整 和 细 小 ‘ 一 ，” ， 其 中 ， 咨为 电流 透 入 深 度播， 为 金 属 的 电阻率 ， · 产为 相 对 磁 导 率 孔厂为 电源 频 率 ， 由于 金 属 液有 电阻 ， 因此 感 生 电流 就会 产 生 电阻热 而 使 金 属液温度 升 高 ， 电流越大 ， 电阻热 越 大 因此 靠 近搅拌器 内壁 处 的温度 相 对 于 中心 处 就会 稍 高 ， 造 成宏 观 上 表 面 和 中心 温 度 的不 均 假 设 将 处 于 旋 转 电磁 场 下 的金 属 液 分 割 成 无 数 个不 同大 小但 垂 直 于 纸 面 ， 且 相 互 在 中心 线 处 相 交 的导 体环 ， 图 所 示在 此 假 设基础 上 对金 属 熔体进 行 的受 力 分 析 从 中可 以看 出 ， 在 洛 伦 兹 力 切 向分 力凡 的作用 下 金 属 液 会 作 水 平 旋 转 图 电磁 搅拌流体 附加 流 动 示 意图 · 图 旋 转磁 场 内金 属 液 受力分 析 啥 · 一 对 于 本 实验 合 金 沼 二 ， 一 ‘ · ， 依 据 式 电源 频 率 为 和 时 的集 肤 层 厚度 分 别 大 约 为 和 ， 而 本 实验钳 祸 的半径 为 ， 其集肤层 厚度 与盛 装 金 属 液 的增 祸 的半径 之 比分 别 为 和 由此 可 见 ， 当频 率 小 于 时 ， 在试样 上 不 会产 生 集肤效应 而 当 电源 频 率为 时 ， 集 肤层 厚 度 为 因此 在 下 就 会 形 成 更 强 烈