,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