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-run‚ZHA NG Zh-i feng‚XU Jun‚SHI L-i kai National Engineering ＆ Technology Research Center for Non-ferrous Metal Matrix Composites‚General Research Institute for Non-ferrous Metals‚ Beijing100088‚China ABSTRACT T he 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．T he 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．T he 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 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