真空自耗电弧熔炼过程中电磁场的数值模拟

采用ANSYS10.0软件建立电磁搅拌条件下真空自耗电弧熔炼过程三维电磁场数学模型,计算电流密度和磁场强度,并对比分析搅拌磁场对电磁力的影响.结果表明:电流沿坩埚壁向下流动,并在铸锭与坩埚的接触部位转为横向流动,在铸锭表面横向电流最大;随着熔炼的进行,铸锭上部自感磁场基本不变,下部的自感磁场强度减小;搅拌磁场的添加使得铸锭表面产生水平旋转洛伦兹力,且磁感应强度和功率损失随电流频率的增大而增大.     

螺旋磁场电磁搅拌的数值模拟

建立描述不同磁场搅拌模式下的三维有限元模型,对比研究励磁电流、搅拌频率、搅拌器空间位置对磁感应强度和电磁力的影响规律。结果表明:磁场模拟结果与实测数据吻合良好,磁感应强度随励磁电流的增加呈线性增加;随搅拌频率的增加递减,磁感应强度沿中心轴线的分布表现为"中间大两头小"的特点,在径向铸坯边缘处最大,向中心逐渐衰减。电磁力随励磁电流和搅拌频率的增加而增大,中心轴线上底部电磁力值最大,并沿着轴线方向向上逐渐衰减;半径方向上边缘处的电磁力最大,向铸坯心部方向有小幅度的衰减。不同磁场作用下的计算结果表明:搅拌参数相同时,螺旋磁场具有更强的磁感应强度和电磁力,引起金属熔体沿径向和轴向上更大范围的流动,更有利于改善合金成分分布和凝固组织。     

真空自耗电弧熔炼中电磁搅拌的数值模拟

利用ANSYS软件对真空白耗电弧熔炼的电磁搅拌过程进行三维模拟计算,分析重熔电流、磁场和洛伦兹力的分布情况,讨论了搅拌线圈对磁场和搅拌力的影响.结果表明:重熔电流从坩埚擘经熔池表面流回电极,铸锭和坩埚底部几乎没有电流;重熔电流产生环绕对称轴的磁场,磁场强度从电极中心到坩埚外壁呈先增大后减小的趋势;搅拌线圈产生平行于对称轴的磁场,其磁感应强度在铸锭部分呈均匀分布;施加搅拌线圈产生了使熔池发生旋转的洛伦兹力.     

大圆坯连铸M-EMS参数对磁场和流场分布的影响

采用有限元法和有限体积法对φ250mm大圆坯连铸结晶器电磁搅拌(M-EMS)磁场和流场进行耦合计算。分析了不同电磁搅拌电流和频率下磁场和流场的分布。研究表明,数值模拟结果与实测结果基本一致。钢液中心面的磁感应强度在角部要明显大于中心。电磁力在横截面周向上分布均匀,流动呈涡旋状。当频率相同时,磁感应强度、电磁力和流速随着电流的增加而增加。当电流相同时,沿拉速方向,磁感应强度随频率增加而减小,电磁力和流速随频率的增加而增加。沿搅拌器中心径向,磁感应强度和电磁力随频率增加而减小,频率对切向流速的影响不大。对于φ250mm大圆坯连铸结晶器电磁搅拌,在电流和频率为480A,3Hz时能起到良好的搅拌效果。     

Ti60合金VAR熔炼过程熔体流动与宏观偏析的数值模拟研究

真空自耗电弧熔炼 (Vacuum arc Remelting,VAR) 是生产钛合金铸锭最常用的方式之一,但由于其熔炼过程温度高且不透明,通过实验研究其熔炼过程中流体流动行为和宏观偏析存在困难。基于此,本工作以Ti60高温钛合金为例,通过数值模拟方法对VAR熔炼过程展开研究,同时探讨了熔炼电流和磁场搅拌强度对流体流动行为和宏观偏析的影响。结果表明,VAR熔炼钛合金时,熔池形状由“扁平状”逐渐向“V形”转变;凝固结束后铸锭锭底和边部Zr元素含量低,中心和冒口含量高。熔炼电流产生的洛伦兹力使熔体沿逆时针流动,且熔炼电流越大,熔体流动更剧烈;同时也导致铸锭中心和冒口处出现更为严重的宏观偏析。搅拌磁场产生的洛伦兹力作用于整个熔池,不仅促进了熔池上部熔体的流动,也有利于熔池下部熔体的流动;当无搅拌磁场和搅拌磁场较大时,都会导致Zr元素在铸锭中产生较为严重的宏观偏析。为有效控制VAR熔炼钛合金时宏观偏析缺陷的产生,应采取小熔炼电流和合适的搅拌强度。     

VAR工艺参数对Ti-10V-2Fe-3Al铸锭凝固行为的影响

采用真空自耗电弧熔炼(VAR)工艺制备Ti-10V-2Fe-3Al铸锭,研究了熔炼电流和搅拌磁场等工艺参数对铸锭凝固行为的影响,并对真空自耗电弧熔炼过程中起弧、熔炼、补缩等阶段的凝固组织及熔池形貌进行了分析。结果表明,在未加搅拌磁场时,熔池较窄,铸锭组织粗大,而施加搅拌磁场后,熔池变宽且旋转明显,铸锭宏观组织中的晶粒变小;随熔炼电流增大,熔池加深,凝固组织中的晶粒变得粗大。     

VAR炉熔炼过程中磁场作用的分析

针对VAR炉的结构特点，探讨了真空自耗熔炼过程中磁场产生的原因及其在熔化区域分布的规律；分析了VAR熔炼过程中存在的3种主要磁场，即熔化电流自生的水平磁场、外加的纵向磁场和VAR炉自身及周围铁质结构件产生的杂散磁场，对熔炼过程及铸锭质量的影响。     

圆坯连铸机电磁搅拌磁场特性研究

采用CST-11A型数字特斯拉计、扭矩仪测量对某圆坯连铸机结晶器与末端电磁搅拌的磁场、电磁扭矩进行测试研究,研究了磁感应强度和扭矩与电流、频率的变化规律及磁场的空间分布特点。研究表明：电磁力与磁感应强度的平方成正比关系,频率和磁感应强度成反比关系。结晶器内磁感应强度轴向最大位置在距结晶器上口900 mm位置,向两侧陡降;径向分布不均匀,由搅拌器内表面向中心逐渐减小;高频率的磁场经结晶器铜管后衰减更大。结晶器、末端电磁搅拌的电磁扭矩随着电流强度和频率的增加而增大,频率对结晶器电磁扭矩影响较电流影响更为平缓,而末端电磁扭矩与频率的变化趋势受频率范围影响,研究结果对合理制定及优化电磁搅拌工艺参数提供了理论依据。     

真空自耗电弧熔炼过程中搅拌线圈参数对TC17铸锭成分和组织影响的数值模拟与实验验证

采用MeltFlow VAR软件建立了真空自耗电弧熔炼（VAR）过程中温度、电磁、流动和溶质场的耦合模型,通过数值模拟与实验验证的方法研究了搅拌电流和周期对TC17钛合金铸锭成分和组织的影响规律。结果表明,铸锭中心的Cr元素浓度从底部逐渐升高,在铸锭头部100 mm范围内出现激增,与铸锭边缘和1/2半径处表现出不同的趋势。施加搅拌磁场,有利于铸锭心部Cr元素的降低和1/2直径处等轴晶区域宽度的减小。增加搅拌线圈电流或延长搅拌磁场的周期,可以降低铸锭心部Cr元素含量并减小1/2直径处等轴晶区域宽度。这主要是因为搅拌磁场引起的角速度,加剧了熔池内湍流的速度。采用工程化规格的TC17铸锭实物解剖可知,铸锭下部柱状晶生长方向发生扰动的位置与Cr含量上升的位置相对应,均与该位置搅拌磁场的作用相关。数值模拟结果与实验数据吻合较好。     

连铸结晶器方波电流电磁搅拌电磁场-流场数值模拟

采用ANSYS三维有限元数值模拟技术,在320 mm×320 mm方坯连铸结晶器电磁搅拌过程中,对比研究了搅拌器加载方波电流和正弦波电流对铸坯内部电磁场、电磁力及流场的影响。结果表明,在其他参数相同条件下,搅拌器加载方波电流时,铸坯内部也可以产生旋转磁场,且磁场分布较加载正弦波电流更大;同时,产生促使钢液旋转的电磁力,且电磁力峰值较大,表现为一种震荡力效果,而加载正弦波电流产生电磁力相对平稳。加载方波电流对铸坯内部将产生逆时针旋转流场,且有震荡效果,更有助于提高搅拌效率。     

液态金属电磁离心凝固的力场分析

运用磁流体动力学原理，对在稳恒磁场中高速旋转的液态金属凝固时的受力状态进行了理论解析，结果表明在电磁力场、离心力场和重力场共同作用下，旋转液态金属中受到大小周期变化的径向压力和切向分力，后者起电磁搅拌作用，是细化电磁离心凝固组织的根本原因．     

电磁铆接电磁场数值模拟

为了分析电磁铆接电磁场的变化规律,采用数值模拟方法,以ANSYS软件为平台建立了电压激励的电磁场耦合模型.通过电阻分流器测最线圈放电电流,验证建立耦合模型的正确性.研究结果表明:驱动片主要受轴向磁场力作用,沿驱动片径向分布不均匀,在驱动片半径一半附近轴向磁场力最大;磁场力沿驱动片厚度方向呈梯度分布.在线圈与驱动片之间,磁场主要沿径向分布,渗入驱动片的磁场呈衰减分布.     

Macrosegregation Behavior of Ti-10V-2Fe-3Al Alloy During Vacuum Consumable Arc Remelting Process

The effects of melting current and magnetic field in vacuum consumable arc remelting (VAR) process on the macrosegregation of Ti-10V-2Fe-3Al ingot are investigated in this paper. The results show that Fe content increases gradually from the bottom to the top of ingots along axial direction and the degree of macrosegregation is greater in the radial direction in the middle of the ingot versus the top and bottom. The macrosegregation rate of Fe element is higher with melting current of 2.6 kA than that of 1.7 kA in Ti-10V-2Al-3Fe ingot. There are two forces, buoyancy and Lorentz forces which arise from the flow of current through the pool of VAR when without magnetic stirring, but a new Lorentz force arising from the presence of external inductors occurs with adding magnetic stirring which decreases the macrosegregation rate of Fe element in Ti-10V-2Fe-3Al.     

Effect of electromagnetic stirring on metallurgical quality of GCr15 electroslag ingot

To further improve the metallurgical quality of electroslag remelting,remove the large inclusions in electroslag ingot and refine the solidification structure of electroslag ingot,an electroslag remelting furnace with electromagnetic stirring was designed,and the influence of different magnetic induction intensities on metallurgical quality of GCr15 electroslag ingot was studied.Inclusions with different sizes and types were analyzed by an ASPEX scanning electron microscope,and the morphology and composition of inclusions were further observed by a JSM-6510LV scanning electron microscope.The distribution of alloying elements on the cross section of electroslag ingot was analyzed by original position analysis(OPA).The results show that whether or not electromagnetic stirring is used,the inclusions in electroslag ingot are mainly composed of Al₂O₃,MnS,MnS-oxide and other oxides,among which Al₂O₃ is the most.Compared with an electroslag ingot without electromagnetic stirring,the number of inclusions decreases considerably,and the proportion of small inclusions increases while the proportion of large inclusions decreases when the electromagnetic stirring with remelting current of 1.1 kA and magnetic induction intensity of 62 Gs is applied.However,excessive electromagnetic force will cause the number and diameter of inclusions to increase again.Electromagnetic stirring has different effects on the segregation of different elements.Under the experimental conditions,the weak electromagnetic force with 1.1 kA and magnetic induction intensity of 108 Gs has little effect on the segregation of C,but decreases the segregation of P,and the excessive electromagnetic force aggravates the segregation of alloy elements.     

圆坯凝固末端电磁搅拌电磁场的数值模拟

以某厂圆坯凝固末端电磁搅拌器为研究对象,建立了圆坯凝固末端电磁搅拌的三维数学模型。利用有限元软件ANSYS对电磁场的分布规律进行了数值模拟,研究了不同工艺参数对磁感应强度和电磁力分布规律的影响。研究结果表明：当电流频率为8 Hz,电流强度从100 A增加到400 A时,搅拌器中心处的磁感应强度从19.5 mT提高到77.9 mT,中心横截面上切向电磁力的最大值从115 N/m3提高到1 837 N/m3。当电流强度为300 A,电流频率从4 Hz增加到12 Hz时,搅拌器中心处的磁感应强度从60.3 mT下降到55.6 mT,中心横截面上切向电磁力的最大值从550.2 N/m3提高到1 501.8 N/m3。     

线圈-薄板体系中线圈参数对电磁力的影响

基于电磁力随焊控制焊接应力应变新思想,采用ANSYS软件模拟了平面螺旋线圈一薄板体系的电磁力,分析了线圈几何参数对电磁力的影响。结果表明,电磁力主要作用于线圈在板坯的投影处。随线圈外径的减小,电磁力峰值增大,轴向力峰值位置呈线性内移。随线圈内径的增加,径向电磁力峰值增大,轴向力峰值先增大后减小,轴向力峰值位置先不变后外移。径向力换向位置随内外径的变化规律与轴向力峰值位置相似。随着导线宽度的增加,电磁力增大。在电磁力随焊控制焊接应力应变时,应该选择具有较小外径和合适内径的线圈,并需要引入磁介质,以增大电磁力。     

螺旋磁场对Pb-Sn合金成分偏析的影响

测试分析新型电磁搅拌器内螺旋磁场和旋转磁场的磁感应强度、分布和作用规律,研究螺旋磁场对Pb-80%Sn过共晶合金凝固组织影响的作用机理,并与无磁场和旋转磁场条件下合金凝固组织的形貌特征及成分分布进行对比分析。结果表明:螺旋磁场相比于旋转磁场可以在铸锭内部更大区域内形成均匀搅拌,更易于破碎和细化枝晶组织,既能促进椭球或球状晶的生成,又能更好地改善宏观偏析;在频率一定的情况下,初生相晶粒尺寸随着励磁电流的增大而减小;当励磁电流为125A时,旋转磁场和螺旋磁场细化晶粒的效果最好;继续增大电流,晶粒产生粗化;螺旋磁场可基本消除成分偏析,并在较小励磁电流(100A)下达到采用旋转磁场(125A)时的最佳搅拌效果。     

复合材料制备中电磁搅拌电磁场的数值模拟

利用ANSYS软件,对电磁搅拌法制备复合材料的电磁场进行了数值模拟,并与实测值进行了比较。结果表明,电磁搅拌复合坩埚内磁感应强度呈三维分布,其数值在坩埚高度方向上中间处最大：相同频率下,磁感应强度均随着电流的增大而增大;相同电流强度下,磁感应强度随着频率的增加而减小。坩埚内金属中的电磁力分布与磁感应强度分布规律类似。