脉冲磁致振荡作用下Ga-In-Sn液态合金中熔体流场的数值模拟

采用多物理场数值模拟软件Comsol,结合超声多普勒测速仪,对Ga-In-Sn液态金属模铸过程中熔体流速进行了数值模拟和试验测定。研究了脉冲磁致振荡线圈与熔体高度方向的相对位置变化对熔体流场的影响。结果表明:在脉冲磁致振荡外场作用下,给定脉冲电流及频率条件,将脉冲磁致振荡线圈置于模铸熔体水平中线位置时,其内部流场环境对模铸凝固组织的细化效果最佳。     

脉冲磁致振荡下Al-4.5wt%Cu合金微观组织形态

应用脉冲磁致振荡技术处理Al-4.5wt%Cu合金的凝固过程,并用快速凝固装置固化初生α-Al相。结果表明,合金凝固前期,熔体固相分数小,温度高,脉冲磁致振荡主要促进熔体形核,此刻初生α-Al相微观形貌细小,圆整。随着处理时间的延长,熔体温度降低,脉冲磁致振荡难以抑制晶核的快速生长,新、老晶核竞相生长,并发生吞并或融合,晶粒粗大,形状复杂。一定放电频率的脉冲磁致振荡处理能有效抑制初生α-Al相的长大,频率越高,抑制效果越好,且初生α-Al相随着放电频率的增高变得更加细小、圆整。     

脉冲磁致振荡细化工业纯铝机制研究

以工业纯铝为研究对象,通过在铸型内放置金属网隔离的方法,研究了脉冲磁致振荡(pulsed magneto cscillation,PMO)细化工业纯铝凝固组织的机理。试验结果表明,脉冲磁致振荡能激发工业纯铝在铸型内壁、熔体液面以及固/液界面前沿处大量形核。脉冲磁致振荡技术利用高频变化的电磁场作用于熔体中并感生出振荡式电磁力,这种电磁力一方面能减小熔体内部温度梯度,从而增大形核面积;另一方面能加速晶核在液面以及固液界面处脱落并游离到整个熔体中,从而形成结晶雨效应细化金属凝固组织。     

脉冲磁致振荡对纯铝熔体电磁力和流场影响的数值模拟

在金属熔体周围的环绕线圈中,通入窄脉宽高频交变脉冲电流可以细化其凝固组织,这种组织细化方法称为脉冲磁致振荡.采用ANSYS有限元软件研究脉冲磁致振荡对纯铝熔体电磁力和流场的影响,主要包括线圈脉冲电流峰值,铸件直径及线圈尺寸位置等参数.模拟结果显示,脉冲电流峰值增加,熔体感应的电磁力也随着增大,振荡效果增强.铸件直径增大,电磁力驱使的内部流动效果会减弱.线圈尺寸增大,感应电磁力和熔体流动均增强.线圈下部的电磁力与流动分布导致晶粒的细化效果会优于上部.     

脉冲磁致振荡波形对纯铝凝固组织的影响

通过凝固试验、数值模拟和理论分析相结合的方法,研究了脉冲磁致振荡作用下电流波形对纯铝凝固组织的影响.结果表明:PMO处理使纯铝的凝固组织明显细化,其细化效果与PMO波形有关.对熔体施加能产生液面共振或次谐波共振的PMO波形,能显著增强凝固组织的细化效果.铸型尺寸的变化使熔体液面的固有频率改变,进而使细化效果最佳的PMO...     

脉冲磁场作用下矩形截面宽厚比对K4169高温合金晶粒细化的影响

研究了脉冲磁场作用下K4169高温合金矩形截面试件的凝固组织以及具有不同宽厚比矩形截面试件的晶粒细化效果,计算模拟了脉冲磁场作用下试件熔体中电磁场和流场的分布情况,并对细化机理进行了分析.实验结果表明,施加脉冲磁场后,K4169高温合金矩形试件的凝固组织得到了不同程度的细化,当试件宽厚比为1时,施加脉冲磁场可以使凝固组织晶粒显著细化;随着试件宽厚比增大,脉冲磁场的晶粒细化效果减弱.计算模拟结果表明,脉冲磁场在熔体中产生周期性的压-拉电磁力,导致熔体产生周期性振荡和呈环流形式的对流.在相同磁感应强度的脉冲磁场作用下,试件宽厚比越接近1,试件内的电磁力和流速越大,有利于模壁晶核游离及枝晶臂破碎,从而使晶粒得到细化.     

脉冲磁致振荡凝固技术

随着冶金新技术的发展,金属材料面临高均质化、高洁净化、超细晶化和低消耗的性能要求。脉冲电磁场因能耗低、施加方便、细化效果显著,成为新一代冶金技术的发展方向。脉冲电磁场凝固技术主要包括脉冲电流、脉冲磁场和脉冲磁致振荡凝固技术。脉冲磁致振荡技术是在脉冲电流和电磁搅拌的理论基础上,将脉冲电流导入感应线圈,通过磁场诱发熔体感应出电磁力进行非接触式处理,从而不会污染熔体。本文主要介绍脉冲磁致振荡凝固技术的发明过程、基本的理论基础、细化机理、国内外研究现状及应用进展等。     

圆台形冒口脉冲磁致振荡处理对Al-Si合金铸锭凝固均质化的影响

脉冲磁致振荡凝固均质化是一项新技术.研究了圆台形冒口脉冲磁致振荡处理对Al-Si合金铸锭流场、凝固组织和宏观偏析的影响.结果表明:对圆台形冒口施加脉冲磁致振荡的铸锭内形成了两个方向相反的环流,即下环流和上环流,下环流方向为中心向下、边缘向上,上环流方向则与之相反.环流的形成有利于铸锭内温度场的均匀化和自由晶在铸锭中心沉...     

大型铸锭的宏观偏析及其数值模拟

宏观偏析是金属凝固过程中产生的不可避免的缺陷,且难以通过热处理消除,会导致金属制品不同部位的组织和力学性能有差异.因凝固时间长且熔体流动复杂,大型铸锭的宏观偏析尤为严重.A型偏析的形成主要与夹杂物上浮有关,而V型偏析的形成机制较为复杂,普遍认为形成于铸锭凝固的后期.连铸过程中采用脉冲磁致振荡技术可大大减轻大型铸锭的宏观...     

PMO凝固均质化技术在连铸GCr15轴承钢生产中的应用

脉冲磁致振荡(pulse magneto-oscillation,PMO)凝固均质化技术是我国学者原创的连铸坯凝固组织细化和均质化技术。将该技术应用于连铸GCr15轴承钢生产,研究脉冲磁致振荡对GCr15轴承钢连铸坯凝固组织和成分分布的影响。生产实践表明,PMO可以显著细化连铸GCr15轴承钢的凝固组织,改善碳偏析。     

Distributions of Electromagnetic Fields and Forced Flow and Their Relevance to the Grain Refinement in Al-Si Alloy Under the Application of Pulsed Magneto-Oscillation

Distributions of electromagnetic fields and induced forced flow inside a metal melt are crucial to understand the grain refinement of the metal driven by pulsed magneto-oscillation (PMO). In the present study, PMO-induced electromagnetic fields and forced flow in Ga-20wt%In-12wt%Sn liquid metal have been systematically investigated by performing numerical simulations and corresponding experimental measurements. The numerical simulations have been confirmed by magnetic and melt flow measurements. According to the simulated distribution of electromagnetic fields under the application of PMO, the strongest magnetic field, electric eddy current and Lorentz force with inward radial direction inside the melt are concentrated adjacent the sidewall of cylindrical melt at the cross section of middle height of coil. As a result, a global forced flow throughout the whole cylindrical column filled with Ga-20wt%In-12wt%Sn melt is initiated with a flow structure of two pair of symmetric vortex ring. The PMO-induced electromagnetic fields and forced flow in Al-7wt%Si melt have been numerically simulated. The contribution of electromagnetic fields and forced flow to the grain refinement of Al-7wt%Si alloy under the application of PMO is discussed. It indicates that the forced flow may play a key role in the grain size reduction.     

Improving the Solidified Structure by Optimization of Coil Configuration in Pulsed Magneto-Oscillation

Using both numerical and experimental methods, we studied the effect of coil configuration of pulsed magneto-oscillation (PMO) on distribution of electromagnetic field, flow field and solidification structure with the same pulse current parameters in Al ingots. We designed and constructed three types of coils: surface pulsed magneto-oscillation, hot-top pulsed magneto-oscillation (HPMO) and combined pulsed magneto-oscillation (CPMO). PMO treatment refined the solidification structure in all the ingots. The configuration of the PMO, however, introduced differences in magnetic field intensity, electromagnetic force, Joule heat, flow field, equiaxed grain zone, grain size and growth direction of columnar grains. The largest equiaxed grain zone was found in CPMO treated ingot, and the smallest grain size was found in both HPMO and CPMO treated ingots. Numerical simulation indicated that difference in electromagnetic field and flow field resulted in differences in solidification structure. HPMO is more advantageous over others for large ingot production.     

任意波形脉冲磁场下电磁力计算模型研究

为了建立一个描述任意脉冲磁场下电磁力特性的数学模型,利用数学解析法推导建立任意波形周期脉冲电磁力的模型和理论解。利用此模型考察了三角脉冲磁场下电磁场和电磁力周期变化规律、脉冲频率、占空比和静磁场对电磁力的影响。结果表明:任意波形周期脉冲磁场可通过时谐场叠加得到,各个时谐场的频率为基频的整数倍。三角脉冲电磁力方向呈现交替变化,并且其电磁压力绝对值大于电磁拉力。在脉冲磁场某时间段内,介质内部同时存在电磁拉力和电磁压力。随着脉冲频率增大或占空比减小,电磁压力与电磁拉力都增大,但是电磁压力增幅远大于电磁拉力。随着静磁场感应强度增大,脉冲电磁力增大同时作用深度也增加。枝晶破碎是脉冲磁场细化晶粒组织的机理之一,枝晶在交替变化的脉冲电磁力作用下,可视作产生疲劳损伤,因此脉冲磁场电磁力特性能够增加枝晶破碎的几率。一方面可以通过设计调整脉冲频率、占空比和静磁场获得满足细化凝固晶粒组织所需电磁力;另一方面当脉冲电磁力足以使枝晶破碎时,降低脉冲频率或增大占空比,以便脉冲电磁力作用深度大,从而使凝固细化作用效果更佳。     

移动磁场电磁力对铸件表面粗糙度的影响

采用移动磁场铸造薄壁铝合金流动试样，并对移动磁场铸造过程中铝合金熔体内的电磁力各分量的瞬时值及其对铸件表面质量的影响进行了理论分析。结果表明，随着磁感应强度的增加，铸件的表面粗糙度有增加的趋势，这在采用金属上型时表现更明显。由于通人电磁感应器的三相非平衡电流在铝合金熔体内所产生的电磁力是脉动的，其大小呈周期性变化，尤其是垂直于磁场运动方向上的电磁力，其脉动的幅度很大。由此认为，所产生的垂直于磁场运动方向上的脉动电磁力是引起熔体表面震荡起伏和导致铸件凝固后表面粗糙的主要原因。     

电磁铸造移动磁场发生器磁场分布规律及其作用分析

研究了用于电磁铸造的移动磁场发生器上磁场强度变化及其对金属产生的力的作用.结果表明,磁感应强度分量By和Bz的变化趋势相反.By的存在使金属流动充型过程中产生表面凹坑型缺陷,Bz明显提高金属液流动速度,而在提高充型能力的同时,会使金属液流前端截面减小而形成反向充填,引发冷隔缺陷.铁磁性上模可以减弱By、增强Bz,提高表面质量.金属在移动磁场中受到的力与其投影面积有关,而且存在临界投影面积,小于该临界值后,电磁力不足以拉动该金属.     

Effect of wide-spectrum pulsed magnetic field on grain refinement of pure aluminium

A wide-spectrum pulsed magnetic field(WSPMF) was obtained by adjusting the number of current pulses and the pulse interval between adjacent pulses. The effect of WSPMF on the grain refinement of pure aluminium was studied. The distribution of electromagnetic force and flow field in the melt under the WSPMF was simulated to reveal the grain refining mechanism. Results show that the grain refinement is attributed to the combined effect of the melt flow and oscillation under a WSPMF. When the pulse...     

磁场类型对金属凝固机理的影响研究综述*

利用磁场辅助制备的合金综合性能优异,广泛应用在工业生产、交通运输、航空航天等领域。不同磁场参数环境下合金硬度、耐磨性等服役性能有所差异,作用机理复杂多变。对新工艺驱动下不同磁场对金属凝固过程的作用规律进行总结, 弥补目前磁场辅助金属表面加工方法的研究短板,对金属表面工程发展有重大意义。归纳科研人员在不同磁场环境对金属表面加工的研究探索,分析对比金属材料在不同类型磁场环境下的晶核形核和生长过程差异,总结金属凝固过程在不同磁场下的变化规律,如晶界形貌改善、形核率提高、晶粒细化等。从晶粒微观形貌和合金宏观性能表现两方面出发,分析磁场作用下熔体内部传热传质变化,揭示稳恒磁场、脉冲磁场和交变磁场对金属凝固影响的作用机理,讨论不同参数的磁场对熔体作用效果差异,如磁场对熔池内部流动扰动、熔体内带电粒子受到的洛伦兹力等。综上,晶粒细化、合金性能提高是磁场作用下熔池传热传质变化和磁场作用力的综合体现。综合研究对比稳恒磁场、脉冲磁场和交变磁场对金属凝固的作用特点和作用机理,综述金属凝固领域当前热点问题,有助于统一磁场环境下金属凝固机理的争论,填补磁场环境下金属表面加工工艺的空白,对推进高性能金属表面制备研究有借鉴意义。     

Numerical simulation of electromagnetic and flow fields of TiAI melt under electric field

This article aims at building an electromagnetic and fluid model, based on the Maxwell equations and Navier-Stokes equations, in TiAI melt under two electric fields. FEM (Finite Element Method) and APDL (ANSYS Parametric Design Language) were employed to perform the simulation, model setup, loading and problem solving. The melt in molds of same cross section area with different flakiness ratio (i.e. width/depth) under the load of sinusoidal current or pulse current was analyzed to obtain the distribution of electromagnetic field and flow field. The results show that the induced magnetic field occupies sufficiently the domain of the melt in the mold with a flakiness ratio of 5:1. The melt is driven bipolarly from the center in each electric field. It is also found that the pulse electric field actuates the TiAI melt to flow stronger than what the sinusoidal electric field does.     

异相位电磁连铸的电磁场分析

采用ANSYS有限元软件对空心管异相位电磁连铸中电磁场、力场的分布进行了模拟．结果表明：异相位磁场作用下,铸管中磁感应强度高且分布均匀;壁厚中部的金属熔体受到沿径向的电磁推力,向外结晶器方向流动;石墨环附近的金属熔体和初凝壳受到电磁斥力的作用,可以避免“抱芯”,减少摩擦,抑制了偏析瘤的形成,进而提高了铸管表面质量．     

脉冲波形对金属熔体内部电磁场分布的影响

建立了金属熔体内部电磁场分布的3-D模型,运用Maxwell软件模拟了正弦波、方形波和三角波脉冲电流作用下熔体内部磁感应强度的分布情况。结果表明,脉冲波形对金属熔体内部电磁场的分布及金属凝固组织的细化效果有很重要的影响。相同脉冲电流峰值和脉宽时,方形波的脉冲电流在金属熔体内部产生的感应电磁场强度大于三角波和正弦波。