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.     

双丝埋弧焊电磁搅拌的磁场特征

针对双丝埋弧焊电磁搅拌方法,采用ANSYS软件进行了电磁线圈磁场特性的研究,并采用特斯拉计对不同条件下的磁场进行了测试.研究表明,柱形线圈形式比锥形线圈形式更有利于电磁搅拌.磁芯的加入会使磁场更为集中,增大两焊丝尖端及磁芯位置的磁感应强度,有利于焊接和电磁搅拌过程的稳定进行.工件的存在使磁性区域磁感应强度增加,坡口位置的磁感应强度减小.     

电磁连铸用高频磁场内磁感应强度的分布

用小线圈法测定了等幅高频磁场和调幅高频磁场内的磁感应强度，两种磁场的磁感应强度在空间分布的规律基本相同，即同一高度平面上沿径向方向从线圈中心至边缘其磁感应强度依次增加，在线圈高度方向上，磁感应强度在线圈高度的1/2附近达到最大值。等幅高频磁场的磁感应强度随高频电源输出电流的增加而增加，磁场调幅处理能提高磁场内的磁感应强度，提高调幅波信号的幅值电压，可有效提高磁场内的磁感应强度。     

电磁连铸用高频磁场内磁感应强度的分布

用小线圈法测定了等幅高频磁场和调幅高频磁场内的磁感应强度,两种磁场的磁感应强度在空间分布的规律基本相同,即同一高度平面上沿径向从线圈中心至边缘其磁感应强度依次增加,在线圈高度方向上,磁感应强度在线圈高度的二分之一附近达到最大值。等幅高频磁场的磁感应强度随高频电源输出电流的增加而增加,磁场调幅处理能提高磁场内的磁感应强度,提高调幅波信号的幅值电压,可有效提高磁场内的磁感应强度。     

铝合金扁锭电磁连铸结晶器内磁感应强度的分布

用特斯拉计测量了电磁连铸铝合金扁锭结晶器内的磁感应强度.实验结果表明,结晶器内同一高度平面上磁感应强度在角部处最大,短边中心次之,长边中心磁场较短边中心处稍弱,平面中心处最小;沿高度方向上各点磁感应强度在感应线圈高度的1/2处附近达到最大值.感应线圈上表面的磁场较小,中心平面内的磁场较大,磁感应强度的大小和分布情况能够满足软接触电磁连铸的要求.中心平面的磁场分布规律较好而且磁场分布均匀,这样更有利于软接触的实现.各点的磁感应强度均随电流的增大而增大.     

直流电磁泵磁感应强度数值模拟

针对液态金属传输用直流电磁泵内部磁场区域的磁场分布问题,建立了电磁铁三维有限元模型并进行模拟计算,探究了电磁铁不同聚磁头截面尺寸、励磁电流大小和线圈匝数对聚磁头间隙处磁感应强度分布的影响。结果表明,聚磁头截面尺寸为铁芯截面尺寸的50%~60%时磁隙处磁感应强度最强;随励磁电流的增大,线圈匝数的增加,磁隙处磁感应强度均呈现增长趋势,受铁芯材料特性影响,励磁电流与线圈匝数分别在1 300 A和20匝时,磁隙处磁感应强度达到饱和状态。     

电磁搅拌下半固态A356铝合金凝固时电磁场-流场数值模拟与实验研究

采用数值模拟,建立磁场二维有限元模型和流场三维有限元模型,研究电磁搅拌参数对磁感应强度、电磁力、半固态铝合金熔体最大流速的影响,以及对初生相的影响。结果表明:由于集肤效应,熔体中电磁力由内向外逐渐增强,磁感应强度随电磁频率的增大呈现出"中心小,边缘大"的特征,且在结晶器径向的0.80R～0.85R处达到最大值;在电磁搅拌频率为25 Hz、电流为4 A、搅拌时间为12 s时,熔体流速较其他参数最大;半固态A356铝合金在650℃浇铸后恒温电磁搅拌,在电磁搅拌参数为30 Hz、4 A时搅拌12 s后,590℃保温10 min得到的初生相形貌最佳,此时平均等积圆直径为80.6μm,形状因子为0.78。     

高频调幅磁场分布和液面波动行为研究

采用高频磁场外加低频调制信号的方法产生高频调幅磁场，用小线圈法测定线圈内部的磁感应强度，结果表明，在线圈中下位置截面处的磁感应强度最大，而且边缘强于中心部分，调制波信号频率为5Hz、幅值在0．5—7．0V范围内随着幅值增加磁感应强度增加，当幅值为7．0V时对应的磁感应强度为0．029T。该磁场作用下熔体弯月面的行为研究表明，磁感应强度增加则电磁场对熔体的约束力增加，减少了熔体和坩埚间的压力，液面产生规律性波动。     

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。     

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。     

Grain refinement of primary Si in continuously cast hypereutectic Al–Si alloy by electromagnetic vibration

Abstract

Refinement of Si crystals in hypereutectic Al–20 wt-%Si alloys was carried out using low frequency electromagnetic vibration direct chill casting of billets with 100 mm diameter. Low frequency electromagnetic vibration was produced in the liquid metal by the simultaneous application of a stationary magnetic field and a variable magnetic field. The stationary magnetic field was generated by supplying an induction coil with direct current. The variable magnetic field was created by another induction coil below the top of the mould, which is supplied with an alternating current. The effects of low frequency and addition of chromium and/or iron were tested. The frequency <37 Hz promoted inhomogeneous distribution of primary Si due to heavy stirring. The diameter of primary Si applied with 27 Hz was ～19 μm. Cr addition, even on the strong magnetic stirring of 15 Hz, shows refinement and homogeneous distribution of primary Si.     

电磁搅拌法制备半固态浆料过程中电磁场的数值模拟

建立了电磁搅拌法制备半固态金属浆料电磁场的计算模型,采用商用ANSYS软件对电磁场分布进行了数值模拟,分析了线圈和坩埚间的缝隙、坩埚材质、电流和频率对磁感应强度的影响规律,并进行了相应的试验验证.研究结果表明,电磁场模拟结果与试验结果具有较好的一致性,验证了计算模型与软件算法的可行性.在电磁力的作用下,铝合金熔体在水平方向上产生旋转运动,由于感应电流的集肤效应,合金熔体中的电磁力由外向内依次减小;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;在选用不锈钢坩埚,坩埚和线圈间缝隙为5 mm时可以使铝合金熔体获得的磁感应强度最大;在电流为50 A,频率为10 Hz时电磁搅拌法可以获得更加细小均匀的半固态组织.     

环缝式电磁搅拌制浆技术研究及其应用

电磁搅拌技术是最早应用于制备半固态坯料的方法之一,然而集肤效应限制了该技术的进一步发展。提出环缝式电磁搅拌技术旨在破解这一难题。与普通电磁搅拌相比,环缝能避开磁场较低的部分,在环缝内形成的均匀旋转磁场,可以获得均匀的温度场和均匀凝固的细小组织。环缝式电磁搅拌连铸坯组织呈蔷薇状,在铸坯中分布均匀。与普通电磁搅拌相比,环缝式电磁搅拌技术能明显降低宏观偏析和显微偏析。     

线圈位置对小方坯连铸结晶器搅拌的影响研究

采用三维有限元技术研究了结晶器电磁搅拌时,线圈与铜管端部的相对位置对电磁搅拌电磁场、电磁力功能的影响规律.结果表明,与常规安装形式相比,当结晶器铜管位置分别相对于线圈底端向上和向下移动时,对电磁场和电磁力产生不同的影响.铜管相对于搅拌器底端上移100 mm,搅拌区内部的磁场大小变化不大,但是电磁力的大小和方向均有明显变化,特别是与拉坯方向相反的电磁力增加明显;而铜管相对于搅拌器底端向下移动100mm,电磁场和电磁力均没有明显变化.     

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。     

新型高频动圈式直线力马达的研究

直接反馈两级滑阀式电液伺服阀的动圈式直线力马达存在质量比较大、电磁力小、响应时间长和响应速度慢的问题。通过分析传统动圈式直线力马达的永磁体放置方法及其永磁体磁化方向,发现磁力线分布不均匀,磁通密度低,而且与线圈电流方向不垂直。在现有的技术基础上,提出根据磁力线方向的异同在轴向放置3组线圈,形成一种新型五环型Halbach磁化阵列动圈式直线力马达。静态磁场与动态特性的仿真结果表明:新型直线力马达产生的电磁力提高2.5倍左右,阶跃响应时间为6 ms,频宽达到277 Hz。     

Effect of power parameter and induction coil on magnetic field in cold crucible during continuous melting and directional solidification

Bottomless electromagnetic cold crucible is a new apparatus for continuous melting and directional solidification;however,improving its power efficiency and optimizing the configuration are important for experiment and production.In this study,a 3-D finite element (FE) method based on experimental verification was applied to calculate the magnetic flux density (Bz).The effects of the power parameters and the induction coil on the magnetic field distribution in the cold crucible were investigated.The results show that higher current intensity and lower frequency are beneficial to the increase of Bz at both the segment midpoint and the slit location.The induction coil with racetrack section can induce greater Bz,and a larger gap between the induction coil and the shield ring increases Bz.The mechanism for this effect is also discussed.     

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.     

宽厚板铸机二冷区电磁搅拌工艺优化及长寿化攻关

通过对电磁搅拌辊磁场形成图、安装方式、电流应用值及搅拌方式对铸坯的冶金效果的深入分析,采取降低电磁搅拌电流及下移电搅辊安装位置等措施,可解决二冷区电磁搅拌在包钢宽厚板铸机应用过程中出现的搅拌不均、负偏析及启动时电磁干扰等问题,显著提升宽厚板铸坯的内部质量。同时改进电磁搅拌结构,有效提高其在线使用寿命。     

结晶器电磁搅拌对55CrSi弹簧钢铸坯质量的影响

为研究55CrSi弹簧钢连铸生产中采用的电磁搅拌技术对铸坯质量的影响,利用有限元法,对结晶器内不同搅拌参数下电磁场分布进行了模拟,对电磁力矩进行了理论计算,并系统地研究了结晶器电磁搅拌电流和频率对其铸坯质量的影响规律。试验结果表明：电磁搅拌电流和频率分别为320 A和3 Hz时,中心等轴晶率为29.62%,中心疏松减轻,缩孔消除,铸坯低倍质量有明显地改善;在其它浇注工艺参数不变的情况下,铸坯的中心等轴晶率与电磁力矩呈现对应关系,电磁力矩增大,铸坯中心等轴晶率提高。