钢连铸电磁搅拌工艺中电磁力的计算

利用旋转磁场特征变换模型方程并结合边界更新法,提出一种计算旋转型电磁搅拌器在钢连铸坯中产生的电磁力场的方法．用该方法计算了考虑铁心影响的不同尺寸钢连铸方坯内的电磁场．模拟结果与实验数据符合良好,同时详细给出了旋转电磁场在搅拌区域内产生的电磁力的空间分布,并分析了不同电流、频率等参数对电磁力分布的影响．     

不同电角度电磁搅拌器磁场分析

建立了描述结晶器电磁搅拌过程的电磁场二维数学模型,采用有限元的方法实现结晶器电磁搅拌不同电角度电磁场的数值模拟,研究了电磁场的分布特征及频率对金属熔体中心点电磁场的影响。结果表明,随着电角度的增大,磁场的均匀性增强,但在电角度为75°时,能得到最大电磁场参数;不同电角度下,金属熔体中心电磁场参数的变化规律基本相似;随着频率的增加,磁感应强度先增后减,最大磁感应强度对应的频率是3.5 Hz,而电流密度和电磁力均不断增大。     

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.     

电磁搅拌法制备铝合金半固态浆料过程中磁场和流场的数值模拟

利用ANSYS软件,对电磁搅拌作用下铝合金半固态浆料中的电磁场和流场进行数值模拟.分析电流强度和频率变化对磁感应强度的影响,并分析粘度变化对熔体流动速度的影响.结果表明,在电磁力的作用下,铝合金熔体在水平方向上产生旋转流动;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;在相同频率下,半固态浆料中的磁感应强度随着电流强度的增加而增加;在相同电流强度下,磁感应强度随着频率的增加而减小;随着半固态浆料的温度降低,其粘度增大,流动速度减小.     

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.     

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。     

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。     

基于数学模型的管坯连铸过程中电磁搅拌器的参数优化

通过建立电磁场模型和流场模型,借助ANSYS软件对电磁搅拌器结构参数以及电磁参数进行了优化设计。结果表明:采用三相三极对以及A型磁轭结构的电磁搅拌器具有更好的搅拌效果;理想的电流强度为20 A,电流频率为30 Hz,而实际中适当减小电流频率、增大电流强度可以得到更好的生产效果。     

电磁场作用下中铝合金熔体流动的混沌特征的仿真与分析

为探明铝合金熔体在电磁场作用下的流动特征,利用Fluent软件模拟电磁场作用下铝熔体中微粒的流动轨迹,计算这些流动轨迹的混沌特征参数:最大Lyapunov指数及Kolmogorov熵。并根据不同电磁频率搅拌下铝合金熔体中微粒的运动轨迹,对其进行混沌特征判断及分析。结果表明:铝合金熔体在电磁场作用下的流动具有混沌特征;电磁频率为5、15和30 Hz时,在铝合金熔体中都发生了混沌对流,其最大Lyapunov指数都大于0,且其Kolmogorov熵随着电磁频率增大而迅速增加,说明其系统内混沌程度越大,信息损失量也越大。     

电磁搅拌法制备半固态浆料过程电磁场、流场和温度场的数值模拟

建立了铝合金半固态浆料电磁搅拌过程宏观传输物理量耦合的数学模型,采用有限元和有限差分相结合的方法实现电磁搅拌条件下电磁场、流场和温度场的耦合模拟分析,研究电磁搅拌工艺参数对流场和温度场的影响规律,并进行实验验证。结果表明:水平旋转的电磁力场在铝合金熔体内均匀分布,其方向与交变电磁场的旋转方向一致,大小则因集肤效应从边部到中心递减;熔体内速度场分布与电磁力相似,但随着搅拌时间的延长,熔体温度降低,速度不断降低;电磁搅拌条件下熔体凝固速度加快,熔体心部和边部的温度梯度变小;搅拌电流强度和频率对电磁场、速度场和温度场分布的影响非常明显。     

液态金属双频电磁约束成形过程研究

利用高频－超音频和双高频的电磁场实现了液态金属双频电磁约束成形的工艺过程,达到了固态试样无接触加热熔化、初步约束成形和复杂形状熔体无模壳电磁成形的目的。在双频电磁成形过程中发现,高频－超音频双频电磁成形控制不仅优于单频电磁成形,而且比双高频电磁成形控制容易,2种频率的电磁场不同加热熔化和电磁成形功能都能加以发挥,并可单独加以调节。在试验中利用高频－超音频双频电磁成形工艺过程成功儿得了扁椭圆截面和弯截面复杂形状的双频无模电磁成形样件。     

热镀锌低频电磁封流有限元数值模拟

采用三维有限元模拟低频交流电磁封流过程,得到了电磁封流参数对锌液所受电磁力的影响规律。结果表明,低频磁场下锌液内的漩涡状电流密度分布和三维磁场力使锌液悬浮;加载电流频率为40Hz时,对称布置的行波磁场封流效果最佳。     

电磁铸造电磁作用力的数学分析及试验研究

对电磁铸造圆形感应器产生的磁场在金属熔体内的电磁作用力进行了理论分析和实验研究。指出导体中电磁作用力仅存在于径向及轴向方向上。电磁作用力的大小不仅与磁感应强度有关，还与磁感应强度的分布梯度有关；电磁有旋力是由于磁场分布不均匀造成的，其旋度方向在柱坐标系的周向方向上。试验研究分析了感应器结构、电流等工艺参数对电磁场分布的影响。     

AZ61镁合金电磁搅拌的研究及力场分析

采用永磁体搅拌的方法制备了AZ61镁合金。对其组织和腐蚀性能进行了研究。以电磁场和磁流体动力学原理为基础，分析了旋转永磁体磁场内液态金属的受力。结果表明：液态金属在永磁体搅拌过程中，受到大小和方向周期变化的径向力和切向力；在这一效果（即电磁振荡）的作用下。凝固组织发生变化，进而影响到基体的腐蚀性能.     

调幅交变磁场下圆柱形金属液内电磁力分布

从Maxwell方程出发,推导并计算了连续交变磁场和调幅交变磁场作用下,圆柱形金属液中电磁力密度在半径方向上的分布及其随时间的变化情况.发现在连续及调幅磁场情况下,电磁力频率均以原输入电磁场频率的两倍变化,且在调幅磁场的线性上升段和下降段,电磁力幅值的变化近似为二次抛物线形,在调幅磁场的恒值段则与连续施加时一样.这为合理设计电磁连铸时的调幅磁场打下基础.     

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。     

基于板料电磁翻边的电磁力分布及成形质量影响

本文针对铝合金板料电磁翻边工艺过程,采用数值模拟方法,研究板料上的电磁力分布特性以及几何参数对电磁力分布的影响规律,并揭示电磁力分布对翻边件成形质量的影响。结果表明,铝合金板料电磁翻边中,预制孔的存在使板料上形成电磁力边缘积聚效应,板料预制孔径和成形线圈内径参数通过改变线圈投影面积比影响电磁力分布;随着线圈投影面积比的减小,电磁力边缘积聚效应更加显著,边缘电磁力密度增大;电磁力分布较均匀时,圆角区材料塑性流动更显著,成形件能获得更高的成形高度与更小的边缘减薄率,变形区厚度分布较均匀,成形质量更好。     

Electromagnetic nature of the movement of liquid metal in the weld pool

The electromagnetic nature of movement of liquid metal in a weld pool is discussed. When increasing the welding speed as a result of decreasing the induction of the magnetic field at the back of the arc and increasing the electromagnetic force directed forward and reducing the size of the active arc spot, the speed of movement of the liquid metal increases in welding in the direction from the current supply and rapidly in welding towards the current supply. This confirms the electromagnetic nature of formation of undercutting. A method is described for high-speed one-sided welding with a compound electrode in which the active spot of the arc becomes larger, the arc and liquid metal of the pool move forward, the electromagnetic forces directed downwards in the area of the side edges of the pool decrease, and the resultant welded joint is of high quality without undercutting, the reverse bead forms on a flux cushion and the impact toughness of welded joints increases.     

双频电磁约束成形的温度场研究

双频电磁约束成形是一种利用较高频率电磁场熔化金属和利用较低频率约束金属熔体成形，同时实现金属坯料无坩埚熔化和无型成形的先进加工技术。测试并分析了不锈钢(1Crl8Ni9Ti)双频电磁约束成形过程中的温度场及其影响因素。结果表明，成形线圈功率仅影响成形温度场大小而对温度场峰值位置无影响；加热线圈功率和成形样件抽拉速率同时影响成形温度场大小与峰值位置；稳定成形时成形样件抽拉速率的变化改变熔体的温度，而熔体高度在一定的范围内无明显变化，即稳定成形时熔体高度恒定。利用双频电磁约束成形技术制备了大宽厚比不锈钢样件，其宏观组织为定向组织。     

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．