下行波磁场在熔体净化中的模拟

刘武　宋虎　张林英　姚志勇

【摘 要】采用comsol与MATLAB软件模拟了0Hz～50Hz范围下行波磁场对圆柱型坩埚内金属熔体中的夹杂物运动迁移行为影响。结果表明，在下行波磁场作用下，熔体中夹杂物受到浮力与电磁作用力的耦合作用聚集在圆柱型坩埚上部并靠近磁场发生器处，具有明显的富集区域，下行波磁场对熔体中夹杂物具有净化作用。

【關键词】下行波磁场;熔体净化;夹杂物;计算模拟

中图分类号： TG243文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）36-0308-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.147

0 引言

夹杂物对金属材料的塑性、韧性以及材料的抗腐蚀性具有不良影响，夹杂物控制一直是金属冶炼中的控制重点[1]。电磁净化技术是一种新兴的熔体净化技术，无需接触熔体，不会造成二次污染，而且磁场发生设备较为简单，一直受到了冶金工作者关注。本文采用Comsol与MATLAB自编程序模拟了下行波磁场作用下，磁场频率与电流强度对熔体流场以及熔体中夹杂物迁移运动行为的影响，并对结果进行分析与讨论。

1 模拟方法

计算采用二维轴对称模型，在计算模型中采用时间平均电磁力。在柱坐标下，下行波磁场在Z方向对单位导电熔体时间平均力可以表示为[2]：

■z=-■B■■σωr■k（1）

式中：B0为熔体边缘磁感应强度幅值，r为坩埚半径，σ为金属液电导率，ω为磁场频率，k为行波波数。流动采用层流模型，熔体不可压缩，流动为稳定状态，速度场与时间无关。流场计算采用COMSOL Multiphysics 多物理场仿真软件，获得稳定流场数据后，将夹杂物颗粒视为球形，夹杂物在熔体中受流体粘滞力、电磁挤压力以及浮力的共同作用，采用拉格朗日模型，对随机分布于流场中的夹杂物进行跟踪，最后获得夹杂物分布情况。

2 模拟结果

2.1 下行波磁场参数对熔体流动的影响

图2 夹杂物下行波作用不同时间下的分布云图

图1分别为不同磁场强度与频率下行波作用下的流体速度分布云图。在下行波电磁力作用下，熔体在坩埚壁附近至上而下流动，靠近坩埚芯部，电磁力逐渐减弱，熔体至下而上流动，在熔体顶部与底部沿轴向流动，在熔体内部形成稳定环流，最大流速出现在熔体芯部区域。由图1可知随着磁场强度与频率增加，流速随之增加，但流速分布未发生改变。

2.2 不同磁场参数对夹杂物迁移效果影响

夹杂物为随机注入30000个尺寸正态分布于5～25μm的夹杂物，图2分别为熔体中夹杂物下行波作用不同时间下的分布云图，结果表明在下行波作用下，夹杂物颗粒在熔体中出现富集趋势，上行的熔体加速了夹杂物上浮，下行波磁场对熔体中夹杂物净化作用首先从熔体的芯部开始，在熔体芯部形成夹杂物颗粒分布较少区域，夹杂物主要集中分布于熔体上部以及坩埚壁上部，增加磁场强度与频率可以加快夹杂物上浮。

3 结论

模拟结果表明，在电磁力与浮力的共同作用下，磁场作用能有效加速中心区域的夹杂物上浮，尺寸较大夹杂物集中于铸锭帽口中心区域，尺寸较小的夹杂物分布于铸锭帽口边缘区域。

【参考文献】

[1]李杰华，郝启堂.铝合金熔体净化技术的现状及其发展趋势[J].中国铸造装备与技术，2005（6）：1.

[2]Volz M P， Mazuruk K. Lorentz body force induced by traveling magnetic fields[J].Magneto-hydrodynamics，2004，40（2）：117-127.