熔鋁爐內(nèi)交變磁場(chǎng)對(duì)于電磁力場(chǎng)的數(shù)值模擬研究

　　1 引言
　　
　　電磁攪拌是鋁液熔鑄工藝中所采用的新技術(shù)，其主要特點(diǎn)是利用變頻器產(chǎn)生的低頻交流電流通過(guò)感應(yīng)器線圈產(chǎn)生一個(gè)行波磁場(chǎng)，此行波磁場(chǎng)作用于熔煉爐內(nèi)鋁熔體產(chǎn)生感應(yīng)電流，此感生電流又與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，使熔液按照磁場(chǎng)作用的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到攪拌的目的[1]。
　　多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同形式電磁攪拌的電磁場(chǎng)和流場(chǎng)做了大量的研究。Fujisaki 等[2-4]以線性攪拌器為對(duì)象利用有限元方法分析了結(jié)晶器內(nèi)電磁攪拌的基本電磁特性。張宏麗等[5]對(duì)單側(cè)線性電磁攪拌作用下鋼液內(nèi)的電磁場(chǎng)分布和流場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了攪拌器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鋼液流動(dòng)狀況的影響。黃軍等[6]針對(duì)某廠110t 鋁熔爐的電磁攪拌器，通過(guò)建立模型，進(jìn)行了磁場(chǎng)與流場(chǎng)的數(shù)值模擬。此項(xiàng)關(guān)于鋁熔爐電磁攪拌的數(shù)值模擬研究在國(guó)內(nèi)尚屬首次，具有積極意義，該文對(duì)電磁場(chǎng)的研究頗為簡(jiǎn)略。
　　為了深入了解電磁攪拌器的工作效果，本文采用ANSYS 有限元分析軟件，對(duì)某廠50t熔煉爐與電磁攪拌器等比例建立三維模型，在線圈中加載三相交流電流密度，研究鋁液內(nèi)交變磁場(chǎng)與電磁力場(chǎng)的分布特征。
　　
　　2 物理模型
　　
　　為了得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，本文根據(jù)研究對(duì)象的爐體和電磁攪拌器的實(shí)際情況等比例建模。電磁攪拌器長(zhǎng)3.6m、寬1.8m、高0.9m，電磁攪拌器頂面與熔體底面距離為0.6m。為攪拌器結(jié)構(gòu)模型，電磁攪拌器長(zhǎng)3.6m、寬1.8m、高0.9m，1-6 號(hào)線圈沿X 方向排列，相鄰兩線圈Y 方向?qū)ΨQ(chēng)軸間距離為0.6m。
　　爐內(nèi)鋁熔體約40t，熔體區(qū)長(zhǎng)7m、寬5.16m、高0.53m。X、Y 方向分別為鋁液長(zhǎng)度、寬度方向，鋁液底面平行于XOY 面，距離電磁攪拌器上表面0.6m；Z 方向分別為鋁液方向。
　　
　　3 數(shù)學(xué)模型
　　
　　3.1 基本假設(shè)為了分析方便，作如下假定：
　　1)鋁液是不可壓縮的導(dǎo)電流體，鋁液的密度、電導(dǎo)率等物性參數(shù)為標(biāo)量常數(shù)；
　　2)鋁液磁導(dǎo)率取真空磁導(dǎo)率；
　　3)鋁液流速很小，忽略鋁液流場(chǎng)對(duì)磁場(chǎng)的影響。
　　
　　4 載荷及邊界
　　
　　條件對(duì)于磁場(chǎng)分析，在線圈中加載三相交流電電流密度，三相的相位差為120°。在基準(zhǔn)工況下，線圈中交流電流密度的幅值3.65×106A / m2、電流頻率0.4Hz，周期為2.5s。磁場(chǎng)的邊界條件處理為包圍電磁攪拌器周?chē)�空氣的外表面�?jié)點(diǎn)的磁力線和外表面平行[3]。計(jì)算中鋁熔體、線圈以及空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率都取為1.0。
　　
　　5 計(jì)算結(jié)果及分析
　　
　　給出了鋁液模型及座標(biāo)示意圖。a-b-e-g 面為鋁液上表面，c-d-h-f 面為鋁液底面，k-l-m-n 面電磁攪拌器在鋁液底面的投影面，其中j點(diǎn)為電磁攪拌器在鋁液底面投影中心，i點(diǎn)為電磁攪拌器在鋁液上表面投影中心。a-b-c-d 面與e-f-g-h 面分別為鋁液剖面。
　　
　　5.1 特征點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化規(guī)律
　　下面考察電磁攪拌器在鋁液底面投影中心j 點(diǎn)的合磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律。由可知，j 點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度是時(shí)間的正弦函數(shù)，磁場(chǎng)呈現(xiàn)周期性的變化，合磁場(chǎng)周期等于加載的低頻交流電流的周期一半，即為1.25 秒。j 點(diǎn)磁感強(qiáng)度最大值為445.0 Gauss，最小值為134.9 Gauss。
　　
　　5.2 瞬態(tài)磁場(chǎng)分布規(guī)律
　　由可知，t1 時(shí)刻電磁攪拌器在鋁液底面投影中心j 點(diǎn)磁感強(qiáng)度達(dá)到最大值。 給出了t1 時(shí)刻鋁液層內(nèi)三個(gè)截面的瞬態(tài)磁場(chǎng)分布。
　　給出了鋁液底面的磁場(chǎng)分布，宏觀上磁場(chǎng)由左指向右，并且沿中心軸X 方向?qū)ΨQ(chēng)，磁感強(qiáng)度由邊緣向中部逐漸增大。給出了鋁液中心橫向截面的磁場(chǎng)分布，也可以看出磁場(chǎng)由左指向右側(cè)，沿X 方向中間磁感強(qiáng)度比兩端大，磁場(chǎng)沿Z 方向有變小趨勢(shì)，表明鋁液內(nèi)磁場(chǎng)在衰減。給出了鋁液中心縱向截面的磁場(chǎng)分布，磁場(chǎng)矢量由底面指向上表面。沿Y 方向兩端磁感強(qiáng)度較中間小，沿Z 方向磁感強(qiáng)度明顯衰減。鋁液內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在j 點(diǎn)（445.0Gauss），而最小值僅為2.1Gauss，其分布很不均勻。從水平面來(lái)看，t1 時(shí)刻磁場(chǎng)方向主要是由左指向右，磁場(chǎng)強(qiáng)度由邊緣往中心逐漸增大；從垂直截面看，磁場(chǎng)由鋁液底面指向上表面，遠(yuǎn)離鋁液底面磁感強(qiáng)度有不同程度的衰減。
　　
　　5.3 瞬態(tài)電磁力分布規(guī)律　　
　　電磁攪拌過(guò)程中，交變磁場(chǎng)在鋁液內(nèi)產(chǎn)生渦旋電流，此電流與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，推動(dòng)鋁液朝一定方向運(yùn)動(dòng)，達(dá)到攪拌的目的。給出了t1 時(shí)刻鋁液內(nèi)部三個(gè)截面的瞬態(tài)體積電磁力分布。
　　給出了鋁液底面的電磁力分布，宏觀上電磁力由左指向右，并且沿中心軸X方向?qū)ΨQ(chēng)，電磁力由邊緣向中部逐漸增大。X 方向體積電磁力最大值為1356.8N/m3，最小值為-1.5N/m3；Y 方向體積電磁力最大值為184.1N/m3，最小值為-230.2N/m3。給出了鋁液中心橫向截面的電磁力分布，可看出電磁力矢量由左指向右，沿X 方向中間電磁力比兩端大，沿Z 方向減小，表明電磁力隨鋁液高度增加而衰減。X 方向電磁力最大值為2308.2N/m3，最小值為-26.3N/m3；Z 方向電磁力最大值為2610.9N/m3，最小值為-721.9N/m3。
　　給出了鋁液中心縱向截面的電磁力分布，電磁力矢量由底面指向上表面。沿Y方向兩端電磁力較中間小，沿Z 方向電磁力有衰減。Y 方向電磁力最大值為311.8N/m3，最小值為-321.1N/m3；Z 方向電磁力最大值為2192.6N/m3，最小值為-61.5N/m3。
　　綜上所述，鋁液內(nèi)部X、Z 方向電磁力分量遠(yuǎn)大于Y 方向分量，可見(jiàn)X、Z 方向電磁力在電磁攪拌過(guò)程中起主要作用。電磁力X 方向分量基本都為正值，是使鋁液朝某一方向運(yùn)動(dòng)的重要保證，而電磁力Z 方向分量促使鋁液上下層間流動(dòng)。從水平面來(lái)看，電磁力主要由左指向右，鋁液中間區(qū)域電磁力比周?chē)�大，中間區(qū)域是電磁攪拌的核心區(qū)域；從垂直截面看，電磁力由鋁液底面指向上表面，沿鋁液高度方向電磁力出現(xiàn)衰減。
　　
　　6 仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)
　　
　　值的比較為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性，使用三維高斯計(jì)測(cè)試了電磁攪拌器工作時(shí)空爐狀態(tài)下?tīng)t內(nèi)20 點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度。熔煉爐磁場(chǎng)系交變磁場(chǎng)，磁場(chǎng)呈周期性變化，以下測(cè)試數(shù)據(jù)均為磁感強(qiáng)度瞬態(tài)最大值。測(cè)點(diǎn)所在平面距鋁液底面約19cm，具體位置如所示。
　　可以看出，磁感強(qiáng)度測(cè)試值大的點(diǎn)，仿真值也大，磁感強(qiáng)度測(cè)試值小的點(diǎn)，仿真值也較小其變化趨勢(shì)表現(xiàn)出高度的一致性；各點(diǎn)仿真值均大于測(cè)試值，其原因主要是未考慮爐體及周?chē)�金屬體對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽作用及電磁攪拌器周?chē)�的漏磁；在�?yīng)用于后續(xù)流場(chǎng)模擬時(shí)可以對(duì)其作適當(dāng)修正�？傮w來(lái)看，仿真值結(jié)果是合理的。
　　
　　7 結(jié)論
　　
　　通過(guò)對(duì) 50t 鋁熔煉爐內(nèi)電磁攪拌器周?chē)�空間交變磁場(chǎng)的仿真計(jì)算，可以得到如下結(jié)論：
　　1 電磁攪拌器在其周?chē)�空間產(chǎn)生周期性變化的交變磁場(chǎng)，合磁場(chǎng)大小變化周期等于加載的低頻交流電周期一半，即1.25s。
　　2 從水平面內(nèi)看磁場(chǎng)由左指向右，磁場(chǎng)強(qiáng)度由邊緣往中心逐漸增大；從垂直截面看，磁場(chǎng)由鋁液底面指向上表面，遠(yuǎn)離鋁液底面磁感強(qiáng)度有不同程度的衰減。
　　3 鋁液內(nèi)部X、Z 方向分量電磁力遠(yuǎn)大于Y 方向分量，可見(jiàn)X、Z 方向電磁力在電磁攪拌過(guò)程中起主要作用。從水平面內(nèi)看電磁力由左指向右，鋁液中間區(qū)域電磁力比周?chē)�大，中間區(qū)域是電磁攪拌的核心區(qū)域；從垂直截面看，電磁力由鋁液底面指向上表面，沿鋁液高度方向電磁力出現(xiàn)衰減。
　　4 磁場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，適當(dāng)修正后可用于后續(xù)流場(chǎng)的模擬。

中國(guó)碩士論文網(wǎng)提供大量免費(fèi)mba碩士論文，如有業(yè)務(wù)需求請(qǐng)咨詢(xún)網(wǎng)站客服人員！
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　[1] 趙和恩,趙敏杰.國(guó)產(chǎn)60t 鋁熔爐感應(yīng)式電磁攪拌器的應(yīng)用[J].輕金屬.2006 (7):37-41
　　[2] Fujisaki K, Ueyama T, Ohki T et al. IEEE Trans Magn[J], 1998, 34: 2120
　　[3] Fujisaki K, Sathon S, Yamada T. IEEE Trans Magn[J], 2000, 36: 1300
　　[4] Fujisaki K. IEEE Trans Ind Appl[J], 2003, 39: 3541
　　[5]張宏麗, 王恩剛等. 攪拌器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鋼液內(nèi)電磁場(chǎng)和流場(chǎng)分布的影響[J], 鋼鐵研究學(xué)報(bào), 2002, 14(4):10-15
　　[6] 黃軍, 王寶峰, 趙莉萍等. 鋁熔爐電磁攪拌磁場(chǎng)與流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J]. 特種鑄造及有色合金.2012,28(2):119-121
　　[7] 韓至成.電磁冶金學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社.2001.

【熔鋁爐內(nèi)交變磁場(chǎng)對(duì)于電磁力場(chǎng)的數(shù)值模擬研究】相關(guān)文章：

齒輪曲面激光熔覆應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬03-02

電磁爐主諧振電路研究與功率控制03-18

選區(qū)激光燒結(jié)瞬態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬與測(cè)試方法研究03-07

甲板上浪和沖擊載荷的數(shù)值模擬03-07

對(duì)于貿(mào)易開(kāi)放發(fā)展影響研究03-21

車(chē)輛電磁制動(dòng)系統(tǒng)研究03-07

彈箭氣動(dòng)熱數(shù)值分析中變物性的應(yīng)用03-07

對(duì)于職業(yè)決策困難結(jié)構(gòu)的研究綜述03-20

對(duì)于公共管理案例研究論文11-30