脉冲磁场下电磁力特性研究:理论分析

利用数学解析方法对脉冲磁场细晶技术的电磁力特性进行了理论分析.分析结果显示,单个放电周期内,随着时间变化,熔体内部脉冲电磁力方向发生瞬时改变;在某个时间段范围内,熔体内部与外部存在电磁力方向不一致的现象,而且单个周期内电磁力存在衰减特性.以上这些特性,是造成脉冲磁场致熔体振荡的主要原因.另外,对于本研究采用的工频脉冲磁...     

脉冲电磁场在金属熔体中的电磁效应及其应用

人类社会的发展对金属材料的质量提出了更高的要求,洁净化和均质化成为金属制品质量的共同追求目标.物理科学与技术的发展为材料制备技术的进步提供了新的机遇.脉冲电流和脉冲磁场由于瞬时能量高且线路负荷小,近年来在金属制备中的应用受到普遍关注.首先介绍了脉冲电流和脉冲磁场在金属熔体中的电磁效应,然后重点介绍了电流、磁场、电磁力在金属熔体中的分布以及脉冲电磁场对熔体流动的影响,最后简要介绍了脉冲电磁场在金属洁净化和细晶化方面的研究与工业应用.     

基于小润湿角下脉冲磁场的凝固形核模型

基于Ma形核模型,理论分析了异质形核基底小润湿角下脉冲磁场金属凝固的异质形核过程,建立了凝固形核模型.考察脉冲磁场磁感应强度对金属凝固临界形核半径及临界形核过冷度的影响.结果表明:该模型中体系Gibbs自由能与异质形核基底形状系数无关.在低过冷度金属凝固条件下,当脉冲磁场磁压力功与金属熔体固液自由能差在同一数量级时,脉冲磁场可有效减小凝固形核的临界半径;在大过冷度(大于20℃)金属凝固条件下,脉冲磁场对金属凝固临界形核半径的影响可忽略.金属凝固异质形核基底粒径较大时,临界形核过冷度随脉冲磁场磁感应强度增大而有效减小.     

高频磁场下熔体夹杂迁移行为的研究

本文研究了高频磁场中熔体夹杂的迁移行为,利用感应线圈产生的高频磁场,选取Al-2%Fe、Al-5%Fe合金中的产生的富铁相作为研究对象。颗粒与熔体之间的导电率存在很大的差异,当外加磁场时,产生的电磁力作用于熔体,固相颗粒将向分离器外壁面迁移而除去。通过加入变质剂Mn元素研究其对富铁相形貌的影响,研究表明:在Mn/Fe的摩尔比为1.4～1.5时,针状的富铁相变成了块状或汉字状,减小富铁相再熔体中迁移受到的阻力,使之更利于在熔体中迁移,并进一步探讨了电磁分离过程中各工艺参数对夹杂颗粒迁移行为和实际分离效率的影响。     

电磁力驱动载流金属熔体内速度的差分计算

针对电磁场对熔融流体的作用特性,采用差分方法和人工可压缩法,研究了电磁场对熔融流体速度的控制作用.结果表明:得到了一个控制液流流动的最佳时间段.在此时间段内载流熔液受交流磁场作用时熔体有很好的稳定状态,抑制液流流动的效果最佳,而加稳恒磁场和无磁场作用则无此特性.另外,电磁场可以很好地控制熔融流体的流动性,可以对载流熔体流动起促进或抑制作用,选择的金属物理属性、电磁参数、时间历程等因素都会对熔体的流动速度产生影响.该成果可用在电磁冶金工业中施加电磁场以控制金属熔体流速的目的,具有一定的指导意义和参考价值.     

微型电磁驱动膜片泵理论分析与实验

研究一种新颖的电磁力驱动的膜片泵,它由驱动线圈、嵌有小永磁体的PDMS膜片及阀体构成,具有体积小,制作简单,控制精度高的特点.永磁体在通电线圈产生的磁场中受到电磁力作用,驱动膜片运动,使膜腔产生体积变化引起液体单向流动.重点分析了磁场大小、泵的电磁力大小及在该电磁力作用下膜片的变形量,通过Matlab仿真,分析了电流输入与膜片变形的关系.对电流大小与液体流量、脉冲频率与液体流速进行了实验测试.实验结果显示该泵可在2.5 Hz时实现最小泵送量为2.75 μL/min.     

旋转磁场用于原铝净化的研究

根据电磁流体力学的基本理论,研究了在旋转磁场作用下原铝熔体的净化过程·分析了体系的电磁力和重力的影响因素,研究了铝熔体中杂质铁和硅的物理性能·分析表明,原铝中杂质铁以Al3Fe的形式存在,而杂质硅以单质形式存在·在分析了重力、电磁力和离心力的综合作用后,利用电磁力与偏析的共同作用实现了原铝中杂质铁和硅的分离·考查了主要影响因素,即磁场强度、凝固时间、气隙大小和坩埚位置等·研究结果表明,旋转磁场作用下的原铝熔体偏析净化的方法综合了电磁力、重力和偏析的共同作用,它可以使原铝中Fe和Si的质量分数由016%降至005%·     

电磁场对铸铁石墨生长的影响

设计了交替换向的行波磁场,研究在铸铁凝固过程中,施加换向行波电磁场产生的脉冲作用对铸铁石墨生长及其凝固组织的影响·结果表明:在脉冲电磁场的作用下,灰铸铁凝固组织中奥氏体枝晶数量明显减少,石墨粗化;球化处理后,凝固组织中球状石墨数量减少,蠕虫状石墨增多,蠕化率显著提高,为稳定蠕墨铸铁的蠕化率提出一个新途径·讨论了电磁场对石墨生长影响的机理,认为脉冲磁场的电磁搅拌作用和感生电流的热效应破坏了石墨核心周围奥氏体壳的稳定性,促进石墨的分枝生长,形成蠕虫状石墨·只有在残留镁量和残留稀土量足够或残留量较高时,脉冲磁场的干扰能够稳定蠕化率;蠕化剂加入量不足时,磁场干扰只能促进形成片状石墨,不能形成蠕虫状石墨...     

低压脉冲磁场在材料凝固组织中的研究新进展

介绍了低压脉冲磁场对纯金属、低熔点合金和复合材料等凝固组织影响的最新研究进展。并分析了低压脉冲磁场在材料凝固组织的颗粒细化机理以及对非晶态合金的晶化机理。低压脉冲磁场在纯金属、铜合金等材料凝固组织晶粒细化取得了一些显著效果,但低压脉冲磁场对材料凝固的研究还存在初始阶段,还需要在脉冲磁场参数与晶粒细化效果及影响机制、焦耳热导致枝晶尖端温度升高和脉冲磁场对二次相析出的影响等方面还需要进一步的研究。     

PMO作用下连铸二冷区电磁场-流场-温度场的数值模拟

建立了在圆坯二冷区脉冲磁致振荡条件下电磁场-流场-温度场耦合数学模型.利用ANSYS有限元软件,研究了在脉冲磁致振荡凝固细晶(pulse magneto oscillation,PMO)作用下铸坯内部磁感应强度、电磁力以及焦耳热的分布,并且通过耦合电磁力与焦耳热得到了相应流场及温度场的变化规律.研究表明,当铸坯中施加脉冲磁致振荡作用时在电磁力的驱动下,铸坯内部靠近线圈位置将形成上下2个回流区,这种形式的流动能够降低铸坯的中心温度,使得铸坯内部的温度场分布更均匀,有助于晶粒细化.     

喷流式感应体熔沟内金属熔体流动数值仿真

基于电磁流体力学和电磁感应现象,对喷流式感应体熔沟内金属熔体的电磁场和流场进行数值模拟,并进行试验验证.结果表明,在熔沟旋转磁场作用下,金属熔体存在沿熔沟轴线的流动及熔沟进出口处二次环流;金属熔体表面磁感应强度与电流频率成反比,与输入电压成正比;金属熔体所受到电磁力最大值与磁感应强度的平方成正比,与频率成反比;金属熔体沿熔沟轴线流动的平均流速与磁感应强度成正比,与金属熔体密度平方根成反比.     

电磁分离技术制备过共晶Al-Si合金自生功能梯度材料

由于初生相与熔体的导电性差异，在通电熔体及外磁场作用下，初生相颗粒在熔体内受到某一方向的合力，从而在熔体中做有规律的运动．因此，适当地控制铸件凝固过程及初生相颗粒的移动速度，使初生相颗粒在铸件中呈现有规律分布，可以获得自生功能梯度材料．对初生相颗粒在熔体内受力及运动情况的分析结果表明：颗粒的大小、形状及浓度对颗粒的运动状态及速度都有很大的影响．用电磁分离技术成功制备了过共晶A1-25Si功能梯度材料试样，从试样一端到另一端初生Si颗粒的含量、尺寸和形状均呈现梯度的变化．     

镁锭坯金属内套结晶器电磁铸造工艺数值模拟

针对传统低频电磁铸造工艺中,镁合金熔体与保温帽的高反应性,严重影响了生产效率与产品质量的问题,通过数值模拟方法研究了采用全金属内套结晶器时电磁场参数对电磁场分布及其对镁合金熔体作用效果的影响.结果表明:电磁频率同时影响洛伦兹力大小与方向,低频电磁作用深、焦耳热小、熔体受约束作用弱、对流作用强、液穴浅;高位线圈有利于提高电磁作用深度,但也加强了熔体表面的外推速度与强度;高电阻率内套具有较小的焦耳热.     

直流电弧炉内熔体中电流分布及其自身搅拌力

应用数值方法对直流电弧炉条件下的 Maxwell 方程进行了解析,结果表明,熔体中的电流密度、电磁场强度和电磁力的分布是非常不均匀的,电弧附近的钢水中的电流密度较其它区域高出 1～2 个数量级,电磁力较其它区域高出 2～3 个数量级,该区域的电磁力对熔体搅拌起着决定性的作用,预测了钢水的流形。     

熔融织构高温超导球的磁悬浮滞回性质

研究了悬浮于永磁圈之上的熔融织构（MTG）高温超导球所受到的悬浮力的列态和动态性质,通过实验,检查了悬浮力滞回性的物理本质,揭示了高温超导磁悬浮体系动力学滞回与电磁带回的等价性。     

低频电磁铸造过程中温度场的形成机理

通过理论解析研究了电磁场引起铸造过程中温度场改变的原因,并通过在铸造过程中连续测温的方法进行了实验验证.结果表明,低频电磁铸造对温度场产生影响的主要原因是低频电磁场引起熔体强制对流.强制对流对熔体产生强烈的搅拌作用,促进了熔体内部的热交换,加强了熔体与结晶器壁(石墨环)以及熔体和固液界面的传热,使熔体温度场非常均匀,接近于同一温度.研究还发现,低频电磁铸造过程对浇注温度不敏感,改变浇注温度,结晶器内熔体温度变化不大.     

电磁离心耐热管坯的实验研究

研究了电磁离心复合力场作用下获得的1Cr25Ni20Si2耐热管坯的凝固组织与力学性能·实验结果表明,在离心铸造过程中施加合适强度的稳恒磁场,1Cr25Ni20Si2耐热管坯的凝固组织得到明显改善,结果其冲击韧性和延伸率也相应地提高·但当磁感应强度B>0 04T后,再进一步加大磁感应强度,1Cr25Ni20Si2耐热管坯的力学性能又出现下降的趋势·通过分析得出,稳恒磁场与旋转熔体相互作用,产生电磁搅拌是耐热管凝固组织和力学性能改善的根本原因·     

翼型绕流不同频率展向振荡电磁力减阻控制实验研究

研究结果表明展向振荡电磁力可控制湍流边界层,电磁力的振荡频率对湍流的控制效果有影响,但并未讨论电磁力振荡频率对控制效果的影响机理。实验研究了不同频率展向振荡电磁力控制翼型绕流的减阻效果及其影响机理。实验在转动的水槽中进行,在翼型的背风面包覆展向振荡电磁力激活板,并将其浸入水槽中,利用应变传感器测量翼型的阻力,基于意法半导体公司生产的微处理器开发电磁力控制器,用于控制电磁力的方向和振荡频率。研究结果表明展向振荡电磁力对翼型绕流具有减阻效果,对比分析了不同频率的展向振荡电磁力的减阻效果,发现电磁力的振荡频率为20 Hz时减阻效果较优,减阻效率可达到18%;展向振荡电磁力可减小翼型阻力的振动幅值,具有减震功能;当电磁力的振动频率与阻力曲线内小波动频率相近时,电磁力的减阻减震的效果最佳。