- 相關(guān)推薦
熔鋁爐內(nèi)交變磁場對于電磁力場的數(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)，其主要特點是利用變頻器產(chǎn)生的低頻交流電流通過感應(yīng)器線圈產(chǎn)生一個行波磁場，此行波磁場作用于熔煉爐內(nèi)鋁熔體產(chǎn)生感應(yīng)電流，此感生電流又與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，使熔液按照磁場作用的規(guī)律運動，從而達到攪拌的目的[1]。
多年來，國內(nèi)外學(xué)者對不同形式電磁攪拌的電磁場和流場做了大量的研究。Fujisaki 等[2-4]以線性攪拌器為對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]對單側(cè)線性電磁攪拌作用下鋼液內(nèi)的電磁場分布和流場分布進行了數(shù)值模擬，分析了攪拌器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對鋼液流動狀況的影響。黃軍等[6]針對某廠110t 鋁熔爐的電磁攪拌器，通過建立模型，進行了磁場與流場的數(shù)值模擬。此項關(guān)于鋁熔爐電磁攪拌的數(shù)值模擬研究在國內(nèi)尚屬首次，具有積極意義，該文對電磁場的研究頗為簡略。
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)交變磁場與電磁力場的分布特征。
2 物理模型
為了得到準(zhǔn)確的計算結(jié)果，本文根據(jù)研究對象的爐體和電磁攪拌器的實際情況等比例建模。電磁攪拌器長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3.6m、寬1.8m、高0.9m，1-6 號線圈沿X 方向排列，相鄰兩線圈Y 方向?qū)ΨQ軸間距離為0.6m。
爐內(nèi)鋁熔體約40t，熔體區(qū)長7m、寬5.16m、高0.53m。X、Y 方向分別為鋁液長度、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，忽略鋁液流場對磁場的影響。
4 載荷及邊界
條件對于磁場分析，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。磁場的邊界條件處理為包圍電磁攪拌器周圍空氣的外表面節(jié)點的磁力線和外表面平行[3]。計算中鋁熔體、線圈以及空氣的相對磁導(dǎo)率都取為1.0。
5 計算結(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點為電磁攪拌器在鋁液底面投影中心，i點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 特征點磁感應(yīng)強度的變化規(guī)律
下面考察電磁攪拌器在鋁液底面投影中心j 點的合磁場隨時間的變化規(guī)律。由可知，j 點磁感應(yīng)強度是時間的正弦函數(shù)，磁場呈現(xiàn)周期性的變化，合磁場周期等于加載的低頻交流電流的周期一半，即為1.25 秒。j 點磁感強度最大值為445.0 Gauss，最小值為134.9 Gauss。
5.2 瞬態(tài)磁場分布規(guī)律
由可知，t1 時刻電磁攪拌器在鋁液底面投影中心j 點磁感強度達到最大值。 給出了t1 時刻鋁液層內(nèi)三個截面的瞬態(tài)磁場分布。
給出了鋁液底面的磁場分布，宏觀上磁場由左指向右，并且沿中心軸X 方向?qū)ΨQ，磁感強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分布，也可以看出磁場由左指向右側(cè)，沿X 方向中間磁感強度比兩端大，磁場沿Z 方向有變小趨勢，表明鋁液內(nèi)磁場在衰減。給出了鋁液中心縱向截面的磁場分布，磁場矢量由底面指向上表面。沿Y 方向兩端磁感強度較中間小，沿Z 方向磁感強度明顯衰減。鋁液內(nèi)磁感應(yīng)強度最大值出現(xiàn)在j 點（445.0Gauss），而最小值僅為2.1Gauss，其分布很不均勻。從水平面來看，t1 時刻磁場方向主要是由左指向右，磁場強度由邊緣往中心逐漸增大；從垂直截面看，磁場由鋁液底面指向上表面，遠離鋁液底面磁感強度有不同程度的衰減。
5.3 瞬態(tài)電磁力分布規(guī)律
電磁攪拌過程中，交變磁場在鋁液內(nèi)產(chǎn)生渦旋電流，此電流與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，推動鋁液朝一定方向運動，達到攪拌的目的。給出了t1 時刻鋁液內(nèi)部三個截面的瞬態(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，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 方向電磁力分量遠大于Y 方向分量，可見X、Z 方向電磁力在電磁攪拌過程中起主要作用。電磁力X 方向分量基本都為正值，是使鋁液朝某一方向運動的重要保證，而電磁力Z 方向分量促使鋁液上下層間流動。從水平面來看，電磁力主要由左指向右，鋁液中間區(qū)域電磁力比周圍大，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)果與實測
值的比較為了驗證仿真結(jié)果的可靠性，使用三維高斯計測試了電磁攪拌器工作時空爐狀態(tài)下爐內(nèi)20 點磁感應(yīng)強度。熔煉爐磁場系交變磁場，磁場呈周期性變化，以下測試數(shù)據(jù)均為磁感強度瞬態(tài)最大值。測點所在平面距鋁液底面約19cm，具體位置如所示。
可以看出，磁感強度測試值大的點，仿真值也大，磁感強度測試值小的點，仿真值也較小其變化趨勢表現(xiàn)出高度的一致性；各點仿真值均大于測試值，其原因主要是未考慮爐體及周圍金屬體對磁場的屏蔽作用及電磁攪拌器周圍的漏磁；在應(yīng)用于后續(xù)流場模擬時可以對其作適當(dāng)修正�？傮w來看，仿真值結(jié)果是合理的。
7 結(jié)論
通過對 50t 鋁熔煉爐內(nèi)電磁攪拌器周圍空間交變磁場的仿真計算，可以得到如下結(jié)論：
1 電磁攪拌器在其周圍空間產(chǎn)生周期性變化的交變磁場，合磁場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)看磁場由左指向右，磁場強度由邊緣往中心逐漸增大；從垂直截面看，磁場由鋁液底面指向上表面，遠離鋁液底面磁感強度有不同程度的衰減。
3 鋁液內(nèi)部X、Z 方向分量電磁力遠大于Y 方向分量，可見X、Z 方向電磁力在電磁攪拌過程中起主要作用。從水平面內(nèi)看電磁力由左指向右，鋁液中間區(qū)域電磁力比周圍大，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 磁場測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，適當(dāng)修正后可用于后續(xù)流場的模擬。
中國碩士論文網(wǎng)提供大量免費mba碩士論文，如有業(yè)務(wù)需求請咨詢網(wǎng)站客服人員！
參考文獻
[1] 趙和恩,趙敏杰.國產(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)對鋼液內(nèi)電磁場和流場分布的影響[J], 鋼鐵研究學(xué)報, 2002, 14(4):10-15
[6] 黃軍, 王寶峰, 趙莉萍等. 鋁熔爐電磁攪拌磁場與流場的數(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)交變磁場對于電磁力場的數(shù)值模擬研究】相關(guān)文章：
用PC測量交變磁場05-11
對于體育鍛煉態(tài)度、參與度與體育價值觀的相關(guān)研究05-28
交-交變頻技術(shù)實現(xiàn)感應(yīng)電機的重載起動05-28
原子吸收光譜法測定鋁04-13
電磁波及其經(jīng)濟價值分析12-30
交強險的經(jīng)濟學(xué)分析06-08