金属熔体中异相颗粒电磁控制的模拟研究

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金属熔体中的异相颗粒与金属材料的性能和质量直接相关。在冶炼过程中,金属熔体中的夹杂物颗粒不可能被全部去除,特别是小直径的异相颗粒很难被去除。根据弥散强化理论,金属熔体中均匀分布的、粒径合适的异相颗粒会对金属材料性能起到强化作用。因此如何控制金属熔体中的异相颗粒,使其在钢液中弥散均匀分布,是利用异相颗粒提高金属材料性能的关键。本文提出了利用电磁场控制金属熔体中异相颗粒运动和分布的方法。利用ANSYS和FLUENT软件解决了电磁搅拌作用下磁场和流场的耦合问题。采用区域单位面积颗粒数量分布方差的衡量方法,研究了不同磁场类型下的颗粒分布情况;研究了线圈电流强度、磁场频率、磁场作用时间、钢水静置时间等不同参数对颗粒分布的影响;研究了颗粒密度、颗粒直径、颗粒加入位置等参数对颗粒分布的影响。
  模拟研究表明:电磁搅拌能促进颗粒较为均匀地分散在钢液中,向下行波磁场更有利于颗粒的均匀分布。合适强度的电磁搅拌对颗粒的均匀分布具有积极作用,当电磁搅拌强度过大时,对钢液中颗粒的均匀弥散分布会产生负面影响。当线圈电流小于175A时,随着线圈内电流强度的增大,颗粒分布的均匀程度随之变好。电流强度超过175A时,颗粒分布的均匀程度又随之恶化。区域单位面积颗粒数量分布方差随着交变电流频率的增大而线性增大。颗粒分布的均匀程度随着磁场频率的增大而恶化。适当延长电磁搅拌时间,颗粒在钢液中分布的均匀程度逐渐变好,随后钢液中颗粒的分布状态将基本达到稳定状态。颗粒分布的均匀程度随着钢液静置时间的延长而变好。颗粒粒径小于1μm时,颗粒粒径的变化对于钢液中颗粒分布状态基本没有影响。当颗粒粒径大于1μm时,随着颗粒粒径的变大,颗粒分布的均匀程度急剧恶化,并且会在钢液中出现偏聚现象。颗粒密度对颗粒分布的影响较小。钢液处于向下行波磁场作用下时,坩埚入口处加入颗粒会使颗粒分布更加均匀。
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