电磁搅拌作用下铝熔炼炉内多物理场耦合分析及工艺参数优化

论文摘要

电磁搅拌技术是铝合金熔炼工艺中所采用的一项先进技术,其特点是在熔炼炉生产中利用电磁搅拌器所产生的交变磁场对铝液进行无接触搅拌,使熔体内温度与成分趋于均匀,从而达到提高产品质量、节省能耗的目的。系统地研究电磁搅拌过程中的铝液内物理场的分布规律,有助于全面了解搅拌效果,并对生产工艺参数进行优化,因而具有较强的应用价值。本文以企业委托课题“生产铝合金扁锭用50t铝熔炼炉仿真与优化研究”为依托,针对50t铝熔炼炉以及炉底电磁搅拌器,采用ANSYS软件建立三维有限元模型,依照电磁场理论、流动传热理论以及顺序耦合方法,对铝液内的磁场、流场以及温度场进行了数值模拟并优化了工艺参数。研究结果表明：电磁搅拌器在周围空间产生交变磁场,其变化周期等于加载的交流电流周期。该磁场为行波磁场,基准工况下以1.44m／s的速度沿炉膛长轴方向向进铝面匀速移动；电磁力场也呈现相似规律,其移动速度为前者的两倍；在水平面内,磁感应强度与电磁力均由左指向右,由边缘向中部逐渐增大,电磁力合力指向进铝面且偏向出铝面；在垂直截面内,磁感应强度与电磁力皆由铝液底面指向上表面,沿炉膛高度方向衰减,且电磁力衰减速度更快,其沿炉膛高度方向穿透深度约为0.4m；铝液底层的电磁搅拌器垂直投影区,磁感应强度与电磁力均较大,为搅拌作用的核心区域。电磁搅拌器工作50秒后,整个熔体的流动趋向稳定,中心区域的流体受到指向进铝面且偏向出铝面的电磁力,在出铝面靠近燃烧器侧与炉门面靠近进铝面附近形成两个逆时针的漩涡,这与现场观测结果相吻合；搅拌一分钟后,铝液中最大流速为0.470m／s,炉内大部分区域铝液流速在0.1～0.3m／s之间,靠近燃烧器侧的出铝面和炉门面附近区域流速较大,漩涡中心以及进铝面附近流动很弱；此时,熔体区温度分布趋于均匀,温差由搅拌开始时的56.8K缩小为7.0K,电磁搅拌作用十分明显。合理的电流频率和电流强度有利于强化电磁搅拌效果并使搅拌器高效工作。对于装料50t的铝熔炼炉,优化研究结果表明：选择频率范围为1.2-1.8Hz,电流强度在700-750A之间是合适的；在实际生产中,应先调整搅拌器电流频率,再考虑改变电流强度；为了提高工作效率,可以适当缩短搅拌时间和适当增加装料量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 电磁搅拌技术介绍
• 1.2.1 熔炼炉工艺概况
• 1.2.2 电磁搅拌原理
• 1.2.3 电磁搅拌器的分类
• 1.2.4 电磁搅拌的优点
• 1.3 工程背景
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 文献综述
• 2.1 国内外电磁搅拌技术的发展历史与趋势
• 2.1.1 国外电磁搅拌技术的发展与应用历史
• 2.1.2 国内电磁搅拌技术的发展与应用历史
• 2.1.3 电磁搅拌技术的发展趋势
• 2.2 国内外电磁搅拌过程数值模拟研究进展
• 2.2.1 国外研究进展
• 2.2.2 国内研究进展
• 2.3 电磁搅拌数值计算方法概述
• 2.3.1 磁场计算方法
• 2.3.2 流动传热计算方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 电磁搅拌过程数值计算模型
• 3.1 电磁场基本理论
• 3.1.1 麦克斯韦方程组
• 3.1.2 一般形式的电磁场微分方程
• 3.1.3 电磁场中常见边界条件
• 3.2 流动传热的基本理论
• 3.2.1 流动传热基本方程
• 3.2.2 湍流模型
• 3.2.3 流动传热边界条件
• 3.3 电磁搅拌过程的计算模型
• 3.3.1 电磁搅拌过程的无量纲参数分析
• 3.3.2 电磁搅拌过程基本控制方程
• 3.4 电磁搅拌过程耦合计算方法
• 3.4.1 ANSYS中磁场与流体动力学分析模块
• 3.4.2 ANSYS中耦合场分析方案
• 3.5 本章小结
• 第四章 电磁搅拌过程多场耦合仿真及结果分析
• 4.1 电磁搅拌多场耦合仿真计算方法
• 4.1.1 物理模型及网格划分
• 4.1.2 边界条件与初始条件
• 4.2 磁场计算结果及分析
• 4.2.1 特征点磁场计算结果
• 4.2.2 瞬态磁场分布规律
• 4.2.3 瞬态电磁力分布规律
• 4.2.4 铝液底面磁场动态变化特征
• 4.2.5 铝液底面电磁力动态变化特征
• 4.2.6 铝液内部磁感应强度与电磁力幅值分布
• 4.2.7 磁感应强度仿真结果与实测数据的比较
• 4.3 电磁搅拌流动与传热的仿真结果
• 4.3.1 电磁搅拌流场计算结果
• 4.3.2 电磁搅拌温度场计算结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 不同工艺参数对电磁搅拌效果的影响
• 5.1 搅拌器电流频率对铝液内磁场、流场与温度场的影响
• 5.2 搅拌器电流强度对铝液内磁场、流场与温度场的影响
• 5.3 铝液高度对铝液内磁场、流场与温度场的影响
• 5.4 综合分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结
• 6.1 主要研究内容与结论
• 6.2 本文的主要创新点
• 6.3 进一步工作的建议
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目
• 致谢