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东北大学硕士学位论文摘要 电渣重熔过程中电磁搅拌的磁场与电磁力计算 摘要 采用带有外加电磁搅拌的电渣重熔生产工艺制各颗粒增强钢基复合材料是一 种非常独特新颖的方法。经实验在该工艺中电磁搅拌对产品的性能质量有较大影 响，但该搅拌技术的作用机理却不太明确。因此本文以某铸造公司采用电渣重熔 工艺生产颗粒增强钢基复合材料轧辊的项目为背景，对带有外加磁场电磁搅拌的 电渣重熔体系进行了系统的研究。 本文建立了包括电渣重熔电流自感磁场和外加搅拌线圈产生磁场的模型，并 使用大型通用有限元软件a n s y s9 0 作为工具，对给定模型下电渣重熔体系电磁搅 拌的磁场和电磁力作了模拟和计算。分别计算了重熔电流自身磁场、外加搅拌线 圈磁场以及夕b ；o n 搅拌线圈对重熔体系的影响。 计算了电渣重熔体系重熔电流所产生的磁场强度和分布规律以及对渣池的作 用力。在给定的重熔条件下，在整个渣池内，磁感应强度的值约在6 1 8 x l o 4 t 到 1 2 6 3 5 x 1 0 - 2 t 的范围内。在金属熔池和铸锭区域内，磁感应强度的值约在 4 ，3 8 x 1 0 4 t 到1 0 3 4 8 x 1 0 。2 t 的范围内。重熔电流自感产生的电磁力的轴向分力对 渣池有搅拌作用。平均电磁力为4 1 2 1 6 5 n m 3 。 汁算了不同频率和电流强度下结晶器外加搅拌线圈所产生的磁场以及自感电 磁力。结果表明4 0 0 a ，2 0 h z 条件下磁感应强度和穿透深度结合得比较好。 耦合计算了外加搅拌线圈所产生的磁场与重熔电流感应产生的力。这个力将 驱动渣池和金属熔液旋转，从而抵消杂散磁场所产生的不规则搅拌所造成的不利 影响，起到有益的搅拌作用。 关键词电渣重熔电磁搅拌数值计算 i 工 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t c a l c u l a t i o n so fm a g n e t i cf i e l d sa n de l e c t r o m a g n e t i cf o r c ef o r e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gi ne l e c t r o s l a gr e m e l t i n gp r o c e s s a b s t r a c t i t sap a r t i c u l a rw a yt op r o d u c ep a r t i c u l a t er e i n f o r c e dm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ( p r m m c s ) b yt h et e c h n i c so fe l e c t r o s l a gr e m e l t i n g ( e s r ) t h ee l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g ( e m s ) h a sg r e a te f f e c t so nt h eq u a l i t ya n dc a p a b i l i t yo fp r o d u c t i o na c c o r d i n g t o e x p e r i m e n t s ，b u tn o tc l e a rf o rr e a s o n sy e t t h ee s rs y s t e mw h i c hu s e se m s t e c h n o l o g y w i t he x t e r n a le l e c t r o m a g n e t i cf i e l d si ss t u d i e di n t h i sp a p e ra tt h e b a c k g r o u n do ft h ep r o j e c to fp r o d u c i n gp r m m c sr o l l e rw i t he r si n ac a s t i n g c o m p a n y i nt h i sp a p e r ，am o d e li sc r e a t e dw h i c hi n c l u d em a g n e t i cf i e l d sr e d u c e db y r e m e l t i n g c u r r e n ta n dr e d u c e db ye x t e r n a le l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s s i m u l m i o na n d c a l c u l a t i o no fm a g n e t i cf i e l d sa n de l e c t r o m a g n e t i cf o r c eh a sb e e nm a d ei nr e m e l t i n g s y s t e mw i t ht h eg i v e nm o d e l ，u s i n gt h el a r g ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s 9 0 s e p a r a t ec a l c u l a t i o nw a sm a d ef o r t h em a g n e t i cf i e l d sr e d u c e db yt h er e m e l t i n g c u r r e n ti t s e l f , t h em a g n e t i cf i e l d sr e d u c e db ye x t e r n a lc o i l sa n dt h ee f f e c to fe x t e m a l c o i l so nr e m e l t i n gs y s t e m t h ei n t e n s i t ya n dd i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l d sr e d u c e db yr e m e l t i n gc u r r e n ti n r e m e l t i n gs y s t e m ，a sw e l la st h ef o r c ea c t i n gt os l a gb a t ha r ea l lc a l c u l a t e d i ng i v e n r e m e l t i n gc o n d i t i o n , t h ev a l u eo fm a g n e t i cf l u xd e n s i t yi sa b o u tf r o m6 1 8 x 1 0 4 tt o 1 2 6 3 5 x 1 0 _ 2 ti nt h er e g i o no fw h o l es l a gb a t h ，a n di sa b o u tf r o m4 3 8 x 1 0 。4 tt o 1 0 3 4 8 x 1 0 。2 ti nt h er e g i o no fi nl i q u i dm e t a lp o o la n di n g o t t h ea x i sc o m p o n e n to f e l e c t r o m a g n e t i cf o r c e sr e d u c e db yr e m e l t i n gc u r r e n th a sa f u n c t i o no fs t i r r i n ga n dt h e a v e r a g ev a l u ei s4 1 2 1 6 5n m 3 t h em a g n e t i cf i e l d sa n de l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei nd i f f e r e n tf r e q u e n c yr e d u c e db y e x t e r n a lc o i l se n l a c i n go u to fm o l da r ec a l c u l a t e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a ta ne x c i t a t i o n i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t c u r r e n to f2 0 h z ，4 0 0 ac a no b t a i nas u i t a b l em a g n e t i cf l u xd e n s i t ya n dp e n e t r a t i n g d e p t hi ng i v e nc o n d i t i o n t h ef o r c er e d u c e db ye x t e r n a lf i e l d sa n dr e m e l t i n gc u r r e n tw a s c o u p l ec a l c u l a t e d ， w h i c hw o u l dd r i v es l a gb a t ha n dl i q u i dm e t a lp o o lt oc i r c u m g y r a t ea n dc o u n t e r a c tt h e d e l e t e r i o u se f f e c to fs t i r r i n gg e n e r a t e db ys t r a ym a g n e t i cf i e l d st od oab e n e f i c i a l s t i r r i n gw o r k k e yw o r d se l e c t r o s l a gr e m e l t i n g ，e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：豫玉喀 日期：珈z ，z 莎 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电渣重熔工艺及发展概况 1 1 1 电渣重熔工艺 图1 1 电渣重熔原理图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f e s r 电渣重熔( 简称e s r ) 的目的是在初炼的基础上进一步提纯钢、合金和改善钢 锭的结晶组织，从而获得高质量的金属产品【”。传统电渣重熔的基本原理如图1 1 所示。在铜制水冷结晶器中加入固态或液态炉渣，将自耗电极的端部插入其中。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 当自耗电极、炉渣( 固渣启动时先加少量固态导电渣) a n 底水箱通过短网与变压器 形成供电回路时，将有电流从变压器输出并通过熔渣。由于熔渣具有一定的电阻， 占据了大部分压降，从而在渣池中形成大量的热量，将插入其中的金属电极熔化。 熔化的金属液滴从电极端部滴落，穿过渣池进入金属熔池，在水冷结晶器的强制 冷却下逐渐凝固形成钢锭【2 l 。 金属熔滴在形成和滴落过程中和熔渣充分接触并发生一系列的物理化学反 应，从而可以去除金属中有害杂质元素和非金属夹杂物。钢锭由下而上逐渐凝固， 凝固过程在渣壳的包裹中完成，形成光洁的钢锭表面。此外，由下面上的顺序凝 固过程保证了重熔金属锭的结晶组织均匀致密，并有利于抑制偏析，控制结晶方 向，获得趋于轴向的结晶组织【3 】。 1 1 2 发展概况 美国h o p k i n srk 于1 9 3 5 年首先进行了渣中自耗电极熔化的实验 4 1 ，认为电 渣过程是“埋弧放电”的过程，最初的方法是熔炼装在管子里的粉末，管子以机 械方法连续成型。然而h o p k i n s 发现1 5 产品有偏析倾向，在相同的条件下重新熔 炼有所改进。最后采用的方法和现行的方法比较类似，即空气熔炼电极的单纯熔 炼。h o p k i n s 于1 9 4 0 年获得电渣冶金的专和嘲，在其后2 5 年的时间里，这一技术 先后被k e l l o g 公司和f i r t hs t e r l i n g 公司独占，到1 9 6 5 年才逐渐公之于众。因此 这一阶段电渣技术发展缓慢。 在前苏联，电渣重熔技术的雏形最早是由巴顿( p a t o n ) 电焊研究所焊接工偶然 发现的【”。即当过多的渣液用于埋弧焊时，电弧熄灭，导致操作平稳，根据这一 点，发明了电渣焊。电渣焊就是在两个连接件之间的缝隙处用两个水冷挡块围住， 后来又用两个水冷挡块取代两个连接金属件，这样可以用由水冷挡块组成的结晶 器生产电渣锭。 在世界范围内对电渣技术感兴趣的时间是2 0 世纪6 0 年代【8 】。当时，只有几 个国家开始研究，如英国、奥地利、联邦德国和日本。而在美国却已广泛开展应 用研究。1 9 6 7 年关于这个问题的第一次国际会议由卡内基( c a r n e g i e ) - 梅隆( m e l l o n ) 研究所组织，这次会议以及以后的会议成为介绍初期工作的论坛，为电渣技术的 东北大学硕士学位论文第一章绪论 推广和发展起到了巨大的推动作用。在1 9 6 5 年到1 9 7 5 年这1 0 年的时间里，电渣 技术得到飞快的发展。这一时期电渣技术的特点如下。 f 1 ) 产量呈抛物线增长； ( 2 ) 锭重呈几何级数增长； ( 3 ) 电渣重熔产品范围扩大； ( 4 ) 打破了专业及行业的界限。 此后的l o 年( 1 9 7 5 1 9 8 5 ) 期间，电渣重熔技术保持稳步的发展【8 】。电渣钢产量 继续增长，到1 9 8 5 年世界电渣钢产量达1 2 0 万t ，前苏联约4 0 - 4 5 万t ，东欧国 家约4 - 5 万t 。西方工业电渣炉达2 0 4 台，其中1 9 7 5 之后新建的有3 8 台。自1 9 8 5 年以后，电渣技术处于一个酝酿新突破的阶段。这一时期一些生产超级合金的公 司继续扩大生产能力，如美国t e l e d y n ea l l v a c 公司建立了2 3 t 电渣炉。c o n s a r c 公司仅在1 9 9 0 年到1 9 9 8 年的时间里就生产电渣炉2 7 台。并相继出现了电渣热封 顶和电渣白熔模等新技术。同一时期电渣技术发展的另一特点是出现新的冶炼工 艺，西欧与美国致力于电渣热封顶e s h t 法及电渣自熔模m h k w 法生产大钢锭。 前苏联主要应用双极串联电渣焊，铸焊结合生产大毛坯，并研究电渣分批浇铸生 产大锭。前苏联巴顿电焊研究所用电渣坩埚炉，熔炼获得纯净钢水，与离心浇铸 结合形成电渣离心浇铸c e s c ，将钢水浇入耐用金属模，形成电渣耐用模e m p c 。 到目前为止，世界上电渣钢的生产能力【射，超过1 2 0 万“年。西方国家( 不包 括前苏联和东欧) 现有工业电渣炉2 2 8 台。世界最大的电渣炉是德国萨尔钢厂 1 6 5 t f b 4 5 1 6 5 g 型电渣炉及我国上海重型机器厂2 0 0 t 级电渣炉，最大的板坯电渣 炉是俄罗斯双极串联7 0 t 板坯电渣炉。乌克兰双极串联电渣焊可焊接直径3 m 的 铸件，焊缝纵向截面可达l o m 2 。世界上最大电渣车间是乌克兰扎波洛什市德聂泊 尔特钢厂电渣车间。有电渣炉2 2 台，生产能力超过1 0 万t 年。世界各国生产材 料钢号已超过4 0 0 个。目前世界各国的电渣技术研究中心有：乌克兰巴顿电焊研 究院、俄罗斯电热设备科学院，美国联邦矿业局a l b a n y 冶金研究中心，加拿大哥 伦比亚大学电渣实验室等。 世界上电渣冶金技术先进的国家是乌克兰、美国、中国、德国、日本、英国、 奥地利8 1 ，应用电渣冶金成熟的国家有俄罗斯、瑞典、法国、捷克、比利时、印 东北大学硕士学位论文第一章绪论 度，已掌握电渣冶金技术的有意大利、西班牙、卢森堡、以色列、南非、澳大利 亚、巴西、韩国、波兰、匈牙利、罗马尼亚、越南、朝鲜等。 我国冶金工作者在电渣焊的基础上开发出电渣重熔技术，我国电渣冶金从此 诞生 8 1 。4 0 年来我国电渣冶金规模不断扩大，技术不断创新。目前我国所有特殊 钢厂都有电渣重熔车间，冶金系统有工业电渣炉8 6 台，年生产能力1 0 万t ；小型 电渣炉遍及全国，从结晶器消耗推算其年产量约3 万t ，我国电渣冶金产量在世界 上名列前茅。生产的超级合金及优质合金钢种达2 4 3 个牌号，技术上处于领先地 位。 1 2 电磁搅拌技术 1 2 1 电磁搅拌技术简介 电磁搅拌( e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n ge m s ) 就是利用电磁力搅拌正在凝固的液 态金属，从而达到控制液态金属的成型及凝固过程，改善其外观及内部质量的目 的1 9 1 。e m s 是由瑞典a s e a 公司首先提出的1 0 1 。1 9 3 2 年d r e y f u s 博士从法拉第 的电磁感应原理中发现，低速移动着的感应磁场能在钢水中产生强力的搅拌作用， 并于1 9 4 8 年制造出世界第一台电磁搅拌器用于电弧炉炼钢。到2 0 世纪6 0 年代， 奥地利k a p f a n b e r g 厂的b e o h l e r 连铸机已开始使用电磁搅拌技术浇注合金钢1 1 1 。 在我国，电磁搅拌技术从2 0 世纪6 0 年代开始研究。从2 0 世纪7 0 年代开 始先后引进了连铸用结晶器、二冷区、二冷区末端的工业用电磁搅拌器与电磁搅 拌技术，取得了很好的应用效果【1 3 i 。随后，在我国的一些工厂、研究院所、高等 院校积极开展了连铸用电磁搅拌基础理论研究和应用技术与设备的研究、开发， 已经取得了非常突出的研究成果【1 4 i 。从在国内外发表的学术论文来看，基础理论 的研究已经赶上了国外的先进水平，在设计连铸机的同时，已同时进行电磁搅拌 器的设计。 电磁搅拌的基本原理基于两个定律【”i ：一是运动的导电钢水与外加的交变磁 场相互作用产生感生电流；二是载流钢水与磁场相互作用产生电磁力，由电磁力 驱动钢水运动。 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 按磁场的激发机理，传统上把电磁搅拌分为三类：旋转搅拌、垂直搅拌和螺 旋搅拌。 ( 1 1 旋转磁场的搅拌( 水平搅拌) 旋转磁场环绕铸坯，使得钢水在整个磁场作用区沿铸坯凝固界面与磁场一同 均匀旋转。钢水的旋转速度可通过改变电磁场的电能大小和搅拌器与铸坯之间的 缝隙宽度来控制。搅拌强度与线圈绕组和铸坯表面间的距离密切相关。 图1 2 旋转磁场的搅拌 f i g 1 2s t i r r i n go f r o t a r ym a g n e t i cf i e l d s ( 2 ) 行波磁场的搅拌( 直线搅拌) 行波磁场搅拌也称直线搅拌，是将感应器放在铸坯的一侧或两侧，感应器产 生的磁场间歇性地交替工作，电磁力驱动钢水做直线运动。电磁力的作用方向可 以与拉坯方向相同或相反。 行波磁场搅拌由于操作方便，通常比旋转磁场搅拌使用广泛。 一5 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 3 直线磁场的搅拌 f i g 1 3s t i r r i n go f l i n e a rm a g n e t i cf i e l d s ( 3 ) 螺旋搅拌 螺旋磁场搅拌是根据磁场迭加原理来实现的。在铸坯周围同时安装产生旋转 磁场的线圈、绕组和产生行波磁场的感应器，线圈绕组和感应器同时工作，产生 的旋转磁场和行波磁场迭加成螺旋磁场。 图1 4 螺旋磁场的搅拌 f i g 1 4s t i r r i n go f s p i r a lm a g n e t i cf i e l d s - 6 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 电渣重熔生产工艺中的电磁搅拌技术 电磁搅拌技术最早应用在连铸生产中，同时应用最广泛的也是在连铸领域。 多年来国内外学者也对连铸生产中的电磁搅拌技术的原理和应用进行了大量的研 究，取得了非常多的成果【16 1 。开发出了结晶器电磁搅拌、二冷区电磁搅拌、末端 电磁搅拌等多种搅拌技术。虽然电磁搅拌技术的发展已经有很长时间，但在电渣 熔铸中却采用的比较少，对其进行的研究也不多。在早期，电磁搅拌只在直流电 渣炉中有使用，直到8 0 年代末期，才在交流电渣重熔( a ce s r ) 中获得一些应 用( 刀。 电渣熔铸中的电磁搅拌和连铸中的电磁搅拌既有相同之处，又有不同之处。 从原理上看，二者都是利用载流导体在电磁场中受到的洛仑兹力来产生作用。不 过电渣熔铸中它是在原已有的自感电磁场上再外加一个磁场，两个磁场迭加，与 电渣重熔系统的重熔电流相互感应产生电磁力，驱动熔渣和金属熔池运动，从而 产生搅拌效果。连铸中的电磁搅拌是单一电磁搅拌，没有电渣冶金中的自感磁场 和两种磁场的迭加运动。 从搅拌器结构上看【l8 1 ，连铸中的电磁搅拌多采用集中绕组、分散绕组、克兰 姆绕组等线圈缠绕方式，所用电流为三相交流电。而电渣重熔中的电磁搅拌多采 用单相交流电，在结晶器上采取如同螺线管一样的缠绕方式。 1 3 课题的提出 1 3 1 颗粒增强钢基复合材料概述 自1 9 6 5 年a _ k e l l y ，g j d a v i e s 乖1d c r a t e h l e y 等【1 9 】首先总结和提出了金属基复合 材料( m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ，简称m m c s ) 的资料以来，m m c s 就以其高的比强 度、比刚度及良好的热稳定性、耐磨性、尺寸稳定性及成分可设计等优点吸引了 各国学者和科研人员的关注，成为材料研究和开发的热点【2 0 】。 金属基复合材料是以金属为基体，把两种或两种以上的不同性能的材料加以 复合，得到无论是物理性能，化学性能，还是力学性能均非常优异的、并能满足 各种不同要求的材科。它不仅克服了其组成材料的缺点，而且兼备了各组成材料 - 7 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的优点，尤为难得的是能充分发挥各组成材料的协同作用。通常复合材料中至少 有两相，其中一项在复合材料中是连续的，称为基体；另外一项为分散相且被基 体所包容，成为增强相。复合材料中的各组分材料虽然保持其各自的相对独立性， 但复合后材料性能却不是组分材料性能的简单加和，而是有着重要的改进。在复 合材料中，分散增强相是以独立的形态分布在整个连续相中，两相之间存在着相 界面。分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料。 按增强体的形式金属基复合材料可分为连续纤维增强、短纤维或晶须增强、 颗粒增强等。由于连续纤维增强的m m c s 必须先制成复合丝，工艺成本高而复杂， 因此其应用范围有很大的局限性，只应用于少数有特殊性能要求的零件。颗粒增 强金属基复合材料( p a r t i c u l a t er e i n f o r c e dm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ，简称p r m m c s ) 是将陶瓷颗粒增强相外加或自生进入金属基体中得到兼有金属优点( 韧性和塑性) 和增强颗粒优点( 高硬度和高模量) 的复合材料。p r m m c s 具有增强体成本低，微 观结构均匀，材料各向同性，可采用热压、热轧等传统金属加工工艺进行加工等 优点，因而与纤维增强、晶须增强金属基复合材料相比倍受关注【2 l 】。 1 3 2 颗粒增强钢基复合材料的性能特点 颗粒增强钢基复合材料兼有硬质化合物的硬度和耐磨性以及钢的强度和韧 性，处于普通硬质合金和钢之间的中间地位，因此，填补了硬质合金和钢之间的 空白【2 2 1 。其组织特点是微细的硬质颗粒均匀弥散的分布于钢基体中，硬质相赋予 材料高硬度和高耐磨性，而钢的基体使合金具有一定的强度和韧性，这些特点是 颗粒增强钢基复合材料区别于工具钢和硬质合金的重要标志。不同成分的粘结相 以及这种合金的可热处理性、可加工性赋予材料以不同的独特性能。 在金属基体中加入陶瓷增强相，可以显著提高材料的弹性模量j 。控制弹性 模量的关键因素是增强相的体积分数，对颗粒分布并不敏感。最早对非连续增强 铝合金强度性能进行广泛研究的是m ed l l n e l a 【2 4 l ，他在研究报告中指出抗拉强度 和屈服强度可以得到6 0 的提高，这主要取决于增强相的体积分数、合金种类 及基体的热处理状态。从微观力学来看，p r m m c s 增强机制可能是【2 5 j ： 奥罗万 强化；晶粒与亚结构强化；淬硬效应，或称位错强化，来自于增强相与基体合金 东北大学硕士学位论文第一章绪论 热膨胀失配而导致的位错增生；加工硬化，归功于弹性陶瓷颗粒与塑性基体之间 的应变失配。p r m m c s 的强度强烈依赖于增强相的体积分数，其次才取决于颗粒 尺寸。加入陶瓷颗粒还可以提高材料的硬度、耐磨性和疲劳强度，改善热稳定性， 降低热膨胀系数，但会引起塑性和韧性的下降。 1 。3 3 颗粒增强钢基复合材料主要生产工艺 随着人们对p r m m c s 研究的深入，近年来p r m m c s 的制备技术发展也是十 分迅速1 2 6 的。目前，p r m m c s 的制各技术正朝着工艺简单、操作方便、经济可靠 的方向发展。按增强颗粒的加入方式，p r m m c s 的制备技术可分为原位生成和强 制加入两种。原位生成复合材料的增强颗粒不是外加的，而是通过内部相的析出 或化学反应生成的。原位反应复合法制备的复合材料成本低、增强体分布均匀、 基本上无界面反应，且可以使用传统的金属熔融铸造设备，制品性能优良。不过 其工艺过程要求严格，较难掌握，且增强相的成分和体积分数不易控制。强制加 入复合材料则发展了许多制各技术，这些技术包括共喷射沉积技术、搅拌混合技 术、挤压铸造技术和粉末冶金技术等。而电渣冶金复合工艺则是近期发展的一种 新的颗粒增强钢基复合材料制造新工艺。 电渣冶金工艺作为金属的一种精炼技术，具有一系列的优越性，其去除杂质、 非金属夹杂物的能力优异，组织致密、澄粉均匀，表面光洁，产品的质量与性能 再现性高。与电弧炉、感应炉所冶炼的合金相比较，重熔后的金属纯净度高，低 倍组织好，且经济合理，设备简单，投资费用低，易于操作。钢锭成材率高，生 产工艺灵活性好，过程控制参量少，易于控制，目标参量易达到，便于自动化。 由于电渣冶金所具有的上述各项优越性，世界各国多年来都致力于发展电渣 冶金技术，不断取得新的突破。近期，一种新的颗粒增强钢基复合材料制造新工 艺电渣冶金复合工艺，已由镇江亚丰钢铁轧辊有限公司在国内率先研制成功， 它是将电渣冶金技术、喷射冶金技术、电磁搅拌铸造技术和粉末冶金技术等进行 相互结合和改进研制而成的一种新的生产工艺，它克服了目前国内外所无法生产 大体积颗粒增强钢基复合材料的难题，解决了粉末冶金烧结工艺中，液相烧结和 固相烧结所无法同时兼顾的致密化与均匀化这一困扰颗粒增强钢基复合材料发展 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的关键难题。 合肥工业大学材料科学与工程学院有学者对电冶熔铸的w c 钢基复合材料组 织结构作了详细研究，对显微组织做了分析结果如下【2 7 1 。 由于w c 颗粒与高温钢液有良好的润湿性( 润湿角约等于零) ，几乎能完全被 高温钢液所润湿，所以在材料制备中，w c 颗粒能与钢基体很好的结合。在该次试 验电冶工艺条件下( 1 7 5 0 ) ，w c 颗粒会被高温钢液溶解，但是由于工艺中在高 温停留时间很短，所以w c 颗粒只是局部发生了溶解，w c 的主体形貌被保存下 来。溶解优先发生在w c 颗粒表面曲率半径最小、表面能最高、热力学不稳定的 棱角处，这种溶解反应生成了复式碳化物f e 3 w 3 c ，这种复式碳化物在钢基体和 w c 颗粒间构成了反应层，两相界面处形成了一种冶金结合。能谱分析证明：w c 颗粒周边合金元素含量存在过渡区，靠近w c 颗粒的钢基体中的w 含量高于远 离w c 颗粒的钢基体中的w 含量。界面反应物会依附在w c 粒子周围长大，形 成块状硬质相，经热处理后，包在w c 粒子外的复式碳化物部分溶入钢基体中， 会导致钢中的硬质相“增多”。 w c 颗粒的这种局部溶解，改变了钢基体的化学成分和组织结构，从而对复 合材料的力学性能产生了影响。首先，w c 颗粒局部溶解于钢基体增加了钢基体 的碳含量和合金化程度，提高了钢基体的强韧性、回火稳定性及钢基体与w c 颗 粒间的相界面结合强度。其次，w c 颗粒的局部溶解( 主要是尖锐棱角处) ，也使 w c 颗粒的棱角钝化，有利于减少材料在使用条件下w c 颗粒与钢基体界面处 的应力集中，也有利于提高材料的强韧性。同时，w c 颗粒周围存在适当的反应物， 可以改善w c 颗粒与钢基体间的物理相容性，减少由于w c 颗粒与钢基体之间 弹性模量和热膨胀系数差异引起的热应力，从而提高复合材料的性能。当有外力 作用时，这种极少缺陷的界面状态使w c 颗粒与钢基体有着良好的界面结合，可 以有效地把外加载荷传递给w c 增强颗粒，也会使w c 颗粒的脱粘受到抑制，因 此如何不断改善工艺来控制w c 颗粒的适当溶解进而获得完整的界面形态对于 提高复合材料的性能是十分重要的。 电冶熔铸工艺生产的钢基复合材料w c 颗粒周围由于局部溶解作用形成了 反应层，界面结合强度大为提高，获得了较为理想的界面形态。同时该方法利用废 1 0 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 弃的w c 钢结硬质合金为原料，以低成本制备高性能的材料，是一种值得推广使 用的复合材料的制备工艺。 电渣冶金颗粒增强钢基复合材料作为一种新型的高耐磨模具材料，由于兼有 钢和硬质合金的特性，是一种应用广泛的高寿命模具材料，在各类冷作模具、热 作模具、切削刀具、剪切工具和耐高温、耐腐蚀、耐磨损构件以及在机械、冶金 工业等所需各种耐磨零件上均得到了广泛应用，在各种应用中均显示出很高的使 用寿命和显著的技术经济效益，使用寿命比合金工模具钢提高3 5 倍，乃至十几 倍到几十倍【2 8 1 。以电冶颗粒增强钢基复合材料代替合金工模具钢，在完成相同工 作量的情况下，工模具材料消耗率约为7 0 9 0 ，而使用寿命有时甚至可以接近 硬质合金制造的工模具。同时，由于新工艺可以生产大体积的模具材料，从而可 以用于各种大型模具的制造，解决了目前国内外大型模具制造中无大体积钢结硬 质合金模具材料使用的难题，且模具的制造成本与合金工模具钢的制造成本基本 相同，从而大幅度的降低了模具的使用成本。用其制作的冶金轧辊其使用寿命是 镍铬钼轧辊的8 1 0 倍，是高速钢轧辊的一倍以上，其性能接近硬质合金轧辊，与 高钴含量的硬质合金轧辊相当，但却不会出现硬质合金轧辊所常出现的断裂、剥 落、崩韧等缺陷。而价格却仅是硬质合金轧辊的五分之一，与高速钢复合轧辊基 本相同。 在采用电渣重熔工艺生产颗粒增强钢基复合材料中，电磁搅拌技术起着重要 的作用。电磁搅拌技术在连铸生产中已经有了比较广泛的应用，国内外也就较多 文献评述，但是将电磁搅拌技术应用在电渣冶金工艺中却研究的较少。因此提出 本课题，使用计算机数值模拟的方式，对电渣冶金工艺中电磁搅拌技术的电磁场 进行分析和计算，以研究其对渣池及金属熔池的影响。 1 4 本课题的意义 使用电渣重熔生产工艺制备颗粒增强钢基复合材料是一种非常独特新颖的方 法在该工艺中电磁搅拌技术对改善材料的组织性能有很大影响。与以往制备钢基 复合材料的机械搅拌法相比，利用电磁力对金属熔体进行搅拌具有不直接接触、对 金属熔体无污染等机械搅拌法所无法比拟的优点【2 9 1 。 一1 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 在采用电磁搅拌技术的电渣重熔方式生产颗粒增强钢基复合材料的生产工艺 中，电磁搅拌对产品的性能质量有较大影响，但该搅拌技术的作用机理却不太明 确，因此本文以某铸造公司以电渣重熔工艺生产颗粒增强钢基复合材料轧辊的项 目为背景，对带有外加磁场电磁搅拌的电渣重熔体系进行了系统的研究。模拟并 计算了重熔电流自感磁场的分布和强度，对渣池的作用力，结晶器外加搅拌线圈 产生的磁场在结晶器内的分布，以及外加搅拌线圈产生的磁场对重熔体系的作用 力。 本文提出的模型和计算的数值模拟结果可以看作一个基础的理论研究，可以 为后续实验研究提供指导，作为深入研究电渣重熔电磁搅拌工艺优化的基础。 1 5 研究方法 对于电渣重熔生产工艺，电磁搅拌所起作用的力主要是由分布在电极、渣、 金属熔池和铸锭内的重熔电流受磁场感应产生的。而起作用的磁场是由重熔电流 本身感应出的磁场与外加搅拌线圈产生的磁场相互迭加产生的【”1 。由于搅拌线圈 电流与电渣重熔重熔电流的频率，流向等均不同，无法同时计算，同时也为了对 整个体系的磁场分布有更深入的了解，所以采取分别计算的方式。即分别计算重 熔电流自感磁场、外加搅拌线圈的磁场，最后再计算外加磁场对重熔电流的作用， 将结果综合起来即是整体的结果。 本文使用大型通用有限元软件a n s y s9 0 作为工具，对给定模型下电渣重熔体 系电磁搅拌的磁场和电磁力作了模拟和计算。对于电磁场的计算，主要是对麦克 斯韦方程组的求解。在a n s y s 中，其基本原理是将所处理的对象首先划分成有限 个单元( 包含若干节点) ，然后根据矢量磁势或标量电势求解一定边界条件和初始 条件下每一节点处的磁势或电势，继而进一步求解出其他相关量，如磁通量密度， 电磁力等。数值计算相对于实验研究而言有许多优点1 3 0 l ：通过数值计算可以极大 地降低成本，数值计算的另一特点是速度快，利用高速发展的计算机技术所带来 的计算能力可以很快的研究比较不同的方案。同时数值计算具有模拟真实条件和 理想条件的能力，对计算机程序而言无论是计算很小或很大尺寸的物体，也无论 是处理很高或者很低载荷的情况都不存在任何问题。 一】2 一 东北大学硕士学位论文 第二章电磁场理论与数值计算 第二章电磁场理论与数值计算 2 1 电磁场基本理论 2 1 1 麦克斯韦方程组 电磁场理论由一套麦克斯韦方程组描述，分析和研究电磁场的出发点就是对 麦克斯韦方程组的研究，包括这个方程的求解与实验验证【3 ”。麦克斯韦方程组实 际上是出四个定律组成，它们分别是安培环路定律、法拉第电磁感应定律、高斯 电通定律( 亦简称高斯定律) 和高斯磁通定律( 亦称磁通连续性定律) 。 安培环路定律： 无论介质和磁场强度h 的分布如何，磁场中磁场强度沿任何一闭合路径的线 积分等于穿过该积分路径所确定的曲面q 的电流的总和，或者说该线积分等于积 分路径所包围的总电流。这里的电流包括传导电流( 自由电荷产生) 和位移电流( 电 场变化产生) 。如式( 2 1 ) 。 妒订= 旺p + 兽 面 c ：， 这里r 1 为曲面q 的边界，j 为传导电流密度矢量( 从n 2 ，上标箭头表示矢量) ， a d 西为位移电流密度，d 为电通密度( c m 2 ) 。 法拉第电磁感应定律： 闭合回路中的感应电动势与穿过此回路的磁通量随时间的变化率成正比。用 积分表示则为： 护扛i 阱瘩 眨z ， e 为电场强度( v m ) ，b 为磁感应强度( t 或w b m 2 ) 。 高斯电通定律： 在电场中，不管电解质与电通密度矢量的分布如何，穿出任何一个闭合曲面 查! ! 垄兰堡主芏竺笙查苎三主皇垡望堡垒皇垫篁盐簦 的电通量等于这闭合曲面所包围的电荷量，这里指出电通量也就是电通密度矢 量对此闭合曲面的积分。该定律的积分形式可表达如下。 如d 吾= m 陋 ( 2 f 3 ) p 为电荷体密度( c m 3 ) ，v 为闭合曲面s 所围成的体积区域。 高斯磁通定律： 磁场中，不管磁介质与磁通密度矢量的分布如何，穿出任何一个闭合曲面的 磁通量恒等于零。这里指出磁通量即为磁通量矢量对此闭合曲面的有向积分。高 斯磁通定律的积分形式如下。 妒d 雪- - o ( 2 4 ) 方程( 2 1 ) 至( 2 4 ) 便构成了描述电磁场的麦克斯韦方程组。对上述四个积 分方程，我们有必要指出他们对于描述电磁场时的侧重：( 2 1 ) 表明不仅传导电 流能产生磁场，而且变化的电场也能产生磁场；( 2 2 ) 为推广的电磁感应定律， 表明变化的磁场亦会产生电场；( 2 3 ) 表明电荷以发散的方式产生电场； ( 2 4 ) 说明磁力线是无头无尾的闭合曲线。这组麦克斯韦方程表明了变化的电场和变化 的磁场间相互激发、相互联系形成统一的电磁场。 方程( 2 1 ) 至( 2 4 ) 还分别有自己的微分形式，也就是微分形式的麦克斯韦 方程组，它们分别对应( 2 5 ) 至( 2 8 ) 。 v 曰氡署 晓s ， 弘萤= a 万b ( 2 6 ) v d = p ( 2 7 ) v b = p ( 2 8 ) 1 4 东北大学硕士学位论文第二章电磁场理论与数值计算 2 1 2 一般形式的电磁场微分方程 电磁场的计算中，经常对上述这些偏微分进行简化，以便能够用分离变量法、 格林函数法等解得电磁场的解析解，其解的形式为三角函数的指数形式以及一些 用特殊函数( 如贝塞尔函数、勒让得多项式等) 表示的形式。但工程实践上，要精 确得到问题的解析解，除了极个别情况，通常是很困难的。于是只能根据具体情 况给定的边界条件和初始条件，用数值解法求其数值解。有限元法就是其中最为 有效、应用最广的一种数值计算方法。 矢量磁势和标量电势。 对于电磁场的计算，为了使问题得到简化，通过定义两个量来把电场和磁场 变量分离开来，分别形成一个独方的电场或磁场的偏微分方程，这样便有利于数 值求解。这两个量一个是矢量磁势a ( 亦称磁矢位) ，另一个是标量电势中，它们 的定义如下； 矢量磁势定义为： b = v x a ( 2 9 ) 也就是说磁势的旋度等于磁通量密度。而标量电势可按( 2 1 0 ) 定义： e = 一v ( 2 1 0 ) 电磁场偏微分方程： 按( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 定义的矢量磁势和标量电势能自动地满足法拉第电磁感应 定律和高斯磁通定律。然后再应用到安培环路定律和高斯电通定律中，经过推导， 分别得到了磁场偏微分方程( 2 1 1 ) 和电场偏微分方程( 2 1 2 ) 。 v 2 j 一肛筝叫了 汜 o t v 2 巾一肛窘一詈 眨 a t ls p 和e 分别为介质的磁导率和介电常数，v 2 为拉普拉斯算子： 一1 5 一 东北大学硕士学位论文第二章电磁场理论与数值计算 v 2 = ( 导+ 等+ 导 晓 很明显式( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 具有相同的形式，是彼此对称的，这意味着求解它们 的方法相同。至此，我们可以对方程( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 进行数值求解，如采用有限元 法，解得磁势和电势的场分布值，然后再经过转化( 即后处理) 可得到电磁场的各 种物理量，如磁感应强度、储能等。 2 1 3 电磁场中常见边界条件 电磁场问题实际求解过程中，有各种各样的边界条件，但归结起来可概括为 三种：狄利克莱( d i r i c h l e t ) 边界条件、诺伊曼( n e u m a n a ) 边界条件以及它们的综 合。 狄利克莱边界条件可表示为： i ，= g ( r ) ( 2 1 4 ) 其中r 为狄利克莱边界，g ( r ) 是位置的函数，可以为常数和零。当为零时称 此狄利克莱边界为其次边界条件，如平行板电容器的一个极板电势可假定为零， 而另一个假定为常数，为零的边界即为其次边界条件。 诺依曼边界条件可表示为： 斜+ ，( 巾i r = h ( r ) ( 2 1 5 ) 其中r 为诺伊曼边界，n 为边界r 的外法线矢量，f ( r ) 和h ( r ) 为一般函数 ( 可为常数和零) 。当为零时为其次诺伊曼条件。 实际上电磁场微分方程的求解中，只有在边界条件和初始条件的限制时，电 磁场才有确定解。鉴于此，我们通常称求解此类问题为边值问题和初值问题。 1 6 东北大学硕士学位论文第二章电磁场理论与数值计算 2 2 电磁场求解的有限元法 2 2 1 有限元法求解电磁场简介 有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它 把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的子域( 单元) 构成，其模型给出 基本方程的分片( 子域) 近似解。由于单元可以被分割成各种形状和大小不同的 尺寸，所以它能适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。 基于逝辽金或变分原理的有限元法，最早产生于力学计算中，至今已在力学 分析、结构分析、流体、热与电磁学计算中的每一个方面都得到广泛的应用，也 是当今电磁学研究的一个主要热点。有限元法将由偏微分方程表征的连续函数所 在的封闭场域划分成有限个小区域，每一个小区域用一个选定的近似函数来代替， 于是整个场域上的函数被离散化，由此获得一组近似的代数方程，并联立求解， 以获得该场域中函数的近似数值。 有限元法最主要的特点是根据该方法编制的软件系统对于各种各样的电磁计 算问题具有较强的适应性，通过前处理过程能有效地形成方程并求解。它能方便 地处理非线性介质特性，如铁磁饱和特性等。它所形成的代数方程具有系数矩阵 对称正定、稀疏等待点，所以求解容易、收敛性好、占用计算机内存量也较少。 这些正是有限元法能成为电气设备计算机辅助设计核心模块的优势所在。 有限元法的主要缺点是对于形状和分布复杂的三维问题，由于其变量多和剖 分要求细往往因计算机内存而受限制，特别是包含开域自由空间的电磁计算问题， 其建模及求解比较困难。如近年来发展起来的所谓膨胀技术，便是为了