電磁場下液態(tài)金屬流速的測量技術(shù)分析

張華祥，雷 彬，孟學(xué)平，王俊曉

(陸軍工程大學(xué)彈藥工程系，河北 石家莊 050003)

0 引言

控制液態(tài)金屬的流速和形態(tài)可以避免卷渣、鑄坯裂紋和控制晶粒生長[1]，是提高鑄件質(zhì)量的重要手段。電磁場對液態(tài)金屬的作用是可控的，可實現(xiàn)對液態(tài)金屬的攪拌、傳輸和箍縮[2]。因此，電磁場在連續(xù)鑄造等方面的應(yīng)用越來越廣泛。但目前在控制液態(tài)金屬流動方面的研究主要利用數(shù)值模擬，相關(guān)計算參數(shù)和邊界條件沒有準(zhǔn)確試驗數(shù)據(jù)，仿真計算結(jié)果的精度存在局限性。電磁場下液態(tài)金屬流速的測量數(shù)據(jù)可用于驗證仿真結(jié)果和校正仿真模型。

液態(tài)金屬具有非透明和高溫等特點，使得液態(tài)金屬在電磁場作用下的流動狀態(tài)測量更加困難，采用畢托管和Vives探針法等常用方法無法測量。因此，對電磁場下液態(tài)金屬流速和形態(tài)的測量技術(shù)進行了研究，對比了各測量技術(shù)的優(yōu)缺點，總結(jié)了各測量技術(shù)的應(yīng)用場合及應(yīng)用難點，指出了電磁場下液態(tài)金屬流速測量技術(shù)的研究方向。

1 電磁場作用下液態(tài)金屬流速測量方法

1.1 超聲波多普勒測速法

超聲波多普勒測速法(ultrasound Doppler velocimetry,UDV)是根據(jù)時間差和位移，計算出液態(tài)金屬的流速，進而測得流場的一維、二維和三維流速。

王松偉和王曉東等[3-4]采用超聲波測速儀DOP3000對GaInSn合金液流動進行測量，研究了方形、圓形和旋轉(zhuǎn)模式周期等對金屬液流動狀態(tài)的影響，測量了軸向和周向速度。王敏、賈皓和李潔等[5-7]測量了板坯結(jié)晶器模型內(nèi)水銀流速的分布，優(yōu)化了電磁攪拌和電磁制動的工藝參數(shù)。S.Eckert等[8]研制出組合式超聲波傳感器，測量了300 ℃的PbBi液和650 ℃的CuSn液的流速；K.Timmel等人[9]研究了直流磁場對400 ℃的SnBi合金液從浸入式噴嘴的出口流出的影響。近年來，S.Eckert團隊[10]研制出超聲波陣列多普勒測速儀(ultrasound array Doppler velocimeter,UADV)，測量了旋轉(zhuǎn)磁場中金屬液的三維流速。超聲波陣列傳感器被安裝在GaInSn合金液方形容器的4個面中心，測量時間超過1 h，測量空間分辨率較高。這種方法既可用于測量金屬液中的氣泡速度[8]，又可用于研究磁場作用下氣泡的速度和尺寸。

測量氣泡速度原理如圖1所示。

圖1 測量氣泡速度原理圖

該方法的優(yōu)點是穩(wěn)定、有效，可以實現(xiàn)三維流速測量，空間分辨率較高；缺點是測量得到的最大速度和最大深度，受金屬的純凈度限制。它主要用于電磁場作用下的鑄造過程，尤其是流場復(fù)雜的板坯連鑄過程。

1.2 照相法

照相法的原理是在液態(tài)金屬表面布置一些與金屬液密度相近且不會被熔化的非金屬物質(zhì)，通過相機或高速攝影機對金屬液表面流動進行拍攝，根據(jù)時間差和流動的距離算出金屬液表面的流速。照相法原理如圖2所示。

圖2 照相法原理圖

徐振洋[11]利用高速攝影攝像機記錄聚能射流侵徹圓柱混凝土，測量了聚能射流的形變及各部分的速度。溫長飛[12]為研究復(fù)合電磁場作用下的液面波動情況，利用高速攝像機記錄在不同電流強度、磁場頻率等情況下的彎月面變形。E.D.Tarapore等[13]為驗證在感應(yīng)爐中電磁攪拌力驅(qū)動的金屬流體的流動和理論計算的吻合度，在室溫下用水銀模擬鋼液，在頻閃閃光燈和照相機的配合下記錄金屬熔體的表面流動速度。測試系統(tǒng)得出的結(jié)果和建立的模型吻合較好。M.Dubke等[14]用照相法研究在方形容器中進行電磁攪拌后金屬液面的流動狀態(tài)。

照相法的優(yōu)點是操作簡單，非接觸式記錄高速流動或金屬液的形變；缺點是拍攝時容易受其他物體遮擋和強光的影響，不能測量液體內(nèi)部速度和任意位置的速度。該方法一般應(yīng)用于測量金屬液表面流速。

1.3 X光攝像法

X光具有很強的穿透能力，在試驗之前設(shè)置標(biāo)尺，通過比對拍攝底片可進行定量測量。X光攝像法既可用于測量聚能射流的伸長和頸縮過程，也可用于測量兩相流動或結(jié)晶過程中氣泡的尺寸和流速。

魏繼峰等[15]將鎢粉作為射流的示蹤物質(zhì)，用X光攝影分析了射流的速度變化和射流各部分的動態(tài)塑性參數(shù)變化趨勢。許世昌[16]用X光攝像機記錄雙層含能藥型罩射流成型過程，兩臺X光機設(shè)定不同的延遲時間，并在底片上劃定標(biāo)記線，測量了射流的拉伸長度及杵體和射流頭部的速度。S.Boden等[17]用X射線透射儀研究了GaIn合金在電磁驅(qū)動下的定向凝固，用X射線透視儀拍攝的圖像觀察樹枝晶和熔融金屬液的流動情況，記錄電磁攪拌下合金凝固的過程。其缺點是拍攝區(qū)域小。N．Shevchenko等[18]將X射線法用于研究液態(tài)金屬兩相流動和結(jié)晶過程，研究了浮力和電磁力對結(jié)晶的影響，并探討了Ar氣泡在液態(tài)GaInSn中的變形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。X光射像法示意圖如圖3所示。

圖3 X光射像法示意圖

該方法使不透明的金屬液內(nèi)部可視，具有高速攝影等優(yōu)點；缺點是使用X射線需要注意防輻射，透射深度有限，底片區(qū)域較小，適用于拍攝聚能射流等高速形變的場合或鑄件結(jié)晶過程。

1.4 機械光學(xué)法

機械光學(xué)法示意圖如圖4所示。

圖4 機械光學(xué)法示意圖

由S.Eckert等人[19-20]研發(fā)的機械光學(xué)探針，主要由計算機、機械傳感器、CCD陣列傳感器和光學(xué)儀器等組成。其感應(yīng)部分是與金屬液直接接觸的玻璃管，玻璃管內(nèi)部是很細(xì)的玻璃桿。若液態(tài)金屬發(fā)生流動，尖端發(fā)生彈性變形，玻璃桿發(fā)生偏移。CCD相機記錄玻璃桿上端的偏移距離，即可計算出與傳感器垂直的兩個速度分量。

傳感器觸頭是核心部件，S.Eckert研制的觸頭材質(zhì)為硼硅玻璃，在測量高溫液態(tài)金屬會因發(fā)生塑性變形造成失效。改進后的觸頭采用石英玻璃，其變形溫度較高(大約1 200 ℃)，并在光學(xué)系統(tǒng)外通冷卻水，保證光學(xué)系統(tǒng)的工作溫度一直在100 ℃以下。對室溫下的水和GaInSn合金以及對400 ℃下的SnPb和PbBi合金的測量結(jié)果證實了改進后的觸頭的適用性[21]。其優(yōu)點是不受外界磁場和電場干擾，能在高溫環(huán)境下測量；缺點是需要精密的光學(xué)系統(tǒng)，制造成本昂貴，由于測量原理限制，不適合測量有速度波動的湍流。

2 測量技術(shù)的應(yīng)用難點及研究方向

2.1 測量技術(shù)的應(yīng)用難點

各測量液態(tài)金屬流場的技術(shù)原理不同，在特定的場合具有各自的優(yōu)勢，如X光攝像法具有透射性，多普勒超聲波測速法可測三維流速。但測量技術(shù)在應(yīng)用中仍存在不可忽視的難題。

①高溫條件下測量困難。金屬結(jié)構(gòu)材料的熔點大多在1 000 ℃以上，但研發(fā)時大多使用低熔點金屬作為試驗工質(zhì)。目前，這些金屬適用于高溫測量的組合式超聲波傳感器和工作溫度在800 ℃的機械光學(xué)儀器。

②時序控制和匹配。聚能射流形成和通過X光機底片或高速攝影拍攝區(qū)域的時間極短(微秒量級)。只有確保射流頭部剛進入拍攝區(qū)域就觸發(fā)拍攝按鈕，才能拍攝到射流的飛行過程。使用超聲波陣列傳感器測速時，控制不同位置的傳感器發(fā)射超聲波的時序?qū)Λ@取瞬態(tài)的三維流速至關(guān)重要。

③測量體積相差較大。工藝優(yōu)化設(shè)計時，模型一般采用幾何相似方法，對結(jié)晶器按比例縮小。將測量技術(shù)用于工業(yè)測量時，結(jié)晶器底部和中心部位測量得到的工藝優(yōu)化參數(shù)在實際生產(chǎn)中作用發(fā)揮不明顯。

2.2 測量技術(shù)的研究方向

基于現(xiàn)有的測量技術(shù)和以上應(yīng)用需求，電磁場液態(tài)金屬流速的測量技術(shù)具有如下發(fā)展趨勢。

①耐高溫設(shè)計。結(jié)晶器內(nèi)熔融高溫合金液的流動狀態(tài)對控制鑄件質(zhì)量十分重要。目前的測量技術(shù)可以實現(xiàn)連續(xù)1 h、溫度低于800 ℃的測量，但同期望指標(biāo)還有差距。

②小型化和屏蔽性設(shè)計。一方面減少或防止測量儀器對金屬液流動的影響，另一方面減少外界環(huán)境(如加熱器件、電噪聲)的干擾。機械光學(xué)儀會干擾金屬液的流動，測量深度也有限制，將探針小型化和提高屏蔽性有助于提高測量精度。

③提高反應(yīng)速度和擴大測速范圍。超聲波陣列多普勒測速法是可靠性較高的測量技術(shù)，可以實現(xiàn)三維流速測量，但測量湍流時響應(yīng)速度不夠快；機械光學(xué)法的測速范圍有限，不適用于各區(qū)域流速差異較大的場合。因此，新測量技術(shù)應(yīng)朝著高測試速度和寬測速范圍的方向發(fā)展。

④多測量技術(shù)的組合匹配。單一測量技術(shù)難以滿足有電磁攪拌或電磁制動的連續(xù)鑄造過程。多種測量技術(shù)組合可以實現(xiàn)高空間分辨率、大深度測量，既可以測量內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)，又可以測量液面波動情況。但多測量技術(shù)同時使用易發(fā)生干擾，超聲波傳播過程可能碰到探頭發(fā)生反射引起誤差。因此，如何組合匹配測量技術(shù)也是研究方向之一。

3 結(jié)束語

液態(tài)金屬具有高溫和多維流動的特點，對液態(tài)金屬在電磁場作用下的流場測量困難，故研發(fā)了特定的測量技術(shù)。但每種方法都有其局限性和應(yīng)用場合，且存在應(yīng)用難點。向高溫、小型化和多技術(shù)組合匹配等方向發(fā)展的測量技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確無誤的測量。

上述的測量技術(shù)為冶金、鑄造過程數(shù)學(xué)物理模型提供了有用的參數(shù)信息，為驗證和評價數(shù)值仿真結(jié)果提供了數(shù)據(jù)，也為研究在電磁場作用條件下的凝固和鑄造過程提供了有效測量手段。此外，該技術(shù)有利于研究電磁場對聚能射流形態(tài)的影響。只有研究更適用的測量電磁場下液態(tài)金屬的技術(shù)，才能更好地理解和研究電磁場的作用，實現(xiàn)鑄件質(zhì)量的改善或聚能射流侵徹深度的增加。

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