电磁场下液态金属流速的测量技术分析

张华祥，雷 彬，孟学平，王俊晓

(陆军工程大学弹药工程系，河北 石家庄 050003)

0 引言

控制液态金属的流速和形态可以避免卷渣、铸坯裂纹和控制晶粒生长[1]，是提高铸件质量的重要手段。电磁场对液态金属的作用是可控的，可实现对液态金属的搅拌、传输和箍缩[2]。因此，电磁场在连续铸造等方面的应用越来越广泛。但目前在控制液态金属流动方面的研究主要利用数值模拟，相关计算参数和边界条件没有准确试验数据，仿真计算结果的精度存在局限性。电磁场下液态金属流速的测量数据可用于验证仿真结果和校正仿真模型。

液态金属具有非透明和高温等特点，使得液态金属在电磁场作用下的流动状态测量更加困难，采用毕托管和Vives探针法等常用方法无法测量。因此，对电磁场下液态金属流速和形态的测量技术进行了研究，对比了各测量技术的优缺点，总结了各测量技术的应用场合及应用难点，指出了电磁场下液态金属流速测量技术的研究方向。

1 电磁场作用下液态金属流速测量方法

1.1 超声波多普勒测速法

超声波多普勒测速法(ultrasound Doppler velocimetry,UDV)是根据时间差和位移，计算出液态金属的流速，进而测得流场的一维、二维和三维流速。

王松伟和王晓东等[3-4]采用超声波测速仪DOP3000对GaInSn合金液流动进行测量，研究了方形、圆形和旋转模式周期等对金属液流动状态的影响，测量了轴向和周向速度。王敏、贾皓和李洁等[5-7]测量了板坯结晶器模型内水银流速的分布，优化了电磁搅拌和电磁制动的工艺参数。S.Eckert等[8]研制出组合式超声波传感器，测量了300 ℃的PbBi液和650 ℃的CuSn液的流速；K.Timmel等人[9]研究了直流磁场对400 ℃的SnBi合金液从浸入式喷嘴的出口流出的影响。近年来，S.Eckert团队[10]研制出超声波阵列多普勒测速仪(ultrasound array Doppler velocimeter,UADV)，测量了旋转磁场中金属液的三维流速。超声波阵列传感器被安装在GaInSn合金液方形容器的4个面中心，测量时间超过1 h，测量空间分辨率较高。这种方法既可用于测量金属液中的气泡速度[8]，又可用于研究磁场作用下气泡的速度和尺寸。

测量气泡速度原理如图1所示。

图1 测量气泡速度原理图

该方法的优点是稳定、有效，可以实现三维流速测量，空间分辨率较高；缺点是测量得到的最大速度和最大深度，受金属的纯净度限制。它主要用于电磁场作用下的铸造过程，尤其是流场复杂的板坯连铸过程。

1.2 照相法

照相法的原理是在液态金属表面布置一些与金属液密度相近且不会被熔化的非金属物质，通过相机或高速摄影机对金属液表面流动进行拍摄，根据时间差和流动的距离算出金属液表面的流速。照相法原理如图2所示。

图2 照相法原理图

徐振洋[11]利用高速摄影摄像机记录聚能射流侵彻圆柱混凝土，测量了聚能射流的形变及各部分的速度。温长飞[12]为研究复合电磁场作用下的液面波动情况，利用高速摄像机记录在不同电流强度、磁场频率等情况下的弯月面变形。E.D.Tarapore等[13]为验证在感应炉中电磁搅拌力驱动的金属流体的流动和理论计算的吻合度，在室温下用水银模拟钢液，在频闪闪光灯和照相机的配合下记录金属熔体的表面流动速度。测试系统得出的结果和建立的模型吻合较好。M.Dubke等[14]用照相法研究在方形容器中进行电磁搅拌后金属液面的流动状态。

照相法的优点是操作简单，非接触式记录高速流动或金属液的形变；缺点是拍摄时容易受其他物体遮挡和强光的影响，不能测量液体内部速度和任意位置的速度。该方法一般应用于测量金属液表面流速。

1.3 X光摄像法

X光具有很强的穿透能力，在试验之前设置标尺，通过比对拍摄底片可进行定量测量。X光摄像法既可用于测量聚能射流的伸长和颈缩过程，也可用于测量两相流动或结晶过程中气泡的尺寸和流速。

魏继峰等[15]将钨粉作为射流的示踪物质，用X光摄影分析了射流的速度变化和射流各部分的动态塑性参数变化趋势。许世昌[16]用X光摄像机记录双层含能药型罩射流成型过程，两台X光机设定不同的延迟时间，并在底片上划定标记线，测量了射流的拉伸长度及杵体和射流头部的速度。S.Boden等[17]用X射线透射仪研究了GaIn合金在电磁驱动下的定向凝固，用X射线透视仪拍摄的图像观察树枝晶和熔融金属液的流动情况，记录电磁搅拌下合金凝固的过程。其缺点是拍摄区域小。N．Shevchenko等[18]将X射线法用于研究液态金属两相流动和结晶过程，研究了浮力和电磁力对结晶的影响，并探讨了Ar气泡在液态GaInSn中的变形和内部结构特征。X光射像法示意图如图3所示。

图3 X光射像法示意图

该方法使不透明的金属液内部可视，具有高速摄影等优点；缺点是使用X射线需要注意防辐射，透射深度有限，底片区域较小，适用于拍摄聚能射流等高速形变的场合或铸件结晶过程。

1.4 机械光学法

机械光学法示意图如图4所示。

图4 机械光学法示意图

由S.Eckert等人[19-20]研发的机械光学探针，主要由计算机、机械传感器、CCD阵列传感器和光学仪器等组成。其感应部分是与金属液直接接触的玻璃管，玻璃管内部是很细的玻璃杆。若液态金属发生流动，尖端发生弹性变形，玻璃杆发生偏移。CCD相机记录玻璃杆上端的偏移距离，即可计算出与传感器垂直的两个速度分量。

传感器触头是核心部件，S.Eckert研制的触头材质为硼硅玻璃，在测量高温液态金属会因发生塑性变形造成失效。改进后的触头采用石英玻璃，其变形温度较高(大约1 200 ℃)，并在光学系统外通冷却水，保证光学系统的工作温度一直在100 ℃以下。对室温下的水和GaInSn合金以及对400 ℃下的SnPb和PbBi合金的测量结果证实了改进后的触头的适用性[21]。其优点是不受外界磁场和电场干扰，能在高温环境下测量；缺点是需要精密的光学系统，制造成本昂贵，由于测量原理限制，不适合测量有速度波动的湍流。

2 测量技术的应用难点及研究方向

2.1 测量技术的应用难点

各测量液态金属流场的技术原理不同，在特定的场合具有各自的优势，如X光摄像法具有透射性，多普勒超声波测速法可测三维流速。但测量技术在应用中仍存在不可忽视的难题。

①高温条件下测量困难。金属结构材料的熔点大多在1 000 ℃以上，但研发时大多使用低熔点金属作为试验工质。目前，这些金属适用于高温测量的组合式超声波传感器和工作温度在800 ℃的机械光学仪器。

②时序控制和匹配。聚能射流形成和通过X光机底片或高速摄影拍摄区域的时间极短(微秒量级)。只有确保射流头部刚进入拍摄区域就触发拍摄按钮，才能拍摄到射流的飞行过程。使用超声波阵列传感器测速时，控制不同位置的传感器发射超声波的时序对获取瞬态的三维流速至关重要。

③测量体积相差较大。工艺优化设计时，模型一般采用几何相似方法，对结晶器按比例缩小。将测量技术用于工业测量时，结晶器底部和中心部位测量得到的工艺优化参数在实际生产中作用发挥不明显。

2.2 测量技术的研究方向

基于现有的测量技术和以上应用需求，电磁场液态金属流速的测量技术具有如下发展趋势。

①耐高温设计。结晶器内熔融高温合金液的流动状态对控制铸件质量十分重要。目前的测量技术可以实现连续1 h、温度低于800 ℃的测量，但同期望指标还有差距。

②小型化和屏蔽性设计。一方面减少或防止测量仪器对金属液流动的影响，另一方面减少外界环境(如加热器件、电噪声)的干扰。机械光学仪会干扰金属液的流动，测量深度也有限制，将探针小型化和提高屏蔽性有助于提高测量精度。

③提高反应速度和扩大测速范围。超声波阵列多普勒测速法是可靠性较高的测量技术，可以实现三维流速测量，但测量湍流时响应速度不够快；机械光学法的测速范围有限，不适用于各区域流速差异较大的场合。因此，新测量技术应朝着高测试速度和宽测速范围的方向发展。

④多测量技术的组合匹配。单一测量技术难以满足有电磁搅拌或电磁制动的连续铸造过程。多种测量技术组合可以实现高空间分辨率、大深度测量，既可以测量内部流场结构，又可以测量液面波动情况。但多测量技术同时使用易发生干扰，超声波传播过程可能碰到探头发生反射引起误差。因此，如何组合匹配测量技术也是研究方向之一。

3 结束语

液态金属具有高温和多维流动的特点，对液态金属在电磁场作用下的流场测量困难，故研发了特定的测量技术。但每种方法都有其局限性和应用场合，且存在应用难点。向高温、小型化和多技术组合匹配等方向发展的测量技术，能够实现准确无误的测量。

上述的测量技术为冶金、铸造过程数学物理模型提供了有用的参数信息，为验证和评价数值仿真结果提供了数据，也为研究在电磁场作用条件下的凝固和铸造过程提供了有效测量手段。此外，该技术有利于研究电磁场对聚能射流形态的影响。只有研究更适用的测量电磁场下液态金属的技术，才能更好地理解和研究电磁场的作用，实现铸件质量的改善或聚能射流侵彻深度的增加。

[1] VIVES C.Crystallization of aluminum alloys in the presence of vertical electromagnetic force fields[J].Journal of Crystal Growth,1997,173(3-4):541-549.

[2] 马彬，黄正祥，祖旭东，等.纵向磁场对聚能射流极限拉伸系数的影响[J].爆炸与冲击，2016，36(6)：759-766.

[3] 王松伟，那贤昭，张新德.螺旋磁场驱动金属液轴向流动的研究[J].钢铁钒钛，2013，34(4)：52-56.

[4] 王松伟，王晓东，倪明玖，等.模式螺旋磁场驱动金属液流动的研究[J].金属学报，2013，49(5)：544-552.

[5] 王敏，贾皓，张振强，等.电磁制动下板坯结晶器内金属流动的物理模拟[J].上海金属，2011，33(6)：41-60.

[6] 贾皓，张振强，吴吉文，等.板坯连铸电磁制动下结晶器内金属流场的研究[J].过程工程学报，2012，12(5)：721-727.

[7] 李洁，周月明，王俊.电磁搅拌作用下板坯结晶器内金属液流动行为试验研究[J].上海金属，2014，36(1)：42-47.

[8] ECKERT S,GERBETH G,MELNIKOV V I.Velocity measurements at high temperatures by ultrasound Doppler velocimetry using an acoustic wave guide[J].Experiments in Fluids,2003,35(5):381-388.

[9] TIMMEL K,ECKERT S,GERBETH G.Experimental modeling of the continuous casting process of steel using low melting point metal alloys—the LIMMCAST program[J].ISIJ International,2010,50(8):1134-1141.

[10]GALINDO V,NAUBER R,FRANKE S,et al.Measurements of a three-dimensional flow in a cube by means of an ultrasound array Doppler velocimeter(UADV) [C]//10th International Symposium on Ultrasonic Doppler Methods for Fluid Mechanics and Fluid Engineering,2016.

[11]徐振洋，杨军，郭连军.爆炸聚能作用下混凝土试件劈裂的高速3D DIC试验[J].爆炸与冲击，2016，36(3)：400-406.

[12]温长飞.复合磁场作用下金属液面行为的试验研究[D].沈阳：东北大学，2009.

[13]TARAPORE E D,EVANS J W.Fluid velocities in induction melting furnaces:Part I.Theory and laboratory experiments[J].Metallurgical and Materials Transactions B,1976,7(3):343-351.

[14]DUBKE M,TACKE K H,SPITZER K H,et al.Flow fields in electromagnetic stirring of rectangular strands with linear inductors:Part I.Theory and experiments with cold models[J].Metallurgical Transactions B,1988,19(4):581-593.

[15]魏继锋，张超，魏锦，等.基于钨粉示踪的射流塑性参数研究[J].兵工学报，2014，35(2)：193-197.

[16]许世昌.双层含能药型罩射流成型机理及侵彻性能研究[D].南京：南京理工大学，2015.

[17]BODEN S,ECKERT S,GERBETH G.Visualization of freckle formation induced by forced melt convection in solidifying gaInalloys[J].Materials Letters,2010,64(12):1340-1343.

[18]SHEVCHENKO N,BODEN S,ECKERT S,et al.Application of X-ray radioscopic methods for characterization of two-phase phenomena and solidification processes in metallic melts[J].The European Physical Journal Special Topics,2013,220(1):63-77.

[19]ECKERT S,GERBETH G,GUNDRUM T,et al.Velocity measurements in metallic melts[C]//ASME 2005 Fluids Engineering Division SummerMeeting.American Society of Mechanical Engineers,2005:49-56.

[20]ECKERT S,WITKE G,GERBETH G.A New Mechano-optical technique to measure local velocities in opaque fluids[J].Flow Measurement and Instrumentation,2000,11(2):71-78.

[21]ECKERT S,GERBETH G,GUNDRUM T,et al.New approaches to determine the velocity field in metallic melts[C]//Proceedings of the Electromagnetic Processing of Materials International Conference,2003.