（材料加工工程专业论文）圆锭电磁铸造电磁力数值计算及金属电磁成型性研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 电磁铸造技术是建立在电磁流体力学基础上，并与冶金工程相结合的先进材料加工 方法。由于生产的铸锭具有表面光亮、缺陷少、组织致密、机械性能好等优点，电磁铸 造技术已成为铝合金生产的主要方法。随着铝合金电磁铸造技术的日益完善，以及电磁 铸造生产的铸锭的优越性，钢、铜及镁合金都已成为电磁铸造实验与研究的对象。 电磁铸造的关键技术在于金属熔体在电磁场作用下的无接触立柱成型。由于不同金 属具有不同的物性参数，因而电磁成型可行性及难易程度各不相同。本文以获得不同金 属电磁铸造成型实验参数为着眼点，采用数值计算、数学分析以及实验研究相结合的方 法对不同金属的电磁铸造成型可行性及难易程度进行了研究。 论文主要包括以下内容： 从电磁铸造基本原理出发，建立了圆锭电磁铸造电磁力数值计算模型，该计算模型 在计算电磁力时考虑了磁场分布梯度对电磁力大小及分布的影响。采用互感耦合模型对 不同金属熔体内磁场分布以及感应器倾角、感应器电流及频率对磁场分布的影响进行了 数值计算研究；并在电磁场计算结果基础上，采用电磁力计算模型计算研究了不同条件 下金属熔体内电磁力分布规律。 通过研究不同条件下熔体内电磁压力与液柱静压力的平衡关系，对铝、铜、钢及镬 铝合金电磁铸造成型的实验条件进行研究，计算得到了铝、铜、钢及镁铝合金实现电磁 铸造成型所需的磁感应强度。 以金属电磁铸造成型基本条件为依据，提出了判定不同金属电磁铸造成型可行性与 难易程度的无量纲判据。利用该判据对不同条件下金属的电磁成型可行性进行分析，得 到了不同金属电磁成型所需磁感应强度，所得结果与电磁力数值计算方法所得结果基本 吻合。实验研究了铝、锡铅合金的电磁约束成型可行性，实验结果与计算结果基本吻合， 从而验证了电磁成型无量纲判据的实用性。 电磁成型无量纲判据及电磁力数值计算结果指出，不同金属电磁铸造成型时所需磁 感应强度不同：以5 0 r a m 高的液柱为标准，铝电磁成型所需磁感应强度为0 0 4 5 0 0 5 t ； 而钢的约为0 0 8 o 0 8 5 t ，铜的约为0 0 9 4 0 0 9 9 1 ；而镁铝合金则较小，约为0 0 3 8 0 0 4 3 t ：研究表明，金属电磁铸造所需感应器电流及磁感应强度大小取决于金属的密度， 而金属的电导率的大小则决定了电源频率的选择。 电磁铸造成型无量纲判据的建立及电磁力计算程序的编制，为不同金属电磁铸造感 应器的设计及铸造工艺参数的选择提供了依据。 关键词：电磁铸造，电磁力，电磁成型可行性，数值计算，互感耦合模型，电磁成 型无量纲判据，磁感应强度 a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g ( e m c ) i s a n o r i g i n a l m a t e r i a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a n da c o m p r e h e n s i v es u b j e c t b a s e do n m a g n e t o h y d r o d y n a m i c s ( m i - m ) a n d c o m b i n e dw i t h m e t a l l u r g i c a le n g i n e e r i n g o w i n g t ot h eo u t s t a n d i n gm e r i t so f e m ci ni t sh i g hs m o o t hs u r f a c e g o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dh i g hp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , w h i c hh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t m e t h o dt op r o d u c e h i g hq u a l i t ya l u m i n u ma l l o y s w i t ht h ei n c r e a s i n g l yd e v e l o p m e n to f e m c i na l u m i n u ma l l o y sa n dt h em e r i t so fe m c ，m o r ea n dm o r er e s e a r c ha n de x p e r i m e n t sh a v e b e e nc a r r i e do u ti nt h ee m cf o rc o p p e r , s t e e la n d m a g n e s i u ma l l o y t h ek e yt e c h n i q u et oe m ci st h es h a p i n go fl i q u i dc o l u m no fm e t a lu n d e rt h ep r e s s u r eo f m a g n e t i cf i e l d d u et ot h ed i s t i n c te l e c t r o m a g n e t i ca n dp h y s i c a lp a r a m e t e r s ，t h ef e a s i b i l i t yo f t h e e l e c t r o m a g n e t i cs h a p i n gu n d e rm a g n e t i c f i e l di sd i s t i n c tt od i f f e r e n tm e t a l s f o rt h e p u r p o s e o fa n a l y z i n gt h e f e a s i b i l i t yo fe l e c t r o m a g n e t i cs h a p i n go fd i f f e r e n tm e t a l s ，t h e d i s s e r t a t i o nh a ss t u d i e dt h ef e a s i b i l i t yo f e l e c t r o m a g n e t i cs h a p i n go f a l u m i n u m ，s t e e l ，c o p p e r a n d m a g n e s i u ma l l o yb y m e a n so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o m b i n e dw i t he x p e r i m e n tr e s e a r c h t h em a i nw o r kf o r 也i sd i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s ： b a s e do nt h e p r i n c i p l e o f e l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g t h e m a x w e l l s e q u a t i o n s ，t h e e l e c t r o m a g n e t i c f o r c ei n d u c e di nm o l t e nm e t a lo fc y l i n d r i c a l i n g o t w a s a n a l y z e d a n d n u m e r i c a l l ys i m u l a t e d c o m p a r e dw i 血t h e t r a d i t i o n a le x p r e s s i o no ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c e 只= b2 2 , u t h a t s i m p l y c o n s i d e r st h e m a g n e t i c f l u x d e n s i t y i n c o m p u t e dg r i d s ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fe l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei nt h i sp a l ： e rt a k e si n t oa c c o u n t 也ee f f e c to f 1 e g r a d so fm a g n e t i cf i e l do n i t b a s e do nt h em o d e lo ft h ec o u p l e dc i r c u i tm o d e l ，t h em a g n e t i c f i e l di nm o l t e nm e t a lw a sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e d ；t h e nt h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c ea n dt h e e l e c t r o m a g n e t i cp r e s s u r e f o r a l u m i n u m ，c o p p e r , s t e e l a n dm a g n e s i u m a l l o y w e r ea l s o n u m e r i e a l l ys i m u l a t e d m e a n w h i l e ，t h e i n f l u e n c eo ft h e m a g n e t i c f i e l du n d e rd i f i e r e n t i n d u c t o r , c u r r e n t ，f r e q u e n c yo nt h ee l e c t r o m a g n e t i cp r e s s u r ew a si n v e s t i g a t e d c o n s i d e r i n g t h eb a l a n c eb e t w e e nt h ee l e c t r o m a g n e t i cp r e s s u r eo nt h es u r f a c eo f m o l t e nm e t a la n dt h es t a t i c p r e s s u r eo fl i q u i dc o l u m n ，t h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o no fe m c f o ra l u m i n u m ，c o p p e r , s t e e l a n dm a g n e s i u ma l l o yw a ss t u d i e d a sar e s u l t ，t h ee l e c t r i cp a r a m e t e r sa n dt h em i n i m u m m a g n e t i cf l u xd e n s i t y f o rd i f i e r e n tm e t a l sw e r ep r e s e n t e d ，w h i c hw i l lc o n t r i b u t et ot h e e x p e r i m e n t so f e m c o f t h o s em e t a l s a ne l e c t r o m a g n e t i cd i m e n s i o n l e s sn u m b e r ( e m d n ) ，w h i c hc a nb eu s e dt oa n a l y z et h e i i 大连理工大学博士学位论文 f e a s i b i l i t yo fd i f f e r e n tm e t a lt oa c h i e v ee m c ，w a sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r b yt h ea p p l i c a t i o n o f e m d n ，t h ef e a s i b i l i t y o f e l e c t r o m a g n e t i cs h a p i n g f o rs o m em e t a l sa td i f f e r e n t e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sw e r ea n a l y z e d ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sa n dt h er e q u i r e d m a g n e t i cf l u xd e n s i t y t oa c h i e v ee m cw e r ee s t i m a t e d t h ev a l i d i t yo ft h ee m d nw a s p r o v e d b y t h ee x p e r i m e n t so f a l u m i n u ma n ds n 一3 p ba l l o y a st h er e s u l t so f t h er e s e a r c hf o rt h ef e a s i b i l i t yo f d i f i e r e n tm e a l sb ym e a n so f e m d na n dt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em a g n e t i cf l u xd e n s i t yf o rd i f f e r e n tm e t a l si sd i s t i n c t ：f o ra l u m i n u m t h em a g n e t i cf l u xd e n s i t yr e q u i r e df o re m ci sa b o u t0 0 4 - 0 0 4 5t a n df o rs t e e lt h a ti sa b o u t o 0 8 o ，0 8 5 m a df o rc o p p e rt h a ti so 0 9 4 0 0 9 9 t , a n df o rm a g n e s i u ma l l o yt h a ti s a b o u t o 0 3 8 0 0 4 3 tm e a n w h i l e ，i tc a nb ec o n c l u d e db yt h er e s e a r c ht h a tt h em a g n e t i cf l u xd e n s i t y o fe m cf o rs o m eam e t a l i i e so ni t sd e n s i t y , a n dt h ec o n d u c t i v i t yo ft h em e t a lc o n f i n e st h e c h o i c eo f t h ef r e q u e n c yi ne m c t h ee s t a b l i s h m e n to fe m d na n dt h ep r o g r a m m eo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c ep r o v i d et h e g u i d a n c e f o rt h ed e s i g no f t h ei n d u c t o ra n dt h ec h o i c eo f e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r so f e m c f o r d i f f e r e n tm e t a l s k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g ，e l e c t r o m a g n e t i c f o r c e ，e l e c t r o m a g n e t i cs h a p i n g f e a s i b i l i t y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ec o u p l e d c i r c u i tm o d e l ，e l e c t r o m a g n e t i cd i m e n s i o n l e s s n u m b e r , m a g n e t i c f l u xd e n s i t y i i i 大连理工大学博士学位论文 1 前言 11 引言 随着现代科技的飞速发展，对材料提出了越来越高的要求。在能源、信息、环境、 生命科学的发展过程中，材料起到了先导的作用，是人类赖以生存和发展的物质基础。 它关系到国民经济、社会发展和国家安全，是国家综合实力的重要标志。实现国民经济 和科技的持续发展离不开材料科学的基础研究和实际生产运用，重视材料科学的研究具 有重要的现实意义。 对材料的凝固过程进行控制，可以改善铸锭的表面和内部质量，挖掘材料的潜在性 能以扩大铸造材料的应用范围，提高材料的利用率，减少能源消耗，降低材料的生产成 本。材料的电磁成型和加工技术就是重要的手段之一。在材料科学领域里，开发新材料 和材料制备新工艺、新方法是两个重要的研究领域。通过多学科交叉的现代科学研究模 式，提出一些新的材料制备理念成为材料制各领域的新特点，材料的电磁加工便是其中 之一，其显著特点是将电磁能以场的形式转换为材料制各过程中的热能和动能，对材料 的制备工艺、组织和性能产生了质的影响。从环境角度来看，电磁设备和材料之间不直 接接触，对被加工材料污染较小，可生产出高纯度的材料。 电磁场技术应用于材料加工，归功于研究电磁场和金属流体之间相互关系的磁流体 力学的发展。早在1 8 2 3 年，法拉第就开始研究海洋流动和地磁场的关系，开始注意磁 流体力学现象。1 0 0 年后，穆克1 9 2 3 年提出了“悬浮熔融”的方法，布劳贝克同时也已 经认识到旋转磁场可使流体旋转。1 9 6 1 年朗金贝格指出，在交变磁场中会将凝固过程中 的铸锭晶粒细化，这促使泡普麦尔等人把电磁搅拌应用到钢的连铸生产上，同时揭开了 电磁技术在冶金等材料加工领域应用的序幕。1 9 6 5 年，前苏联盖兹列夫等人利用磁控成 型技术对铝及其合金实行电磁铸造( 无模成型) 并应用于工业上。1 9 8 2 年9 月在英国剑 桥大学，由国际理论力学和应用力学协会( i u t a m ) 首次主持召开磁流体力学在冶金中 应用的国际会议，它标志着电磁冶金技术已在国际学术界引起了重视 1 】。近几年来，材 料的电磁工艺广泛应用于有色金属和黑色金属的冶金过程及其它材料加工领域，极大地 推动了材料科学的发展。 表1 - 1 展示了电磁技术在材料学科中的应用【2 j 。可以看出材料的电磁处理包含有感应 加热 3 , 4 1 、电磁搅拌 5 。1 0 】、冷坩埚悬浮熔炼【1 1 “15 1 、电磁泵【1 乱18 1 、电磁阀旧20 1 、电磁雾化2 1 ， 2 2 1 、流体测量2 m 卯、电磁流变铸造2 6 2 9 1 以及电磁复合铸造 3 汕3 3 】。材料的电磁加工被认 为是最具活力的工程技术之一，正得到从高校到企业的众多专家的重视和研究。 1 前言 1 2 电磁铸造技术的原理及特点 电磁铸造技术是磁流体力学与铸造工程相结合的应用技术，目前已成为铝合金连续 铸造的三大生产方法之一。图1 1 所示为普通连铸和热顶铸造的基本原理 3 4 1 。 表1 - 1 按电磁功能对材料的电磁处理分类 t a b l e1 - 1c l a s s i f i c a t i o no f e l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s e sb yt h ef u n c t i o n 基本原理材料处理的功能工艺 形状控制冷坩埚悬浮熔炼，立式电磁铸造，金属薄膜的磁成型，塑 性变形( 由非均匀磁场形成的变形) 驱动液体电磁搅拌，电磁泵 抑制流动卓克拉尔斯基磁力法，磁力制动，抑制波动 电磁体积力 悬浮水平式电磁铸造，气泡形成的时间控制，非金属夹杂物的 电磁分离 雾化电磁雾化 焦耳热量热量生成冷态坩埚，悬浮熔炼，高频磁场加热，直接加热 楞次定律探测速度传感器 精炼电磁精炼，非金属夹杂物的电磁分离 综合功能凝固组织的控制晶粒细化，单晶生长，非晶态金属物的生成 普通连铸( d c ) 法和热顶( h o t - t o p ) 铸造法中 凝固过程由结晶器的一冷和冷却水的二冷控制 的项部由耐火保温材料取代 3 5 , 3 6 。 液体金属的形状依靠水冷结晶器约束， 两者的区别在于热顶铸造法中，结晶器 浇注系统 漂浮漏斗 结晶器 冷却水 铸锭 冷却 底模 图1 - 1 普通连铸法和热顶铸造法 f i g 1 - 1d i r e c tc h i l lc a s t i n ga n dh o t t o pc a s t i n g 2 大连理工大学博士学位论文 电磁铸造( e l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g - e m c ) 是利用电磁感应原理实现的无模连续铸 造技术【3 “。其原理如图卜2 。电磁铸造中，其显著特点是用感应器代替了结晶器，液体 金属的形状由电磁力约束。当感应器线圈中通过交变电流厶时，在线圈内产生交变电 磁场日，磁场作用于液体金属形成与厶方向相反的感应电流，磁场与感应电流交互作 用产生向内的电磁力f = j x b ，f 从侧面约束金属熔体使其保持柱面。在感应器下方喷 水冷却，液态金属与感应器无任何物理接触，在保持自由表面状态下水冷凝固。当电磁 力与液体静压力保持平衡伊。= 只= p 的j 时，才能获得稳定的断面形状。屏蔽罩的作 用是使电磁力的分布近似于液体静压力的分布，并减弱液面附近电磁搅拌引起的熔体流 动，使液柱保持稳定。底模向下移动，从上方不断注入铝液，保持液柱高度h 不变，就 可连续铸造出表面光滑的铸锭。 肴自私 弋、竺尸 电磁压力静压力 图1 - 2 电磁铸造原理图 f i g 1 - 2p r i n c i p l eo f e l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g 因为液态金属在电磁力约束下不与铸模接触、保持自由表面的状态下凝固，其表面 接近镜面，又由于它受到强磁场的电磁搅拌作用，金属的内部组织得到改善，具有优异 的性能。 与普通连铸( d i r e c tc h i l lc a s t i n g - - d c ) 法生产的铸锭相比，e m c 法有以下优点： ( 1 ) 铸锭表面光滑，在压力加工前可以不铣面或少铣面。而d c 法生产的铸锭表面不 可避免地造成偏析瘤、冷隔和拉伤等缺陷，水冷铸模与金属间气隙的存在常使铸锭边部 出现成分偏析和晶粒粗大 3 8 】等问题，轧制前必须进行铣面处理，铣面量软合金为5 1 0 m m ，硬合金为1 5 2 5 m m 。另外，d c 法生产的铸锭由于热轧产生裂边问题，还必须进 行切边加工。所以，e m c 法使金属利用率提高，节省能源和减少工序； ( 2 ) 电磁铸造中液态金属是在电磁力的约束下水冷强迫凝固，电磁搅拌作用使铸锭的 内部组织致密、均匀，消除了d c 法铸锭表面层附近出现的粗大晶粒带，材料的机械性 能特别是压延性能大大提高，铸锭横截面的密度和硬度增加； ( 3 ) 铸造速度高，一般比d c 法提高1 0 3 0 ，提高了生产效率； ( 4 ) 冷却水消耗量降低1 5 2 倍； 1 前言 ( 5 ) 无需弯曲铸锭，也不再需要锭与铸模间的润滑系统，减少了设备开支。 电磁铸造是目前生产优质铝合金铸锭的较好方法【3 9 埘 。由于铝合金材料的性能在很 大程度上取决于铸锭的质量，对于要求较高的材料，例如冲制易拉罐的3 0 0 4 合金板材、 一些航天航空材料等，采用电磁铸造法生产的铸锭，其成材率和产品合格率都高于其它 方法生产的铸锭。 1 3 电磁铸造技术的历史与发展 1 3 1e m c 的历史与工艺发展 始于直接水冷铸造的现代铝连铸， 在发展了热顶铸造、水平铸造 4 3 】、熔 体轧制等新工艺后，又出现了具有极大 优势的电磁铸造技术。1 9 6 0 年，前苏 联的g e t s e l e v 等首次提出e m c 的概 念，并于1 9 6 6 年在实验室条件下制得 第一个铸锭。其后，又在1 9 6 9 年工业 上铸造出直径2 0 0 5 0 0 m m 的圆锭( 其 工艺同时也适用于3 0 0x1 2 5 0 1 5 5 0 m m 2 方锭) 并将这一工艺向捷克、 东德、匈牙利等东欧各国推广。1 9 7 3 年，美国的k a i s e r 公司、瑞士a l u s u i s s e 公司引进e m c 专利，a l c o a 、r e y n o l d s 、 p e c h i n e y 、三菱、住友等公司的大型铝 厂也先后从a l u s u i s s e 公司引进e m c 技术似4 6 1 ，1 9 8 5 年的铸锭产量已达4 5 万吨【4 7 】。 图1 - 3 g e l e c 设备简图 f i g1 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h eg e l e ca p p a r a t u s 在此基础上，各国又发展了水平e m c 、提升式e m c 及其它金属的e m c 工艺 4 8 , 4 9 1 ， 如美国的g e 公司为了提高有色金属管棒材的生产效率开发出上引式e m c 法( g e l e c 法g el e v i t a t i o ne l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g ) ，如图1 3 所示，液态金属由箭头所指方向流 入，在石墨制成的冷却室中受到向上行波磁场和冷却水的共同作用，在重力被电磁力抵 消，与结晶器侧壁无接触的条件下凝固。所铸出的管或棒材的表面非常光滑，内部成分 均匀、组织致密，延伸性能好，经图中所示引导轧制辊( r o l l e r ) 轧制后，可一次成型为 所需规格，也可作为拉拔等下道工序的坯料。该法利用行波磁场向上的电磁力抵消重力， 环形线圈向轴线方向的挤压力使液态金属脱离结晶器壁后凝固，其工艺过程稳定且便于 操作。 立式电磁铸造一般只能达到半连续化生产，还不能满足某些生产的要求，一些学者 提出了类似水平连铸的水平电磁铸造法。浅井滋生等提出用直流电实现铝薄板电磁铸造 4 大连理工大学博士学位论文 的方法【5 0 1 ( 如图1 - 4 所示) 。 ( a 1 主视图 ( b ) 俯视图 图1 4 浅井滋生提出的直流电水平电磁铸造法 f i g1 - 4s c h e m a t i cd i a g r a m o f h o r i z o n t a le l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n gw i t hd i r e c tc u r r e n t 与此不同，美国能源部申报了交流电水平电磁铸造的方法【5 ”，如图l 一5 所示。被铸 金属位于铁芯之间，上面线圈与金属液之间有一金属板，金属板一边与金属熔池 相接，另一边通过引导轧辊与被铸金属板相接，形成一导电闭合回路，在交变磁 场的作用下，这一闭合回路中产生感生电流，使得金属悬浮，冷却剂从上下两面 喷出使金属液凝固，引导轧辊引导金属板运动形成连铸过程。当金属板受干扰向 下偏离时，闭合回路面积增大，感应电流增加使浮力增加，金属板受力回到原位， 反之亦然，因而使这一装置具有自动稳定功能。这一发明如能实际生产将改变铸 轧系统，铸造优质铝合金薄板，并有可能开发钢板的水平电磁铸造法，也将会列 金属板材的热加工方法带来巨大变化。 底鄯线圈 图1 - 5 美国能源部申报的水平电磁铸造装置 f i g1 - 5s c h e m a t i cd i a g r a m o f h o r i z o n t a le l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n gw i t ha l t e m a t i n gc u r r e n t 水平电磁铸造可制取板带、板材。但是，在磁场设计、凝固控制和铸造工艺 等方面存在相当的难度。迄今为止，薄板水平电磁铸造技术尚未实用化。 此外，0 1 i n 公司还开发出一种生产透平机叶片的电磁铸造法，其结晶器可由一齿 轮带动旋转，感应器做成透平机叶片的截面形状。在铸造过程中，调节外加电流的大小 1 前言 可以改变铸锭的截面尺寸，齿轮缓缓转动，使拉出的铸锭成为螺旋状。用该法生产的叶 片具有光滑的表面，且生产率也大为提高。 1 3 2 电磁铸造过程数值模拟的发展 电磁铸造数值模拟一直以来被广泛的应用于新型感应器结构的设计研究、铸造参数 对铸锭性能影响等方面的研究，譬如铸造速度、铸锭尺寸、铸造温度、冷却水流量等。 由于电磁铸造的铸坯成型过程同时受到电磁场、温度场、应力场、流速场和浓度场的综 合作用，工艺过程比普通铸造和连续铸造复杂的多。并且，所有这些过程都与金属材料 的物性参数紧密相关。对电磁场、温度场、流速场进行数值模拟对电磁铸造成型系统的 优化和工艺过程的控制具有特别重要的意义，所以许多学者在实验研究的同时，对电磁 铸造的某些过程进行了数值模拟，各种数学模型 s 3 - 5 5 的建立对电磁铸造技术的发展起到 了极大的促进作用。各种相关数学模型的建立对电磁铸造温度场、电磁场及流场的数值 研究提供了可能性，同时，它也成为理解电磁铸造凝固过程、电磁场及流场现象的一个 重要工具。 j d l a y e r s 较早对e m c 运用数值方法进行了分析。1 9 8 1 年，他提出了解析电磁场的 一维、二维数学模型，用于电参数的初步估算 5 q5 7 o 还给出了不同频率、不同感应器形 状、位置及屏蔽罩位置变化对磁场分布、体积力分布的关系曲线，得出了很多有实用价 值的结果。此后，m r a l u m e d ” 进行了圆锭电磁铸造的电磁场数值模拟的计算。 1 9 8 5 年，法国a v i g n o n 大学的c h r i v e s 在实验室测量了磁场分布，初步分析了电 参数的变化对磁场的影响。他还和r r i c o u 用特制的磁铁测头直接测定了圆铸坯液穴内 的流场。结果表明，调整屏蔽罩的位置将改变流体流动的方向 5 。如图1 - 6 所示为 c h v i v e s 等利用水银模拟铝液研究屏蔽罩和感应器之间的相对位置对熔池内熔体流动 的影响 6 。】。 1 9 8 6 年法国学者j l m e y e r 。l ，6 2 】以及美国的j s e z e k e l y 等人建立了铝熔体内电磁 力场及速度场数学表达式，并理论分析了铝熔体内的速度场及电磁力场分布规律，以及 有无屏蔽罩和屏蔽罩位置对熔体内速度场、水平电磁力、垂直电磁力分布和大小的影响。 为设计合适的屏蔽罩以确保熔体表面足够的电磁约束力及尽可能减小熔体液柱内的对 流提供了理论指导。 1 9 8 7 年j s a k a n e ，b q l i 和j w e v a n s 建立了用于计算圆锭电磁铸造感应器内液柱 形状及熔体流动的数学模型1 6 3 】。并针对两种不同的感应器结构进行了数值计算，确定了 液柱弯月面形状以及熔体流动速度与感应器结构、感应器位置、电源电流、频率以及屏 蔽罩形状及位置的依赖关系。另外还研究了低频情况下熔体内的流动状态。 1 9 8 9 年，i k u t om i y o s h i n o ，e i i c h it a k e u c h i 等对交变磁场下金属熔体内的磁流 体动力学进行了数值研究畔1 。并采用水银对电磁作用下的弯月面形状、熔体的流动方式 以及熔体液柱内电磁压力梯度分布进行研究。1 9 8 8 年j w e v a n s 【6 ” 提出了二维场的互 感耦合模型。此后，他和b q l i ，d e c o o k 等对圆形感应器液柱形状进行了数值模拟【6 ”， 模拟出不同工艺参数对液柱高度及形状的影响，计算结果指出了优化装置的方向。但在 模拟过程中，只计算出形状非常规则的感应器和屏蔽罩。他还计算了e m c 的流速场，结 大连理工大学博士学位论文 ；i i i i i 薯宣i 宣；i i i ；i ；i i 皇宣叠i i i i ；i i i i ；i i i i ；罱赫涵i 赢： 果显示e m c 中金属流动为与中轴对称的双环形式。 1 9 9 1 年日本学者h i t o s h in a k a r a 和美国学者j a c q u e l i n ee t a y 采用有限差分方程 对电磁作用下二维钢锭的弯月面形状进行了数值计算【6 8 】。计算发现，就支撑弯月面而言， 采用短线圈时的弯月面形状较相同磁感应强度下的长线圈作用下的弯月面形状更为理 想。 口_ l 图1 - 6 屏蔽罩的位置对液体金属熔池内流速场分布的影响 f i g ，1 6e f f e c to f t h ep o s i t i o no f s c r e e n o i lt h ed i s t r i b u t i o no f f l u i df l o wi nl i q u i db a t h 1 9 9 4 年d e c o o k 6 9 1 和j w e v a n s 7 0 ，7 1 1 提出了用于计算三维扁锭电磁铸造计算模 型，并且研究发现，三维模型下的熔体流动是三维的，熔体的流动受到屏蔽罩位置的强 烈影响 7 2 1 。 1 9 9 5 年，r k a g e y a n a 和j e v a n s 提出了研究电磁力作用下熔体内电磁驱动流动及 液柱自由表面行为的数学计算模型【7 3 】。利用该计算模型对熔体自由表面的动力学行为进 行数值计算。采用水模型模拟钢连续铸造过程对自由表面的波动行为进行实验研究。研 究结果表明，自由表面波动具有一个主导性的波长及频率，并且波动幅度与流动动力压 头成正比。 1 前言 电磁铸造中的温度场决定着固一液界面的位置、凝固过程、应力分析、裂纹形成以 及凝固组织等，是确定合理铸造工艺的基本依据。对e m c 过程的温度场进行数值计算 具有重要的意义。 d c p r a s s o 和j w e v a n s 等人相应地建立了扁锭铸造的三维温度场模型，并利用该模 型模拟了截面为1 0 2 0 r a m 7 6 0 m m 的3 1 0 4 和5 1 8 2 合金铸锭的温度场，讨论了铸造速度 和冷却强度对液固界面的影响。认为e m c 的温度分布及液穴深度与铸造速度关系很大， 而与冷却水量关系不大 7 4 ，7 ”。并在实验基础上建立了描述扁锭e m c 传热与凝固过程的 三维数学模型。r a p p a z 和t o u z a i ”】提出了用来模拟扁锭的二维模型，并同时考虑了电 磁场、流速场和温度场。此外，k u r z 和f i s h e r 对电磁铸造的微观组织进行了模拟预测。 1 4 国内电磁铸造技术的研究概况 我国的电磁铸造技术研究起步也较早，7 0 年代中期，东北轻合金加工厂开始这方面 的研究 7 ”。并于1 9 8 2 年生产出铝合金圆锭，但因缺乏基础理论和配套设备的系统研究， 工艺操作难度较大，没有实现自动控制，致使这一技术实际上被搁置起来，未能在生产 中发挥应有作用。“七五”期间，中国有色金属工业总公司主持将铝合金方锭的电磁铸 造方法列入国家攻关计划，组织大连理工大学、西南铝加工厂、北方工业大学、东北轻 合金加工厂共同进行开发研究，并取得了一系列成果【7 8 j 。 大连理工大学电磁铸造实验室在国家自然科学基金和辽宁省科技基金的支持下，在 金俊泽教授领导下进行了电磁铸造的中试实验，建立了中试基地；优化设计感应器结构， 确定成型控制参数，铸造出中1 8 0 m m 及1 3 0 r a m 5 2 0 r a m 多种优质铝合金铸锭口”2 j ( 如图 1 7 所示) ；对电磁铸造过程温度场、电磁场、应力场进行了实验测量与数值模拟，总结 出一套工业生产实用的关键技术 8 3 8 6 ；进行了电磁铸造一机双锭的中试实验，成功铸出 了国内第一对一机双锭的电磁铸造铝合金圆锭( 如图l 一8 所示) ，为在工业上实现电磁 铸造一机多锭打下基础“。 图1 7 铝合金电磁铸造圆锭、扁锭 f i g1 - 7a ic y l i n d r i c a li n g o ta n ds q u a r ei n g o tb ye m c 大连理工大学博士学位论文 电磁铸造铝合金薄板可直接冷轧，既节省能源，又减少加工工序和设备投资，成为 人们目前关注的热点课题。由于铝薄板液柱宽而薄，液柱的稳定成型是关键。同时，浇 注时金属流量的微小变化容易造成液柱高度大幅度的波动，从而导致薄板尺寸偏差和表 面粗糙。张兴国教授等提出热顶电磁铸造技术，设计制作了热顶电磁铸造成型系统，采 用数值模拟方法计算了温度场，优化了铸造工艺参数，铸造出尺寸为4 8 0 2 0 8 5 0 n m l 的铝薄板样品 8 8 9 0 】。( 如图1 - 9 ) 图1 - 8 一机双锭电磁铸造铝合金圆锭 ( 尺寸为02 4 0 m m 4 0 0 m m ) f i g 1 - 8 d o u b l e a la l l o yr o u n d i n g o t b y e m c 图1 - 9 电磁铸造铝合金薄板 f i g 1 - 9a ia l l o ys h e e tb ye m c 国内，在电磁场数值模拟方面，大连理工大学的金俊泽、张兴国、曹志强等人对铝 的电磁铸造从磁场分布、电磁压力与感应热计算、电参数选择等多个方面进行了深入的 研究，取得了很大的成果 9 1 9 9 1 。朱晓鹰1 。1 ，孙义海 1 0 1 等对电磁铸造感应器内的磁场分 布以及负载时液柱形状的电磁场进行了数值计算，对电磁铸造感应器内磁场分布与电力 参数及感应器结构的关系作了详细探讨，指出了感应器内磁场的分布规律。周永东【1 0 2 3 等对钢电磁连铸结晶器系统内的磁场分布以及结晶器结构和电磁参数对结晶器内磁场 影响进行了具体研究，得出了大量有用数据并建立了与本实验室相符的e m c 数学、物 理模型，并依次修正了有关工艺参数。 半悬浮金属液柱的高度、形状和稳定性等成型特性的控制是电磁铸造技术的关键 ”。”。对液柱的要求是：适当的高度，垂直的侧面和稳定的表面1 06 1 。对各种工艺参数 进行控制，主要目的是维持稳定而且合理的液柱高度。 液柱高度的波动会造成铸锭尺寸的变化，甚至导致铸造过程的失败和提前中止。当 屏蔽罩位置和通过感应器电流的大小一定时，只有保持适当的液柱高度，液体金属的侧 面才会形成垂直于水平面的柱面，铸出合格的铸锭。液柱过高或过低都不能形成垂直的 柱面，铸造过程难以进行。 图卜l o 图卜1 2 显示了液柱高度对铸锭质量的影响。李朝霞 1 ”】博士将神经网络技 术应用于电磁铸造液柱成型控制中，采用基于神经网络的模糊方法，通过对铸造系统电 信号进行跟踪、识别，预测液柱高度，使得电磁铸造过程中液柱高度更加稳定。 1 前言 图1 1 0 液柱过高时向外倾斜 f i g 1 - 1 0l e a no u t w a r dc a u s e db y h i g hl i q u i dc o l u m n 图1 - 1 1 液柱过低时向内倾斜 f i g 1 1 0l e a ni n w a r dc a u s e db y l o wl i q u i dc o l u m n 图1 ，1 2 液柱高度的波动对板 坯表面质量的影响 f i g 1 1 2i n f l u e n c eo f f l u c t u a t i o n o ns u r f a c eq u a l i t y 在温度场及凝固组织数值模拟方面，大连理工大学的金俊泽、郑贤淑等人采用数值 计算与实验相结合的方法对电磁铸造铝板坯温度场及其变形进行了大量研究。研究得出 了不同工艺参数对大板坯温度场的影响 1 0 8 l ，大板坯不平直度 1 0 9 1 、大板坯热裂纹萌生机 理 及对大板坯实验工艺参数的优化方法 1 “】。 北京科技大学的周士平研究了单锭、双锭系统冷态模型的磁场分布规律，认为除角 部因叠加效应磁场较高外，在铸锭其它区域分布均匀 i 1 2 1 0 上海大学的任忠鸣、邓康等建立了交流水平悬浮电磁连铸电磁场数学模型 1 ”】，并对 其进行数值计算，对水平悬浮电磁连铸电磁场及悬浮特点 1 1 4 进行了研究。研究表明， 电磁悬浮力随着电流的增大近似呈抛物线增大，随着频率的增大悬浮力也同样增大，但 当频率增大到一定程度后，悬浮力不再增大。 计算机在材料加工工程中的应用大大降低了研究成本、缩短了研究时间，将经验转 化为规范，指导了材料科学的发展。计算机仿真模拟是材料科学研究的热点之一，在成 型铸造过程中，计算机已经在工艺辅助设计、铸造缺陷分析和凝固组织预测等多方面得 到实际应用，并已取