（材料加工工程专业论文）软铝板坯低频电磁半连续铸造的工艺研究.pdf

东： 匕大学硕士学位论文摘要 软铝板坯低频电磁半连续铸造的工艺研究 摘要 本文系统研究了低频电磁场对铝合会熔体凝固过程的影响，通过数值模拟、实验和 理论分析提出了低频电磁场能够有效改善材料的铸态微观组织，减弱材料的宏观偏析以 及有利于铸锭均匀化退火后形成细小弥散相。在此基础上，j ：发了低频电磁场作用卜锚 合金电磁铸造的新工艺，获得了晶粒均匀细小及宏观偏析明显改善的3 0 0 4 和5 1 8 2 铝合 余半连续铸锭。 理论分析表明，采用较低频率的电磁场及配合适当的强度，不但能增大熔体表层电 磁力的有势分量，使熔体形成弯月丽，减小其与结晶器的接触i 在力与接触哑积，改善铸 锭表面质量：丽且能增大熔体内部电磁力的有旋分量，产生强制对流，使整个熔体的温 度场和溶质场趋予均匀：更重要的是，整个熔体能够在较强的儿相对比较均匀的电磁场 作用下凝固，达到电磁场调控凝固组织的目的。 本文使用有限元分析软件a n s y s 模拟了不同电流频率和电流强度下，留j 合金板坯低 频电磁铸造过程中电磁参数的分布情况。并分析了磁感应强度、洛伦兹力、电磁j l i 力随 电流强度和电流频率的变化规律。通过模拟结粜发现：磁感应强度和电磁j k 力的最人值 都出现在铝熔体和铸坯的角部，从角部向两侧逐渐减少。h o r e n t z 力的鼹小值m 现在钳 熔体和铸坯的角部，从角部向两侧逐渐增大。随着电流强度的增大，磁感应强度、f 乜磁 藤力均明显增大，随着电流频率的增大，磁感应强度、电磁压力都有所增大缸i 不f 1 分明 显：随着电流强度和频率的增大，l o r e n t z 力逐渐增大。 本文还系统考察了电磁场参数对低频电磁铸造板坯铸态微观组织的影响。通过埘封【 织的观察，发现随着电磁场强度的增加或频率的降低，微观组织得到了明显的改善。结 台数值模拟的结果表明电磁场引起的强制对流起到了很好的电磁搅拌作用，从而细化了 晶粒。 通过对铸锭横截瞬上不同位置合金7 i 素的化学分析发现：在铸造过程中电磁场引起 的强制对流均匀了液穴的浓度场，抑制了宏观偏析，从而获得，溶质元素分布均匀的铸 锭。 最后，通过对两种合会均匀化前后第。：相形貌和元素扫描结果的比较，可以得出， 相比传统铸造 ：艺，低频电磁铸造( 简称l f e c ) 工艺得到的铸态组织第：相比较细小， 分布弥散；l f e c ：艺得到的铸锭比传统的d c 铸造工艺得到的铸锭均匀化效果明娃。 关键词：3 0 0 4 铝合金；5 1 8 2 铝合金：低频电磁场；半连续铸造：凝固；微观组织；均 匀化退火；宏观偏析；数值模拟 。 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c i s t u d y o ns e m i c o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s so fl o w s t r e n g t ha l u m i n u ma l l o y su n d e rl o w f r e q u e n c y e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d a b s t r a c t e f f e c t so fl o w - f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l do ns o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fa l u m i n u m a l l o y s a r e e x p e r i m e n t a l l y s t u d i e di n t h i s p a p e r b a s e d o nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，i ti sf o u n dt h a tt h el o w f r e q u e n c y e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dc a l lr e f i n et h ea s c a s tm i c r o s t m c t u r e so fi n g o t se f f e c t i v e l y , r e d u c et h e m a c r o s e g r e g a t i o na n dp r o m o t ef o r m i n gt h ed i s p e r s o i d s an e wt e c h n i q u ef o rs e m i - c o n t i n u o u s c a s t i n go fa l u m i n u ma l l o y sb ya p p l i c a t i o no fl o w f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l di s d e v e l o p e dt op r o d u c e3 0 0 4a n d5 18 2a l u m i n u ma l l o yi n g o t sw i t hf i n ea n du n i f o r ma s c a s t m i c r o s t r u e t u r e sa n dr e m a r k a b l yl e s sm a c r o s e g r e g a t i o n t h er e s u l to ft h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w st h a ta p p l i c a t i o no fs u i t a b l e f r e q u e n c ya n d i n t e n s i t yc a nn o to n l yi n c r e a s ei t sp o t e n t i a lf o r c e ，r e s u l t i n gi nt h ef o r m a t i o no fac o n v e x s u r f a c e ( m e n i s c u s ) a n dad e c r e a s ei nt h ec o n t a c t i n gp r e s s u r ew i t ht h em o l d ( s o f tc o n t a c t ) ， w h i c hc a nm a k es m o o t hs u r f a c eo fi n g o t s ，b u ta l s ol e a dt oah i g h e rr o t a t i o n a lf o r c e ，r e s t d t i n g i nas t r o n g e rf o r c e dc o n v e c t i o n ，w h i c hc a np r o d u c em o r eu n i f o r ms o l u t ea n d t e m p e r a t u r ef i e l d i na d d i t i o n ，t h ea i mt om o d i f ym i c r o s t r u e t u r e sc a nb ef u l f i l l e de a s i l yb e c a u s et h ea l l o ym e l t c a l ls o l i d i f yu n d e ras t r o n g e ra n du n i f o r me l e c t r o m a g n e t i cf i e l d i nt h i sp a p e r , b a s e do nc o m m e r c i a ls o f t w a r ea n s y s ，t h ed i s t r i b u t i o no fe l e c t r o m a g n e t i c f i e l dh a sb e e nc a l c u l a t e dw h e nt h es o u r c ec u r r e n tw a ss u p p l i e dw i t ht h ed i f f e r e n ti n t e n s i t ya n d f r e q u e n c yd u r i n gl f e cp r o c e s s a n dt h er u l e so ft h ev a r i a t i o no fm a g n e t i cf l u xd e n s i t y ， l o r e n t zf o r c ea n de l e c t r o m a g n e t i cp r e s s u r ew i t ht h ev a r i a t i o no f t h ei n t e n s i t yo rt h ef r e q u e n c y o ft h ec o i lc u r r e n th a v e b e e na n a l y z e d ，i ti ss h o w nt h a tt h em a x i m u mv a l u e so fb o t hm a g n e t i c f l u xd e n s i t ya n de l e c t r o m a g n e t i cp r e s s u r ea r ei nt h ec o m e ro f t h eb i l l e t b o t ho ft h e md e c r e a s e f r o mt h ec o m e ro ft h eb i l l e tt ot w os i d e s t h em i n i m u mv a l u eo fl o r c n t zf o r c el o c a t e si ut h e c o m e ro ft h eb i l l e ta n di n c f e a s ef r o mt h ec o m e ro ft h eb i l l e tt ot w os i d e s m a g n e t i cf l u x d e n s i t ya n de l e c t r o m a g n e t i cp r e s s u r eg r a d u a l l yi n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h ei n t e n s i t yo t t h es o u r c ec u r r e n t b u tm a g n e t i cf l u xd e n s i t ya n de l e c t r o m a g n e t i cp r e s s u r ei n c r e a s es l i g h t l y w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ef r e q u e n c yo ft h es o u r c ec u r r e n t l o r e n t zf o r c ei nt h eb i l l e tg r a d u a l l y i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f t h ei n t e n s i t yo rt h ef r e q u e n c yo f t h es o u r c ec u r r e n t 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h ee f f e c t so ft h ee l e c l r o n m g n c t i i cp a r a m e t e r so nt h em i c r o s t m c t u r eo ft h eb i l l e t sh a v e b e e ni n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em i e r o s t r u e t u l e so ft h ei n g o t sa r ee f f e c t i v e l y r e f i n e dw i t hi n c l e 勰ei ne l 髓钾嘲埘增雠i n t e n s i t ya n dd e c r e a s ei ne l e c t r o m a g n e t i c 在鞠u e l 托y b a s e do nt h er e s u l t so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni ti sf o u n dt h a tt e m p e r a t u r ef i e l da n d c o n c e n t r a t i o nf i e l da r cu n i f o r m e d , t h ea m o u n to f g r 8 i nn u c l e ii nt h em e l ti si n c r e a s e db yt h e v i g o r o u sf o r c e dc o n v e c t i o ni n d u c e db ya l t e r n a t i n ge l e c t r o m a g n e t i cf i e l d a sar e s u l t ，u n d e r s u c he x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n , t h eb e s te l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e ri s1 0 h za n d1 2 0 a b a s e do nt h ec h e m i c a la n a l y s i so ft h es a m p l ea tt h ed i f f e r e n tp o s i t i o no ft h ei n g o tc r o s s s e c t i o n ，i ti so b s e r v e dt h a tt h em a c r o s e g l e g a t i o ni nt h ei n g o ti si m p r o v e dd u et ou n i f o r m c o n c e n t r a t i o n l di n d u c e db yt h ev i g o r o u sf o r c e dc o n v e c t i o n f i n a l l y , t h es h a p eo ft h es e c o n d - p h a s ei nt h ea s - c a s tm i c r o s t r u c t u r eo f t h ei n g o t sc a s tb y d cc a s t i n ga n dt h el f e cp r o c e s sb e f o r ea n da f t e rt h eh o m o g e n i z i n ga n n e a l i n gi si n v e s t i g a t e d c o m p a r e dw i t hd cc a s t i n gp r o c e s s , t h ea s - c a s tm i c r o t m a k t u l eo ft h ei n g o t sc a s tb yl f e c p r o c e s sh a v et h es m a l k , a n dm o l ed i s p e r s i v es e c o m b p h 醴e t h ee f f e c to ft h eh o m o g e n i z i n g a n n e a l i n go f m ei n g o t sc a s tb yl f e c i sb e t t e rt h a nt h a tb yd cc a s t i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：3 0 0 4a l u m i n u ma l l o y s ；5 1 8 2a l u m i m m aa l l o y s ；l o w f l e q u a a e r , e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d ；s e m i - c o n t i n u o u sc a s t i n g ；s o l i d i f i c a t i o n ；m i e r o m n m t m e ；h o m o g e n i z i n ga n n e a l i n g ； m a e r o s e g r e g a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 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，小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。与我同王作 的问志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作，明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：宜撺 日期： 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：刚 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，允诌：沦丈被蠢阅和借 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宵关数据库进行榆索、交 流。 学位论文作者签名： h期： 另外，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： 签字目期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 材料电磁过程发展概况 1 1 1 材料电磁过程技术简介 现代科学技术的发展，特别是航窀、航天及核能等高技术的发展，对材料提j 叶l _ r 越 来越高的要求。在材料科学领域中，控制材料的凝固过程已经成为提高材料性能和，1 ：发 新兴材料的重要途径之一。近几十年来，凝固技术取得了许多蘧要进展，包括连续铸造 的扩大应用、定向凝固和单晶生长技术的完善、半固态从研究走向实际应用、材料电磁 过程得到得到快速发展等。如何创造各种凝固条件来控制材料的凝固组织、挖掘材料的 潜在性能，以获得具有优异性能和特定功能的新型材料，是各国材料开发科技人员广泛 关注的课题，材料电磁过程就是其中之一 1 】。 材料电磁过程( e l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n go fm a t e r i a l s ，简称e p m ) 是指将磁流体力 学( m a g n e t o h y d r o d y n a m i c s 。简称m h d ) 与材料加工技术结合起来，将电磁场应用于材 料制各和加工过程，从而实现对材料工艺过程的控制及材料组织和性能的改善。日河， 已经形成许多学科交叉、工艺手段繁多及应用广泛的研究领域12 - 7 。早在1 8 2 3 _ f 二，法拉 第就开始测量流体在电磁场中的流动情况，1 9 2 3 年，m u c k 提出了悬浮熔炼方法的号利： 1 9 4 2 年，a l f v e n 使磁流体力学体系化。然而，m h d 理论的系统发展和这螳原理的广泛 成用是从2 0 世纪6 0 年代开始的。目前，研究电磁场与金属流体之间相互关系的m h d 已经得到了很大发展。1 9 8 2 年，在英国举行的i u t a m ( 国际力学理论和应用联合会) 学术会议第一次提出了材料的电磁过程这一术语。近卜年束，这一技术在冶金丁：业中被 ，“泛应用，1 9 9 0 年和1 9 9 4 年先后在日本召开了第六届i i s s ( 国际钢铁研讨会) 会议和 第一届材料电磁工艺国际会议，这标志着e p m 时代的到来。近年来，感应加热、电磁 搅拌、电磁铸造等电磁过程已经广泛应用于有色金属和黑色金属的冶金过程， ：存许多 方面取得了很大进展。 目前，材料电磁过程技术使用的电磁场主要有以f j l 种【8 i ：( 1 ) 山传统线圈产生的 普通强度的直流磁场。主要用于控制液体金属的流动。例如，作为电磁制动抑制连铸结 晶器内钢液的流动、抑制中间包内钢液的紊流等；作为电磁“坝”，用j ：薄带连铸的侧 封等；改善冶金质量。( 2 ) 由超导线圈产生的高强度的直流蹬场。主要用f 控制液体金 属的流动，例如，作为电磁制动抑制连铸特别是高速连铸时结晶器内钢液的流动；控制 液体金属的形核、生长等凝固过程，开发新材料。( 3 ) 频率从几赫兹到数h e 赫兹的交 流磁场。交流磁场是材料加工过程中应用最广泛的一种磁场，可以通过磁场频率的选择， 将其应用于感应加热、电磁搅拌、电磁加压、电磁传输等i l = 艺过程，是控制液体会属传 东北起学硕士学位论文第一章绪论 输韵有力手段。( 4 ) 其他特殊磁场。铡如，移动磁场、脉冲磁场、变幅磁场等，差要用 于商效、节能等新技术工艺的开发上述各种磁场不仅可以单独使用，还可以几种磁场 或磁场和电场共同使用于某一材料加工过程。 目前，e p m 技术已成为提高材料制、节能、改蒋环境豹薰耍途径。魏着超替技术的 发展，用超导制作的线圈可以产生数特斯拉辨强磁场，超导强磁场的发展大大拓宽了材 料电磁过程的应用范捆，使电磁场不但可以用于控铺金属凝固，还可以糟予金属的防腐 和电镀甚至应用于非磁性物质秘金属材料。 近几十年来，在对材搴幸处理过程巾，施加电场翔( 或) 磁场这种方法对缀纯鼐粒、 改善组织有显著的作用，并且设备简单，可以在现有设备上进行改造，因此，这种晶粒 细化工艺一经出现，就受到了极大关注。根据不同需求，在很大范圈内。电蠲鞫磁场的 不同缀合( 稳定和，或变纯) ，对金属的凝嗣缀缀产生影晌。但对于电磁坜是通过f 么途 径影响凝固过程的，即电磁绥的律用枫理，目前还没有缱的说法。 通过已经取得的实验结果，可以看出，电爝秘磁爝帮哥以对凝围过程产壤暌鞋韵影 响，完全可能成为一种新的凝固控制技术。但是要真正利用电场、磁场进行实际的凝蠲 控制，必须解狡如下一系罗嘻技术和理论阿驻：( 1 ) 系统研究电场、磁爝与鼎粒缎纯效果 之间的定量关系或规律( 2 ) 研铷可用于生产的专用设备和装备，以便安全、灵活、盯 靠地对凝涧系统麓加合乎要求的电嫣和磁播。( 3 ) 研究墩墒与磁塌同时作用f 钓凝隧过 程。这个问题还没有引起人们的重视。( 4 ) 研究不同树辩在场作用下的凝固行为，以便 扩大应用菹遥。 表i i 按电磁功能对材料的墩鞋烛理分类 t a b l e1 1d 粕畦6 荫血融o f 妇啦阳硝黛掣吲如卵n 聃b yo i 粕枉 弛静靖如f u s i o n 基本原理材料娃理的功能一艺 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 材料的电磁场处理分类 1 1 2 1 电场和磁场的功能分类 根据电场、磁场对导电性流体所显示出的功能。按照材料电磁过程功能划分，町以 分为形状控制、驱动液体、抑制流动、悬浮、雾化、热量生成、探测、精练和凝固组织 的控制等功能。见上表1 1 。 1 1 2 2 电场和磁塌处理材料工艺分类 按照所加的电场和磁场类型，对处理工艺的分类如下列3 个表所示。 表1 2 按所加电场分类 t a b l e1 2c l a s s i f i c a t i o nb yt h ea p p l i c a t i o no f t h ee l e c t r i cf i e l d 移动交变磁场 ( 几h z - 6 0 h z ) 固定交变磁场直流磁场 ( 6 0 h z l m h z ) 连铸的电磁搅拌 a s e a s k f 精练 电磁泵 b 日转式电磁喷雾 高频感应电炉 电磁铸造 冷态坩埚 恳浮熔炼 卓克拉耳斯基磁力法 电磁制动 熔化金属的形状控制 双辊连铸中控制薄带钢边部形状 表1 4 同时使用电场和磁场 t a b l e1 , 4 c l a s s i f i c a t i o n b y t h e a p p l i c a t i o n o f t h ee l e c t r i cf i e l d a n d m a g n e t i c f i e l d 髓流电流，稳恒磁场 静磁场通电方式的电 磁搅拌 水平式电磁铸造 控制气泡发生率 电渣精练电磁搅拌 直流电流。交变磁场 焊接的电磁搅拌 交流电流，稳恒磁场 在电渣精练、真空电弧 炉耩练中控制金属流动 交流电流。交变磁场 电渣精练，电磁搅拌凝 固组织的细化 凝固组织的细化 为了形象地将材料的电磁处理体系表示出来，可将材料的电磁工艺作成书哇的形态 见下图1 1 。 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 1 材料的电戳：【艺树 h g ，i 1e l e e t r o m a s n e 如弘u 醇o f m a l e f i a l s 图1 1 中，树木的根部是支配本领域的基础工程辩学，右下方以模式化的方式表示 出等离子工程学、冶金工艺学、磁流体力学的关系。这三个学辩的重叠处就是材料的电 磁处理。由于材料电磁处理的最终目的是实现优质材辩的麓造，因此，冶金工艺学被置 f 中心位置。也就是说，材料的电磁处理是将电激流体力学和等离子工程引入冶愈：e 艺 学中，这就是构成了更坚固的树跟 图1 1 中的树枝部分可用柬谶明电磁处理的各种功能，露树页部分嬲说明有效利用 各种功能的不同工艺和技术。 ( t ) 发嬲的榜技韩分表示霹= 刹用扳墼控锯酶功能丽形畿立式电磁铸造、藩均匀磁 场变形、冷坩埚悬浮熔炼以及铸薄片的磁成形、塑性变形等各种：【艺和技术；还可利用 控制流动功艟而形成卓克拉耳额基磁力法、磁力制动、盘属薄片的边帮磁控南日撺镥8 波动 等各种工艺和技术。在其支滚部分还涉及蓟直流电流与磁流的捷拌、电磁泵、电磁搅拌 等项技术。 ( 2 ) 中闻部分的树枝部分表示可利用悬浮控制功链克瑕重力而实现水平电磁铸造、 气泡形成的时间控制、非金属夹杂物电磁分离等各种工艺和技术。利用雾化功能可形成 电磁喷雾工艺和技术。利用热生成的功能实现悬浮冶炼、高频磁场加热等工艺及其技术。 利用检测功能而形成传感器检游流体速度场的技术。 ( 3 ) 右侧的树枝部分袭示可利用精练功能实现电磁精练及非金属夹杂卜浮等l ：艺 - 4 - 东北太学硕士学位论文 第一章绪论 技术。利用凝固组织控制功能可实现晶粒细化、晶粒粗化、单晶生长、非晶态等各种i 艺技术。还可利用高能密集发生的功能而实现电子束熔炼、等离子表面处理、等离了涂 层、电离镀层等工艺技术。 综上所述，电磁冶金是借助于电流和磁场所形成的电磁力，对材料加i ：处理过程i l 的表面形态、流动和传质等施加影响，以便有效控靠5 其变化和反应过程，改善材料的表 面质量和组织结构。由于电磁力可以通过不直接接触的方式传递到材料内部，雷利1 ：垂： 冶金过程中避免大气和容器耐火材料对材料的二次氧化。电磁能最是一种清洁的能源， 较少污染环境。所以电磁冶金被认为是2 l 世纪冶金工艺发展的重要内容之。 1 2 电磁场在铝合金半连续铸造过程中的应用 1 2 1 铝合金半连续铸造技术 连铸原理由英国的b e s s e m e r ( 贝塞麦) 在1 8 4 7 年首先提出。i 0 0 年后，原两德的 j u n g h a n s ( 容汉斯1 建成了世界上第5 台用于钢水连铸的试验铸机。他在f 端开放的振动 式水冷结晶器、结晶器润滑剂以及浸入式水口等方面的一系列发明，解决- 连铸技术长 期不能用于正常生产的关键问题，开创了连铸技术的新纪元，确立了现代连铸技术的旗 本框架，因此，容汉斯被人尊称为“连铸之父” 9 , 1 0 1 。一：十世纪3 0 年代，连续铸造技术 的原理和工艺就应用到宥色金属材料的生产上，而由于钢的熔点高，导热系数小，热容 量大和凝固速度极慢等原因，直到5 0 年代才开始征钢铁厂中使用这一技术。mr f 连续 铸造工艺能够实现生产工艺过程的自动化，因耐简化了工艺流程，节约了能源，人幅度 掇高了劳动生产率，并能保证稳定的产品质量和较高的金属收得率，在现代冶会小产中 占有重要的地位，是钢铁与有色金属合余工业牛产中极为重要的凝固手段。自从1 9 5 3 年 美国a l c o a 铝业公司成功开发的直接水冷铸造法( d i r e c tc h i l l i n g ，& i d c 铸造1 连续铸造 铝以来，由于铝的导热性能好、熔体金属容易处理和优良的使用性能等特点，存近矗i 年里，铝的连续铸造技术得到了显著的发展。 铝合金半连续铸造示意图如图1 2 所示，铝合金d c 半连续铸造凝固过程最显著的特 点是熔体内外部受到的冷却强度不一样，铸锭内外存在较大的温度差，造成内外熔体凝 固不同步，产生铸锭横截面上组织不均匀、合金元素宏观偏析、铸造应力与裂纹等缺陷。 近年来，虽然通过热顶、结晶器内衬石墨环和油膜铸造等措施，可以在一定程度l ：减小 液穴深度与铸锭内外温差，但是受到合金种类、生产率要求的制约，它们强能起到有限 的作用。此外。在半连续铸造中，液态金属的凝固成型大都是在结晶器( 模：荒) 中进行的， 由于两者之间存在着摩擦和磨损，造成凝固的铸锭表面有很多缺陷，如疤痕、袭蕊锻褶 等等，这样在后续加工时，不得不将铸锭有缺陷的表面( 往往是缎织性能很好的等轴细 晶层) 铣掉，造成很大的资源浪费；其次结晶器( 模壳) 材料对高温熔体有污染作用，圮 - 5 一 末北大学项士学位论文 第一章绪论 技术。利用凝固组织控制功齄可实现晶粒细化、晶粒粗化、单晶生长、非晶态等各种f 艺技术。还可利用高能密集发生的功能而实现电子柬熔炼、等离子表面处理、等离子滁 层、电离镀层等工艺技术。 综上所述，电磁冶金是借助于电流和磁场所形成的电磁力，对材料加：i ：处理过程中 的表面形态、流动和传质等施加影响，以便有效控制其变化和反应过程，改善材料的表 谣质量和组织结构。由于电磁力可以通过不直接接触的方式传递材料内部，有利1 二在 冶金过程中避免大气和容器耐火材料对材料的_ 次氧化。电磁能齄是一种清洁的能源， 较少樗染环境。所以电磁冶金被认为是2 l 世纪冶金丁艺发展的重要内容之一。 1 。2 电磁场在铝合金半连续铸造过程中的应用 1 ，2 1 铝合金半连续铸造搜术 连铸原理由英国的b e s s e m e r ( 贝塞麦) 在1 8 4 7 年首先提出。1 0 0 年后原两德构 j u n e h a n s ( 容汉斯) 建成了世界上第台用于钢水连铸的试验铸机。他在下端开放的振动 式水冷结晶器、结晶器润滑剂以及浸入式水门等方面的。系列发明，解决_ 连铸技术睦 期不能用于限常生产的关键问题，开创了连铸技术的新纪元，确立了现代连铸技术的旗 本框架，因此，容汉斯被人尊称为“连铸之父” 9 , 1 0 1o 一：十世纪3 0 年代，连续铸造技术 的原理和工艺就应用到有色金属材料的生产上，而由于钢的熔点高，导热系数小，热容 量人和凝固速度极慢等原因，甑剑5 0 年代才开始在钢铁 一中使用这一技术。由 牛连续 铸造工艺能够实现生产工艺过程的自动化，因而简化了工艺流程，节约了能源，大幅度 提高，劳动生产率，并能保证稳定的产品质最和较高的金属收得率，在现代冶会生产叶， 占有重要的地位，是钢铁与有色金属合金工业生产中极为重要的凝固手段。自从1 9 5 3 年 美国a l c o a 铝业公司成功丌发的直接水冷铸造法( d i r e c tc h i l l i n g ，即d c 铸造1 连续铸造 铝以来，由于铝的导热性能好、熔体会属容易处理和优良的使用性能等特点，在近f l 年罩，铝的连续铸造技术得到了显著的发展。 铝合金半连续铸造示意图如图1 2 所示，铝合金d c 半连续铸造凝圃过鞋最显著的特 点是熔体内外部受到的冷却强度不一样，铸锭内外存在较大的温度差，造成内外熔体凝 嘲1 i 同步，产生铸锭横截面上组织不均匀、台金j 索宏观偏析、铸造应力与裂纹等缺陷。 近年来，虽然通过热顶、结晶器内衬石墨环和油膜铸造等措施，可以在定程度l 减小 液穴深度与铸锭内外溢差，但是受到合会种类、生产率要求的制约，它们_ ! ；_ 能起到柯限 的作用。此外，在半连续铸造中，液态金属的凝固成型大都是在结晶器( 模壳) 中进行的， f = 轴于两者之间存在着摩擦和磨损，造成凝固的铸锭表面有很多缺陷，如疤痕、裘面锻褶 等等，这样在后续加工时，不得不将铸锭有缺陷的表面( 往往是组织性能很好的等轴细 晶层) 铣掉，造成很大的资源浪费；其次结晶器( 模壳) 材料对高温熔体有污染作用。龙 晶层) 铣掉，造成很大的资源浪费；其次结晶器( 模壳) 材料对高温熔体有污染作用，尤 - 5 一 东北太学硕士学位论文 第一章绪论 技术。利用凝固组织控制功能可实现晶粒细化、晶粒粗化、单晶生长、非晶态等各种i 艺技术。还可利用高能密集发生的功能而实现电子束熔炼、等离子表面处理、等离了涂 层、电离镀层等工艺技术。 综上所述，电磁冶金是借助于电流和磁场所形成的电磁力，对材料加i ：处理过程i l 的表面形态、流动和传质等施加影响，以便有效控靠5 其变化和反应过程，改善材料的表 面质量和组织结构。由于电磁力可以通过不直接接触的方式传递到材料内部，雷利1 ：垂： 冶金过程中避免大气和容器耐火材料对材料的二次氧化。电磁能最是一种清洁的能源， 较少污染环境。所以电磁冶金被认为是2 l 世纪冶金工艺发展的重要内容之。 1 2 电磁场在铝合金半连续铸造过程中的应用 1 2 1 铝合金半连续铸造技术 连铸原理由英国的b e s s e m e r ( 贝塞麦) 在1 8 4 7 年首先提出。i 0 0 年后，原两德的 j u n g h a n s ( 容汉斯1 建成了世界上第5 台用于钢水连铸的试验铸机。他在f 端开放的振动 式水冷结晶器、结晶器润滑剂以及浸入式水口等方面的一系列发明，解决- 连铸技术长 期不能用于正常生产的关键问题，开创了连铸技术的新纪元，确立了现代连铸技术的旗 本框架，因此，容汉斯被人尊称为“连铸之父” 9 , 1 0 1 。一：十世纪3 0 年代，连续铸造技术 的原理和工艺就应用到宥色金属材料的生产上，而由于钢的熔点高，导热系数小，热容 量大和凝固速度极慢等原因，直到5 0 年代才开始征钢铁厂中使用这一技术。mr f 连续 铸造工艺能够实现生产工艺过程的自动化，因耐简化了工艺流程，节约了能源，人幅度 掇高了劳动生产率，并能保证稳定的产品质量和较高的金属收得率，在现代冶会小产中 占有重要的地位，是钢铁与有色金属合余工业牛产中极为重要的凝固手段。自从1 9 5 3 年 美国a l c o a 铝业公司成功开发的直接水冷铸造法( d i r e c tc h i l l i n g ，& i d c 铸造1 连续铸造 铝以来，由于铝的导热性能好、熔体金属容易处理和优良的使用性能等特点，存近矗i 年里，铝的连续铸造技术得到了显著的发展。 铝合金半连续铸造示意图如图1 2 所示，铝合金d c 半连续铸造凝固过程最显著的特 点是熔体内外部受到的冷却强度不一样，铸锭内外存在较大的温度差，造成内外熔体凝 固不同步，产生铸锭横截面上组织不均匀、合金元素宏观偏析、铸造应力与裂纹等缺陷。 近年来，虽然通过热顶、结晶器内衬石墨环和油膜铸造等措施，可以在一定程度l ：减小 液穴深度与铸锭内外温差，但是受到合金种类、生产率要求的制约，它们强能起到有限 的作用。此外。在半连续铸造中，液态金属的凝固成型大都是在结晶器( 模：荒) 中进行的， 由于两者之间存在着摩擦和磨损，造成凝固的铸锭表面有很多缺陷，如疤痕、袭蕊锻褶 等等，这样在后续加工时，不得不将铸锭有缺陷的表面( 往往是缎织性能很好的等轴细 晶层) 铣掉，造成很大的资源浪费；其次结晶器( 模壳) 材料对高温熔体有污染作用，圮 - 5 一 东北走学硕士学位论文第一章堵论 其是对一些高熔点、易氧化和化学活性很大的稀有金属来说，更是如此。对于溶质分配 系数k 埘j 其中口表示所有随时间按正弦规律变化的场量a 、曰、b 、h 、j 及妒、 矢量，t 为时间，国为角频率，为单位复数。 q ( ，) = q ，o ) + j q j ( ，) 为复振幅，弓l 入口表示场量g 的复数有效值，有： 1 7 ( 2 3 5 ) 等，r 为位臀 ( 2 3 6 1 东北大学硕士学位论文 第二章电磁场的数值模拟 口：掣 ( 2 _ 3 7 ) ，、，、，分别为磁矢势在相应坐标轴上的分量，节点处磁感应强度沿啦标轴的分 量为如下形式： 耻譬一娑( 2 - 3 8 ) 台，：警一警( 2 - 3 9 ) 或：娑一挛( 2 - 4 0 ) 导电金属内的蹲生电流密度为： t = 一盯0 翻+ v 妒)( 2 4 1 ) 熔体所受l o r e n t z 力的时间平均值为： ，= r 却。矗。) ( 2 4 2 ) 其l i 雪为雪的共轭复数，l o r 啪i z 力在坐标轴方向的分量t 、t 、定分别为： 或= 剐誓等净7 ：t 伽- 夏一- - 趣& - ) 仔4 。， 毫= 去盘睁割7 1d 。( o 舐i l , 一刳 陪。4 ， 农= 去或( 誓一誓卜去岛( 警一誓) t z 粥， 2 2 3 电磁场模拟计算的宥曩元横鼙 在铝合金横截面尺寸为4 5 0 m i n x l 5 0 r a m 的板坯电磁铸造过程中，电磁场为平面对称 分稚，故采用平面对称有限元模型，模型中包括熔体与铸锭、结晶器、空气及电磁感应 线嘲等影响磁场分布情况的要素。由于感应线翻韵内径与高度之比较大，属于磁力线栩 对开放的问题，且磁感应强度矢最的方向对电磁力及熔体内部的流动场有显著影响，为 了保证计算的准确性，需要为较大部分的空气建模。熔体及铸锭部分在整个计算过程巾 使用共同的网格，这样通过节点磁矢势导出的l o r e n t z 力可以作为体积力宜接施加在流 体单元上。计算过程中通过采用a n s y s 有限元模拟分析软件的e m a g 模块，通过远场 单元可以实现在模型的外边界不强加边界条件的情况下准确描述电磁场的远场耗散问 1 8 东北大学硕士学位论文第二章电磁场的数值模拟 题。有限元网格划分、边界条件的加载及数据后处理工作也采用a n s y s 完成。 模拟过程中，根据实际半连续铸造过程采用的结晶器结构特点、感应线圈布置形式， 在区域划分过程中对设备的几何特征进行了简化处理，在保证磁感应强度分布的计算结 果，尤其是在铝熔体内部和凝固前沿分御情况准确性的前提下，降低了网格划分的难度， 提高了计算速度。作为良导体的不锈钢制结晶器，其几何尺寸极大地影响蓿电磁场在窄 问中的分布情况，是区域划分过程中需要重点考虑的部分。对于铸锭、结晶器与感应线 圈等磁感应强度变化梯度较大的部分，采用了较高的网格密度以满足计算精度的要求， 空气部分采用自由网格划分，实现了网格密度的均匀过渡。 ( 1 ) 载荷 在线圈中施加电流密度大小为：3 3 x 1 0 6 a m 2 ，4 2 x 1 0 6 a m 2 ，5 1 0 6 a m 2 ：交变电流 频率：大小分别为1 0 h z ，2 0 h z ，3 0 h z ；感应线圈匝数：设定感应线圈匝数为1 0 2m 。 ( 2 ) 边界条件 在整个区域的x = 0 和y = 0 的两个截面上施加磁力线平行条件；在铝熔体和结晶器 区域的x = 0 和y = 0 的两个截面上v o l t ：= 0 ；在整个区域的最外层施加远场标志。 ( 3 ) 各区域的材料属性、单元类型、自由度如下表2 1 。 表2 i 材料属性 t a b l e 2 1m a t e r i a lp r o p e r t i e s 区域铝熔体结晶器线圈空气 材料铝台金 不锈钢铜卒气窄t 单元类型 s o l i d 9 7s o l i d 9 7s o l i d 9 7s o l i d 9 7i n f i l l1 自由度a x ，a l y ，a z ，v o l ta x ，a y , a z ，v o l ta x ，a y , a za x 肌za x ，a y , a z l 悼g ( s m ) 3 8 5 x 1 0 6l x l 0 65 8 1 0 700 相对磁导率1 l1l1 ( 4 ) 铸锭、感应线圈、结晶器区域的几何模型 圈23 实悻型 f 培2 3e n t i t y m o l d 1 9 东北大学硕士学位论文 第二幸电磁场的数值模拟 2 3 模拟结果及分析 2 3 1 研究对象 当感应线圈中通过交变电流时，会在线圈附近产生交变电磁场，交变磁场在液体金 属中产生与源电流方向相反的感应电流。交变电磁场与感应电流交互作用产生电磁力。 设石鼷坏中心截面位置处z = = 0 1 1 1 1 1 1 1 ，熔体与铸锭角部中点处的坐标值为x = 0 m m ，汾 熔体与铸锭横截面的长边的坐标值为负、短边为正。根据集肤效应【鹌l ： 6 = ( 2 4 6 ) 当频率为3 0 h z 、固态铝电导率为l t o ? s m 时，集肤层深度$ - - 2 9 0 7 m m 。所以我们 主要考查距熔体与铸锭最外层1 5 r a m 范围内的磁感应强度、l o r e n t z 力、电磁压力等的 分布规律及随电流频率和电流强度的变化情况。为了研究上述电磁参数从铸锭表面向内 的分布规律和变化情况，规定选取的位置距熔体与铸锭表层的距离为d ，分别选取 d = 0 m m 、d = 6 m m 、d = 1 2 m m 三个位置作为我们的考查对象；为了研