（材料加工工程专业论文）镁合金电磁悬浮连续铸造过程数值模拟.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 电磁悬浮连续铸造是悬浮铸造与电磁连续铸造相结合的一种铸造方法。悬浮剂的加 入既使合金熔液中形成大的能量和成分起伏，又可以作为异质晶核，有助于形成细晶组 织。而电磁场在金属液内部产生搅拌作用，不仅可以有效的细化晶粒、减少缩松和缩孔 等缺陷，而且还加速了悬浮剂和合金母液的均匀混合，有效避免了悬浮剂在合金液中的 聚集“搭桥 现象和悬浮剂在铸件中的夹生。因此，电磁悬浮连续铸造能够显著提高合 金铸坯的质量。而将该技术应用于镁合金的铸造过程则是一个新的尝试，本文针对镁合 金圆锭电磁悬浮连续铸造过程进行了以下实验和模拟研究： 选用a z 3 1 变形镁合金作为基体合金，2 0 z r b 2 + 8 0 a z 3 1 的混合材料为悬浮剂， 用静态电磁悬浮铸造法和电磁悬浮连续铸造法制备了镁合金铸锭，并对铸锭的微观组织 进行了分析。分别与没有加入悬浮剂的相同条件下制各的铸锭对比，结果表明悬浮剂的 加入细化了晶粒。 测量了电磁连铸过程的温度场，进行了感应热分析。针对镁合金电磁连铸过程建立 了温度场数值模拟的计算模型，并验证了模拟程序的准确性；在此基础上进行了各项工 艺参数对稳态液穴形状影响的模拟研究，在铸锭与结晶器的摩擦力不会导致凝固壳断裂 的假设前提下，确定了拉坯速度上限为2 7 5 m m s 。 利用电磁连铸温度场数值模拟的计算模型，对悬浮铸造合金的一些热物性参数进行 了处理，对a z 3 1 镁合金电磁悬浮连续铸造过程的温度场进行了模拟计算，并验证了模 拟程序的准确性。在此基础之上进行了悬浮剂含量对温度场影响的分析，结果表明：随 着悬浮剂含量的增加，合金初始温度降低，凝固时间缩短，导热能力下降，但冷却速度 增加；随着悬浮剂含量的增加，稳态的液穴深度减小，凝固壳的起始位置升高，凝固壳 的厚度增加，液穴坡度变小。与电磁连铸相比，电磁悬浮连续铸造的冷却速度提高 关键词：镁合金；电磁悬浮连续铸造；温度场；数值模拟 镁合金电磁悬浮连续铸造过程数值模拟 a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o nc o n t i n u o u sc a s t i n gi saf l e wc a s t i n gm e t h o dw h i c hi n c l u d e s t h ev i r t u e so fs u s p e n s i o nc a s t i n ga n de l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n g s u s p e n s i o np a r t i c l e s i n c r e a s et h et h e r m a la n dc o n s t i t u t i o n a lu n d u l a t i o n sa n da r eu s e da sh e t e r o g e n e o u sn u c l e u s ， w h i c ha r eb e n e f i c i a lt og r a i nr e f i n e m e n t t h ee l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g g e n e r a t e db yi n d u c t o r i m p r o v e sd i s t r i b u t i o nu n i f o r m i t yo fs u s p e n s i o np a r t i c l e si nt h em e l t i n ga l l o y t h e r e f o r e ，t h e b i l l e tq u a l i t yo fe l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o nc o n t i n u o u sc a s t i n gi se n h a n c e dr e m a r k a b l y i ti sa n e w t h o u g h tt oa p p l yt h i sm e t h o di nt h ec a s t i n gp r o c e s so fm a g n e s i u ma l l o y ，a n dt h es t u d yo n t h ee l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o nc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s so fm a g n e s i u ma l l o yr o u n db i l l e t s h a v eb e e nc a r r i e do u ta sf o l l o w s ： i nt h i sp a p e r ，m a t r i xa l l o yi sc h o s e nt ob ea z 31m a g n e s i u ma l l o ya n ds u s p e n s i o np a r t i c l e s a r ec h o s e nt ob ec o m p o u n do fa z 3la n dz r b 2 ( 2 0 z r b 2 + 8 0 a z 31 ) t h em a g n e s i u ma l l o y s w e r em a n u f a c t u r e db ye l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o nc a s t i n ga n de l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o n c o n t i n u o u sc a s t i n ga n dt h er n i c r o s t r u c t u r e sw e r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts m a l l e r g r a i n sc o u l db eo b t a i n e db yt h eb o t hm e t h o d s c o m p a r i n gw i 也t h a tb yt h es a m ec a s t i n g m e t h o d se x c e p tf o ra d d i n gs u s p e n s i o np a r t i c l e s am a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s sf o ra z 3 1 m a g n e s i u ma l l o yb i l l e t sh a sb e e nd e v e l o p e dt op r e d i c tt h et e m p e r a t u r ei nt h eb i l l e tu s i n g m i c r o s o f tv i s u a lc h6 0a n df i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d 伊d m ) ，w h i c ht h ep o w e ro ft h ej o u l e h e a t i n gw a sc a l c u l a t e da n di n c o r p o r a t e di n t o t h em o d e lh a db e e nv a l i d a t e db yc o m p a r i n gt h e c a l c u l a t e dt e m p e r a t u r ep r o f i l e sw i 也t h em e a s u r e dt e m p e r a t u r ep r o f i l e s t h ee f f e c to fc a s t i n g p a r a m e t e r so nt h eo ns t e a d y - s t a t es u m pp r o f i l e sw a ss t u d i e d w i t ht h ea s s u m p t i o nt h a tf r i c t i o n f o r c eb e t w e e nm o l da n ds o l i d i f i c a t i o ns h e l lw o n tc a u s ed r a w i n gb r e a k o u t ，t h eu p p e rl i m i to f c a s t i n gs p e e dw a se v a l u a t e dt ob e2 7 5 m m s t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ee l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s sw a su t i l i z e dt o p r e d i c tt h et e m p e r a t u r ei nt h eb i l l e to fe l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o nc o n t i n u o u sc a s t i n g ，a f t e r s o m et h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e sw e r ep r o c e s s e d n l em o d e lh a db e e nv a l i d a t e db yc o m p a r i n g t h ec a l c u l a t e dt e m p e r a t u r ep r o f i l e sw i t ht h em e a s u r e dt e m p e r a t u r ep r o f i l e s 硒ee f f e c to f a m o u n to fs u s p e n s i o np a r t i c l e so nt e m p e r a t u r ef i e l di nt h eb i l l e tw a ss t u d i e d 啊”c o n c l u s i o n w a sd r a w nt h a ti n i t i a lt e m p e r a t u r eo ft h ea l l o yd r o p s ，s o l i d i f i c a t i o nt i m eo fb i l l e ts h o r t e n s h e a t - t r a n s f e rc a p a b i l i t yd e c l i n e s ，c o m p r e h e n s i v ec o o l i n ga b i l i t ye n h a n c e s ，s o l i d i f i c a t i o ns h e l l t h i c k n e s si n c r e a s e s ，s u m pd e p t hd e c r e a s e s ，i n i t i a lp o s i t i o no fs o l i d i f i c a t i o ns h e l ie n h a n c e sa n d s l o p eg r a d i e n to fs u m pp r o f i l ed e c r e a s e s 、i mi n c r e a s i n gt h ea m o u n to fs u s p e n s i o np a r t i c l e s 一i i 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y ；e l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o nc o n t i n u o u s c a s t i n g ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 1 1 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体己经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：垒兰垒复生五益，昱盔夤压馅遂过鱼：至丛渔整数 作者签名：卫拿日期：4 年互月j 鳖日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：趟年卫月超日 日期：旌笾年笸月上日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 镁及镁合金性能 镁及其合金是迄今为止在工程中应用的最轻金属结构材料【1 】，与其他金属相比，镁 及其合金有很多突出的工艺及性能特点。例如，其密度小，熔点低，容易进行热成型， 且能耗较低；用作结构件时具有质量轻、比强度高、减震和抗冲击性能好、易切削加工、 不易老化；有良好的导热性、无磁、电磁屏蔽能力强，在受到冲击和摩擦时不会产生火 花及阳极氧化着色能力强等。然而，镁合金的易腐蚀、强度比较低、高温下蠕变抗力比 较差等因素也限制了镁合金作为结构材料的应用【2 ，3 1 。镁合金尤其是变形镁合金的应用量 仍远远落后于钢铁和铝合金。近年来，随着汽车轻量化的需求，环保要求的不断提高以 及能源日趋紧张激发了镁工业的迅速发展，镁合金的研究也逐渐升温。人们也逐渐认识 到应该强化镁在汽车、交通等民用领域的应用研究。 1 1 。1 镁的物理化学性能 镁常见的物理性质如表1 1 所示【3 】。标准大气压下纯镁为密排六方结构，原子直径 为0 3 2 0 r i m ，可以固溶多种元素如铝、锌和锰等。 表1 1 镁的物理性质 t a b 1 1 p h y s i c a lp r o p e r t i e so fm a g n e s i u m 性质数值性质 数值 原子序数1 2 再结晶温度k 4 2 3 原子价 2 汽化潜热 d k g 515 0 - 5 4 0 0 相对原子量 2 4 3 0 5 0 熔化潜热肘k g 。 3 6 0 - 3 7 7 熔点k 9 2 3 士1 2 7 3 k 下电导率1 0 0 ( q m ) 12 3 沸点k 1 3 8 0 - a = 3 磁化率10 - 1 m k s6 2 7 6 3 2 室温密度僖e l n 。 1 7 3 8 电阻率p i 心m4 7 熔点密度g 啪。 1 5 8 4泊松比033 1 1 2 镁合金的组成 纯镁是一种低熔点软金属，机械性能比较差，很少直接作为结构材料使用。为了使 镁合金的力学、耐蚀等性能得到改善和提高，添加了合金元素，通过固溶强化、沉淀强 化或弥散强化等机制使镁合金按需要应用在不同的领域。表1 2 给出了一些元素在镁合 金化时起到的不同作用阳】。 镁合金电磁悬浮连续铸造过程数值模拟 表1 2 主要合金元素在镁合金中的作用 t a b 1 2r o l e so fs o m ee l e m e n t si nm g b a s ea l l o y s 合金元素 在镁合金中的作用 a l c a s i z r m n r e l i c u 、f e 、 n i 、c o a l 是提高镁合金性能的最有利元素，在镁中的固溶度可达1 2 7 ，而且随着 温度降低固溶度显著减小，在室温时达到2 o 。a i 元素可以大大提高合金的 强度和硬度，改善铸件的可锻造性。变形镁合金中a l 元素含量一般控制在 3 5 。 z n 在镁中的最大固溶度约为6 2 ，是仅次于a l 的有利元素。z n 通常与a l 结合用于增加a l 在m g 中的溶解度，提高a l 的固溶强化作用；有较好的沉淀 硬化作用；z n 还可以提高铸件的抗蠕变性能，但含量大于2 5 时会对合金防 腐性能产生负面影响，一般z n 含量控制在2 以下。 明显的晶粒细化作用，可抑制熔体金属的氧化；改善镁合金的抗蠕变性能。 增强高温抗蠕变性能；但是增加合金的脆性，降低合金的耐腐蚀性能。 最有效的晶粒细化剂，提高合金强度和屈服极限，提高合金耐蚀性。 以沉淀f e m n 化合物形式控制铁含量，细化沉淀产物，增大蠕变抗力，提高 耐蚀性。 显著改善铸造性能，细化晶粒；在室温和高温下有固溶强化和沉淀强化的作用， 改善高温抗拉和蠕变性能。 室温下固溶强化元素，降低密度，增加延展性能，但是强烈降低耐腐蚀性能。 对耐腐蚀性能极为不利。 1 1 3 镁合金的优良性能 与传统结构材料相比，镁合金具有以下优点： ( 1 ) 重量轻：镁合金在金属结构材料中，其比重最小，密度只相当于铁的l 4 ， 铝的2 3 羽，在同等刚性条件下，l k g 镁相当于1 8 k g 的铝和2 1 埏的钢，这一特性使得镁 合金成为环保意义下的重要材料。 ( 2 ) 高的阻尼和吸震、减震性能：镁合金具有极好的吸收能量的能力，可吸收震 动和噪音，对于减少设备的震动和噪音传递、提高防冲击损坏性能具有重要的作用。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 再生性：由于镁的熔化潜热比铝低得多，其回收比铝合金消耗的能量少，因 而镁及其合金是易于回收的金属材料。 ( 4 )良好的抗冲击和抗压缩能力：其抗冲击能力是塑料的2 0 倍，当镁合金铸件 受到冲击时，在其表面产生的疤痕比铁和铝都要小的多。镁合金具有吸收弹性能的特性， 能产生良好的冲击强度与压缩强度的组合。 ( 5 ) 高散热性：虽然镁合金的导热系数不及铝合金，但是比塑料高出1 0 0 倍【9 j ， 因此镁合金用于电器产品上，在内部产生高温的电脑和投影仪等的外壳和散热部件上使 用镁合金，可有效地进行散热。 ( 6 ) 高抗电磁干扰性能：镁合金具有优于铝合金的磁屏蔽性能、更良好的阻隔电 磁波功能，更适合于制作发出电磁干扰的电子产品。可以用作计算机、手机等产品的外 壳，以降低电磁波对人体辐射危害。 ( 7 )良好的机械加工性能：镁合金的切削阻力小，约为钢铁的1 1 0 ，铝合金的 1 3 t l u l ，其切削速度大大高于其它金属，切削加工时间短；工具使用寿命长，比其它金 属有高出几倍的刀具寿命。不需要机械磨削和抛光，不使用切削液也能得到优良的表面 光洁度， 在一次切削后即可获得，并极少出现积屑瘤；良好的断屑特性及温度传导性， 可免去使用冷却液或润滑液。 另外，镁合金还具有抗疲劳性、无毒性、无磁性和较低的裂纹倾向性、不易破裂性 等特点，可适合于某些特定领域。 1 1 4 制约镁合金应用的因素 ( 1 ) 镁的熔点为( 6 5 0 - m ) ，沸点为( 1 1 0 0 - 士1 0 ) ，在室温和低温条件下的塑 性较低，容易脆断。镁的化学性质活泼，电极电位很低，抗腐蚀性差，在潮湿大气、淡 水、海水及绝大多数酸、盐溶液中容易被腐蚀。镁的活性较高，在高温或粉尘状态下容 易与氧产生反应而燃烧，因此生产中需要考虑的安全因素较多。纯镁的力学性能较低， 只能通过加入合金元素( 如铝、锌、锰、锆及稀土元素等) ，通过固溶强化、时效强化、 细晶强化及过剩相强化，形成具有优良力学性能、抗腐蚀性能和耐热性能的镁合金。 ( 2 ) 杂质对镁的影响：镁中的主要杂质是镍、铁、铜、硅和锡。其中镍的危害最 大，急剧降低镁的抗腐蚀性能。镍的熔点和密度远远超过镁，但很容易在镁液中溶解， 因此熔炼镁合金的铁坩埚不得含镍。铁在镁液中溶解度很低，因此熔炼镁合金的坩埚及 工具可以采用不含镍的钢材制作。但铁对镁的抗蚀性也有不利影响，含铁量从0 0 3 增 加到0 2 6 时，抗蚀性下降至前者的1 5 1 1 】。镁中常见的杂质还有钠、钾、铍。铁、钠、 钾，这些都不溶于镁，而以纯金属形式存在于晶界。硅、铜，镍在镁中的溶解度极小， 常形成网状m 9 2 s i 、m 9 2 c u 、m 9 2 n i 金属间化合物，分布于晶界。钠、钾能使合金的偏 析及收缩增大，导致合金机械性能降低。 12 连续铸造技术的发展 制备镁合金材料及部件的技术大致分为四类，即铸造冶金法、快速凝固，粉末冶金法、 喷射沉积法和半固态成型法 3 】。铸锭的凝固组织形态、致密度、成分偏析等对后续加工 工艺及最终的制件质量具有决定性的影响。传统的铸锭生产主要采用模铸法。其生产过 程是非连续的。由于凝固条件所限，模铸法获得铸锭的凝固组织、成分及致密度在轴向 和径向上都是不均匀的。且由于在锭头和锭尾处存在缩孔及缩松等缺陷，需切头去尾， 降低了铸锭的实际利用率。连续铸造技术的应用是冶金工业的一次技术革命，它不仅提 高了生产效率，减少材料的消耗和浪费，而且使材料的内部冶金质量得到极大改善【l “。 而连续铸造的发展实际上是经历了下面的一个过程：普通连铸( 直冷连铸) 叶电磁铸造 _ 电磁连铸。 2 1 直冷莲续铸造 拉“方自 图i1 直冷连续铸造的装置示意图 bit 大连理工大学硕七学位论文 1 9 3 5 年，a l c o a 公司及v l w 公司的直接水冷铸造法是现代铝合金连续铸造的开端。 连铸镁合金的制造方面却鲜有报道。1 9 5 0 年m a n n e s m a n n 式连续铸造机的使用，开始了 连续铸造法在钢铁领域的应用【1 3 】。其装置和工艺过程如图1 1 所示。在直冷连铸中，当 液态金属注入到水冷结晶器内时，金属液在结晶器内结壳，在结晶器壁的一次冷却和结 晶器下部的二次喷水冷却作用下凝固，铸机牵引底模向下运动形成连续铸造过程。采用 这种方法生产铝合金铸锭具有占地面积小、设备成本低、效率高等优点，并大大改善了 劳动条件。因此，连续铸造法在有色金属铸造中得到迅速发展。 1 2 2 电磁铸造 交变 流槽 ( a ) 电磁铸造装置简图 c 弋汐 电磁压力静压力 ( b ) 电磁铸造原理图 图1 2电磁铸造装置和工作原理示意图 f i g 1 2 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f e m ca n di t sw o r k i n gp r i n c i p l e 镁合金电磁悬浮连续铸造过程数值模拟 二十世纪六十年代，前苏联科学家g e t s e l e v 等人根据电磁感应原理发明了电磁铸造 ( e l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g ，简称e m c ) 技术【l 4 1 。 这一技术采用感应线圈代替传统结晶器，靠电磁压力和金属熔体表面张力使金属熔 体在自由表面状态下凝固，其基本原理如图1 2 所示【l5 1 。 当感应线圈中通过交变电流厶时，感应线圈周围产生交变磁场日。，磁场与液体金 属作用形成与，。方向相反的感应电流- ，磁场与感应电流相互作用产生向内的电磁力 f t l6 1 。 f = j b = ( 召v ) b 一v b z 2 = 斤一万 ( i 1 ) 其中：厂l 起搅拌作用；厂起约束作用。 金属在这种电磁力支撑下以感应器内腔形状为基础成型，同时铸机带动铸锭下移， 液面上方不断浇入金属液，下端的冷却水喷向铸锭，使得金属冷却、成型，形成连铸过 程。电磁铸造过程中，熔液上的静压力应与电磁压力和表面张力相平衡，才能获得稳定 的断面形状，即： p h g = p e + p ， ( 1 2 ) 式中，p 为液态金属的密度，g 为重力加速度，h 为液柱高度，足和b 分别为电磁 压力和表面张力。一般只较小，可以忽略。熔体的静压力随着高度线性变化，电磁压力 也必须随之改变，图1 2 ( a ) 中屏蔽罩的作用就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，实现无接触铸造。其 特点是金属熔体在电磁压力下约束成型，并在运动状态下水冷强迫冷却。由于铸锭不与 铸模相接触，电磁力具有搅拌功能，因此，电磁铸造的铸锭表面光滑；电磁铸造过程中 伴随着电磁搅拌作用，易使枝晶折断，形成大量新晶核，晶粒得到细化；铸造速度提高； 冷却水消耗量降低。同时，电磁铸造技术也存在着不可避免的缺陷：耗电量大；控制过 程繁杂；工艺参数的微小变化都会对铸锭的尺寸和表面质量产生明显的影响。 1 2 3 软接触电磁连续铸造技术 针对电磁铸造的不利因素，借鉴电磁冷坩埚技术，1 9 8 9 年v i v e s 等人提出了软接触 电磁连铸( c a s t i n g ，r e f i n i n g ，e l e c t r o m a g n e t i c - - c r e m ) 技术。图1 3 是c r e m 工艺的 原理简图【1 7 】。其基本特点是采用与冷坩埚电磁悬浮熔炼技术相似的分瓣结晶器来解决交 变电磁场不易穿透铜制结晶器的难题。它是在常规结晶器的周围布置感应线圈，输入交 变电流，交变电场会在线圈周围产生交变磁场，从而在结晶器内的金属熔池中产生感应 电流，感应电流与交变磁场相互作用就会产生垂直于铸坯表面指向液芯的电磁力，部分 大连理工大学硕士学位论文 抵消金属液的静压力，使熔融金属和结晶器壁之间的摩擦力减少。由于降低了坯壳和结 晶器壁之间的接触压力和滑动摩擦力，使它们之间呈现出软接触( s o f t - c o n t a c t ) 状态。 该技术工艺难度降低，已成功应用于钢和铝合金的连铸中，从而大大改善了铸坯的表面 质量，取得了与无模电磁铸造技术相似的效果。镁的连铸与铝差不多，都是在上个世纪 3 0 年代起步的，但时至今日，镁却远没有铝连铸的规模。原因为镁的需求量小，加之镁 零件主要是压力铸造。目前对于镁合金块体成型( b u l kf o r m i n g ) 和薄板成型( s h e e t f o r m i n g ) 受到了很大的关注，为镁合金连铸技术的发展带来了契机。镁合金连铸设备可 以在铝合金连铸设备基础上改造完成，由于镁合金的易燃易氧化的特点，改造重点主要 是过程安全和简化操作控制上。 感应线圈 图1 3c r e m 工艺的原理 f i g 1 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo fc r e mt e c h n i q u e 1 3电磁悬浮连续铸造 悬浮铸造法( 又称悬浮浇注法) ，是6 0 年代末至7 0 年代初出现的一种成型方法，就 是在浇注的过程中，将一定量的金属粉末材料加到金属液流中，使其与金属液一起流入 铸型的一种铸造方法。这些金属质点可以在液体金属中起结晶核心的作用。它又是极细 微的内冷铁，使型腔中的金属液的平均温度降低，细化结晶组织，提高金属致密度，减 少偏析和热裂缺陷，提高力学性能。研究和实践表明，悬浮铸造能有效地控制铸件凝固 过程，对减少和消除铸件缺陷，提高铸件的性能和质量有着积极地作用。这种方法至今 已广泛应用于普通铸造、离心铸造、连续铸钢等领域i t s 。 电磁悬浮连续铸造( e l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o nc o n t i n u o u sc a s t i n g ，简称e m s c ) 是 悬浮铸造与电磁连续铸造相结合的一种铸造方法，并将这两种铸造方法的优点相结合。 悬浮剂的加入使合金溶液中形成大的能量和成分起伏，浇注到铸型中的就不再是通常的 过热金属液，而是含有固态悬浮颗粒的悬浮金属液，这些悬浮颗粒具有通常所说的内 镁合金电磁悬浮连续铸造过程数值模拟 冷铁的作用，在合金凝固的过程中起到吸热、形核、促进凝固和阻止二次相连续长大的 作用，从而细化晶粒并优化合金的微观组织结构。而感应线圈所产生的电磁力会在金属 液内部产生搅拌作用，不仅可以有效的细化铸锭晶粒、减少缩松和缩孔等缺陷，而且还 加速了悬浮剂和合金母液的均匀混合，有效避免了悬浮剂在合金液中的聚集“搭桥 现 象和悬浮剂在铸件中的夹生。因此，电磁悬浮连续铸造能够显著提高合金铸坯的质量， 减少普通铸造的一些缺陷。 1 4 数值模拟研究概况 以导热微分方程为基础的凝固与铸造过程数值模拟研究始于二十世纪六十年代，主 要包括两个方面的发展。一方面体现在专业技术领域内，包括铸件充型过程( 流场) 数 值模拟、凝固过程( 温度场) 数值模拟、微观组织数值模拟、热应力数值模拟以及铸造 缺陷( 如缩孔、缩松及热裂等) 预测等。另一方面在数值计算方法上也不断得到扩展与 改进：由初期使用较多的有限差分法发展了交替方向隐式法、直接差分法及边界元法和 有限元法等数值计算方法。这些计算方法各有其优缺点，需要根据铸造与凝固过程的不 同需要、模拟精度以及计算时间、计算机容量等不同因素选用合适的数值计算方法i l 圳。 随着计算机技术与模拟技术的发展，一些具有较强处理能力与相对成熟的商业化通 用软件也陆续闯世。自1 9 8 9 年德国m a g m a 公司成功开发了m a g m a s o f t 铸造软件 以来，出现了很多商业化的铸造模拟软件。目前发达国家都有自己的商业化模拟软件， 如美国的p r o c a s t 、德国的m a g m a 、比利时的v i e wc a s t 以及芬兰的c a s tc a e 等； 国内方面的研究起步比较晚，始于二十世纪七十年代，以大连理工大学、沈阳铸造 研究所、华中科技大学、哈尔滨工业大学等为代表，模拟研究对象不断扩大、研究内容 不断深入。国内已开发的铸造模拟软件主要有清华的f t s t a r ，华中科技大学的华铸c a e 以及中国科学院金属研究所的i m r - 3 d 等f 2 0 。许多软件可以对砂型铸造、金属型铸造、 精密铸造等进行温度场、流场以及应力场模拟，准确地预测缩孔、缩松和微观组织，提 高铸件的质量、优化铸造工艺参数和工艺制备方案。 目前，铸造过程数值模拟正在由宏观模拟向微观模拟转变，模拟尺度包括微米和毫 米级，涉及结晶过程形核长大、柱状晶与等轴晶的转变和金属基体组织的控制等方面。 铸件凝固组织形成过程的模拟可以预测铸件的铸态组织和力学性能，获得主要工艺参数 与铸件凝固组织的定量关系，为通过工艺控制改善铸件微观组织提供可靠依据1 2 1 i 。 大连理工大学硕士学位论文 连铸过程也是铸锭的放热过程，铸锭在连铸过程中释放的热量包括从浇注温度到液 相线温度的过热、从液相线温度到固相线温度之间的潜热和从固相线温度到环境温度之 间的显热。对连铸过程的数值模拟就是使用计算机辅助计算铸锭的这种放热过程。 1 9 6 2 年a d e n i s p g j 最早发表了用数值法解决直冷连铸数学模型导热方程的学术论文。 建立了二维轴对称传热模型，计算稳态下镁合金铸锭的温度分布情况，用不同的换热系 数表现一冷区铸锭和结晶器边界以及二冷区冷却水和铸锭边界条件的传热情况。之后， 研究者们将更多的注意力集中在铝的直冷连铸方面，从二十世纪七十年代开始，出现了 大量的有关铝的直冷连铸方面的研究报导，而镁的直冷连铸方面的报导则比较少。 9 0 年代h i b b i n s 2 2 1 使用有限差分法分别建立了a z 3 1 镁合金直冷连铸过程二维和稳 态下的三维传热模型，用来预测各种铸造条件下铸锭的温度分布情况。一冷区和二冷区 的换热系数用实验测量温度值的方法确定。特别是在处理一冷区边界条件时，由于在结 晶器中所处高度不同，传热系数从3 5 0 0 w m 2 k 降低到3 0 0 w m 2 k ，这样的变化过程与 实际生产中随着气隙的形成，铸锭与结晶器传热情况恶化的现象是相符的。冲击区和流 水区的换热系数视为常数值，分别为1 0 0 0 0 w m 2 k 和1 2 0 0 0 w m 2 k 。在各种铸造条件 下的模拟结果与实验结果均吻合良好。但是该模型使用常数值的传热系数和与高度有关 的换热系数这样的方法处理各种边界条件，只限于在特定的铸锭形状和尺寸下使用，减 小了该模型的应用范围。 郝海1 2 2 】等人建立了a z 3 1 镁合金圆锭直冷连铸过程温度场模型。实验测定q ) 4 5 5 m m 的圆锭在各种铸造条件下铸锭、结晶器、底模的温度以及液穴深度。一冷区、二冷区边 界条件采用与铸锭表面温度相关的等效换热系数模型，考虑了连铸进行过程中由于铸锭 底部变形而造成的底模与铸锭底部界面复杂的换热情况。得到的模拟结果与实测温度数 据吻合良好。 采用与铸锭表面温度和垂直方向上的位置有关的等效换热系数来描述二冷区的沸 腾换热情况时，一些研究者还研究了各种因素对二冷区铸锭与冷却水之间换热系数的影 响。由于研究方法和实验条件的不同，得到的结果也是有差别的，但是得到结论的相同 点是认为冷却水量( 或喷水密度) 对等效换热系数影响最大，而水温对其影响不大，如 果换热表面的温度超过临界温度点，表面温度对等效换热系数的影响也不大。大部分学 者认为等效换热系数和冷却水量( 或喷水密度) 不是线性关系 2 3 , 2 4 】。m i z i k a r 2 5 等人详细 地研究了喷射距离、水压等对等效换热系数的影响，发现这些参数对等效换热系数的影 响主要反映在其对冷却水量( 或喷水密度) 的影响上。 总的来说，要得到更为精确的温度场计算模型，边界条件的处理至关重要。边界条 件的处理过程也就是边界间等效换热系数的确定过程。虽然结晶器也起到冷却、形成凝 镁台金电磁悬浮连续铸造过程数值模拟 固壳的作用，但是铸锭热量的释放主要靠二次冷却段。而且冷却水情况不仅决定了铸锭 的生产率，而且直接影响铸锭的质量。宏观上铸锭的一些缺陷如裂纹、变形和表面粗糙 度等直接受冷却水的影响；微观上铸锭的组织结构和致密度等也直接受冷却水的影响。 由于水冷边界热流量和换热系数研究的复杂性，这方面的工作也始终在进行中。 而随着电磁连续铸造技术被越来越多的采用，产生了感应器所产生感应热的不同计 算方法。从而在直冷连铸模型的基础之上，建立了电磁连铸的温度场计算模型。 1 5 本论文研究的主要内容 电磁悬浮连续铸造法应用于镁合金的铸造是一种新的尝试，许多工艺参数没有确 定。为了更好的研究镁合金的电磁悬浮连续铸造，本文采用实验与计算相结合的方法进 行研究。在电磁连铸的基础上，分析悬浮剂的加入对一些参数的影响，从而确定合理的 数学模型和物性参数来计算电磁悬浮连续铸造过程中铸锭内各点的温度，并对相关的工 艺参数进行了研究。具体内容如下： ( 1 )电磁悬浮连续铸造镁合金的微观组织分析 利用静态电磁悬浮铸造法和电磁悬浮连续铸造法制备了镁合金铸锭，分析了他们的 微观组织，并与静态电磁铸造和电磁连铸制备铸锭的微观组织进行比较。 ( 2 ) 镁合金电磁连铸和电磁悬浮连续铸造过程的实验研究 进行了镁合金电磁连续铸造过程温度场的测量；测量了电磁连铸镁合金高温力学性 能；进行了悬浮铸造镁合金初始温度和镁合金电磁悬浮连续铸造过程温度场的测量。 ( 3 )建立了镁合金电磁连铸过程的数学模型 建立了圆柱坐标系下的数学模型；编制了电磁连铸过程的温度场数值模拟程序；验 证了程序的准确性；分析了铸造参数对稳态液穴形状的影响。 ( 4 )完成镁合金电磁悬浮连续铸造过程温度场的数值模拟 对合金的物性参数进行了处理；对合金初始温度进行了计算：完成镁合金电磁悬浮 连续铸造过程温度场的数值模拟程序；验证了程序的准确性；分析了悬浮剂含量对温度 场的影响。 大连理工大学硕士学位论文 2 镁合金电磁悬浮连续铸造工艺研究 2 1镁合金电磁连续铸造技术研究 2 1 1 电磁连铸技术的基本原理 软接触电磁连铸技术的原理如图2 1 所示【2 6 】，可见，电磁连铸的原理与电磁铸造基 本相同，但是它们的工作原理不同，主要的区别是有模与无模。软接触电磁连铸技术是 在普通连续铸造所用结晶器的壁上沿铸造方向开设窄缝，缝隙间用绝缘材料填充，目的 是减小结晶器的电磁屏蔽作用。在结晶器外设置感应线圈，线圈内通过交变电流，可以 在线圈周围产生交变磁场，交变磁场在感应器和铸锭内引起感生电流。熔融金属内产生 的感生电流与交变磁场相互作用形成的洛仑兹力使液柱向上隆起，形成弯月面；而且感 生电流具有加热的作用，通过使铸锭升温和减少铸锭与结晶器之间的热流量来降低初期 凝固壳的高度。利用交变电磁场的形状控制、感应加热及电磁搅拌的功能可以对镁合金 液的初期凝固过程进行控制。 i m o u l d c o i l 图2 1软接触连铸工作原理简图 f i g 2 1 s c h e m a t i co ft h es o f tc o n t a c tc a s t i n gp r o c e s s 金属熔体注入结晶器内，形成几个厘米高度的液柱。同时在结晶器外围的线圈内通 入交流电，交流电场在熔体范围形成交变磁场，并在构成闭合回路的熔体内产生感应电 流j 。由于趋肤效应，感应电流主要集中在金属熔体的表面，其方向在每一瞬间都与感 应器内电流相反。这样，熔体中的感生电流与线圈产生的磁场b 交互作用产生向内的电 磁力。若介质的磁导率为肛，则根据麦克斯韦方程组可以得出口7 】： 镁合金电磁悬浮连续铸造过程数值模拟 f = j x b = ( b v ) b ；- v b 2 2 a = 丘一c ( 2 1 ) 方程2 1 的r 旋度不为零，它是使得熔体旋转的轴向力，对熔体起搅拌作用；e 是垂直熔体侧表面指向液芯的电磁力的径向力，它降低了熔体与结晶器之间的接触压 力。根据麦克斯韦方程，r 与e 的关系为： l i 汜2 ， 6 = e ；石o r - t f ( 2 3 ) 其中( m ) 为铸坯的特征长度，即铸坯横断面尺寸；j ( m ) 为趋肤层厚度；c s ( s c m ) 、 r k h m ) 、a h z ) 分别为金属的电导率、磁导率和磁场频率。 电磁连续铸造过程中，液柱内有如下平衡关系： 巴= 足+ 只o r 只 ( 2 4 ) 职r 表示熔融金属与结晶器之间的接触压力与金属的静压力，尸。表示表面张力压 力，只表示电磁压力。 式中：只= c t r ，仃为表面张力，- 为当量半径，一般只较小可以忽略；只= p g h ， p 为金属密度，g 为重力加速度，h 为液柱高度。 对于圆柱体，电磁体积力e 在半径，处产生的向心压力尸r 可由表面r 0 到厂处的单 元压力积分求得： e = ：警= f 咖= 笠2 a e - 2 r 厢( 2 5 ) 在铸锭表面处，电磁压力可以近似表示为： d 2 p = 立 ( 2 6 ) 2 p 因此，金属与铸型之间的接触压力为： d 2 只= p g h 一导 ( 2 7 ) z 可以看出，电磁压力可以降低接触压力，减小铸锭与结晶器之间的摩擦力。当接触 压力为负值时，金属液柱与结晶器壁脱离，形成半悬浮的自由表面。这样就降低了金属 与结晶器的接触线高度，缩短了铸锭一次冷却区和二次冷却区之间的距离，可以减少铸 锭表面的偏析瘤、冷隔及划痕等铸造缺陷的产生。 大连理工大学硕士学位论文 2 1 2 电磁连续铸造设备及工艺 图2 2 所示为镁合金电磁连铸实验系统装置示意图。主要由电磁成型系统 - - n 2 。 w 7i ： 图2 5 相位转换器原理 f i g 2 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo fp h a s es w i t c hd e v i c e 2 2 3电磁悬浮铸造技术的应用 实验共进行两组，a 组在a z 3 1 镁合金进行浇注的时候添加丝状悬浮剂 ( 2 0 z r b 2 + 8 0 a z 3 1 ) 。b 组是没有添加悬浮剂的a z 3 1 镁合金。 a 组成分：a l 、a 2 和a 3 分别添加1 、2 和3 的富含z r b 2 丝状悬浮剂。 从图2 6 对a 组加入含有z r b 2 悬浮剂的铸锭与没有加入悬浮剂铸锭的微观组织对比可 以看出，添加含有z r b 2 丝状悬浮剂后，合金铸锭的微观组织得到改善，晶粒更加细小均 匀，加入悬浮剂的最小晶粒度为1 1 0 1 1 5 j u n ，没加悬浮剂的晶粒度为1 8 0 1 8 5 1 x m 。当富 含z r b 2 丝状悬浮剂添加量超过2 时，z r b 2 粒子可以明显的看出在晶内和晶界分布。 通过对静态电磁悬浮铸造镁合金微观组织的分析，可以得出悬浮颗粒z r b 2 的选取 是正确的，z r b 2 颗粒的加入可以起到细化晶粒的作用，改善铸锭的微观组织；这种在悬 浮铸造基础上外加电磁场的理念是可行的。 图2 6a z 3 1 的金相组织( a 1 ) z r b 2 1 ，( a 2 ) z r b 22 ( a 3 ) z r b 23 ( b ) 没有悬浮剂 f i g 2 6o p t i c a l m i c r o s t m c m r e so f a z 3 1o f e l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o nc a s t i n g ( a 1 ) z r b 21 ( a 2 ) z r b 2 2 ，( a 3 ) z r b 23 (