（材料加工工程专业论文）双辊薄带镁合金电磁铸轧过程的数值模拟.pdf

东北走学硕士学位论文摘要 双辊薄带镁合金电磁铸轧过程的数值模拟 摘要 镁合金是最轻的金属结构材料 其比强度和比刚度高 阻尼性及机加r 性好 具有防震 屏蔽电磁波等优异性能 近年来得到极大重视 在国防 航窄航天以 及3 c 汽车等民用工业部门得到了广泛地应用 双辊薄带镁合会的电磁铸轧技术 是当今有色行业主要研究的课题之一 该技术具有短流程 低能耗及节省投资等 优点 但是影响电磁铸轧工艺过程稳定性的因素众多 采用数值模拟方法对其进 行分析 找出规律以指导实验是极其有效的手段之一 本文通过大型模拟软件a n s y s 研究了线圈输出不同功率时 整个铸轧区的 磁感应强度分布情况 研究了不同的铸轧速度以及不同的辊带问对流换热系数剥 铸嘴及铸轧区内镁熔体流场和温度场的影响 研究了在静磁场作用下 洛仑兹力 对其流场和温度场的影响 得到了如下结果 1 电磁铸轧过程中铸嘴及铸轧区的磁场大小在感应线圈直径不变的情况 下 随着线圈输出功率的增大磁感应强度增大 并且与轧制中性面平行截面的磁 感应强度分布较均匀 线圈功率为2 0 0 k w 时 轧制中性面的磁感应强度占为 0 5 4 t o 5 9 t 2 无静磁场作用时 随着铸轧速度的提高 铸嘴及铸轧区内的整体流动趋 势差别不大 液穴长度增大 液固两相区减小 凝固终点位茕靠近轧制出口端 铸带表面及中心温度升高 3 a z 3 1 镁合金在无静磁场作用下 辊带间对流换热系数变大时 列整个铸 嘴及铸轧区的流场影响不大 只是轧辊的温度升高 最高温度达到3 t 2 c 液穴 的长度略减小 凝固终点位曼略向咬入点方向偏移 4 在静磁场作用下 铸嘴出口面附近的流速减小且分布变得均匀 铸轧i 夏内 漩涡减小 铸带中心处的回流现象消失 液穴的长度略变大 凝固终点位筲电峨 靠近轧制出口端 关键词 镁合金 电磁铸轧 流场 温度场 东北大学硕士学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ne l e c t r o m a g n e t i cc a s t r o l l i n g p r o c e s so ft w i n r o l lm a g n e s i u m a l l o y ss t r i p a b s 仃a c t m a g n e s i u ma l l o y sa r et h el i g h t e s tc o n s t r u c t i o n a lm e t a lm a t e r i a l s d u et ot h e i r e x c e l l e n tp r o p e r t i e ss u c h 弘h i g hs p e c i f i cs b e n g t ha n ds t i f f n e s s g o o dd a m p i n ga n d m a c h i n a b i l i t y s h o c kr e s i s t a n c e e l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n g m a g n e s i u ma l l o y s a r e d e e m e da so n eo ft h em o s tp o t e n t i a lm a t e r i a l s a n dh a v er e c e i v e dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n m a g n e s i u ma l l o y sa r er a p i d l ya p p l i e dt o n a t i o n a ld e f e n c e a e r o p l a n e 3 c a u t o m o b i l ea n ds oo n e l e c t r o m a g n e t i cc a s t r o l l i n gp r o c e s so ft w i n r o l lm a g n e s i u m a l l o y ss t r i pi so n eo ft h em a i nr e s e a r c ht a s k si nn o n f e r r o u si n d u s t r yn o w i tp o s s e s s e s t h ea d v a n t a g e ss u c ha ss h o r tp r o c e d u r e l o we n e r g yc o n s u m p t i o n l e s si n v e s t m e n t b u t t h e r ea r em a n yf a c t o r st h a tc a l la f f e c tt h es t a b i l i t yo ft h ep r o c e s s c o m p u t e rs i m u l a t i o n i so n eo f t h ee f f e c t i v ew a y st oa n a l y z ea n df i n do u tt h er u l e sf o re x p e r i m e n t s i nt h i sp a p e r t h ed i s t r i b u t i o n so fm a g n e t o s t s t i cf i e l da td i f f e r e n tp o w e ri n c a s t r o l l i n gz o n ew e r es t u d i e db ya n s y s t h ee f f e c to fc a s t r o l l i n gs p e e da n dh e a t c o n v e c t i o nc o e f f i c i e n tw a ss t u d i e do nt h ef l o wa n dt e m p e r a t u r ef i e l do fm a g n e s i u m m e l ti nt h et u n d i s ha n dt h ec a s t r o l l i n gz o n e a l s ot h ee f f e c to fl o r e n t zf o r c eo nt h e t l o wa n dt e m p e r a t u r ef i e l dw a sr e s e a r c h e di nm a g n e t o s t a t i cf i e l d a n dt h ec o n c l u s i o n s w e r eo b t a l n e da sf o l l o w 1 kt h ee l e c t r o m a g n e t i cc a s t r o l l i n gp r o c e s s t h ev a i u eo ft h em a g n e t i c i n d u c t i o ni n t e n s i t yi nt h em n d i s ha n dt h ec a s t r o l l i n gz o n ei n c r e a s e dw i t ht h c i n c r e m e n to ft h ep o w e ro fc o i l a n dt h ed i s t r i b u t i o n so fm a g n e t o s t a t i cf i e l dp a r a l l e l i n g t or o l l i n gn e u t r a ls u r f a c ew e r eh o m o g e n e i t y w h e nt h ep o w e ro fc o i lw a s2 0 0 k w t h e m a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t yo f r o l l i n gn e u t r ns u r f a c ew a so 5 4 t 0 5 9 t 2 w i t i lt h ei n c r e m e n to fc a s t r o l l i n gs p e e d t h ef l o wt e n d e n c yi nt h et u n d i s ha n d t h ec a s t r o l l i n gz o n ei sh a r d l yc h a n g e d t h es e m i s o l i dr e g i o nr e d u c e d t h el i q u i dc a v e w a sn e a it oo u t l e t a n dt h es u r f a c ea n dc e n t e rt e m p e r a t u r eo fs t r i pi n c r e a s e d 3 t h ef l o wf i e l do ft h et u n d i s ha n dt h ec a s t r o l l i n gz o n ei sh a l d t yc h a n g e dw i t h t h ei n c r e m e n to fh e a tc o n v e c t i o nc o e f f i c i e n t b u tt h et e m p e r a t u r eo ft h er o l l e j s u f f a c e n l 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n c r e a s e da n dt h eh i g h e s tt e m p e r a t u r eg o tt o3 1 2 c t h el i q u i dc a v eo f f s e t st oi n l e ta l i t t l ef o ra z 31m a g n e s i u ma l l o y s 4 i nm a g n c t o s t a t i cf i e l d t h ev e l o c i t yn e a t t h em n d i s ho u t l e tr e d u c e da n di t s d i s t r i b u t i o n sb e c a m eh o m o g e n e i t y t h es w i r li nt h ec a s t r o l l i n gz o n er e d u c e d a n dt h e b a c kf l o wi nt h ec e n t r eo f s t r i pv a n i s h e db yt h el o r e n t zf o r c e k c yw o r d m a g n e s i u ma l l o y s e l e c t r o m a g n e t i cc a s t r o i l i n g f l o wf i e l d t e m p e r a t u r e f i e l d i v 独创 陛声明 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 不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 与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 莎f 霭 f 1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 使用学位论文的姚 定 即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 允许论 史被查阅和借阅 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有关 数据库进行检索 交流 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r 期 导师签名 签字只期 东北大学硕士学位论文第一幸绪论 1 1 金属镁及其合金 第一章绪论 1 1 1 镁的基本性质及特点 镁在地壳中是继铝 铁 钙和钾元素之后分布最广泛的元素 占地壳重量 25 在海水中 镁的含量仅次于氯元素和钠元素 约占0 13 镁及其合会是 常用金属结构材料中最轻的一种 纯镁的熔点6 5 l 比重1 7 4 9 c m 3 是钢的l 4 锅的2 3 常见镁合金密度从1 3 1 9 9 c m 3 不等 镁的原子序数为1 2 相对原j 质量为2 4 3 2 电子结构为l s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 位于周期表中第3 周期第2 族 镁的品 体结构为密排六方 在2 5 时的晶格常数为 a 0 3 2 0 2 n m c 0 5 1 9 9 r i m 晶胞的 轴比为c a 1 6 2 3 7 配位数等于1 2 原子半径为0 6 1 2 r i m 这种晶体结构滑移系 少 有脆化倾向 使得普通商业镁合金的力学性能较差 但镁的比重小 合金化 能力强 可与其他金属构成力学性能优异 化学稳定性商 抗腐蚀能力强的轻合 金 镁的其他一些重要的物理及化学参数见表1 l m j 和表1 2 i 表1 1 镁的物理性质平 化学性质 t a b l e1 1 p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f p u r em a g n e s i u m 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 镁在金属中是电化学顺序最后的一个 因此还具有很高的化学活泼性 镁的 室温塑性很差 纯镁单晶体的临晃切应力只有 4 8 4 9 1 0 5 p a 纯镁多晶体的强度 和硬度也很低 因此都不能宜接用做结构材料 纯镁的主要用途是配制镁台金及 其他合金 镁合金是镁在工业中应用的主要形式 与其它金属和工程塑料相比 镁合金具有无可比拟的优点 主要表现在以下几个方面 5 心 1 镁合金的密度很小 只及钢铁材料的1 4 铝合仓的2 1 3 是最轻的结构 金属 能有效降低汽车 航天部件的重量 节省能源 2 镁合金的比强度很大 略低于比强度最高的纤维增强材料 一2 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 3 镁合金的比刚度和铝合金 钢铁材料差不多 但远高于工程塑料 4 镁合盒阻尼性很好 吸收能量的能力很强 具有极佳的防震性能 可用 于振动剧烈的场合 用在汽车上可增强汽车的安全性和舒适性 5 镁含金热传导性好 是工程塑料的3 0 0 倍 可用于制造要求散热性能好 的电子产品 6 镁合金是非磁性材料 电磁屏蔽性能很好 抗电磁波干扰能力强 可用 于手机等通讯产品 7 镁合金机加工性很好 外观美丽 质感好 可做笔电本电脑 照相机等 部件的外壳 8 镁合金尺寸稳定 收缩率很小 不易因环境的改变而改变 相对于工程材 料1 袭1 2 纯镁的一些物理参数随温度的变化 t a b l e l 2 v a r i m i o n o f s o m ep h y s i c a lp a r a m e t e r so f m a g n e s i u m w i t h t e m p e r a t u r e s 1 1 2 镁合金的合金成分 牌号标记及其分类 1 1 2 1 镁合金的合金成分与牌号标记f 8 镁合金的标记方法有多种 各国的标准也不一样 萁中美国a s t m 标准的标 记规则应用最为广泛 按a s t m 标准的标记规则 化学元素用1 2 个字母标记 东北大学硕士学位论文第一章绪论 其后的数字表示该元素在合金中的名义成分 用质量分数表示 四舍五入到最接 近的整数 字母的顺序按在实际合金中含量的多少排列 含量高的化学元素在 j 如果两种元素的含量相同 刚按英文字母的先后顺序排列 例如 a z 9 1 表示合 金m g 9 a i l z n 但该合金的实际化学成分是w a 1 8 3 9 7 和w z n 0 4 1 o 紧接着表示化学成分的英文字母和表示元素的质量分数 有时还用a b c d 等后缀表示同一牌号合金在某一特定范围内的改变 铝 镁合余中各字 母所代表的化学元素如表1 3 所示 由于a s t m 标准中的标记既适用于镁合金也 适用于铝合金 因此既使像铁那样在镁合金中仅以杂质形式出项的元素 但考虑 到使铝合金中的元素 故也列于表1 3 中 可见a s t m 标准的方法是按合金中所 含有的主要化学成分标记镁合金之间的区别 表1 3a s t m 标准中镁台金的英文字母代号所表示的化学元素 t a b l e l 3c h e m i c a le l e m e n t o f m a g n e s i u ma l l o yi n d i c a t e db ye n g l i s hl e t t e ri n a s t m 我国对镁合金的标记方法比较简单 用两个汉语拼音字母和其后的合会 顺序号 阿拉伯数字 组成 依据前两个汉语拼音字母将镁合金分为4 类 变形镁合金 铸造镁合金 压铸镁合金和航空镁合金 合会的顺序号表示合 会之问的化学成分差异 变形镁合金用m b 两个汉语拼音字母表示 m 表示 镁台余 b 表示变形 铸造镁合金用z m 两个汉语拼音字母表示 z 表示铸造 m 表示镁合金 压铸镁合金虽然也属于铸造镁合金 但还是专用两个汉语拼 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 啻字母y m 表示 用于航空的铸造镁合金与其他铸造镁合会在牌号e 略有隧 别 即z m 两个字母与代号的连接加一个横杠 例如5 号航空铸造镁合会t f j z m 5 表示 可见 我国对镁合金标记的特点是按成形工艺划分镁合金的 l lt 2 f 2 镁会金的分类 根据不同标准 镁合金有几种不同的分类方法 根据化学成分的不同 工业镁合金按主添加元素为m n a 1 z n z r 和稀十 分为5 个基本合金系 m g m n m g a 1 一m n m g a 1 z n m n m g z r m g z n z r m g 稀土 z r tm g a g 一稀土一z r 和m g y 稀土 z r 等 此外 在某些镁合金中t h 也 是添加元素之一 尽管含t h 镁合金可具有优良的性能 但因t h 具有放射性 班 已基本不用 镁合金也可分为含a i 和不含a l 镁台金 又由于不含aj 镁合金一般都用z r 作为品粒细化齐u m g m n 除外 故也可分为含z r 和不含z r 镁合会 按产品形态 可分为铸造和变形合金 后者又可分为锻压合会 挤压合会和 轧制合金 除以上常用镁合金外 还有其它一些新系镁合会 如m g z n c u 系 觌型合金有砂铸合金z c 6 3 和变形合金z c 7 1 m g l i 系合金 其中l a l 4 1 a 和 l s l 4 l a 已在航空航天工业得以应用 近来 结合新 艺方法 一些新型镁合金体系得以开发和应用 如快凝 r s p 合金 如e a 5 5 r s 非晶镁合金 如著名的三元合金m g m l n 其中m 为c u 或 n j l n 为l a 系元素 如y 金属基复合材料 m m c 如阻s i c 玻璃 a i o 和石墨等作为纤维强化添加帮的a z 9 1 a z 3 1 及m g l i 系合金等 这些合金的强 度比一般镁合金高得多 甚至高于一般铝合金的强度 1 3 镁合金的应用及国内外发展现状 从历史上看 镁合金的研究与应用已经有了 1 0 0 多年历史 l7 5 5 年人类发现 了镁的化合物 镁作为有使用价值钓材料始予1 8 0 8 年 直到t 8 8 6 年镁合金爿在 德国开始工业化生产 9 1 9 世纪初全世界原镁的产最只有lo t 几乎都在德国 直至第一次世界大战 镁的生产厂家还仅限于德国 而且镁的产量很小 在两次 世界大战 特别是第二次世界大战中镁的用量急剧增加 到1 9 4 3 年仅美国镁的产 量就达到了1 8 40 0 0 t 比1 9 3 9 年的5 倍还多 战争中镁主要用于军事目的 大多 魇在飞机上 典型的应用是发动机部件 机体和着隧轮 战后镁的主要用途出军 事转为民用 镁合会压铸件最早出现在2 0 世纪2 0 年代中期的德国 到现在用镁胍铸件米 减轻汽车重量的努力至少已有8 0 年的历史 2 0 世纪7 0 年代术 随着国际性能源 危机的临近 汽车工业再次将投资的焦点转向了轻质的镁合会材料 美翻和德划 东北大学硕士学位论文第一章绪论 音字母y m 表示 用于航空的铸造镁台金与其他铸造镁台会在牌号t 略囱犀 别 即z m 两个字母与代号的连接加一个横杠 例如5 号航空铸造镁台金用 z m 5 表示 可见 我国对镁合盒标记的特点是按成形工艺划分镁合金的 l1 2 2 镁合金的分类 根据 j 同标准 镁合金有几种不丽鳃分类方法 根据化学成分的不同 工业镁合金按主掭加元素为m n a i z n zj 和稀二r 分为5 个基本合金系 m g h 佃 m g a 1 一m n m g a i z n m n m g z r m g z n z r m g 一稀土一z r m g a g 一稀土一z r 和m g v 稀土 z r 等 此外 在某些镁合金中t h 电 是添加元素之一 尽管含t h 镁合金可具有优良的性能 但因t h 具有放射性 现 已基本不用 镁合金也可分为台a l 和不舍a l 镁舍金 又由于不台a l 镁含命般都用z t 作为晶粒细化荆 m g m n 除外 故也可分为含z r 和不含z r 铹合会 按产品形态 可分为铸造和变形台金 后者又可分为锻压合会 挤垭台金和 轧制台金 除以上常用镁合金外 还有其它 些新系镁合会 如m g z n c u 系 典型合金有砂铸合金z c 6 3 和变形合金z c 7 l m g l i 系台会 其中l a l 4 1 a 和 l s l 4 l a 已在航空航天工业得以应用 近来 结合颓工艺方法 一些新型镁舍金体系得以开发和应用 如快凝 r s p l 合金 如e a 5 5 r s i 非晶镁合金 如著名的三元合金m g m l n 其中m 为c u 或 n i l n 为l a 系元素 如y 金属基复合材料 m m c 如以s i c 玻璃 a 1 2 0 1 和石墨等作为纤维强化添加剂的a z g l a z 3 1 及m g l i 系台金等 这些台命的强 度比一般镁合金高得多 甚至高于一般铝台金的强度 1 3 镁合金的应用及国内外发展现状 从历史上看 镁合金的研究与应用已经有了1 0 0 多年历史 1 7 5 5 年人蓑发现 了镁的化合物 镁作为有使用价值的材料始于1 8 0 8 年 直到18 8 6 年镁台金爿在 德国开始工业化生产州 1 9 世纪初全世界原镁的产量只有 o t 几乎都在德国 直至第一次世界大战 镁的生产厂家还仅限于德国 而且镁的产量很小 在两次 世界大战 特别是第二次世界大战中镁的用量急剧增加 到1 9 4 3 年仪美国镁的产 量就达到了1 8 4 0 0 0 比1 9 3 9 年的5 倍还多 战争中镁主要用于军事目的 大多 用在飞机上 典型的应用是发动机都件 机体和着陆轮 战后镁的主要用途由军 事转为民用 镁合余压铸件最早出现在2 0 世纪2 0 年代中期的德国 到现在用镁压铸件来 减轻汽车重量的努力至少已有8 0 年的历史 2 0 世纪7 0 年代东 随著国际性能源 危机的临近 汽车工业再次将投资的焦点转向了轻质的镁台金材料 美幽和德吲 危机的临近 汽车工业再次将投资的焦点转向了轻质的镁合金材料 美幽和德国 东北大学硕士学位论文第一章绪论 政府也参与进来 组织了一系列的攻关项目 1 0 j 2 l 目标是减轻汽车重量 节省能 源 2 0 世纪8 0 年代 镁合金材料开发取得了长足进展 近年镁合命在汽车和3 c 产品上的应用格外引入注目 镁合金具有高的导热性 抗磁干扰能力 可压铸薄 壁件和易于回收等优点 广泛应用于3 c 电子产品 目前全世界汽车尾气排放c o z 所造成的污染占大气污染的6 0 一7 0 当今举世瞩目的温室效应和臭氧保护层 破坏等都与汽车排放的污染物有关 汽车排放的污染被认为是世界重大公害之 已严重地威胁到人类的生存和发展 因而人们期待着用镁合会作为轻质材料应用 于汽车 以减轻汽车重量 节约能源 降低污染 改善环境 发达国家现在币在 大力度地开发镁基材料 镁基材料被认为是最具开发和应用潜力的 绿色材料 8 1 3 1 4 l5 1 2 0 世纪7 0 年代以来 各国尤其是发达国家对汽车的节能和尾气排放提出了 越来越严格的限制 1 9 9 3 1 9 9 4 年欧洲汽车制造商提出 3 l 汽油轿车 的概念 美国制定了 p n g v 新一代交通工具伙伴 的合作计划 其目标是生产出消费 者可承受的每1 0 0 k m 耗油3 l 的轿车 且整车至少8 0 以上的零部件可以回收 这砦要求使汽车制造商采用新材料 新工艺和新技术 生产重量轻 耗油少 符 合环境要求的新一代汽车 据测算 汽车自重减轻1 0 其耗油效率可提高5 5 如果每辆汽车能使用7 0 k g 的镁合金 c 0 2 的年捧放量就能减少3 0 以上 镁合 金作为实际应用中最轻的结构金属材料 在汽车的减熏和性能改善中的重要作用 日益受到入们的重视 世界各大汽车公司已将镁合金制造汽车零部件作为重要的发展方向i j 在 欧美国家中 各国的汽车厂商正极力争取采用镁合金零件的多少作为汽车技术领 先的标志 在未来的七八年中 欧洲汽车制造业使用镁合余将占总消耗量的1 4 预计今后将以1 0 2 0 的速度递增 2 0 0 5 年将达到2 0 力 t 我国是一个摩托车的生产 消费和出口大国 也是一个潜在的汽车生产和消 费大国 我国已经在长春 上海 十堰 重庆等城市形成了以汽车 1 0 0 0 月辆各 型摩托车的能力 按2 0 0 1 年汽车产量2 3 7 万辆 摩托车产量1 0 0 0 万辆 每辆汽 车镁合盒用量2 0 k g 每辆摩托车用量5 k g 计算 该行业将使用镁合金9 7 万t h j 目前镁合金应用发展势头最大的国家和地区的是 北美 欧洲 同本 韩国 和中国台湾地区 在北美和欧洲镁合金的主要应用领域是汽车行业 当前世界镁 合金用量最大的1 0 个汽车生产厂家和1 0 种车型见表1 4 1 1 4 出于汽车对镁合舍 需求量远比其他类产品的大 因而在镁台会用量中一直占据若丰导地位 并存今 后还将保持着这种趋势 除压铸镁台金被大量应用在交通工具 3 c 产品上外 变形镁合余应用也开始 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 受到重视 并随着镁合金连接和表丽处理等技术的不断完善 使之在交通 1 具 3 c 产品上被应用诸如摩托车 自行车 残疾人用车 手提行李车 以及一些体育 和生括工具中的应用也越来越显示出美好的前景 可见 随着镁合余生产和应用 技术的不断完善 材料性能 绘格比的进一步提高 镁合余不仅在汽车 3 c 产品 j 二的用燕会逐步地增加 而且其应用也将会进一步扩大 表1 41 9 9 7 年世界镁台金用量晟人的1 0 个汽下生产企业 t a b l e1 4t o pt e nm a g n e s i u ma l l o yu s a g eo fa u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s i n t h e w o r l d i n1 9 9 7 镁台金用量是大 镁合金h j 量最大的1 0 种7 刑 的1 0 个汽乍企业 汽车企业镁合金用量 t镁合金车型镁合金j j 拓 t 桶特 1 75 0 0g mf u l ls i z e dv a n s s a v a n a e x p r e s s2 63 通州 94 0 0d a i m l e rb e n zs l 7 0 2 0 3 克莱斯勒 70 5 0g mm i n i v a n s s a f a r i a s t r oi6 7 丰田42 0 0f o r df 15 0 t r u c k1 49 奔驰 27 0 0 v wp a s s a t a u d i a 4 a 6 1 3 6 一1 45 奥迪16 0 0p o r s c h eb o x s t e rr o a d s t e r9 9 大众 12 5 0b u i c kp a r ka v e n u e9 5 宝马 7 0 0a 1 f ar o m e u l5 693 菲程特 5 0 0d a i m l e rb e n zs i kr o a s t e r77 保时捷 2 5 0 c h r y s l e rm i n i v a n s 5 8 总计451 5 0 一 一 1 2 电磁铸轧技术的提出与发展现状 1 2 1 电磁铸轧技术的提出 2 1 1 铝板带连续铸轧是近凡年来压力加工中的新技术 具有节能 生产周期短 投资小 见效快等优点 但其带坯组织性能差 需依赖a 1 t i b 细化剂获得细晶粒 组织 添加a i t i b 丝存在价格昂贵 给产品带来合金污染 带坯结晶组织欠均匀 等缺陷 为了解决上述问题 并进一步扩大可通过铸轧方式生产的含 乱种和提 东北大学硕士学位论文第一章绪论 高铸轧板的深拉性能 提出了电磁铸轧新构思 本技术的核心内容是 在铸轧区中引入以行波磁场为主的组合磁场 改变凝 固结晶条件 强化结晶一破碎一搅拌一结晶的动态形核结晶过程 使粗大的桩状 晶向细密等轴晶转化 并可以改变带坯原始晶粒取向 达到全面改善铸轧板性能 的目的 通过理论与实践探讨 达到了预期目的 在工业试验中取得了良好效果 主要技术性能指标为 1 在铸轧区中施加组合电磁场有效地细化了晶粒 达到了添加进口铝钛硼 丝的效果 一级晶粒度 使结晶组织的均匀度超过铝钛硼的效果 2 在相同的冷轧 退火工艺下 添加a 1 t i b 细化剂的铸轧 6 l m m 的制耳 率为1 0 而电磁铸轧板的制耳率为3 2 电磁场改善了铸轧板的力学性能 使 铸轧板的深拉性能得到了突破性提高 3 去除了晶粒细化剂添加工艺 消除了由此带来的含金污染 l 2 2 电磁铸轧技术的发展现状 1 2 2 1 前人的研究成果 早在1 9 6 5 年w c j h o n s o n 等1 2 2 2 4 就对电磁场作用下的金属凝固进行了试验研 究 结果发现 对正在凝固的金属施加一个交变磁场后 可以减少等轴晶区内的 晶粒尺寸 同时还可以减少柱状晶区的相对体积 此后的进一步试验发现1 2 3 2 4 单 的直流磁场作用于凝固体系时 反而扩大了柱状晶区的体积 而且 即使是交 变磁场 也因其产生的体积力太小 不能有效地改善熔池的流动状态 因而宏观 组织并不能明显地细化 据此得出结论 只有同时应用电场和磁场 直流或交流 组织结构才能明显细化 1 9 8 3 年 t a e 1 b a s s y o u n i l 2 5 对此提出异议 并用试验证明 单一的交变磁场 同样能够明显细化晶粒 有趣的是 在他的试验中发现 磁感应强度过高或过低 都不能取得良好的细化效果 只有到0 0 2 7 t 0 0 3 3 t 时 爿 能取得最佳的细化效 果 使人感到吃惊地是 这一最佳磁感应强度值几乎与含金材料无关 到了1 9 8 9 年 葛丰德 2 6 1 人以a l c u 合金为例 研究了脉振磁场的作用 证史 了单一脉振磁场也有明显细化晶粒的作用 但刑书明等拉7 认为 脉振磁场细化晶 粒的效果取决于一次电流强度 一次电流波形及频率等因素 并不仅仅取决于磁 场强度 他们在实验室得出了磁感应强度和细化效果之削的大致曲线 如图1 3 2 所示 而且试验在0 2 t 的磁感应强度下同样获得了显著的细化效果 一8 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 3 感应强度与细化效果的关系 f i g 1 3r e l a t i o no fm a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t ya n dr e f i n i n ge f f e c t i v e n e s s 1 2 2 2 电磁场铸轧原理 如图1 4 所示 电磁场铸轧是在常规铸轧的铸轧区中施加交变形波磁场和脉 振磁场 从而在导电的铝熔体中感应出涡流j 一感应涡流产生一逆向磁场阻碍交 变磁场的变化 这两磁场迭加形成一综合磁场 在涡流与综合磁场的共同作用下 据f b 可知铝熔体受到电磁感应力的作用 该电磁力对铸轧前沿的铝熔体及 初尘晶体产生搅拌与微切割作用 电磁场作用改变了铸轧静沿的铝熔体的流场 i 温度场 改善了浓度分布 从而影响和改变了铸轧区金属同他的凝固晶界过程 山于电磁力作用使得流场和温度场分布较自然对流下的分布要均匀 这有利 般 围和结晶 从而改善凝固组织 蠛 p 赫p 图1 4 铸轧区电磁场作用示意圈 f i g 1 4s c h e m a t i cp l a no fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l da c t i o ni nt h ec a s t r o l l i n gz o r e 1 2 2 3 铝电磁铸轧的研制现状 传统的铝及铝合金连铸连轧技术 其板坯组织性能差 依赖添加铝一钛一硼 晶粒细化荆提高组织性能 在电磁搅拌1 2 9 3 和电磁铸造1 3 2 4 0 1 技术的思路上开发 出来的电磁铸轧技术 将电磁场应用于连续铸轧中 可显著提高铸轧带坯的组织 性能 消除或减少由于添加铝一钛一硼引起的合金污染 出中南大学钟掘院 l 二领 导的电磁铸轧课题组通过多年的努力 在西北铝加工厂的协助下 丌发的电磁铸 轧系统的研制成功 已用于生产 可实现工业推广与产业化 并促进我国的连铸 置罪氅磊 东北大学硕士学位论文第一章绪论 技术处于世界领先水平 铝电磁铸轧技术是一项集机 屯 铸造和加工工艺等多学科和新技术于一体 的探索性研究课题 图1 5 是铝电磁铸轧示意图1 1 其关键技术为 研制一套能 卜 轧辊 2 一铸嘴 3 一上压板 4 一上铁芯 5 一过桥 6 一前箱 7 流槽 8 一f 铁芯 9 一支承箱 l o 一支承座 1 1 一线圈 1 2 一冷却水套 1 3 一调节螺钉 1 4 一疵扳 图1 5 电磁铸轧示意幽 f i g 1 5s c h e m a t i cp l a no fe l e c t r o m a g n a t i cc a s t r o l l i n g 产生特殊组合磁场的电磁感应装置 研制一套能适应各种磁场要求的供电 q 过程 控制系统 这两套设备于1 9 8 8 年底研制成功 从1 9 8 9 年到1 9 9 0 年期间在实验室 模拟连续铸轧工艺的主要环节进行了多次试验 查明了铝及铝合金在电磁铸轧条 件下的行为机理和基本电磁参数 基本磁场形态 4 2 3 为工业试验提供理论依据 为在多系统的工业铸轧系统中获得合理的磁场形念与磁感应强度 对现场铸轧环 境进行磁路设计 5 4 和设备改造 使铸轧区 见图1 4 具有特殊的组合磁场 从 1 9 9 0 年开始 厂 校双方共同筹措工业试验条件 设计研制了铝液供给形态和滑 动小车 改进了铸轧机的有关部件 并于1 9 9 1 年1 2 月在厂方0 6 5 0 x 1 6 0 0 铸轧机 上进行首次工业试验 1 9 9 2 年1 2 月进行第2 次工业试验 虽然上述两次试验在 技术上均取得突破性进展 大大降级了铝一钛 硼晶粒细化荆的用量 但是同时 也出现了一些问题 主要是两个方面 1 由于铸轧机结构的限制 磁场感应系统所产生的磁感应强度不够 搅拌 不充分 带坯中存在局部范围内晶粒细化不均匀现象 2 在电磁铸轧过程中 由于电磁力而导致的设备振动 在某些条件下铸轧 带坯出现氧化膜折叠问题 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 针对出现的问题 厂 校双方共同对电磁感应系统进行了改造 从参数 接 线方式 结构等多方面调整和改进 1 9 9 3 年1 2 月 厂 校双方在吐 6 5 0 1 6 0 0 铸 轧机上进行了第3 次工业试验 该次试验在过得良好晶粒效果的同时 便面氧化 膜折叠缺陷盟显减轻1 2 在上述工业试验的基础上 厂 校双方于1 9 9 41 9 9 7 年8 月问继续进行了第 4 第5 和第6 次工业生产试验 工艺进 步完善 产品质量进一步提高 生产的 上百吨带坯 成功地轧出了2 o 0 5 m m 各种规格的成品板带和o 0 0 7 r a m 合格铝 箔 达到用户的使用要求 2 0 0 2 年6 月 在兰州铝厂0 9 0 0 1 8 0 0 铸轧机上安装调 试了一套改进后的电磁铸轧设备 通过试生产 结果表明大大提高了铸轧带坯的 质量 1 2 2 4 磁场作用下的镁台金铸轧 镁的晶体结构是密排六方 如图i 6 所示 因此承受的变形量有限 特别是 在低温条件下更是如此 镁在室温时变形主要通过在基面上密排的 方向的 滑移和在角锥面f 1 0 1 2 上的孪晶 在应力方向平行于基面时 受压时才发生这种 孪晶 而在应力方向垂直于基面时 受披时才发生这种孪晶 在温度高于2 5 0 时 附加的滑移面角锥面 1 0 1 t 开始起作用 变形容易得多了 李晶也变得 不蘑 要了 因此通常通过热加工来生产变形镁合金产品 5 圈1 6 镁的密摊穴方品胞结构 f i g 1 6c l o s e d p a c k e dh e x a g o n a ls t r u c t u r eo fm a g n e s i u m 影响镁含金的塑性变形能力的因素主要有以下几点 1 载荷形式 拉伸或挑 缩 2 形变速度 3 晶粒大小 4 形变速率 5 台会元素在晶内的固溶度 此 外 一些研究结果认为镁合金的塑性行为还与位错的粘性滑移有关 其力学性能 强烈地依赖于晶粒尺寸和晶界滑移 近年来镁价的持续走低提供了汽车用板的又一机遇 按目前的镁价 如果能把 镁锭加工成镁板且成本又低 则镁板比铝板更具技术和经济上的优势 法塔亨特 和d o w 镁业公司于2 0 世纪8 0 年代就丌发出镁扳带双辊连续铸轧工艺技术 可以 使汽车制造厂从使用钢板直接转为使用镁板 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 强磁场作用下的铸轧是比较适合于镁含金成形的技术 强磁场作用一f 镁合会 的铸轧技术 是镁合金在强磁场作用下进行形核 凝固 变形及晶粒长大过程 d j 于强磁场的作用 镁合金的形核激活能显著下降 临界尺寸减小 晶粒细化 同时 由于磁场的存在 镁合金的长大动力减小 长大过程受到抑制 从雨使得 轧制变形和再结晶后的晶粒也得到细化 同时 通过强磁场的作用提高了溶质元 素在镁合金中的晶内含量 提高了合金纯净度 进而大大改善镁合盒的成型性能 和力学性能 该技术的实现将提供一种崭新的低成本的镁合金制造技术 它可以用来直接 制造所需的各种镁含金板材 同时 也可用于制备各种镁合金的半固惫原料 为 镁合金的半固态加工提供板料 这对于我国的镁合金加工技术的发展将产生深远 的影响 为我国镁合金加工技术赶上国际先进水平做出贡献 为国民经济的发展 做出贡献 1 2 2 5 电磁铸轧目前存在的问题 电磁铸轧作为一种新技术 目前研究还不是很充分 通过对该技术研究现状 的综合分析 主要存在以下几个方面的问蹶 1 电磁连续铸轧是一个比较复杂的系统 电磁参数和工艺参数相互牵扯 调整某 个参数将引起其他参数都发生变化 在目前最佳工艺参数的配置还没有 十分明确的时候 电控参数中有一些指标还是待定的 比如电流的频率对熔体的 撮小渗入深度 因为渗入深度只与熔体的温度梯度和铸轧速度有关 电流的频率 愈低 渗入得愈深 但从铸轧速度来看 频率愈高则细化效果愈好 这个矛盾有 待解决 2 将电磁能送到铸轧区中的哪个位置才能达到最好的效果 因为在实际工 作中 操作者是根据温度的变化 人工适时地调整前箱温度和铸轧速度 这种控 制系统是开环控制 离开人就无法控制 而人工控制的精度和速度都不能满足实 际的要求 例如 由于温度的变化将引起铸轧区中各区段比例的变化 如果温度 升高 将使得铸造区伸长 轧制区变短 这时电磁能送到的位最要跟随着温度的 变化而变化才能达到最好的效果 控制中还要考虑轧制力等因素 因此必须采用 闭环控制才能保证 但它不像一般的自动控制问题 在一般的自动控制问题中 很大一类问题是终端固定的 而这里是终端待定问题 这种控制系统应有最优的 自动跟踪和最优的输出自动调节功能才能满足要求 这些问题都有待进一步的解 决和完善 3 对电磁感应结构进行优化设计 采取一切有效措施防止漏磁 研究轧辊 辊套材料对漏磁的影响 选择合适的辊套材料与之配套 可提高铸轧带坯质量 设计时要尽量提高系统连接刚度 特别是料嘴压板的刚度 改善其与基体的连接 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 是消除氧化膜折叠的 个重要措施 降低电磁感应器的边沿效应的不利影晌 j 通过增加电磁感应器在轴向方向的宽度或减少铸轧板宽度来实现 这 措施对碱 轻振动折叠现象也有好处 进一步优化电流和过程控制系统的硬件和软件 采用 交一直一交变频取代交一交变频 改善行波导向频率的控制 目前 铝电磁铸轧装置基本上独立于双辊铸轧机 有专门的操作系统和控制 系统 今后铝电磁铸轧的发展趋势是由现在独立的电磁铸轧装置 电磁感应器乖l 配套的电控系统 向与铸轧机完全融合 统 便于操作和维护 1 3 铸轧过程的数值模拟现状 早期对金属凝固问题的数值解析主要采用的是有限差分法 主要针对简单几 何形状问题的求解 2 0 世纪6 0 年代初 丹麦的f o r s u n d 把d u s i n b e r r e 等人在工程 应用中提出的有限差分近似法第一次用于铸造凝固过程的传热计算 开辟了用计 算机数值计算法进行凝固理论研究的新途径 1 9 6 5 年 美国通用电器公司的 h e n c e l 和k e v e r i a n 两个应用瞬态传热程序计算了大型铸带钢件的凝固过程 其计 算结果与实测结果相当接近 这些最初的尝试使得研究者认识到用计算机数值模 拟技术研究铸带凝固过程具有巨大的潜力和广阔的前景 相继世界上许多困家都 行展了铸带凝固计算机数值模拟的研究1 5 j 在日本 具有代表性的研究者大中逸雄在研究中提出了 种直接差分法 又 分为内节点法和外节点法 其物理意义明确 单元划分灵活 提供了一种通向二 维的可行途径 此外 还编制了自动网格划分和数据形成预处理的通用程序 并 采用有限元法 矩阵和直接差分法等各种数值计算方法对铸带的凝固过程进行了 数值模拟例 m i z i k a r j 早在2 0 世纪6 0 年后期研究了板坯连铸