铝合金超声半连铸结晶器熔池流场数值模拟及试验研究

摘要

超声外场处理金属熔体是改善铸锭凝固组织,提高材料力学性能的一种有效方法,是当前国际研究的热点和未来铸造技术的一个新的发展方向。本文以7050铝合金超声铸造为切入点,主要研究了以下几方面内容:
　　 1、应用多介质声波传输理论对工具杆在铝合金熔体中的声压分布进行计算后,得到了超声波在铝合金熔体中的声压场分布。在对空化理论以及空化阀值的影响因素进行分析后,结合熔体的声压场分布,得出不同功率下超声波发生器在铝合金熔体中所产生的空化区域。根据超声在熔体中的空化区域分布,采用异质形核模型对7050铝合金熔体形核参数进行分析计算,得出超声波处理能显著提高熔体的形核率,超声波功率越大,熔体形核率越大。
　　 2、应用流体仿真软件Fluent对7050铝合金超声半连铸结晶器熔池流场进行数值模拟,通过分析和计算得到试验条件下的声流驱动力值,随后通过UDF函数将其添加到Fluent的计算过程中进行模拟计算,模拟结果表明:由浇注口引起的流场在结晶器液穴内可流动的区域都产生了熔体流动现象,铝合金熔体在结晶器熔池内形成两个大涡流,对称的排列在浇注口轴线两侧;随着铸造速度的增大,熔池流场的基本特征没有明显变化,但结晶器熔池内铝合金熔体整体流速明显增大;由超声波产生的声流效应各向流体流动速度很小远小于由浇注口引起的外流场速度幅值大小,超声声流效应对结晶器熔池流速影响很小,可以忽略不计。根据仿真结果计算表明,在结晶器熔池流场的作用下,空化区域产生的大量形核被转移到熔体非空化区域,使整个熔池熔体形核率均显著提高;随着铸造速度加大,越靠近中心轴线熔体形核率越大,边部形核率减小。
　　 3、铝合金超声半连铸试验表明,铸锭整个截面组织都得到了细化,均呈现均匀等轴晶状。且随着铸造速度增大,铸锭中部晶粒尺寸减小,边部晶粒尺寸增大,与仿真计算中结晶器熔池的形核率分布规律一致,证明了仿真计算的可靠性。