螺旋磁场搅拌对合金内在质量影响的模拟与实验研究

摘要

在金属凝固过程中施加电磁搅拌强迫熔体流动，对改变熔体中的传热与传质过程，控制凝固组织具有重要作用。
　　本论文以常规条件下易产生成分偏析的低熔点Pb-Sn和Sn-Sb合金为目标金属，采用多功能电磁搅拌装置，在实验室条件下探讨不同磁场形式电磁搅拌对合金凝固过程、凝固组织、成分偏析及缩孔、疏松缺陷的影响，重点分析螺旋磁场的作用机理，结合温度场、电磁场数值模拟分析，优化电磁搅拌工艺参数，并将多种磁场与功率超声结合组成复合场应用于凝固过程中，研究其对凝固组织和宏观缺陷的影响及作用机理。论文得到的主要结果有:
　　(1)旋转、行波和螺旋磁场的磁感应强度均随周向角度呈正弦分布，且随搅拌频率的增加而降低;旋转磁场在f=10Hz时达到磁感应强度最大值，螺旋磁场在f=8～12Hz区间的磁场强而稳定。旋转和行波磁场中心最大磁感应强度出现在周向角度90°和270°，而螺旋磁场出现在120°和180°。频率一定，磁感应强度随励磁电流的增加而增大。
　　(2)在搅拌器轴线方向，磁感应强度呈现出“中间大、两端小”的分布特征;在搅拌器同一横断面上，边缘处磁感应强度最大而中心最小;螺旋磁场沿轴向分布较旋转磁场更为平稳，电磁搅拌覆盖范围更大;当R＜60mm时，螺旋磁场沿径向衰减幅度更小，分布更为平稳;行波磁场在搅拌器内壁处磁感应强度最大，但沿径向衰减程度也最大。测试和模拟结果均表明，螺旋磁场的磁感应强度大于旋转磁场和行波磁场。
　　(3)数值模拟与实测结果均表明，螺旋磁场的电磁力使熔体主要产生切向和轴向上的大环流，而切向和轴向受力的分布对搅拌强度和效果起决定作用，随励磁电流的增强Fθ与F(z)也显著增加，有利于金属熔体在横纵截面上的流动。熔体所受电磁合力Fsum随搅拌频率增加而增加，但幅度不大，在f=2～12Hz时电磁力的曲线几乎是重合的，但是沿半径方向逐渐增大。
　　(4)螺旋磁场产生的感应热随着电流强度的增强而增大，沿着径向均匀分布;励磁电流较低时电磁搅拌对凝固组织起主要作用，当励磁电流达到一定值时感应热对凝固过程的影响占主导，导致冷却速度降低，冷却曲线斜率减小，共晶平台位置上移，共晶凝固时间延长。
　　(5)励磁电流一定时，螺旋磁场频率较低时将产生反偏析，随着频率的增大反偏析逐步得到改善，在细化凝固组织及改善成分偏析方面合理的搅拌频率为f=10～13Hz，适宜的搅拌时间为15～20min，Pb-Sn合金晶粒尺寸由无磁场的175μm减至140μm，铸锭成分偏差值为1.5 wt.％。
　　(6)频率为f=10Hz时，螺旋磁场励磁电流越大，晶粒尺寸越细小，在改善成分偏析和凝固组织方面适宜的励磁电流为115～125A，平均晶粒尺寸最小为133μm，可以基本消除Pb-80％Sn过共晶合金的成分偏析。同时，螺旋磁场搅拌对合金共晶层片有明显的粗化作用，且共晶组织生长形态也发生从层片共晶向不规则共晶的转变。
　　(7)螺旋磁场、旋转磁场和行波磁场电磁搅拌都可以有效的改善合金的凝固组织和成分偏析，综合对比不同形式的磁场搅拌对Pb-Sn和Sn-Sb合金内在质量的影响，可得到如下结论，在细化凝固组织的冶金效果是:螺旋磁场＞旋转磁场＞行波磁场，在改善成分偏析的冶金效果方面为:螺旋磁场＞行波磁场＞旋转磁场。
　　(8)复合场在细化凝固组织和改善合金内部质量方面存在一个适宜的超声功率值和搅拌强度，获得较好的冶金效果。对比旋转磁场与超声场复合、螺旋磁场与超声场复合作用下合金凝固组织变化的结果发现，螺旋磁场切向分力扩大超声空化作用的覆盖面积，强化超声破碎枝晶、细化组织的作用;轴向分力与超声声流产生的轴向搅拌叠加，促进了功率超声在整个熔体内爆发生核，螺旋磁场与超声复合改善宏观缺陷和细化凝固组织效果最好。

目录

声明

摘要

CONTENTS

图表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 钢的连铸技术的发展

1．1．1 国外连续铸钢的发展现状

1．1．2 国内连续铸钢的发展现状

1．2 电磁场在控制金属凝固方面的应用

1．2．1 电磁场基本原理

1．2．2 电磁场在控制金属凝固方面的应用

1．3 电磁搅拌技术基本原理与特点

1．3．1 电磁搅拌的基本原理

1．3．2 电磁搅拌技术的特点

1．3．3 连铸电磁搅拌器的基本类型及其激发磁场的机理

1．4 电磁搅拌技术的发展历史

1．4．1 国外电磁搅拌技术的发展

1．4．2 国内电磁搅拌技术的发展

1．5 电磁搅拌的冶金功能

1．5．1 电磁搅拌对铸坯凝固组织的影响

1．5．2 电磁搅拌对中心疏松和偏析的影响

1．5．3 电磁搅拌对铸坯内部裂纹的影响

1．6 电磁搅拌数值模拟研究

1．6．1 电磁搅拌的数值计算方法

1．6．2 国外电磁搅拌数值模拟研究的现状

1．6．3 国内电磁搅拌技术数值模拟的现状

1．7 超声波对金属凝固的影响

1．7．1 功率超声

1．7．2 国内外超声技术的发展现状

1．7．3 复合场作用下金属凝固过程的研究

1．8 论文研究目的及内容

1．8．1 论文的研究目的

1．8．2 论文的研究内容

2 实验方法与装置

2．1 相似理论

2．2 合金的成分设计

2．3 实验设备和方法

2．3．1 熔炼装置和工艺

2．3．2 电磁搅拌装置

2．3．3 复合场实验装置

2．4 样品制备和组织成分测试分析

3 螺旋磁场搅拌下磁场和电磁力的数值模拟研究

3．1 前言

3．2 螺旋磁场的特点及作用机理分析

3．3 电磁场计算的数学模型

3．3．1 电磁搅拌基本理论分析—麦克斯韦方程组

3．3．2 电磁场模块介绍

3．3．3 物理模型的建立

3．3．4 边界条件处理

3．3．5 电磁搅拌数值模拟计算流程图

3．4 电磁搅拌磁场分布的测试与分析

3．4．1 磁感应强度测量原理与方法

3．4．2 电磁搅拌器空载条件下磁感应强度的测量

3．5 磁场测量结果与分析

3．5．1 电流强度对磁场分布的影响

3．5．2 搅拌频率对磁场分布的影响

3．5．3 搅拌器位置对磁场分布的影响

3．6 数值模拟与实测结果的比较

3．6．1 不同磁场模式的磁感应强度计算结果

3．6．2 螺旋磁场作用下电磁力的计算结果

3．7 小结

4 螺旋磁场作用下合金凝固过程温度场模拟与实验研究

4．1 引言

4．2 凝固过程的传热

4．3 螺旋磁场下凝固过程的感应热研究

4．3．1 感应热测量

4．3．2 感应热计算

4．4 温度场计算模型的建立

4．4．1 凝固过程导热微分方程

4．4．2 ProCAST软件

4．5 求解条件处理

4．5．1 模型建立与网格剖分

4．5．2 初始条件与边界条件设定

4．5．3 潜热与感应热的处理

4．6 数值模拟与实测结果分析

4．6．1 温度场测量

4．6．2 计算与实测结果对比

4．7 小结

5 磁场搅拌模式对成分偏析和凝固组织影响对比研究

5．1 引言

5．1．1 凝固过程的液体流动

5．1．2 液相流动对传热、传质过程的影响

5．1．3 液相流动对凝固组织的影响

5．2 旋转磁场下合金的凝固组织和成分偏析

5．2．1 搅拌频率选择

5．2．2 搅拌位置的确定

5．2．3 搅拌时间的影响

5．2．4 励磁电流的影响

5．3 行波磁场下合金的凝固组织和成分偏析

5．3．1 搅拌时间的影响

5．3．2 励磁电流的影响

5．4 螺旋磁场下合金的凝固组织和成分偏析

5．4．1 搅拌频率的影响

5．4．2 搅拌时间的影响

5．4．3 励磁电流的影响

5．4．4 螺旋磁场方向对成分偏析和凝固组织的影响

5．5 不同搅拌方式下合金的凝固组织和成分分布对比

5．5．1 Sn-11％Sb合金

5．5．2 Pb-80％Sn合金

5．6 螺旋磁场对合金凝固过程的影响机理

5．6．1 螺旋磁场下合金凝固热过程

5．6．2 螺旋磁场下合金初生相形貌的转变

5．6．3 螺旋磁场对共晶组织的影响

5．6．4 螺旋磁场对合金成分偏析的改善机制

5．6．5 搅拌参数对合金凝固过程的影响

5．7 小结

6 螺旋磁场与超声波复合作用对金属凝固组织的影响

6．1 引言

6．2 实验方法

6．3 螺旋磁场-超声波复合作用对金属凝固组织的影响

6．3．1 复合场对Sn-Sb合金凝固组织的影响

6．3．2 复合场参数对Pb-Sn合金凝固组织的影响

6．3．3 不同磁场-超声场复合对Pb-Sn合金凝固组织的影响

6．4 功率超声与电磁场复合作用对金属凝固过程的作用机理分析

6．4．1 复合场对金属凝固组织的影响

6．4．2 复合场作用机理分析

6．5 小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

7．3 创新点摘要

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者筒介