圆锭电磁铸造电磁力数值计算及金属电磁成型性研究

摘要

电磁铸造技术是建立在电磁流体力学基础上,并与冶金工程相结合的先进材料加工方法.由于生产的铸锭具有表面光亮、缺陷少、组织致密、机械性能好等优点,电磁铸造技术已成为铝合金生产的主要方法.随着铝合金电磁铸造技术的日益完善,以及电磁铸造生产的铸锭的优越性,钢、铜及镁合金都已成为电磁铸造实验与研究的对象.电磁铸造的关键技术在于金属熔体在电磁场作用下的无接触立柱成型.由于不同金属具有不同的物性参数,因而电磁成型可行性及难易程度各不相同.本文以获得不同金属电磁铸造成型实验参数为着眼点,采用数值计算、数学分析以及实验研究相结合的方法对不同金属的电磁铸造成型可行性及难易程度进行了研究.论文主要包括以下内容:从电磁铸造基本原理出发,建立了圆锭电磁铸造电磁力数值计算模型,该计算模型在计算电磁力时考虑了磁场分布梯度对电磁力大小及分布的影响.采用互感耦合模型对不同金属熔体内磁场分布以及感应器倾角、感应器电流及频率对磁场分布的影响进行了数值计算研究;并在电磁场计算结果基础上,采用电磁力计算模型计算研究了不同条件下金属熔体内电磁力分布规律.通过研究不同条件下熔体内电磁压力与液柱静压力的平衡关系,对铝、铜、钢及镁铝合金电磁铸造成型的实验条件进行研究,计算得到了铝、铜、钢及镁铝合金实现电磁铸造成型所需的磁感应强度.以金属电磁铸造成型基本条件为依据,提出了判定不同金属电磁铸造成型可行性与难易程度的无量纲判据.利用该判据对不同条件下金属的电磁成型可行性进行分析,得到了不同金属电磁成型所需磁感应强度,所得结果与电磁力数值计算方法所得结果基本吻合.实验研究了铝、锡铅合金的电磁约束成型可行性,实验结果与计算结果基本吻合,从而验证了电磁成型无量纲判据的实用性.电磁成型无量纲判据及电磁力数值计算结果指出,不同金属电磁铸造成型时所需磁感应强度不同:以50mm高的液柱为标准,铝电磁成型所需磁感应强度为0.045~0.05T;而钢的约为0.08~0.085T,铜的约为0.094~0.099T;而镁铝合金则较小,约为0.038~0.043T;研究表明,金属电磁铸造所需感应器电流及磁感应强度大小取决于金属的密度,而金属的电导率的大小则决定了电源频率的选择.电磁铸造成型无量纲判据的建立及电磁力计算程序的编制,为不同金属电磁铸造感应器的设计及铸造工艺参数的选择提供了依据.

目录

文摘

英文文摘

1前言

1.1引言

1.2电磁铸造技术的原理及特点

1.3电磁铸造技术的历史与发展

1.3.1EMC的历史与工艺发展

1.3.2电磁铸造过程数值模拟的发展

1.4国内电磁铸造技术的研究概况

1.5本论文的研究目标及主要工作内容

参考文献

2圆锭电磁铸造电磁力数学分析及计算模型建立

2.1引言

2.2电磁铸造技术的基本理论

2.3圆锭电磁铸造电磁力数学分析

2.4理想电磁圆管内电磁力特点

2.5电磁有旋力和电磁无旋力计算模型

2.6本章小结

参考文献

3圆锭电磁铸造电磁场数值计算

3.1引言

3.2电磁场数值计算数学模型

3.2.1互感耦合模型及其基本思想

3.2.2互感耦合模型表达式

3.2.3电磁场的叠加计算

3.2.4电磁场的数值计算方法

3.3电磁铸造金属熔体内电磁场数值计算

3.3.1计算区域的界定

3.3.2计算网格剖分

3.3.3互感耦合模型中各物理量的具体求法

3.3.4加载时计算参数表与计算流程图

3.4空载时感应器内电磁场数值计算

3.4.1直边感应器

3.4.2斜边感应器

3.4.3空载时感应器内磁感应强度与电流的关系

3.5加载时铝熔体内磁场分布规律

3.5.1铝熔体表层内感生电流分布规律

3.5.2铝熔体内磁场分布规律

3.6不同金属熔体内的感生电流及磁场分布规律

3.6.1不同金属表层内的感生电流

3.6.2不同金属表层内磁感应强度分布规律

3.6.3分析与讨论

3.7实验

3.8本章小结

参考文献

4圆锭电磁铸造电磁力的数值计算及电磁成型条件研究

4.1引言

4.2电磁力的数值计算模型建立

4.2.1电磁力计算模型离散化

4.2.2电磁压力的数值求解

4.3金属熔体内电磁力的数值计算

4.3.1铝熔体内电磁力分布规律研究

4.3.2铝熔体表层内电磁压力与液柱静压力

4.4钢、铜、镁铝合金电磁压力数值计算及电磁铸造成型条件分析

4.4.1钢电磁铸造成型条件

4.4.2铜电磁铸造成型条件

4.4.3镁铝合金电磁铸造成型条件

4.4.4不同金属电磁铸造成型电力条件及磁感应强度

4.5数值计算结果分析与讨论

4.6本章小结

参考文献

5电磁铸造成型无量纲判据建立及电磁成型可行性研究

5.1引言

5.2液体金属内电磁力密度分布规律

5.2.1电磁力密度数学模型

5.2.2不同参数下的电磁力密度分布

5.3电磁铸造约束成型无量纲判据的建立与应用

5.3.1电磁铸造约束成型平衡条件

5.3.2电磁力积分区间选择

5.3.3频率的选择与铸锭尺寸的要求

5.3.4平均磁感应强度

5.3.5电磁成型无量纲判据的数学表达

5.3.6电磁成型无量纲数的意义

5.4金属电磁铸造成型能力的研究

5.4.1不同实验条件下金属电磁成型能力的研究

5.4.2不同金属电磁成型能力分析

5.5金属电磁成型能力的实验研究

5.5.1实验设备及实验方法

5.5.2实验结果与分析

5.5.3结论

5.6本章小结

参考文献

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

创新点摘要

主要符号列表

攻读博士期间发表文章

致谢

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