铝合金差相电磁水平连续铸造工艺及理论研究

摘要

本课题是国家重点基础研究发展规划(973)资助项目“高性能铝材与铝资源高效利用的基础研究”中的部分内容,主要研究差相电磁场对铝合金水平连续铸造过程和铸锭质量的影响,旨在开发高效、经济的差相电磁水平连铸新技术。
　　 本文的研究内容包括:不同磁场施加方式对7075铝合金水平连铸铸锭表面质量及内部组织的影响;差相磁场对7075铝合金水平连铸工艺的影响;差相磁场对不同牌号铝合金水平连铸铸态组织的影响;差相磁场与(Al-5Ti-B)细化剂共同作用对纯铝及7075铝合金铸态组织的影响。取得的主要成果如下:
　　 对比了不同磁场施加方式对水平连铸7075铝合金铸锭质量的影响。结果表明:在流道外(线圈1)施加工频磁场,可以增加流道表面熔体的流动速度,有效地消除水平连铸过程中铝合金铸锭中的光亮晶,但其对铸态组织及表面偏析层的改善作用较弱;在结晶器外(线圈2)施加低频磁场,可以有效的改善铸态组织、减小偏析层的厚度,但不能有效地消除水平连铸铝合金铸锭中的光亮晶,同时铸锭皮下气孔、疏松等缺陷增多;在结晶器外施加工频磁场,可在一定程度上改善铸态组织减小偏析层的厚度,但不能消除铸锭中的光亮晶,在流道和结晶器外的线圈中施加差相电流,形成差相磁场,可以显著的改善合金的铸态组织,提高铸锭表面质量,消除水平连铸过程中的光亮晶。
　　 系统地研究了施加差相磁场对水平连铸工艺及铸锭质量的影响。结果表明:在7075铝合金水平连铸过程中施加差相磁场,能够有效地消除重力因素的影响,使熔池中温度分布均匀,降低铸锭上下表面冷却差异:有效消除上下表面初凝壳厚度差,使液穴形状关于铸锭几何中心对称,进而消弱水平连铸铝合金铸锭上下表面形貌以及皮下偏析层厚度上存在的差异,使铸锭横截面上的铸态组织趋于均匀;能够有效地改善铸态组织,减少铸锭中羽毛晶,增加等轴晶,细化晶粒,消除水平连铸铸锭中的光亮晶,提高铸锭质量。
　　 铸造速度较高时,一冷区初凝壳变薄,液穴变深,铸锭表面冷隔减少偏析瘤增加,铸锭上下表面偏析层厚度减小,铸锭横截面上羽毛晶有所增加,差相磁场对铸态组织的改善效果降低。
　　 系统地研究了差相磁场对不同牌号(工业纯铝1070、2024、3004、5182、6063、7075、7050)铝合金水平连铸铸锭铸态组织的影响,结果表明:不同牌号的合金水平连铸的组织不同,合金元素含量比较少的工业纯铝、6063和3004铝合金,传统水平连铸铸锭易形成粗大的柱状晶,而对于合金元素含量比较多的2024,5182,7075,7050铝合金,传统水平连铸铸锭易形成粗大羽毛晶,所有实验用铝合金的水平连铸铸锭中均发现了严重的光亮晶。差相磁场对于不同牌号的铝合金水平连铸铸锭的铸态组织都有不同程度的改善,既能改变铸态组织的形貌,又能细化铸态组织。差相磁场可以有效避免水平连铸过程中不同牌号铝合金的光亮晶的形成。
　　 第一次系统的研究了差相磁场作用下细化剂加入量对7075铝合金及工业纯铝铸态组织的影响。结果表明:差相磁场与细化剂共同作用于铝合金水平连铸过程中时,随细化剂加入量的增加,差相磁场对铸锭晶粒细化效率降低,7075铝合金无细化剂加入时,差相磁场的细化效果最明显,晶粒尺寸减少了72.3％;细化剂加入量为2％时,差相磁场的细化效果最差,晶粒尺寸仅减少了24％。工业纯铝无细化剂加入时,差相磁场的细化效果最明显,晶粒尺寸减少了84.3％;细化剂加入量为l％时,差相磁场的细化效果最差,差相磁场引起的晶粒尺寸减少量仅为12.3％。差相磁场可以有效地消除7075铝合金水平连铸过程中的光亮晶,细化剂对光亮晶的消除有一定作用,但不如磁场作用明显。对于7075铝合金,随细化剂加入量的增加,单位细化剂加入量引起单位面积内有效形核数量先增加再降低,当细化剂加入量为0.1％时,单位细化剂加入量引发的有效形核数量最多,无磁场时为579个,差相磁场时为1238个。对于工业纯铝,单位细化剂加入量引起单位面积内有效形核数量随着细化剂加入量增加而减少,细化剂加入量为0.02％时,单位细化剂加入量引发的有效形核数量最多,无磁场时为1882个,差相磁场时为3031个。差相磁场能够有效增加单位细化剂加入量引发的有效形核数量。差相磁场和细化剂两者共同作用对铝合金铸锭的晶粒的细化效果,不是简单的两者单独作用效果的算术和,而是随着细化剂加入量的增加,磁场的细化作用变弱。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 铝合金发展概况

1.2 铝合金铸造工艺分类

1.3 铝合金连铸技术

1.3.1 发展概况

1.3.2 铝合金连铸技术设备及工艺

1.3.3 铝合金连铸技术的特点

1.4 水平连铸技术

1.4.1 水平连铸设备

1.4.2 重力对水平连铸铸锭质量的影响

1.4.3 水平连铸铸锭中的光亮晶

1.4.4 水平连铸的特点

1.5 电磁场在材料制备过程中的应用

1.5.1 材料电磁过程的发展历程

1.5.2 几种不同形式的电磁场

1.5.3 电磁场在铝合金连续铸造过程中的应用

本文研究目的和主要内容

第2章 差相磁场水平连铸工艺的原理及数值模拟

2.1 金属中的交变电磁场

2.1.1 导电介质中电磁场的Maxwell方程组

2.1.2 电磁场的准稳近似

2.2 电磁场与熔体交互作用

2.2.1 磁流体力学近似

2.2.2 磁流体力学基本方程

2.3 电磁场对熔体流动的影响

2.3.1 凝固前沿控制方程

2.3.2 电磁场对液相区熔体流动的影响

2.3.3 电磁场对两相区熔体流动的影响

2.4 差相磁场原理

2.4.1 差相磁场的供电方式

2.4.2 各线圈产生的磁场

2.4.3 各线圈磁场在铝熔体中产生的感生电流(涡流)

2.4.4 相位差的选择

2.5 差向磁场水平连铸设备

2.6 不同磁场作用下水平连铸Φ100mm铝合金过程模拟

2.6.1 实体建模和网格划分

2.6.2 不同磁场作用下磁感应强度的空间分布

2.6.3 不同磁场条件对熔体中流场分布的影响

2.6.4 不同磁场条件对熔体中温度场的影响

本章小结

第3章 磁场施加方式对水平连铸7075铝合金的影响

3.1 实验设备与工艺

3.1.1 实验设备

3.1.2 实验合金

3.1.3 实验方法

3.1.4 实验结果分析方法

3.2 实验结果及分析

3.2.1 不同磁场对铸锭表面质量的影响

3.2.2 不同磁场对铸锭铸态组织的影响

3.3 分析与讨论

本章小结

第4章 差相电磁水平连铸7075铝合金铸锭工艺研究

4.1 实验设备与工艺

4.1.1 实验设备和实验合金

4.1.2 实验方法

4.1.3 实验结果分析方法

4.2 实验结果及分析

4.2.1 差相磁场及铸造速度对铸锭表面质量的影响

4.2.2 差相磁场及铸造速度对铸锭铸态组织的影响

4.2.3 差相磁场对熔池中温度分布的影响

4.2.4 差相磁场及铸造速度对液穴形貌的影响

4.3 分析讨论

4.3.1 铸锭表面质量

4.3.2 铸态组织

4.3.3 光亮晶

本章小结

第5章 不同牌号铝合金差相电磁水平连铸工艺研究

5.1 实验设备与工艺

5.1.1 实验设备

5.1.2 实验合金

5.1.3 实验工艺条件

5.1.4 实验结果分析方法

5.2 实验结果及分析

5.2.1 不同牌号合金的宏观组织

5.2.2 不同牌号铝合金的微观组织

5.2.3 不同牌号铝合金铸锭中光亮晶的分布

5.3 分析与讨论

本章小结

第6章 铝合金水平连铸中差相磁场与晶粒细化剂的联合作用

6.1 实验设备与工艺

6.1.1 实验设备

6.1.2 实验合金

6.1.3 实验工艺流程

6.1.4 实验结果分析方法

6.2 实验结果及分析

6.2.1 宏观组织分析

6.2.2 微观组织分析

6.3 分析讨论

6.3.1 细化剂加入量对铸锭晶粒形貌及晶粒尺寸的影响

6.3.2 细化剂对差相磁场细化效果的影响

6.3.3 差相磁场对细化剂细化效果的影响

本章小结

第7章 全文结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

作者简介