软铝板坯低频电磁半连续铸造的工艺研究

摘要

本文系统研究了低频电磁场对铝合金熔体凝固过程的影响，通过数值模拟、实验和理论分析提出了低频电磁场能够有效改善材料的铸态微观组织，减弱材料的宏观偏析以及有利于铸锭均匀化退火后形成细小弥散相。在此基础上，开发了低频电磁场作用下铝合金电磁铸造的新工艺，获得了晶粒均匀细小及宏观偏析明显改善的3004和5182铝合金半连续铸锭。 理论分析表明，采用较低频率的电磁场及配合适当的强度，不但能增大熔体表层电磁力的有势分量，使熔体形成弯月面，减小其与结晶器的接触压力与接触面积，改善铸锭表面质量；而且能增大熔体内部电磁力的有旋分量，产生强制对流，使整个熔体的温度场和溶质场趋于均匀；更重要的是，整个熔体能够在较强的且相对比较均匀的电磁场作用下凝固，达到电磁场调控凝固组织的目的。 本文使用有限元分析软件ANSYS模拟了不同电流频率和电流强度下，铝合金板坯低频电磁铸造过程中电磁参数的分布情况。并分析了磁感应强度、洛伦兹力、电磁压力随电流强度和电流频率的变化规律。通过模拟结果发现：磁感应强度和电磁压力的最大值都出现在铝熔体和铸坯的角部，从角部向两侧逐渐减少。Lorentz力的最小值出现在铝熔体和铸坯的角部，从角部向两侧逐渐增大。随着电流强度的增大，磁感应强度、电磁压力均明显增大，随着电流频率的增大，磁感应强度、电磁压力都有所增大但不十分明显；随着电流强度和频率的增大，Lorentz力逐渐增大。 本文还系统考察了电磁场参数对低频电磁铸造板坯铸态微观组织的影响。通过对组织的观察，发现随着电磁场强度的增加或频率的降低，微观组织得到了明显的改善。结合数值模拟的结果表明电磁场引起的强制对流起到了很好的电磁搅拌作用，从而细化了晶粒。 通过对铸锭横截面上不同位置合金元素的化学分析发现：在铸造过程中电磁场引起的强制对流均匀了液穴的浓度场，抑制了宏观偏析，从而获得了溶质元素分布均匀的铸锭。 最后，通过对两种合金均匀化前后第二相形貌和元素扫描结果的比较，可以得出，相比传统铸造工艺，低频电磁铸造(简称LFEC)工艺得到的铸态组织第二相比较细小，分布弥散；LFEC工艺得到的铸锭比传统的DC铸造工艺得到的铸锭均匀化效果明显。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1材料电磁过程发展概况

1.1.1材料电磁过程技术简介

1.1.2材料的电磁场处理分类

1.2电磁场在铝合金半连续铸造过程中的应用

1.2.1铝合金半连续铸造技术

1.2.2铝合金半连续铸造过程中的EMC工艺

1.2.3铝合金半连续铸造中的CREM工艺

1.2.4铝合金半连续铸造中的LFEC技术

1.3电磁场模拟概况

1.3.1电磁场模拟的发展历程

1.3.2电磁场模拟的必要性及发展现状

1.4本文研究的目的和主要内容

第二章电磁场的数值模拟

2.1电磁场模拟的目的

2.2电磁场模拟的具体方法及模型

2.2.1磁矢势法

2.2.2开放空间中电磁场的A，ψ-ψm方程

2.2.3电磁场模拟计算的有限元模型

2.3模拟结果及分析

2.3.1研究对象

2.3.2电流强度对磁感应强度、Lorentz力、电磁压力的影响

2.3.2电流强度对磁感应强度、Lorentz力、电磁压力的影响2.3.2.1熔体与铸锭内磁感应强度随电流强度的变化

2.3.2电流强度对磁感应强度、Lorentz力、电磁压力的影响2.3.2.2电流强度对磁感应强度的影响

2.3.2电流强度对磁感应强度、Lorentz力、电磁压力的影响2.3.2.3电流强度对Lorentz力的影响

2.3.2电流强度对磁感应强度、Lorentz力、电磁压力的影响2.3.2.4电流强度对电磁压力的影响

2.3.3电流频率对磁感应强度、Lorentz力、电磁压力的影响

2.3.3电流频率对磁感应强度、Lorentz力、电磁压力的影响2.3.3.1熔体与铸锭内磁感应强度随电流频率的变化

2.3.3电流频率对磁感应强度、Lorentz力、电磁压力的影响2.3.3.2电流频率对磁感应强度的影响

2.3.3电流频率对磁感应强度、Lorentz力、电磁压力的影响2.3.3.3电流频率对Lorentz力的影响

2.3.3电流频率对磁感应强度、Lorentz力、电磁压力的影响2.3.3.4电流频率对电磁压力的影响

2.4本章小结

第三章3004铝合金低频电磁半连续铸造的工艺研究

3.1实验材料和实验方法

3.1.1实验材料

3.1.2实验方法

3.2 3004铝合金低频电磁半连续铸造的实验结果及分析

3.2.1微观组织分析

3.2.1微观组织分析3.2.1.1电磁场频率对LFEC铸锭微观组织的影响

3.2.1微观组织分析3.2.1.2电磁场强度对LFEC铸锭微观组织的影响

3.2.1微观组织分析3.2.1.3冷却强度对LFEC铸锭微观组织的影响

3.2.2 DC和LFEC铸锭的宏观偏析

3.2.3铸锭均匀化退火

第四章51 82铝合金低频电磁半连续铸造的工艺研究

4.1实验材料和实验方法

4.1.1实验材料

4.1.2实验方法

4.2 5182铝合金低频电磁半连续铸造的实验结果及分析

4.2.1微观组织分析

4.2.1微观组织分析4.2.1.1电磁场频率对LFEC铸锭微观组织的影响

4.2.1微观组织分析4.2.1.2电磁场强度对LFEC铸锭微观组织的影响

4.2.1微观组织分析4.2.1.3冷却强度对LFEC铸锭微观组织的影响

4.2.2 DC和LFEC铸锭的宏观偏析

4.2.3铸锭均匀化退火

4.2.3铸锭均匀化退火4.2.3.1铸态显微组织

4.2.3铸锭均匀化退火4.2.3.2铸锭均匀化后的显微组织

第五章结论

参考文献

致谢