復(fù)合電磁場對連鑄空心管坯質(zhì)量的影響.pdf

1、近年來隨著工業(yè)及國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對大口徑的鋼以及銅合金管材的需求量日益增多，而且對其質(zhì)量以及生產(chǎn)效率也提出了越來越高的要求?？招墓芘鬟B鑄技術(shù)被認(rèn)為是管材生產(chǎn)更深層次的近終形制備技術(shù)，具有生產(chǎn)效率高以及金屬利用率高等眾多優(yōu)勢，但所生產(chǎn)的空心管坯仍然存在表面質(zhì)量差、缺陷多、凝固組織粗大且周向分布均勻性差等缺陷。如何生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的大口徑管坯，’使其滿足后續(xù)加工要求，是獲得高質(zhì)量大口徑管材的技術(shù)關(guān)鍵。電磁場在材料加工領(lǐng)域的大量研究及應(yīng)用為制備高

2、質(zhì)量的管坯提供了契機(jī)。 本文以制備高質(zhì)量的大口徑連鑄空心管坯為目的，進(jìn)行了復(fù)合電磁場對連鑄空心管坯質(zhì)量影響的研究。論文主要包括以下內(nèi)容： 利用ANSYS軟件計算了磁場攪拌器作用下金屬熔體內(nèi)的電磁場分布狀況以及金屬熔體的受力和流動狀況，探討了攪拌器的繞線方式、極對數(shù)、磁軛尺寸、施加位置以及攪拌器的電參數(shù)如電流強(qiáng)度、頻率等對金屬熔體磁場分布以及受力和流動的影響。從中得出了有利于提高電能利用率的磁場攪拌器的優(yōu)化設(shè)計原則，并以此

3、為基礎(chǔ)分別設(shè)計了外凸式行波磁場攪拌器和外凸式旋轉(zhuǎn)磁場攪拌器。 利用低熔點的Sn-3.5％Pb合金進(jìn)行了垂直連鑄大口徑空心管坯內(nèi)結(jié)晶器中放置外凸式工頻行波磁場攪拌器和外凸式工頻旋轉(zhuǎn)磁場攪拌器的靜態(tài)模擬實驗研究。實驗結(jié)果表明，在空心管坯內(nèi)部施加攪拌磁場能夠明顯的細(xì)化鑄坯的晶粒，提高凝固組織的周向分布均勻性，而且磁場攪拌器的通電電流強(qiáng)度越大，鑄坯的凝固組織的質(zhì)量就越好。 為了分析攪拌磁場作用下鑄坯凝固組織的細(xì)化機(jī)理，本文將等軸

4、球晶凝固兩相流模型和電磁場模型相耦合，利用商業(yè)軟件ANSYS和Fluent聯(lián)合求解了行波攪拌磁場和旋轉(zhuǎn)攪拌磁場作用下金屬熔體Sn-3.5％Pb的凝固過程，分析了行波攪拌磁場和旋轉(zhuǎn)攪拌磁場對凝固過程的溫度場、濃度場以及晶粒尺寸大小的影響。結(jié)果表明：攪拌磁場均能夠減小Sn-3.5％Pb結(jié)晶過程中的冷卻速率以及溫度梯度，成為凝固鑄坯的晶粒獲得細(xì)化的原因之一。攪拌速度越大，鑄坯內(nèi)的晶粒尺寸越小，但是攪拌速度越大，越容易在鑄坯凝固過程中產(chǎn)生偏析缺

5、陷，因此施加攪拌磁場時應(yīng)該控制攪拌速度的大小。 此外，本文還對行波磁場和旋轉(zhuǎn)磁場作用下金屬熔體的受力情況進(jìn)行了理論解析，計算結(jié)果表明：無論在旋轉(zhuǎn)磁場還是行波磁場作用下，金屬熔體所受電磁力均為一個變化頻率是ω/π的脈動力。脈動電磁力能夠增強(qiáng)金屬液的紊流程度，促進(jìn)金屬液內(nèi)過熱的耗散和晶核的形成，有利于等軸晶凝固組織的形成。 為了在改善管坯凝固組織的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高管坯的表面質(zhì)量，消除表面缺陷，本文提出了在空心管坯垂直連鑄過

6、程中施加復(fù)合電磁場的方法，即在內(nèi)結(jié)晶器中施加外凸式工頻行波攪拌磁場并同時在管坯的外結(jié)晶器側(cè)放置約束型中頻線圈。施加復(fù)合電磁場有如下幾個優(yōu)點：1)在內(nèi)結(jié)晶器中施加行波攪拌磁場不但能夠顯著的改善鑄坯的凝固組織，而且電磁攪拌力引起的金屬熔體強(qiáng)制流動能夠提高管坯的內(nèi)表面以及皮下質(zhì)量，解決管坯內(nèi)表面不易進(jìn)行銑面處理的困難。2)在外結(jié)晶器側(cè)放置中頻約束線圈能夠消除管坯內(nèi)外表面的偏析瘤以及波痕等缺陷。3)空心管坯電磁連鑄凝固過程的數(shù)值模擬結(jié)果表明：單