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《昆明理工大学》 2007年
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采用电磁结晶器从含钪矿物中制备铝钪中间合金的仿真研究

张军  
【摘要】: 我国由于不能有效解决铝钪中间合金钪的偏析和钪的实收率过低等问题,目前尚无大规模铝钪中间合金生产厂家。工业上所需的铝钪中间合金还主要依靠进口,价格十分昂贵。通过调研发现,采用电磁结晶器连铸有解决铝钪中间合金的偏析和钪的实收率过低等问题的可能。 但有很多因素影响铝钪中间合金的电磁结晶器连铸操作,若采用实物试验的方法,会造成大量试验经费的浪费和实验周期的延长。本论文在综述了电磁结晶器的机理和电磁结晶器计算机仿真技术的发展及现状后,提出采用模拟电磁结晶器来研究制备铝钪中间合金的凝固过程。从而达到优化电磁结晶器的操作参数、节约试验经费、缩短实验周期、有效指导制备铝钪中间合金的实验研究、生产;铝合金新产品的开发及性能的改进的目的。本论文主要研究工作归纳如下: 1)首先建立了制备铝钪中间合金电磁结晶器的几何模型。在假设了对电磁结晶器数学建模的依据条件下,通过对电磁控制方程组进行参数无量纲化和简化,在柱坐标系中,推导出电磁结晶器内的磁准静态矢量方程的标量形式。进而推导出在柱坐标系中,电磁结晶器内电磁力的表达式。 2)在分析任意形状线圈的磁场分布基础上,在电磁结晶器内,研究了不同情况下行波磁场和旋转磁场及其电磁力的分布解析模型。在依据有铝钪中间合金时的感生磁场模型,首次推导出有金属感生磁场项的三维磁场力模型的计算公式。 3)通过对电磁控制方程和流场控制方程的推导、简化处理后,得到电磁结晶器内铝钪中间合金的运动方程。在考虑多种复杂因素的前提下,首次通过换算和基本方程差分,得到用FDTD表述的温度场计算表达式、模拟凝固过程微观组织形成表达式和枝晶形貌演变的三维模型表达式。 4)在阐述了计算机编程中的问题描述、对FDTD法有重大影响的网格划分算法、制备铝钪中间合金电磁结晶器仿真系统的开发框图以及制备铝钪中间合金电磁结晶器仿真系统的几个界面后,通过制备铝钪中间合金电磁结晶器的仿真软件,模拟了电磁结晶器加载电流、频率对电磁结晶器磁场强度和磁场分布影响的仿真试验。从中发现电磁结晶器内的磁感应强度与通电电流强度成线性关系;电流强度不改变磁场分布结构;在电磁结晶器同一断面位置上,电磁结晶器壁面的磁感应强度值大于中心处的磁感应强度。提出了当结晶器内有铝钪中间合金熔液时,电磁场强度沿半径方向自边向中心的衰减速率不受电流强度变化的影响;而频率对衰减速率影响较大,具有磁场强度随着频率的增大呈自然指数增加等结论。而且仿真试验中还发现:铝钪中间合金所需电磁结晶器的加载频率较低,最佳的搅拌频率为2.5Hz;适宜的加载电流为40A。通过仿真交变电磁场对电磁结晶器中合金熔质扩散影响试验,发现Al原子要比Sc原子容易扩散,同时周边的原子影响较大,对于不同扩散浓度,高扩散浓度的扩散激活能要大于低扩散浓度下的扩散激活能等现象。 5)在针对电磁结晶器加载电流、频率对铝钪中间合金组织结晶温度影响的仿真试验中,首次发现了使用电磁结晶器搅拌,电磁结晶器中的铝钪中间合金结晶温度与自然结晶温度的差值随电磁结晶器频率的增加呈线性增加,而与结晶器加载电流增加呈二次线性增加等现象。在模拟浇铸温度、冷却速度以及电磁结晶器加载电流、频率对结晶组织影响的仿真试验中,首次指出在频率为1Hz时,结晶组织以树枝晶的形式出现;当频率超过3Hz时,结晶组织粗化,但形状变为球形等现象,同时适宜的拉坯速度为300μm/s。 6)为验证制备铝钪中间合金电磁结晶器仿真系统的可靠性,首先采用自己设计的三维磁场测试工具,用实测的方法进行结果比对,结果表明实测与三维磁场分布模拟仿真结果基本一致。由于铝钪中间合金液是不透明且高温,通过论证说明对铝钪中间合金液的运动场,可采用硫酸铜溶液模拟法来验证。硫酸铜溶液模拟法得到的模拟图与仿真得到的运动场图基本相同,说明仿真系统流场的模拟,可以反映铝钪中间合金熔液的实际运动状态。而通过铝钪中间合金液温度场实测结果与模拟结果比对,表明编制的温度场数值模拟程序计算的结果与实验测量的结果基本一致,说明该模拟程序能够正确反映铝钪中间合金电磁连铸过程的温度场分布规律。 7)通过在电磁结晶器上连铸铝钪中间合金,加工处理后拍摄铝钪中间合金结晶组织图,用实际的铝钪中间合金的宏观及微观结晶组织与模拟的宏观及微观结晶组织进行比较,表明结果相近。同时,在实际应用的效果显示:在同等条件下,对铝钪合金连铸有无电磁搅拌进行试验的结果表明,未加电磁搅拌的铸锭钪的偏析为43.91%,加电磁搅拌的铸锭钪的偏析为9.5%。因此可证实该仿真系统能有效指导铝钪中间合金的制备。
【学位授予单位】:昆明理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TG233.6

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【参考文献】
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