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低频电磁场作用下铝合金半连续铸造工艺与理论研究

张北江  
【摘要】:本文是国家重点基础研究发展规划资助项目(973)“提高铝材质量基础研究”中的部分内容,目的是开发一种大幅度提高铝合金铸锭质量的新型高效连铸技术。 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,通过实验和理论分析首次指出低频电磁场能够有效提高溶质元素在基体中的固溶度,改善材料的微观组织。在理论分析与数值模拟的基础上,开发了低频电磁场作用下铝合金电磁铸造新工艺,获得了晶粒均匀细小、溶质元素偏析明显减弱及具有优良表面质量的7075 铝合金半连续铸锭,彻底消除了裂纹、表面偏析瘤等铸造缺陷。 导出了低频电磁场作用下凝固前沿枝晶间熔体遵守的磁流体动力学方程,指出枝晶间熔体局部自然对流相关的溶质浓度起伏存在由温度梯度与枝晶间距共同决定的固有频率,处于该频率区间的电磁力振荡分量对枝晶间熔体的局部对流产生的影响得到增强,通过调节电磁场频率至相应区间,可以在较低的电磁场强度下,使电磁场的作用效果显著增强,对材料的微观组织和溶质元素的分布产生显著的影响。 在Al-Cu 二元合金连续凝固过程中施加低频电磁场,发现在排除Lorentz 力时间平均值有旋分量引发的液相区熔体宏观流动的条件下,低频电磁场仍对铝合金的凝固过程产生了显著的影响,晶内析出相的尺寸和形态出现了明显的转变、基体中溶质元素固溶度提高。在保持电磁场强度不变的条件下,当电磁场频率处于10 Hz-15 Hz 范围内时,基体中溶质元素固溶度大幅度提高,获得了弥散细小的晶内析出相,这表明交变电磁力在与两相区中枝晶间熔体产生交互作用的过程中存在共振响应现象,在共振频率区间上,较低强度的电磁场便能够有效促进溶质元素的固溶、改善材料的微观组织。 采用有限元数值模拟的方法分析了电磁场在铝合金半连续铸造过程中对熔体内部流动场、温度场及铸锭内应力分布情况的影响。结果表明,半连续铸造过程中结晶器、感应线圈与铸锭的相对位置,结晶器的断面形状与电导率,共同决定


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