（材料加工工程专业论文）多流低频电磁铸造铝合金理论及实验研究.pdf

内蒙古科技大学硕十学位论文 摘要 低频电磁铸造( c r e m ) 是铝合金成型的一种新兴工艺，它能显著提高铝合金铸锭 的性能和质量。本文首先研究了直接冷却半连续铸造过程的温度场，并在此基础上对多 流低频电磁铸造各铸流磁场之间的相互影响进行了数值模拟。 通过在铸锭中埋入热电偶，测定了直接冷却半连续铸造过程中q b l 0 0m s r l 的铝合金 铸锭近表面的动态温度，采用逆向法计算出了其水冷段的换热系数，该水冷换热系数是 铸锭表面温度的函数。开始时随着铸锭表面温度的降低，换热系数逐渐增大；在温度由 4 0 0 降至1 3 0 的过程中，换热系数急剧增大，温度在1 3 0 左右时达到最大，其 最值大约为2 3 0 0 0w ( m 2 k ) ；当温度继续降低时，铸锭表面换热系数又迅速减小。文 中对换热系数的变化进行了理论分析。 针对所做实验的实际浇铸工艺，建立了直接冷却半连续铸造凝固过程的三维有限元 模型，首先对中l o ot u r n 的铝合金圆锭凝固过程进行了模拟，并将模拟结果与实测结果 进行了比较，以此来验证模型的正确性；然后采用该模型来模拟中1 7 4r n n l 的铝合金圆 锭的凝固过程，着重研究了凝固过程中铸锭液相穴深度的变化。当浇注温度为6 9 0 7 1 0 ，拉速为9 0 1 0 0m m m i n 时，液相穴深度在6 5m i l l 到8 5 m m 之间，浇注温度每 增加1 0 ，液相穴要相应增加4 5i n i n ；拉速每增加5m m m i n ，液相穴深度相应增加 约3 4m m 。最后研究了铸锭出结晶器时的坯壳厚度。 根据0 1 7 4r n n l 铝合金圆锭直接冷却过程中液相穴深度的变化，初步确定了低频电 磁铸造铝合金圆锭感应线圈的安放位置；然后采用当前大型数值模拟软件a n s y s 模拟 了单流与多流低频电磁铸造铝合金过程的电磁场，通过分析比较发现，在多流低频电磁 铸造6 0 6 3 铝合金过程中，各铸流磁场之间的影响非常小。 关键词：低频电磁铸造：换热系数：温度场：液相穴深度；电磁场 内蒙古科技人学硕士学位论文 t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo f t h em u l t i - - s t r a n dl o w f r e q u e n c y e l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n go fa l u m i n u ma h o y a b s t r a c t l o w - f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n gi sab u r g e o n i n gm o u l d i n gp r o c e s sf o ra l u m i n u m a l l o y t h ep r o p e r t i e sa n dq u a l i t yo f t h ea l u m i n u ma l l o yi n g o tc a n b ei m p r o v e dp r o m i n e n t l yb y t h i s p r o c e s s t e m p e r a t u r e f i e l do ft h ed i r e c tc h i l ls e m i c o n t i n u o u sc a s t i n g p r o c e s si s e x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l ys t u d i e di nt h i sp a p e r , a n do nt h eb a s i so ft h er e s u l t so f t e m p e r a t u r ef i e l d ，t h ei n t e r a c t i o no f e a c hs t r a n d sm a g n e t i cf i e l do f m u l t i - s t r a n dl o w - f r e q u e n c y e l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n gi ss i m u l a t e db ya n s y s i no r d e rt om e a s u r et h ed y n a m i ct e m p e r a t u r e so f t h ei n g o t sn e a rs u r f a c ed u r i n gd i r e c tc h i l l s e m i c o n t i n u o u sc a s t i n g ，t h e r m o c o u p l e sa r ei m m e r s e di nt h el i q u i dp o o la n dc o n s e q u e n t l y e n t r a p p e di nt h es o l i d , t h ea l u m i n u ma l l o yi n g o ti s1 0 0t o n ii nd i a m e t e r f o rw a t e rc o o l i n gz o n e ， t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ( h t c ) i sc a l c u l a t e dt h e nb yi n v e r s em e t h o d ，a n di t st h ef u n c t i o no f t h ei n g o ts u r f a c et e m p e r a t u r e f i r s t l y ，t h eh t ci n c r e a s e sw h i l et h ei n g o ts u r f a c et e m p e r a t u r e d e s c e n d s a n dt h e nw h e nt h et e m p e r a t u r ed e c r e a s e sf r o m4 0 0 t o13 0 t h eh t c i n c r e a s e ss h a r p l y ，a n dt h em a xh t ci sa b o u t2 3 0 0 0w ( m z k ) a t1 3 0 w h e nt h e t e m p e r a t u r ei su n d e r1 3 0 ，t h eh t cd e c r e a s e sw i t ht h et e m p e r a t u r ed e s c e n d i n g t h e v a r i a t i o no f t h eh t ci sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l yi nt h i sp a p e r a3 一df e mm o d e lo f t h ed i r e c tc h i l ls e m i c o n t i n u o u sc a s t i n gi sb u i l tu n d e rt h er e a lc a s t i n g p r o c e s s e so ft h ee x p e r i m e n t i no r d e rt ov a l i d a t ei t sc o r r e c u l e s s ，t h em o d e li sa p p l i e dt o s i m u l a t et h es o l i d i f y i n gp r o c e s so ft h ee x p e r i m e n t a la l u m i n u ma l l o yi n g o t f o rt h ec o m p u t e d a n dm e a s u r e dt e m p e r a t u r e s ，ag o o da g r e e m e n ti sa c h i e v e d t h e nu s et h i sm o d e lt os i m u l a t et h e s o l i d i f y i n gp r o c e s so f t h e0 1 7 4n l n la l u m i n u ma l l o yi n g o tt h ee m p h a s i sw et a k ec a r eo f i st h e s u m pd e p t hu n d e rd i f f e r e n tc a s t i n gc o n d i t i o n s w h e nt h ep o u r i n gt e m p e r a t u r ei si nt h er a n g eo f 6 9 0 t o7 1 0 t h ec a s t i n gs p e e di si nt h er a n g eo f9 0m m m i nt o1 0 0m m m i n , t h e nt h e s u m pd e p t hi si nt h er a n g eo f6 5m n lt o8 5m i t l w h e nt h ep o u r i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e1 0 e a c hl i m e ，t h es u m pd e p t hw i l li n c r e a s ea b o u t4 - - 5m l i lc o r r e s p o n d i n g l y ，a n dw h e nt h ec a s t i n g s p e e di n c r e a s e 5m m m i ne a c ht i m e ，t h e s u m pd e p t hw i l li n c r e a s ea b o u t3 4n l m c o r r e s p o n d i n g l yt o o t h et h i c k n e s so f t h es h e l la tt h ee n do f t h em o l di ss t u d i e di nt h ee n d t h ec o i lp o s i t i o no ft h em o l di sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h es u m pd e p t ho fd i r e c tc h i l l c a s t i n go f0 1 7 41 t t ma l u m i n u ma l l o ya n do t h e rf a c t o r s t h e nu s et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n s o f t w a r ea n s y st os i m u l a t et h em a g n e t i cf i e l do fo n e - s t r a n da n dm u l t i s t r a n dl o w - f r e q u e n c y i i ， 内蒙古科技大学硕士学位论文 e l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g t h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，w ef o u n dt h a td u r i n gt h ep r o c e s so f m u l t i - s t r a n dl o w - f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n go f6 0 6 3a l u m i n u ma l l o y ，t h em a g n e t i c f i e l d so f e a c hs t r a n dh a v e1 i r t l ee f f e c to ne a c ho t h e r k e yw o r d s ：l o w - f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g d e p t h ，e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d 1 i l - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名： 煳吼一 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：哥删导师签名：弛期：6 p 内蒙古科技人学硕士学位论文 1绪论 1 1 选题背景 近年来，磁流体力学在有色会属、钢铁以及半导体材料的冶金及加工过程的各个领 域中得到广泛应用与发展。如钢铁连铸过程的电磁搅拌、薄板坯连铸过程的电磁制动以 及铝合会的电磁铸造等，都在努力开发研究。目前，不少学者特别注意材料的电磁处理 方面的研究，有其不同的侧重点。最近3 0 多年来，电子计算机技术的迅速发展促进了 计算电磁学的发展，使计算电磁学已发展成为- - t ? 综合性的学科，它涉及电磁场理论、 数值分析、优化方法、计算软件学等多个学科，计算电磁学在冶金行业也得到广泛应 用。 电磁冶金技术对材料的组织性能起到很大提高作用，但电磁冶会技术在理论和应用 方面都是一个综合性的问题，理论方面，它涉及到电磁理论、金属学原理、流体力学、 凝固理论等学科，使得这项技术的开发应用具有较大的困难，因此，国内的研究工作进 展比较缓慢。尤其是在理论研究方面对多层介质条件下的磁场传递还没有很好解决，此 外在耦合场分析方面进行得不够全面。但电磁冶金技术在钢铁工业和有色工业中的应用 已经显出无比的优越性。世界各国及各企业都投入了大量的资金和人力开发电磁冶金技 术，而且取得了巨大的成就。特别是由于在未来的几年里，世界冶金工业的发展主要是 在中国，国外很多著名的企业纷纷进驻中国市场，推销自己的技术和产品。但是由于在 目前的电磁冶金设计方面，无论是国外还是国内，都是应用重于研究和开发，特别是在 基础研究方面投入不够，所以一些弓l 进设备在国内的应用上也不尽人意，可见在理论上 深入进行电磁冶金研究是必要的。 今年，中国铝产量和生产能力持续递增，高居世界首位；消费迅速增加：在新的经 济格局中，诸多问题备受关注。改革开放以来，中国经济的快速增长使中国有色金属工 业发展迅猛。特别是已经走过了近5 0 年历程的中国铝工业在“优先发展铝”的方针指 导下，取得了骄人成绩。到2 0 0 1 年，中国电解铝产量达到3 4 2 万吨，居世界第一位； 氧化铝产量4 7 2 万吨，居世界第三位：铝j j t l x _ 材产量2 3 1 万吨，居世界第三位。中国已 成为全球第一大原铝生产国和第二大铝消费国，成为世界铝工业大国。过去的1 0 年， 中国铝的消费复合增长率为1 6 1 ，成为全球铝业人士瞩目的亮点与焦点。但是应该清 醒地看到，就整体铝工业水平，我们与发达国家相比，还有很大的差距。对于中国铝工 业来说，需要走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源 优势得到充分发挥的新型工业化路子。 内蒙古科技人学硕士学位论文 1 2 铝合金电磁铸造国内外发展研究概况 几十年来，将电磁场引入材料制备过程，通过特定的物理效应实现材料组织性能的 改善及工艺过程的优化，己成为材料科学领域重要的研究方向之一【l 。】。已有的研究表 明，外加电磁场能够对金属的凝固过程产生显著的影响 6 - 9 ，鉴于凝固组织具有强烈的 遗传性，是决定材料最终力学性能和物理性能的重要因素，所以通过施加电磁场控制凝 固过程、提高材料性能的研究具有特别重要的意义。电磁场在金属凝固过程中产生多种 物理效应，阐明电磁场影响凝固过程的机理是最大限度提高材料性能、开发和完善生产 工艺、合理设计生产设备的前提和基础。 1 2 1 国外发展研究概况 前苏联工程师g e t s e l e v 发明了电磁铸造技术( e m c ) t 1 0 1 ，通过交变电磁场产生的 l o r e n t z 力约束金属熔体，维持定的液柱高度，替代了结晶器的支撑作用，从而实现 了无模铸造。设备主要由感应线圈、屏蔽体及冷却水套组成，为了获得支撑熔体所需的 约束力，在熔体表面必须形成足够的磁感应强度梯度，e m c 采用的电磁场频率通常为 2 0 0 0h z 至3 0 0 0h z 之间。该项技术于1 9 6 9 年在美国进行了专利登记，它可以明显改善 表面质量，得到工业界的高度重视；但是，由于在铸造开始阶段难以控制和对铸造机要 求过高，限制了其大量使用。 1 9 7 3 年，苏黎世联合总公司和瑞士铝业公司购买了这一专利。随后经过他们几年 的研究，开发出适用于自动化大批量铸造挤压铝坯和轧制铝板坯的新工艺。1 9 8 5 年， 瑞士铝业公司的萨特宾和哈勒等人发表了铝的电磁铸造在工业中的应用一文。该文 明确指出，瑞士铝业公司已发展了自己的电磁铸造技术，其显著特点是铝的电磁铸造已 实现了计算机在在线控制，能生产各种规格的铝合金，而且主要是生产罐体材料的3 0 0 4 合 金。到1 9 8 8 年为止，仅瑞士a l u s u i s s e 公司用电磁铸造技术就已生产了数百万吨铝 合金制品f 】0 】。 电磁铸造法不仅生产规模逐年扩大，而且计算机在线控制的多锭铸造技术已逐步成 熟。此外，其品种也在逐步扩大：如美国的h a n n i b a l 厂能生产罐体材料、箔材和某些 3 0 0 3 、3 0 0 5 、和5 0 5 2 系列的合金，其断面尺寸从3 0 4 8m m 1 0 1 6r n n - i 至3 0 4 8m m 2 5 1 9r n r l l ；瑞士的a l u s u i s s e 公司的c h i p p i s 厂能生产硬质铝合金，如2 0 2 4 、7 0 7 5 、 4 1 8 2 等系列的产品，且断面尺寸灵活性很高，可从3 0 4 8m m 1 0 1 6m m 至3 0 4 8m m 2 5 1 9m m lk a c c 公司能生产2 0 0 0 系列a i c u - m g 合金，含n i 的2 6 1 8 铝合金、3 0 0 0 系列的a 1 一m n 合金( a i - m n 3 0 0 3 型和a 1 m g m n 3 0 0 4 型合金) 、5 0 0 0 系列a 1 一m g 合金、 6 0 0 0 系列a 1 - m g - s i 合金及7 0 0 0 系列的a i z n - m g 合金( 如7 0 7 5 合金及7 0 1 8 合金) 。 2 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 困外在成功地开发了各种断面( 圆形、矩形) 、各种尺寸、各类品种铝合金的同时， 在更广泛的范围内进一步发展电磁铸造技术，这主要表现在以下几个方面： ( 1 1 丌发生产异型断面材料的电磁铸造技术； ( 2 1 开发铜和钢的电磁铸造技术： ( 3 ) 水平电磁铸造技术的开发。 与e m c 法不同，v i v e s 提出了一种新的铝合金电磁铸造工艺l l l _ 1 2 】，即所谓的 c r e m ( c a s t i n g - r e f i n i n g e l e c t r o m a g n e t i c ) 工艺。铸造过程中在传统结晶器外布置感应线 圈，线圈中通入5 0h z 的工频交流电，交变电流在熔体内部产生垂直方向的交变电磁 场，金属熔体内部的感生电流与磁场交互作用，使熔体受到l o r e n t z 力的作用，垂直磁 场的特点是由于铸锭与结晶器几何形状在垂直方向的不对称性，使磁力线相对于铸锭的 中心线发生了显著的偏转，导致熔体内部l o r e n t z 力的时间平均值同时存在垂直分量和 水平分量。其中水平分量为金属静压力梯度平衡的有势力，而垂直分量为有旋力场，起 到了电磁搅拌的作用。采用该技术进行的直径3 2 0m i l l2 2 1 4 铝合金圆锭半连续铸造实验 显示，c r e m 工艺能够有效起到细化晶粒、改善表面质量的作用。实验表明，随着感应 线圈输入功率的增大，熔体表面在l o r e n t z 力的约束作用下形成弯液面升高，从而使熔 体与结晶器的接触线高度减小，对于熔体与结晶器接触的部分而言，由于电磁静压力梯 度的作用，熔体与结晶器壁的接触压力减小，实现了所谓的软接触，改变了一次冷却区 热通量的大小与分布情况，起到了减弱一次冷却强度的作用，使初生凝固壳形成位置下 降，直接的结果是表面渗出现象减弱，表面偏析层厚度随输入功率的增加而线性减小， 有效提高了铸锭的表面质量，但对铸锭横截面上大尺度范围内的宏观偏析没有产生显著 的影响。随着输入功率的增大，铸锭表面的环状波纹逐渐减小，当输入功率达到2 ，2k w 时，熔体与结晶器的接触线高度趋于0 ，得到了光滑的铸锭表面，消除了表面偏析区， 在提高铸锭表面质量的同时减小了剥皮量，提高了成材率。l o r e n t z 力垂直分量形成的 有旋力场起到了电磁搅拌的作用，流动场与无心感应炉中熔融金属的流动场类似，热测 量表明熔体内部的温度场受到电磁搅拌的强烈影响，l o r e n t z 力引发的强迫对流将中心 区域的过热熔体带向铸锭的边缘区域，因此消除了中心区域的局部过热，使整个液相区 内温度差小于i c ，使熔体温度低于液相线温度，对于具有较宽结晶温度区间的合金， 两相区可能扩展到整个液相区，强迫对流将初生凝固壳处形成的枝晶臂熔断并带入液穴 内部形成异质结晶核心，起到了晶粒细化的作用，平均晶粒直径随着输入功率的增大而 减小。比较了电磁搅拌与添加晶粒细化剂对微观组织的影响，结果表明电磁搅拌作用与 添加a i t i - b 中间合金细化剂所取得的效果相当，同时在施加电磁场的条件下添加晶粒 细化剂不会使微观组织得到进一步的细化。 3 内蒙古科技大学硕士学位论文 应该指出，国际上近年来除了十分重视电磁铸造新技术的丌发和应用外，在理论研 究方面也取得了许多重要成果。这些研究对电磁铸造技术的发展起着重要作用。 1 2 2 国内发展研究概况 我国从1 9 7 4 年开始工业装置的电磁铸造研凳l 。经过6 年的研究，在东北轻合会 加工厂成功地完成了电磁铸造铝合金圆锭开发。实践证明，电磁铸造铸坯表面质量咀显 提高，枝晶间距及晶粒明显细化，化学成分偏析减少，机械性能明显改善。1 9 8 6 年， 在中国有色金属总公司组织下，西南铝加工厂，北方工业大学、东北轻合金加工厂和大 连理工大学共同开展了方锭电磁铸造的研究。经过五年的攻关，圆满完成了任务，并实 现了计算机在线控制。1 9 9 1 年，北方工业大学在原来单锭方锭计算机在线控制研究的 基础上，对“双锭电磁铸造的稳定性”进行了系统的研究，还对电磁结晶器的优化设计 进行了一系列的研究工作。为了能有效地实现计算机在线控制，对非接触式金属液面控 制器的开发进行了研究，并对电磁铸造过程中的电磁场、流动场、温度场进行了试验研 究。 大连理工大学对“电磁铸造感应器的设计及铸造工艺计算机优化”展开了系列研 究，先后实现了电磁铸造过程温度场、电磁场、应力场的计算机模拟，完成了1 3 0m m 5 2 0m m 与1 7 4 舢5 2 0n l n l 中试铝合金扁锭的试验。大连理工大学还与上海大学一 起开展了水平电磁铸造的理论与实践研究。任忠鸣、蒋国昌通过对交流水平悬浮电磁连 铸的数值模拟的研究，认为欲获得较大的悬浮力，应使金属板或屏蔽板与集肤层厚度比 h 6 1 ，悬浮力与输入电流基本成抛物线关系，在一定范围内增加磁场频率将明显提高 悬浮力。并认为1 0k h z 的频率较为适宜。上述研究开发工作对推动我国电磁铸造技术 的发展均起到了重要的促进作用。 但由于高频电磁铸造中液面稳定性难于控制，国内这种电磁铸造方法在工业上没能 得到广泛的应用。 东北大学崔建忠等【1 3 - 1 6 对低频电磁场作用下铝合金电磁铸造新工艺( c r e m ) 进行 了深入研究，并分别制各了直径1 0 0m m 与直径2 0 0i i l i 17 0 7 5 铝合金圆锭，与常规铸造 相比，电磁场产生的l o r e n t z 力作用，使熔体与结晶器接触线高度减小，一次冷却强度 减弱，初生凝固壳形成位置下降，熔体内部产生的强迫对流减小了温度梯度与液穴深 度，铸锭的微观组织与表面质量都得到了显著的改善，有效抑制了合金元素的宏观偏 析，彻底消除了裂纹等铸造缺陷，在整个铸锭横截面上得到均匀细小的等轴晶组织。在 保持电磁场强度不变的条件下，当频率处于1 0 2 0h z 低频区间时，能够更有效地起到 晶粒细化的作用，同时晶内溶质元素的含量明显提高，表明低频电磁场更有利于溶质元 素的固溶，从而有效抑制晶界上粗大析出相的形成，这对于提高材料的加工性能及最终 4 一 生茎童型丝查兰堡主堂堡垒苎 产品的机械性能、减小裂纹倾向性都具有重要的意义。频率作为一个重要工艺参数，显 著影响了铸锭中合金元素的宏观分布规律，当交变电流频率为3 0h z 时，表面与中心偏 析都得到了有效的抑制，合金元素沿铸锭半径方向的分布趋于均匀，表面质量明显提 高。实验结果表明，本工艺为难铸造超硬铝合金大尺寸半连续铸锭的生产提供了一种有 效的新方法。 1 3 铝合金半连续铸造温度场研究概况 自从1 9 3 3 年法国人j u n g h a u s 17 】研制成功立式半连续直接冷却铸造( d cc a s t i n g ， d c c ) 以来，d c c 工艺一直被广泛地应用于有色金属工业，特别是在铝锭的生产中，占 有相当大的比例。正是由于有此颦实的基础，铝合金电磁铸造及其新工艺( c r e 岣才飞 速发展。 1 - 3 1 直接冷却半连续铸造传热模型研究 a l c o a 公司和v l w 公司在1 9 3 5 年成功地进行了直接冷却铸造1 1 硝，从此铝合金的连 续铸造不断发展。为探索连续铸造的机理，1 9 4 3 年r o t h 针对连续铸造的传热问题首次 进行了数值模拟 1 9 1 ，随后，越来越完善和复杂的数学模型不断涌现。随着计算机技术的 飞速发展，也涌现了一批优秀的模拟软件。所有这些模型计算的准确性和通用性，主要 取决于其对边界条件处理。 研究表明，诸如裂纹、变形、偏析等大多数铸造缺陷都与铸锭在凝固过程中的温度 分布有关 2 2 1 ，因此温度场的研究一直以来备受关注，而且研究成果纷繁复杂，以下主 要针对物理模型、结晶器段边界条件、二冷区边界条件三方面进行阐述。 1 3 1 1 物理模型 w e c k m a n y w 建立了一个二维稳定状态的有限元传热模型来模拟a 6 0 6 3 铝合金圆锭 的半连续铸造过程。由于a 6 0 6 3 铝合金凝固温度范围较窄，模型中假定其熔点为 9 2 3 k ，而且所有热物性参数都按纯铝来计算。计算过程中采用反复试算的方法调整表 面温度，直到实测值和计算值之差非常小，然后就可以确定热流与铸锭表面温度的关 系。d a gm o r t e n s e n 田j 建立了一板坯浇铸起始段热流和流体流动的三维模型，在模型中 假设整个糊状区是树枝状的网络结构，忽略自由固体晶粒的效应：忽略凝固收缩和偏 析。铸锭和结晶器分成两个不同的求解区域，通过边界条件连为一体。引锭杆作为计算 区域的一部分，与铸锭之间通过内部传热边界条件联系起来。由于对称性，只取铸锭和 结晶器的四分之一作为研究对象。导热系数和比热容作为温度的函数，在糊状区，导热 系数由( g l 爿+ g5 牙) 得到，而其比热是由液态、固态已知值进行插值得到。 d r e z e t 和h a n n a r t 等人f 2 4 西】在计算普通连铸和电磁铸造温度场时，把控制方程的坐 标系放在所计算的铸锭上，随着铸锭的移动而移动，认为温度场满足热传导方程： 5 内蒙古科技大学硕十学位论文 p c 。等一d i v ( k g r a d t ) = 0 ( 1 - 1 ) 式中，p 为金属密度，g 为等效比热，k 为导热系数。 p r a s s o 等 2 6 1 在计算电磁铸造铸锭的温度场时，假设温度场是一准稳态( q u a s is t e a d y s t a t e ) 温度场，认为温度场满足如下方程式： 一戌詈= 妄卜豢 + 导卜孑j + 鲁( t 詈) m ：， 式中，p 为金属密度，o 为等效比热，v 。为铸造速度，铸造速度和z 方向相反，k 为导 热系数，t 为金属温度。 显然，这些模型都没有对半连铸非稳态温度场建立完整的描述热传输的能量方程以 及它的离散模型。金俊泽等针对e m c 过程从浇铸开始到稳态凝固之间的过渡阶段做了 三维非稳态数值计算 2 7 1 ，该模型考虑了电磁铸造是半连续过程，并且考虑了感应热，将 感应热以温度的形势补偿到计算单元中。郑贤淑等2 卅建立了描述半连铸过程的热传输方 程，并证明了在空间坐标系不变的情况下，上一时间步长计算的温度场可以以铸速随铸 锭下移，用三维非稳态热传导方程描述空间非稳态非齐次热传输问题，进一步优化了温 度场计算模型。 1 3 1 2 结晶器段边界条件 在d c c 的数值模拟当中，研究者最难确定的就是边界条件。浇铸过程中熔融金属 进入结晶器后，从某一位置开始，当形成的凝固壳足以克服内部液态金属静压力时，在 结晶器和铸锭之间就开始出现宏观气隙。d a gm o r t e n s e n 【2 3 】认为在铸锭与结晶器的接触 区，换热系数由润滑层的导热系数和润滑层的厚度决定；在气隙段，传到结晶器的热量 由铸锭的辐射、气隙的热传导、润滑层的热传导组合而成。在其一具体的计算实例中， 接触段的换热系数取值为3 0 0 0w ( m 2 k ) ，气隙段则取为2 5 0 3 0 0w ( m 2 k ) 。 d r e z e t 2 0 贝, u 是用热电偶实测近表面温度，然后用逆向法计算出换热系数，详细介绍见下 面二冷区边界条件。a d r i a ns a b a u 2 9 1 , 假定金属液与结晶器直接接触段h t c = 2 0 0 0 w ( m 2 k ) ，气隙段h t c = 2 0 0w ( m 2 k ) 。 1 3 1 3 二冷区边界条件 当铸锭出结晶器后，冷却水直接喷射到铸锭表面，形成很强的冷却作用，冷却效果 与铸锭表面的沸腾模式有关。 w e c k m a n 口9 1 建立了基于有限单元法的传热数学模型，根据这个模型计算直接冷却铸 造a a 6 0 6 3 圆锭稳定状态时的温度分布。模型中的有效换热系数为铸锭外表面纵向位置 的函数，文中指出，直接应用这些理论上的换热系数将会产生实质性的错误，特别是在 核态沸腾是主要换热机制的区域。对于实际浇铸时的水冷边界，他们应用核态沸腾的理 一6 内蒙古科技火学硕士学位论文 论结合强制对流和水幕冷却，得到了一种计算二冷区水冷边界的方法。针对所做试验的 结果，他们指出，在没有出现核态沸腾时，铸锭表面与冷却水的换热系数的线性回归分 析方程为： h 。= 卜1 6 7 x 1 0 5 + 7 0 4 t y q ( 1 3 ) 式中：h 换热系数，w ( m 2 k ) ： t 铸锭表面与冷却水的平均温度，k ； q 冷却水流密度，m 2 s 。 当出现了核态沸腾时，换热系数由强制对流和核态沸腾两部分组成，其回归方程如 下： h 。= - 1 6 7 x 1 0 5 + 7 0 4 _ 】q “。+ 箬( t x ) 3 ( 1 - 4 ) 式中：h b _ 一沸腾时的换热系数，w ( m 2 k ) 。 t 铸锭表面与冷却水的平均温度，k ； q 冷却水流密度，m 2 s 。 t x = t w 。一t s 即铸锭表面温度与冷却水饱和温度之差， t = ，i 一t w 。，即铸锭与冷却水的温差。 开始出现核态沸腾的温度由下面两方程的交点确定： 导= 【1 6 7 1 0 5 + 7 0 4 t q “8 a t ( 1 - 5 ) = 3 9 1 0 o ( 蛆) 2 1 6 i 1 - 6 ) 经过这样处理，其计算的结果和试验测定非常吻合。 y u 【3 0 1 通过加热的试棒在水里淬火研究了其换热机理，并指出在直接水冷铸造中，铸 锭的冷却速率在很大程度依赖于冷却水的沸腾现象。i n e r o p e r a 和d ew i t t f 3 1 1 根据被冷 却物体的表面温度，区分了四种不同的换热机制：不稳定膜态沸腾，膜态沸腾，核态沸 腾，对流。 d a gm o n e i l s e n 田1 认为在结晶器下的水冷段，传热的计算要综合考虑对流、核态沸 腾、临界热流、不稳定膜态沸腾、膜态沸腾间的关系。一般来说，它们之间的相互关系 依赖于所喷水的质量、铸造合金的种类、铸锭表面粗糙度以及所用喷水系统。当铸锭表 面温度低于( 有时在一定程度上甚至是高于) 冷却水的沸腾温度时，冷却机制是对流换 热；当铸锭表面温度增加到高于水的沸腾温度一定量时，核态沸腾是主要的换热机制， 热流随温度增加，直到达到临界值；温度继续升高，气泡聚集并覆盖了铸锭表面，阻碍 7 内蒙古科技大学硕士学位论文 了其他液体与其接触，热流迅速减小，该段是不稳定膜态沸腾；当温度增大到最小膜态 沸腾温度时，就进入了膜态沸腾区。 g r a n d f i e l d 等 2 1 , 3 2 1 讨论了喷水区和流水区的换热机理，并特别注意了其沸腾模式。 他们指出，在正常的稳定状态下，核念沸腾是主要的现象，但在水流冲击区附近，可能 存在不稳定膜态沸腾，在开始浇铸的瞬态，也可能存在膜态沸腾。m a e n n e r 等口3 】和 o r s t e l t e n 与r a b e n b e r g l 3 4 1 研究了经过均匀的加热固态铝块的冷却。当铝块被均匀加热 后，由一逐渐上升的水幕冷却，以此来模拟实际浇铸过程中稳定状态时二冷段的冷却。 经过分析，研究者们区分出了两个不同的冷却区段：其一是冷却水喷射时形成的冲击 区，其特征是该区段的热流非常高；另一区段是紧随其下的由冲击区的冷却水下流形成 的区域一流水区，相对于冲击区来说，流水区的热流要小得多。 m i l az a l o z n i k l 3 4 1 等与众不同的是他们将二冷区分成7 段，分别测定这七段冷却水不 同的温度，以此来计算铸锭表面各段的平均热流，从而确定换热边界，其中用到了 w e c k m a n 和n i e s s e n m l 的研究成果。 d r e z e t 2 0 采用“逆向法”计算换热系数。其基本思想是通过插入铸锭中热电偶所测 盯近表面的动态温度场数据，来推算水冷表面热流密度和换热系数，以及换热系数和铸 锭表面温度及位置的关系曲线。测定温度时采用了l 型杆技术，试验装置见图1 1 ，l 型杆下端套有一不锈钢管，通过钢管放置了5 个热电偶，热电偶的感应珠位于钢管下方 3 m m 处，其中一个贴着表面。每隔o 2 5 s 记录一次温度。整个装置放在结晶器宽面距窄 面o 5 5m 处。l 型杆通过导向圆柱可以自由上下移动，在试验过程中，l 型杆首先在自 身重力作用下沉入熔融金属，接着在糊状区固定位置，然后以与铸锭相同的速度向下移 动。这样就可以记录铸锭在铸造方向的冷却曲线。通过这些数据，采用“逆向法”就可 以确定铸锭与冷却水的换热系数。 a d r i a ns a b a u 口9 l 等则以o r e z e t 2 0 j 懈标准，对不同温度，不同水量时的换热系 数进行调整。对于板坯，他们特别考虑了角部的不同情况。 贾非i j 6 j 研究1 0 0 - 5 0 0 时铸锭表面的对流换热，根据试验，确立了一与喷水密度 和铸锭表面温度有关的换热系数回归表达式，即式( 1 7 ) ，喷水密度的范围为l1 3 2 7 8 l f m m i n ) 。 h 。= 7 3 1 0 5 w o ”酊1 ”n 7 1 郑贤淑【2 8 l 在模拟时对水冷段采用了简化的经验公式进行计算，其公式中只考虑了喷 水密度和冷却水温。 h = 2 2 5 1 0 4 御o ”( 1 7 5 1 0 。钆)( i - 8 ) 式中：功平均喷水密度： 8 内蒙古科技大学硕士学位论文 0 。冷却水温。 剧1 - 1l 杆技术示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i co f t h el r o dt e c h n i q u e 1 3 2 电磁铸造传热模型研究 电磁铸造过程中的温度场与普通连铸法相比有其特殊性【1 ，主要为：不存在由模 壁向外传热的过程；0 由于电磁搅拌及强烈水冷，液相区内温差较小；0 受强电磁场作 用，铸锭以及液柱的表面层有强烈的感应加热作用；存在对e m c 过程影响很大的非 稳态过渡区，即温度场是随时间而变化的。可以看出，由于感应加热、电磁搅拌、强烈 水冷、有一定铸速等特点的存在，而且他们之间又相互影响，从而使得e m c 的传热过 程非常复杂。目前关于e m c 的研究大多集中在电磁场及磁流体动力学的数学及物理模 型上，而对控制整个e m c 过程的传热及凝固等热行为的研究则较少。 对电磁铸造过程温度场的研究是理解铸锭凝固过程及缺陷形成机理的基础，也是确 定合理的铸造工艺参数的基本依据。很多国内外学者对电磁铸造温度场的测定和模拟进 行了研究。d r e z e t 等口7 3 8 】模拟和测量了铸速和合金成分对电磁铸造大板坯的温度场的影 响，结果表明，液穴深度几乎随铸速的增加而线性增加，金属的热导率也影响液穴深 度。 1 9 9 5 年，美国i n t e l 公司的d c p r a s s o 与e v a n s 等研究了铝合金电磁铸造的传热和 凝固过程，他们发现电磁铸造板坯液穴里的温度梯度很小，和板坯尺寸相比，糊状区很 窄，液穴深度随冷却水量的变化不大 2 6 1 ，在试验的铸速内，液穴深度与铸速成线性增加 关系。并用有限元软件f l a p 模拟了电磁铸造3 1 0 4 和5 1 8 2 两种铝合金板坯的温度场， 讨论了液穴内金属热导率修正因子的不同取值和板坯侧面换热系数的不同取值对温度场 一9 内蒙古科技人学硕士学位论文 的影响，认为铸锭凝固壳内的导热速度在整个铸锭的热传输过程中是决定性的因素a 在 试验基础上建立了一个描述传热与凝固过程的三维数学模型，其控制方程为： 一心j t 署= 去卜罢 + 茜卜号 + 昙 七羽 m ， 式中：c ：等效比热容，j 慨g ) ； p 密度，k g m 3 ： v c _ 销逮，i n s ； t _ 温度，： x ，y ，z _ 舌悯变量，m ； 卜导热系数，j ( s m ) 。 可以看出上述模型对时间是稳态的，即对凝固阶段的描述未考虑时间的变化。然而 e m c 过程本身是半连续过程，铸造缺陷易产生在从浇注到稳定凝固之间的过渡期中， 所以有必要考虑过渡期的影响。同时，该模型未考虑对流传热，界面换热系数的选择也 缺乏充分的根据。另外，铸锭中心部的计算与实测还存在较大差异，这与模型简化或热 特性值的精确度有关。 在国内，大连理工大学的金俊泽、张兴国、曹志强等人1 3 9 j o 】对铝的电磁铸造从磁场 分布、电磁压力与感应热计算、电参数选择等多个方面进行了深入的研究。朱晓鹰、范 江虹等对电磁铸造的电磁场、温度场等进行了数值分析，初步建立了与实验条件相符的 e m c 数学、物理模型，并依此修正了有关工艺参数。1 9 9 6 年，金俊泽等针对e m c 过程从 浇注开始到稳态凝固之间的过渡阶段做了三维非稳态数值计算【2 训。其控制方程为： 心詈= 昙卜罢 + 导卜等 + 鲁卜警 _ 印矿瓦o t + 9 0 m - 式中：v 铸速，m s ； q 热源( 包括结晶潜热和感应热两部分) ，j ( s m 3 1 c 比热容，j 0 ( g ) 该模型考虑了e m c 过程是半连续的这一事实，认为扁锭中的热传输是非稳态的， 并考虑了感应热的影响，将感应热以温度的形式补偿到计算单元中。计算与实测结果较 为一致，研究认为铸速对液穴深度、液柱高度、温度分布的影响较大。 e m c 的数值计算中，有限差分、有限元、边界元等都是常用的方式，但有关文献 中对他们的描述都没有更多得细节。这主要是因为对边界条件的考虑还存在许多问题， 如感应热的处理、界面换热系数的选取、底部气隙处理等还要深入研究来建立更为精确 的模型。特别在半连续的e m c 过程中，过渡段的控制较为困难，而铸造缺陷常产生在 1 0 内蒙古科技大学硕士学位论文 这一阶段。因此，建立一个较完善的过渡段三维非稳态模型以准确描述e m c 凝固过程 中的动态热行为是非常必要的。 从上述对温度场的研究可以看出，其主要是针对中高频电磁铸造( e m c ) 的，而对铝 合金低频电磁铸造( c r e m ) 过程的传热及凝固等热行为的研究则较少。对于半连续e m c 过程与c r e m 过程来说，其喷水冷却段大致相同，主要区别在于c r e m 过程有结晶器 冷却。 1 3 3 铝合金凝固过程中凝固潜热的处理