6063鋁合金多流低頻電磁鑄造理論及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本課題是國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目“提高鋁材質(zhì)量基礎(chǔ)研究”中的部分內(nèi)容，通過對多流低頻電磁鑄造鋁合金理論和實(shí)驗(yàn)研究，為鋁合金低頻電磁鑄造產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)和理論基礎(chǔ)。 首先測定了低頻電磁鑄造過程(LFEC)中Ф100mm的鋁合金鑄錠近表面的動(dòng)態(tài)溫度，采用逆向法計(jì)算出了其水冷段的換熱系數(shù)。隨著鑄錠表面溫度的降低，換熱系數(shù)逐漸增大；在溫度由400℃降至130℃的過程中，換熱系數(shù)急劇增大，在130℃左右時(shí)達(dá)到最大，其最大值大約

2、為23000W/(m·K)；當(dāng)溫度繼續(xù)降低時(shí)，鑄錠表面換熱系數(shù)迅速減小。 建立了低頻電磁鑄造凝固過程的三維有限元模型，首先對Ф100 mm的鋁合金圓錠凝固過程進(jìn)行了模擬，并將模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，以此來驗(yàn)證模型的正確性；然后采用該模型來模擬Ф174mm鋁合金圓錠的凝固過程，重點(diǎn)研究凝固過程中不同條件下鑄錠液穴深度的變化。當(dāng)澆注溫度為700～720℃，拉速為120～130 mm/min時(shí)，液穴深度在67mm到82.5mm之

3、間，澆注溫度每增加10℃，液穴要相應(yīng)增加4～5mm；拉速每增加5mm/min，液穴深度相應(yīng)增加約2～4mm。 以鑄錠內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度做為判據(jù)，通過有限元法對單流低頻電磁鑄造中磁場三維空間分布進(jìn)行數(shù)值模擬，并對結(jié)晶器的材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。模擬結(jié)果表明，為了提高鋁熔液內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度，結(jié)晶器內(nèi)套材料采用用奧氏體不銹鋼，結(jié)晶器有效結(jié)晶部分用石墨，結(jié)晶器外套為導(dǎo)磁材料A3鋼。確定結(jié)晶器材料后，對電磁參數(shù)對熔池內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度影響進(jìn)行了分析。

4、結(jié)果表明，電流強(qiáng)度和頻率對磁感應(yīng)強(qiáng)度在金屬熔體內(nèi)部的分布有著重要影響。在電流頻率不變的條件下，熔體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著電流強(qiáng)度的增強(qiáng)而增強(qiáng)。在電流強(qiáng)度不變的條件下，通過調(diào)節(jié)電流的頻率能夠更顯著地改變?nèi)垠w內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布情況。 利用有限元法對四流低頻電磁鑄造過程中磁場和流場進(jìn)行耦合數(shù)值分析，結(jié)果表明，在同樣的條件下，當(dāng)相鄰線圈之間距離為20mm，并且線圈電流方向相同時(shí)，鑄錠表面周向的磁感應(yīng)強(qiáng)度及熔池內(nèi)鋁熔體流動(dòng)速度分布要比相鄰

5、線圈電流方向相反時(shí)均勻的多，但鑄錠內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度要比相鄰線圈電流方向相反時(shí)的低。為了獲得不同電流方向情況下線圈之間的影響規(guī)律，重點(diǎn)分析了相鄰線圈電流方向相同和相反時(shí)，線圈之間距離對鑄錠磁感應(yīng)強(qiáng)度和熔池內(nèi)鋁熔體流動(dòng)速度的影響。結(jié)果表明，隨著線圈之間距離的增大，熔池周向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布趨向均勻。當(dāng)相鄰線圈電流方向相同并且線圈之間距離為30mm時(shí)候，磁感應(yīng)強(qiáng)度在鑄錠外表面圓周方向差值為0.0022T，相對差值為4％左右，熔池內(nèi)鋁熔體速度分布均

6、勻，線圈之間磁場相互作用對鋁熔體流動(dòng)速度的影響可以不用考慮。當(dāng)相鄰線圈電流方向相反并且線圈之間距離為80mm時(shí)候，磁感應(yīng)強(qiáng)度在鑄錠外表面圓周方向差值為0.0019T，相對差值為3％左右，熔池內(nèi)鋁熔體速度分布均勻，線圈之間磁場相互作用對鋁熔體流動(dòng)速度的影響可以忽略。所以對多流低頻電磁鑄造來說，推薦線圈之間的距離為：相鄰線圈電流方向相同，線圈之間的距離應(yīng)大于30mm。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制造了一套四流低頻電磁鑄造設(shè)備，并進(jìn)行了四流低頻電

7、磁半連續(xù)鑄造6063鋁合金實(shí)驗(yàn)研究，主要結(jié)果如下： (1)可以通過施加交變電磁場的方法消除了鑄錠表面的冷隔和表面偏析瘤，使鋁合金鑄錠表面光潔，提高產(chǎn)品質(zhì)量。在相同的電流強(qiáng)度下，頻率為30Hz時(shí)，鑄錠的表面質(zhì)量最好。 (2)施加電磁場可以顯著細(xì)化鋁合金鑄態(tài)組織，在整個(gè)鑄錠橫截面上得到均勻細(xì)小的等軸晶組織。在頻率一定情況下，鑄錠內(nèi)部的晶粒尺寸隨電流的增加而減小。在保持電流強(qiáng)度不變的條件下，頻率處于15～20Hz的低頻區(qū)間時(shí)，