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(guó)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(duì)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(cè)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(duì)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(cè)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(duì)單流低頻電磁鑄造中磁場(chǎng)三維空間分布進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)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(duì)電磁參數(shù)對(duì)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(duì)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(duì)四流低頻電磁鑄造過程中磁場(chǎng)和流場(chǎng)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(duì)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(duì)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(chǎng)相互作用對(duì)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(duì)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(chǎng)相互作用對(duì)鋁熔體流動(dòng)速度的影響可以忽略。所以對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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)，