静磁场对高通量连铸铝合金凝固组织特征的影响

摘要

HTCR（High Throughput Casting and Rolling，即高通量连铸连轧）工艺具有一系列无可比拟的优势，在铝合金生产中脱颖而出，是一种很有前景的环境友好型铝合金板带生产工艺。
　　高通量连铸机结晶器中的带鳍支撑辊所带强磁性的初衷是吸附钢带，保持钢带在铸造过程中的平整。而磁辊所产生的磁场透过钢带，在结晶器内部产生“漏磁”现象。如果“漏磁”强度足够大，可能会在铝合金熔体流动过程中产生电磁制动现象，也可能直接对铝合金的凝固组织产生影响。本文采用现场测量探究了高通量连铸结晶器中“漏磁场”的分布规律。通过有限元数值模拟电磁制动过程及静磁场浇铸实验，探究了该磁场对铝合金熔体流动的影响和对铝合金凝固组织的影响，提出相应的改进方案。
　　首先，采用高斯计逐点采集、矢量合成法对高通量连铸结晶器中的磁场强度及磁场分布进行研究。结果表明，高通量连铸机结晶器内部存在“漏磁”现象，“漏磁”主要分布在磁辊与钢带切线所处的垂直截面上，该截面同一高度上磁场强度沿宽度方向呈波浪形分布，波峰对应磁辄与钢带的切点位置。
　　一方面，本文采用计算机模拟的方法尝试探究高通量连铸结晶器内铝熔体的“电磁制动”过程。结果表明，在未加磁场时，结晶器内流场呈相对均匀的“活塞”流动，在电磁制动下熔体流速会倾向波浪形分布。熔体流速紊乱区发生在距铸嘴30—65cm处，刚好在液相区末端和糊状区，凝固过程很容易产生偏析。由于电磁制动主要发生在近钢带层，会对连铸坯的表面质量产生较大影响。对铸坯表面宽度方向上的明暗条纹缺陷和铸坯厚度方向上的成分偏析问题进行试验分析，结果表明，表面质量问题与漏磁场所产生的电磁制动现象具有很大的关联性。
　　另一方面，本文在同一浇铸条件下，对比磁场干扰区和非磁区试样的凝固组织、力学性能、导电率等探究磁场对铝合金凝固组织的影响。结果发现，微强磁场使铝合金凝固组织出现晶粒粗化，导电率降低，合金元素固溶度增大等现象。
　　根据以上两个角度的分析，结晶器中磁场的存在给最终的板坯质量带来负面影响。通过数值模拟得到结晶器内磁场分布的磁路图，试图分析漏磁产生的原因。结果发现，模拟结果与测量结果几乎一致；且漏磁主要发生在磁辄和钢带的拐角处，这是因为磁场从一种介质进入另一种介质时发生了磁折射导致的。基于漏磁产生原因提出了两种改进方案试图优化磁路。模拟结果表明，提高钢带磁导率，降低磁辄（鳍片）磁导率，结晶器中的磁感线变得稀疏，甚至基本消除。该方案有效的消除了漏磁，为高通量连铸生产高质量铝合金产品提供指导。

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1 绪论

1.1 高通量连铸连轧工艺

1.2 高通量双带连铸结晶器

1.3 结晶器中磁场的测量

1.4 静磁场在材料加工中的作用

1.5 本文选题意义及主要研究内容

2 试验方法

2.1 磁场测量方法

2.2 磁流耦合方法

2.3 板坯表面质量分析方法

2.4 浇铸试验

2.5 磁场数值模拟方法

3 高通量连铸结晶器中磁场测量及模拟分析

3.1 引言

3.2 高通量连铸结晶器漏磁分布规律及电磁制动的理论分析

3.3 磁流耦合有限元模拟结果及分析

3.4 漏磁对连铸坯表面质量的影响

3.5 本章小结

4 静磁场对铝合金凝固组织与性能的影响

4.1 引言

4.2 试验方案和技术路线

4.3 静磁场对铝合金组织的影响

4.4 静磁场对铝合金性能的影响

4.5 本章小结

5 漏磁有限元模拟与磁场优化

5.1 引言

5.2 建模过程

5.3 模拟结果分析

5.4 磁场优化方案

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

个人简介与在校期间发表学术论文及科研成果

致谢