连铸空心管坯内置行波磁场对凝固组织的影响

利用低熔点Sn-3．5％Pb合金进行了空心管坯内置行波磁场的静态模拟实验研究。结果表明：管坯内置行波磁场可以引起金属熔体内部纵截面上的大环流，减小了熔体凝固前沿的温度梯度，降低了金属熔体的冷却速率，抑制了熔体的枝晶生长，从而促进了晶粒的球化，改善了管坯的凝固组织。     

磁场对Cu-Pb-La过偏晶合金液-液分离的作用

本实验在Cu-80%Pb过偏晶合金凝固过程中添加稀土元素La,研究不同冷却速度下稀土元素在过偏晶合金凝固制备中的作用,并研究施加磁场对Cu-Pb过偏晶合金液-液分离区凝固组织的影响,探讨了磁场下第二相的迁移和分布规律,为均质偏晶合金制备技术的改进提供参考。结果表明,添加La元素可显著降低Cu-80%Pb凝固组织中的宏观偏析,促进第二相颗粒的均匀分布和细化。较快的冷却速度下添加La元素的作用更加明显,偏析程度显著降低,在此冷速下进一步施加1 T水平方向磁场,Cu-Pb-La合金凝固过程中宏观偏析得到了抑制,富Cu相颗粒弥散,组织分布均匀。     

行波磁场净化液态金属的电磁力参数

对影响液态金属所受电磁力大小的因素进行了研究, 对电磁力作用下的导电流体中的非金属颗粒的迁移速度进行了测定。结果表明： 金属液回路的几何尺寸、行波磁场发生器的气隙大小以及发生器中通过的电流等对电磁力参数产生很大的影响; 行波磁场能使微细非金属夹杂物（５ ～１００ μｍ） 的迁移速率成倍提高     

内置式搅拌磁场对连铸空心铸坯内夹杂物分布影响

耦合求解了电磁场方程以及夹杂物守恒方程,考虑了夹杂物间的湍流碰撞以及斯托克斯碰撞,计算获得了拉速以及行波式电磁搅拌对结晶器内夹杂物分布的影响规律。结果表明,结晶器内夹杂物的运动规律与钢液的流动状态密切相关,拉速越大,钢液的浸入深度越深,则结晶器出口处夹杂物的数量越多,夹杂物的尺寸越小。施加行波式搅拌磁场可以使钢液流动加强,并减小钢液的浸入深度,有利于夹杂物的聚集长大上浮,结晶器内夹杂物的尺寸较大,但数量减少。因此,在连铸空心管坯内部施加搅拌磁场有利于去除钢中夹杂物,从而改善连铸空心管坯的质量。     

螺旋磁场下Pb-Sn合金凝固过程的数值模拟与实验研究

通过数值模拟和实验研究,分析了施加不同励磁电流螺旋磁场时Pb-Sn合金的凝固过程。结果表明:随着励磁电流的增加,冷却速率逐渐降低,熔体内的温度梯度变小,促进晶粒等轴化;轴向分力使熔体沿轴向的环流增强,初生β相趋于弥散分布,宏观偏析基本消除。但大电流产生强烈的搅拌,增加了晶粒之间摩擦与碰撞几率,晶粒聚集程度提高,强烈的感应加热也延缓熔体的冷却速度,导致晶粒粗化。在频率为10 Hz条件下,适宜的励磁电流是100~125 A。     

行波磁场对水平连铸铜板坯结晶器内熔体受力和流动的影响

对行波磁场下连铸锡磷青铜的流动过程进行了数值模拟。结果表明,行波磁场的电流强度仅影响金属液的流动速度,电流强度与流动速度成正比变化;行波磁场的电流频率不仅影响金属液的流动速度,而且影响金属液的流动形态;对于二流水平连铸,施加行波磁场时需要考虑两个磁场之间的相互作用,通过调整通电方式可以避免不利影响。     

永磁驱动的行波磁场理论及对凝固组织微细化作用

开发了一套以强磁性永磁体为驱动介质的行波磁场发生器，该装置具有使金属凝固组织微细化的作用。研究了永磁驱动的行波磁场理论；建立了数学模型，导出了金属液内与铸坯方向平行磁力分量的解析解，通过圆坯和扁坯的实验验证了磁力的存在。在金属凝固过程中，施加适当的永磁驱动行波磁场可得到100％的等轴晶组织。     

静磁场下热电磁效应及其对凝固组织的影响

由于塞贝克效应,当施加一个温度梯度时,在凝固界面将会产生一个热电流。在磁场下定向凝固过程中热电流和静磁场相互作用将会产生一个显著的热电磁力。此磁力将会诱发各种现象,比如液体搅拌、固相运动以及固相受力。由于在金属的凝固过程中常常存在温度梯度,这些效应将会普遍存在。在较小和适度的磁场下热电磁力将促进液体的流动,在较强的磁场下其将抑制液体的流动。另外,热电磁流有多尺度效应,即尺度越小,抑制液体流动所需的磁场越高。至今,已经完成了大量涉及多种合金的实验,所有的实验结果均表明在凝固前沿和糊状区均存在热电磁流。热电磁流动显著地影响凝固过程中微观和宏观偏析、凝固组织以及糊状区晶界结构。热电磁流动的方向以及相应的偏析可以通过改变磁场的方向而被控制。另一方面,作用于固相的热电磁力也将显著地影响固相凝固组织,表现为固相所受的热电磁力导致枝晶的断裂、枝晶碎片的运动和柱状晶-等轴晶转变等。近年来,同步辐射X射线成像技术被应用于实时观测在横向磁场下定向凝固过程中枝晶的生长行为,观察在磁场下枝晶发生断裂和枝晶碎片沿一定方向运动的行为,这进一步证实了磁场下热电磁效应在凝固过程中显著地影响凝固组织。     

过热度对12Cr2Mo1R大扁锭凝固过程中心宏观偏析的影响

基于体积平均的两相数学模型,耦合求解温度场、流场和浓度场,模拟计算过热度对12Cr2Mo1R大扁锭凝固过程碳元素宏观偏析的影响。本模型将钢液密度设为依赖于温度和溶质浓度的函数。因而,可以综合考虑温度梯度、浓度梯度以及体积收缩等因素对钢液流动的作用,能够更加精确地预测凝固过程溶质元素分布。本次实验研究了过热度对凝固前沿温度梯度、凝固速率和钢液流动速率影响规律,以及最终碳元素宏观偏析情况。模拟结果表明:过热度的增加导致铸件表面区域凝固前沿温度梯度升高,而对中心线区域凝固前沿温度梯度的影响不显著;过热度对铸锭凝固速率的影响很小。此外,过热度的增加使得钢液流动速度相应增加,并使得固液两相区宽度相应的减小。铸锭凝固过程中碳元素宏观中心偏析总体表现为:当过热度40℃时,增加过热度对加剧铸锭中心偏析不显著;然而,当过热度40℃时,提高过热度使得铸锭中心偏析急剧恶化。     

水平连铸BFe30-1-1白铜管坯凝固过程的数值模拟

根据空心管坯的凝固传热特点建立了空心管坯水平连铸数值计算模型,采用ANSYS软件计算了水平连铸过程中浇注温度、冷却强度及拉坯速度对BFe30-1-1白铜合金管坯糊状区宽度和液穴深度的影响。结果表明,浇注温度、拉坯速度和冷却强度均对管坯液穴深度和糊状区宽度有重要影响,而浇注温度则对糊状区宽度影响不大。在此基础上采用试验的方法制备了表面光滑、无裂纹缺陷的空心BFe30-1-1白铜管坯。     

Numerical simulation of solidification process of Sn-3.5%Pb hollow billet with stirring magnetic field

In order to study the effect of the stirring flow on the grain diameter and solute concentration of hollow billet, the couple model of the two-phase solidification and electromagnetic field was built to simulate the solidification process of Sn-3.5%Pb hollow billet with the traveling magnetic field and rotating magnetic field. The effects of different kinds of flows on the temperature field, concentration field and grain diameter of molten metal during solidification were analysed. The results show that, there are different flow patterns in the molten metal induced by the traveling magnetic field and rotating magnetic field. Both flows can refine the grains in the hollow billet because of change of the temperature gradient and cooling rate of molten metal. The bigger the stirring velocity is, the smaller the grain diameter. Both flows can result in the macro-segregation in the hollow billet because of the non-homogeneous flows. The bigger the stirring velocity, the more serious the macro-segregation of the hollow billet. So, the stirring intensity should be controlled to acquire the high quality hollow billet.     

电磁搅拌作用下铝合金凝固组织的数值模拟

建立了有限元(Finite Element)和元胞自动机法(Cellular Automaton)相结合的宏微观耦合的CA-FE模型,实现了电磁搅拌作用下Al-5％Cu合金凝固组织的数值模拟.该模型利用ANSYS软件计算电磁力,利用有限差分法计算宏观流场和温度场.在微观计算中,采用基于高斯分布的连续形核模型,并采用KGT生长模型计算枝晶尖端生长速率.模拟和实验结果表明,施加电磁搅拌后,铝合金的温度场均匀,冷却速率加快,利于组织细化.     

3D NUMERICAL SIMULATION OF FLOW FIELD AND TEMPERATURE FIELD IN A ROUND BILLET CONTINUOUS CASTING MOLD WITH ELECTROMAGNETIC STIRRING

建立了描述圆坯连铸结晶器电磁搅拌过程的三维数学模型. 采用有限元和有限体积结合的方法求解Maxwell方程组和湍流Navier-Stokes方程, 分析了结晶器电磁搅拌过程的磁场、流场、温度场和夹杂物轨迹特征, 并考虑了励磁电磁强度和频率的影响. 研究表明, 磁场模拟结果与现场实测数据一致, 电磁力在圆坯水平截面上呈周向分布. 钢液在结晶器纵截面内形成两对回流区, 且在水平截面内旋转流动; 过热钢液滞留在结晶器上部区域, 铸坯芯部温度迅速降低, 凝固前沿温度梯度提高; 大部分夹杂物积聚到结晶器上部区域旋转运动. 励磁电流强度和频率对结晶器内钢液的流动、温度分布及夹杂物运动均有明显影响.     

圆坯结晶器电磁搅拌过程三维流场与温度场数值模拟

建立了描述圆坯连铸结晶器电磁搅拌过程的三维数学模型．采用有限元和有限体积结合的方法求解Maxwell方程组和湍流Navier—Stokes方程,分析了结晶器电磁搅拌过程的磁场、流场、温度场和夹杂物轨迹特征,并考虑了励磁电磁强度和频率的影响．研究表明,磁场模拟结果与现场实测数据一致,电磁力在圆坯水平截面上呈周向分布．钢液在结晶器纵截面内形成两对回流区,且在水平截面内旋转流动;过热钢液滞留在结晶器上部区域,铸坯芯部温度迅速降低,凝固前沿温度梯度提高;大部分夹杂物积聚到结晶器上部区域旋转运动．励磁电流强度和频率对结晶器内钢液的流动、温度分布及夹杂物运动均有明显影响．     

Improving the Solidified Structure by Optimization of Coil Configuration in Pulsed Magneto-Oscillation

Using both numerical and experimental methods, we studied the effect of coil configuration of pulsed magneto-oscillation (PMO) on distribution of electromagnetic field, flow field and solidification structure with the same pulse current parameters in Al ingots. We designed and constructed three types of coils: surface pulsed magneto-oscillation, hot-top pulsed magneto-oscillation (HPMO) and combined pulsed magneto-oscillation (CPMO). PMO treatment refined the solidification structure in all the ingots. The configuration of the PMO, however, introduced differences in magnetic field intensity, electromagnetic force, Joule heat, flow field, equiaxed grain zone, grain size and growth direction of columnar grains. The largest equiaxed grain zone was found in CPMO treated ingot, and the smallest grain size was found in both HPMO and CPMO treated ingots. Numerical simulation indicated that difference in electromagnetic field and flow field resulted in differences in solidification structure. HPMO is more advantageous over others for large ingot production.     

磁场类型对金属凝固机理的影响研究综述*

利用磁场辅助制备的合金综合性能优异,广泛应用在工业生产、交通运输、航空航天等领域。不同磁场参数环境下合金硬度、耐磨性等服役性能有所差异,作用机理复杂多变。对新工艺驱动下不同磁场对金属凝固过程的作用规律进行总结, 弥补目前磁场辅助金属表面加工方法的研究短板,对金属表面工程发展有重大意义。归纳科研人员在不同磁场环境对金属表面加工的研究探索,分析对比金属材料在不同类型磁场环境下的晶核形核和生长过程差异,总结金属凝固过程在不同磁场下的变化规律,如晶界形貌改善、形核率提高、晶粒细化等。从晶粒微观形貌和合金宏观性能表现两方面出发,分析磁场作用下熔体内部传热传质变化,揭示稳恒磁场、脉冲磁场和交变磁场对金属凝固影响的作用机理,讨论不同参数的磁场对熔体作用效果差异,如磁场对熔池内部流动扰动、熔体内带电粒子受到的洛伦兹力等。综上,晶粒细化、合金性能提高是磁场作用下熔池传热传质变化和磁场作用力的综合体现。综合研究对比稳恒磁场、脉冲磁场和交变磁场对金属凝固的作用特点和作用机理,综述金属凝固领域当前热点问题,有助于统一磁场环境下金属凝固机理的争论,填补磁场环境下金属表面加工工艺的空白,对推进高性能金属表面制备研究有借鉴意义。     

电磁搅拌和二冷区冷却强度对Incoloy800H高温合金连铸坯的内部质量影响

研究了不同方式的二冷区电磁搅拌和冷却强度对Incoloy800H高温合金连铸坯凝固组织和内部裂纹的影响。研究结果表明：施加电磁搅拌后的连铸坯内部等轴晶组织比例增加,晶粒细化。单向连续电磁搅拌增加等轴晶比例和细化晶粒的作用效果优于正反交替电磁搅拌。当二冷区冷却水流量由3.0 m3/h增加至7.1 m3/h时,等轴晶比例减小,晶粒粗化;电磁搅拌对连铸坯内部裂纹有抑制作用,且单向连续电磁搅拌效果最好。当二冷区冷却强度增加时,铸坯内部熔体的温度梯度增加从而增大热应力,同时由于电磁搅拌的作用时间的减少,使铸坯内部质量恶化,产生严重的内部裂纹。     

电磁搅拌下连铸方坯凝固组织模拟

运用ProCAST软件对连铸方坯凝固过程进行仿真模拟,同时利用CAFE模块对连铸坯凝固组织进行预测,模拟结晶器有无电磁搅拌条件下连铸坯凝固组织。仿真结果表明,电磁搅拌明显缩小柱状晶区、增大中心等轴晶区;对结晶器有无电磁搅拌条件下实际生产的连铸坯组织对比分析,证明模拟结果与试验结果吻合。