超声及电磁场对铝合金熔体影响的数值模拟及试验研究

针对铝合金熔体的超声及电磁搅拌处理过程,创建了超声场、电磁场、流场和温度场的数学模型,并采用COMSOL Multiphysics软件求解模型,得到了超声场、电磁场和超声/电磁复合场对铝合金熔体内流场和温度场的分布规律,并通过试验对模拟结果进行了验证。结果表明,增加超声功率使得声压幅值和流场的流动速率均随之增加,同时会使熔体的温度梯度逐渐减小;施加电磁场后产生的电磁搅拌改变了熔体的流动方向且使熔体的流动速率显著增大,这对熔体的温度分布产生了较大影响;在超声和电磁复合场下,电磁场比超声场对熔体流场和温度场的影响更大,且占主导地位。数值模拟结果和试验结果符合较好。     

铜薄板连铸过程中的温度场模拟

基于傅立叶导热微分方程,建立了薄板坯连铸过程中凝固传热的数学模型,编制了预测连铸过程中温度场分布的计算机模拟程序.利用该程序计算了不同拉速及冷却条件下,铜薄板连铸过程中温度场的分布,并分析了拉速、冷却条件对铸坯温度的影响.模拟结果表明:拉速提高,出坯温度明显升高,因此为了防止拉漏,关键是选择合理的拉速;同时,冷却条件也是影响结晶器温度场分布的重要工艺参数之一;模型计算得出的铸坯温度与实测值基本相符,温度误差在10℃以下,计算结果可优化连铸工艺参数.     

感应凝壳熔炼悬浮驼峰数值模拟研究

采用计算机模拟方法,定量研究了安培·匝、坩埚开缝数、不同合金以及线圈位置对悬浮驼峰高度的影响.结果发现,悬浮驼峰的高度随着加载安培·匝数值的增大而呈线性增高.每增加1 000 A·匝,驼峰高度增加4.2 mm.开缝数小于40时,悬浮驼峰的高度和坩埚开缝数成正比,坩埚开缝数每增加1,驼峰高度增加0.6 mm;开缝数大于40时,悬浮驼峰高度随坩埚缝数增加而缓慢提高.炉料的相对磁导率越小,悬浮驼峰的高度越高;合金的密度越大,悬浮驼峰的高度越低.Ti-48Al-2Cr合金的密度最小,其悬浮驼峰高度最高;Ti-15V-3Cr合金的密度最大,其悬浮驼峰高度就最低.     

半固态连铸工艺参数设计

提出了半固态连铸的主要工艺参数设计原则浇注温度为浇入制浆室后的熔体温度恰好等于液相线的温度;制浆室预热温度保证熔体浇入后,其界面温度不小于停止流动的临界温度,不大于熔体的初始温度;开拉时间在保证开拉时引锭不滑脱的前提下越短越好;拉坯速度既保证金属熔体通过制浆室的时间不小于非技晶球状组织的形成时间,又要保证熔体在通过结晶器的时间内能够形成不小于安全厚度的凝固层.     

不同电角度电磁搅拌器磁场分析

建立了描述结晶器电磁搅拌过程的电磁场二维数学模型,采用有限元的方法实现结晶器电磁搅拌不同电角度电磁场的数值模拟,研究了电磁场的分布特征及频率对金属熔体中心点电磁场的影响。结果表明,随着电角度的增大,磁场的均匀性增强,但在电角度为75°时,能得到最大电磁场参数;不同电角度下,金属熔体中心电磁场参数的变化规律基本相似;随着频率的增加,磁感应强度先增后减,最大磁感应强度对应的频率是3.5 Hz,而电流密度和电磁力均不断增大。     

电磁搅拌法制备半固态浆料过程电磁场、流场和温度场的数值模拟

建立了铝合金半固态浆料电磁搅拌过程宏观传输物理量耦合的数学模型,采用有限元和有限差分相结合的方法实现电磁搅拌条件下电磁场、流场和温度场的耦合模拟分析,研究电磁搅拌工艺参数对流场和温度场的影响规律,并进行实验验证。结果表明:水平旋转的电磁力场在铝合金熔体内均匀分布,其方向与交变电磁场的旋转方向一致,大小则因集肤效应从边部到中心递减;熔体内速度场分布与电磁力相似,但随着搅拌时间的延长,熔体温度降低,速度不断降低;电磁搅拌条件下熔体凝固速度加快,熔体心部和边部的温度梯度变小;搅拌电流强度和频率对电磁场、速度场和温度场分布的影响非常明显。     

低频电磁铸造细化铝合金组织的机理

为了了解电磁场对组织细化作用的机理,采用低频电磁铸造方法制备直径200 mm Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金铸锭,并对铸造过程中的温度场进行测量。结果表明:施加磁场产生的强制对流使得温度场均匀且低于液相线约6℃。结晶器中熔体温度场的变化显著改变了熔体从开始浇注到完全凝固的热历史,从而有效促进了异质形核,显著减少晶核的重熔,使更多晶核能够生存下来,并最终促进形成均匀、细小的微观组织。     

软接触电磁连铸硬铝合金圆坯结晶器透磁性能模拟

设计了用于硬铝合金软接触电磁连铸的圆坯结晶器,模拟计算了不同结构方案对结晶器透磁性能的影响差异,研究了结晶器内壁的厚度,内壁上的开缝数、缝隙高度、缝隙宽度等结构因素对结晶器透磁性能的影响规律。结果表明:①硬铝合金圆坯结晶器4种方案中,单纯石墨隔离结晶器透磁性能最好,内壁未开缝的结晶器透磁性能最差,内壁开缝以及内壁与石墨衬套均开缝两种情况结晶器透磁性能较好②结晶器内壁所开缝隙高度增加,磁感强度随之增加,对于本文设计的结晶器结构(感应线圈高为0.06m),当开缝高度小于0.05m时,缝高每增加0.01m,磁感强度增加约2mT;缝高大于0.05m之后,增加缝高磁感强度增幅趋缓。③结晶器内壁所开缝隙宽度增加,磁感强度随之增加,变化关系可分3段:缝宽为0.1~0.3mm磁感强度未有明显增加;缝宽为0.3~1.1m磁感强度有较明显增加,缝宽每增加0.1mm磁感强度约增加0.5mT;缝宽为1.1~2mm磁感强度增幅明显放缓。④结晶器内壁所开缝隙之间间距减少,磁感强度随之增加,变化关系可分两段:缝间间距为0.08~0.025m,随着间距的减小,磁感强度增幅不明显;缝间间距在0.025m以下,随着间距的减小,磁感强度呈指数关系...     

基于ANSYS的45钢结晶器内传热分析

采用液面波动VOF和传热模型,运用ANSYS CFX有限元仿真软件构建薄板坯在结晶器内的波动状况和温度场分布。通过有限元计算可知:液面波动VOF模型可以有效地对三维结晶器液面波动进行模拟;通过仿真研究拉速与液面波动的关系和拉速与温度场的关系,得出随着拉速的增大,液面波动加剧,卷渣增多,结晶器出口处的温度增大。     

特殊钢特厚板结晶器内温度场及流场的数值模拟

采用数值模拟对特殊钢特厚板连铸结晶器工艺参数进行优化。首先对400mm×2 400mm的板坯结晶器内不同过热度及水口不同插入深度进行了模拟。其次,在优化的基础上,研究了铸造速度对流场温度场的影响,并研究了在拉速为0.5m/min的条件下得到的热应力结果。结果表明,结晶器内宜选用水口插入深度约为120mm,过热度为20K,拉速为0.5m/min,既能保证生产率也能保证产品品质。     

板坯连铸结晶器铜板传热行为

采用ANSYS有限元软件,以板坯连铸结晶器铜板传热行为为研究对象,建立板坯连铸结晶器铜板三维有限元模型,进行数值模拟计算,解析铜板温度场的分布,分析了不同工艺参数、镀层和铜板厚度等对铜板温度分布的影响,为结晶器结构的设计、实施漏钢预报和优化实际生产操作提供参考。结果表明:弯月面处的铜板温度比较高,弯月面以上的温度较低;在弯月面附近和镀层连接处温度较高,其他位置温度随着结晶器高度降低而降低;增大拉速、镀层厚度和铜板厚度都会使结晶器热面温度升高。     

板坯结晶器数值模拟及参数优化研究

以某钢厂板坯连铸结晶器为研究对象,利用FLUENT商业软件建立了三维有限体积模型,研究了拉速、过热度和热流密度对结晶器流场及温度场的影响规律。在此基础上提出了优化的浇铸工艺参数:拉速为1.8 m/min,过热度为18 K,热流密度为1300 k W/m2。     

圆坯连铸结晶器锥度的优化设计

建立了φ180mm圆坯二维热应力模型。根据φ180mm圆坯的数学传热模型,结合实测的边界条件计算出不同拉速下铸坯的收缩规律;建立了结晶器二维热应力模型,计算不同拉速下结晶器的温度场和变形量,从而设计出不同拉速下φ180mm圆坯的连铸结晶器锥度。结果表明,结晶器的最优锥度为多锥度的抛物线曲线,结晶器的锥度随着拉速的升高而减小。     

薄板坯连铸结晶器内钢水凝固传热数值模拟

为研究薄板坯连铸高拉速下结晶器内坯壳生长过程,利用ANSYS有限元模拟软件,建立了CSP薄板坯连铸结晶器内钢水凝固传热数学模型,并通过实际测量得到的凝固坯壳厚度验证了模型的合理性。对结构用钢Q235B钢种,1 500 mm×60 mm规格在结晶器内凝固过程进行了模拟,研究了不同拉速、不同结晶器冷却水量对凝固的影响。研究结果表明,随着拉速降低,坯壳厚度增加;随着结晶器水量增大,坯壳厚度增加,模拟结果与实测结果相符合,为实际生产优化工艺参数提供了理论参考。     

Cu-12%Al线材连续定向凝固最大稳态拉坯速度

将结晶器移出感应加热器,使连续定向凝固时固液界面控制在结晶器出口;结合传热边界条件,求解连续定向凝固熔体区、液/固界面、空冷区和水冷区的一维稳态温度场方程,得出线坯最大稳态拉坯速度随熔体温度、结晶器长度、冷却距离和冷却水流量的变化规律;并基于直径为6 mm的Cu-12%Al(质量分数)线材制备的工艺条件,对理论解进行实验验证和讨论.结果表明:Cu-12%Al线材的最大稳态拉坯速度随熔体温度升高而降低,且降低速率逐渐减小,其中在1 150～1 300 ℃范围内降低37.3%;最大稳态拉坯速度随结晶器长度增加而增加,且增加速率逐渐减小,其中在20～40 mm范围内增加28.5%;最大稳态拉坯速度随冷却距离增加而降低,且降低速率逐渐减小,其中在4～12 mm范围内降低68.8%;冷却水流量在100～400 L/h范围内最大稳态拉坯速度变化不明显.当固液界面前沿温度梯度小于2.02 ℃/mm时,实际拉坯速度无法达到理论最大稳态拉坯速度;当固液界面前沿温度梯度大于4.17 ℃/mm时,最大稳态拉坯速度实验值和理论值吻合较好.     

电磁场对连铸末端凝固过程的影响术

通过模拟连铸末端金属凝固的实验条件,考察施加电磁场时金属熔体内部温度场的变化情况.在Lorentz力作用下,熔体的温度分布更趋均匀;温度场的变化导致凝固速率发生改变,与未施加电磁场相比较,开始阶段的凝固速率变小,凝固末期的凝固速率增大;提出特征固相率的概念,Lorentz力加速了低于某-粘度金属熔体的热、质传输过程,表现为提高了熔体的特征固相率.     

等离子熔积直接成形翼子板模具过程温度场数值模拟

利用有限元分析软件AYSYS,对汽车翼子板功能梯度材料模具的等离子熔积成形过程温度场进行了数值模拟.计算结果表明,温度场呈周期性变化,且随着成形件平均温度的升高,温度分布趋向均匀;在沟槽区域,梯度材料平均温度较均质材料高约11％;最后通过对温度场实测,验证了计算结果正确性.     

真空感应冶炼中熔体流场和温度场的计算机模拟

通过计算机模拟,作者系统研究了真空感应熔炼中的两个熔炼参数——输入频率和输入电流(即输入功率)对熔体流场和温度场的影响。结果表明,当输入电流一定时,增加输入频率会减弱电磁搅拌作用,但是对熔体的温度影响不大;当输入频率一定时,增加输入电流会明显地提高熔体温度,并且加快熔体流动。实验测定了加载不同功率和频率时,起始温度为1813 K的熔体的加热升温过程。经比较,模拟和实验结果基本吻合。     

应用Fluent对40Cr管坯水平连铸过程中温度场及传热的研究

以水平连铸40Cr圆坯结晶器内温度场分布为研究对象,采用Fluent数值模拟软件凝固传热模型并结合射钉试验共同研究了管坯在不同拉坯工艺条件下,结晶器内40Cr钢液温度场分布及凝固传热过程,并对不同拉坯参数下铸坯试样进行了检测分析.分析结果表明:水平连铸拉坯工艺参数:拉速V=2.35 m/min,浇注温度T=1540℃,中间包过热度△T=36℃的拉坯参数下,结晶器内的温度场分布均匀稳定,铸坯质量好,产量高.采用Fluent数值模拟软件凝固传热模型并结合射钉试验可以有效地分析在不同拉坯工艺条件下水平连铸结晶器内的温度场分布及凝固传热过程,制定合理的拉坯工艺参数,减少管坯缺陷的发生,提高铸坯质量.     

薄板坯连铸结晶器铜板的三维传热分析

建立了薄板坯连铸结晶器铜板的三维传热数学模型,特别是对结晶器铜板冷面的水槽和背板部分采用了交替配置不同的边界条件处理,利用Visual Fortran语言自编程序计算结晶器铜板温度场.通过对一典型薄板坯连铸结晶器铜板模拟分析,发现铜板热面温度呈现云层分布,冷面温度呈冰柱状分布.分析了各种工艺参数(拉速、铜板厚度、冷却水流速等)对结晶器铜板温度场的影响,典型位置上的计算结果与现场测量数据符合较好,为优化生产工艺参数和结晶器设计提供理论依据和实际参考数据.