复合电磁场对连铸空心管坯质量的影响

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1、大连理工大学博士学位论文摘要近年来随着工业及国民经济的迅速发展，对大口径的钢以及铜合金管材的需求量日益增多，而且对其质量以及生产效率也提出了越来越高的要求。空心管坯连铸技术被认为是管材生产更深层次的近终形制备技术，具有生产效率高以及金属利用率高等众多优势，但所生产的空心管坯仍然存在表面质量差、缺陷多、凝固组织粗大且周向分布均匀性差等缺陷。如何生产优质的大口_径管坯，使其满足后续加工要求，是获得高质量大口径管材的技术关键。电磁场在材料加工领域的大量研究及应用为制备高质量的管坯提供了契机。本文以制备高质量的大口径连铸空心管坯为目的，进行了复合电磁场对连铸空心管坯质量影响的研究。论文

2、主要包括以下内容：利用ANSYS软件计算了磁场搅拌器作用下金属熔体内的电磁场分布状况以及金属熔体的受力和流动状况，探讨了搅拌器的绕线方式、极对数、磁轭尺寸、施加位置以及搅拌器的电参数如电流强度、频率等对金属熔体磁场分布以及受力和流动的影响。从中得出了有利于提高电能利用率的磁场搅拌器的优化设计原则，并以此为基础分别设计了外凸式行波磁场搅拌器和外凸式旋转磁场搅拌器。利用低熔点的Sn一3．5％Pb合金进行了垂直连铸大口径空心管坯内结晶器中放置外凸式工频行波磁场搅拌器和外凸式工频旋转磁场搅拌器的静态模拟实验研究。实验结果表明，在空心管坯内部施加搅拌磁场能够明显的细化铸坯的晶粒，提高凝固

3、组织的周向分布均匀性，而且磁场搅拌器的通电电流强度越大，铸坯的凝固组织的质量就越好。为了分析搅拌磁场作用下铸坯凝固组织的细化机理，本文将等轴球晶凝固两相流模型和电磁场模型相耦合，利用商业软件ANSYS和Fluent联合求解了行波搅拌磁场和旋转搅拌磁场作用下金属熔体sn．3．5％Pb的凝固过程，分析了行波搅拌磁场和旋转搅拌磁场对凝固过程的温度场、浓度场以及晶粒尺寸大小的影响。结果表明：搅拌磁场均能够减小sn．3．5％Pb结晶过程中的冷却速率以及温度梯度，成为凝固铸坯的晶粒获得细化的原因之一。搅拌速度越大，铸坯内的晶粒尺寸越小，但是搅拌速度越大，越容易在铸坯凝固过程中产生偏析缺陷，

4、因此施加搅拌磁场时应该控制搅拌速度的大小。此外，本文还对行波磁场和旋转磁场作用下金属熔体的受力情况进行了理论解析，计算结果表明：无论在旋转磁场还是行波磁场作用下，金属熔体所受电磁力均为一个变化频率是m／z的脉动力。脉动电磁力能够增强金属液的紊流程度，促进金属液内过热的耗散和晶核的形成，有利于等轴晶凝固组织的形成。张琦：复合电磁场对连铸空心管坯质量的影响为了在改善管坯凝固组织的基础上，进一步提高管坯的表面质量，消除表面缺陷，本文提出了在空心管坯垂直连铸过程中施加复合电磁场的方法，即在内结晶器中施加外凸式工频行波搅拌磁场并同时在管坯的外结晶器侧放置约束型中频线圈。施加复合电磁场有如

5、下几个优点：1)在内结晶器中旖加行波搅拌磁场不但能够显著的改善铸坯的凝固组织，而且电磁搅拌力引起的金属熔体强制流动能够提高管坯的内表面以及皮下质量，解决管坯内表面不易进行铣面处理的困难。2)在外结晶器侧放置中频约束线圈能够消除管坯内外表面的偏析瘤以及波痕等缺陷。3)空心管坯电磁连铸凝固过程的数值模拟结果表明：单独在管坯外结晶器侧放置中频约束线圈或者单独在管坯内结晶器中放置行波搅拌磁场都容易造成凝固坯壳厚度不均匀，产生裂纹缺陷。通过在管坯内外结晶器中施加合适的复合电磁场能够改善凝固坯壳厚度不均匀的的状况，消除裂纹缺陷，而且电磁搅拌加速散热能够减小液穴深度，可以提高生产效率。关键词

6、：空心管坯凝固组织表面质量复合电磁场数值模拟大连理工大学博士学位论文Effectofmulti-electromagneticfieldsonthequalityofcontinuouscastinghollowbilletAbstractInrecentyears，Withthedevelopmentofindustryandnationaleconomy,theneedsofhi曲qualitylarge-diametersteelandcopperalloyhoIlowtubeandtherequirementforthehighproductionefficiencyi

7、ncreasequickly．ContinuQuscastingofhollowbilletisconsideredasaprofoundnear--netformingtechnologywiththeadvantageofhighproductionefficiencyandhighutilizationratio．Buttherearemanyproblemsforthehollowbilletsuchas．poorsurfacequality，toomanydefects，andco