本文關(guān)鍵詞：低頻脈沖磁場金屬凝固晶粒細(xì)化機(jī)理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：低頻脈沖磁場能夠有效細(xì)化凝固晶粒,由于脈沖磁場作用過程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證難度大,尚有很多機(jī)理值得探索研究；要實(shí)現(xiàn)低頻脈沖磁場細(xì)晶技術(shù)的工業(yè)化,必須對低頻脈沖磁場細(xì)化凝固晶粒機(jī)理進(jìn)行深入研究。本文利用數(shù)學(xué)解析法、數(shù)值模擬方法和熱態(tài)澆注實(shí)驗(yàn)等手段,建立任意波形脈沖磁場電磁力計(jì)算通用模型；將傅里葉級數(shù)變換法應(yīng)用于脈沖磁場熔體運(yùn)動模型,建立多周期的非穩(wěn)態(tài)磁流體運(yùn)動模型；為了改善溫度方程收斂性將分段函數(shù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)性函數(shù),建立脈沖磁場下金屬凝固模型和小潤濕角下脈沖磁場的形核模型,并與熱態(tài)澆注實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比校核。利用以上建立的模型,對比研究了時(shí)諧磁場與低頻脈沖磁場的電磁力、熔體運(yùn)動和凝固過程差異性,得到了低頻脈沖磁場的電磁力特性、熔體運(yùn)動特性和凝固特性以及凝固形核的影響。在此基礎(chǔ)上,提出了低頻脈沖磁場下枝晶破碎細(xì)化晶粒模型。研究成果概括如下：1.低頻脈沖電磁力特性(1)與時(shí)諧磁場相比,脈沖磁場電磁力具有極值大和間歇性主要特征。與單一脈沖磁場相比,復(fù)合磁場電磁力極值更大,作用時(shí)間的延長,可有效增加電磁力作用深度,進(jìn)一步強(qiáng)化對金屬凝固過程的作用。(2)與Vives C的電磁振蕩作用不同,每個周期內(nèi)脈沖磁場電磁壓力平均沖量是電磁拉力平均沖量的99倍。數(shù)值計(jì)算結(jié)果中脈沖磁場下熔體內(nèi)部沒有發(fā)生振蕩的現(xiàn)象,也進(jìn)一步證實(shí)此結(jié)果。2.低頻脈沖磁場熔體運(yùn)動特性(1)脈沖磁場下熔體運(yùn)動由兩個上下不對稱的渦流構(gòu)成,在多周期后呈現(xiàn)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程。脈沖磁場下熔體速度隨著脈沖磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而線性增加。隨著脈沖頻率和脈沖作用時(shí)間r的增加,熔體速度不斷增加。當(dāng)t=0.1 s時(shí),脈沖磁場下電磁力作用不存在間歇期,熔體穩(wěn)態(tài)速度約為1.4m·s-1,與時(shí)諧磁場下相同。(2)脈沖磁場下熔體速度的周期波動是脈沖磁場的主要特征之一。雖然脈沖磁場穩(wěn)態(tài)平均速度0.47m·s-1遠(yuǎn)小于時(shí)諧磁場的穩(wěn)態(tài)平均速度約為1.4m·s-1’,但是脈沖磁場速度波動相對幅度20%遠(yuǎn)大于時(shí)諧磁場的0.67%。脈沖磁場下熔體速度的波動相對幅度大,既能引起高次枝晶的生長,又能增加枝晶破碎的幾率。3.低頻脈沖磁場金屬凝固特性(1)將脈沖磁場凝固傳熱流動模型與熱態(tài)澆注溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果校核,誤差小于10%。時(shí)諧磁場下凝固初期熔體溫度梯度0.1K·mm-1小于脈沖磁場凝固初期溫度梯度0.4K·mm-1。但比較整個凝固過程的平均溫度梯度,時(shí)諧磁場的1.1K·mm-1大于脈沖磁場的0.9K·mmmq。另外,凝固階段脈沖磁場對熔體的有效作用時(shí)間為80s,是時(shí)諧磁場有效作用時(shí)間40s的2倍。(2)定量計(jì)算了焦耳熱與熔體顯熱、凝固潛熱的比值分別為4.63×10-7、2.22×10-3,故脈沖磁場焦耳熱對金屬熔體溫度和凝固過程的影響可以忽略不計(jì)。隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度增加,凝固冷卻速率G×V值先減小后增大,當(dāng)B=0.1T時(shí),GxV值最大,相應(yīng)地晶粒度最�。浑S著脈沖頻率的增加,凝固冷卻速率GxV值先增大后減小,當(dāng)f=5Hz時(shí),GxV值最大。當(dāng)B=0.1T和f=5Hz,凝固晶粒度最小。4.低頻脈沖磁場細(xì)化機(jī)理模型及工業(yè)應(yīng)用分析(1)強(qiáng)脈沖磁場對臨界過冷度和臨界形核半徑影響較大,而弱脈沖磁場對臨界形核半徑和臨界形核過冷度影響可不計(jì),說明低頻脈沖磁場對金屬凝固熱力學(xué)影響可不計(jì)。(2)建立了不考慮焦耳熱影響的脈沖磁場枝晶破碎細(xì)化機(jī)理模型。脈沖磁場細(xì)晶機(jī)理歸根于脈沖磁場瞬時(shí)電磁力極值特性增加了枝晶破碎概率,同時(shí)脈沖磁場作用下熔體運(yùn)動使得溫度梯度更加均勻,凝固生長速率增加,使枝晶碎片在熔體區(qū)域的存活率增加。脈沖磁場作用下,單位時(shí)間獲得的等軸晶數(shù)目N為：Nt=Nd·Φ(M),(3)基于枝晶破碎機(jī)理,提出脈沖磁場細(xì)晶技術(shù)的連鑄工業(yè)化方案。利用模型計(jì)算得到脈沖磁場施加于高溫合金連鑄的足輥段、二冷段和凝固末端,所需臨界磁感應(yīng)強(qiáng)度值分別為0.0845T、0.122T和0.182T。
【關(guān)鍵詞】：低頻脈沖磁場 細(xì)化晶粒 金屬凝固 磁流體 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG111.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 主要符號列表14-15
• 第1章 緒論15-31
• 1.1 引言15
• 1.2 脈沖電磁場在鋼鐵領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展15-18
• 1.2.1 脈沖電源技術(shù)16
• 1.2.2 脈沖電塑性成型技術(shù)16-17
• 1.2.3 脈沖電鍍技術(shù)17-18
• 1.3 脈沖磁場在金屬凝固過程中的研究進(jìn)展18-25
• 1.3.1 脈沖磁場下凝固細(xì)晶的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展19-23
• 1.3.2 脈沖磁場下凝固數(shù)值模擬研究進(jìn)展23-24
• 1.3.3 小結(jié)24-25
• 1.4 脈沖磁場凝固細(xì)晶機(jī)理研究進(jìn)展25-29
• 1.4.1 脈沖磁場下金屬凝固形核研究25-27
• 1.4.2 脈沖磁場促進(jìn)晶核增值機(jī)理27-28
• 1.4.3 小結(jié)28-29
• 1.5 課題研究意義與內(nèi)容29-31
• 第2章 低頻脈沖磁場下電磁力特性研究31-53
• 2.1 前言31
• 2.2 脈沖磁場電路原理31-32
• 2.3 脈沖電磁力特性數(shù)學(xué)解析解32-43
• 2.3.1 時(shí)諧磁場電磁力理論解33-34
• 2.3.2 脈沖磁場電磁力理論解34-36
• 2.3.3 無量綱角頻率物理意義36-37
• 2.3.4 模型驗(yàn)證37-38
• 2.3.5 結(jié)果與分析38-43
• 2.4 低頻脈沖磁場電磁力數(shù)值模擬分析43-49
• 2.4.1 數(shù)學(xué)方程43
• 2.4.2 邊界條件43-44
• 2.4.3 數(shù)值算法44-45
• 2.4.4 數(shù)值結(jié)果與分析45-49
• 2.5 討論49-51
• 2.5.1 低頻脈沖磁場電磁力特性49
• 2.5.2 與傳統(tǒng)電磁振蕩差異性49-50
• 2.5.3 低頻脈沖磁場液面波動解釋50-51
• 2.6 小結(jié)51-53
• 第3章 低頻脈沖磁場下熔體運(yùn)動特性研究53-69
• 3.1 前言53
• 3.2 數(shù)學(xué)模型53-56
• 3.2.1 物理模型及參數(shù)53-54
• 3.2.2 控制方程54-55
• 3.2.3 邊界條件55-56
• 3.3 數(shù)值算法56-57
• 3.4 模型驗(yàn)證57-59
• 3.5 結(jié)果與討論59-67
• 3.5.1 脈沖磁場下熔體運(yùn)動形式59-61
• 3.5.2 脈沖作用時(shí)間對熔體運(yùn)動的影響規(guī)律61-63
• 3.5.3 脈沖磁感應(yīng)強(qiáng)度對熔體運(yùn)動的影響規(guī)律63-64
• 3.5.4 脈沖頻率對熔體運(yùn)動的影響規(guī)律64-66
• 3.5.5 討論66-67
• 3.6 小結(jié)67-69
• 第4章 低頻脈沖磁場下金屬凝固特性研究69-97
• 4.1 引言69
• 4.2 低頻脈沖磁場對金屬凝固溫度影響實(shí)驗(yàn)69-71
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)過程69-70
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果70-71
• 4.3 脈沖磁場凝固的數(shù)學(xué)描述和數(shù)值解法71-78
• 4.3.1 基本假設(shè)71-72
• 4.3.2 控制方程72-74
• 4.3.3 數(shù)值算法74-75
• 4.3.4 模型驗(yàn)證75-78
• 4.4 結(jié)果與討論78-95
• 4.4.1 不同磁場對金屬凝固的影響79-84
• 4.4.2 不同脈沖磁感應(yīng)強(qiáng)度對金屬凝固的影響84-87
• 4.4.3 不同脈沖頻率對金屬凝固的影響87-91
• 4.4.4 討論91-95
• 4.5 小結(jié)95-97
• 第5章 低頻脈沖磁場細(xì)化晶粒機(jī)理研究97-115
• 5.1 引言97-98
• 5.2 小潤濕角下脈沖磁場金屬凝固形核模型研究98-105
• 5.2.1 理論模型98-100
• 5.2.2 結(jié)果與討論100-104
• 5.2.3 小結(jié)104-105
• 5.3 低頻脈沖磁場細(xì)化凝固晶粒模型研究105-113
• 5.3.1 低頻脈沖磁場細(xì)化晶粒機(jī)理105-110
• 5.3.2 機(jī)理模型的討論110-111
• 5.3.3 不同電磁參數(shù)影響效果的解釋111-112
• 5.3.4 冷卻速度的影響112-113
• 5.4 小結(jié)113-115
• 第6章 低頻脈沖磁場工業(yè)應(yīng)用方案分析115-123
• 6.1 引言115
• 6.2 細(xì)化晶粒機(jī)理與工業(yè)應(yīng)用關(guān)系115-116
• 6.2.1 脈沖磁場細(xì)化晶粒機(jī)理與連鑄應(yīng)用分析115-116
• 6.2.2 低頻脈沖磁場與電磁攪拌的區(qū)別與聯(lián)系116
• 6.3 低頻脈沖磁場應(yīng)用于連鑄的方案分析116-122
• 6.3.1 工業(yè)應(yīng)用對象選擇116-117
• 6.3.2 工業(yè)應(yīng)用施加時(shí)機(jī)117-122
• 6.4 小結(jié)122-123
• 第7章 結(jié)論123-125
• 參考文獻(xiàn)125-133
• 致謝133-135
• 攻讀博士學(xué)位期間獲得的成果135-137
• 作者簡介137

【參考文獻(xiàn)】

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5 華駿山;張永杰;王恩剛;赫冀成;;脈沖磁場下電磁力特性研究:理論分析[J];東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2011年01期

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  本文關(guān)鍵詞：低頻脈沖磁場金屬凝固晶粒細(xì)化機(jī)理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：369628