本文關(guān)鍵詞：低頻脈沖磁場金屬凝固晶粒細化機理研究，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化凝固晶粒,由于脈沖磁場作用過程實驗驗證難度大,尚有很多機理值得探索研究；要實現(xiàn)低頻脈沖磁場細晶技術(shù)的工業(yè)化,必須對低頻脈沖磁場細化凝固晶粒機理進行深入研究。本文利用數(shù)學(xué)解析法、數(shù)值模擬方法和熱態(tài)澆注實驗等手段,建立任意波形脈沖磁場電磁力計算通用模型；將傅里葉級數(shù)變換法應(yīng)用于脈沖磁場熔體運動模型,建立多周期的非穩(wěn)態(tài)磁流體運動模型；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)澆注實驗結(jié)果進行對比校核。利用以上建立的模型,對比研究了時諧磁場與低頻脈沖磁場的電磁力、熔體運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,作用時間的延長,可有效增加電磁力作用深度,進一步強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,也進一步證實此結(jié)果。2.低頻脈沖磁場熔體運動特性(1)脈沖磁場下熔體運動由兩個上下不對稱的渦流構(gòu)成,在多周期后呈現(xiàn)準穩(wěn)態(tài)過程。脈沖磁場下熔體速度隨著脈沖磁感應(yīng)強度的增加而線性增加。隨著脈沖頻率和脈沖作用時間r的增加,熔體速度不斷增加。當t=0.1 s時,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遠小于時諧磁場的穩(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%遠大于時諧磁場的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)澆注溫度實驗結(jié)果校核,誤差小于10%。時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間為80s,是時諧磁場有效作用時間40s的2倍。(2)定量計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。隨著磁感應(yīng)強度增加,凝固冷卻速率G×V值先減小后增大,當B=0.1T時,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f=5Hz時,GxV值最大。當B=0.1T和f=5Hz,凝固晶粒度最小。4.低頻脈沖磁場細化機理模型及工業(yè)應(yīng)用分析(1)強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,說明低頻脈沖磁場對金屬凝固熱力學(xué)影響可不計。(2)建立了不考慮焦耳熱影響的脈沖磁場枝晶破碎細化機理模型。脈沖磁場細晶機理歸根于脈沖磁場瞬時電磁力極值特性增加了枝晶破碎概率,同時脈沖磁場作用下熔體運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,單位時間獲得的等軸晶數(shù)目N為：Nt=Nd·Φ(M),(3)基于枝晶破碎機理,提出脈沖磁場細晶技術(shù)的連鑄工業(yè)化方案。利用模型計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)強度值分別為0.0845T、0.122T和0.182T。
【關(guān)鍵詞】：低頻脈沖磁場 細化晶粒 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展18-25
• 1.3.1 脈沖磁場下凝固細晶的實驗研究進展19-23
• 1.3.2 脈沖磁場下凝固數(shù)值模擬研究進展23-24
• 1.3.3 小結(jié)24-25
• 1.4 脈沖磁場凝固細晶機理研究進展25-29
• 1.4.1 脈沖磁場下金屬凝固形核研究25-27
• 1.4.2 脈沖磁場促進晶核增值機理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 模型驗證57-59
• 3.5 結(jié)果與討論59-67
• 3.5.1 脈沖磁場下熔體運動形式59-61
• 3.5.2 脈沖作用時間對熔體運動的影響規(guī)律61-63
• 3.5.3 脈沖磁感應(yīng)強度對熔體運動的影響規(guī)律63-64
• 3.5.4 脈沖頻率對熔體運動的影響規(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驗69-71
• 4.2.1 實驗過程69-70
• 4.2.2 實驗結(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 低頻脈沖磁場細化晶粒機理研究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 低頻脈沖磁場細化凝固晶粒模型研究105-113
• 5.3.1 低頻脈沖磁場細化晶粒機理105-110
• 5.3.2 機理模型的討論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 細化晶粒機理與工業(yè)應(yīng)用關(guān)系115-116
• 6.2.1 脈沖磁場細化晶粒機理與連鑄應(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)用施加時機117-122
• 6.4 小結(jié)122-123
• 第7章 結(jié)論123-125
• 參考文獻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】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

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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(自然科學(xué)版);2011年01期

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本文編號：369628