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锰合金粒化成型工艺的研究

作　者: 何华清
导　师: 蔚晓嘉；康国柱
学　校: 太原理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 锰合金粒化成型电磁搅拌数值模型
分类号: TG249.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

电磁搅拌技术是指在电磁场下对液态金属施加电磁力来控制该液体的流动过程,使其打碎、熔断枝晶,增加形核率,从而改善材料的凝固组织和性能。电磁搅拌技术在钢铁行业已经得到广泛的应用,但在铁合金行业还需开展研究。锰合金铸造冷却后易裂、难成型,在现代锰产品的加工工艺里要经过多道复杂的工序,由于锰的易碎性,在大块锰经过破碎工序时,伴随有15%锰粉末产生,再回收时要耗能,不符合节能减排的要求。而锰合金在液态和半固态下,施加机械振动、压力、电磁搅拌等工艺,能有效的改变铸锭的宏观结构和显微组织。本文通过对铸锭结构和显微组织的对比着重研究了以下几方面内容。首先,用软磁材料直流测量仪对锰合金中中碳锰、低碳锰、金属锰磁性能参数进行了测量,测量结果表明,锰合金为弱磁性材料,且材料饱和磁感应强度随着含碳量的增加而加强。其次,根据电磁场理论,建立了电磁搅拌器的二维仿真模型,并通过Ansoft有限元分析软件模拟出模型内的磁感应强度大小和磁场区域分布范围。在此基础上,分析二维模型参数的改变对磁感应强度大小和磁场区域分布范围的影响程度,得出电磁搅拌器的主要影响因素是：频率和电流。同时,采用自制磁感应强度测量计测量出的电磁搅拌器腔体内磁感应强度表明,模型仿真值与实际测量值一致。最后,通过铸锭裂纹个数、开裂温度等宏观指标和显微组织对比可知：机械振动能细化晶粒,但铸锭不能成型；加压凝固在一定程度上可以细化晶粒和改变晶粒边界形状,使锰合金基本成型；锰合金熔液凝固时施加电磁搅拌不但能细化晶粒,改变晶粒边界形貌,而且得到了球状晶粒；在锰合金液体即将进入铸型之前,对其液体施加电磁搅拌,电磁力使即将凝固的锰合金熔液产生涡流运动,观察铸锭显微组织发现,出现了部分球状和大量圆弧边界的晶粒,并且晶粒数目百倍增长。综合对比锰合金四种粒化成型工艺可知,对即将进入铸型之前的锰合金熔液施加电磁搅拌的加工工艺最具有实际可行性。本次实验中随着搅拌输入电流的增大,搅拌作用加强,锰合金晶粒结构更加致密；电源输出频率与电磁搅拌有效功率存在一个适宜的范围。对中碳锰和金属锰合金而言,搅拌频率选择50Hz效果较佳,低碳锰合金频率在30Hz为宜。理论推导可知,选择较少极对数的通电线圈,可以增加旋转磁场的转速,且旋转磁场的磁力线也可更好地贯穿到腔体中心,极对数P=1时为宜。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-16
  1.1 引言  11
  1.2 电磁搅拌技术的发展及意义  11-12
    1.2.1 电磁搅拌技术在国外的发展  11-12
    1.2.2 电磁搅拌技术在国内的发展  12
    1.2.3 电磁搅拌技术的意义  12
  1.3 电磁搅拌技术的发展前景  12-13
  1.4 锰合金概述  13-14
  1.5 本课题的研究过程  14-16
第二章电磁铸造凝固理论  16-22
  2.1 铸造理论  16
  2.2 凝固理论  16-18
  2.3 电磁理论  18-21
    2.3.1 材料凝固过程使用的电磁场  18
    2.3.2 电磁场对凝固组织的影响  18-19
    2.3.3 电磁力的计算  19-21
  2.4 凝固组织评价指标  21-22
第三章锰合金电磁搅拌设备的数值模型  22-47
  3.1 锰合金磁性能的研究  22-30
    3.1.1 材料磁性能的测量方法  22-23
    3.1.2 锰合金磁性能的测量  23-30
  3.2 电磁搅拌数值模拟  30-44
    3.2.1 有限元分析法  30
    3.2.2 Ansoft  30-31
    3.2.3 有限元分析的边界条件  31-32
    3.2.4 涡流分析理论  32-34
    3.2.5 基于MAXWELL 2D电磁场模拟  34-44
  3.3 电磁搅拌设备腔体内磁感应强度的测量  44-46
  3.4 本章小结  46-47
第四章实验结果和影响因素分析  47-67
  4.1 振动对锰合金成型的影响分析  47-48
    4.1.1 实验材料  47
    4.1.2 实验设备及方法  47-48
    4.1.3 实验结果与分析  48
  4.2 压力对锰合金成型的影响分析  48-51
    4.2.1 实验材料  48
    4.2.2 实验设备及方法  48-49
    4.2.3 实验结果与分析  49-51
  4.3 末态电磁搅拌对锰合金成型的影响分析  51-53
    4.3.1 试验设备  51-52
    4.3.2 实验材料及方法  52
    4.3.3 实验结果与分析  52-53
  4.4 对液态锰合金电磁搅拌的影响分析  53-64
    4.4.1 试验原料及试验设备  53-54
    4.4.2 实验方案与实验结果  54-57
    4.4.3 中碳锰凝固组织影响因素分析  57-60
    4.4.4 低碳锰凝固组织影响因素分析  60-62
    4.4.5 金属锰凝固组织影响因素分析  62-64
  4.5 影响因素分析  64-66
    4.5.1 电源电流和搅拌功率的影响  64
    4.5.2 电源频率的影响  64-65
    4.5.3 极对数的影响  65-66
  4.6 小结  66-67
第五章结论  67-69
参考文献  69-73
致谢  73-75
攻读学位期间发表的学术论文  75

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