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　　研究背景
　　与铸造镁合金相比，变形镁合金具有更好的力学性能和更广泛的应用前景，近年来其研究和应用受到广泛关注。作为材料形变的重要前提，铸造锭坯冶金质量的优劣直接影响材料形变行为以及使役性能。传统半连铸工艺制备的镁合金锭坯存在晶粒粗大、组织不均、偏析、氧化夹杂严重等问题，施加电磁场可有效改变凝固行为并显著改善凝固过程的流场与温度场，从而有效调控糊状区和液穴形状，达到细化凝固组织、抑制偏析、降低裂纹趋势、改善锭坯表面质量等效果。但实践表明，传统电磁铸造的工艺窗口较窄，其作用效果极大受限于工业现场的作业条件，导致电磁作用与冷却条件难以良好匹配，作用效果不理想。因此，探索新型电磁场在镁合金半连续铸造的应用以及作用效果与机理，以进一步提高镁合金铸造锭坯的冶金质量具有十分重要的现实意义。
　　东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室乐启炽教授课题组镁合金电磁铸造理论与技术研究有近20年的积淀，其具有自主知识产权的镁合金低频电磁铸造技术已经在全行业得到推广应用。在工业应用经验总结的基础上，近年来课题组在新型电磁设计及其在镁合金半连铸中的应用方面持之以恒开展研究，开发出了新型差相振荡电磁铸造技术，以进一步提升镁合金锭坯的冶金质量与稳定化水平。这将为工业电磁半连铸电磁场发生系统的设计以及锭坯铸造工艺参数的优化提供指导。
　　内容摘要
　　本文基于多物理场耦合数值模拟方法，研究了不同电磁参数下，直径Φ300mm的 AZ80镁合金圆坯差相电磁DC铸造过程中的电磁分布、熔体流动及传热行为。结果表明，电流强度增加只改变洛伦兹力大小，而并不改变洛伦兹力的分布特点；洛伦兹力最大值随电流强度的增加呈线性增加；随着频率的增加，洛伦兹力r方向分量基本保持不变，z方向分量略有减小。电流强度变化与熔体振荡、对流强度及温度分布均匀性呈正相关，但这并不意味着电流越大，铸坯的冶金质量越好。此外，较低的频率有利于产生更显著的熔体流动和速度波动，有利于形成更均匀的温度场。对于直径Φ300mm的AZ80镁合金铸坯差相振荡电磁半连续铸造，电流强度选择80~100A，频率选择10~20Hz为宜。
　　研究方法和结果
　　本文所报道的研究工作基于磁-流-热多物理场瞬态耦合数值计算模型和不同电磁参数（电流强度和频率）下的实测电流数据，系统研究了电磁参数对直径Φ300mm的AZ80镁合金圆锭半连铸过程中洛伦兹力、流场和温度场的影响规律。图1所示为一个磁场周期内 c 点洛伦兹力r方向分力（Fr）和洛伦兹力z方向分力（Fz）的变化表明，随着电流强度的增加，洛伦兹力变化趋势相同，其 r方向分力的大小和方向均不断变化，且指向熔体内部（?r）的洛伦兹力远大于指向边部（+r）的力，而z方向的力仅大小不断变化，方向始终指向液穴内部。电流强度的增加只是改变了洛伦兹力大小，并没有改变其变化规律，其最大值呈线性增加。

　　图2给出了不同电流强度下，铸造稳定阶段的温度场，主要体现了糊状区的温度梯度，其中，蓝色区域为固相区。可见，随着电流强度的增加，内部熔体温度不断降低，中心低温区面积增加，边部较高温度区域面积逐渐减小，液穴深度逐渐降低，分别为 60.5（40A）、45.4（60A）、35.9（80A）、29.7（100A）和 27.4mm（120A）。这是由于洛伦兹力促使熔体环流增加，加速中心高温熔体向边部的转移，而边部的高冷却速度使熔体温度迅速降低，部分低温熔体随环流继续转移至中心区域，使中心温度不断降低。随着电流强度增加，这种熔体转移能力增强。

　　图3中洛伦兹力随时间的变化表明，随着频率的增加，指向液穴中心的洛伦兹力r方向分量大小无明显变化，而指向结晶器壁面的洛伦兹力最大值逐渐增加，且z方向分量远小于r方向分量。频率增加，最大洛伦兹力逐渐减小，从 10Hz 时的3212 N?m-3 降低至 40Hz 时的778 N?m-3。一个磁场周期内，洛伦兹力第一个上升和下降区间内，洛伦兹力r方向分量远大于z方向分量，此后的时间内z方向分量大小并无明显变化。

　　进一步分析不同频率下，靠近结晶器内壁c点处熔体的速度变化发现，频率越低，熔体速度越大，这与洛伦兹力的变化趋势一致，如图4所示。速度最大值和波动幅值随频率的变化表明，在较低频率（<30 Hz），最大速度随频率的增加而减小；当频率从10 Hz增加到20 Hz时，速度的振荡幅度减小。当频率进一步增大时，速度的振荡幅度基本保持不变。

　　如图5所示，施加不同频率时，稳定铸造阶段的温度场，主要给出了糊状区的温度梯度，其中蓝色区域为固相区。可见，相较于电流强度变化引起温度场变化，频率改变导致的熔体温度分布的变化并不显著。随着频率的增加，液穴深度和中心高温区面积略有增加，相较于边部区域，中心的温度变化更明显。

　　综上，随着电流强度的增加，液穴内熔体沿锭坯径向的散热加强，内部熔体会快速降至液相线温度以下，液穴深度逐渐降低。当电流强度大于100A时，液穴中心熔体温度进一步降低，而边部的温度略有升高，中心和边部熔体温差在70~80A时达到最小；施加差相振荡电磁场时，频率对洛伦兹力的影响较小。随着频率的增加，熔体最大流速和速度振荡幅度逐渐减小（10~30Hz），最后基本保持不变（30~40Hz）。液穴中心熔体温度对频率的变化更敏感，较低频率时可获得更强的熔体对流和振荡效果，有利于获得均匀的温度场。对于差相振荡电磁铸造，通过电流强度的调节使液穴边部获得均匀的温度分布后，可进一步调节频率参数，从而获得更加均匀的径向温度分布。
　　乐启炽教授课题组
　　东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室镁合金研究团队以乐启炽教授为主导，主要从事镁合金凝固与铸造、镁合金塑性变形、新型变形镁合金开发等方面的研究。近年来在国家科技部和自然科学基金委各层面项目支持下，在镁合金外场凝固与半连续铸造、镁合金板材/卷轧制、高挤压塑性镁合金开发、镁合金电化学行为与应用等领域取得一系列具有自主知识产权的重要研究成果，并在技术成果产业化应用和校企合作研究中稳步推进，促进了行业技术进步与效益提升。团队现有固定研究人员8名，其中5名具有博士学位，4名具有高级职称，在读博士与硕士研究生40余名。
　　团队在电磁与超声外场凝固理论探索基础上形成的半连续铸造系列技术，在镁合金坯料高质量调控应用中效果显著，同时也在铜和铝等其他有色合金制备应用中取得重要进展，已授权国家发明专利70余项，并在行业中实现了镁合金圆坯和扁坯制备技术的全规格应用推广，创造了良好的社会与经济效益。针对传统低频电磁铸造存在的工艺效果局限性以及稳定性问题，团队通过近五年的努力，在组合场振荡铸造理论研究与半连续技术与工艺装备成套开发上取得了新进展，为镁行业变形坯料制备技术与装备的升级改造提供了新的解决方案。此外，团队近年来还在镁合金轧制变形理论模型以及高精度宽幅板卷近恒温轧制工艺技术、新型高成形性镁合金开发与应用、镁合金复合材料及其制备技术、镁合金抗高温氧化、镁空气电池等方面的研究中也取得了重要进展。
来源：铸造杂志
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