CN110135073A - 一种超高强铝合金脉冲电流调控铸轧模拟方法 - Google Patents
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Abstract
一种超高强铝合金脉冲电流调控铸轧模拟方法，涉及一种铸轧模拟方法，包括以下步骤：现场收集铸轧过程的电脉冲技术参数；现场收集铸轧过程和熔体凝固区域的各项工艺参数；根据单元网格的划分建立有限元三维动态铸轧模型；结合电磁感应特性，模拟熔体凝固区流变及电磁感应搅拌；获得不同的铸轧工艺参数下的电磁搅拌强度，并模拟计算出流变区域熔体的温度变化差异；得出凝固界面处熔体能够流动的临界固相率；改变铸轧过程的电脉冲技术参数；模拟在脉冲调控下铸轧合金流变情况及电磁感应分布状况；本发明模拟方法在不同规格下的铝合金板坯及其设备和技术参数优化中的应用，适用于超高强铝合金熔体电流调控的铸轧过程及符合使用条件的板坯产品。
Description
技术领域
本发明涉及一种超高强铝合金脉冲电流调控铸轧模拟方法，特别是涉及一种铸轧模拟方法。
背景技术
超高强铝合金的添加元素，主要是以金属镁、锌和铜及少量铬、锰和钛等组成。室温强度可高达600~800Mpa，是目前强度最高的一种铝合金。该合金作为航空航天、轨道交通及民用汽车等领域中大型结构件轻量化中常用的基础材料，已广泛使用。锌和镁是主要强化元素，铜起补充强化作用并提高抗应力腐蚀性，锰和铬可提高人工时效强化效果。因而合金元素的总含量可达13%以上。可见，该合金系组元多、组分高等特点，导致其凝固温差大且极易产生偏析等缺陷。严重时，产品出现组织分层、失效等。控制凝固过程的合金元素扩散及均匀分布、是优化产品结构和提高其性能主要手段。
超高强铝合金板的常规铸造-热轧开坯-热连轧工序，存在生产成本高、控制困难、严重偏析和环境污染等多缺点；常规铸轧工艺存在板坯组织偏析、技术难度较大等缺陷等。因而在铸轧过程中引入脉冲电流，可有效地控制及提高合金元素扩散能力、细化凝固组织和优化改善板坯机械性能。由于脉冲电流具有强振荡、环保、可再生等优势，可作为铸轧机连续生产的设备附件，使得超高强度铝合金的板坯产品在众多技术领域中发挥更加重要作用。
固相率是固液两相区内固相区域在总凝固区域的占比，是判断合金熔体内部收缩流动能力的指标。一般认为铸轧过程固相率达到10%以上，凝固收缩时熔体没有流动能力。在电磁搅拌的作用下，熔体流动能力大为提高，扩散充分且组织得到细化。因而强烈的电磁搅拌可以影响到板坯横截面全部区域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高强铝合金脉冲电流调控铸轧模拟方法，本发明为铝合金熔体铸轧过程脉冲电流的电磁感应的模拟方法，该模拟方法在不同规格下的铝合金板坯及其设备和技术参数优化中的应用，适用于超高强铝合金熔体电流调控的铸轧过程及符合使用条件的板坯产品。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种超高强铝合金脉冲电流调控铸轧模拟方法，所述模拟方法包括以下步骤：现场收集铸轧过程的电脉冲技术参数；现场收集铸轧过程和熔体凝固区域的各项工艺参数；将凝固区域划分单元网格；利用有限元仿真软件基于各项工艺参数进行三维有限元分析，根据单元网格的划分建立有限元三维动态铸轧模型；结合电磁感应特性，模拟熔体凝固区流变及电磁感应搅拌；获得不同的铸轧工艺参数下的电磁搅拌强度，并模拟计算出流变区域熔体的温度变化差异；得出凝固界面处熔体能够流动的临界固相率；改变铸轧过程的电脉冲技术参数；模拟在脉冲调控下铸轧合金流变情况及电磁感应分布状况；
通过上述有限元模拟电磁感应的铸轧方法，针对具有不同脉冲电流参数的电磁感应模拟和临界固相率变化情况，进行电脉冲参数优化；并由此改善凝固过程的熔体局部流动情况，提高合金元素的扩散能力，减低了板坯不同区域处合金元素偏析程度并改善了板坯芯部的偏析缺陷。
所述的一种超高强铝合金脉冲电流调控铸轧模拟方法，所述脉冲调控铸轧特性包括超高强铝合金材料特性、电流分布特性、电磁感应分布特性、以及铸轧速度特性。
所述的一种超高强铝合金脉冲电流调控铸轧模拟方法，所述通过模拟得到的熔体能够流动临界固相率差异所确定的板坯尺寸参数；以这种方式，通过调整脉冲电流脉冲频率、占空比及脉冲电流强度，可以有效控制熔体凝固过程的电磁感应强度及分布；通过调整铸轧速度，调控熔体热流变状况，配合电磁搅拌强度，提高凝固区熔体能够流动的临界固相率，进而提高合金元素扩散能力，降低偏析缺陷。
所述的一种超高强铝合金脉冲电流调控铸轧模拟方法，所述脉冲电流引入装置是成型铝合金铸轧板坯尺寸的关键部件，脉冲电流波形与电流峰值强度对于细化合金组织、均匀化合金成分以及保证铸轧板坯质量和性能起到至关重要的作用；引入装置具有圆形横截面和圆柱形本体，所述脉冲电流引入装置根据上述脉冲电磁铸轧模拟方法获得的电磁感应的分布来确定引入位置。
所述的一种超高强铝合金脉冲电流调控铸轧模拟方法，所述铸轧过程脉冲引入合金熔体凝固区的装置，其中，所述脉冲电流引入装置侧表面涂有氮化硼陶瓷绝缘膜，所述脉冲电流引入装置芯部具有弧形倒角。
所述的一种超高强铝合金脉冲电流调控铸轧模拟方法，所述脉冲电流引入装置的横截面直径3mm。
所述的一种超高强铝合金脉冲电流调控铸轧模拟方法，所述方法应用于超高强铝合金铸轧板坯，根据上述脉冲电流引入装置和上述的电磁调控铸轧模拟的优化条件来成型。
本发明的优点与效果是：
1.本发明通过建立三维电磁调控铸轧模型，大大降低了铸轧生产实物验证的成本；
2.本发明通过引入合适波形及电流强度的电脉冲，明显改善高强铝合金铸轧板坯内部质量及使用性能，适合上述各领域中作为基础材料的使用条件；
3.本发明通过调整脉冲引入装置的材质及形状，改善熔体凝固过程的电磁感应状况。板坯成品适合大批生产；
4.本发明易于实现，对现有的铸轧过程没有影响，可以广泛应用于现有的各种铝合金材料的铸轧生产，及热处理后加工等工序。
附图说明
图1为根据本发明的一种脉冲电流引入方式及装置的俯视图；
图2为根据本发明的一种脉冲电流引入方式及装置的示意图。
图中：标号1为轧辊冷却水；2为铸轧辊；3为铸轧板产品；4为电极；5为铸轧嘴侧封；6为铸轧绝热板；7为脉冲电源；8为铝合金熔体浇铸入口；9为熔体静置容器；10为铸轧机机架。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。
本发明针对超高强铝合金铸轧板坯技术和产品质量进行改进，提高板坯成型凝固中熔体临界流动固相率，进而改善偏析、细化组织、提高合金产品的质量和性能。
为此，本发明的一个方面，提供一种7075超高强铝合金的脉冲电流铸轧板坯的模拟方法。其中所述模拟方法包括以下步骤：现场收集铸轧过程的电脉冲技术参数；现场收集铸轧过程和熔体凝固区域的各项工艺参数；将凝固区域划分单元网格；利用有限元仿真软件基于各项工艺参数进行三维有限元分析，根据单元网格的划分建立有限元三维动态铸轧模型；结合电磁感应特性，模拟熔体凝固区流变及电磁感应搅拌；获得不同的铸轧工艺参数下的电磁搅拌强度，并模拟计算出流变区域熔体的温度变化差异；得出凝固界面处熔体能够流动的临界固相率；改变铸轧过程的电脉冲技术参数；模拟在脉冲调控下铸轧合金流变情况及电磁感应分布状况。
通过上述有限元模拟电磁感应的铸轧方法，针对具有不同脉冲电流参数的电磁感应模拟和临界固相率变化情况，进行电脉冲参数优化。并由此改善了凝固过程的熔体局部流动情况，提高了合金元素的扩散能力，减低了板坯不同区域处合金元素偏析程度并改善了板坯芯部的偏析缺陷。
在某些优化实施的方式中，所述脉冲调控铸轧技术特性包括超高强铝合金材料特性、电流分布特性、电磁感应分布特性、以及铸轧速度特性。通过模拟得到的熔体能够流动临界固相率差异所确定的板坯尺寸参数。以这种方式，通过调整脉冲电流脉冲频率、占空比及脉冲电流强度，可以有效控制熔体凝固过程的电磁感应强度及分布；通过调整铸轧速度，调控熔体热流变状况，配合电磁搅拌强度，提高凝固区熔体能够流动的临界固相率，进而提高合金元素扩散能力，降低偏析缺陷。
脉冲电流引入装置是成型铝合金铸轧板坯尺寸的关键部件，脉冲电流波形与电流峰值强度对于细化合金组织、均匀化合金成分以及保证铸轧板坯质量和性能起到至关重要的作用。
根据本发明的另一方面，提供铸轧过程一种脉冲引入合金熔体凝固区的装置。其中，所述引入装置具有圆形横截面和圆柱形本体，所述脉冲电流引入装置根据上述脉冲电磁铸轧模拟方法获得的电磁感应的分布来确定引入位置。
在某些优选实施方式中，所述脉冲电流引入装置侧表面涂有氮化硼陶瓷绝缘膜，所述脉冲电流引入装置芯部具有弧形倒角。优选，所述脉冲电流引入装置的横截面直径3mm。
根据本发明的另一方面，还提供了一种超高强铝合金脉冲电磁调控下的铸轧板坯，其中，所述超高强铝合金铸轧板坯根据上述的脉冲电流引入装置和上述的电磁调控铸轧模拟的优化条件来成型。
为优化铸轧过程铸轧引入的电脉冲技术参数，避免板坯组织偏析和晶粒粗大等缺陷，改善铸轧板坯产品的质量和使用性能，本发明提供了一种脉冲电流调控的铸轧模型，用来确定超高强铝合金铸轧板坯的参数设计过程。在本发明的超高强铝合金的脉冲电磁铸轧板坯的模拟方法中。依据生产现场收集铸轧过程的电脉冲技术参数；同时收集铸轧过程和熔体凝固区域的各项工艺参数。分别考虑超高强铝合金材料特性、电磁感应及分布特性、以及铸轧速度特性。针对凝固区网格单元的划分规则对铸轧结果的影响建立有限元三维脉冲电流铸轧模型。结合电磁感应特性，模拟熔体凝固区流变及电磁搅拌；并模拟计算流变区域熔体的温度变化差异；得出凝固界面处熔体能够流动的临界固相率；并用该模型模拟铸轧过程的不同的电脉冲技术参数；从而根据电磁感应和分布调整铸轧速度，有效提高合金凝固过程的扩散能力，改善偏析。
图1为根据本发明的一种脉冲电流引入方式及装置的俯视图；图2为根据本发明的一种脉冲电流引入方式及装置的示意图。图1中，标号1为轧辊冷却水；2为铸轧辊；3为铸轧板产品；4为电极；5为铸轧嘴侧封；6为铸轧绝热板；7为脉冲电源；8为铝合金熔体浇铸入口。图2中，标号1为轧辊冷却水；2为铸轧辊；3为铸轧板产品；4为电极；6为铸轧绝热板；7为脉冲电源；8为铝合金熔体浇铸入口；9为熔体静置容器；10为铸轧机机架。
铸轧辊2、铸轧嘴侧封5和铸轧绝热板6共同用于铝合金熔体流变成型铸轧板产品3，铝合金熔体通过铸轧辊冷区水1的冷却作用首先在铸轧辊2表面处凝固，随时间凝固层快速变厚直至板坯产品3成型。根据本发明，无需更改现有铸轧装置和浇铸过程，通过三维脉冲电流调控铸轧模拟的结果，铸轧嘴侧封5改进为侧封尖端加工通孔并***电极4，直接接触熔体端的所述电极4略突出于侧封5内表面，所述电极侧表面涂有BN绝缘涂层。所述电极4另一端通过导线直接连接脉冲电源7。在优选实施方式中，脉冲电源7产生的脉冲电流的波形、电流强度和所述铸轧辊2的转速等为可变工艺参数。以这种方式，本发明能够在现有铸轧机设备的基础上，仅需适当地调整所述的铸轧工艺参数，即可在铸轧过程引入所需脉冲电流，在熔体内产生强电磁振荡效果。进而提高合金元素的扩散能力，降低铸轧板坯内部合金元素的偏析程度，直至消除偏析缺陷、细化板坯组织。因此，本发明的脉冲电流引入方式能够根据需要，灵活调整电流参数，铸轧不同规格和牌号的超高强度铝合金，大大提高了铸轧产品的质量和效率，大幅度节约铸轧成本。
本发明通过建立三维电磁调控铸轧模型，结合电磁感应分布情况得到最优化的脉冲技术参数和铸轧工艺参数。进而改进现有的铸轧设备来改善合金板坯内部偏析缺陷，提高合金板坯的质量和性能。本发明大大降低了铸轧生产实物验证的成本；易于实现，对现有的铸轧过程没有影响，可以广泛应用于现有的各种铝合金材料的铸轧生产，及热处理后加工等工序。
以上描述了本发明的基本原理、主要技术特点和技术优势。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本领域的技术人员可以对上述公开的技术特征和实施例作各种变化和改进，但都落入本发明的保护范围。上述实施方式的描述是例示性的而不是限制性的，本发明的保护范围由权利所要求确定。
Claims (4)
1.一种超高强铝合金脉冲电流调控铸轧模拟方法，其特征在于，所述模拟方法包括以下步骤：现场收集铸轧过程的电脉冲技术参数；现场收集铸轧过程和熔体凝固区域的各项工艺参数；将凝固区域划分单元网格；利用有限元仿真软件基于各项工艺参数进行三维有限元分析，根据单元网格的划分建立有限元三维动态铸轧模型；结合电磁感应特性，模拟熔体凝固区流变及电磁感应搅拌；获得不同的铸轧工艺参数下的电磁搅拌强度，并模拟计算出流变区域熔体的温度变化差异；得出凝固界面处熔体能够流动的临界固相率；改变铸轧过程的电脉冲技术参数；模拟在脉冲调控下铸轧合金流变情况及电磁感应分布状况；
通过上述有限元模拟电磁感应的铸轧方法，针对具有不同脉冲电流参数的电磁感应模拟和临界固相率变化情况，进行电脉冲参数优化；并由此改善凝固过程的熔体局部流动情况，提高合金元素的扩散能力，减低了板坯不同区域处合金元素偏析程度并改善了板坯芯部的偏析缺陷。
2.根据权利要求1所述的一种超高强铝合金脉冲电流调控铸轧模拟方法，其特征在于，所述脉冲调控铸轧特性包括超高强铝合金材料特性、电流分布特性、电磁感应分布特性、以及铸轧速度特性。
3.根据权利要求1所述的一种超高强铝合金脉冲电流调控铸轧模拟方法，其特征在于，所述通过模拟得到的熔体能够流动临界固相率差异所确定的板坯尺寸参数；以这种方式，通过调整脉冲电流脉冲频率、占空比及脉冲电流强度，可以有效控制熔体凝固过程的电磁感应强度及分布；通过调整铸轧速度，调控熔体热流变状况，配合电磁搅拌强度，提高凝固区熔体能够流动的临界固相率，进而提高合金元素扩散能力，降低偏析缺陷。
4.根据权利要求1所述的一种超高强铝合金脉冲电流调控铸轧模拟方法，其特征在于，所述脉冲电流引入装置是成型铝合金铸轧板坯尺寸的关键部件，脉冲电流波形与电流峰值强度对于细化合金组织、均匀化合金成分以及保证铸轧板坯质量和性能起到至关重要的作用；引入装置具有圆形横截面和圆柱形本体，所述脉冲电流引入装置根据上述脉冲电磁铸轧模拟方法获得的电磁感应的分布来确定引入位置。
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