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电磁铸造铝板坯的凝固过程和变形控制研究

李朝霞

  电磁铸造是电磁流体力学与铸造工程相结合而产生的一种新颖的铸造技术,是生产优质铝板坯的极有前途的工艺方法。目前,电磁铸造铝板坯要解决其工艺过程稳定性和变形问题。半悬浮金属液柱的高度、形状和稳定性等成型特性的控制是电磁铸造技术的关键。本文根据模糊系统的模糊规则和神经网络的自学习和自适应机制,应用模糊神经网络,处理电磁铸造过程中工艺参数的电信号,实现液柱高度的在线预报和控制。结果表明,由于神经网络的预测实时性和灵敏性更高,与传统的控制方法相比,基于神经网络的控制使得液柱高度更加平稳,电磁铸造工艺过程因而更加稳定,铸锭的表面质量得到显著改善。由于各部分冷却条件的差异,板坯在电磁铸造各个阶段会发生不同的变形,严重影响其尺寸精度。在起始段,板坯底部会发生翘曲变形,需要被切割,也严重影响其后工艺过程的稳定性;在稳态段,板坯宽面会产生不均一的凹陷变形,宽面中心的凹陷量最大,使横截面不平直,在压力加工前需要铣面。这些变形缺陷既增加了加工工序,又浪费了材料,降低了生产率和金属收得率,给板坯的工业生产带来很多时间上和经济上的损失,是目前急待解决的难题。本文首先从提高金属收得率和稳定工艺过程的角度出发,探讨了减小板坯底部翘曲变形的工艺措施。对板坯宽面变形机理的研究是实现提高板坯平直度的关键。本文通过大量实验研究和理论分析探索了宽面凹陷的形成机制,并全面系统地研究了工艺参数如浇注温度、冷却水量、喷水孔距等对板坯变形的影响,探索板坯的变形与其凝固阶段温度场的关系及其控制方法,并通过采用不同冷却边界条件的水套,研究边界条件对铸锭温度场和变形的影响。结果表明,浇注温度对宽面凹陷度的影响不大,而冷却强度、铸造速度和板坯的宽厚比的影响较大,板坯的凝固进程直接影响其成形及冷却后的外形轮廓,宽面均匀的凝固进程使板坯的平直度提高。数值模拟可以省时、省力、经济地进行电磁铸造的质量预测、工艺参数优化等等。电磁铸造铝板坯温度场的数值模拟具有很多其独有的特征和需要解决的问题,如计算空间不断扩展,传热和传质同时进行、感应热效应的处理等等。本文详细探讨了电磁铸造温度场数值模拟的计算模型及各种工艺参数对温度场的影响,为电磁铸造工艺参数的设计提供了良好的参考信息。本文根据板坯变形的形成机理,提出了计算板坯起始段翘曲变形和稳态段凹陷变形的简化计算模型,模拟了工艺条件对变形的影响,为实际生产中优化工艺参数提供了参考依据。多层前馈神经网络具有良好的拟合数据的能力,本文利用BP网络,以积累的实验数据作为学习样本训练网络后,预测不同工艺条件下板坯宽面的变形量,结果证明这个方法简单可靠。本文还探讨了利用神经网络控制变形的方法和思路。……   
[关键词]:电磁铸造;板坯;温度场;变形;人工神经网络
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:大连理工大学2002年