【摘 要】
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高纯铝因其优良的性能在现代工业中得到广泛的运用,高纯铝发展的关键在铝的提纯技术。目前,大部分生产企业仅为单纯引进国外生产线,对技术开发投入较少,理论研究方面,国内对高纯铝的纯化整体过程及机制研究尚不完善。本文从液态金属凝固原理和有限元模拟原理等基本理论入手,构建了高纯铝定向凝固过程的模拟模型,利用有限元模拟软件ProCAST进行数值模拟研究,并通过上引式定向凝固炉对高纯铝的定向凝固过程进行实验研究
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高纯铝因其优良的性能在现代工业中得到广泛的运用,高纯铝发展的关键在铝的提纯技术。目前,大部分生产企业仅为单纯引进国外生产线,对技术开发投入较少,理论研究方面,国内对高纯铝的纯化整体过程及机制研究尚不完善。本文从液态金属凝固原理和有限元模拟原理等基本理论入手,构建了高纯铝定向凝固过程的模拟模型,利用有限元模拟软件ProCAST进行数值模拟研究,并通过上引式定向凝固炉对高纯铝的定向凝固过程进行实验研究。通过自行构建的模拟模型成功模拟了高纯铝的定向凝固过程,并通过实验验证了模拟模型的准确性。通过模拟和实验研究了高纯铝提纯凝固过程中的工艺参数对铝铸锭的轴向浓度分布、径向浓度分布、组织形貌等的影响进行了研究。得出了以下结论:（1）模拟模型为实现高纯铝定向凝固的过程,可以采用坩埚外壁变换热系数自定义函数实现。能够高度近似高纯铝定向凝固提拉过程中炉内保温,结晶器降温和炉外降温的过程。（2）当界面以平直界面缓慢推进时,其理论提纯效果最好,但实验和模拟结果都表明,由于初期边缘散热条件优于心部,以及凝固中后期,已凝固部分的散热作用提升,提拉过程很难保持平界面。只能通过计算和实验,以适当的提拉速度进行提拉,尽量使固液界面保持较大的过冷度。（3）不同的初始温度对铸锭的浓度分布,主要是凝固初期k>1的元素的分布有很大影响。不适宜的初始温度会影响凝固初期固液界面前沿的温度梯度,进而对铸锭最终的杂质富集效果产生影响。（4）通过模拟和实验研究,发现在本研究对象尺寸中,最佳工艺参数应当为,初始温度700℃,搅拌强度6rad/s,提拉速度0.0005m/s。通过实验与模拟研究发现,铸锭内溶质的径向分布与搅拌强度密切相关,当搅拌强度为6rad/s时,铸锭内溶质的径向分布均匀程度最高。（5）实验研究发现铸锭内组织形态与溶质分布有密切关系,凝固初始时的晶粒主要为柱状晶为主,轴心部位由于过冷度较边缘小,因此晶粒尺寸较大。随着凝固过程进行,晶粒长大,直到凝固的末期,晶粒主要变为等轴晶。
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