（材料加工工程专业论文）双流低频电磁半连续铸造7075铝合金的工艺研究.pdf

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i n g o t sc a s t i n gu i l d e r1 0 w 矗e q u e i l c y e l e c t r 0 m a g n e t i c6 e l d ，w l l i c hi s ai n d u s t r i a l i z a t i o n p r o j e c t ，i s t o s t u d ye 日e c t s o fm e a r r a n g 锄e n to ft h ei n d u c t o rc o i l s ，m ed i r e c t i o no fm ec o i l 饥盯e n t ，m ec a s t i n gp a r a m e t e r sa 1 1 d m a g n e t i cc o n d i t i o n so nm es 仃u c t u r e so f7 0 7 5a la l l o yi n g o t s ，m ee 舵c t so fm ec a s t i n g p a r 锄e t e r s ，c o n s t n l c t i o no ft l l em o l da n dm ei n s u l a t i n gh a to nm es u r f a c eq u a l i t yo fm e i n g o t st of o r c e 锄st e d m i q u eu s e di ni n d u s t r i a l i z a t i o n t h r e e - d i m e n s i o n a lf i i l i t ee l e i i l 肌tm o d e lo fd u a l - i n g o tl o w 丘e q u e n c ye l e c 仃d m a 印e t i c s e m i - c o n t i m l o u sc a s t i n gp r o c e s sw 嬲b u i l t n u m 嘶c a ls i i i m l a t i o no nm ee 岱：c t so f l ec u 盯e n t d i r e c t i o n ，m ed i s t a n c eo fc o i l s ，m e 伽咪m tf k q u e n c y ，a n dm e 伽i n ? e n ti i l t e n s i 够o nt l l e m a g n e t i cf i e l dd i s 仃i b u t i o nw a sc 删e do u t t h er e s u l t ss h o w st 1 1 a tw h e nt h e 吼u t e l l td i r e c t i o n i so p p o s i t e ，l em a 盟e t i cn e n s i t y 洫i n g o t sn e a re a c ho t l l e ri ss 仃o n g e r l a l lm a ti i l l es 锄e d i r e c t i o n ，a i l dw h e ni n c r e a s i n gm ed i s t a n c eb e 铆e e nt 1 1 ec o i l s ，m em a 印e t i ci n d u c t i o n i n t e n s i t yo f l ep r o x i m a li n g o t si s 孕a d u a l l yr e d u c e di nm ed l l a l - i n g o t1 0 w 盘e q u e n c y e l e c 缸0 m 楚皿e t i c s e m i - c o n t i i l _ u o u s c a s t i n gp m c e s s ，u n d e rm ed u a l - i 1 1 9 0 tl o w 五晒e i l c y e l e c 仃o m a 驴e t i cs e m i c o o u sc a s t i n gc o n d i t i o n s ，r e g a r d l e s so f 渊t d n c t i o ni si i lm e s a m ed i r e c t i o no rr e v e r s e ，t 1 1 er e i n o t em a g n e t i cf i e l ds 仃e n g t l li i lm ei i l g o t si s 孕e a t e rm a i lm e p r o x i i l l a lm a 盟e t i cf i e l ds 仃e i l g m t h ee f f e c to fd i 您暂e n tm a g n e t i cf i e l dc o n d i t i o n so nt l l ei n t e m a lm a c r o s 仇l c t u r eo fi n g o t i sv e r i 6 e db yc ) 【p 耐m e n t t h ee x p 幽e n t a lr e s u l t ss h o wt 1 1 a t 孕a i n sa r er e f i 】 1 e da n d h o m o g e n e o u sw h e nm e 丘e q u e n c yo fc o i lc u r r e n ti sa t15 h z - 2 5 h z a st l l ec 删i i l c r e 嬲e s ， f a i n sb e c o m em u c hs m a l l 瓯t h e 黟e a t e rt h ec u r r e n ti s ，t 1 1 ef i n e rm e 伊a i n sb e c o m e u n d e r t 1 1 es 锄ec o l l d i t i o n s ，m em a c r o s 仇l c t u r eo ft l l ei n g o tu n d e rm eo p p o s i t ed i r e c t i o no fc o i l c u r r e n ti ss l i 9 1 l t l y6 n e rm a n l a ti nt h es 锄ed i r e c t i o n t h ei n n u e n c eo fm ec o n s 缸u c t i o no ft l l ei n s u l a t i o nh a ta n dm el n o l do nt l l es u r f a c e q u a l 埘o fi n g o t si ss m d i e d b yi n s p e c t i o n so nm ei 1 1 n u e n c ec a u s t i n gs p e e d ，t l l es i z eo f o v e r h a i l g ，f i r s tc o l di i l t e n s i t ya 1 1 dt 1 1 ed i s t a i l c ef o mm eg r a p l l i t er i n gt os e c o n dw a t e rp o i i l to n t h es u r f a c eq u a l 时，a 1 1 dt h ee 舵c t so ft r i a n g u l a ra r e ac o m p o s e do f o v e r h a i l ga i l d 黟a p l l i t er i n g o nt h es u r f a c eq u a l i t yo fi n g o t ，m eo p t i m u mc o n s t n l c t i o no fi n s u l a t i o nh a t ，t 1 1 em o l da i l d t t t 东北大学硕士学位论文a b s t i a c t p r o c e s sp a r a m e t e r sh a v eb e e no b t a i n e dt h a tc a s t i n gs p e e di sl0 5 1 15 m m m i n ，m ec 0 0 1 i n g w a t e ri s5 5 - 7 0 l m i n ，t h es i z eo fo v e r h a i l gi s4 - 6 1 i l 】【i l ，t h ed i s t 觚c e 舶mb o 钍o mo f 黟a p l l i t e r i n gt ot 1 1 ew a t e rp o i n to fs e c o n dc o o l i n gw a t e ri sa b o u t2 3 m m ，m em i x t u r eo f 黟叩1 l i t e p o w d e ra n dc o c o 硼to i l i sd a u b e di nm et r i a l l g u l a ra r e ac o m p o s e do fo v e r h a i l ga i l d 蓼印1 1 i t e r i n g k e y w o r d s ：d u e l 一i n g o tc a s t i n g ，l o wf r e q u e n c ye 1 e c 们m a 盟e t i cf i e l d ，7 0 7 5a l 啪i n 啪 舢l o 弘n u m 舐c a ls i r 姗1 a t i o n ，s u r f a c eq u a l i t y ，s t m 曲玳 i v 东北大学硕士学位论文 目录 2 3 1 双流低频电磁铸造磁场模型的建立2 4 2 3 2 初始条件和边界条件2 4 2 3 3 分析和讨论2 5 第3 章低频电磁铸造7 0 7 5 铝合金的实验设备与方案3 1 3 1 实验材料3 2 3 2 实验设备3 2 3 3 实验工艺流程3 5 3 4 实验方案3 5 第4 章低频电磁铸造7 0 7 5 铝合金的实验结果与分析3 8 4 1 电磁场对7 0 7 5 铝合金组织的影响3 8 4 1 1 电流频率对铸锭内部质量的影响3 8 4 1 2 电流强度对铸锭内部质量的影响4 0 4 1 3 电流方向对铸锭内部质量的影响4 1 4 2 工艺参数及设备对7 0 7 5 铝合金铸锭表面质量的影响4 2 4 2 1 铸造速度对铸锭表面的影响4 2 4 2 2 不同o v e r h a i l g 大小对铸锭表面的影响4 5 4 2 3 不同一冷强度和与二冷的的间距对铸锭表面的影响4 7 4 2 4 结晶器三角区的不同处理对铸锭表面的影响5 1 4 2 5 低频电磁铸造7 0 7 5 铝合金的最佳铸造工艺及设备5 3 第5 章全文总结5 4 参考文献5 5 致谢6 0 v i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 铝合金及其d c 铸造工艺 铝是地球上储量最多的金属元素，铝及铝合金在生产和生活中应用极为广泛。从日 常用品到高端的仪器、设备，从民用建筑到宇航事业，无一离得开铝及其合金制品。铝 及其合金材料具有优良的物理性能，良好的加工成型性能和高的可回收再生性能，广泛 应用于机电、电力、航空、航天、造船、汽车制造、包装、建筑、交通运输等各领域， 但是，高附加值铝合金产品的研制、开发、生产与应用我国还落后于西方发达国家。因 此，加大技术进步力度，提升铝及铝加工产业科技含量，是确立我国在全球的铝业大国 和铝业强国地位的必由之路。7 0 7 5 铝合金是a 1 z n m 分c u 系热处理可强化的高强变形 铝合金，它可以获得各种形状、尺寸的制品，是目前应用最广泛的高强度铝合金。7 0 7 5 高强铝合金是常温下强度最高的铝合金，在航空航天、汽车、轻型轨道交通等工业部门有 着及其广泛的应用。 连铸原理由英国的b e s s 锄呱贝塞麦) 在1 8 4 7 年首先提出。1 0 0 年后，原西德的 j u l l g l l a l l s ( 容汉斯) 建成了世界上第一台用于钢水连铸的试验铸机。他在下端开放的振 动式水冷结晶器、结晶器润滑剂以及浸入式水口等方面的一系列发明，解决了连铸技术 长期不能用于正常生产的关键问题，开创了连铸技术的新纪元，确立了现代连铸技术的 基本框架，因此，容汉斯被人尊称为“连铸之父”。二十世纪3 0 年代，连续铸造技术的 原理和工艺就应用到有色金属材料的生产上，而由于钢的熔点高，导热系数小，热容量 大和凝固速度极慢等原因，直到5 0 年代才开始在钢铁厂中使用这一技术。由于半连续 铸造工艺能够实现生产工艺过程的自动化，因而简化了工艺流程，节约了能源，大幅度 提高了劳动生产率，并能保证稳定的产品质量和较高的金属收得率，在现代冶金生产中 占有重要的地位，是钢铁与有色金属合金工业生产中极为重要的凝固手段。自从1 9 5 3 年美国灿c o a 铝业公司成功开发的直接水冷铸造法( d n c tc 1 l i l l i n g ，即d c 铸造) 连续 铸造铝以来，由于铝的导热性能好、熔体金属容易处理和优良的使用性能等特点，在近 五十年里，铝的连续铸造技术得到了显著的发展。 铝合金d c 半连续铸造凝固过程最显著的特点是熔体内外部受到的冷却强度不一 样，铸锭内外存在较大的温度差，造成内外熔体凝固不同步，产生铸锭横截面上组织不 均匀、合金元素宏观偏析、铸造应力与裂纹等缺陷。近年来，虽然通过热顶、结晶器内 衬石墨环和油膜铸造等措施，可以在一定程度上减小液穴深度与铸锭内外温差，但是受 1 一 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 到合金种类、生产率要求的制约，它们只能起到有限的作用。此外，在半连续铸造中， 液态金属的凝固成型大都是在结晶器中进行的，由于两者之间存在着摩擦和磨损，造成 凝固的铸锭表面有很多缺陷，如疤痕、表面皱褶等等，这样在后续加工时，不得不将铸 锭有缺陷的表面( 往往是组织性能很好的等轴细晶层) 铣掉，造成很大的资源浪费；其 次结晶器( 模壳) 材料对高温熔体有污染作用，尤其是对一些高熔点、易氧化和化学活 性很大的稀有金属来说，更是如此。对于溶质分配系数k 1 且两相区较宽的铝合金，在 半连续铸造过程中常会出现宏观偏析现象，造成其产品组织性能的不连续，特别严重的 反偏析会在铸锭表面形成较厚的表面偏析区，并形成明显的偏析瘤，使铸锭的表面质量 下降，同时需要通过机加工工序去除表面偏析层，严重降低了成材率。因此对宏观偏析 形成的机理及其控制方法的研究受到了广泛的重视，h a u g 等【l 】与n l e v i k 等【2 】采用理论 分析与计算的方法讨论了宏观偏析形成的机理，认为表面偏析层主要是由于金属静压力 导致的，而较大范围内的反偏析是由于枝晶凝固收缩导致的晶间熔体流动过程中形成 的。宏观偏析的形成与液穴的形状、初生凝固壳高度、铸锭与结晶器间的气隙、一次与 二次枝晶间距等因素有关【3 训。微观组织对铸锭的宏观偏析程度具有显著的影响，在一 次冷却强度较大的条件下，初生凝固壳形成位置较高，且初生枝晶的枝晶间距较大，在 凝固收缩过程中引发晶间熔体向铸锭表面流动，因此加剧了合金元素在铸锭横截面上大 范围内的反偏析程度。当凝固过程中形成细小的等轴晶时，一次与二次枝晶间距减小， 渗透系数增大【5 1 ，熔体产生晶间流动的阻力大大增加，抑制了熔体在两相区内的远程流 动，因此宏观偏析程度减弱。裂纹是铝合金d c 半连续铸造生产过程中，铸锭最重要和 最常见的缺陷之一，因出现裂纹而造成的废品往往达到废品总数的4 0 至6 0 。对于以 舢z n m g - c u 系合金为代表的两相区较宽、弹性模量大的铝合金，裂纹是其大尺寸铸锭 生产过程中需要解决的首要问题。铸锭裂纹的产生，主要取决于材料的高温物理与力学 性能及铸锭的应力应变状态，一般认为，通过晶粒细化作用来提高铸锭两相区及凝固后 高温区间的强度和塑性，减小非平衡共晶或改变其分布状态，可以减小合金的热裂倾向 性，同时，通过提高合金的强度和塑性，降低铸锭横截面温度梯度，也可以防止冷裂纹 的发生 6 习】。由于铸锭内较大的温度梯度是内应力形成的主要原因，同时凝固前沿的温 度场对铸锭的凝固组织也具有重要的影响，单长智等【6 】研究了铝合金圆锭常见的各种类 型裂纹形成机理，指出凝固过程中铸锭内部的内应力是导致裂纹产生的重要原因，较浅 的液穴深度能够有效地降低铸锭内外温差，从而减小裂纹形成倾向性，在此基础上提出 了通过降低铸造速度、减小一次冷却强度、采用镝结晶器和热顶铸造工艺，来获得较小 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的液穴深度。但铸造速度、结晶器高度等工艺参数的选择受合金种类的限制，同时多个 工艺参数的选择需要统筹考虑，所以，在一定的工艺条件下，通过调整常规工艺条件来 有效解决铸锭的裂纹问题是比较困难。因此，对半连续铸造技术进行改进，寻找出一种 能够获得优良微观组织、避免裂纹、降低偏析和改善铸锭表面质量的半连续铸造新工艺 具有十分重要的意义，从上面分析可以看出，为了降低各种铸造过程中的缺陷，合理控 制金属的凝固过程是根本。 1 2 电磁场在铝合金半连续铸造过程中的应用 连铸是铝合金制备的基本手段。生产实践告诉我们，几乎所有的产品质量问题都与 铸造时所产生的缺陷有关，并且铸造时产生的缺陷在后续的加工和热处理过程中大部分 无法消除。因此，铸造不但作为材料成型的基本方法，也是材料组织调控的基本手段。 施加外场是现代材料组织性能控制的高效、经济的方法，由于电磁场高效、经济、清洁， 是具有广泛应用前景。为了实现这一目标，在钢铁工业中以电磁搅拌、电磁制动以及软 压下技术得到了飞速的发展。在有色行业，以电磁场与d c 半连续铸造技术相结合的电 磁铸造技术：e m c ，c r e m ，l f e c 和电磁振荡等，得到了广泛的关注和研究。 1 2 1 铝合金半连续铸造过程中的e m c 工艺 上世纪6 0 年代，前苏联铝合金专家g e t s e l e v 【1 0 】在铝合金d c 半连续铸造的基础上开发 了e m c ( e l e c 仃o m a 印e t i cc a s t i n g ) 工艺，通过交变电磁场产生的l o r e i l t z 力约束金属熔体， 并维持一定的液柱高度，替代了结晶器的支撑作用，实现了无模铸造。设备主要由感应 线圈、屏蔽体和冷却水套组成。为了获得支撑熔体所需的约束力，在熔体表面必须形成 足够的磁感应强度梯度，e m c 采用的电磁场频率通常为2 0 0 0 h z 至3 0 0 0 h z 之间。 e m c 的工作原理是，当感应线圈中通过交变电流厶时，在线圈内产生交变磁场丑， 磁场作用于金属液体，产生与以方向相反的感应电流 磁场与感应电流交互作用，产生 向内的电磁力p x 日，剐l 侧面约束金属熔体使其保持柱面平衡。电磁力可以分解为径 向分量( 非转动部分) 和竖直分量( 转动部分) ，径向分量与金属静压力保持平衡，从 而形成弯月面；而竖直分量能起到搅拌金属液体，形成强制对流作用。 在感应器的下方对铸锭进行喷水冷却，由于液态金属与感应器没有物理接触，因而 液体在保持自由表面的状态下水冷凝固。但是，在较强交变磁场作用下金属液形成的弯 月面往往不稳定，为了得到预期稳定的断面形状，有必要保持液柱侧面的垂直状态。为 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 e k 曲r o 瑚g n 晚cs 镊矗e 雾豫5 s ep r e s s 戤 图1 1e m c 示意图【1 o 】 f i g 1 1s d l 锄a t i co f e m c 此一般采用磁屏蔽罩，作用是自上而下逐渐减弱磁场，以便形成熔体的静压力与电磁压 力和表面张力平衡。电磁场载持金属熔体条件为： 尼咖= p e + p j ( 1 1 ) 式中p 为液体金属密度，g 为重力加速度， 为液柱高度，既为电磁压力，胁为表 面张力。 在铸锭较大时，表面张力产生的压力风较小，一般可忽略，则式( 1 一1 ) 改写为： 触= p e ( 1 - 2 ) 只要在液固线附近满足式( 1 2 ) ，就可实现正常铸造，即金属液柱保持稳定的向下移 动，同时从上方不断注入金属液，保持液柱高度 不变，就可连续铸造出表面光滑的铸 锭。 电磁铸造出现后，迅速在捷克斯洛伐克，匈牙利，东德等国率先普及，日本三菱化 成公司1 9 7 2 年1 0 月引进了该技术。美国k a i s e r 、a l 唧i s s e 、a l c o 、r e y n o l d s 和p e 出y 等 公司的大型铝厂也都相继在同时期引进了该项专利，其中k a i s e r 和灿u s u i s s e 两家公司， 在引进前苏联专利的基础上，投入巨资经数年努力，实现了多块( 4 5 块) 铸造和大断 面( 5 0 0 1 3 0 0 n 蚰) 连续铸造铝合金的技术要求。目前，在美国和欧洲，每年大约1 2 0 万吨 铝合金采用a l u s u i s s e 公司的电磁连铸技术进行生产。国内的电磁连铸技术研究始于7 0 年 代中期，东北轻合金加工厂采用电磁铸造技术( e m c 法) 曾成功地铸造出了直径3 2 0 i 】 1 i i l 的 4 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 铝合金圆锭，后来，西南铝加工厂在引进原民主德国的电磁铸造技术上，经不断地研究， 铸造出多种合金的铸锭【7 1 。大连理工大学也进行了大量实验，获得了表面光洁的圆锭、 方坯和薄板坯【7 1 。 但是，e m c 以改善铸锭表面为目标，采用中、高频电磁场来实现无模铸造，对设备 控制系统要求较高，非常容易出现拉漏现象。同时，由于频率较高，e m c 工艺对铸锭内 部熔体的流动场与温度场影响有限，在铸造难度较高的硬铝与超硬铝合金大尺寸铸锭生 产过程中，难以获得均匀的铸态组织和消除铸锭内应力。 1 2 2 铝合金半连续铸造中的c i 冱m 工艺 v i v e s 弘1 2 1 提出的电磁细晶铸造c i 江m ( c a u s t i n g ，r e f i i l i i l g ，e l e c 仃o m a 印e t i c ) 工艺是指 在d c 铸造结晶器外布置感应线圈，线圈中施加5 0 h z 的工频交流电，通过其在金属熔体 中产生的电磁场作用达到细化晶粒和改善表面质量的目的，如图1 2 所示。采用该技术进 行的直径为3 2 0 抛m 2 2 1 4 铝合金圆锭半连续铸造实验结果表明，c r e m 工艺能够有效地细 化晶粒、改善表面质型1 1 1 2 】。 图1 2 c i 也m 示意图 f i g 1 2s c h 锄a t i cd i a g r a mo f c r e m 线圈内的交变电流在熔体内部产生垂直方向的交变电磁场，金属熔体内部的感生电 流与磁场交互作用，使熔体受到l o r e n t z 力的作用，由于铸锭与结晶器几何形状在垂直方 向的不对称性，使得磁力线相对于铸锭的中心线发生了显著的偏转，导致熔体内部 l o r e n t z 力的时间平均值同时存在垂直分量和水平分量。其中水平分量为与金属静压力梯 度平衡的有势力，而垂直分量为有旋力场，起到了搅拌熔体的作用。l o r e n t z 力水平分量 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 使得熔体自由表面形成凸起的弯月形，从而减小了熔体与结晶器接触高度和接触压力， 实现了所谓的软接触，改变了一次冷却区热通量的大小与分布情况，起到了减弱一次冷 却强度的作用，使初生凝固壳形成位置下降，表面渗出现象减弱，表面偏析层厚度随输 入功率的增加而线性减小，与e m c 一样，也可以有效地提高铸锭的表面质量，但对铸锭 横截面上大尺度范围内的宏观偏析没有产生显著的影响。随着输入功率的增大，铸锭表 面的环状波纹逐渐减小，当输入功率达到2 2 k w 时，熔体与结晶器的接触高度趋于o ， 得到了光滑的铸锭表面，消除了表面偏析区，提高了成材率。l o r e n t z 力垂直分量形成的 有旋力场起到了电磁搅拌的作用，流动场与无心感应炉中熔融金属的流动场类似，测量 表明熔体内部的温度场受到电磁搅拌的强烈影响，有旋分量产生的强迫对流将中心区域 的过热熔体带向铸锭的边缘区域，因此消除了中心区域的局部过热，减小整个液相区内 温度差，使熔体温度低于液相线温度。对于具有较宽结晶温度区间的合金，两相区可能 扩展到整个液相区，强迫对流将初生凝固壳处形成的枝晶臂熔断并带入液穴内部形成异 质结晶核心，起到了晶粒细化和抑制枝晶生长的作用，铸锭由均匀细小的近球形和蔷薇 型微观组织构成。 采用c r e m 工艺时结晶器电导率对熔体内部磁感应强度的分布具有重要的影响【1 1 】， 采用电导率较低的结晶器能够减小电磁场的涡流损耗，大幅度提高有效功率。v i v e s 还研 究了c 对! m 铸造圆锭与扁锭过程中熔体内部电磁场的分布规律【1 2 】，分别在采用传统的铝 制结晶器、分瓣铝结晶器、石墨结晶器及不锈钢结晶器的条件下，测量熔体内部电磁力 垂直与水平分量与感应线圈距离之间的关系，并测量了电磁场存在条件下熔体内部的流 动场。结果表明，结晶器材质对熔体内部电磁力强度产生了显著的影响，通过采用电导 率较小的结晶器能够明显加强搅拌效果。还采用水银作为实验介质，通过在铝槽中装入 水银构建的物理模型上研究了电磁场存在条件下熔体内部的流动场，测量结果表明流动 速度最大值达到了5 划s ，但考虑到铝合金熔体的密度约为水银的1 5 ，同时其电导率约 为水银的4 倍，所以实际上铝熔体中流动场速度峰值的数量级可达到3 0 至6 0 c 州s 。 1 2 3 铝合金水平电磁铸造技术 日本浅井滋生等首先开发了静磁场通直流电的水平电磁铸造，可铸造小直径圆锭 ( 1 0 i i n 以下) 以及薄板。日本住友公司和美国能源部也先后申报了水平电磁铸造薄板 的专利。被铸金属置于铁心中间，在上线圈与被铸金属之间放有一个金属导板。导板一 边与液态金属熔池连接，另一边通过引导辊与被铸金属连接，从而形成一个导电闭合电 路。上下两个线圈产生的两个交变磁场作用下，闭合电路中产生感应电流。受到磁场作 6 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 用，导板受压力向下，被铸金属受浮力向上。由于上层导板固定，所以下层被铸金属受 浮力悬浮。冷却剂从上下两个面喷出，使金属液在悬浮段凝固，引导辊引导被铸金属形 成连铸过程。当被铸金属受干扰向下偏离时，闭合回路面积加大，感应电流增加而使浮 力增加，使被铸金属回到原位，反之亦然。所以，该装置具有自动稳定的功能，两测两 个小突缘可使磁路形成小闭环，产生侧面向内的压力。 1 2 4 铝合金半连续铸造中的l f e c 技术 低频电磁铸造l f e c ( l o w f r e q u e n c ye l e c 们m a 印e t i cc a s t i n g ) 工艺是指近年来东北大 学崔建忠、张北江等【1 3 。1 7 】在c r e m 的基础上，采用更低的频率( 低于5 0 h z ) ，在d c 铸 造技术的结晶器周围布置交流感应线圈，半连续低频电磁铸造制备铝合金锭坯的方法。 利用低频电磁场的渗透熔体能力强的特点，制备了直径为1 0 0 n m 和2 0 0 i l m 的高强 a 1 z n m 哥c u 系7 0 7 5 、及6 0 6 3 铝合金铸锭，发现l f e c 不但可以实现c i 通m 铸锭微观组织 细小均匀，表面质量好的目的，更重要的是发现了l f e c 可以大大提高晶内合金元素含。 量，而且还可以增强锭坯的抗裂纹能力，减小宏观偏析。 崔建忠、董杰【1 8 。2 3 】等开发了超高强高韧合金低频电磁半连续铸造工艺，制备出了不 同规格高质量的高合金化砧z n m g c u z r 铸锭，结果表明，适当地降低电磁场频率和增 加电磁场强度，有利于细化d c 铸锭组织、提高合金元素晶内含量、提高铸态力学性能、 改善铸锭表面质量和避免裂纹。 。 崔建忠，赵志浩【2 4 3 1 1 等成功开发了铝合金锭坯的低频电磁水平连铸新工艺( l o w f r e q u e n c ye l e c 仃o m a 盟舐ch o r i z o n t a ld i r e c tc h n lc a s t i i l g - l f e m h d c ) ，解决了常规水平连 铸难以制备的重金属元素含量较高的轻合金锭坯这一传统工艺难题，获得了铸态组织显 著细化、均匀、铸锭合金元素宏观分布均匀、铸锭溶质元素显著提高、表面光洁的高质 量铸锭。在铝合金的实验基础上他们又开发了镁合金低频电磁水平连续铸造工艺。实验 表明，在镁合金水平连铸过程中施加低频电磁场可以提高铸造速度，提高了劳动生产率； 可以实现较低铸造温度下的水平铸造，这不仅有利于节能降耗，还可显著降低镁合金氧 化燃烧倾向，并有利于减小内应力，避免热裂的发生与扩展，为高速铸造提供条件。同 时，在低频电磁场作用下，镁合金水平连铸锭坯中的合金元素呈均匀分布，宏观偏析得 到有效抑制；锭坯内部微观组织显著提高，显著晶粒细化，枝晶退化为蔷薇晶或等轴晶， 不同部位，特别是横截面高向的晶粒度差别显著减小或消除。 崔建忠、王哲峰等人阻3 5 1 分析了外加差相电磁场和低频电磁场对铝合金管坯连铸过 程中宏观流场和温度场的影响规律。利用大型数值计算软件a n s y s ，模拟了差相电磁场 ，7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 和低频电磁场条件下铝合金管坯电磁铸造过程中电磁场、熔体流场、温度场以及热应力 场。探讨了凝固微观组织形成机理、提高铸锭表面质量( 尤其是内表面) 的机制。在此 基础上，成功开发了铝合金管坯的差相电磁连铸和低频电磁连铸两组新工艺 ( l o w f r e q u e i l c ye l e c 仃o m a 萨e t i cc o n t i i l u o u sc a s t i n go fh 0 1 l o wb i l l e t s l f e c h b ) 。解决了 常规管坯连铸中容易产生的裂纹、抱芯、表面质量差、机械性能低的缺点，获得了铸态 组织显著细化、均匀、合金元素宏观偏析抑制、表面光洁的高质量铝合金管坯。 1 3 多流电磁铸造技术 自从电磁铸造e m c 出现以后，为了实现电磁铸造在工业中的大规模的应用，各个 国家在多流电磁铸造方面进行了深入的研究。现在美国、瑞士等国家已经实现了5 7 个 铸锭的电磁铸造。但国外对多流电磁铸造的工艺非常保密，关于这方面公开发表的文章 非常少。为了缩短与国外的技术差距，我国各个单位也进行了双锭电磁铸造的技术研究。 为了能够在我国铝铸造行业尽快实现多流同时铸造的的生产能力，北方工业大学【3 6 】开展 了双锭电磁铸造研究项目，通过对模拟双方锭冷态磁场测试，掌握双锭系统磁场分布规 律，以便为多流铸造时感应线圈的联结方式。铸锭间距参数选择等方面提供重要依据。 研究表明：双锭电磁铸造磁场分布受感应线圈电流的相互影响，内侧场强低于外测场强， 两者的差值随铸锭间距加大而减弱；到一定间距时，可使内、外两侧磁场分布对称，满 足铸造要求；双锭系统中感应线圈联结方式以串连为宜，这种联结方式不仅简单，最重 要的是能保证各感应线圈电流大小相等，有利于多流铸造时的控制。北京科技大学的周 土平3 7 1 利用互感耦合模型研究了双锭电磁铸造中铸锭间不同联接方式下系统的稳定性， 并联系统及串连系统对液柱高度和液固线位置的变化均是稳定的，但当铸锭高度发生变 化时并联系统比串连系统更稳定。张兴国，金俊泽等【3 8 。3 9 1 在实验室进行了一机双锭电磁 铸造的实验，其设备见图1 3 所示。实验表明单、双铸锭的径向、轴向的磁场分布规律 及感应器电流和屏蔽罩的影响都比较相似，所以参考单锭e m c 的工艺，在适当的参考 条件下，一机双锭是完全可行的。并在改进分流槽结构、对比分析实验结果后，确定了 一机双锭电磁铸造工艺参数。 在双锭电磁铸造中，若启动时供流不足，或铸造过程中拉漏，或发生其他事故，造 成两锭高度不一致( 其中一锭的上表面沿拉锭方向逐渐远离结晶器) ，此时系统的电流 将发生很大的变化，当高度下降约2 0 i l m 时，串联和并联系统处于稳定状态，即此时另 一锭尚能进行正常铸造；当高度下降2 0 2 8 m m 时，并联系统处于稳定状态，而串联系 8 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 图1 3 一机双锭电磁铸造设备 3 9 】 f i g 1 3s c h e m 撕cd i a 黟锄o fd o u b l e - i n 9 0 te m ce q u i p m e n t 统超出稳定区；下降高度超出2 8 皿n 时，串联和并联系统均不稳定，另一锭也无法正常 进行铸造。由此可知并联系统比串联系统容易保持稳定。虽然并联系统稳定性比串联系 统稍好，但并联系统的总电流是串联系统的两倍，在总线路中消耗更大的能量，同时还 会带来其他工艺问题( 如增加变压器的冷却强度) ，故实践中采用串联系统。 对于低频电磁铸造来说，和电磁铸造相比，在铸造过程稳定性控制上应该简单一些。 但对于一机低频铸造过程各个线圈磁场之间的影响以及铸造过程中结晶器如何设计还 不太清楚，为了早日实现低频电磁铸造在工业上大规模运用，有必要对多流低频电磁铸 造的工艺过程进行理论和实验研究。 1 4 铝合金铸锭表面的主要缺陷及成因 铝及其合金材料具有优良的物理性能，良好的加工成型性能和高的可回收再生性 能，广泛应用于机电、电力、航空、航天、造船、汽车制造、包装、建筑、交通运输等 各领域，但是，高附加值铝合金产品的研制、开发、生产与应用我国还落后于西方发达 国家。因此，加大技术进步力度，提升铝及铝加工产业科技含量，是确立我国在全球的 铝业大国和铝业强国地位的必由之路。 铸锭质量的好坏直接决定着最终成品质量、金属收得率及生产成本的高低，而铸锭 表面质量直接决定着铸锭质量的好坏。铸锭表面质量主要包括铸锭表面的平整度、光洁 度，以及铸锭表面偏析瘤、冷隔、拉裂、夹渣，皮下裂纹、气孔、偏析层等表面缺陷的 0 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 分布情况。实际生产中为了使存在上述缺陷的铸锭满足下一道加工及产品最终性能的要 求，就不得不将表层金属除去，这样就降低了金属收得率，提高了生产成本。因此，在 铸造过程中应尽量通过优化工艺参数，改善工艺设备等措施来提高铸锭表面质量，减少 铸锭表面缺陷，降低生产成本，提高金属收得率，提高生产效率。 1 4 1 偏析瘤 偏析瘤又称偏析浮出物或发汗带，是从铸锭内部渗流出来的并在铸锭表面呈瘤状或 小球状凝结的易熔析出物，偏析瘤中通常都富集有大量易熔组成物。因此，易形成易熔共 晶的铜、镁、硅的含量在偏析瘤中急剧升高；而锰、铬等元素的含量在偏析瘤中较少。 1 偏析瘤产生的原因： 偏析瘤是在铸锭表面温度低于线收缩开始温度，在铸锭因收缩刚离开结晶器而表面 层还处于固液状态的时候，或者在铸锭与结晶器间形成了空隙，铸锭外层产生二次加热 使表层温度达到枝晶易熔组成物的熔点并使其熔化的时候，枝晶间的易熔组成物在液穴 中熔体静压力的作用下，或者由于被加热的固溶体晶粒体积增大和易熔物重熔时体积增 大而产生的附加力的作用下，沿结晶骨架的孔道，在氧化膜破裂的地方渗出并在表面凝 结而形成。也可以认为是偏析的形成是因局部加压使树枝晶间的富溶质液体产生强制的 局部流动而引起。 2 影响偏析瘤形成的因素： ( 1 ) 合金成分 合金处于固液态时，结晶骨架内液相的相对数量愈多，则偏析瘤形成的倾向愈大。 没有有效结晶区间的纯铝和合金没有形成偏析瘤的倾向。 c u 的分布特点是“晶界高于晶内，一次晶界高于二次晶界”，并随着温度的降低 c u 向晶界偏析的趋势加剧：n i 的分布，晶界高于晶内；的分布，晶界高于晶内，但 差别不大；z r 在晶界与枝晶间偏析处的含量较高。 ( 2 ) 冷却条件 当铸锭表面层连续地冷却时，铸锭表面层在结晶器内没有二次加热和重熔现象，则 可以得到实际上没有或很少偏析瘤的铸锭。在实际生产条件下，强化对铸锭和结晶器的 冷却，缩短结晶器的有效高度、减小结晶器的锥度即缩小铸锭和结晶器壁的缝隙、缩小 铸锭的横截面尺寸，能降低形成偏析瘤的倾向。而普遍和局部缺水将提高形成偏析瘤的 倾向。 ( 3 ) 铸锭表面氧化膜的强度和完整度 10 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 采取各种工艺措施，如：提高结晶器内表面的光洁度、均匀润滑、适当降低铸造速 度和铸造温度、均布液流、以减小铸锭和结晶器壁之间的摩擦，防止和减少表面氧化膜 破裂的机会，可以降低形成偏析瘤的倾向。 3 控制、减少和消除偏析瘤的措施： ( 1 ) 提高冷却水压，保证铸锭周边冷却均匀； ( 2 ) 降低结晶器的有效高度和缩小锥度； ( 3 ) 适当降低铸造速度； ( 4 ) 适当降低铸造温度； ( 5 ) 保持结晶器内表面光滑，均匀润滑； ( 6 ) 正确安装漏斗，合理分配液流，防止液流偏斜冲刷凝壳，造成凝可局部熔化。 1 4 2 冷隔 冷隔又叫冷层，它是结晶器内的敞露液面与结晶槽内壁接触部分未得到充分补充而 提前凝固的结果。冷隔常常是铸锭裂纹的起因，并增大了铸锭表面和车皮的几何废品， 降低了成品率。 1 冷隔形成的原因： 连续铸造时，在某些情况下( 比如铸造速度过低、铸造温度过低、冷却强度过大、 金属水平不稳、漏斗偏斜和漏斗眼堵塞等) ，液穴内的金属不能均匀地到达铸锭四周， 在金属流得少的地方，温度很快降低，逐渐形成硬壳，他们阻止液体流到这个区域。只 有在结晶器中的液体金属的水平高度在硬壳之上并提高到足以克