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双金属复层材料的电戳连续铸造技术研究 摘要 材料电磁加工技术作为一种新的制造手段越来越多地被人们应用到科研与生产实践中。 本文提出了一种新型的利用电磁制动制备两侧面具有不同性能的复层材料的方法。为了分析 此技术的可行性，选择合理的铸造工艺，使用现有的流场计算程序，对电磁控制下铸型内金 属液的流动进行了模拟，研究了静态电磁场对金属液流动的影响。结果表明：在铸型宽度方 向上施加的静态电磁场，不仅可以有效地抑制出水口的流速，减少其射流深度，还可以减小 铸型中心处出现的回流区：当磁感应强度b o 2 t 时，控制效果明显；随着磁感应强度的增 加，制动效果越来越明显。为了避免施加电磁制动后处于回流区的两种金属液发生混流，可 设置2 0 m m - - 3 0 m m 的挡板。 设计了复层铸坯电磁连铸的电磁场发生器和连铸模拟装置。分别选用s n 和s n + 5 p b 合金以及a l + 1 2 3 s i 合金和a 1 + 8 m g 合金进行了两种合金的电磁连铸实验，当在铸型宽 度方向上施加静态电磁场，从两个浸入式浇口同时浇注成分不同的金属液时，电磁力控制了 铸型内金属液的流动，铸造出两侧面分别为s n 和s n + 5 p b 的复层铸坯。对铸坯的宏观金相 组织进行了观察，并用能谱仪对铸坯的成分进行了分析：电磁场有效地抑制了金属液的混流， 铸坯两侧面具有不同的成分，铸坯内部没有明显界面。 关键词： 电磁制动，复层材料，连续铸造，电磁场 双金属复层材料的电磁连续铸造技术研究 a b s t r a c t a san e wt e c h n o l o g y ，e l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n go fm a t e r i a l si sa p p l i e di n s t u d y i n ga n dm a n u f a c t u r i n gm o r ea n dm o r e an ewm e t h o d ，t h a tc a nb eu s e dt oc a s tc l a d m e t a lm a t e r i a l sb ymeanso fe l e c t r o m a g n e t i cb r a k e ，w a sp r o p o s e d i no r d e rt oa n a l y z e t h ef e a s i b i l i t ya n dc h o o s er e a s o n a b l et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，t h ep r o g r a mi su s e d t os i m u l a t et h em o l t e nm e t a lf l o wi nt h em o u l de f f e c t e db ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l d t h er e s u l t ss h o wt h a tb yi m p o s i n gs t a r i cm a g n e t i cf i e l d ，d i s c h a r g ev e l o c i t yf r o mt h e n o z z l ei ss u p p r e s s e d ，j e tl e n g t hi sd e c r e a s e d ，b a c kf l o wz o n ei nt h ec e n t e ro ft h e m o l di sr e d u c e d ：t h a tc o n t r o le f f e c t i v e n e s si so b v i o u sw h e nm a g n e t i cf l u xd e n s i t y i sm o r et h a n0 2 t ：t h a ti t i sn e c e s s a r yt os e td a mb o a r do fa b o u t2 0 m m 一3 0 m mh i g hi n t h eu p p e rp o r to ft h em o u l di no r d e rt oa v o i dl a t e r a lf l o wo fl i q u i d l e v e ld u et o a p p l y i n ge m b r t h ee l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t o ra n dc o n t i n u o u sc a s t i n gs i m u l a t i n gs e ta r ed e s i g n e d e l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n go fs n & s n + 5 p ba n da i + 8 m g & a i + 1 2 3 s ia l l o y sw e r e c o n d u c t e d w h e nt w ok i n d so ft h em e l t w i t hd i f f e r e n tc h e m i c a lc o m p o s i t i o nw e r e s i m u l t a n e o u s l yp o u r e di n t ot h em o l df r o mt w on o z z l e s ，f l o wo ft h em e l ti nt h em o l d w a sc o n t r o l l e db yi m p o s i n gt h es t a t i cm a g n e t i cf i e l df r o mt h eo u t s i d eo ft h em o l d ， a n dac l a ds l a bo fs n & s n + 5 p bw a s0 b t a i n e d m a c r o s c o p i cm e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r ea n d e l e m e n td i s t r i b u t i o no ft h es l a ba r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dr e s t r a i n st h ef l o wo ft h em e l te f f e c t i v e l ya n do nt h ed i f f e r e n t s i d e so ft h es l a bt h e r eared i f f e r e n te l e m e n t s ，n oo b v i o u si n t e r f a c ew a sf o u n di n t h es l a b k e yw o r d s ：e i e c t r o m a g n e t i cb r a k e ，c i a dm e t a im a t e r i a c o n t i n u o u sc a s t i n g ，e i e c t r o m a g n e t i cf i e i d 双金属复层材料的电磁连续铸造技术研究 1 绪论 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，它与人类生活的各个方面都密切相关。人 类文明史的所谓石器、铁器、铜器时代就是按生产活动中起主要作用的材料来划分的。 它与信息、能源一起构成现代文明的三大支柱。它关系到国民经济、社会发展和国家安 全，是国家综合实力的重要标志。材料对时代文明和技术的进步起着决定性的作用，而 在一个时代出现的新材料，又将支持和促进当时文明的发展和技术的进步。人类在其自 身的不断发展过程中，也造就了材料的不断发展，从远古时代最早使用的石器到铁器、 铜器一直到今天的纳米材料以及各种各样的人造材料，令整个世界五光十色，丰富多彩。 人类能够实现遥远的登天梦想，也离不开材料的贡献。正是这不断更新发展的新材料， 使人类进入了一个完全不同的时代。 材料的发展离不开材料加工技术的提高。从原始人的打磨石器到今天的高科技产品， 材料加工技术起到了最为重要的作用。作为材料加工最基础的铸造工业来说，也早已今 非昔比，越来越多的现代高科技手段被应用于其中。而材料电磁加工技术作为其中的一 个重要分支得到了大力发展。由于电磁场具有能量的高密度性和清洁性，优越的响应性 和可控性，易于实现自动化以及能量利用率高等特点，因此，在冶金工业中得到了广泛 的应用。 伴随着现代工业发展对材料的需求，能源危机问题与环保问题日趋重要。如何在现 有材料的基础上开发出具有新型功能和结构、用途更为广泛的新材料越来越成为科研工 作者瞩目的焦点。本课题就是在国家自然科学基金资助下进行的，研究利用电磁加工技 术制造双金属复层材料的新工艺。 1 1 双金属复层材料的研究现状 双金属复层材料是一种具有新型结构与功能的材料，由于其在不同部位和侧面具有 不同的性能，因而它具有良好的可设计性和高的机械性能，一直都受到材料工作者的重 视，是新材料研究开发的重点方向之一。目前双金属复层材料的成形方法主要有爆炸复 合、轧制复合、连续铸造、离心铸造、化学镀层、热浸镀等。下面介绍其中几种方法。 1 1 1 轧制复合技术 轧制方法成本低、产量高，而且工艺技术及装备比较成熟。作为一种金属层状复合 工艺在上一世纪3 0 年代就引起了一些研究工作者的关注。轧制方法可以分为：热轧复 合、等辊径等辊速冷轧复合、异步轧制复合几种工艺。 双金属复层材科的电磁连续铸造技术研究 1 1 1 1 热轧复合技术 热轧复合方法是将被轧制的金属坯料在高温高压下进行轧制变形，受热和力的同时 作用而将两种或两种以上的金属进行焊和的工艺。这种方法从2 0 世纪3 0 年代沿用至今， 仍然是一种极为重要的方法。它的工艺特点是单块组装热轧复合。对设备的要求简单， 操作方便，可以生产大型复合板材。但是热轧过程由于其轧制温度高，容易形成金属间 脆性化合物，使得工艺实旌上存在较难解决的困难，且两层坯料问存在界面。 1 1 1 2 等辊径等辊速冷轧复合 冷轧复合是在热轧复合的基础上发展起来的。在复合轧制之前先将金属板材的表面 进行清理，通过被轧制板材的接触表面相对剪切变形，大于某一临界变形程度产生复合， 在低温时长时间的扩散退火处理后获得理想的复合界面结构。 关于等辊径等辊速冷轧复合的研究虽然有了很大进步，但是在研究的广度和深度上 还没有达到工艺理论系统化的程度。金属板材的变形过大对轧制机械提出了很高的要 求，使得工艺实现非常困难。正是这一点制约了冷轧复合的进一步发展。 1 1 1 3 异步轧制复合 异步轧制工艺是上一世纪6 0 年代兴起的一种新型板带材轧制技术。它在等辊径等 辊速冷轧复合的基础上，改变上下轧辊辊径或上下轧辊转速，使轧辊线速度不同，轧制 变形区中存在一个与摩擦力方向相反的搓轧区，使轧件处于一个大的剪切变形区中，可 以大幅度降低轧制压力，从而增大轧制变形程度。1 。 异步轧制复合的研究虽然已经取得了很大的进展，但是离大规模的工业应用还有很 大的距离。其中存在的关键技术问题是轧制过程中的变形关系。如何使得两种变形率不 同的金属板材在变形后能够和总变形率呈线性关系，从而使界面处结合强度满足要求是 制约异步轧制复合技术进步的瓶颈。 综上所述，轧制复合虽然有其有利的一面，但是它在生产复层材料的过程中，各组 分材料以机械方式相接触的接触面不可避免地存在着界面。由于应力集中，很容易在界 面处出现微裂纹，甚至会导致大的裂纹扩展，引起材料破坏”1 。另外二次加工成型困难， 非破坏性检查等技术不充分。所以轧制复合在工业应用中受到了一定的限制。 1 1 2 离心铸造法 双金属离心铸造是在先浇注的外层金属液基本凝固时浇入内层金属液，两层金属通 双金属复层材抖的电碰连续铸造技术研究 过组分扩散或外层金属的重熔来实现两层金属的冶金结合，使外层金属与内层金属结合 成一个整体。一般来说，离心铸造是生产辊套筒类铸件的最有效方法“1 。离心铸造的工 艺要求是。1 ：、外层金属的熔点应略高于内层金属的熔点，减少内层金属浇注后对外 层金属的侵蚀程度。、掌握合适的外层金属与内层金属的浇注温度与浇注速度，并保 证适当的两层金属液的浇注时间间隔。 离心铸造法工艺过程比较复杂，且生产的双金属复层材料结合层存在界面，容易产 生铸造缺陷。而且离心铸造的应用范围不是很广，一定程度上限制了它的发展。 1 1 3 连续铸造法 双金属复层材料连续铸造成形的研究目前仍处于初始阶段，但是，由于双金属复层 材料连铸成形具有易于实现批量化、连续化、自动化生产，有利于降低生产成本，扩大其 应用范围等优点，研究开发和应用受到越来越广泛的重视。现有双金属复层材料连续铸 造成形方法可以分为两大类，一类为使用已成形的芯材对其进行包覆的包覆铸造成形法， 另一类为将两种金属同时注入同一个结晶器内进行成形的双流铸造法。 1 1 3 1 包覆铸造成形法 包覆铸造成形法的典型代表为用于复合轧辊成形的连续浇注包覆c p c 法。其原理是 将轧辊辊芯垂直置于水冷结晶器中，将金属液浇注到配置在铸型上的耐火材料框架和辊 芯之闻，使成形外层的金属熔体与芯材部分熔合，并顺序向上凝固。将凝固部分连续向 下拉拔，实现包覆层连续铸造成形。其工艺原理如图l l 所示。这种方法是日本山本厚 生首先提出来的，已获得工业化生产应用，用于高速钢复合轧辊成形，具有生产工艺简单， 轧辊性能良好，生产成本低等优点。国内方面，钢铁研究总院、邢台机械轧辊( 集团) 有限 公司和北京科技大学进行合作，在c p c 法工艺的基础上开展电渣工艺复合轧辊应用与开 发研究，取褥了一些进展。包覆铸造成形法还有复合线材铸拉、反向凝固连续铸造法等。 包覆铸造成形法的主要缺点是预处理工艺复杂，且如果界面预处理效果不好，或者预处 理后因不能马上使用而被氧化或污染，则难以获得具有良好复合质量的界面。 双金属复层材料的电磁连续铸造技术研究 芯1 _一 1 1 t 墓 感 上 ，pr 一 t丁 1 1 3 2 双流铸造法 图1 1c p c 法的工艺原理 f i g 1 一l s c h e m a t i cd i a g r a mo f c p c 复台层 一种有代表性的双流铸造法是双流浇铸连续铸造制备双金属复层材料，其原理如下 图l 一2 所示： 热电偶 内层金属 外层金属 内导管 控流阀门 石墨铸型 图l 一2 连续铸造制各复层材料原理图 f i gl - - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f c o n t i n u o u sc a s t i n gc l a ds l a b 在传统的连续铸造基础上增加一个内浇包及其导流系统，内、外浇包分别容纳不同 成分的两种熔体，外浇包的金属液流经出水口后进入结晶器中，受激冷作用凝固成具有 双金属复层材料的电磁连续铸造技术研究 一定厚度的薄壳，内浇包的金属液流出内导管管口时，被凝固薄壳和残余外部金属液包 围。通过调整铸造时的工艺参数，可以控制内、外浇包中两种液体的凝固时间差，促进结 晶器内熔体由外向内顺序凝固，实现两种液体部分混合。此工艺的技术关键和难点在于 控制两种金属液的流速和温度，形成合适厚度的中间结合层。 1 1 3 3 双结晶器连续铸造法 双结晶器连续铸造工艺是北京科技大学谢建新等人首次提出的“1 。其基本原理如图1 3 所示。 包覆 图i 一3 双金属双结晶器连铸工艺原理圈 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f d u a l m o l dc o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n i q u e 在芯材结晶器内连铸凝固成形的芯材，在保护环( 大气隔离环) 的保护作用下，保 持表面无氧化、无夹杂、无油污的状态，直接进入包覆层结晶器，实现双金属的包覆铸 造。该工艺工序简单，节省能源，降低金属液的消耗，复合界面的结合比较好。但是该 工艺的工艺参数较难控制，如何控制好两种金属液的浇注温度、结晶器的冷却强度、双 结晶器之间的距离、拉坯速度以及这些工艺参数的合理匹配是实现双结晶器连续铸造的 难点。 综上所述可知，采用轧制复合、离心铸造、包覆铸造、双流铸造以及双结晶器连续 铸造的方法，其工艺各有优劣。利用电磁制动制备双金属复层材料是一种新型的工艺， 双金属复层午才料的电磁连续铸造技术研究 具有广阔的应用前景，越来越引起人们的重视。下一节中作者将重点论述这一方法。 1 2 电磁技术在材料制备工艺中的发展应用概况 电磁技术是伴随着磁流体力学在冶金工业中的应用而发展起来的。研究电磁和流体 流动间相互关系的科学，被称为磁流体动力学，该理论的系统发展和广泛应用是从2 0 世纪6 0 年代开始的。由于熔融金属是蘸好的导电体，在磁场和电流的作用下，金属熔 体内部产生电磁力，利用电磁力就可以对熔融金属进行非接触性搅拌、传输和形状控制， 易于实现自动化以及能量利用率高等特点，因此，在冶金工业中得到了广泛的应用。 前苏联是最早将电磁场的加热功能和电磁约束功能一同应用到金属加工领域的， g e t s e l e v 等入在1 9 6 9 年申请了铝的无模电磁铸造技术专利，并且由瑞士的a l u s u is s e 公司在1 9 7 8 年把这项技术商业化 7 - - 9 | a1 9 8 5 年日本钢铁协会电磁冶金委员会成立，标 志着电磁冶金已经成为一门独立的学科。1 9 9 0 年和1 9 9 4 年先后在日本召开了第六届国 际钢铁研讨会( i i s c ) 和第一届材料电磁加工国际会议，会议上材料电磁加工( e p m ) 这个术语首次被提出，这标志着e p m 时代的真正到来“1 。此后，又分别在1 9 9 7 年( 法 国) 和2 0 0 0 年( 日本) 召开了两届e p m 国际学术会议“。t 3 l 。从最近两次会议看出，材 料电磁加工技术已成为材料科学和制备领域内的重要研究方向，它已经从开始阶段的改 进传统工艺，发展成为开发新材料、新工艺的源泉“”。 1 2 1 电磁场在连铸生产中的应用 连续铸造取代模铸是社会发展的必然趋势。早在1 5 0 多年前就有了连续铸造的构思， 到现在世界上一些发达国家连铸比已经达到了百分之九十以上。我国在2 0 0 2 年时也已 经发展到9 0 以上“”。 进入2 0 世纪8 0 年代以来，连铸技术呈现出更加强劲的发展态势，生产过程的高效 化、铸坯洁净化、产品近终形、操作自动化以及与后续工艺衔接上的连续化代表了世界 现代连铸技术的发展方向。以钢铁生产为例，目前世界各大钢铁公司都在提高产品质量、 生产效率和节能环保等环节上下功夫，以满足社会发展的需要和提高国际竞争力。在这 种以往传统的连铸技术已经远远不能达到生产无缺陷铸坯要求的形式下，电磁技术在连 铸生产中的应用应运而生。 感应加热是电磁场最早应用于材料制备的一例。目前应用于连铸生产过程中的主要 是电磁感应炉以及将电流直接施加在金属熔体中使其流动的电渣重熔( e l e c t r i c - s l a g c a s t i n g e s r ) 和电渣焊接( e l e c t r i c s l a gw e l d i n g e s w ) 技术。因感应加热具有高能量 密度、易于控制成本和能耗低、无污染的优点，目前在钢材生产中感应加热的比例正 在连续地上升，特别是对于连铸连轧工艺来说，感应加热能够给定准确的温度补偿，从 6 双金属复层材料的电鞋连续锌造技术研究 而生产出优质的铸坯“7 ”1 。此外，还可应用于热轧板的快速焊接。一般的板坯热轧过程 为：板坯被加热到1 1 0 0 c 后送到轧机轧制成卷钢板。这是一个分段轧制过程，它的缺点 是钢板两端不是在恒定张力作用下被轧制的，机械性能低。而且，轧制过程中两端头容 易翘起、卷曲，影响轧制的进行。川崎制铁开发出一种无端头轧制过程，在轧制过程中 利用电磁感应加热将两段钢板的端头快速焊接起来；焊接时间3 - 5 秒，板厚2 0 4 0 m m ， 宽8 0 0 1 9 0 0 m m 1 。 4 c ( c o l dc r u c i b l ec o n t i n u o u sc a s t i n g ) p r o c e s s 是能够将熔炼和铸造连续进行的 一种方法，是由法国m a d y l a m 研究所首次提出来的“”2 ”。基本原理是在集感应加热、 熔炼、搅拌和铸造等功能于一体的冷坩埚外部设置高频感应线圈，依靠电磁力使得液态 金属与铸型处于非接触状态，从而实现一定量金属在炉内悬浮熔炼。这种冷坩埚式悬浮 熔炼技术适用于挥发性、放射性、高化学活性、高纯度及高熔点金属的熔炼。目前正在 开发的钢的软接触电磁铸造技术便部分吸收了这一优点。 电磁铸造( e l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g ，简称e m c ) 是利用电磁场约束功能实现无接 触连续铸造技术的范例，是由前苏联学者g e t s e l e v 等在六十年代初开发成功的，随后 在美国、瑞士等国得到大力推广并已形成工业化生产2 4 1 。由于液态金属靠电磁力约束而 在不与铸型接触条件下凝固成形，因而铸坯表面质量好，不需去皮加工：同时金属液受 电磁搅拌及强冷却水作用，晶粒细小、成分偏析小。尽管搅拌作用会导致熔池液面不安 定，容易在铸坯表面产生沿铸造方向的波纹缺陷，但使用屏蔽板在一定程度上可避免这 种缺陷。由于无模电磁铸造要求较大的电磁压力，目前只能应用于密度小、电导率大的 铝、铜及其合金的生产。 在电磁场控制熔融金属流动方面，连铸过程中电磁搅拌技术( e i e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g ，简称e m s ) 和结晶器内电磁制动技术( e l e c t r o m a g n e t i cb r a k e ，简称e m b r ) 的应用是典型的例子。电磁搅拌技术的实质是在电磁搅拌器内通以低频交变电流，产生 交变磁场，借助电磁力驱动连铸坯内液态金属流动，从而改变了金属熔体凝固过程的流 动、传热和传质过程，以达到改善铸坯的冶金质量。近年来连铸e m s 的实践表明，就目 前使用在方坯连铸机上的结晶器内电磁搅拌技术来看，在强烈旋转搅拌下，连铸过程中 控制钢液流动会带来弯月面稳定性变差等负面问题以及由此导致的各种铸坯缺陷，因此 在搅拌强度、位置以及方式等方面有必要进行进一步的研究。 根据物质电导率不同而诱导产生电磁力大小不同的原理，可以实现对金属液中夹杂 物或者不纯物的分离或提纯。例如，在中间包位置设置耐火材料管，在管上麓加高频电 磁场作用于金属液，使其夹杂物附粘在管壁而剔除。目前，随着强磁场技术的不断发展， 利用强磁场的磁气分离性可以更容易实现某种特定物质从混合物中的遴选“”。 在轻金属电磁加工领域，法国c v i v e s 等人发明了铝的电磁精炼方法( c a s t i n g r e f i n i n g ，e l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s ，简称c r e m ) 2 6 - 2 7 。这种方法是在石墨铸型外设 置单匝感应线圈，在线圈中通以5 0 6 0 h z 的工频电流，产生交变电磁场，起到电磁搅拌 双金属复层材料的电融连续铸造技术研究 作用。c r e m 的工业实验表明，铸锭的晶粒尺寸可比d c 法不用晶粒细化剂时降低大约 l o 倍，铸锭边部的偏析带基本消失，表面光滑，没有波纹等缺陷。 此外，检测领域中也用到了电磁场。除了有测定流动速度的v i v e sp r o b e 外，德国 的a m e p a 公司开发出一种熔渣检测仪，通过它可以对中间包和浇道当中的熔渣进行检测。 综上所述，电磁场正在不断地被应用于金属连续铸造过程的方方面面，特别是在铝 加工、制钢中取得了突破性的进展。目前，铝合金的电磁铸造每年的产量已达到几百万 吨，大有全面替代d c 法的势头；而在制钢的每一个环节，如熔化、精炼、铸造、轧制 等几乎都应用了电磁场。无疑，没有电磁场的应用，钢的连续铸造就不可能发展到今天。 现在，法国、日本、韩国、中国等都在进行重大的电磁连铸技术的研究项目。发展电磁 连铸技术已成为提高材料质量、节能、环保的重要途径。在不远的将来钢的连续铸造将 变成电磁铸造，电磁润滑也不是梦。对于连铸来讲，现有的电磁工艺过程并不是极限和 最先进的，随着电磁场形式的变化，材料加工将朝着缺陷在线控制的自动化和智能化过 程发展。随着人们对电磁场功能认识的加深和超导强磁场的出现，电磁场应用的范围将 不断扩大，甚至微重力场环境在地球上再现也是可能的“”。在新的世纪里，能源、材料 和环境之间的联系不再被忽略，可持续发展已成为关键的问题。电磁场在材料制备过程 中的使用将有助于价格效益生产和能量合理利用，特别是随着超导强磁场技术的发展， 可能开发出无限的新材料和新工艺，这正是材料电磁加工的魅力所在。因此，面对2 1 世纪经济和技术的挑战，电磁场在材料制备过程中将扮演重要的角色，材科电磁加工技 术被认为是继连铸之后冶金工业革命中又一次技术革命，是2 1 世纪金属成形的新方法， 倍受材料和冶金界关注 2 9 - 3 2j 。 1 2 2 电磁制动技术 1 2 2 1 发展和趋向 电磁制动又称电磁闸( e 1 e c t r o m a g n e t i cb r a k e ) ，这一技术及名词是由s k o l l e r g 在1 9 8 2 年英国伦敦举行的第四届国际钢铁会议上最先提出的o “。它是日本川崎制铁公 司( k a w a s a k is t e e lc o r p o r a t i o n ) 和瑞典a s e a 公司共同联合开发的，并在k a w a s a k i 制铁公司o k a y a m a 钢铁厂的5 号板坯连铸机上进行了试验，接着又将这项技术应用于 k a w a s a k i 公司其它的连铸机上，收到了良好的冶金效果。电磁制动技术是在连铸机结晶 器外侧施加一个与铸流方向垂直的静态磁场，水口速度在磁场作用下会受到一个与流速 相反的电磁力而使流速得到控制，从而减少了对板坯窄面的冲击，防止了再熔化，减少 了漏液的发生。同时也减少了夹杂物的卷入，减小了弯月面金属液的波动，提高了弯月 面金属液温度，使保护渣吸收夹杂的能力提高。 第一代电磁制动装置结构较小，见图l 一4 ( a ) 所示，只有两对磁极头作用在靠近 双金属复崖材料的电磁连续俦造技术珂 究 浸入式水口的局部区域，主要用来抑制出水口的射流深度并减少液面保护渣的卷入。结 果表明”“：出水口的射流深度可以减少到5 0 ；弯月面以下液体金属的温度升高5 - 1 0 。c 。 但是，当制动器功率很高时，会导致钢液流动缓慢，此外铸型中心零磁场区会形成单一 的主流区，不利于夹杂物的去除，尤其在薄板坯的情况下，可能会增加保护渣的卷入和 非金属夹杂物的增多。 九十年代初，e m b r 技术逐渐从局部磁场发展成覆盖整个板坯宽度的磁场。新一代的 电磁制动装置不受不同铸造条件的影响，又可以分为全副一段磁场，全副二段磁场及全 副三段磁场。 1 9 9 1 年，法国索拉克( s o l l a c ) 公司和荷兰霍尔戈文( h o o g o v e n s ) 钢铁公司”成为 e m b r 技术在欧洲第一批用户，他们在板坯铸型整个宽面的外侧施加一对水平电磁场，见 图l 一4 ( b ) 所示，电磁制动效果更好。弯月面的流动情况受到板坯尺寸、浇注速度和 浸入式水口的结构等因素影响，当施加电磁制动后，通常可以减轻弯月面的波动。但是 如果磁场强度太大，可能会使靠近板坯窄面的金属液流动停滞，在这种情况下，需要采 取一定的措施，如减小磁场强度，增加拉坯速度，或者减小浸入式水口的出流量等。 到目前，e m b r 技术已经扩展到多区甚至覆盖整个铸型宽面的电磁制动，且称之为第 三代电磁制动技术。其中，双条形电磁制动，如图l 一4 ( c ) 所示，又称为f c - m 0 l d ( f l o w c o n t r o lm o l d ) 应用最为广泛，它是由日本的k a w a s a k i 制铁公司发明的o “。f c m o l d 是在铸坯宽度方向上施加上下两个水平电磁场，一个在弯月面区域，主要使弯月面的流 动稳定；而另一个在出水口附近，主要用来抑制出水口处的流动。 双金属复层材料的电磁连续铸遣技术研究 ( a ) 第一代 e m b r ( c ) 第三代 b m b r ( b ) 第二代 r m r r 图i 一4 各种电磁制动装置 f i g 1 - - 4v a r i o u sc o n f i g u r a t i o n so f e m b rd e s i g n s 国外对电磁制动技术研究较早，也己进行了广泛的生产应用。国内起步相对较晚， 但近年来也开展了大量的工作。贾广霖、高允彦在东北大学建立了第一座板坯电磁制 动热模拟实验台，研究了l m f 型磁场的分布规律和冶金效果，并成功地拉出了长达2 m 的内外质量良好的低熔点p b - s n - b i 合金坯。在此基础上，李宝宽运用m h d 理论对薄板 坯的e m b r 技术进行了专门研究o ”。周波、干勇等首先测量了铸型空载时内腔的磁感应 强度，由测量结果分析了二维薄板坯连铸铸型内的流场变化o 。 由于电磁制动技术在工业中的应用时间还不太长，特别是在理论上对其作用机理 不很清楚，还需要进一步地分析和研究，目前研究的主要手段是利用大容量高速计算 机对连铸铸型流动过程进行数值模拟。 o 权金属复层材料的电磁连续铸造技术研究 1 2 2 2 作用和意义 在板坯连铸中，随着拉坯速度的提高，从浸入式水口喷出的液流流速增大，使得结 晶器内产生强烈的湍流，同时弯月面波动也比较剧烈，容易使夹杂物卷入，而且出水口 的射流对结晶器的窄面的冲击也很大，有可能使初生凝固壳发生重熔。而且，出水口出 流流股穿透深度增大后，夹杂物不再上浮，而形成夹杂缺陷。针对上述问题，电磁制动 具有如下优点： 1 可以有效抑制出水口的流速，减少其穿透深度，防止非金属夹杂物和气泡被带入液体 内部，从而随金属液的凝固残留下来形成缺陷； 2 可以减轻出流速度对初生凝固壳的冲刷，由于凝固壳的增厚，即使提高拉坯速度也不 会增加连铸生产中漏钢的危险； 3 增加了弯月面的温度：减少了弯月面以下金属液体的流速，降低了弯月面的波动高度， 防止保护渣等夹杂物被卷入金属液内部，有利于消除夹杂缺陷，减少表面裂纹，改善 连铸坯的表面质量。 连铸坯的表面质量和内部缺陷与铸型内的流动情况密切相关，从浸入式水口出流的 液体金属对铸型的窄面具有冲刷作用，并将非金属夹杂物及气泡卷入，造成连铸坯的内 部缺陷。同时，弯月面的流动不稳定也会将保护渣卷入铐型内，从而降低了连铸坯的冶 金质量。这些现象在高速连铸的情况下尤为显著，严重地恶化了连铸坯的质量。因此， 如何改善铸型内的流动状态成为提高连铸坯的内外质量和生产率的核心环节。电磁制动 的应用已有好多年，它已经成为连铸生产中改善连铸坯的质量和提高连铸产量的重要途 径。 1 2 2 3 电磁制动在双金属复层材料制备中的应用 利用电磁制动技术生产双金属复层材料是一种新型的非常先进的制造复合材料的 方法。在2 0 世纪9 0 年代中期，日本学者t a k e a c h i 等”用三维磁流体力学模型证实了 电磁场对上下层液体金属流动的制约作用，即电磁场作用将结晶器分为上下两个熔池， 解决了两种金属液的混合问题，并成功地生产出了内外层界面清晰的不锈钢和碳钢复层 材料。它的主要工艺原理是：在结晶器底部施加一个水平磁场，阻止两种金属液的混合， 从而在连铸过程中形成界面分明的复合钢坯。两种不同成分的液态金属同时通过长型和 短型的浸入式水口进入结晶器，借助于位于结晶器下面的水平磁场l m f ( l e v e lm a g n e t i c f i e l d ) 的作用，产生与上部金属液重力相等的足够大的洛仑兹力，使结晶器内形成上下 两个区域。在连铸过程中，上部区域中的金属液形成外层金属，而下部区域的金属液进入 芯部成为内层金属。其原理如下图1 5 所示： 双金届复层材辩的电磁连续铸造技术研死 合金液l 台金液2 内层金属 图1 5 电磁制动制各双金属复层材料工艺原理| 墨i f i g 1 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f c a s t i n gc l a ds l a bw i t he m b r 利用电磁场将结晶器内分为上下两部分，解决了两种金属液混熔的问题，通过精确 控制磁场强度、拉坯速度以及两种金属液浇注速度，可以得到稳定的外层金属厚度和均 匀的组织性能，是一种新型的制造复合钢坯的先进方法。但是，这种方法对设备制造、工 艺水平、操作技能及自动化控制要求很高，特别是正确控制浇注速度，使两种金属界面结 合良好且界面稳定比较困难。此外。金属的组合也受到一定限制。 1 3 本论文的目的和主要内容 最近几十年来，电磁冶金技术倍受关注，新的电磁冶金技术不断地被开发、研制和 应用。本论文针对电磁制动制备双金属复层材料的问题，在总结前人成果的基础上，试 图利用计算机数值模拟和实验手段，开发研究出一种新型的电磁制动制各双金属复层材 料的技术。在2 0 世纪9 0 年代中期，日本学者铸造出了内外分层的复层铸坯。本文作者 在此启发下，希望通过实验手段利用电磁制动制备出左右分层的双金属复层材料。两侧 面具有不同成分和性能的复层材料具有广阔的应用范围，对于宇航、石油、化工、汽车、 造船、电子、冶金、机械及核能等领域有着极为重要的意义。 本论文研究的主要内容包括以下几个方面： 1 第一章是本文的选题背景，综述了本课题国际、国内相关领域最新研究成果及学术 动态。文中主要阐述了双金属复层材料的发展状况、常用的生产方法和电磁技术在 连铸生产中的发展、应用和研究状况。重点叙述了电磁制动技术的发展和应用现状。 并说明了本文将要研制的课题方向。 双金属复层材科的电融连续铸造技术研宄 2 第二章以电磁场理论为基础分析了电磁制动技术的原理，分析了电磁场对于金属液 流动的影响。用商用软件a n s y s 对通电线圈的磁场进行了计算，并使用本课题组现 有计算流场的程序计算了电磁场对流场的影响，为实验提供了理论依据。 3 第三章用实验手段提出了一种新型的电磁制动制备双金属复层材料的方法。从两个 浸入式水口同时浇注两种不同成分的金属液，通过在结晶器底部施加直流电磁场对 金属液施加电磁制动作用，使得两种金属液不发生混流，从而得到界面清晰的复层 铸坯。 4 第四章为本论文的结论。 双金属复层材料的电磁连续铸造技术研究 2 电磁场分析 绪论中已经详细介绍r 电磁技术在连铸生产中的广泛用途，为了研究连铸过程中电磁场 对金属液流动的影响，有必要把握电磁场分布。从描述电磁场普遍规律的麦克斯韦( m a x w e l l ) 方程组出发，从理论上分析了电磁场对金属液流动的影响。 在电磁连铸过程中，金属液由于受电磁场的作用而产生感应电流，感应电流会产生感应 热引起温度场的变化，感应电流与电磁场作用产生电磁力又会引起速度场的变化，因此，从 理论上分析连铸过程流动的电磁控制，需要联立描述电磁场规律的m a x w e l l 方程、描述流速 场的n a v i e r - - s t o k e s 方程和能量方程进行耦合求解。但由于计算机性能以及算法方面的限 制，把三场联立求解有一定的困难。因为金属液的流速比较小，所以流动对电磁场的影响可 以忽略。另外，温度对金属液的一些电参数的影响也不是很大。因此，电磁场可以单独进行 求解。本文利用磁路法计算了通电线圈产生的磁感应强度的值，并使用现有商业软件a i n s y s 分析了磁感应强度的大小和分布，两种结果非常相近。 2 1 电磁控制原理 2 1 1 电磁场基本方程 描述电磁场的基本物理量是电场强度矢量e ，磁场强度矢量h ，电位移矢量d 和磁感应强 度矢量b 。麦克斯韦把电磁场的规律加以概括和总结，得到了一组适用于电磁场的完整方程， 即麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组概括了1 ；电场和磁场存在的形式和条件：两者间的相 互作用和相互转化；它们与有关的微观约束力场的相互作用，因而全面概括了电磁场的规律。 同时，麦克斯韦方程组描述了电磁场与空间坐标与时间的关系，也是电磁场的运动方程，蕴 涵了电磁场的动力学规律。 v d = p ，( g a u s s 定律) ( 2 一1 ) v b = 0 ( g a u s s 定律) ( 2 - 2 ) v x e ：一罂( f a r a d a y 定律) ( 2 3 ) u t vxh=j ( a m p e r e 定律) ( 2 - 4 ) b = 所o h = 卢。珏( a k 构方程) ( 2 5 ) 考虑熔体流动对电磁场的影响，则欧姆定律表示为： j = 以( e + u b ) ( 2 - 6 ) 联立方程( 2 - 2 ) 至( 2 - 6 ) ，经过矢量变化，可得到磁场的扩散方程式“， i 0 b ：v ( u b ) + v ，v 2 b ( 2 7 ) a f 式中左边是磁场的不定常项，右边第一项是对流项，第二项是扩散项，v ，= l o 。称为 双金属复层材料的电酲 连续铸造技术研究 磁扩散系数。 根据方程( 2 - 4 ) 和( 2 5 ) ，感应电流可以表示为： j ：土v 。b m ( 2 - 8 ) 则导体单位体积所受的电磁力为： f ：j b ：! 一c 矿b ) b ( 2 9 ) 卢爪 2 1 ，2 电磁制动原理 从电磁理论知道：静态磁场能抑制运动金属液的涡流和湍流，使金属液在垂直于磁场方向 上以比较均匀的速度流出。在静态磁场中，运动的金属液由于受磁场作用而产生感应电流， 该电流与磁场一起，产生一个与金属液流速平行、方向相反的制动力。由于磁场对浸入式水 口金属液流股的制动和重新分布，使穿透深度降低。电磁制动的工作原理基于两个基本定律： 一是运动的导电液体与磁场相互作用产生感应电流；二是载流液体与磁场相互作用产生电磁 力。电磁力作用在金属液体的每个体积元上，从面驱动金属液的流动。图2 一l 是电磁制动原 理图，从图中可以看出，电磁力与金属液流速方向相反，对金属液的流动起到抑制作用。 流体在磁场中作切割磁力线运动，产生感应电流。 j = o v b( 2 - 1 0 ) 感应电流又与磁场相互作用，产生洛沦兹力。 f = j x b( 2 - 1 t ) 式( 2 1 1 ) 中的负号表示电磁力的方向与金属液的运动方向相反，因而对金属液流动起 到抑制作用。 图2 一i 电磁制动原理图 f i g2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f e m b r o b i 一一 f = 一o v b b 双盘屠复层材料的 乜融连续铸造技术研究 2 2 实验中电磁场的分布 2 2 1 电磁制动器 本实验采用带有铁芯的通电线圈作为电磁制动器，如图2 2 所示。铁芯出生铁制成，其 尺寸为长4 5 0 t u r n ，宽3 0 0 m m ，厚度4 0 m m 。铁芯气隙部分尺寸为1 0 0 m m 8 0 r a m ，中间放置 外部尺寸为9 0 m m x 6 0 r a m 的结晶器。在铁芯的外围绕有2 0 0 匝外径为6 r a m 、内径为4 m m 的 铜管，铜管内部通有冷却水，外侧甩玻璃丝布缠绕以起到绝缘作用。铜管连接在直流稳压电 源上稳压电源的额定电流为2 0 0 a ，额定电压为3 0 v 。当启动稳压电源时，缠绕在铁芯上的 铜管产生稳恒磁场，随着电流增大，磁感应强度增大。 1 图2 2 电磁制动器示意图 f i 卫2 - 2s c h e m a t i cd i a 肼t r ao f e m b r 2 2 2 磁感应强度的计算 2 2 2 1 磁路法计算 磁路中的磁通具有连续性，在忽略漏磁通以后，磁路就与电路相似，在一支磁路中有处 处相同的磁通，就如电路中的电流一样。若在匝线圈中流过的电流为，则在磁路中产生 一个类似于电势的磁势，用f 表示。且f = 盯。类似于电路的欧姆定律，磁路也有其欧姆定 律，表达为f = r 。o 。r 。= 二。其中r 。，f ，s 分别为磁路的磁阻，磁路的磁通量，等效 坤 磁路的长度，磁导率以及磁通穿过的截面面积。对于本实验所用的通电线圈，其计算磁路如 图2 3 所示。 双金属复层材料的电磁连续铸造技术研究 z i 图2 3 电磁制动器的磁路 f i g 2 - 3t h em a g n e t i cc i r c l eo fe m b r 由图可得磁路的总磁阻为r 。：+ 堕+ 土，取。：4 7 x 1 0 一，驯。，：2 0 0 0 p 。， i o s g 芦l 芦2 铁芯气隙部分，。= 8 0 m m ，= l o o m m ，f 2 = 1 0 8 0 m m ，s 。= a b + ( a + b ) t 。“，其中a 为铁芯 长度，b 为铁芯宽度，s 。为气隙部分有效截面积。计算得r 。= 6 ，4 5 1 0 5 h 。根据公式 f = r 。西= n i ，可得磁通量中= m r 。 分别取，为6 0 a ，1 2 0 a ，1 7 0 a ，计算得西值分别为0 0 t 8 6 w b ，0 0 3 7 2 w b ，0 0 5 2 7 w b ，又 根据气隙的磁感应强度为b = 叫s ，则在此三种电流强度下，b 分别为0 0 9 5 t ，0 1 9 t 0 2 7 t 。 以上结果是在不考虑漏磁的理想情况下计算出来的，实际上，磁场中的漏磁还是很严重 的，而且，计算的