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电磁连铸复合净化法制备铝合金铸坯 1 前言 1 1 引言 在材料加工领域，开发新技术、采用新工艺是提高材料性能和开发新材料的前提。 对材料的凝固过程进行控制，可以改善铸锭的表面和内部质量，挖掘材料的潜在性能以 扩大铸造材料的应用范围，提高材料的利用率，减少能源消耗。材料的电磁成型和加工 技术就是重要的手段之一。 熔铸是铝加工材加工生产的头道工序，若熔铸质量不高，不及时排除央杂物( a 1 2 0 3 等) 和气体( 氢) 等冶金缺陷，其后一系列加工工序 a - 气_ 杂公式，根据热力学第二定律，铝液中的氧化物夹杂能自动吸附在惰 性气体气泡上面而被带出液面。 对于铝来说，活性气体主要是指氯气，本身不溶于铝熔体中，但氯气和铝熔体及溶 于铝中的氢会发生如下反应： a 2 + h 2 _ 2 月口个 3 c f + 2 4 ，+ 2 爿，c f l 十 反应生成物h c i 和a i c l 3 ( 沸点1 8 3 ) 均为气态，不溶于铝液，和未参加反应的氯 气一起都能起精炼作用。氯气精炼效果虽然好，但它对人体有害、污染环境、易腐蚀设 备及加热元件，因此在实际应用中大多用氮一氯混合气体进行精炼，以提高精炼效果， 减少其危害作用。 3 非吸附净化的原理 非吸附净化包括真空处理和机械过滤。真空处理，主要是去除铝熔体中的氢，即在 真空状态下，铝熔体的吸气倾向趋于零，而且溶解在铝液中的氢有强烈的析出倾向；机 械过滤，是靠微孔过滤去除铝熔体中的不溶性夹杂。 泡沫陶瓷过滤器过滤净化的机理是通过三种物理化学作用，分离液态铸造合金中的 夹杂物，达到净化金属液的效果【4 9 】。 ( 1 ) 滤饼机制： 复杂的泡沫陶瓷结构，可以高效地机械挡渣。当金属液通过复杂的泡沫陶瓷过滤器 时，通过过滤介质的机械分离作用，把大于过滤器表面孔眼的央杂物滤除，并使之沉积 在过滤器液态金属流入端，成为过滤器的一个组成部分，随着夹杂物在过滤器表面上堆 积数量的增多，逐渐形成了一层“滤饼”。使金属液流通道进一步变细，因而新增的过 滤介质表面可以滤除更为细小的夹杂物。与此同时，介质内部也有过滤作用，在贯穿于 陶瓷体的众多小孔中，有的呈现微小狭缝，有的存在死角，这些变化不同的区域都是截 获夹杂物的可能位置。过滤器内部也存在“滤饼”效应。 ( 2 ) 表面效应： 当金属流经结构复杂的陶瓷体时，被分割成许多细小的流股，增大了金属液中夹杂 物与过滤介质的接触面积及接触机率。由于过滤器表面是极微小的凸凹面，凹块尺寸约 l l o 岬，对夹杂物有静电吸附和粘附截流作用。多数的夹杂物都被截流到过滤器的进 入口一方。当过滤器水平放置时，夹杂物同样也被抑制，截留到过滤器进入口的一方。 ( 3 ) 整流效应： 金属液流过泡沫陶瓷过滤器时，被分割成许多细小单元的流股，其直径较小，从而 使雷诺数( 民= vd y ) 变小，使液流趋于层流运动。当金属液处于层流状态时，由于 电磁连铸复合净化法制各铝合金铸坯 熔融金属液的密度远大于夹杂物的密度，因而使夹杂物有充分的时间上浮除去，也即泡 沫陶瓷过滤器能辅助横浇道挡渣。浇注系统中放置过滤器后，金属液流动的阻力增加， 在横浇道中流动的金属液容易形成充满流动，并使流速降低，有利于夹杂物上浮，并滞 留在横浇道的顶面。 1 6 铝熔体净化的方法及发展 传统的铝液净化处理工艺一般都是在保温炉内分批进行操作的，普遍采用氮一氯混 合气体熔剂进行精炼。这种净化处理工艺大多由人工操作，除气效率低，精炼不彻底。 铝液从保温炉向铸造机输送过程中，铝液会再次被污染，且工人劳动强度大，劳动环境 差，污染严重。对大容量的炉子，人工操作难以实现。随着航空用高质量铝合金、铝箔 等高精制品的出现，对铝坯的质量要求越来越高。传统的铝液净化处理工艺已不能适应 大规模生产高质量锭坯的要求。为此，国内外有关人士经过长期摸索的大量工作，开发 了先进的铝熔体净化处理的新工艺炉外铝熔体净化处理新工艺，即铝熔体在从保温 炉向铸造机输送过程中，进行精炼、过滤处理，可以高效除去熔体中的可溶和不可溶的 杂质。 1 6 1 生产中应用的铝熔体净化处理新工艺 铝熔体净化处理方法很多，归纳起来大致可分为三大类： ( 1 ) 以除气为主的方法有a s v 公司的动态真空除气法。 2 ) 以除不溶夹杂物为主的凯撒公司的陶瓷管过滤法和柯那尔公司的泡沫陶瓷过 滤法。 ( 3 ) 既可除气，又可去夹杂物的有英国铝业公司的f i l d 法，美国铝业公司的 a 卜c o a 4 6 9 法，美国联合碳化物公司的s n i f 法，法国彼西涅公司的a l p i l r 法，美国联 合铝业公司的m i n t 法。 1 6 2 净化技术存在的问题 上述铝熔体处理方法中，动态真空处理工艺由于具有设备结构复杂、设备价格昂贵、 设备维护较困难、不能实现在线连续处理、设备的密封性难以保证等缺点，难以推广使 用：泡沫陶瓷过滤法由于其本身不具有除气功能，过滤板需定期更换，易破损，常给生 产带来麻烦，生产上往往不单独使用；a 1 - c o a 4 6 9 法由于要定期更换氧化铝球，使用前 要加热过滤床，因此使用起来方便性较差；a l p i l r 与s n i f 装置除气效果好，使用方便， 深受广大用户的青睐。a l p i l r 与s n i f 相比较，设备结构简单，价格便宜，处理箱内衬 没有石墨材料，使用寿命长，炉内不用气体保护，清渣方便，生产上常将a l p l l r 和s n i f 与泡沫陶瓷过滤法相结合，净化效果更好。m i n t 结构最简单，没有同熔体接触的运动 部件，占地面积小，更换合金品种方便，除渣效率高，更加适用于多合金生产的熔铸机 组上使用。 但是上述净化方法也存在着以下缺点： ( 1 ) 由于装置在保温炉和铸造机之间，拉长了保温炉和铸造机之间的距离，增加了 电磁连铸复合净化法制各铝合金铸坯 不必要的面积；而由于距离的拉长，除气箱一定要加热，增加了能耗。 ( 2 ) 更换合金品种时，除气箱内的铝液要排放掉，给生产造成了很大的不方便，而 且，除气箱中的原有铝液将作为废品处理，提高了生产成本。 1 7 铝硅键合线的应用及存在的问题 1 7 1 铝硅键合线的应用和研究 键合线( a 1 啪i n j 啪a l l o yb o n d i n gw i r e ) 是把集成电路硅片上的电极和引线框架键合 起来的铝和铝合金丝。在集成电路制造过程中，键合线是必不可少的材料。铝合金键合 线丝主要是针对5 0 年代后期键合金丝与i c 芯片上的铝电极在接合处生成a u a l 金属 间化合物，导致键合强度的降低而开发的。 集成电路键合线主要具有直径微细( 通常为2 5 4 0 “m ) 、拉拔变形率大、连续变形 时间长、对抗拉强度及延伸率等力学性能的稳定性与可靠性要求非常高等特点，随着集 成电路的不断发展，所要求的线径越来越细。通常集成电路键合线主要用金、铝合金制 成。其中，金的导电性和导热性好，延伸率高因而易于拉制成细而长的键合线。但金线 存在两个明显的缺点，其一，原材料价格较贵，制造成本高；其二，密度大，不适合航 天、航空等军工部门的需要；而铝基键合线的密度小、导电和导热与金和铜又较为相近。 因此，发展密度更小、线径更细和性能优良的a l 一1 s i 键合线不仅有利于资源的合理 利用，降低集成电路的生产成本，同时可以满足相关领域对轻量化的要求。 目前，国内外常用的键合铝丝都是添加了1 左右的硅的合金丝。美国a s t m f 4 8 7 8 2 标准规定了含硅量的范围为s i l 0 0 0 1 5 ，杂质总量小于o 0 l 。常用铝硅丝的 直径为2 5 l o o p m 。其它铝合金有a l 一4 c u 、a l l m g l s i 等。铝和铝合金丝适 用于高信赖集成电路和超大规模集成电路1 4 印。 2 0 0 0 年我国集成电路总产量为8 0 亿块，每万块需用2 5 3 0 啪的丝4 0 0 m ，丝重 o 2 克，百米，丝用量1 6 0 0k g ；半导体分立器件总产量为3 5 0 亿只，规格为2 5 5 0 u m ， 每万只用5 0 m ，丝重o 7 克百米，丝用量1 3 0 0k g ；其中铝硅丝的用量市场规模达1 5 亿元人民币。随着微电子行业向小型化、高密度化的发展，一半以上的普通键合丝将向 高密度低弧度铝硅键合丝发展，其发展潜力巨大，前景广阔。我国铝硅合金键合线还处 于开发研制阶段，由于关键技术原因，仅有二、三家生产厂小批量投放市场，生产规模 小，产品质量低且性能不稳定，每年生产总量也不到市场份额的5 ，因而大部分只能 依靠进口满足生产的需要。 根据目前市场价格，成品铝硅丝每l 唔价格为4 5 万元，而所用原料铝硅合金的价 格按每蝇为8 0 元计算，因此本项目所选择的铝硅键合线本身就具有很高的附加值，将 所开发的铝硅合金键合线生产技术，由试验阶段转入批量生产阶段，将不仅可以满足电 子工业发展的需求，又能替代进口产品，为国家节约大量外汇。由此可见，作为国家微 电子产业配套材料的键合线，其经济效益和社会效益十分显著。 1 7 2 铝硅合金键合线存在的问题 电磁连铸复合净化法制各铝合金铸坯 近年来，国内外的诸多学者都在改进a l 一1 s i 合金生产键合线技术，并且在国外 已经取得了良好的实用效果。国内在这方面的研究还有许多关键问题需要解决。生产中 遇到的主要问题是键合线拉拔过程经常出现断线，进一步的变形加工受到限制或者不能 满足连线时的性能需求，不仅严重影响生产效率，同时无法满足全自动键合机的生产要 求，目前国内市场主要依靠进口。总结其原因关键是由于坯锭的凝固组织、合金的纯净 度以及线材成型和热处理工艺的缺陷所致。前期研究表明，利用电磁场的特殊作用，可 以实现熔体的夹杂物、氧和氢等杂质的去除，大大降低夹杂物和气体的含量，从而提高 金属材料的导电、导热性能、抗拉强度和塑性。 1 8 本文的研究目的和主要工作内容 1 8 1 本文的研究目的 近几年本研究室一直进行电磁连铸铝合金铸锭的研究口3 3 8 】，成功铸造出具有工业尺 寸的优质铝合金电磁铸造铸锭。 本实验将铝熔体复合净化的思想引入到铝硅合金的电磁连铸过程中，在软接触电磁 连铸的工艺过程中增加熔体复合净化装置( 多孔陶瓷网过滤装置和气泡浮游净化装置) ， 以便开发出a l s i 合金铸坯制备新技术，用于拉拔a l s i 合金键合线生产。 1 8 2 主要工作内容 1 实验装置的设计 电磁连铸装置的设计包括电磁连铸结晶器、感应器、底模、冷却系统的设计。复合 净化装置的设计包括过滤装置、吹气净化装置的设计及整体装置的组装。 2 铝熔体复合净化工艺实验 进行铝熔体电磁连铸复合净化的工艺实验，确定可获得稳定实验结果的主要工艺参 数及工艺流程。 3 电磁连铸过程电磁场豹测试 分析结晶器内沿高度方向和沿半径方向的磁感应强度分布，以及电源功率对磁场的 影响。 4 a 1 s i 合金电磁连铸实验 研究a l - s i 合金电磁连铸过程中，浇注温度、液面高度、冷却强度和铸造速度这些 工艺参数之间的关系，掌握这些工艺参数对铸造成型的影响规律，制备优质铸坯。 5 铸坯性能检测 对实验获得的a l - s i 合金铸坯进行宏观观察、显微组织及力学性能检测、铸坯的断 裂机制分析、铸坯的成分偏析机制分析，分析电磁连铸复合净化工艺对铸坯质量和性能 的影响。 6 镁合金电磁连铸尝试 尝试将电磁连铸复合净化工艺应用于镁合金的半连续铸造中。 电磁连铸复合净化法制备铝合金铸坯 2 实验装置的设计及磁场的测定 2 1 电磁连铸实验装置设计 2 1 1 电磁连铸结晶器的设计 在铝硅合金的软接触电磁连铸 过程中，铜结晶器外侧的电磁场是以 一定频率做正弦振荡的时谐电磁波。 在一定的频率下，对垂直入射导体表 面的电磁波，m a x 、e l l 方程可以用下 式表达： v 2 曰+ 珂2 “曲= 0 v 日= 0 e ：三一v b 删盯 对于平面电磁波，求解以上方程 组就可以得到电磁场在导体中传播 的解。电磁场在金属中按指数规律衰 减1 2 2 】： b = 磊p 一7 面 式中：b 为磁感应强度 t 】，巧为 角速度【刚s ，为磁导率【h m 】，s 为 介电常数【f m 】，仃为电导率 s m 】， 口。为铸锭表面的磁感应强度【t 】，r 为 距铸锭表面的距离 m 1 ，_ 为电磁场的 频率 h z 】。 图2 1 不同频率的电磁波在铜结晶器中的衰减曲线 f 追2 1a n e n u a t j o nc u r v e so f e l e c t r o m a g n e t i cw a v e w 池d i 彘r e n t 雠q u e n c i e s i nc o p p e rm 0 1 d 韬破表断的距离，m m 图2 2 不同频率的电磁波在铝液中的衰减曲线 f i g 2 - 2a t t e n u a t i o nc u r v e so f e l e c t r o m a g n e t j cw a v e w i t hd i f f b r e mf k q u e n c i e si nm 0 1 t e na l u m i n i u m 依据上式对不同频率的电磁场在结晶器、铝液及结晶器系统中的分布进行了计算 叽其中，c u 的电导率为5 8 1 0 7 ( s m ) ，a l 的电导率为4 1 0 6 ( s m ) ；磁导率为4j l o “( h m ) ：结晶器厚度为6m 。 图2 1 是不同频率的电磁场在铜结晶器中分布的计算结果。频率越高，电磁场在金 属中的衰减越快。经过6 咖厚的铜结晶器后，5 0 h z 的工频电磁场的磁感应强度衰减到 表面处的6 0 左右：而频率为l k h z 的中频电磁场仅剩下了表面处磁感应强度的1 0 ； 对于频率更高的中高频电磁场，已经被全部衰减掉了。可见，铜结晶器对交变电磁场， 尤其是中高频电磁场具有显著的屏蔽作用。铜结晶器的电磁屏蔽作用严重影响了交变电 磁场在铝硅合金连续铸造过程中的应用。 电磁连铸复合净化法制各铝合金铸坯 电磁铸造过程中，铸坯的冷却分为一冷和二冷，并且要求冷却水的着水点位置适当 且各点处于同一水平面上，分布合理，最终保证铸坯周边的凝固界面处在同一水平面上。 实验中分别为一冷阶段和二冷阶段设计了冷却水套1 ( 见图2 7 ) 和冷却水套2 ( 见图2 - 8 ) 。 冷却水套l 整体用厚2 衄不锈钢板焊接，中心处6 个巾6 咖的圆孔位置与结晶器( 图 2 4 ) 内径较小的一端6 个内螺纹孔位置对应。四周1 0 个孔的位置与冷却水套2 中的位 置对应。加工过程中，上盖( 如图标注) 先不封装，待其它部分设计加工完毕后，再装入 感应器f 图2 5 ，感应器需要包覆绝缘层处理) ，然后焊接上盖。 图2 6 底模的结构示意图 f i g 2 - 6s c h 咖a t i cd i a g r m o f b o n o mb l o c k 譬t 虬一 l i 一 4 n几鲁闭 r 可 r 一 图2 - 7 冷却水套l 的结构示意图 f i g 2 - 7s c h e m a t i cd i a g r a mo f c 0 0 1 i n gw a t e r j a c k e t l 6 9 5 一l l ij - | _ | - i ，7 l r = 正习【 鼻。ooo o - 崩二刊尸三 ! ! 型 iii 一 图2 - 8 冷却水套2 的结构示意图 f i g 2 8s c h e m 撕cd i a 铲a n lo f c o o l i i l gw a t e r j a c k e t2 电磁连铸复合净化法制各铝合金铸坯 冷却水套2 同样整体用厚2 衄不锈钢板焊接，出水孔圆环用厚5 衄板制作，圆周方 向均匀钻2 4 个由2 唧圆孔。中心处6 个中6 咖的圆孔与结晶器( 图2 4 ) 内径较大的一端6 个内螺纹孔位置对应，四周1 0 个孔的位置与冷却水套1 中的位露相对应。 2 2 复合净化实验装置设计 2 2 1 过滤装置的设计 2 2 1 1 过滤净化法的工艺原理 多孔陶瓷过滤器可分两类，即刚质陶瓷过滤器和泡沫陶瓷过滤器。多孔陶瓷过滤器 是继颗粒状过滤器之后，在铝加工生产和铸造生产中出现的新型过滤器。 刚质陶瓷过滤器的孔隙率较小( 一般 8 0 9 0 ) ，但二者过滤净化机理相同，均具有深床过滤机制。过滤时，铝液携带着非 金属夹杂物沿曲折的沟道和孔隙流动，在这个过程中，夹杂物在沉积作用、流体动力作 用、直接截取作用、布朗扩散作用等捕集机理的联合作用下( 通常情况条件下，沉积作 用和直接截取作用占优势) ，与过滤材料内表面相接触，此时，受到流体轴向压力、摩 擦力、表面吸附力( 包括总是呈现吸引力的范德华力和静电、动电力) ，有时还有化学力 等滞留力作用的夹杂物，便被牢固地滞留在过滤材料的孔洞内表面、缝隙、缩缝或洞穴 处而与金属液相分离。 这种过滤净化工艺的过滤效果取决于多孔陶瓷过滤器的厚度，孔径大小、形状、以 及铝液接近过滤片的速度。过滤片厚度愈大和孔径愈小，铝液流经过滤片时间愈长，夹 杂物被沉积、碰撞的机会也多，吸附在孔壁的也就愈多：由于过滤片通道是弯曲的，因 此铝液通过孔道改变方向的同时，其中的固体微粒与孔壁碰撞会被粘附到孔壁上。当铝 液在孔洞中的流速很小时，会因固体微粒对孔壁无碰撞作用而不被粘附：当速度很大时， 铝液流会把固体微粒从孔壁上冲刷下来，并将其带走。所以对每一种被过滤的铝液都要 选择最佳的过滤速度。 过滤器自身成本很低，又可使铸件( 锭) 质量和性能大幅度提高，这往往可使铸件( 锭) 的使用价值成倍增长，因此过滤净化是一种经济收益率极高的工艺方法，这也是别的工 艺方法无法比拟的。 2 2 1 2 过滤对铝及铝合金质量的影响 过滤对铝及铝合金的内在质量乃至铸件、铸锭及铝加工产品的性能具有重要影响， 主要表现在如下几方面。 1 除去铝液中携带的大块夹杂物 铝液容易氧化，因氧化膜卷入而造成的氧化夹杂物无论对成型铸件还是对变形加工 用的铸锭的质量都有十分显著的影响。但是，铝液经过滤净化处理后，无论采用上述哪 种类型的过滤器，只要使用得当，都可以有效地除去铝液中所携带的大块夹杂物。如果 在连铸的流道上和结晶器的浇注系统中采用网型过滤器，即可基本上消除大块夹杂物； 如果放入泡沫陶瓷过滤器，则可在生产条件下从根本上除去铝液携带的大块夹杂物。 电磁连铸复合净化法制各铝合金铸坯 理。其安放位置处于熔化炉与电磁连铸成型系统之间，整个净化处理的时间大约为 1 5 m i n ，在净化处理过程中，必须保证铝液不能过度降温和凝固，还需要对铝液的温度 进行调整。因此设计了净化装置的保温功能，对铝液的温度进行控制。该装置包括净化 装置外壳、净化装置上盖及净化装置膛体等部分。 本实验用w z k 可控硅温度控制器控制温度，其最大控制温度可以达到l l o o ，选 用n i c r n i s i 铠装热电偶，测量熔化炉内温度，并控制浇注温度。 净化系统：净化装置箱体内腔用耐火隔板分成过滤净化室和气体净化室两部分。在 过滤净化室与气体净化室之间的隔板底端放有泡沫陶瓷板过滤器，铝液经过它的过滤净 化，除去氧化渣和非金属夹渣；在净化室底部有两个多孔陶瓷吹气头，相当于气体扩散 器的作用。净化过程中气体从氩气瓶流出、经过减压阀减压后，通过气体流量计控制气 体的流量，然后经过多孔吹气头吹入到复合净化装置中，控制流量计确保两个吹气头的 吹气量相同，使气泡的分布均匀。从多孔陶瓷吹气头喷出细小气泡进入熔体，弥散气泡 与气体均匀混合并上浮，气泡在熔体中靠气体分压差和表面吸附原理，吸收熔体中的氢， 吸附氧化物夹渣，在气泡上升过程中带出熔体表面，使熔体得到净化。处理后的熔体直 接进行浇注，并且在金属液的上方通有氩气保护，防止金属液被空气中的水蒸气及氧气 二次污染。 图2 1 3 是净化装置外壳的结构示意图，由厚2 衄的不锈钢钢板焊接而成。外壳尺 寸为4 4 0 栅3 7 0 衄3 0 0 哪。外壳个侧面的上部焊接4 个巾1 5 衄、长2 5 唧的不锈 钢管，用来穿过电阻丝和陶瓷绝缘管；中间的安装板用来固定用环氧树脂板制作的接线 板，接线板上制作两个接线柱，用来连接电阻丝和电源线；下部开两个由1 5m 的孔， 用来安装吹气管：外壳的另一个侧面焊接一个截面为1 0 0 嗽1 0 0 勰的槽，用来制作出 液口。 图2 1 4 是净化装置上盖的结构示意图，上盖用厚2 姗的不锈钢钢板焊接而成。尺 寸为3 5 0 锄3 8 0 衄5 0 皿。上盖上焊接一个巾3 0 衄5 0 咖的不锈钢钢管，用来固定 热电偶。上盖的内表面压入厚3 0 彻的硅酸铝保温毡，保温毡用不锈钢网固定在上盖上， 防止上盖的散热，对净化装置进行保温。 t 呲l】 i 3 8 0。j 图2 1 4 净化装置上盖的结构示意图 f i g 2 1 4s c h e m 砒i cd i a g r a mo f 印p e rc o v e ro f p u r i f i c a i i o nu t e n s 订 净化装置膛体的结构如图2 - 1 5 所示，尺寸为3 8 0 衄2 9 0 咖2 5 0m 。膛体的壁厚 为3 s 衄，净化装置膛体的四周壁上加工有间隔4 0 咖、由1 5 衄的通孔，用来缠绕电阻 电磁连铸复合净化法制各铝合金铸坯 丝，对净化装置腔体进行加热。电阻丝共有两组，采用并联的方式连接，总的功率为 5 k w 。净化装置膛体的外壁与净化装置外壳之间用硅酸铝保温毡填充，厚度为3 0 咖左 右。空载加热实验证明，当净化装置膛 体内的加热温度为8 5 0 时，净化装置 壳外壁的温度为1 0 0 左右，说明设计 的保温层具有良好的保温作用。 净化装置膛体内被厚2 0 哪的硬质 耐火砖分隔为过滤净化室和气体净化 室两部分。隔板的下部开设尺寸为6 5 嘲6 5 栅的槽，用来安装泡沫陶瓷过 滤板，隔板与泡沫陶瓷过滤板之间用耐 火水泥粘结，加热硬化后具有足够的强 度。在气体净化室底部安装有两个多孔 吹气头，惰性气体从多孔吹气头喷出细 小气泡进入熔体。 2 3 磁场的测定 图2 - 1 5 净化装置膛体( 俯视) f i g 2 - 1 5p u r i 行c a t i o nu t e n s i lh e a r h 在铝硅合金电磁连铸过程中。软接触式开缝结 y 晶器对电磁场的分布产生很大的影响。电磁场在成 型系统中的透过效率得到提高，同时也使结晶器内 电磁场的分布变得更复杂。合理均匀的磁场分布是 实验成功进行的重要条件，因此进行磁场的测量和 研究十分必要。本文采用小线圈法测量了在结晶器 高度方向、半径方向及不同功率条件下的磁场分布 情况。 2 3 1 实验方法 毫伏计 图2 1 6 磁场测量的示意图 f i g 2 - 1 6s c h e m a t i cd i a g r a r i lo f m e a s u r i r 培o f m a g n e t i c 丘e l d 电磁铸造条件下的电磁场为复杂的三维场，涡流的存在、高的电流频率使磁场的分 布很不均匀，直接对磁场进行研究有一定的困难。根据电磁感应原理，可以用小线圈法 测量感应器内的磁场分布，如图2 1 6 所示。 当小线圈置于磁场中时，小线圈在电磁场的作用下将产生感应电动势。通过测量小 线圈的感应电动势，利用下式来计算磁感应强度： b = 曼 4 4 4 小心 式中：b 为磁感应强度，t ；e 为感应电动势，v ；，为频率，h z ；为线圈有效匝 电磁连铸复合净化法制备铝合金铸坯 数is 为线圈有效面积，m 2 。 2 3 2 结晶器内沿高度方向的磁场分布 表2 1 、表2 2 分别是电源功率为1 0 k w ，频率为l k h z 时，测得的缝隙( s l i t ) 处与型 壁处( s e g r n e n t ) 磁感应强度沿结晶器高度方向的数值。图2 - 1 7 和图2 1 8 是根据表2 1 和 表2 2 所得的磁感应强度分布曲线。r 为测量点距结晶器壁的距离。 由图2 1 7 可知，在结晶器壁处，磁感应强度最大；沿结晶器高度方向磁感应强度 的最大值出现在结晶器的中下部；最大值的位置随着距结晶器壁距离增大，向结晶器顶 面方向移动。 由图2 1 8 可知，型壁处与缝隙处的磁感应强度分布规律基本一致。进行铝硅合金 电磁连铸成型实验时，为使电磁场充分作用于弯月面区域，应该将液面位置控制在磁感 应强度最大的位置略上，以使初期凝固壳位于磁感应强度最大的位置。 表2 - l 磁感应强度在缝隙处沿结晶器高度方向的数值( m t ) t a b i e2 - 1d a t ao f m a g n e t i cn “d e n s n y a l o n g t h e l e n 舒ho f s l i t 沿高度方向 01 53 04 55 56 57 58 5 ( 栅) 1 2 0 o0 9 0 3l 3 1 l5 4 9 31 3 0 3 81 7 6 3 l2 1 4 8 32 4 6 0 02 74 7 l1 8 6 9 67b 7 211 6 4 5o 8 1 9o 4 l l5 6 5 81 2 6 2 71 6 2 3 6 】80 3 92 00 0 71 73 8 5l l6 4 36 0 6 9o8 5 4 距结晶 1 1 0 2 4 6 l4 3 45 9 8 51 2 0 5 41 4 7 6 01 4 4 3 31 3 1 1 9 8 姗1 76 4 7 74 5 0 9o “l 器壁的 1 7o 8 6 l24 6 06 3 1 51 14 8 11 3 7 7 61 1 5 6 29 7 5 96 8 8 85 9 0 45 0 0 l1 5 2 5 距离r 2 3l5 5 73 2 7 96 “21 09 0 51 2 ，9 5 793 4 87 8 7 26 2 3 l5 6 5 85 0 0 126 2 5 ( 衄) 2 920 1 03 7 3 267 2 31 04 9 71 2 1 3 578 7 268 0 7 5 3 3 153 3 l49 2 029 5 2 3 92 4 6 04 1 8 26 9 6 99 8 4 01 1 1 5 1 6 2 3 l5 4 1 24 5 9 347 5 545 0 932 7 9 4 92 8 2 94 ，4 2 87 1 3 49 4 2 91 0 ，4 9 75 4 1 25 0 8 54 2 6 345 0 94 4 2 831 1 7 5 92 7 4 833 6 37 0 5 39 3 4 81 07 4 35 0 8 550 8 5 4 1 8 24 5 0 95 9 0 44 1 8 2 表2 2 磁感应强度在结晶器壁处沿高度方向的数值( m t ) t a b l e2 - 2d a t ao f m a g l l e t i cf i u x d e n s 时a 1 0 n g t h ei e n g t ho f s e g m e m 沿高度方向 o1 53 04 55 5 6 57 58 59 51 0 51 2 0 【帅) oo 8 9 30 9 0 35 ，8 2 3l i 8 0 81 5 8 2 5 1 9 0 2 32 2 3 8 62 2 9 5 91 9 2 6 978 7 2 15 2 5 5o 8 6 10 4 1 l5 5 7 7“6 4 31 54 1 71 72 2 0 1 9 2 6 91 3 4 4 99 8 4 05 0 8 51 5 5 7 l l00 5 705 7 3 5 7 3 9“2 3 51 4 2 6 81 3 5 3 01 3 2 8 46 7 2 35 ，4 1 245 0 9 0 6 7 2 距结晶 罂壁的1 7 0 6 1 51 - 9 6 859 8 51 0 6 5 91 32 8 4 1 0 0 8 69 3 4 85 - 5 7 74 9 2 046 7 4i3 l l 距离r 2 3t 1 3 92 6 2 5 6 0 6 91 0 1 6 71 2 6 2 78 6 1 079 7 25 0 0 14 8 9 s47 5 52 0 8 4 f m ) 2 9l 6 9 031 1 76 1 5 09 6 7 51 1 9 7 37 2 15 6 8 0 745 9 345 7 646 7 423 1 2 3 921 1 63 7 3 26 3 1 59 1 8 31 1 0 7 0 6 0 6 95 7 3 94 0 t 74 ，4 l l4 6 7 42 5 5 8 4 925 0 24 1 4 06 3 1 58 8 5 61 05 7 85 4 1 2 5 2 4 737 7 i43 0 54 5 0 927 8 7 5 92 7 4 83 3 6 37 0 5 39 3 4 81 0 7 4 35 0 8 55 + 0 8 5 4 1 8 24 5 0 95 9 0 44 1 8 2 22 电磁连铸复合净化法制各铝合金铸坯 图2 1 9 对比了当电源功率为1 0 k w ，频率为1 k h z 时在结晶器边缘，缝隙处和型壁 处，磁感应强度沿结晶器高度方向的分布衄线。可以看出，在同一个测量平面内，径向 位置相同时，缝隙处比型壁处的磁感应强度大，但差值很小，故铸坯所受的电磁力较均 匀，不会在铸坯表面造成严重的纵向凹痕。 3 0o 2 5 0 h 2 0 f0 萋1 5o 型 鏊1 0o 5 0 0 o 一r = o | + r = 5 mi 广一r = 1 l 咖i br = 1 7 mi 一r = 2 3 咖 p r = 2 9 咖 + r = 3 9 m _ 。一r = 4 9 皿 一r = 5 9 m 02 0 4 06 08 01 0 01 2 01 4 0 距结晶器项面的距离m 图2 - 1 7 磁感应强度在缝隙处沿结晶器高度方向的分布 f i g 2 - 1 7d i s t r i b u l i o no f m a 印e t i cn u xd e n s 时a l o n gt h e1 e n g l l lo f s l i t 一r = 0 一r = 5 咖 一r = 1 1 m 一r = 1 7 哪 02 04 06 08 0 1 0 01 2 01 4 0 距结晶器项面的距离m 图2 1 8 磁感应强度在结晶器壁处沿结晶器高度的分布 f i g 2 - 1 8 d i s 打i b u t i o no f m 呼l e 廿c n u xd e n s i 母a l o n g t l l e l e n g t l l o f s e g m e n t 0 0 0 0 0 0 0 踮 坫 m 0 0 、l巡瞪越的拦 电蛹灌麓署玺 墅篓 饕鬻l2 焉强。萋蓦；荽卦i | i 黧墅豢溪? 霾羹雾蠹篓霾霎囊釜妻镬囊 到一泰嚣蓑i 骝萄羹鍪冀饕霾嚣霪薅雾菇螽蕃鬻鏊蕊感囊薰錾i 堡 羹霪渔鐾蓄理蠢蠹嚣辫鋈蔫嚣 嚣雾囊受鬓霪鬟蠢霪羹鬻鞲； 篓豢寨熏藿囊蠢囊羹霪篓鬟雾鋈篓囊羹囊霾霎嚣鬻鬻囊蠢篓 星函蠢篓霪霎嘎羹；霪羹囊纂蒿i 獬鹫? l 型f 嚣蠢翼p 主委薹l l ；u f h i i 璧零垂i 雾 豢鬟蠹i 翡，墓目 半径方向的数值 (mt)t曲1e 2 - 3 d a ；女o f m a g n e n c f j u x d e ns i ；囊o na ；i 三i u si na c r o s s s e 自；i o n 的距离( 砌) 05 i i1 7 2 32 9 3 94 9 59距结晶器 项面 的距 离h ( i i i i i ) 00 - 8 9 3o 8 6 1 00 5 70 6 1 5 1 1 3 916 9 0 2 ii 62 5 0 22 7 4 8 1 509 0 30 4 ；i 0 5 7 3i 9 6 8 2 6 2 53 i 蓁7 37 3 24 1 4 03 3 6 3 3 05 8 2 35 5 7 7 5 7 3 95 9 8 560 6 9 6 1 5 06 3j 563 1 5 70 5 3 4 5；8 自自 ；i 6 l l“2 3 51 0 6 5 9 l o 1 6 796 7 59 1 8 388 5 6 93 4 8 5 51 5 8 2 51 5 4 1 7 1 4 2 6 81 3 2 8 41 2 6 2 71 l9 7 3 ；0 7 01 05 7 8 1 07 4 3 6 5 1 9 0 2 31 7 2 2 01 3 5 3 01 00 8 6 86 l o7 2 1 5 6 舀自954 1 250 8 5 7 5 2 2 3 8 61 9 2 6 91 32 8 4 9 3 4 87 8 7 268 0 7 5 9 9 95 750 8 5 8 52 2 9 5 91 3 4 4 9 67 2 35 5 7 7 5 薹9 14 5 9 3 4 0 1 73 7 7 l41 8 2 9 51 9 2 6 9 9 “05 4 1 24 羹o 4 ，8 9 54 5 7 644 ii 4 3 0 545 0 9 1 0 57 8 9 5 5 4 5 t 6 7 4 4 ；54 6 l l 4 脚44 5 5 9 0 4 1 2 0i 5 2 515 5 706 7 2 1 3 ；2 自目4 2 3 1 22 5 5 8 2 7 8 741 8 2 24 x 电磁连铸复合净化法制各铝合金铸坯 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 倒 蛹2 0 0 趟 镣1 5 0 帮 1 0 0 5 0 o 0 l o2 03 04 0 5 06 07 0 距结晶器壁的距离m 图2 - 2 l 不同电源功率时结晶器内的磁场分布 f i g 2 - 2 1d j s 打t b u t i o no f m a g n e t i cn u xd e n s i t yu n d e rd i f 话r e n tp o w e r f r e q u e n c i e s 26 电磁连铸复合净化法制备铝合金铸坯 3 电磁连铸复合净化工艺实验 3 1 实验装置 图3 1 是电磁连铸实验装置示意图，图3 2 是实验装置的实物照片。本实验采用分 体可拆卸式成型装置，其优点是在实验失败时，便于取下铸坯；或是结晶器出现问题时， 易于拆卸维修。 氩 罄晴 流量沣 氢气瓶 吹气管 保护里 切睦 感应线圈 底醛 底梗 图3 一l 电磁连铸复合净化的实验装置示意图 f i g 3 1s c h e m a t i cd i a 黟a m0 fe x p e r i m e n t 印p a r a m s0 fe l e c n l o m a g n e t i c c o n t i n u o u sc a s t i n gw i 也c o m p o u n dp u f i c a t j o nd e v i c e 电磁成型系统：电磁成型系统是装置的核心部分，用来使熔融金属保持成型，图 3 3 是电磁成型系统的结构示意图。中高频电源可以输出频率分别为1 k h z 、2 5 k h z 、5 k h z 和1 0 k h z 的交变电流。中频淬火变压器可将电源输出的高电压低电流转化为低电压高 电流，供感应器产生交变电磁场。 净化系统：包括过滤净化室和气体净化室两部分。 冷却系统：冷却系统由蓄水池、冷却水套、流量控制器和一系列水路组成，用于结 晶器、中高频电源、淬火变压器、电磁感应器和铸坯的冷却。喷水方式采用水孔直喷式， 水流喷射方向与铸坯表面基本成直角。 熔化设备：熔化设备为碳硅棒加热反射式电阻炉。 电磁连铸复合净化法制备铝合金铸坯 图3 2 电磁连铸复合净化的实验装置 f i g 3 - 2e x p e r i m e m 印p a r a l i l so f e l e c t r o m a g n 譬王 自重攀；i 妻差? j 三? 三謇荨交i 嚣乎薹要囊妻囊毫篁i 凳j 壹r - j 二三 攀震莩鬟霉耋? 萋冀萋| | 耋= 苎苎- 薹薹饕骛羹雾袋誊盥疆薹薹； 等i t 乏主茎蓁拿差暑? o 害 j ：i - 之i 拿薹茎墓季：= = = 二j j 三三三三墨a 细胞培养液中n0 2 的测定 数据分析显示，随着给药组培养液中l 甜g 浓度增加，n 0 2 。生成 浓度伴随增加( 图4 ) ， ， o o 5 1 5 2 1 o 一 ：2 之 卫巴 j xf 电磁连铸复合净化法制备铝台金铸坯 ( 4 ) 启动铸机，将底模升入结晶器中，使其顶面位于感应器底平面位置。 ( 5 ) 启动中高频电源，调整感应器的电磁参数至规定值，使电源输出功率为1 0 k w 。 ( 6 ) 打开冷却水，并调整到适宜的水量。一般水流量为1 o 2 0 m 3 m ，在本实验中 选用1 2 m 。 ( 7 ) 使铝液从熔化炉流入到净化装置中，同时向净化装置内吹氩气，气体流量为 o 3 m 3 m ，吹气时间为8 m i n ，吹气后铝液静置5 m i l l ，此时铝液的温度大约在7 1 0 。 ( 8 ) 当液态金属流入到底模中时，在熔液的弯月面上方持续吹氩气保护，减少铝液 与空气的接触，降低氧化程度。加热装置同时对熔液保温。 ( 9 ) 当金属液面达到一定高度时，启动拉坯系统，使铸坯由初始速度逐渐过渡到稳 定状态，铸机底模的下降速度分别为l o 1 1c m m 叫中8 0 咖铸坯) 和9 1 0c n 恤i n ( 中1 2 0 唧铸坯) 。当铸造过程进入稳定状态后，铸造速度基本保持恒定，严格控制浇注速度， 使其与铸造速度相匹配，直至铸造过程完毕。 铸坯合金成分由日本电子公司j s m 一5 6 0 0 【扫描电镜所携带的能谱仪测定，为a l 6 8 s i 成分的铝硅合金。 3 3 实验主要工艺参数的确定 由于影响铝硅合金电磁连铸过程的工艺参数较多，并且各参数之间密切相关，掌握 这些工艺参数对铸造成型的影响规律，是获得优质铸坯的关键。在电磁连铸过程中，主 要的工艺参数有浇注温度、液面高度、冷却强度、铸造速度等。 ( 1 ) 浇注温度 浇注温度对液态金属的流动性影响很大。浇注温度过高，金属液凝固变慢，而且由 于电磁连铸过程有感应加热的作用，容易使凝固壳发生重熔，轻者影响铸坯的表面质量， 重者造成拉漏或拉断。浇注温度过低，金属液流动性变差，容易造成浇道阻塞，导致铸 造过程失败。铝硅合金电磁连铸实验时金属液的浇注温度控制在7 0 0 7 2 0 范围内。 图3 4 为浇注温度大于7 4 0 时，拉裂的铸坯的照片。 图3 4 浇注温度过高时的拉裂缺陷 f 培3 - 4d r a w j n gb r e a l ( a g cc m l s e db y l j 曲c a s t i n gt e m p e r a t u r e f 2 1 液面高度 金属液的液面与感应线圈之间的相对位置对铸坯的表面质量影响比较大，比较理想 的电磁场的分布是使电磁压力充分作用于弯月面区域，以获得表面质量较好的铸坯。当 液面与感应线圈顶面平齐的时候获得的铸坯表面质量最好。 在铝硅合金的电磁连铸中，必须严格控制液面的高度，并使之稳定。液面高度的波 电磁连铸复合净化法制备铝台金铸坯 ( 4 i 蕊篓鍪鬟j 族嚣篓霎塞霎姜薹善：囊示毒薹饕霾蓁萋鬟誓登霉羲。 ；j 潆囊篓萎蚕矍：零囊萄璺羹薹耄篓萋凄薹塾蚕氢i 鬻登霪蓦簟萋囊薹；i i 鬻。 ；i l 惹型蓉囊冀i 萋豢墓萋蓑誉萼基蔷，鉴塞奏馨目i ? ；一! i 一! 薰= 篓奏奏蓁霉 篓羹! 1 孽嘧j i | ；枷蠡萋萎囊筲捧萎邑囊塞蓁羹鐾| 薹j 鋈| 薹嘉蠹善艺塑曩薹妻娄= 韵嚣誓蠹果，转移的初步过程即瘤细胞脱离原发 肿瘤组织，随淋巴管、血管或直接迁移至身体其他部位形成新的肿 瘤转移灶，细胞间粘附分子(i c a m 1 ) 、血管细胞粘附分子( v c a m 一1 ) 与恶性肿瘤的复发、转移密切相关【3 3 ，3 4 1 ，恶性肿瘤经手术等有效治 疗后粘附分子水平均不同程度降低【3 5 】。同时有研究发现n 0 可抑制 细胞粘附分子的表述从而阻止细胞粘附【36 1 ，本文亦发现l 。a r g 高浓 度组可改变瘤细胞形态，使瘤细胞游离且出现n o 及其衍生物的积 累，说明高浓度的l a r g 可使培养细胞失去贴壁生长特性可能与n 0 抑制粘附分子有关。另外，一定浓度的l a r g 可通过增加n 0 的合 成发挥细胞毒性作用诱导凋亡、抑制肿瘤细胞增殖阳，据此目前临 床研究在癌症患者膳食中补兖l a r g 可抑制肿瘤生长、强化病人的 免疫功能【3 8 1 。本研究结果从理论上进一步证明了l a r g 具有防治肿 瘤的功效，值得注意的是不同剂量的l a r g 具有不同的防治机理。 总之，本研究结果进一步证明了l a r g 具有防治肿瘤细胞生长 繁殖的功效，其反应机理可能与l a r g 在细胞申代谢生成的n o 介 导的生长抑制和恢复肿瘤细胞 x 电磁连铸复合净化法制备铝合金铸坯 动不仅会造成铸坯的尺寸、形状不稳，铸坯表面还会产生波纹，严重时导致电磁连铸 过程失败3 引。 图3 5 为浇注时液面高度为8 0 吼时的铸坯照片。 从铸坯照片上可以看出，表面有许多凸凹不平的痕迹、不光滑，分析认为是浇滓时 图3 5 液面高度为8 0 柚时的铸坯照片 f i g 3 5 p h o t o o f b i i l e tc 矧e d w h e n t h eh e i 出o f l ds l 】r f a c e i s8 0 哪 液面比较高，达到8 0 啪左右，距结