（材料加工工程专业论文）电磁连续铸造过程工艺优化及组织性能研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 电磁连续铸造过程工艺优化及组织性能研究 摘要 电磁铸造是电磁流体力学与冶金工程相结合的先进材料加工技术，具有铸锭表面光 滑、力学性能好及生产效率高等优点。是连铸一连轧工艺实现和生产高质量铝合金铸锭 的重要方法。但电磁铸造过程工艺参数繁多、控制精度要求高，工业生产必须实现自动 控制。本文以实现电磁铸造技术工业化为目的，一方面研究了电磁铸造的工艺过程、提 高铸锭凝固过程控制精度，分析铸锭的显微组织及力学性能、扩大电磁铸造合金的应用 范围；另一方面，提出控制要求较低、更易实现工业化的电磁连铸技术，并应用到生产 实践中。论文主要包括以下内容： 采用电感等效电路模型计算出电磁铸造铝合金扁锭的电参数和感应加热功率，在此 基础上建立了电磁铸造成套装置，通过铸造成型实验获得了截面尺寸为l o o x 4 0 0 m m o 的 铝合金扁锭，分析了电磁铸造过程的缺陷并对热顶一电磁铸造法做了初步研究。 设计制作了三种适合于电磁铸造过程的喷水冷却系统，提出用增大冷却水流量和增 强冷却效果的方法来提高电磁铸造过程的铸造速度。用双排斜向喷水冷却系统，稳定阶 段的铸造速度可以达到j 0 3 c m m i n ，比以往提高了3 d 。 较系统地对电磁铸造和普通连续铸造铝合金圆锭的显微组织及力学性能做了对比 研究。电磁铸造试样的宏观硬度是普通连续铸造试样的2 倍左右，电磁铸造2 0 2 4 合金 具有更好的固溶和时效强化特性；电磁铸造试样的磨损失重量为普通连续铸造试样的 5 0 左右，耐磨性提高了倍；试样的疲劳寿命约为普通连续铸造试样的3 倍。电磁铸 造铸锭的力学性能显著提高的原因是铸锭表面光滑、无显微缩松，显微组织细小而均匀， 更容易形成沉淀强化相。 提出在软接触结晶器外施加中频电磁场来改善铸锭质量的铝合金电磁连铸技术，用 低熔点合金测量电磁场作用下的金属液面形状和波动。在结晶器壁上开缝的方法可以显 著提高结晶器内的磁感应强度；随着电磁场频率降低，金属液面的波动振幅提高，稳定 性下降：电磁场施加功率提高，金属液面隆起高度增加，表面波动剧烈。 电磁连铸过程中金属液面的控制范围是液面与感应器顶面间的距离矗一0 1 0 m m ，而 电磁铸造过程中要求液面的高度波动小于2 m m ，电磁连铸比较容易控制；施加电磁场的 频率为1 - 5 k h z ，电磁场的选择范围比电磁铸造过程宽；施加l k h z 电磁场的铸锭晶粒尺 寸小、分布均匀；簏加5 k h z 电磁场的铸锭液柱形状稳定，表面质量好，但铸锭边部的 晶粒略粗大。 电磁连铸法可以消除普通连续铸造铸锭表面的偏析瘤及夹杂等缺陷，改善铸锭的表 面质量，而且铸锭的显微组织均匀细小。用电磁连铸法制备集成电路铝硅键合线用 a 1 1 s i 合金，与普通连续铸造合金相比，拉拔变形后的抗拉强度提高约2 0 ，延伸率 提高约7 0 ，断线明显减少，产品的直径由1 0 0 t a m 降低到4 d _ m ，具有很好的应用前 景。 ” 用边界条件替换法计算了连续铸造铝合金喷水冷却的换热系数，得到换热系数的经 验计算公式：= 7 3 1 0 3 z “亿”。结果可以用于电磁铸造及普通连续铸造过程的数 搁婪 值模拟计算和冷却控制，提高铸锭凝固过程的控制精度：用冷态铸锭升温法测量电磁连 铸过程中的感应热，感应加热功率为0 4 5 k w ，是电磁铸造过程的2 0 左右。 将连续铸造喷水冷却换热系数和感应加热功率合并到电磁连铸凝固过程数值模拟 计算模型中，对电磁连铸铝合金圆锭的凝固过程进行模拟计算，分析了工艺参数对铸锭 凝固速度的影响规律。计算得到的冷却曲线和凝固速度与实验测量的结果基本一致，证 明数值模拟计算采用的计算模型、热物理参数及边界条件等是合理的：着水点位置对凝 固速度影响最大，冷却水量次之，浇注温度和感应热的影响相对较小，缩短着水点到结 晶器底部的距离是提高铸造速度的有效手段。 关键词电磁铸造电磁连铸铝合金显微组织力学性能铸造速度频率 大连理工大学博士学位论文 s t u d yo ft e c h n i c a lo p t i m i z a t i o na n ds t r u c t u r ep r o p e r t yo f 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 g a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g ( e m c ) i san e wm a t e r i a lp r o c e s s i n gm e t h o d ，ac o m p r e h e n s i v e s u b j e c tb a s e d o nm a g n e t o h y d r o d y n a m i c s ( m h d ) a n dc o m b i n e dw i t h m e t a l l u r g i c a l e n g i n e e r i n g t h eo u t s t a n d i n gm e r i t so fe m c l i ei ni t sh i g hs m o o t hs u r f a c e g o o dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dh i g hp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , w h i c hh a sb e c o m ea l li m p o r t a n tm e t h o dt or e a l i z e t a n d e mr o l l i n gi nc o n t i n u o u sc a s t i n ga n dp r o d u c eh i g hq u a l i f i e da l u m i n u ma l l o y s h o w e v e r , t h ev a r i o u st e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sa n dh i g hc o n t r o lp r e c i s i o nr e q u i r er e a l i z i n ga u t o c o n t r o l o fe m ci ni n d u s t r y i nt h i st h e s i s ，o nt h eo n eh a n d t h et e c h n i c a lp r o c e s so fe m ci ss t u d i e dt o i m p r o v et h ec o n t r o la c c u r a c yo fs o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fi n g o t ，t h em i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r ea n a l y z e dt oe x t e n dt h er a n g eo fa p p l i c a t i o no fe m ca l l o y s ；o nt h e o t h e rh a n d ，t h ee 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 g ( e m c c ) ，w h i c hr e q u e s tl e s sc o n t r o l a c c u r a c ya n di se a s i e rt or e a l i z ei n d u s t r i a l i z a t i o n ，i sp r o p o s e da n da l s oi sa p p l i e dt op r a c t i c e t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： t h ee l e c t r i c p a r a m e t e r sa n di n d u c e dh e a t i n gp o w e ra r e c a l c u l a t e du s i n gi n d u c t a n c e e q u i v a l e n tc i r c u i t t h es e to fe q u i p m e n to fe m ci se s t a b l i s h e d ；t h ea li n g o tw i t ht h ec r o s s s e c t i o ns i z e1 0 0 x 4 0 0 m m 。i sp r o d u c e da n dt h ed e f e c t so fe m ca r ea n a l y z e d ，t h ep r e l i m i n a r y s t u d yi sm a d et oh o t - t o pe m c t h r e et y p eo fc o o l i n gs y s t e mf i tf o re m ca r ed e s i g n e d ，t h em e t h o do fi n c r e a s i n gc o o l i n g w a t e rf l u xa n dc o o l i n ge f f e c ti sp r o p o s e dt oi m p r o v ec a s t i n gs p e e do fe m c ，i ti sf o u n dt h a t t h ec a s t i n gs p e e dr e a c h e d1 0 5c m m i n ，i n c r e a s e db y3 0 ，u s i n gt h ed o u b l e - r o wd e c l i n i n g s p r a y i n gc o o l i n gw a t e rs y s t e m c o m p a r a t i v es t u d i e sa r em a d et om i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h m f i c a lp r o p e r t i e so fa 1r o u n d i n g o t sc a s t i n gb ye m ca n dc o n t i n u o u sc a s t i n gr c c ) t h ee m ci n g o th a ss m a l l e r , e v e n m i c r o s t r u c t u r ea n db e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；t h eh a r d n e s so fe m cs p e c i m e n si n c r e a s e s onet i m e st h a nt h a to fc ci n g o ta n dt h es o l u t i o na n da g e i n gs t r e n g t h e n i n gp r o p e r t i e sa r e b e t t e r ；t h ea b r a s i o nl o s so fe m cs p e c i m e ni so n l y5 0 o ft h a to fc c ，t h a ti s ，t h ea b r a s i v i t yo f e m ci n c r e a s e so n et i m et h a nt h a to fc c ；t h ee m ci n g o th a ss m 0 0 t hs u r f a c ea n dh a sn o t i n t e r d e n d r i t i cs h r i n k a g ep o r o s i t y , t h ep r e c i p i t a t i o nh a r d e n i n gp h a s em o r ee a s i l yf o r m si n e m c a n dt h ef a t i g u el i f ei st h r e et i m e sa sh i g ha sc conei na s c a s ts t a t e ， an e wm e t h o do fe 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 g ，w h i c ha p p l i e di n t e r m e d i a t e f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l di ns o f t - c o n t a c tm o l d ，i sp r o p o s e dt oi m p r o v et h eq u a l i t yo f a l i n g o t ，t h es h a p ea n df l u c t u a t i o no fl i q u i ds u r f a c ea r em e a s u r e du s i n gl o wm e l t i n ga l l o yi n e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ；t h em a g n e t i cf l u xd e n s i t yi n s i d et h em o l dc a nb ei m p r o v e dg r e a t l y t h r o u g hs l i t t i n gi nt h em o l d ；t h ea m p l i t u d eo ft h ef l u c t u a t i o no ft h em e l ts u r f a c ei n c r e a s ew i t h t h er e d u c eo fm a g n e t i cf r e q u e u c y , t h u st h es t a b i l i t yo ft h es u r f a c ed e c l i n e ；t h er i s i n gh e i g h to f t h es u r f a c ei n c r e a s ea n dt h es u r f a c af l u c t u a t i o ni st e m p e s t u o u sw h e ni n c r e a s i n gt h em a g n e t i c p o w e r t i i 、 a b s t r a c t i ne m c c t h eh e i g h to ft h em e l ts u r f a c et ot h em o l dt o pc a nr e a c h o m m 、h o w e v e r , i n e m c i ti sl e s st h a n2 r a m t h u s e m c cc a nb ec o n t r o l l e de a s i e r ；t h er e g i o no fm a g n e t i c f r e q u e n c yi ne m c ci s1 - j 胁w h i c hi sa l s ol a r g e rt 1 1 a l li ne m c ：t h eg r a i ns i z ei ss m a l la n d e v e nw h e nt h ef r e q u e n c yi si k h z a n dt h ei n g o th a ss t a b l el i q u i dc o l u m na n dg o o ds u r f a c e q u a l i t yi n5 k h z t h ed e f e c t s ，s u c ha ss e g r e g a t i o n ，l a r di ni n g o ts u r f a c e ，c a nb ee l i m i n a t e dt h r o u g he m c c c o n s e q u e n t l yt h ei n g o tw i t hb e t 【e rs u r f a c eq u a l i t ya n dm i c r o s t m c t u r ei so b t a i n e d ；t h ea 1 1 s i a l l o ym a d eo fe m c cc a nb eu s e dt ob et h er a wm a t e r i a lt om a k ea 1 s ib o n d i n gw i r eu s e di n i n t e g r a t ec i r c u i t ；c o m p a r e dt ot h ec o m m o nc ci n g o t t h et e n s i l es t r e n g t ho fe m co ne i n c r e a s e db y3 0 ，a n de l o n g a t i o n7 0 ，w h i c hp r o v i d eag o o da p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e ， b a s e do n 山es u b s t i t u t i o nm e t h o do fb o u n d a r yc o n d i t i o n t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n c o n t i n u o u sc a s t i n go fa l u i n i n u ma l l o yd u r i n gt h ep r o c e s so fw a t e rc o o l i n gi sc a l c u l a t e d ，a n da c a l c u l a t i o n m o d e lo f h e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n t i so b t a i n e da s f o l l o w s ：h w = 7 3 x 1 矿”瓦。”， w h i c hc a nb eu s e dt ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dc o o l i n gc o n t r o lo fe m ca n dc ct o i m p r o v et 1 1 ec o n t r 0 1a c c u r a c yo fs o l i d i f i c a t i o np r o c e s s ；t h ei n d u c t i o nh e a ti sm e a s u r e dt h r o u g h m e a s u r i n gt h ei n c r e a s i n gt e m p e r a t u r eo fc o l di n g o t 、t h ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e ri s o4 5 k w o n l y2 0 o f t h a to f e m c t h et e m p e r a t u r ef i e l do fe m c ca lr o u n di n g o ti sc a l c u l a t e du s i n gt h ea b o v em o d e l a n d t h ee f f e c t so ft e c h n i c a lp a r a m e t e r st os o l i d i f i e ds p e e da r ea n a l y z e d ；t h ec a l c u l a t e dc o o l i n g c u r v ea r ei na c c o r d a n c ew i t ht h a tm e a s u r e d ，w h i c hs h o wt h a tt h ec a l c u l a t i o nm o d e l ，t h e t e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n si sr e a s o n a b l e ；i ti sa l s of o u n dt h a tt h ep o s i t i o n o fs p r a y i n gw a t e ri st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rt oa f f e c ts o l i d i f i c a t i o nv e l o c i t y , a n dt h ec o o l i n g w a t e rf l u x ，p o u r i n gt e m p e r a t u r ea n di n d u c t a n c eh e a tc o m p a r a t i v e l yh a v el e s se f f e c tt h a l lt h e p o s i t i o no fs p r a y i n gw a t e r ，s od e c r e a s i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ep o s i t i o no fs p r a y i n gw a t e r a n dt h eb o t t o mo ft h em o l di st h em o s tf a v o r a b l em e t h o dt oe n h a n c ec a s t i n gs p e e d k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g ，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 g ，a l u m i n u ma l l o y m i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y ，c a s t i n gs p e e d ，f r e q u e n c y i v 大连理工大学博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 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。 铸造材料既可以直接应用于机器零件的生产，又是其它加工材料的基础，在国民经济中 占有重要的位置。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，降低 材料的生产成本。材料的电磁成型和加工技术就是重要的手段之一。 计算机在材料加工工程中的应用大大降低研究成本、缩短研究时间，将经验转化为 规范，指导材料科学的发展。在成型铸造过程中，计算机已经在工艺辅助设计、铸造缺 陷分析及凝固组织预测等多方面得到应用，取得了较成熟的经验。把计算机技术引入电 磁加工领域必将促进电磁加工技术的推广和发展。 1 2 铝合金及其连续铸造 1 2 1 我国铝加工行业的现状及前景 铝是一种轻金属，其密度只有钢铁的三分之一，铝构成多种合金，具有很大的比强 度：有良好的导电性，可制作电缆：表面有一层氧化膜保护，不受大气的腐蚀；具有良 好的导热性，可作热交换器；易切割、焊接、拉丝和压延。因此，铝广泛应用于航空航 天、汽车制造、建筑及包装等行业，也是一种重要的战略金属 1 】。据测算，目前我国年 人均铝消费量为，4 6 k g ，大大低于世界年人均3j 堙铝的平均消费水平，而经济发达的 美国和日本分别为2 d 占堙和1 87 圾，是我国人均铝消费量的十几倍，这说明我国铝的消 费领域还有待开发，市场潜力仍很大，图1 1 是1 9 9 7 年我国与世界铝消费领域的比较 图【2 j 。可以看出，我国在包装及运输行业的铝消费水平与世界相比仍存在较大差距，尤 其是在交通领域，铝制汽车是2 1 世纪的重要方向，铝制汽车对汽车的轻型化和节能都 交通运输 3 6 其它 5 2 建筑工程 3 0 包装 2 0 交通运输 7 ( a ) 世界铝消费结构( b ) 我国铝消费结构 图1 1 我国与1 _ = 界铝消费领域比较图 f i g ，i lc o m p a r i s o n d i a g r a mo f a lc o n s u m p t i o nb e t w e e nc h i n aa n dt h ew o r l d 第一章绪论 具有战略意义。可以预见，未来几年我国的铝消费需求将进一步增长。 图1 2 是我国近年来铝的生产量、消费量及进口量的对比【3 j 。我国的铝产量从1 9 8 8 年以前的世界第8 位跃居到1 9 9 7 年的世界第4 位，成为仅次于美国、俄罗斯和加拿大 的铝生产大国；而铝的消费量在1 9 9 2 年和1 9 9 7 年先后突破1 0 0 万t 和2 0 0 万t ，成为 美国和日本后的世界第三大铝消费国。虽然我国铝的生产和消费基本处于平衡状态，但 并不意味着我国铝的生产已完全满足国家对铝的发展需要。每年我国都需要从国外进口 大量的铝，这主要集中在一些国内尚不能生产的高质量铝材及合金。仅包装用的易拉罐 用铝材一项每年就需要进口十几万吨，年耗外汇2 亿多美元【4 j 。因此，解决关键技术， 迅速实现一些高性能铝合金的国产化对促进我国国民经济的发展具有重要意义。 兽 二 h 、 j 习： 暴 霉i | | -_消赞量” p 进口鸯 ，j | 5 2 ，二：= ：j l 7 一一一一一 一一o 年份年 图1 2 我国的铝产量、消费嚣及进口量 f i g ，1 - 2p r o d u c t i o n ，c o n s u m p t i o na n di m p o r tq u a n t u mo f a ii nc h i n a 另一方面，随着工业化规模的扩大，人类也正面临着地球资源有限性的问题。进入 2 1 世纪，传统的“大量生产、大量消费和大量废弃”的生产模式必然向“可持续发展” 的方向转变【5 1 。节省能源、提高材料性能和利用率、减少环境污染的研究和技术会得到 优先发展。 1 2 2 连续铸造技术的产生和发展 铝的铸造( c a s t i n g ) ，有成型铸造f f o u n d r y ) 和铸锭铸造( c a s t i n g ) 之分。成型铸造用的是 铸造铝合金，即共晶型( e u t e c t i ct y p e ) 铝合金；而铸锭铸造用的是变形铝合金，即固溶体 型( s o l i ds o l u t i o nt y p e ) 铝合金。铸锭是压力加工的坯料，包括供挤压( e x t r u s i o n ) 和锻造 ( f o r g i n g ) j n 5 2 的圆铸锭( b i l l e t ) ，供压延l r o l l i n g ) 加工的扁铸锭和方铸锭( s l a bi n g o t ) 等旧j 。铸 锭的凝固组织形态、致密度、成分偏析等对后续加工工艺及最终的制件质量具有决定性 的影响。传统的铸锭生产主要采用钢锭模铸造，其生产过程是非连续的。由于凝固条件 所限，钢锭模铸锭的凝固组织、成分及致密度在轴向和径向上都是不均匀的。且由于在 锭头和锭尾处存在缩孔及缩松等缺陷，需切头去尾，降低了铸锭的实际利用率。连续铸 造c c ( c o n t i n u o u sc a s t i n g ) 技术的应用是冶金工业的一次技术革命，它不仅提高了生产效 率，减少材料的消耗和浪费，而且使材料的内部冶金质量得到极大改善。 1 9 3 5 年，a l c o a 公司及v l w 公司的直接水冷铸造法是现代铝合金连续铸造的开端。 1 9 5 0 年m a n n e s m a n n 式连续铸造机的使用，开始了连续铸造法在钢铁领域的应用【7j 。其 火连理 大学博士学位论文 装置和工艺过程如图1 3 所示。当液态金属注 入到水冷结晶器内时，金属液在结晶器内结 壳，在结晶器壁的一次冷却和结晶器下部的二 次喷水冷却作用下凝固，铸机牵引底模向下运 动形成连续铸造过程。采用这种方法生产铝合 金铸锭具有占地面积小、设备成本低、效率高 等优点，并大大改善了劳动条件。因此，连续 铸造法在有色金属铸造中得到迅速发展。 但是，在连续铸造过程中，结晶器冷却区 和喷水冷却区的冷却强度不同，在这两个冷却 区之间，由于凝固壳的热收缩使铸锭和结晶器 之间形成空气间隙，铸锭传向外界的热流量显 著减少。边界热流量的降低使凝固壳发生重 熔，枝晶间的低熔点合金在液态金属静压力和 枝晶间隙毛细管的作用下，渗出到铸锭表面， 形成偏析瘤( e x u d a t i o n s ) 。即使是a i m g s i 类 图1 3 连续铸造的装置示意例 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f d i r e c t c h i l lc a s t i n z 的建筑型材铝合金，其表层和近表层的显微组织也明显不同于内部的显微组织。一是枝 晶网粗、枝晶间l g ( d e n d r i t ea r ms p a c i n g d a s ) 大；二是有反偏析区( i n v e r s es e g r e g a t i o n z o n e ) ，如图1 - 4 所示：三是晶粒尺寸( g r a i ns i z e ) 大和有冷隔层( c o l df l o d s ) 。这些问题 导致铸锭在进行轧制加工时产生裂边( e d g ec r a c k i n g ) z ) 氧化条纹( a n o d i g i n gs t r e a k s ) ，大 大影响铸锭的质量。研究发现减少结晶器壁的导热，缩短两次冷却间距减少回热区都可 12 11 5 摹li 、1 0 5 耋 一o9 5 o9 024681 0121 41 6 1 82 02 2 距蒋镩表而的距离m 1 _ 02 4681 0121 41 61 8 2 02 2 距铸锭表面的距离，m v i i 图1 4 铸锭表面至中心的成分分布 f i gl 一4c o m p o n e n tv a r i e t yo fi n g o tw i t h d i s t a n c ef t o ms u r f a c et oc e n t e r 热顶 图1 5 热顶铸造的装置示意图 f i g 1 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f h o t - t o pc a s t i n g 荨一 一i 篓 第一章绪论 以改善显微组织和枝晶尺寸，并使铸锭有较光滑的表面，这样可以降低对铣面的要求。 为此，开发出了隔热模铸造和热顶铸造，目的都是缩短一、二次冷却区之间的间隔。 热顶( h o t t o p ) 铸造法的装置如图1 5 所示瞵j ，这一方法通过在结晶器顶部加一绝热材 料制成的热顶，可使金属液与模壁接触点下移而且在结晶器上部衬贴比结晶器( 一般由 铜加工而成) 导热性差的石墨，一次冷却减弱，成壳后又很快见水二次冷却，最大限度 地缩短了两次冷却间距，即尽可能地减少回热区，避免金属重熔的产生，当铸造速度和 热顶内液态金属的静压力配合适当时，可以实现改善铸锭表面质量的目的【6 j 。新近发展 的连铸技术是在热顶工艺基础上在铸锭与结晶器壁间喷注润滑油一空气或润滑油一隋性 气体的两相润滑技术，如美国w a gs t a f f 公司的“空气滑动法( a i rs l i p ) ”、德国v a w 公 司的“空气幕法( a i rv e i l ) ”以及日本昭和铝公司的“空气缓冷法( a i rc u s h i o n l ”例。 这些工艺都采用短结晶器的铸造过程，目的也是减弱一次冷却时的冷却速率，通过降低 冷却模壁的热传递来提高表面层和近表面层的质量。目前铝合金连续铸造法的趋势是尽 可能减小结晶器区的冷却。结晶器的目的只局限于维持液柱成型及防止漏铝发生。 连续铸造技术经过多方面的发展，到上世纪7 0 年代，已经成为冶金领域铸锭铸造 的主体，取代了传统的钢锭模铸造。 1 3 电磁加工技术 1 3 1 电磁流体力学的基本原理 电磁场技术应用于材料加工，归功于研究电磁场与导电性流体之间相互作用行为的 电磁流体力学( m a g n e t o h y d r o d y n a m i c s ，简称m h d ) 的发展。对金属流体施加电磁场， 根据电磁感应原理，可以在金属流体中产生电磁力的作用。电磁力具有非接触地对金属 流体产生加热、搅拌及制动等功能。1 8 2 3 年，法拉第就开始测量流体在磁场中的流动。 l o o 年后，q m u c k 提出了悬浮熔炼的专利。1 9 6 1 年l a n g e n b e r g 提出交变电磁场可以 使钢锭的组织细化，揭开了电磁技术在冶金及材料加工领域应用的序幕。然而，直至1 9 8 2 年在英国召开的国际力学理论和应用联合会议上才第一次出现了材料电磁加工的技术 术语【1 0 1 。近几年来，材料的电磁加工广泛应用于有色金属和黑色金属的冶金过程及其它 材料加工领域，极大地推动了材料科学的飞速发展。 为了分析由电磁力引起的金属流体的运动，需要将有关电磁场的m a x w e l l 方程、o h m 定律及支配流体流动的n a v i e r s t o k e s 方程联立求解i ji l 。 对于电磁流体，m a x w e l l 方程可表示为： v 。e ：一丝 钟 v b = “， v b = 0 ( 1 - 1 ) ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) 介质为流动状态时的o h m 定律： j = c r ( e + v b ) ( 1 _ 4 ) 式中：e 为电场强度，b 为磁感应强度，为电流密度，为磁导率，o 为电导率 v 为介质的流速 大连理_ r ：大学博士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = ；= ；= = ；= = = = = = ，解式1 1 式1 - 4 求出电流密度和磁感应强度，代入式1 - 5 可以得到作用于导电性流 体的电磁力： 2 j 。b ( 1 5 ) 非压缩性流体的连续性方程为： v v = 0 f 1 们 流体的牛顿运动方程式( n a v i e r s t o k e s 方程) ： 、 户 云；+ ( v v ) v ) = 一v p + ，v2 v + 厂( 1 7 ) 式中：p 为流体密度，为流体的粘度系数 将由式1 - 5 求得的电磁力代入式1 - 7 ，就可求得流体的流动速度。但是由于式1 - 4 中也含有速度v 项，即在电磁流体流动的系统中，电磁场和速度场是相互影响的。般 认为，在冶金装置中，流体的速度比较小。虽然电磁场对流体流动产生影响，但是流动 1 3 2 应用电磁力的新型连续铸造技术 1 3 2 1 电磁铸造及金属初期凝固控制 如图1 6 所示，在熔融金属的表面( 侧面) 取鼻z 平面，取垂直于表面向外的方向 为y 轴的正方向。通过设在金属外侧的线圈，沿金属的表面在鼻方向流过交变电流时， 在金属内部便产生z 方向的磁场土昆。毋在金属中产生的感应电流密度按式1 - 2 计算； 以：土堡型 砂 ：一三芒型 nc x b z 图1 6 交变磁场控制熔融金属形状 f i g 1 6d i a g r a mo fs o u r c ea n di n d u c t i v em a g n e t i cf i e l d 5 ( 1 - 8 ) ( 1 9 ) 第一章绪论 则金属受到，方向上的电磁力： f y = - j 。( + 剐一击等 ( 1 - l o ) 利用电磁场的边界条件： y = 0 ，b z = _ b ：0 y 2 一一，b z = 0 对单位体积金属内受到的y 方向的电磁力 从表面到金属内部积分，可得到金属表 面单位面积上的作用力，即电磁压力： 只= 方= - - 五1b 二(1-11) p 。为负值，说明p 。是由熔融金属表面指向其内部的压缩力。根据这一原理，使用 交变电流可以实现控制熔融金属形状的目的。 如果将式i - 2 代入式1 - 5 ，进行矢量运算得： 厂= j x b = ( 1 ) ( v x b ) b = ( b v ) b p v b 2 2 = z 一五( 1 - 1 2 ) 式中的五是回旋驱动力，主要是引起金属液流动：而五是垂直于金属液侧面的力， 其将和表面张力、静压力共同决定弯月面的形状。二者的比值可以近似地用下式表示： 凡 ，t * l f 6 j 。 ( 1 - 1 3 ) 瓦，= ( 2 a a c ) “2( i 1 4 ) 式中：三为特征长度，占。为集肤层厚度，“为交变磁场的角速度。 当一定时，随着电源频率的增加，占。减小，两个作用力的比值变大，电磁力表 现为非回转的电磁压力。因此，以熔融金属的形状控制为目的时，应采用高频率磁场； 而以电磁搅拌为目的时，则应该选用低频磁场。 电磁铸造( e m c ，e l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g ) 技术是在上世纪6 0 年代初，由前苏联学 者g e t s e l e v 研制成功的一种无模半连续铸造技术1 1 “。它是当前国际上铝合金生产的三种 最重要的铸造方法( 即电磁铸造、热顶铸造、水平铸造) 之一。其原理和力的平衡关系 如图1 7 所示。在设在金属弯月面部位的感应线圈中通以中频电流( 电流强度 3 5 0 0 5 0 0 0 a ，频率2 0 0 0 3 0 0 0 h z ) 时，可以使液态金属受到的电磁压力与金属静压力及 表面张力引起的附加压力达到平衡，实现无接触铸造。其特点是金属熔体在电磁压力下 约束成型，并在运动状态下水冷强迫冷却。由于铸锭不与铸模相接触，电磁力具有搅拌 功能，与普通连续铸造相比，电磁铸造的铸锭具有以下优点： ( 1 ) 铸锭表面光滑，表面粗糙度可以达到n 钉_ 1 1 1 左右，在压力加工前可以不铣面 或少铣面。图卜8 是电磁铸造和普通连续铸造铸锭表面形貌的对比。连续铸造铸锭表 面有明显的偏析瘤，有时还会出现冷隔和拉伤等缺陷，铸锭边部出现成分偏析和晶粒粗 大等问题，轧制前必须进行铣面处理，铣面量软合金为5 l o m m , 硬合金为孑2 西聊。 另外，连续铸造法生产的铸锭由于热轧产生裂边问题，还必须进行切边加工。电磁铸造 大连理1 一大学博士学位论文 线圈液柱高度高度 电磁压力 静压力 ( b ) 图1 7 电磁铸造的原理和力的平衡关系 f i g i 一7p r i n c i p l ea n de q u i l i b r i u mr e l a t i o n s h i po f t h ep r e s s u r e so f e m c 法使金属利用率提高，节省能源和减少工序； ( 2 ) 电磁铸造过程中伴随着电磁搅拌作用，易使枝晶折断，形成大量新晶核，细化 了晶粒。采用直接喷水冷却，冷却速度快，熔融金属液的过冷度大，可吼细化枝晶。消 除了连续铸造铸锭表面层附近出现的粗大晶粒带，材料的力学性能特别是压延性能大大 提高，铸锭横截面的密度和硬度增加“”： ( 3 ) 铸造速度高，一般比连续铸造法提高口卯，提高了生产效率： ( 4 ) 冷却水消耗量降低j 引音； ( a ) e m c( b ) d c c 图1 - 8e m c 与d c c 铸锭表面形貌对比 f i g ，1 - 8c o m p a r i s o no f e m ci n g o ts u r f a c ew i t hd c c 电磁铸造技术不仅适用于铝合金，铜合金的电磁铸造也取得了成功。但如果能在连 续铸铜上应用，则比将会产生更大的经济效益。通过计算铜的最大允许电流密度得出利 用铜制线圈产生的磁场可以支持高度约为7 6 c m 的钢液，这个高度已接近连续铸钢时的 铸模高度。从磁场的观点看，利用现有的技术能实现钢液的悬浮【1 “。但是增大磁场会带 来流体的流动过大和感应加热、能源浪费等问题。而且，钢的铸造速度一般为铝的0 倍以上，钢的电磁铸造需要很高的冷却强度。所以，目前在象钢这样的密度高、热传导 率低的金属上实现无模连续铸造还比较困难。v i v e s t 6 1 等人提出了c r e m ( 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 c ) 5 2 艺。图1 9 是c r e m 工艺的原理简图。在铸模外侧设置的线 圈中施加工频交变电流( 频率5 d m ) ，利用电磁力改变弯月面的形状，降低铸模冷却段 高度，达到细化晶粒和消除冷隔的目的，铸锭的表面质量接近电磁铸造的铸锭。 第一章绪论 图1 9 c r e m 工艺的原理 f i g 1 - 9s c h