（材料加工工程专业论文）管线坯水平连铸工艺及外场改性研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 近年来随着工业及国民经济的迅速发展，对冷凝管及键合线的需求量日益增加，而 且对其质量及生产效率也提出了越来越高的要求。如何生产出优质管线坯，使其能够满 足后续n t 的要求，是提高生产效率、获得高质量管线材的技术关键。目前外场如电磁 场、超声场在冶金及材料加工领域得到了大量的研究及应用，为制备高质量管线坯提供 了契机。 本文以制备高质量空心白铜、紫铜管坯及a 1 - 1 s i 合金键合线坯为目的，在国家自 然科学基金一上海宝钢“钢铁联合研究基金”资助的“空心金属管坯电磁连续铸造基础 研究”及中国科学院精密铜管研究中心合作进行的“水平连续铸造空心铜管坯电磁改性 研究”等项目的支持下进行了管、线坯水平连铸及外场改性研究。 论文主要包括以下内容： 建立了一套中试规模的空心管坯水平连铸实验装置，探索了采用铸轧法制备 b f e l 0 1 1 白铜冷凝管；根据空心b f e 3 0 1 1 白铜管坯连铸过程的凝固特点，建立了连 铸过程温度场数值模拟计算模型，考察了工艺参数对空心b f e 3 0 - l - l 白铜管坯成形的影 响规律，在此基础上对空心b f e 3 0 1 1 白铜管坯水平连铸可行性进行了研究。结果表明： ( 1 ) 可以采用铸轧法制备b f e l 0 1 1 白铜冷凝管：室温时b f e l 0 1 1 白铜管坯具有 良好的拉伸性能，管坯轧制温度不能超过6 0 0 ； ( 2 1 采用水平连铸工艺可以制备出表面光滑、凝固组织致密的空心b f e 3 0 一卜l 白铜 管坯，其微观组织呈现典型的树枝状偏析，同时，工艺参数对空心b f e 3 0 1 1 自铜管坯 质量有着重要影响。 提出空心紫铜管坯水平电磁连续铸造技术，模拟了电磁场在结晶器内的分布，设计 制作了电磁成形系统并进行了空心紫铜管坯水平电磁连铸实验，考察了电磁场对空心紫 铜管坯表面质量、凝固组织、力学性能及模具使用寿命的影响。结果表明，在空心紫铜 管坯水平连铸过程中施加工频电磁场，可以改善管坯表面质量；细化凝固组织，明显改 善组织的周向均匀性；管坯的力学性能和综合成品率得到了提高。 为改善a 1 1 s i 合金键合线坯质量，提出了大功率超声场作用下的水平连铸新技术。 设计制作了一套水平连铸功率超声改性装置，在此设备上进行了a l ，1 s i 合金水平连铸 实验，探讨了超声场对铸坯表面质量、凝固组织及力学性能的影响规律。结果表明：在 a i 1 s i 合金水平连铸过程中施加功率超声能够提高保温炉内金属液温度均匀性，显著 提高铸坯表面质量；可细化晶粒，抑制s i 元素在晶界的偏析；随着超声功率的增加， 铸坯的力学性能得到显著的提高。 李新涛：管线坯水平连铸工艺及外场改性研究 关键词：水平连铸：空心管坯；键合线坯；电磁场：功率超声 大连理工大学博士学位论文 r e s e a r c ho nh o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n go fr o b eb l a n k s ，w i r er o d sa n d e x t e m a lf i e l d sm o d i f i c a t i o n a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n dn a t i o n a le c o n o m y , t h en e e d so f h j g hq u a l i t yc o n d e n s e r - t u b e sa n db o n d i n gw i r e sm e r e eq u i c k l y t om e e tt h es u c c e d e n t p r o c e d u r e ，t u b eb l a n k sa n dw i r er o d sf r e ef r o md e f e c t sr r en e e d e d ，w h i c hi st h ek e yt o i m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n do b t a i nm g h - q u a l i t yt u b e sa n db o n d i n gw i r e s n o w a d a y s ， e x t e r n a lf i e l d ss u c ha se l e c t r o m a g n e t i cf e l da n dp o w e ru i t r a s o m cf i e l da ms u c c e s s f u l l y a p p l i e di nm e t a l l u r g ya n dm a t e r i a lp r o c e s s i n g ，w h i c hp m v i d e sac h a n c et op r o d u c eh i 曲 q u a l i t yt u b eb l a n k sa n dw i r er o d s n l ep u r p o s eo ft h ed i s s e r t a t i o ni st op r o d u c eh i 曲q u a l i t yc o p p e r - n i c k e l ，p u r ec o p p e r t u b eb l a n k sa n da 1 - 1 s iw i r er o d s t h er e s e a r c hi sm a i n l ys u p p o r t e db yt w op r o j e c t s ，o n ei s b a s i cr e s e a r c ho ne 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 ft u b eb l a n k s ”，w h i c hi ss u p p o r t e d b yi r o na n ds t e e lc o o p e r a t i o nr e s e a r c hf o u n d a t i o n ，c o s p o n s o r e db yn a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef u n d a t i o na n db a o s t e e lg r o u pc o r p o r a t i o n ；a n dt h eo t h e ri s r e s e a r c ho nt h ee f t o fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l do nc o p p e rt u b e s d u r i n g h o r i z o n t a lc o n t i n u o u s c a s t i n g ， c o o p e r a t e dw i t ht h er e s e a r c hc e n t e ro fp r e c i s ec o p p e r1 、l b eo ft h ec h i n e s ea c a d e m i co f s c i e n c e t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： h o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n gs y s t e m so fp i l o ts c a l ew e r ed e s i g n e dt op m d u c et u b e b l a n k s t h em e t h o do f c a s t i n g - m l l i n gt op r o d u c eb f e l 0 - l 一1c o n d e n s e rt u b e sw a si n v e s t i g a t e d a c c o r d i n gt ot h es o l i d i f i c a t i o nc h a r a c t e ro fb f e 3 0 1 1t u b eb l a n k s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n c o m p u t a t i o nm o d e lo ft e m p e r a t u r ef i e l dw a se s t a b l i s h e df o rs i m u l a t i n gh e a tt r a n s f e rd u r i n g c o n t i n u o u sc a s t i n g t h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e r so ns o l i d i f i c a t i o no fb f e 3 0 - 1 - 1t u b eb l a n k s w a si n v e s t i g a t e d , a n dt h ef e a s i b i l i t yo fh o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n go fb f e 3 0 - 1 1 t u b e b l a n k sw a ss t u d i e d i ts h o w e dt h a t ： ( 1 ) b f e l o l lc o n d e n s e rt u b e sc a nb ep r o d u c e db yc a s t i n g - r o l l i n gm e t h o d t h ct e n s i l e p r o p e r t i e so f b f e l 0 1 - lt u b eb l a n k sa tl o o mt e m p e r a t u r ei sp e r f e c ta n dt h em a x i n l u l l lr o l l i n g t e m p e r a t u r ei s6 0 0 c ( 2 ) b f e 3 0 - 1 1t u b eb l a n k sw i t hs m o o t hs u r f a c ea n dd e n s es o l i d i f i e a t i o ns t r u c t u r ec a nb e o b t a i n e db yh o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n g n 忙m i c r o s t r u c t u r eo f c a s tb f e 3 0 1 1t u b eb l a n k s i st y p i c a ld e n d r i t i cs e g r e g a t i o na n dt h e q u a l i t yo fb f e 3 0 - l - 1t u b eb l a n k si ss e v e r e l y i n f h e n c e db yc a s t i n gp a r a m e t e r s 。 李新涛：管线坯水平连铸工艺及外场改性研究 h o r i z o n t a le 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 fc o p p e rt u b eb l a n k sw a sp r o p o s e d t h e d i s t r i b u t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l di nt h em o l dw a sc a l c u l a t e d t h ee l e c t r o m a g n e t i cs h a p i n g s y s t e m sw e r ed e s i g n e da n dh o r i z o n t a le 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 fc o p p e rt u b e b l a n k sw a sc a r r i e d e f f e c t so f c o m r n e r e i a lf 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 do ns u r f a c eq u a l i t y , s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e 。a n dm e c h a i l i c a lp r o p e r t i e so fc o p p e rt u b eb l a n k sw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts u r f a c eq u a l i t yc a nb ei m p r o v e db yt h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i c f i e l dd u r i n gh o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n g ；g r a i n sa r er e f i n e da n dd i s t r i b u t em o r eu n i f o r mi n t h ec i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o n ；m o r e o v e r ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n df i n a ly i e l da r e e n h a n c e d an o v e lp r o c e s so fu l t r a s o n i ct r e a t m e n tw a sp r o p o s e dt oi m p r o v et h eq u a l i t yo f h o r i z o n t a lc o n t i n u o u s l yc a s ta 1 一1 s ia l l o y e x p e r i m e n t a la p p a r a t u sw a sd e s i g n e da n d h o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n go f 灿一1 s iw i r er o d sw a sc o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t s o f u l t r a s o n i cf i e l do nt h es u r f a c eq u a l i t y s o l i d i f i c a t i o ns n u c n l r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f a 1 - 1 s ia l l o y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eu n i f o r m i t yo fm e l tt e m p e r a t u r ea n ds u r f a c eq u a l i t y o fw i r er o d si se n h a n c e dw i t ht h ea p p l i c a t i o no fu l t r a s o n i cf i e l d g r a i n sa r er e f m e da n d b o u n d a r ys e g r e g a t i o no fs ie l e m e n ti ss u p p r e s s e d m o r e o v e r ，t h et e n s i l ep r o p e r t i e so ft h e a l l o ya r ee v i d e n t l yi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f u l t r a s o n i cp o w e r ， k e yw o r d s ：h o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n g ；t u b eb l a n k s ；b o n d i n gw i r er o d s ； e l e c t r o m a g n e t i cf i d d ：p o w e ru l t r a s o n i c i v 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 日期： 李新涛：管线坯水平连铸工艺及外场改性研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 盔鸶 丝生年月丛日 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景及意义 金属管、线材是高附加值产品，在国民经济中占有十分重要的地位。随着世界经济 的快速发展和人们物质生活水平的提高，以及当前基础产业、支柱产业的升级换代，对 金属管、线材的质量提出了越来越高的要求，发展管、线材先进制各技术以确保材料质 量和技术性能的提高已成为一种必然。 在有色金属中，铜是应用最广泛的一种，其产销量仅次于铝。铜可以与其它许多金 属组成合金，具有优异的导热性能。随着空调制冷、电站、船舶、海水淡化等行业的发 展，对铜及铜合金冷凝管的需求量越来越大。根据冷却介质及应用场合的不同，常用铜 及铜合金冷凝管有紫铜冷凝管、自铜冷凝管和黄铜冷凝管等。 自2 0 0 2 年起，我国紫铜管产量仅次于美国，居世界第2 位，已成为世界上重要的 紫铜管生产、出1 ：3 、进口和消费大国。同发达国家一样，空调用冷凝管发展迅速，约占 我国紫铜管总产量的3 0 1 】。随着空调设备向节能、环保方向发展趋势的加剧，具有更 高传热效率的内螺纹铜管逐濒代替薄壁光管而成为制造空调两器( 蒸发器和冷凝器) 传 热管的关键材料，小直径、薄壁内螺纹管的制各对紫铜管坯质量提出了更高的要求 2 - 3 1 。 白铜是以镍为主要合金元素的铜基合金，具有优异的耐冲击腐蚀、沉积腐蚀和抗海 生物生长等性能，所以白铜冷凝管被广泛地应用于船舶、电站( 核电站，海滨电站，内 陆含盐、含碱较高冷却水质的火力电站) 和海水淡化等行业。近年来。我国的造船业以 每年近5 0 的速度增长，对白铜冷凝管的需求大幅度增长 4 1 。由于电力供应全面紧张， 2 0 0 4 年全国新增发电装机容量约3 8 0 0 万千瓦，同比增长9 ，但是，全国用电量增长 1 2 ，尚有缺口2 5 0 0 2 8 0 0 亿度。电力紧缺，导致投资电力项目的势头很盛，从而使电 力部门对白铜冷凝管的需求量也随着增长。但是白铜合金强度高，加工难度大，导致白 铜冷凝管生产效率和成品率很低【5 1 。目前我国白铜管，尤其是高镍含量的白铜管大量依 赖进口，每年消耗了国家大量的外汇。 集成电路引线键合是集成电路制造中最重要的工序之一，其作用是通过键合线把集 成电路芯片的各个功能端与外部连接起来，并传递芯片的电信号、散发芯片内产生的热 量 6 - s 。按照键合材质和使用用途的不同，目前最常见的键合方式可分为球焊和锲蝌0 】。 键合线材料对集成电路的可靠性和稳定性有很大的影响，理想的键合线材料应具备以下 特点。1 2 】： 李新涛：管线坯水平连铸工艺及外场改性研究 ( 1 ) 芯片表面的金属化压点( 通常是铝) 及外引线材料( 通常是覆铝层、镀金层或 镀银层) 实现良好的键台。由于引线直径很细、金属化层极薄而且可焊面积很小，因此 必须保证在有一定生产效率的前提下达到键合可靠的目的； ( 2 ) 键合过程中施加的功率( 温度) 、压力和持续时间应尽可能少，以保证芯片和 封装结构不致损坏，弹性好，并能使焊点有一定的几何形状； ( 3 ) 化学性能稳定，不会形成有害的金属间化合物； ( 4 ) 能与半导体材料形成低电阻欧姆接触，各向同性，与半导体材料结合力强： ( 5 ) 在键合过程中或键合后，不留下易引起腐蚀的物质，特别是塑料封装的引线不 能与渗透进来的水汽发生作用； ( 6 ) 引线材料塑性好，容易加工成细丝，易于卷绕，并容易实现键合。 a u 和a 1 是最早被采用的键合线材料。a n 具有化学性能稳定、易加工成细丝、球 焊性能好等优点。但是，由于a u 丝生产成本高、密度大、高温键合可靠性差等缺陷限 制了其使用范围。a l 不容易被拉制成细线，此外a l 丝在使用时容易断线。c u 丝具有良 好的球焊性能，且c u 的抗电迁移性能比砧好，因此，用c u 替代舢用于芯片上的多 层布线和互连技术也得到了研究及应用。但采用c u 丝键合的缺点是在塑料封装中同铝 连接处易腐蚀。表1 1 综合了三种常用键合线的特点。 表1 1 各种键台线的特点i ”3 t a b 1 11 1 1 ep r 删e s o f b o n d i n gw i r e s 随着集成电路及半导体器件向封装多引线化、高集成度和小型化发展，要求键合线 具有更细的直径进行窄间距、长距离的键合。为此人们积极开发新型键合线以取代传统 大连理工大学博士学位论文 的键合线。2 0 世纪8 0 9 0 年代日本及欧洲一些公司通过在铝中加入n i 、m g 、s i 、c u 、 s r 、s n 、s b 等元素开发了一系列具有较高强度和耐蚀性的铝基合金键合线。但这些材料 都具有合金化元素复杂的缺点，元素含量必须严格控制 1 4 - l 5 】。g o t t f l i d e 等在研究中采用 直径为2 5 t t r n 的a 1 1 s i 线代替常规a u 线和a l 线用于键合工艺，在4 0 04 c 高温储存后， 发现其高温性能较削线有了显著提高，此外，由于加入的元素是s i ，不会造成集成电 路污染，因此，近年来a i 1 s i 键合线的应用越来越广泛，有希望替代a u 丝用于键合 工艺【1 3 】。 近几年，随着电子工业的发展，国内对集成电路键合线的需求量也开始出现快速增 长。目前，生产键合线的常规工艺为首先制备铸坯，经铣面处理后挤压成毫米规格的细 丝，然后拉拔成所需直径的键合线。随着集成电路向小型化、高集成度方向的发展，要 求键合线具有更细的直径。而采用常规工艺制备的铸坯存在偏析、缩孔、缩松等缺陷， 在拉拔过程中断线现象经常发生，已经成为制约键合线生产效率提高的技术瓶颈。 综上所述，采用现有工艺制备管、线坯已经不能满足生产、应用的需要。因此开发 制备高质量金属管、线坯的新工艺，具有重要的应用价值和经济价值。 1 2 铜及铜合金冷凝管的生产 1 2 1 紫铜冷凝管的生产 ( 1 ) 铸轧法 铸轧法是芬兰o u t o k u m p u 公司于2 0 世纪8 0 年代研制开发，并于9 0 年代以来逐步 发展起来的紫铜管生产新工艺。图1 1 示出了采用铸轧法制备冷凝管的主要工艺流程 6 1 。 水平连铸空心管坯+ 铣面+ 行星轧制+ 盘拉精整、退火 图1 1 铸轧法制备冷凝管工艺流程简图 f i g 1 1i n d u s t r i a lp r o c e s so f c o n d e n s e rt u b e sp r o d u c 柚b yc a s t i n g - r o l l i n gt e c h n o l o g y 铸轧法具有工艺流程短、工模具费用低、能源消耗低、占地少、投资省等诸多优点， 可大大降低管材的生产成本。由于行星轧制工艺具有变形迅速、加工率大等特点，管坯 在变形区内的温度迅速升高至再结晶温度以上，管坯由铸态组织变为完全再结晶组织， 管材壁厚偏差小，成品率高。铸轧法的主要缺点是对管坯表面质量要求较高，轧制前需 要进行铣面处理除去表面缺陷。此外，采用传统水平连铸工艺生产的空心铜管坯晶粒组 织粗大，且分布不均。 我国从上世纪9 0 年代开始引进铸轧法生产工艺。目前，铸轧法已经成功的应用于 紫铜管的工业化大规模生产，该工艺加工出的产品在国内市场上占有很大的份额。 李新涛：管线坯水平连铸工艺及外场改性研究 ( 2 ) 焊接法 近年来，随着铜带质量的提高和焊接技术的发展，采用带坯生产有缝紫铜冷凝管的 工艺也开始应用于生产。图1 2 示出了焊接法制备有缝冷凝管的主要工艺流程。 铜带预成型+ 过渡+ 导向成型+ 焊接+ 去焊瘤+ 定径 卜在线光亮退火 图1 2 焊接法制各冷凝管工艺流程简图 f i g 1 2i n d u s 仃i a lp r o c e s so f c o n d e n s e rt u b e sp m d u c 酣b yw e l d i n gt e c h n o l o g y 焊接法最大的优点在于不受单一模具的限制，能够生产出齿形复杂的的内螺纹管， 并且成型过程不需要润滑，可以保证管材内腔的清洁度，生产效率能够达到 1 5 0 - - - 2 0 0 m m i n 。通过采用先进的氩弧焊和高频焊等焊接技术，保证焊缝处的强度和组织， 生产出的产品能够同无缝管质量相当 1 7 1 s l 。焊接法的缺点是对铜带的卷重、切边精度、 平直度、表面质量、飞边和毛刺等的要求非常高，导致加工成本高。近几年，o u t o k u m p u 公司和c e r r o 公司分别在马来西亚和美国建立了两条焊接法内螺纹管生产线。2 0 0 1 年江 苏中嘉铜业有限公司建立了国内唯一一条年产量为5 0 0 0 吨的焊接内螺纹管生产线，产 品填补了国内空白【1 9 。 1 2 2 白铜冷凝管的生产 目前，白铜冷凝管主要采用挤压法进行生产，其主要工艺流程如图l - 3 所示1 1 6 0 0 1 。 半连续铸造实心管坯熟挤压穿孔+ 精整+ 皮尔格冷轧盘拉 + 精整、退火 圈1 3 挤压法制备冷凝管工艺流程简图 f i g 1 3i n d u s t r i a lp r o c e s so f c o n d e n s e rt u b e sp r o d u c e db ye x n u s i o nt e c h n o l o g y 可以看出，管坯准备和挤压穿孔两道工序是决定冷凝管成材率与产品质量的关键工 序。经过一百多年的发展，采用挤压法制备冷凝管盼技术目前已非常成熟可靠，特别是 水封脱皮挤压技术在挤压机上得到应用后，挤出的管材晶粒组织细小、管坯质量高内 外表面光亮无氧化，不需要进行酸洗，使得挤压法成为国内外制各冷凝管普遍的生产工 艺。 挤压法存在以下缺点：我国多采用“感应熔炼一立式半连续铸造”工艺生产铸坯， 铸坯质量不高时，一旦挤压时脱皮不好，就会将各种铸造缺陷带入以后工序；白铜管强 4 大连理工大学博士学位论文 度高，挤压穿孔时变形抗力大，挤压难度大；厂房占地面积大，建设周期长，设备投资 费用高，工模具种类多、损耗大；金属利用率低，白铜管的综合成品率仅为5 0 左右。 同时，挤压法也是生产紫铜冷凝管的传统工艺。由于紫铜管挤压温度高达8 5 0 , - , 9 0 0 ，经长时间挤压生产后挤噩筒内衬磨损较大，会对挤出管的质量和精度产生不利影响 , 1 7 3 。同时，由于挤压时不可避免的产生压余、脱皮、穿孔头等几何废料，使得紫铜盘管 的综合成品率仅在6 8 左右。 1 3a i - 1 s i 合金键合线的生产 目前，a 1 1 s i 合金键合线主要采用铸坯一挤压一拉拔的方法进行生产【2 1 。其中，铸 坯质量是决定键合线质量的关键。国内键合线坯的制备方法主要有下引连铸法、定向凝 固法和热顶半连铸等方法。所有这些方法都具有成份偏析严重、氧化夹杂严重、硅颗粒 粗大、组织不致密等缺陷，从而导致拉拔时断线率高、生产效率低。大连理工大学在国 家自然科学基金的资助下，从提高原料的纯净度入手，利用电磁复合法( 电磁连铸辅以 电磁净化) ，实现了键合线坯凝固组织的细微化，降低了夹杂物和气体的含量，使铸坯 的抗拉强度和延伸率提高了3 0 左右【翻。北京科技大学王自东等对a 1 s i 合金连续定向 凝固组织控制进行了系统深入的研究，采用真空熔炼和氩气保护下定向凝固设备制备出 具有连续柱状晶和单晶组织的舢1 s i 合金键合线坯。与普通连铸坯相比，铸坏表面质 量得到了提高，大大降低了气孔、夹杂等缺陷单晶延伸率可达3 1 0 4 t 2 3 - 2 4 。 传统铸坯制各方法由于合金凝固速度慢，因此组织偏析等缺陷难以避免。与传统的 铸坯一挤压一拉拔成形的键合线制备方法相比，利用熔融金属快速凝固技术制备具有最终 直径的键合线有着许多优势。目前，制备金属线的快速凝固方法有玻璃涂覆纺绩法、合 金液注入液体冷却法、旋转水纺绩法等。前两对方法冷却速度较慢，只限于生产p d - s i 、 p t - n i 等贵金属合金丝。与其它快速凝固方法相比，旋转水纺绩法实施容易，是大量生 产非晶态和结晶态合金丝的有效方法。上海交通大学李可等采用旋转水纺绩法快速凝固 技术半连续制备了直径为o 1 l m m 的a 1 1 s i 合金微细线，其实验装置简图如图1 4 所示，主要由熔化机构和旋转机构组成【2 ”。a 1 1 s i 合金装在石英管中，采用高频线圈 感应加热，熔化后向管中通入氩气，金属液在一定的压力下从石英管中喷射到旋转鼓内 的冷却水中迅速冷却形成微细线。旋转水纺绩法快速凝固技术制备线材的技术关键是采 用喷射技术获得细而且稳定的液流柱，同时采用一定的冷却介质对该液流柱进行激冷， 并及时将获得的金属线缠绕起来实现连续生产。旋转水纺绩工艺制备键合线材的缺点是 对工艺要求较高，目前需要迸一步完善以制备出直径更细的键合线材。 李新涛；管线坯水平连铸工艺及外场改性研究 2 1 4 1 5 1 6 ( a ) 旋转机构( b ) 熔化机构 圉1 4 旋转纺绩法制备a i 1 s i 键合线装置示意图 啦1 4e x p e r i m e n t a la p p a r a t u sf o ri n - r o t a t m gl i q u i ds p i n n i n go f a l - 1 s ib o n d i n gw i r e 1 底座；2 变速电机；3 轴承套；4 轴承：5 旋转鼓：6 螺母及垫片：7 感应线圈； 8 石英套；9 底托；1 0 氩气压力阀：11 氩气供应管；1 2 石英管；1 3 ，热电偶；1 4 石英管固定夹；1 5 喷射装置固定套；1 6 铁架台 1 4 水平连铸技术的发展与现状 连铸技术是由英国人b e s s e m e r 于1 8 5 6 年提出来的，并于1 9 3 0 年开始应用于铜、铝等 有色金属的生产。我国是较早开始研究连铸技术的国家之一，1 9 5 7 年在上海建成一台高 架立式方坯连铸实验机，次年又在重钢三厂建成我国第一台用于工业生产的立式连铸 机，1 9 6 4 年在该厂建成我国第一台也是世界最早的r 6 m 弧形连铸机【2 5 1 。 与传统的铸锭、开坯、轧制的生产方式相比，连铸技术在提高生产能力及金属收得 率、简化工艺流程、降低能耗、保证产品质量等各方面都具有不可比拟的优势，更能适 应现代生产大规模、高速化、连续化以及节约能源的要求。因此，近几十年来，世界各 国的连铸技术发展都极为迅速，连铸比高低已经成为衡量一个国家工业发达与否的重要 标志之一，包括我国在内的许多国家的连铸比已超过9 0 ，一些工业发达国家已经达到 百分之百【2 6 1 。 连铸技术是随着连铸机的发展而发展的。连铸机按铸坯断面形状可分为厚板坯、薄 板、小方坯、圆坯等；也可按铸坯运行的轨迹分为立式、立弯式、垂直多点弯曲式、 垂直一弧形、多半径弧形、水平式及旋转式连铸机唧。 大连理工大学博士学位论文 立式连铸机出现最早，其优点是金属液中夹杂易于上浮，凝固坯壳冷却均匀对称， 无弯曲矫直应力。但缺点是设备高度大，建设投资大，且金属液静压力大，易使铸坯产 生鼓肚变形，铸坯断面和长度都不能过大，拉速也不宜过高。 立弯式连铸机的优点是降低了设备高度，将完全凝固的铸坯弯成9 0 。角，在水平方 向出坯，消除了定尺长度的限制，降低了设备的投资。但缺点是铸坯存在弯曲矫直应力， 容易产生裂纹。 弧形连铸机进一步降低了设备的高度，其高度仅为立式连铸机的l 2 1 3 ，操作方便， 便于提高拉坯速度。但缺点是存在设备对弧困难，内外弧冷却欠均匀。弯曲矫直应力较 大及夹杂物在内弧侧容易聚集，因此对金属液纯净度要求非常高。 水平连铸技术始于2 0 世纪5 0 年代，最早应用于有色金属生产。但由于开发初期铸 机技术性能的局限性和某些技术难点的存在，其产量与效益均不明显，因而未能受到重 视。随着科技的进步，对原材料的要求越来越高，发展合理的连铸工艺以确保铸坯的技 术性能已成为必然。与传统连铸工艺相比，水平连铸技术具有以下特点 2 8 - 2 9 】： ( 1 ) 水平连铸设备结构简单，重量轻，投资少。一般比弧形连铸机重量轻l 3 ，投资 可节省3 0 - 4 0 ； ( 2 ) 水平连铸机高度低，不需建高大厂房，适用于中小型车间； ( 3 ) 由于结晶器水平布置，无弯曲和矫直应力，因此可以浇注各种难于变形的高合 金铸坯： ( 4 ) 保温炉与结晶器密封连接，避免了金属液浇注时的二次氧化，因此铸坯清洁度 高，质量好，可以浇铸的钢种范围大； ( 5 ) 适用于生产优质小断面铸坯。 由于具有以上优势，水平连铸技术逐渐被视为是制备高质量铸坯的连铸方式，尤其 适于近终形连铸，越来越受到研究者及生产企业的重视。 t 9 7 6 年日本住友公司建立了水平连铸机进行不锈钢管坯的水平连铸实验，1 9 8 0 年试 生产不锈钢管坯1 9 8 7 年配套的a o d 炉扩大为2 0 t ，形成不锈钢管坯水平连铸工业生产机 组，采用中间包感应加热，使一包钢水浇注时间延长至2 5 h ，同时为进一步提高铸坯质 量，在结晶器、二冷区及凝固末端进行电磁搅拌，可以生产规格为0 1 8 3 3 3 6 m m 的不锈 钢管坯。 美国铸钢工程公司于1 9 8 4 年1 月在洛杉矶铸造厂建立一台水平连铸试验机，1 9 9 0 年 又将单流改为双流。该机组主要技术特点是：】) 中问包容量很大，钢液柱高度可达 1 5 2 4 m m 。有利于夹杂物上浮，热损失少，并有利于多炉连浇；2 ) 中间包等离子加热功率 为6 m w ，使浇注温度过热度控制在3 0 1 2 以内，改善了铸坯质量，并使整包钢水浇铸时间 李新涛：管线坯水平连铸工艺及外场改性研究 长达5 h ；3 ) 可调式新型结晶器在铜套后增加一段管式石墨段，称为再凝固段，最后为可 调石墨段；4 ) 用直流力矩马达直接驱动拉坯机，无减速机传动，精度高。此台铸机年产 量达2 0 万t ，能获得高清洁度的铸坯，生产成本与弧形连铸机相近浦自后，美 d a v y - l o e w y 公司、日本钢管公司、美国通用汽车公司以及德国t g 公司等迅速发展了水平连铸技术。 目前，双流水平连铸机已在美国、日本、德国、俄罗斯等国家投入工业规模的生产，实 现了普通钢和对裂纹敏感、难以加工变形和易氧化元素含量较高的特种钢的工业化生产 【刈。 我国早在上世纪6 0 年代初期就开始了水平连铸的实验，当时钢铁研究总院、唐山 钢铁公司等作过探索。1 9 7 9 年，首钢钢研所和山西冶金研究所在极其简陋的水平连铸设 备上生产出第一根圆坯 3 1 】。1 9 8 1 年，马钢钢铁研究所设计制造了一台单流试验机，1 9 8 5 年1 2 月又在马钢建成一台双流工业试验机，试浇注0 8 0 m m 的2 0 钢管坯。试验时最高 达6 炉连浇，一次浇完9 3 吨钢水，拉成率达9 0 0 , 【3 2 】。1 9 8 6 年2 月成都无缝钢管厂建成 并投产了一台0 8 0 1 3 0 r a m 无缝钢管圆管坯生产机组，1 9 9 2 年又建成投产了一台中 9 0 删m m 管坯生产机组。1 9 8 7 年天津特钢厂和齐钢引进德国t g 公司设备建成的双流 水平连铸机投产，主要生产特钢方坯，从此我国出现了生产方坯的水平连铸机。衡阳无 缝钢管炼钢车间，是我国首家采用水平连铸实现全连铸化设计的炼钢车间，第一台机组 于1 9 9 1 年5 月投产，生产直径为8 0 1 3 0 m 圆管坯【。1 9 9 0 年，国内第一条铸铁型材水 平连铸生产线由西安理工大学开发制造成功。1 9 9 4 底安装在西安理工大学新华安公司的 z s l 0 2 型连铸生产线正式投产运行，能够生产不同规格的圆坯、方坯及其它等截面的 各种牌号的灰铸铁、球墨铸铁型材【3 3 1 。 采用水平连铸法生产空心管坯，可以避开空心坯的弯管和矫直设备，真正实现无间 断的连续铸造。但由于现有技术和设备的问题，国内外尚未见到水平连铸技术应用于空 心钢管坯生产方面报导 3 4 - 3 5 】。目前，水平连铸空心管坯技术的研究和应用集中在铜等有 色合金空心管坯的生产上。r o d r i g l l e z 3 6 】等对水平连铸空心紫铜管坯的内外结晶器锥度、 冷却系统设计及几个工艺参数之间的关系进行了系统研究，设计了带有锥度的石墨结晶 器系统和逆向流动冷却系统，并成功实现了0 3 0 6 i 衄空心铜管坯的水平连铸。 国内空心铜管坯的水平连铸研究起步很晚，9 0 年代初河南新乡金龙精密铸管有限公 司从国外成套引进空心铜管坯水平连铸技术设备，在消化引进技术的基础上，对连铸工 艺进行了调整和改进，生产的管坯质量满足后续冷拔铜管的要求，生产的铜管质量可与 挤压坯冷拔铜管的质量相媲美【3 7 】。 大连理工大学博士学位论文 1 5 电磁场及超声场在材料制备中的应用 如前所述，现代科学技术的发展，对材料的性能提出了越来越高的要求。采用常规 连铸工艺生产的铸坯的质量问题日益突出，例如，表面粗糙、组织偏析、缩松、缩孔等。 传统的孕育、变质处理或微量合金化在细化晶粒方面虽有显著效果，但是在生产过程中 不同程度地造成环境污染，同时影响了金属的重复使用。随着电磁场理论的不断完善和 大功率超声设备的出现，许多新兴的连铸技术、工艺应运而生，目前已经成为材料研究 领域的新热点和亮点。 1 5 1 电磁制动技术 在板坯连铸过程中，随着拉坯速度的提高，金属液出水口流速提高。高流速金属液 冲击板坯窄面的凝固壳，容易导致凝固壳重熔，严重时甚至造成拉漏事故。同时，金属 液出水口后，在结晶器内形成上、下两个回流区，导致大量非金属夹杂物随着钢液的流 动流至板坯深部形成内部缺陷【3 8 - 4 0 。日本川崎钢铁公司和瑞典的a s e a 公司进行了联合 研究，采用在靠近浸入式水口的局部区域施加稳恒磁场来控制金属液流速的方法解决了 这一问题，并于1 9 8 2 年在第四届国际钢铁会议上首次提出了电磁制动这一概念【4 l 】。 图1 5 示出了稳恒磁场电磁制动的原理。稳恒磁场可以由直流电产生，也可以由强 磁性永磁体产生。 y 图1 5 稳恒磁场电磁制动原理 f i g 1 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f e l e c t r o m a g n e t i cb r a k e rw i t hd i r e c tm a g n e t i cf i e l d 如图所示，在y 方向上施加磁感应强度b y 的稳恒磁场，金属流体在x 方向以速度 v x 运动，则会在z 方向产生感应电流： j = o v x b ( 1 - 1 ) 李新涛：管线坯水平连铸工艺及外场改性研究 感应电流与磁场相互作用，产生洛伦兹力，： f = 3 x b = 一o v x b x b ( 1 2 ) 洛伦兹力方向与金属液流动方向相反，从而使由中间包流向结晶器的金属液的流动 得到控制。这个结论同样适用于z 方向的流动，即稳恒磁场对施加方向以外的金属的流 动都能产生抑制作用。静磁场的这种作用被称为电磁制动或电磁闸1 4 2 j 。 早期的电磁制动装置结构较小，只有两对磁极头作用在靠近浸入式水口的局部区 域。9 0 年代初，电磁制动技术进一步发展为覆盖整个板宽的条形磁场。近年又发展了多 区甚至覆盖整个宽面的电磁制动，具有更好的制动效果。 国内对电磁制动技术的研究起步相对较晚，但近年来也开展了大量的工作。东北大 学的贾光霖等建立了薄板坯电磁制动热模拟试验台，研究了l m f ( l e v e lm a g n e t i cf i e l d ) 型磁场的分布规律和冶金效果，并成功地制各出长达两米、表面和内部质量良好的 p b s n - b i 合金坯，在此基础上，李宝宽运用m 曲理论对薄板坯的电磁制动技术进行了 专门研究