（材料加工工程专业论文）铜及铜合金管坯水平电磁连续铸造技术研究.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，对铜及铜合金管材的需求数量日益增多， 并对其质量和生产效率也提出了越来越高的要求。管坯连续铸造技术被认为是管材生产 更深层次的近终形制备技术，具有生产效率高以及金属利用率高等众多优势。但目前采 用水平连续铸造技术所生产的管坯存在凝固组织粗大且周向分布不均匀、表面质量差等 缺陷。因此，如何生产出优质的铜及铜合金管坯，使其能够满足后续a n - r - 要求，是提高 生产效率、获得高质量管材的技术关键。电磁场在材料a n - r 领域的大量研究及应用为制 备高质量的铜及铜合金管坯提供了契机。 本文以制备高质量铜及铜合金管坯为目的，研究了紫铜和b f e l 0 1 1 白铜管坯水平 电磁连续铸造技术，论文主要包括以下内容： 采用a n s y s 软件计算了9 0 2 5i l l r n 紫铜管坯水平电磁连续铸造过程中，结晶器 压板和法兰材料对电磁发生器作用效果和磁感应强度分布的影响。并将a n s y s 和 f l u e n t 软件相结合，计算了在紫铜管坯水平连续铸造过程中，电磁场对紫铜管坯凝固 过程，包括速度场、温度场、液相率分布的影响；以及电流强度和铸造速度对电磁场作 用下紫铜管坯凝固过程的影响。结果表明，结晶器压板和法兰材料对电磁发生器作用效 果有着强烈的影响。当压板和法兰均为强导磁材料时，电磁场的作用效果几乎被屏蔽； 当压板和法兰均为弱导磁材料时，对电磁发生器的作用效果几乎没有影响，并且法兰对 电磁发生器作用效果的影响要强于压板。电磁场显著的改变了管坯内金属液的流动方 式，使其在管坯横截面产生旋转运动，当电流频率为5 0h z ，电流强度为5 0a ，铸造温 度为11 5 0o c ，铸造速度为2 5 0m m m i n 时，最大切向速度可达到0 2 3 3m s ；并且金属 液在管坯纵截面形成环流。电磁场强烈的均匀了管坯内部金属液的温度场，使温度梯度 由7 4 8k m 降低到1 9 6k m ，使液穴深度由4 8 8r l l l t l 降至2 9 0m l t l ，并显著的扩大了固 液两相共存区。随着电流强度的增加，管坯横截面金属液的切向速度显著提高，液穴内 温度场和液相率分布变均匀。温度梯度和液相率梯度极大的降低，固液两相共存区明显 增大，液穴深度显著变浅。随着铸造速度的增加，管坯横截面金属液的切向速度略有增 加，温度梯度和液相率梯度降低较小。固液两相共存区略有扩大，液穴深度略微变浅。 采用s n 3 5 p b 做为模拟合金，研究了在管坯外结晶器施加旋转磁场时，电磁场对 管坯内金属液运动行为以及凝固过程的影响，结果表明，电磁场均匀了管坯内金属液的 温度场，降低了温度梯度；电磁场也降低了管坯内金属熔体的液穴深度，均匀了液穴的 形状，与数值模拟结果一致。 铜及铜合金管坯水平电磁连续铸造技术研究 将紫铜管坯水平电磁连续铸造技术应用到工业生产中，突破了结晶器结构，磁场发 生器设计、安装等难题。进行了$ 9 0 x 2 5r n r n 紫铜管坯水平电磁连续铸造在线实验，系 统研究了磁感应强度、磁场施加模式对紫铜管坯凝固组织及性能的影响，并探索了铸造 速度、铸造温度、冷却水强度对电磁场作用效果的影响，结果表明，随着磁感应强度的 增加，管坯的凝固组织不断细化，但当电流强度高于5 0a 时，由感应电流产生的j o u l e 热过大，凝固组织开始变粗；间歇磁场与连续磁场对管坯凝固细化效果相同。提高铸造 速度有利于电磁场对管坯凝固组织的细化作用；降低铸造温度，增大冷却强度不利于电 磁场对凝固组织的细化作用。当电流频率为5 0 h z ，电流强度为5 0 a ，铸造温度为1 1 5 0o c ， 铸造速度为2 5 0m m m i n ，冷却水量为1m 3 h 时，管坯的凝固组织细化效果相对较好， 等轴晶比例达到9 8 以上，消除了水平连续铸造紫铜管坯凝固组织的各向异性，平均 抗拉强度提高了1 5 9 ，平均延伸率提高了6 3 8 。紫铜管坯的密度由8 9 1 2 3g c m 3 提 高到8 9 3 7 2g c m 3 ，并延长了石墨模具的使用寿命。同时降低了制备冷凝管时的平均伤 点数。 对b f e l o 1 1 白铜管坯水平连续铸造中常见的铸造缺陷进行了研究，在此基础上对 电磁连续铸造工艺参数进行优化，从而开发出了$ 8 3 x 2 1m l t lb f e l 0 1 1 白铜管坯水平电 磁连续铸造新工艺。并系统研究了电磁场作用下管坯宏观、微观凝固组织的演变规律； 电磁场对管坯表面质量、溶质元素分布、富n i 相的偏聚状态及生长形貌、力学性能的 影响，结果表明，电磁场使b f e l 0 1 1 自铜管坯宏观凝固组织显著细化，微观凝固组织 呈现一定的变化规律。并有效抑制了n i 、f e 、m n 元素的偏析，改变了富n i 相的分布。 当电流频率为5 0h z ，电流强度为1 2 0a ，铸造温度为1 2 3 0o c ，铸造速度为3 5 0m m m i n ， 冷却水量为1 8m 3 h 时，管坯的凝固组织最佳，平均晶粒尺寸达到0 5 6m i l l ，消除了管 坯凝固组织的各向异性，管坯的抗拉强度提高了2 0 3 ，延伸率提高了6 5 7 ，为最佳 工艺参数。 关键词：水平连续铸造；管坯；电磁场 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 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 r a n dc o p p e ra l l o yh o l l o wb i l l e t s 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 l l i 曲q u a l i t yc o p p e ra n dc o p p e ra l l o yt u b e sa n dt h er e q u i r e m e n t s f o rt h eh i g hp r o d u c t i o n e f f i c i e n c yi n c r e a s eq u i c k l y c o n t i n u o u sc a s t i n go fh o l l o wb i l l e t si sc o n s i d e r e da sap r o f o u n d n e a r n e tf o r m i n gt e c h n o l o g y 谢t ht h ea d v a n t a g eo fh i g hp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dh i g h u t i l i z a t i o nr a t i o b u tt h e r ea r em a n yp r o b l e m sf o rt h eh o l l o wb i l l e t ss u c ha sp o o rs u r f a c e q u a l i t y ，t o om a n yc a s t i n gd e f e c t s ，a n dc o a r s eg r a i n s i ns o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ea n dp o o r u n i f o r m i t yo fs t r u c t u r ei nt h ec i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o n h o wt op r o d u c eh i g hq u a l i t yc o p p e r a n dc o p p e ra l l o yh o l l o wb i l l e t st os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fs u c c e e d i n gt r e a t m e n ti st h ek e y t oa c q u i r et h eh i g hq u a l i t yt u b e s t h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l di n m a t e r i a l sp r o c e s s i n gp r o v i d e sac h a n c ef o rp r o d u c i n gh i g hq u a l i t yc o p p e ra n dc o p p e ra l l o y h o l l o wb i l l e t s t h e p u r p o s eo f t 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 ra n dc o p p e ra l l o yh o l l o w b i l l e t s t h et e c h n o l o g yo fh 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 ra n d b f e l 0 1 - 1c o p p e ra l l o yh o l l o wb i l l e t si ss t u d i e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： a n s y ss o f t w a r ei su s e dt oc o m p u t et h ei n f l u e n c eo ft h em a t e r i a l so fp r e s sp l a t ea n d f l a n g eo nt h ea c t i v ee f f e c to ft h ee l e c t r o m a g n e t i cg e n e r a t o ra n dt h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i c f l u xd e n s i t yd u r i n gh 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 f0 9 0 x 2 5m l t lc o p p e r h o l l o wb i l l e t s t h es o f t w a r e sa n s y sa n df l u e n ta r ec o u p l e dt os i m u l a t et h ee f f e c to f e l e c t r o m a g n e t i cf i e l do nt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fc o p p e rh o l l o wb i l l e t s ，i n c l u d i n gv e l o c i t y f i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l da n dl i q u i df r a c t i o n ，a n dt h ee f f e c to fc u r r e n ti n t e n s i t ya n dc a s t i n g s p e e do nt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fc o p p e rh o l l o wb i l l e t sw i t he l e c t r o m a g n e t i cf i e l d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h em a t e r i a l so fp r e s sp l a t ea n df l a n g eh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h ea c t i v e e f f e c to ft h ee l e c t r o m a g n e t i cg e n e r a t o r w h e nt h em a t e r i a l so fp r e s sp l a t ea n df l a n g ea r e s t r o n gp e r m e a b l i l i t ym a g n e t i cm a t e r i a l s ，t h ea c t i v ee f f e c to ft h ee l e c t r o m a g n e t i cg e n e r a t o ri s a l m o s tw e a k e n e dc o m p l e t e l y w h e nt h em a t e r i a l so fp r e s sp l a t ea n df l a n g e a r ew e a k p e r m e a b l i l i t ym a g n e t i cm a t e r i a l s ，t h ea c t i v ee f f e c to ft h ee l e c t r o m a g n e t i cg e n e r a t o ri sn o t n e a r l yw e a k e n e d t h ef l a n g eh a sm u c hg r e a t e ri n f l u e n c et h a nt h ep r e s sp l a t eo nt h ea c t i v e e f f e c to ft h ee l e c t r o m a g n e t i cg e n e r a t o r t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l do b v i o u s l yc h a n g e st h ef l o w p a t t e r no ft h em e l ti nh o l l o wb i l l e t t h em e l tc i r c u m r o t a t e si nc r o s ss e c t i o na n ds w i r l si n l o n g i t u d i n a ls e c t i o no ft h eh o l l o wb i l l e t w h e nt h ec u r r e n tf r e q u e n c yi s5 0h z ，t h ec u r r e n t i i i - 铜及铜合金管坯水平电磁连续铸造技术研究 i n t e n s i t yi s5 0a ，t h ec a s t i n gt e m p e r a t u r ei sl15 0o c ，t h ec a s t i n gs p e e di s2 5 0m m m i n ，t h e m a x i m u mt a n g e n t i a lv e l o c i t yi s0 2 3 3m s t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l df i e r c e l yp r o m o t e st h e t e m p e r a t u r ef i e l du n i f o r ma n dt h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ti sg r e a t l yr e d u c e df r o m7 4 8k m t o19 6k m t h es u m pd e p t hd e c r e a s e sf r o m0 19 4mt o0 14 8ma n dt h em u s h yz o n ee n l a r g e s r e m a r k a b l y w h e nc u r r e n ti n t e n s i t yi n c r e a s e s ，t h et a n g e n t i a lv e l o c i t yi n c r e a s e so b v i o u s l y ，t h e t e m p e r a t u r ef i l e da n dl i q u i df r a c t i o ni nt h es u m pb e c o m ee v e n ，t h et e m p e r a t u r ea n dl i q u i d f r a c t i o ng r a d i e n td e c r e a s eg r e a t l y ，t h em u s h yz o n ee n l a r g e so b v i o u s l ya n dt h es u m pd e p t h b e c o m e ss i g n i f i c a n t l ys h a l l o w w h e nt h ec a s t i n gs p e e di n c r e a s e s ，t h et a n g e n t i a lv e l o c i t y i n c r e a s e ss l i g h t l y ，t h et e m p e r a t u r ea n dl i q u i df r a c t i o ng r a d i e n td e c r e a s es l i g h t l y ，t h em u s h y z o n ee n l a r g e ss l i 曲t l ya n dt h es u m pd e p t hb e c o m e ss l i g h t l ys h a l l o w t h es n - 3 5 p bs i m u l a t i o na l l o yi su s e dt os t u d yt h ee f f e c to fr o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d o u t s i d et h eg r a p h i t em o l do nt h em o v e m e n tb e h a v i o ra n dt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s so ft h em e l t i nh o l l o wb i l l e t t h er e s u l ts h o w st h a tt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dr e d u c e st h et e m p e r a t u r e g r a d i e n ta n dm a k e st h et e m p e r a t u r ef i e l du n i f o r m t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dr e d u c e st h es u m p d e p t ha n dm a k e st h es h a p eo fs u m pu n i f o r mi nt h eh o l l o wb i l l e t 1 1 1 ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r e c o n s i s t e n tw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h et e c h n o l o g yo fh 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 rh o l l o wb i l l e t s i sa p p l i e dt ot h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n n l ed i f f i c u l tp r o b l e m ss u c ha st h es t r u c t u r eo ft h e c r y s t a l l i z e ra n dt h ed e s i g na n di n s t a l l a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cg e n e r a t o ra r es o l v e d t h e e x p e r i m e n t so fh 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 f0 9 0 x 2 5n u nc o p p e rh o l l o w b i l l e t sd o i n gi ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o nl i n es t u d yt h ee f f e c t so fm a g n e t i cf l u xd e n s i t ya n dt h e i m p o s e dp a t t e r no fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l do nt h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fc o p p e rh o l l o wb i l l e t sa n di n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fc a s t i n gs p e e d ，c o o l i n g i n t e n s i t y a n dc a s t i n g t e m p e r a t u r eo nt h e a c t i v ee f f e c to ft h e e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d s y s t e m a t i c a l l y t h er e s u l t ss h o wt h a t w i t ht h ei n c r e a s eo fm a g n e t i cf l u x d e n s i t y ，t h e s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ei sr e f i n e dc o r r e s p o n d i n g l y b u tw h e nt h ec u r r e n ti n t e n s i t yi sm o r et h a n 5 0a t h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r et u r n st og e tc o a r s eb e c a u s eo ft h ej o u l eh e a t t h ei n t e r m i t t e n t e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dh a st h es a l t l ee f f e c ta st h ec o n s e c u t i v ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l do nr e f i n i n g t h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e i n c r e a s i n gt h ec a s t i n gs p e e di sh e l p f u lf o re l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt o r e f i n et h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e r e d u c i n gt h ec a s t i n gt e m p e r a t u r ea n de n h a n c i n gc o o l i n g i n t e n s i t ya r eh a r m f u lf o re l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt or e f i n et h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e w h e nt h e c u r r e n tf r e q u e n c yi s5 0h z ，t h ec u r r e n ti n t e n s i t yi s5 0a ，t h ec a s t i n gt e m p e r a t u r ei s115 0o c ， t h ec a s t i n gs p e e di s2 5 0m m m i n ，t h ec o o l i n gi n t e n s i t yi s1 m h ，t h er e f i n e ds o l i d i f i c a t i o n s t r u c t u r eo fc o p p e rh o l l o wb i l l e ti sb e t t e rt h a na n yo t h e r s t h ei n h o m o g e n e o u sc o l u m n a r g r a i n sc h a n g ei n t oh o m o g e n e o u se q u i a x e dg r a i n sa n dt h er a t i oo fe q u i a x e dg r a i n si sm o r et h a n i v 大连理工大学博士学位论文 9 8 t h et e n s i l es t r e n g t hi si n c r e a s e db y15 9 a n dt h ee l o n g a t i o ni si m p r o v e db y6 3 8 c o m p a r e dt ot h o s ew i t h o u te l e c t r o m a g n e t i cf i e l d t h ed e n s i t yo fc o p p e rh o l l o w b i l l e t i n c r e a s e sf r o m8 9 1 2 3g c m 5t o8 9 3 7 2g c m 3 ，t h es e r v i c el i f eo ft h eg r a p h i t ei n n e r m o l di s i n c r e a s e da n dt h ei n ju r yp o i n t so ft h ec o p p e rt u b e sa r ed e d u c e db e c a u s eo fe l e c t r o m a g n e t i c f i e l d t h er e g u l a rc a s t i n gd e f e c t so c c u r i n gd 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 go fb f e 10 - 1 - - 1 c o p p e ra l l o yh o l l o w b i l l e t sa r es t u d i e d t h ep a r a m e t e r so fh o r i z o n t a le l e c t r o m a g n e t i c c o n t i n u o u sc a s t i n go f 8 3 x 2 1m i l lb f e l 0 - - 1 - 1c o p p e ra l l o yh o l l o wb i l l e t sa r eo p t i m i z e dt o e x p l o r en e w t e c h n i c s t h ee f f e c to fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l do nt h ee v o l u t i o n so fm a c r o s t r u c t u r e s a n dm i c r o s t r u c t u r e s ，t h es u r f a c eq u a l i t y ，s o l u t ed i s t r i b u t i o n ，t h ea c c u m u l a t e ds t a t ea n dg r o w t h m o r p h o l o g yo f n i - r i c hp h a s e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fb f e l0 1 - 1c o p p e ra 1 1 0 yh o l l o wb i l l e t i ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a c r o s t r u c t u r e sa r eg r e a t l yr e f i n e da n dt h e m i c r o s t r u c t u r e st r a n s f o r mi nc e r t a i nr u l eb ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l d t h es e g r e g a t i o n so fn i ，f e a n dm na r er e s t r a i n e da n dt h ed i s t r i b u t i o no fn i - r i c hp h a s ei sc h a n g e dw i t he l e c t r o m a g n e t i c f i e l d w h e nt h ec u r r e n tf r e q u e n c yi s5 0h z ，t h ec u r r e n ti n t e n s i t yi s12 0a ，t h ec a s t i n g t e m p e r a t u r ei s1 2 3 0o c ，t h ec a s t i n gs p e e d i s3 5 0r a m r a i na n dt h ec o o l i n gi n t e n s i t yi s1 8m 3 h ， t h ei n h o m o g e n e o u sc o l u m n a rg r a i n sc h a n g et oh o m o g e n e o u se q u i a x e dg r a i n sw h i c ha r eb e t t e r t h a na n yo t h e r sa n dt h ea v e r a g eg r a i ns i z er e a c h e st o0 5 6m i l l t h et e n s i l es t r e n g t hi s i n c r e a s e db y2 0 3 a n dt h ee l o n g a t i o ni si m p r o v e db y6 5 7 c o m p a r e dt ot h o s ew i t h o u t e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d 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 ；h o l l o wb i l l e t s ；e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d v 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：型旦2 年l 月j 日 日期：丛年上月堕日 f 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体己经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。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。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：继翻铿纽烂拯磁幽蟹览 作者签名：圜壶 碉日期：二咝年红月j 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 金属管材是一种具有高附加值的经济型材，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，对金属管材的质量提出了越来越高的要求，因此发展管材先进制备技术以确保 其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、白铜冷凝管和黄铜冷凝管等。 近几年来，随着我国经济的持续发展，国内对铜材的需求开始出现快速增长。2 0 0 2 年，我国铜材产量超过2 5 1 。2 万吨，其中铜管产量为5 1 3 万吨，均仅次于美国，居世界 第2 位。并且铜管产量以每年约5 5 0 不等的速度递增，到2 0 0 7 年，铜管产量为 1 1 9 5 万吨。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 t 1 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渐 代替薄壁光管而成为制造空调两器( 蒸发器和冷凝器) 传热管的关键部件，小直径、薄 壁内螺纹管的生产对紫铜管坯质量提出了更高的要求，同时也是对内螺纹铜管制造业提 出的又一个重大技术课题1 2 ，3 j 。 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 陆中冷却水含盐、含碱较高的火力电站) 和海水淡化等行业1 4 ，5 1 。近年来，我国的造船 业以每年近5 0 的速度增长，因此，对白铜冷凝管的需求量也大幅度增长【6 j 。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2 5 0 0 2 8 0 0 亿度缺口。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之增长。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【7 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。 采用传统水平连续铸造工艺生产的紫铜管坯晶粒组织粗大且分布不均，在生产壁厚 o 2r r n t l 以下的内螺纹管时，经常出现断管现象。目前，b f e l 0 1 1 白铜冷凝管的生产主 要采用半连续铸造实心锭一挤压穿孔一轧制一拉拔_ 酸洗等2 5 道复杂的生产工序，由 铜及铜合金管坯水平电磁连续铸造技术研究 于白铜合金强度高，变形抗力大，增大了挤压难度，能源消耗很大。该工艺工序复杂、 成品率低、能耗大，市场竞争力差。近年来，国内一些铜加工企业及科研院所探索了铸 轧法，即水平连续铸造空心管坯_ 轧制_ 拉拔一酸洗的工艺，制备出b f e l 0 1 1 白铜合 金冷凝管1 8 j 。和现有工艺相比，后者可缩短工艺流程、提高成材率，大幅度降低成本。 但该工艺仍避免不了传统水平连续铸造工艺所造成的b f e l 0 1 1 白铜合金管坯晶粒组织 粗大且分布不均等问题，对管坯的后续加工过程产生了一定的影响。因此，改进传统水 平连续铸造工艺，以进一步提高管坯质量，已经成为迫在眉睫的工作。电磁场具有传递 能流密度大、无接触、可控制等特点被广泛地应用于有色金属和钢铁的冶金过程及其它 材料加工领域，为制备高质量的铜及铜合金管坯提供了契机。 1 2 空心管坯连续铸造技术 1 2 1 垂直连铸法 关于垂直连续浇铸空心管坯的设想，早在1 8 6 9 年就由约翰麦克洛斯基( j o h nm e c l o s k e y ) 提出来了，并在美国申请了专利。其主要原理是在圆形的结晶器中放入一个同 心的水冷芯子一内结晶器，钢液浇入外结晶器与内结晶器形成的环形空间内，这样便得 到管形的空心坯，其结构原理如图1 1 所示。用这种方法浇铸空心坯的主要困难是内结晶 器的设计问题。如果锥度小，管坯收缩就会将内结晶器箍住，因而使得浇铸不能顺利进 行；如果锥度太大，则凝固坯壳与内结晶器接触不良而不能得到充分冷却，就会产生破 裂或漏钢事故【9 1 3 j 。 由于受当时各种条件的限制，此想法虽好但一直未能付诸实现。直多j 1 9 5 9 年，西德 曼内斯曼公司胡金根厂终于连续浇铸出外径为3 0 0i t u t i ，内径为1 0 0m r n 的空心坯。随后 该公司又浇铸出外径4 5 0m i n 、内径1 0 0t o n i 、长达7m 的空心圆坯。经过十五年的研究， 曼内斯曼米尔公司建成了第一台完全生产用的空心坯连铸机，于1 9 7 0 年l o 月投入生产， 该设备浇铸的优质空心坯可在周期轧管机上3 n - r 成大口径无缝管【9 1 。 1 9 6 9 年前苏联的全苏冶金机械科学研究所与中央黑色冶金科学研究所共同开展了 空心管坯的研究工作，在搞清了空心管坯凝固过程的基本原理后，设计建造了一台实验 性的半连续铸钢装置，利用该装置成功浇铸出外径2 6 5m i l l 、内径9 01 t l r n 的空心圆坯，并 用旋转磁场来影响结晶器中的钢液，使钢液结晶时受到电磁搅拌的作用，从而提高铸坯 质量，特别是奥氏体钢铸坯的质量，使柱状晶区缩小，中心缩松大为减轻，钢的机械性 能得到改善。研究认为连铸机浇铸耐热合金( 女i i h k 4 0 ) 、低合金高强度钢、不锈钢等 最为经济，可减少1 3 的生产费用。另外，研究了稀土金属处理对连铸空心管坯质量的 大连理工大学博士学位论文 影响。研究发现，加入铈等稀土元素，改善了夹杂物的分布形态，提高了致密度和机械 性能【9 ，12 1 。 美国乌尔姆国际公司在7 0 年代末也开展了垂直连续铸造空心管坯的实验工作。设计 的连铸机可生产外径1 3 1i l n - i 、壁厚1 7n l n l 的空心坯，不仅有良好的同心度和优异的低倍 组织，而且表面光滑，特别是内表面，比以前有了很大提高。研究认为，用连铸空心坯 制造无缝钢管，可以取消穿孔工序，而且钢管质量更好【9 ，1 2 】。李丘林等探索了浇注系统 和电磁场对空心管坯内表面质量和宏观凝固组织的影响，并将热顶技术和电磁连续铸造 技术应用到管坯的垂直连续铸造过程中，成功制备出了内、外表面光滑、宏观凝固组织 中具有高等轴晶比率的高质量0 6 0m m 1 5r f l n l 的s n 一4 5 p b 空心管坯【1 4 ，”】。 上述方法均是采用内结晶器来形成空心管坯的内腔。奥地利伯勒尔兄弟公司提出了 一种新颖的浇铸空心坯的方法，即所谓“无芯连铸法 ，其特点是不用内芯形成空腔， 原理如图1 2 所示1 9 ，1 3 j 。这种方法是把一般的弧形连铸机的二次冷却区由9 0 0 延长至1 8 0 0 或2 7 0 0 ，在大气压力下，拉出端的液芯与结晶器内钢液面在同一水平面，继续拉坯时， 铸坯壁厚不再增加，这样就得到了空心的连铸坯。此法生产空心连铸坯，过程简单，主 要困难是如何调节二次冷却，控制壁厚均匀性和同心度。另外在浇铸碳素钢管坯时，内 表面粗糙，且合金凝固范围越宽，内表面越粗糙。在拉辊前施加旋转磁场，内表面质量 得到了较大改善。将使用该法浇铸出的空心坯轧制成钢管，结果表明管坯完全能满足制 管的要求。中川吉左衔门提出利用类似穿孔用的项杆对离开液芯的管坯内腔进行冲顶， 不但得到表面光滑的