（材料加工工程专业论文）铝合金管坯电磁连铸工艺及理论研究.pdf

铝合金管材电磁连铸工艺及理论研究 摘要 本课题是国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 ) 资助项目“提高铝材质量基础 研究”中的部分内容，主要研究电磁场在铝合金管材连续铸造中的应用，旨在利 用电磁连铸技术制备高质量的铝合金管坯。 本文分析了外加差相电磁场和低频电磁场对铝合金管坯连铸过程中宏观流场 和温度场的影响规律。利用大型数值计算软件a n s y s ，模拟了差相电磁场和低频 电磁场条件下铝合金管坯电磁铸造过程中电磁场、熔体流场、温度场以及热应力 场。探讨了凝固微观组织形成机理、提高铸锭表面质量( 尤其是内表面) 的机制。 在此基础上，成功开发了铝合金管坯的差相电磁连铸和低频电磁连铸两组新工艺。 解决了常规管坯连铸中容易产生的裂纹、抱芯、表面质量差、机械性能低的缺点， 获得了铸态组织显著细化、均匀、合金元素宏观偏析抑制、表面光洁的高质量铝 合金管坯。本文主要结果如下： 1 研究了常规的管坯d c 铸造过程。比较了不同分流方式对管坯铸造过程的影响。 模拟了铸造过程的熔体流场、温度场和热应力场，分析了铸锭产生裂纹的原因。 同时，d c 铸造的管坯微观、宏观组织及表面状态观察表明：d c 铸造条件下铸 锭存在晶粒粗大、枝晶发达、表面开裂、偏析瘤严重的缺点。 2 开发了铝合金管坯的低频电磁连铸技术( l o w - f r e q u e n c ye 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 fh o l l o wb i l l e t s l f e c h b ) 。低频电磁连铸的6 0 6 3 铝合金 管坯晶粒细小、为球状或近球状晶粒，晶粒大小相近、组织均匀，偏析瘤得到 控制，表面质量得到改善，机械性能显著提高，铸态组织的维氏硬度和抗拉强 度，可以分别达到7 9 8 h v 和2 1 0 m p a 。 3 模拟了低频磁场下，铸锭中电磁场、熔体流场以及温度场的分布，说明了低频磁 场下，铸锭中磁感应强度较强，熔体流动状态为遍布整个熔池的大环流，温度 场分布均匀。低频电磁场细化合金铸态组织的原因是：a 电磁力的低频脉动分 量更接近熔体的惯性响应区间，改变了晶间熔体的流动方式，避免了枝晶的过 分长大；b 熔体快速流动，温度分布均匀，可形成爆发式形核；c 电磁场对角 隅的抑制，使晶粒长大为等轴晶；d 熔体流动使结晶器壁上初晶胚的游离，增 加形核核心；e 由于集肤效应和焦耳热，结晶器壁上初晶胚易于游离，增加形 一 壅韭盘鲎拄鲎焦盈圭一i 匾：墼 核核心；晶粒相互碰撞、摩擦，使枝晶生长困难，晶粒成近球状。 4 开发了管坯差相电磁连铸工艺( o u t - p h a s 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 o p e c ) ，采用磁感应强度和感应电流的波形图，描述了差相磁场下金属熔体中 电磁力分布。差相电磁连铸的6 0 6 3 铝合金管坯；表面质量得到显著改善，偏析 瘤得到充分抑制；晶粒为球状或近球状，组织均匀，机械性能显著提高，其铸 态组织的维氏硬度和抗拉强度，可以分别达到8 0 h v 和2 2 0 m p a 。 5 数值模拟了差相磁场条件下，铸锭中电磁场、熔体流动场以及温度场的分布，差 相磁场改变了熔体的流动，其流动遍布整个熔池，但流动状态与低频磁场下的不 同，流动方向与低频磁场下的相反，温度场分布更加均匀。同时，分析了差相磁 场提高铸锭表面质量的原因：即内石墨环处的初凝壳及其附近液态金属受到较大 的沿径向向外的电磁推力。此力部分地抵消了液态金属对初凝壳的静压力，结果 使初凝壳与内石墨环接触压力减小；在初凝壳中，因内部过热熔体重熔的枝晶间 低熔点物质，不至于在熔体静压力作用下渗出凝壳，形成偏析瘤。另一方面，此 力使初凝壳具有与内石墨环分离的趋势，减少了凝固收缩的压力，结果使一次冷 却强度降低，形成较薄的具有一定塑性的凝壳，避免出现因强烈的凝固收缩使铸 管与内结晶器抱死的“抱芯”现象；由于凝壳与内石墨环之间接触压力和接触面 积减少，使摩擦力降低，实现连铸管坯内表面的“软接触”，提高铸管的内表面 质量。 6 比较了内外线圈电流比不同( 线圈电流比为1 2 0 a j l 2 0 a 和2 4 0 a 1 2 0 a ) 情况下的管 坯差相电磁连铸过程，以及内外线圈电流比相同( 线圈电流比为2 4 0 a 1 2 0 a 和 1 2 0 a j 6 0 a ) 情况下的管坯差相电磁连铸过程。说明了在内外线圈电流频率为 5 0 h z 、相位差为9 0 。的磁场条件下，线圈电流比的改变对铸造过程的影响不大， 都能够有效地细化晶粒；然而，电流强度越大，熔体流速越快，温度越均匀， 液穴越浅，晶粒细化效果越明显；但是，当内外线圈电流过高时，铸造过程变 得不稳定，易产生缺陷，降低管坯的表面质量和机械性能。同时发现了电流同 比变化时，磁场、流场以及温度场具有相似性。 关键词：铝合金，管坯，半连续铸造，低频电磁场，差相电磁场，数值模拟，凝 固组织，表面质量，力学性能。 盔a 蠡鲎监堂焦逢塞 曼s 墅坠i s t u d yo nt h et e c h n o l o g ya n dt h e o r yo f d c c a s t i n g p r o c e s so f a l u m i n u ma l l o yh o l l o wb i l l e t su n d e r e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s a b s t r a c t t h i ss u b j e c ti sap a r tw o r ko f f u n d a m e n t a lr e s e a r c ho nt h eq u a l i t yi m p r o v e m e n t o fa l u m i n u mp r o d u c t s ”，w h i c hi ss u p p o r t e db yt h ek e yb a s i cr e s e a r c hp r o g r a mo f c h i n a ( 9 7 3 ) n l er e s e a r c hw o r ki sf o r c e do nt 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 cf i e l di n d cc a s t i n gp r o c e s so fa l u m i n u ma l l o yh o l l o wb i l l e t st oo b t a i na l u m i n u ma l l o yh o l l o w b i l l e t sw i t hh i g hm e t a l l u r g i c a lq u a l i t y t h ee f f e c to fo m - p h a s ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dl o w - f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i c f i e l do nt h ef l o wf i e l da n dt h et e m p e r a t u r ef i e l di ne l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n gp r o c e s so f a l u m i n u ma l l o yh o l l o wb i l l e t sw 船a n a l y z e d 1 1 1 ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，f l o wf i e l d ， t e m p e r a t u r ef i e l d ，a n ds t r e s sf i e l di ne l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n gp r o c e s so fa l u m i n u ma l l o y h o l l o wb i l l e t su n d e ro u t p h a s ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dl o w - f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i c f i e l dw a ss i m u l a t e db ya n s y s n l cs o l i d i f i e dm i c r o s t r u c t u r ea n dt h em e c h a n i s mf o r i m p r o v i n gs u r f a c eq u a l i t yw e r ei n v e s t i g a t e d t w on e wp r o c e s s e so fl o w - f r e q u e n c y 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 fh o l l o wb i l l e t s ( l f e c h b ) a n do u t - p h a s e 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 ( o p e c ) a r ed e v e l o p e d t h ec r a c k , c o r eh o l d i n g ， l o w e rs u r f a c eq u a l i v ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fd cc a s t i n gb i l l e t sa r ei m p r o v e d ，a n d t h eh o l l o wb i l l e t s 、i t l lr e f i n i n ga n du n i f o r mg r a i ns i z e ，l o wm a c r o s e g r e g a t i o n ，a n dh i g h s u r f a c eq u a l i t yw e r eo b t a i n e d m a l nr e s u l t sa r ea sf c l l l o w s ： 1 d cc a s t i n gp r o c e s so fh o l l o wb i l l e t sw a ss t u d i e d t h ee f f e c to fd i f f e r e n ts p l i tf l o w w a y so nc a s t i n gp r o c e s sw a si n v e s t i g a t e d 1 1 1 ef l o wf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，a n d s t r e s sf i e l di nd cc a s t i n gw e r es i m u l a t e d ，t h er e a s o nw h yt h ec r a c k sf o r mw a s d i s c u s s e d t h e r ea r em a n yd e f e c t si nd cc a s th o l l o wb i l l e t ss u c ha sb i gd e n d r i t i c g r a i n s ，s e g r e g a t eb u r l si nr o u g hs u r f a c ew h i c hr e s u l t si nal o wm e c h a n i c a lp r o p e r t y 2 an e wp r o c e s s - - l o w f r e q u e n c ye 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 fh o l l o w b i l l e t s l f e c h bw a sd e v e l o p e d , b yw h i c ht h e6 0 6 3h o l l o wb i l l e t sw i t hs m a l l e r i v 。 塞韭盘茎盛生焦逾塞 旦s ! 丛i g l o b u l a rg r a i n s ，h i 曲s u r f a c eq u a l i t y , s m a l ls e g r e g a t i o nb u r l a n dh i 曲m e c h a n i c a l p r o p e r t ya r eo b t a i n e d v i e k e r s h a r d n e s sa n d t h eu l t i m a t es t r e n g t ho f t h eh o l l o wb i l l e t s a r e7 9 8 h va n d2 1 0 m p a r e s p e c t i v e l y 3 t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d , f l o wf i e l d ，a n dt e m p e r a t u r ef i e l di nl f e c h ba l e s i m u l a t e d ，w h i c hs h o w st h a t ：t h e r ea r eas t r o n g e rm a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t y , a c i r c u m f l u e n c ei nw h o l em o l t e np o o la n da nh o m o g e n o u st e m p e r a t u r ef i e l di nt h ew a l l t h er e a s o no fg r a i nr e f i n e m e n tu n d e rl o w - 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 sr e s u l t e d f r o mt h el o w - f r e q u e n c yc o m p o n e n to fl o r e n t zf o r c ea p p r o x i m a t i n gt oi n e r t i a r e s p o n s ei n t e r v a lo fm e t a lm e l t ，w h i c hc h a n g ef l o wo fm e t a lm e l ta n ds u p p r e s st h e d e n d r i t e sg r o w t h ，a ne v e n e rt e m p e r a t u r ef i e l d ，w h i c hr e s u l t si nt h ef u l m i n i c n u c l e a t i o n ，s u p p r e s s i n gt h ef o r mo fc o m e r so fg r a i n sa n dm a k e sg r a i n sg r o wi na e q u i a x i a lf o r m ，p r i m a r yc r y s t a l sd i s s o c i a t e df r o mm o l dw a l ld u et os k i ne f f e c t ，j o u l e h e a t ，a n dm e l tf l o w , w h i c hr e s u l t si nai n c r e a s eo fn u c l e u s ，a n dt h ec r y s t a lg r a i n c o l l i d e dw i t he a c ho t h e r , s ot h a tt h ed e n d r i t i cg r o w t hi ss u p p r e s s e da n dg r a i n sa r e s p h e r o i d i z i n g 4 an e wp r o c e s s o u t - p h a s ee l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u s c a s t i n g o p e cw a s d e v e l o p e d ，t h ed i s t r i b u t i o no fl o r e n t zf o r c ew a sd e f i n e db yt h eo s c i l l o g r a mo f m a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t ya n di n d u c e dc u r r e n t t h e6 0 6 3h o l l o wb i l l e t sw i mh i g h e r s u r f a c eq u a l i t y , s m a l l e rs e g r e g a t i o nb u r l ，f i n eg l o b u l a rg r a i n s ，e v e ns t r u c t u r ea n dh i g h m e c h a n i c a lp r o p e r t ya r eo b t a i n e d v i c k e r s h a r d n e s sa n dt h eu l t i m o a t es t r e n g t ho f h o l l o wb i l l e t sa r e8 0 h va n d2 2 0 m p ar e s p e c t i v e l y 5 t h ed 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 d ，f l o wf i e l d ，a n dt e m p e r a t u r ef i e l di no p e ci s s i m u l a t e d ，w h i c hs h o w st h a t ：t h em e t a lm e l tf l o w si nab i g g e rc k c u m f i u e n c e ，w h i c hi s d i f f e r e n tf r o mt h a ti nl f e c h ba n dm a k e st h et e m p e r a t u r ef i e l dm o r ee v e n a tt h e s a m et i m e ，t h er e a s o nw h ya p p l i c a t i o no ft h eo u t p h a s ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d i m p r o v e ss u r f a c eq u a l i t yi sd i s c u s s e d ，t h a tab i ge l e c t r o m a g n e t i cp u s h i n gf o r c ei nt h e r a d i a ld i r e c t i o nt ot h eo u t s i d ea c t so nt h ei n i t i a ls h e l lo nt h ei n s i d eg r a p h i t er i n g t h i s f o r c ep a r t i a l l yb a l a n c e st h es t a t i cp r e s s u r eo f l i q u i dm e t a l ，w h i c hr e s u l t si nar e d u c t i o n i nt h ec o n t a c tp r e s s u r eb e t w e e ni n i t i a ls h e l la n dt h e r i n ga n dr e s t r a i n st h e i n t e r d e n d r i t i cs u b s t a n c e sw i t hl o wm e l t i n gp o i n tr e - m e l t i n ga n ds e e p i n go u tt h es h e l l t of o r mt h es e g r e g a t i o nb u r l o nt h eo t h e rh a n d ，t h i sf o r c er e d u c e st h ep r e s s u r eo f s o l i d i f r i n gs h r i n k a g e ，w h i c hr e s u l t si nal o wp r i m a r yc o o l i n gi n t e n s i t y , at h i n n e rs h e l l v 盎韭盘茔谴主芏焦缝圭旦5 i 丛! o f h a v i n gac e r t a i np l a s t i c i t ya n da v o i d s ”c o r eh o l d i n g ”w h i c hi sc a u s e db yt h ei n t e n s e s o l i d i f y i n gs h r i n k a g ea n dm a k e st h eh o l l o wb i l l e t st oh u gt i g h t l yw i t ht h ei n s i d e m o u l d ，s ot h a tt h ef r i c t i o nf o r c ei sr e d u c e da n dt h e ”s o f tc o n t a c t ”i sr e a l i z e d ，w h i c h i m p r o v e st h ei n n e rs u r f a c eq u a l i t yo f t h eh o l l o wb i l l e t s 6 t h ee l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n gp r o c e s s e so f h o l l o wb i l l e t sa r ec o m p a r e dw h e nc u r r e n ti n i n d u c t i o nc o i l sa r e2 4 0 a 1 2 0 a ，1 2 0 a 1 2 0 aa n d1 2 0 a 6 0 ar e s p e c t i v e l y w h e n f r e q u e n c yo fe l e c t r i cc u r r e n ti s5 0 h z ，p h a s ed i f f e r e n c ei s9 0 。i ni n n e ra n do u t e rc o i l ， t h ee f f e c to ft h ec h a n g ei np r o p o r t i o no fc u r r e n to ne l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n gp r o c e s si s w e a k ；t h es t r o n g e rt h ec u r r e n t ，t h eq u i c k e rt h ef l o wo fm e t a lm e l t ，t h ee v e n e rt h e t e m p e r a t u r eo fm e t a lm e l t ，t h es h a l l o w e rt h el i q u i dc o r e ，t h em o r er e f i n eo fg r a i n s h o w e v e r ，w h e nc u r r e n te x c e e d2 4 0 a 1 2 0 a ，c a s t i n gp r o c e s si su n s t e a d y , m a n yd e f e c t s t a k e sp l a c ei nh o l l o wb i l l e t s ，a n db o t ht h es u r f a c eq u a l i t ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t y d e c r e a s e t h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，f l o wf i e l d ，a n dt e m p e r a t u r e f i e l da r e c o m p a r a b i l i t yw h e nt h ec u r r e n tc h a n g e sw i t hs a l ep r o p o r t i o ni ni n d u c t i o nc o i l s k e y w o r d s ：a l u m i n u ma l l o y , h o l l o wb i l l e t s ，d cc a s t i n g ，l o w - f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i c f i e l d ， o u t - p h a s ee l e c t r o m a g n e t i c f i e l d ， n u m e r i c a l s i m u l a t i o n , m i c r o s t r u c t u r e ，s u r f a c eq u a l i t y ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 一一 4 4 嚣 c c c d d d 眈) e e e ( e ，r ) ， g 日 h l 】 j s 正 k 三 厶 符号表 磁矢势，w b m ； 固液界面面积，m 2 ； 磁感应强度，t ； 溶质浓度； 高能态杂化成分： 低能态杂化成分； 电位移，c m 2 ： 扩散系数，m 2 s ： 直径，m ： 共价键距，m ： 电场强度，v m ： 杨氏弹性模量，p a ； 电子能量，j ； 原子团簇的能量，j ； 体积力分量，n m 3 ： 吉布斯自由能，j ： 磁场强度，a m ； 焓，j ： 形核率： 电流强度，a ； 键数 电流密度，a i m 2 ： 已知源电流密度，a m 2 涡流电流密度，a m 2 ： 导热系数，t m 恢s ： 特征长度，m ： 结晶潜热，j k g 感应线圈匝数； k 赡 睨 y z z 咿 口 i 原子总数； 压力，p a ； 激活能，j ： 热源项。弧 位置矢量，m ： 空核心半径，m ； 模型半径，m ： r e y n o l d s 数： 磁r e y n o l d s 数： 单键半距，m ； 熵，j k ； 接触面积，m 2 ： 温度，： 简并温度，k ； 平衡凝固温度，k ： 平衡相变温度，k ； 绝对失稳温度，k ； 内能，j ： 体积，m 3 ： 晶胚体积，m 3 ： 晶粒体积，m 3 ： 变形前的体积，m 3 ： 原子团簇的体积，m 3 体系总势能，j ； 过冷动力，k m ： 原子的价电子数： 有效离子价； 粒子的间距，m ： 杰克逊因子； p q q矗疋屯胎地叫s r l i 玎u 矿 盘韭基芏煎茔焦硷圭 筮量盘 口。玻尔半径，m ： r 半径，i n ； a q o p w 系数； 键长，m ； c 比热，j k g k ； 非平衡态键长，m ； e坐标轴方向单位矢量；。 平衡态键长，m ； e 电子电荷，c ； r + 临界晶核半径，m ： 应变张量； f时间，s ； ， 体积力，n m ；h 速度，m s ； 厂 电磁场频率，h z ； “( t ) 径向线收缩率，1 ； 液固相百分数； v 粒子速度，m s ； 工( 成，r ) 原子团簇的个数； 铸造速度，m s ； 擘 重力加速度，m s 2 ：w 自由离子势： g 成键相关系数；x 晶格参数，m ； h 液穴深度，m ； f 边界； ，h 普朗克常数； 表面张力效应作用力， ，单位复数；k m ； k 波矢量；a g 临界形核自由能，j ； k 溶质分配系数；埘，单位体积熔化熵，j ( m 3 k ) ； ， 角动量量子数；r 过冷度，； m 质量，砖； r 临界形核过冷度，； 粒子质量，k g ： a h 凝固潜热，j k g ： m ， 磁量子数；口 流体粘滞耗散； 栉 界面法向单位矢量；波函数； 甩 原子团簇的原子个数；虬 杂化态； 主量子数 高能态； 电子数； 低能态； 啊 晶格电子数；q 空间区域； 共价电子对数； 9 l ， ，巾 p 压强，p a ； 球坐标下三个方向的波函数： 地 电磁压强，p a ； 刃矢量； g离子的带电量，c ；盯 温度膨胀系数，1 。c ； r 位置矢量，m ； 口系数； j s s j 玎 目 臼 r , t d “ v 万 p 岛( e ) 1 7 剪应变； 集肤深度，m ； 间隙，m ： 正应变； 金属键的键能，j ： 动力粘度，k g g ms ； 润湿角，。； 锥度，。； 热导率，w m k ； 德布罗依波长，m ； 平均d e b y e 波长，m ； 磁导率，h m ： 原子的振动频率，h z ： 泊松比： 磁阻率，m h ： 密度，k g m 3 ； 能级密度； 电导率，s m ： 正应力，n m 2 ； 应力张量，n m 2 ： 单位面积表面能，j m 2 表面张力，n ： 剪应力，n m 2 ： 液、固相体积百分数： 赝波函数： 电标势，v ； 相位差，。； 磁标势，a ； 角频率： 初始值，特征值 液相； - j ，s r ，0 ，： r ，口，妒 | 1 l 固相； 柱坐标分量； 球坐标分量 平行，垂直分量 ，庐晚伊 国体。“ 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：弛 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 盔苎垦基鲎接生焦盈圭 墨! 重缱缝 第1 章绪论 1 1 研究的目的和意义 铝合金管坯作为一种高附加值的经济型材被广泛的应用于电力、制冷、飞机、 汽车以及建筑结构中i l 5 1 。随着现代科技日新月异的发展，各行业对管坯的性能提 出了更高的要求。铝合金半连铸管坯的凝固组织及表面状态不仅反映了铸锭本身 的质量，同时对其后的压力加工性能以及最终的成品性能和表面质量都有重要的 影响。因此，开发出一种既能细化、球化晶粒，提高管坯内部组织性能，又能改 善管坯表面质量( 尤其是内表面质量) ，从而大幅度提高经济效益的新工艺，已成 为生产高性能铝合金管坯亟待解决的课题。 近几十年来，将电磁场引入材料制备过程，通过特定的物理效应实现材料组 织性能的改善及工艺过程的优化，已成为材料科学领域重要的研究方向之一 6 。1 们。 大量的研究表明，外加电磁场能够对金属的凝固过程产生显著的影响【l l _ 3 4 】，因此 通过施加电磁场控制凝固过程，改善凝固组织，提高管坯表面质量的研究具有十 分重要的意义。本课题是国家重点基础研究发展规划( 9 7 3 ) 资助项目提高铝材 质量基础研究中的部分内容。主要研究磁场对铝合金管坯凝固过程影响的物理 机制，开发组织显著细化、合金元素分布均匀和高表面质量的铝合金管坯新方法。 1 2 管坯电磁半连续铸造的研究背景 1 2 1 管坯铸造工艺概述 管坯的生产方法主要有两种：1 先铸造成棒坯，然后轧制或挤压成管坯，该 方法工序多、金属利用率低；2 先铸造成管坯，施加较小的变形量制成管坯。目 前管坯的生产正由传统的铸造工艺向近终形状铸造技术发展。近终形状铸造技术 ( n e a rn e ts h a p et e c h n o l o g y ) 是指铸造的铸坯形状、尺寸接近于最终产品形状的铸 造技术【3 ”。其特点是工序少，周期短，能耗低，金属利用率高，因此一直是广大 冶金科研工作者关注的重点。目前有砂型铸造技术、离心铸造技术、喷射沉积技 术和管坯连铸技术。 1 2 1 1 砂型铸造技术 砂型铸造是种常用的铸造方法，它以投资少、适应性强，可生产各种形状、 盔韭盘茔谴芏焦逢圭至1 童盐监 第l 章绪论 1 1 研究的目的和意义 铝合金管坯作为一种高附加值的经济型材被广泛的应用于电力、制冷、飞机、 汽车以及建筑结构中。随着现代科技日新月异的发展，各行业对管坯的性能提 出了更高的要求。铝台金半连铸管坯的凝固组织及表面状态不仅反i i 兜了铸锭本身 的质量，同对对其后的压力加工性能以及最终的成品性能和表面质量都有重要的 影响。因此，开发出一种既能细化、球化晶粒，提高管坯内部组织性能，又能改 善管坯表面质量( 尤其是内表面质量) ，从而大幅度提高经济效益的新工艺，已成 为生产高性能铝合金管坯亟待解决的课题。 近几十年来，将电磁场引入材料制备过程。通过特定的物理效应实现材料组 织性能的改善及工艺过程的优化，已成为材料科学领域重要的研究方向之一卜”l 。 大量的研究表明，外加电磁场能够对金属的凝固过程产生显著的影响”，因此 通过施加电磁场控制凝固过程，改善凝固组织，提高管坯表面质量的研究具有十 分重要的意义。本课题是国家重点基础研究发展规划( 9 7 3 ) 资助项目提高铝材 质量基础研究中的部分内容。主要研究磁场对铝合金管坯凝固过程影响的物理 机制，开发组织显著细化、合金元素分布均匀和高表面质量的铝合金管坯新方法。 1 2 管坯电磁半连续铸造的研究背景 1 2 1 管坯铸造工艺概述 管坯的生产方法主要有两种：1 先铸造成棒坯，然后轧制或挤压成管坯，该 方法工序多、金属利用率低；2 先铸造成管坯，施加较小的变形量制成管坯。目 前管坯的生产正由传统的铸造工艺向近终形状铸造技术发展。近终形状铸造技术 ( n e a rn e ts h a p et e c l m o l o g y ) 是指铸造的铸坯形状、尺寸接近于最终产品形状的铸 造技术瞰】。其特点是工序少，周期短，能耗低，金属利用率商，因此一直是广大 冶金科研工作者关注的重点。目前有砂型铸造技术、离心铸造技术、喷射沉积技 术和管坯连铸技术。 l2 1 1 砂型铸造技术 砂型铸造是种常用的铸造方法，它以投资少、适应性强，可生产各种形状、 砂型铸造是种常用的铸造方法，它以投资少、适应性强，可生产各种形状、 盘i 盘芏谴茎焦缝塞差l 主壁垒 规格的产品在铸造行业中占有重要地位。目前其铸造方式及造型材料方面都有很 大发展，有消失模铸造法、负压消失模铸造法、砂型金属型复合铸造法等；造型 材料有激冷砂、石墨砂、泡沫塑料、水玻璃砂、树脂砂等。清华大学的柳百成教 授、许庆颜博士等采用模拟计算的方法对铸造凝固组织进行了系统的研究，并提 出了一种用形状函数描述晶粒轮廓的方法。然而砂型铸造还存在许多问题，如生 产效率低，劳动强度大；而且产品晶粒粗大；存在缩松、气孔、夹杂、偏析等显 微组织缺陷以及凹陷、裂纹等表面缺陷 3 6 , 3 7 l 。 1 2 1 2 离心铸造技术 离心铸造方法出现于1 9 世纪，在2 0 世纪付诸于工业生产，1 9 3 8 年德国首次 生产出离心铸管以后，该工艺引起各国的注意。目前国内外在机械、冶金、建材、 电力和石化等行业的许多大型成套设备和装置的关键部位均采用了大量的离心铸 管。离心铸管的生产技术一直是工业发达国家主要厂家长期研究的课题，并严格 保密，目前继续研究和解决的主要技术问题有：1 ) 小口径薄壁离心铸钢管生产，如 巾5 0 m m 小口径管，有效厚度为5 1 m m 。2 ) 在工艺方面主要研究离心铸管的铸态 宏观组织和对使用性能的影响。研究结果表明，在相同成分条件下，如果得到合 理的铸态宏观组织，高温性能可提高2 0 左右。3 ) 材质方面大多数研究者都致力 于提高材料的抗高温蠕变性能和抗氧化渗碳性。实现的措施有二：其一，增加合金 含量和合金元素种类；其二，微量元素合金化，例如日本和埃及的学者进行的 h k - 4 0 离心铸管的研究，就采用第二种措施。经过微量元素合金化后的h k - 4 0 离 心铸管的高温持久强度，较普通 玎艮4 0 离心铸管提高了1 7 倍，使用温度提高了 1 0 0 ( 2 3 8 1 我国于6 0 年代初开展了离心铸管的研究工作，取得了一定的研究成果。但就 目前而言，生产技术、生产能力和规模都远远不足，许多重要的领域还未开发。 冶金部钢铁研究总院将电渣离心浇铸移植到高合金空心铸坯生产，对电渣离心铸 管进行了研究【3 9 ，“。研究结果表明，在电渣离心浇铸耐热钢管的凝固过程中，应 用动态效应，细化了铸管凝固组织的晶粒结构，显著提高了铸管的室温和高温力 学性能。应用该法试制的5 6 m m 等不同规格的小口径铸管，其表面质量、金相组 织、力学性能及生产工艺，基本达到了进口炉管水平，可应用于乙烯裂解炉、制 氢转化炉等，并能批量生产。 中科院金属研究所和东北大学合作开发了电磁离心铸造工艺【4 ”，在传统的离 心铸管基础上，提出在离心机上配置电磁装置，施加恒稳磁场，为生产空心高合 2 盘a b 盘茎擅茔焦逢塞 一釜! 主篮盈 金管坯开辟了一条新途径。 贾光霖等h 2 1 对电磁离心铸造工艺的原理、液态金属的受力特点和运动规律进 行了深入分析，建立了该工艺条件下液态金属运动规律的数学模型，得出了不同 性质的异相质点在离心力和电磁力交互作用下运动方向的判据，为电磁离心铸造 过程中控制合金凝固组织提供了依据。 杨院生、焦玉宁4 3 1 等人研究了电磁离心铸造过程中电磁场及金属熔体的流 场，给出了离心力和洛仑兹力作用下液态金属流场的分布规律。金属熔体的周向 速度，与磁场强度密切相关，随着磁场强度的增加，周向速度增加，凝固前沿的 速度梯度增大。 韩维新对电磁离心铸造过程的温度场进行了数值模拟，建立了管坯电磁离心 铸造凝固过程的数学模型。应用该工艺，在离心铸造h k 4 0 耐热钢时施加合适的 电磁搅拌可明显细化组织，改善成分偏析1 4 4 1 。邱以清h 5 1 等人应用电磁离心铸造工 艺制作了不锈钢冷轧管坯，研究了凝固组织和力学性能同磁场强度的关系，并成 功制备出可直接冷轧生产无缝钢管的铸坯，成材率达7 0 ，较传统工艺提高了 4 5 。 1 2 1 3 喷射沉积( o s p r e y ) 成形连铸技术【4 6 j 喷射沉积成形连铸技术的原型是由英国s w a n s e a 大学的a r es i n g e r 教授提 出来的喷射沉积技术h ”，1 9 7 2 年正式获得英国专利，1 9 7 4 年r gb r o o k s 在此基 础之上发展出著名的o s p r e y 工艺【4 8 】。液态金属喷射沉积成形连铸技术是当前连铸 领域正在开发的一项新的近终形状铸造技术，直接将液态钢( 包括各种合金钢) 、 有色金属和合金加工成接近最终产品尺寸的半成品。其凝固特点是凝固速度快， 偏析程度低，晶粒细小，脱气效果好，产品快速成形，省去“铸造”和“粉末冶 金”过程。 采用喷射沉积法制备管坯是用惰性气体将金属熔体雾化，利用液滴的原有动 能和热焓使熔融的颗粒在旋转的圆形收集器上凝固成管坯，通过控制喷射液滴的 流量、圆形收集器的旋转和前进速度，以及更换收集器直径可生产不同外径和壁 厚的空心圆管坯。 目前世界上工业发达国家竞相对此项技术开展了研究，一些产品已经进入商 品生产阶段。如瑞典的s a n d v i k 工厂，雾化喷射沉积成形不锈钢管的尺寸已经达 到设计极限( g o 长8 m ，外径4 0 0m i n ，重量为i t ，年产量可达5 0 0 0 t 喷射成形的 管子密度一般达到9 9 5 ，可直接使用。其性能与正常工艺生产的管坯相同，组 3 壅韭盘鲎谴堂焦逢塞 筮! 主缱迨 织更加细小而均匀，夹杂物为圆形，所生产的不锈钢管具有均匀的尺寸和显微组 织及沿管长方向夹杂数量低等特点【4 9 】u s n m p 己经建立了一个新的此类工厂，该 厂的熔炼能力达到4 5 t ，将可以生产直径