（车辆工程专业论文）矩形坯半固态连铸工艺与设备研究.pdf

摘要 半固态连铸技术是半固态成形技术领域的一个重要分支，国外已利 用半固态连铸技术批量提供半固态加工用坯料，但国内主要还处于实验 研究阶段，工业化进展缓慢，需要进行系统的研究工作。本文在总结前 人的研究基础上，研制了适用于有色和黑色合金的半固态连铸机，并利 用其研究了半固态连铸中关键工艺参数对连铸过程的影响，为工艺设计 与控制提供必要的依据。 研制的半固态连铸机可以生产1 0 0 6 0 m m 截面的坯料，其浆料制 备分别采用电磁搅拌和倾斜冷却两种不同工艺，采用了预结晶器、终结 晶器上下相联的双结晶器式结构。在采用电磁搅拌工艺路线时解决了预 结晶器中的预热、冷却、电磁搅拌和耐火材料的设计问题，并采用低压 渗油技术解决了终结晶器的润滑问题，设计了具有冲击小的振动机构。 以a 3 5 6 铝合金为对象，研究了电磁搅拌工艺半固态连铸时开拉时 间、预热温度、拉坯速度对连铸过程的影响，计算出熔体在预结晶器内 的冷却时间与拉坯速度的关系式，提出了合适的开拉时间和预热温度设 计原则；同时还研究了倾斜冷却式a 3 5 6 铝合金半固态连铸过程中浇注 温度、拉坯速度、倾斜板长度和倾斜角度对连铸过程稳定性的影响，结 果表明：浇注温度、拉坯速度对连铸过程稳定性有显著影响，倾斜板上 熔体的横截面积与拉坯速度成正比，拉坯速度的变化将导致倾斜板上熔 体冷却强度发生相应的变化，浇注温度和拉坯速度过高易出现拉漏，过 低则易出现浇注不连续，实验表明合适的浇注温度和拉坯速度分别为 6 3 0 6 6 0 、4 0 0 6 0 0 m m ，h i ，此时连铸过程能稳定进行，而倾斜 板长度在5 0 0 m m 9 0 0 m m 、倾斜角度在3 0 。6 0 。内变化对连铸过程 稳定性并无显著影响。 以碳素钢、高速钢为实验材料，研究了倾斜冷却半固态连铸过程 苎壅銮望盔兰三兰堡主兰垡堡奎 中倾斜板长度、结晶器上口结构形式对实现连续浇注过程稳定性的影 响，实验表明在4 5 。的倾斜角度下，采用长度超过6 0 0 m m 的倾斜板时 钢液将对结晶器壁产生熔焊作用，并产生钢液的飞溅，而采用引流挡板 的结晶器上口结构则可明显改善这一问题，金相观察结果表明采用倾斜 冷却可以获得具有非枝晶特征的组织。 关键词半固态；连铸：电磁搅拌；结晶器；倾斜冷却 a b s t r a c t s e m i s o l i dc o n t i 扛u o u sc a s t j n gt e c h n o l o g yi sa ni m p o n a tb r a n c ho f s e m i s o i i df o r m i n gt e c h n o l o g y r e s e a r c h e r si no v e r s e a sh a v e p f o d u c e d s e m i s o l i db i l l e t sf o ri n d u s t r yu s i n gb yt h i st e c h n o l o g y i nd o m e s t i c ，u s i n g s e m i s o l i dc o n t i u o u sc a s t i n gt e c h n o l o g yo ni n d u s t r yi ss t i l la no b j e c t i v e w h i c hr e s e a r c h e r sa r ea i m i n g t h i sp a p e rd e s i g n e da n dm a l l u f a c t u r e da s e m i s o l i dc o n t i n u o u sc a s t e fw h i c hi su s e f i l lf o rb o t l la l u m i n u ma n di r o n a l l oy w i t ht l l i sm a c h i n e ，t h ep a p e rr e s e a r c h e dt h ee f f c c to fk e yt e c h n i c a l p a r a m e t e r so nc o n t i n u c 哪sc a s t i n g t h e nt h i ss t u d y i n gp r o v i d e sat h e o r yf o r d e s i g n i n ga n dc o n t r o l l i gt h e s et e c l l i c a lp a r a m e t e r s t h es e m i s o l i dc o n t i n u o u sc a s t e rc a p r o d u c eb i l l e t sw i t has e c t i o no f 1 0 0 6 0 m mb ye l e c t r o m a g n e t i cs t i i t i n go ri n c l i e dc o o l i n gt e c h n o l o g y i t w a sd e s i g n e dw i t hd o u b l em o l ds t y l e i nt h et e c h n o l o g yo fe l e c t m m a g e t i c s t i h i n gt h ed e s i g n i n gs 0 1 v e di m p o r t a n tp r o b l e m s s u c ha s p r e h e a t i n 岛 c o o l i n g ，e l e c t r o m a g e t i cs t i 玎j n ga n df i r 印r o o fm a t c r i a l si n t h ep r e - m o l d ； s o l v e dt h ep r o b l e mo fl u b r i c a t i n go ft h em o l dw i t hao i lf i l t e r ，a n dd e s i g n e d as h a k eo r g a nw i t hl o wa c c e l e r a t i o n t h i sp a p e ra l s or e s e a r c h e dt h ee f ：f e c to fs t a n i n gt i m e ，t e m p e r a t u r eo f p r e h e a t i n g a n dv e l o c i t yo f w i t h d r a w i n gf o ra 3 5 6a l u m i n u ma l l o y i n s e m i s o l i dc o n t i n u o u sc a s t i n gb yt h e e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gt e c h n o l o g y a n dd e d u c e dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ev e l o c i t yo fw i t h d r a w i n ga n dt h et i m e o fc o o l i n gi nt h ep r e m o l d ，a n dp r o v i d e dat h e o r yf o rd e s i g n i n gs t a r t i gt i m e a n dp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e t h i sp a p e ra l s os t u d i e dl n n u e n c e so fc a s t i n g t e m p e r a t u r e ，c a s t i n gs p e e d ，l e 舀ha i l da n 出eo fi n c l i n e dc 0 0 1 i n gp l a t eo nt h e s t a b i l i t yo fs e m i s o l i dc o n t i n u o u sc a s t i n gf o ra 3 5 6a l l o yb yi n c l i n e dc o o l i n g 1 h 北京交通大学工学硕士学位论文 r e s u l t ss h o w ：c a s t i n gt e m p e r a t u r ea n dc a s t i n gs p e e do b v i o u s l ya f k c tt h e s t a b i u t yo fs e m i s o l i dc o n t i n u o u sc a s t i n g s e c t i o no ft h em e l to ni n c l i n e d c o o l i n gp l a t ei sp r o p o n i o n a lt oc a s t i n gs p e e d ，a n dt h ec 0 0 l i go fm e l to nt h e p l a t ec h a n g e sa c r d i n gt o t l l e c h a n g co fc a s t i n gs p e e d e x p c f i m e n t s i n d i c a t et h a tf a n g e so f6 4 0 6 6 0 a d4 0 0 6 0 0 m m ，m i na r er c a s o n a b l ef o f c a s t i n gt e m p e r a t u r ea n dc a s t i n gs p e e di e s p e c t i v e ly l e n 舀hv a r i e df r o m5 0 0 m mt o9 0 0m ma n da n 出ev a r i e df m m3 0 。t o6 0 。o fi c l i e dc o o l i n gp l a t e a f f c c tt h es t a b i l i l yo fc o n t i n u o u sc a s t i n gj u s tl i 曲d y t h e p a p e rs t u d i e di n f l u e n c e s0 ft h el e n g t ho fi n c l i n e dc o o l i n gp l a t ea d s t f l l c t u r eo ft h eu p - j a w so ft h em o l do nt h es t a b i l i t yo fs e m i s o l i dc o n t i n u o u s c a s t i n gf o fc a r b o ns t e e la n dh i g hs p e e ds t e e lb yi n c l i n e dc 0 0 l i n g r e s u l t s s h o w ：t h em e nw i l lm e l tt h em o l da n ds p l a s hi nt h ee x p e r i m e tu s i n ga n i n c l i n e dp l a t ew i t ha nj n c l i n e da n g l eo f4 5 。a n dal e n g t ho f6 0 0 m m t 1 i i s p r o b l e mc a nb ei m p r o v e d m a r k e d l yb yu s i n ga b o a r d t h ee x p e r i m e t r e s u l t st h a ts e m i s o l i dm i c r o s t r i l c t u f eo fm eb m e ti s a v a i l a b l eb yu s i g i n c l i n e dc o o l i n g k e y w o r d ss e m i s o l i d ；c o n t i n u o u sc a s t i l l g ；e l e c t r o m a g n e t i cs t i l l n g ；m o l d ； i n c l i n e dc o o l i n g i v t 厂8 8 0 11 2 独创性声明 本人申明，所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。尽本人所知，除文中特别 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 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教 学机构的学位或证书而使用过的材料。与我一起工作的同志 对本研究所做的贡献已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 本人签名：载衫囝 日期：泖年) 月“日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 半固态成形技术简介 1 1 1 半固态成形技术产生和特征 传统的材料加工成形技术分为两大类，一类是固态成形，另一类是 液态成形。固态成形利用材料的固态塑性流动特性进行成形，其技术特 征是加工成形温度低于固相线温度，成形过程伴随着组织的变化和某些 固态相变，如锻造、轧制、挤压、拉拔等。液态成形则是根据材料在液 态时的粘性流动特性进行成形，其技术特征是成形温度高于液相线温 度，成形过程发生液固转变，如各种重力铸造和压力铸造方法。 传统的金属成形过程研究发现，处于固液共存状态的金属材料铸造 一艺性能很差，无法正常浇注，而且塑性成形性能也很差，几乎无法利 用压力加工方法成形。所以，长期以来处于结晶温度范围的金属材料成 形直被视为禁区。2 0 世纪7 0 年代初，美国麻省理工学院的m c f l c m i n g s 和d b s p c e r 等研究人员发现i l 】对处于结晶温度范围的金 属进行剧烈搅拌后，即使固相分数达6 0 仍具有良好的流动性，可以 用铸造方法顺利成形，并把这种成形方法称为流变成形。进一步的试验 还发现，经过剧烈搅拌的| 直【液共存金属浆料浇注成锭或坯，然后重新加 热到半固态温度后，在切应力作用下又可恢复良好的流动性进行各种成 形，并称这种成形方法为触变成形。流变成形和触变成形所得的产品组 织致密、性能优良。因此这种成形方法受到普遍关注，并把它们作为一 种全新的材料成形技术来深入研究，进而产生了半固态金属加工技术 ( s e m i s o l i dm c t a lp r o c e s s i z ) 的概念。 半同态成形技术是含有非枝晶固相的固液混台物在凝固温度范围内 半固态成形技术是含有非枝品固相的固液混合物在凝固温度范围内 北京交通大学工学硕士学位论文 加工成形的一种材料成形技术【2 1 ，它具有如下的基本特征： 1 1 成形温度介于材料固相线与液相线温度之间。 2 1 加工材料的状态是固液混合物，而不是纯液体或纯固体。 3 1 熔体中的固相不是通常见到的树枝晶，而是球形、近球形、短 条状颗粒的退化枝晶。 根据半固态成形原料特点和工艺过程，通常将半固态成形分为流变 成形( r h e o f 0 皿i n g ) 和触变成形( t h i x o f o 彻i n g ) 两种【3 1 。前者是利用半固态 合金的流变性能，将经过强烈搅拌的舍金熔体( 浆料) 直接浇入型腔成 形，后者则将经过搅拌的合金熔体首先凝固成坯料，然后重新加热至半 固态利用合金的触变性能，再加压成形。 1 1 2 半固态浆料的制备技术 半固态合金熔体的制备是半固态成形技术的基础，各国都先后投入 大量的人力和物力对半固态合金熔体制备方法进行了研究。目前半固态 合金熔体的制备方法有：机械搅拌法f 1 一、电磁搅拌法1 5 一6 9 琊】、斜坡和 斜管法【8 _ 1 0 一、变形诱变激活法【1 1 12 1 、超声振动法【1 3 ，1 4 1 、单辊旋转法 1 1 5 1 、液相线铸造法1 1 6 琊l 、紊流效应法【2 4 】、合金熔体混和法【2 5 】、喷射沉 积法【2 6 2 8 1 、粉末冶金法【2 9 ，3 0 1 等。 其中，斜坡法是近期从日本兴起的一种新型制浆工艺【3 1 。3 3 1 ，该工 艺是使合金熔体在流经一个冷却斜坡时由于冷却斜坡的冷却作用而增加 晶核的数目和晶体的游离，从而达到细化晶粒，获得理想的微观组织的 目的。图1 1 为斜坡法工艺示意图。斜坡具有强烈搅拌作用，熔体经过 斜坡产生局部降温，强烈滚动和翻转，经过斜坡的熔体注入铸型时，又 产生强烈的搅拌，即撞击、翻转以及滚动等，促进了晶体游离和形貌演 变。所以，斜坡法有流程短、工序少和低成本的优势。 与斜坡法类似的斜管法是南昌大学半固态成形技术研究室于2 0 0 2 年在斜坡法的基础上改进的流变制备半固态合金熔体工艺【l o 】，与斜坡 一2 一 第1 章绪论 法的区别主要在于采用的是封闭的斜管，这样可以用于极易氧化的镁合 金的生产，可以扩大应用范围；另外可以实现变静态斜管为转动管，对 合金液凝固初期实施搅动，从而获得更多的游离晶粒。 重加热至孚l l 旦查塑鏖 图1 1 斜坡控冷过程示意图 f i 9 1 1 s k e t c ho fs e m i s o l i dp m c e s su s i n gi n c l i n e dc o o u n gp l a t e 图1 2 斜管法流变制浆设备简图 f i 9 1 2 s k e t c ho fs e m i s o “dp r o c e s su s i n gi n c l i n e dc o o l i n gc o n d u i t 图1 2 为斜管法流变制浆设备简图。其装置主要由熔炼炉、保温 蓄 j ! 塞銮望查兰三兰堡主兰垡丝苎 炉、保温坩埚、斜管、结晶炉、结晶器和温度控制系统等构成。与斜坡 法工艺流程相类似，合金熔体流经冷却斜管时，由于冷却斜坡的冷却作 用而增加晶核的数目，从而携带大量的晶核流入结晶器，通过控制结晶 器温度，缓慢冷却，从而获得均匀、细小、非枝晶的触变组织，达到成 形温度时，再用于流变成形。 液相线铸造法是由东北大学和澳大利亚墨尔本大学合作研究开发 的制备半固态合金熔体的新方法【1 8 ，1 9 】。该方法主要是控制浇注温度和等 温时间，即在合金的液相线温度附近保温形核一定时间后，进行浇注， 获得具有半固态加工所要求的细小、球形、非枝晶组织。液相线铸造合 金熔体温度低，几乎没有过热，温度场均匀，在浇注过程中，大量晶核 在熔体中均匀产生，有利于细小、均匀、等轴的半固态组织的形成。该 方法具有设备简单，工艺简化的特点，但需要精密的温度控制手段。目 前东北大学【2 1 ，2 3 】利用该技术成功地进行了单模铸造制备变形铝合金 2 6 1 8 和7 0 7 5 半固态坯料。 图1 3 电磁搅拌法 f i 9 1 3 s k e t c ho fe l e c t r o m a g n e t i cs t i i n g 在目前所发明的半固态合金熔体的制备方法中，电磁搅拌法是应 用最为成功的一种方法。电磁搅拌是合金熔体与旋转磁场间的感应力驱 一4 - 第1 罩绪论 动熔体搅拌，利用了电磁力产生的合金熔体的强迫流动来影响和控制凝 固过程，从而使枝晶破断形成等轴副3 4 ，3 5 1 。原理示意图如图1 3 所示。 目前有两种方法产生旋转磁场：一种是在感应圈内通过交变电流的传统 方法；另一种是1 9 9 3 年由法国的c v i v e s 【3 6 】推出的旋转永磁体法，其 优点是电磁感应器由高性能永磁材料组成，其内部产生的磁场强度高， 通过改变永磁体的排列方式，可使合金熔体产生明显的三维流动，既提 高了搅拌效果，又可减少搅动时的气体卷入。该方法不会污染合金，合 金熔体纯净，应用条件比较成熟，所以电磁搅拌法在制各半固态浆料时 应用较多。 半固态合金熔体的制备方法很多，但从凝固控制的原理来看，主 要是强化对流、控制凝固过程形核、外加物理场、晶体游离、孕育和变 质处理等。故本质上都是控制凝固过程，使其问形成的固相不是通常的 树枝晶、条状晶，而是退化枝晶或近球状晶等非枝晶组织。 1 2 半固态连铸技术原理和现状 1 2 1 半固态连铸技术产生和特征 半固态浆料的浇注有模铸和连铸两种方式。模铸是目前半固态浆料 浇注成形的主要方式，其优点是浇注过程操作简单，易于控制，其主要 缺点是生成率低，工业应用前景不理想【3 7 】。随着半固态加工技术的推 广应用，半固态浆料或坯料的制备成了整个技术的瓶颈，急需发展具有 工业应用前景的高效可靠的廉价制备方法。因此，半固态连铸技术应运 而生。 连铸技术作为现代钢厂最主要的生成技术，具有生成率高、金属收 得率高等明显优点。半固态连铸作为一种全新的连铸技术，一般是使金 属液在进入终结晶器之前受到搅拌、振动等作用转变为含有粒状固相的 半固态熔体，然后利用半固态熔体的流变特性在重力或附加外力作用下 一5 一 北京交通大学工学硕士学位论文 使半固态熔体进入终结晶器并凝固成坯。 可以看出，半固态连铸与普通连铸的根本区别在于进入终结晶器的 熔体状态不同。在半固态连铸中，熔体进入通常意义的结晶器前要先经 过一个具有搅拌作用预处理器，变为含有一定细小粒状固相的固液两相 混合物，这种固液混合物进入通常意义上的结晶器后形成坯料。 1 2 2 半固态连铸现状 2 0 世纪7 0 年代末，美国的m e n o nc f l e m i n g s 等就提出了半固态 浆料连续浇注的设想，并研制了适用于低熔点合金的半固态连铸机【3 8 1 ， 如图1 4 ，该机采用机械搅拌方式制备半固态浆料。随后，美国 a l u m a x 、i s c 等公司开始了半固态圆坯连铸机的商业化工作，其它国 家也陆续开展了不少研究工作，使适用于低熔点合金的半固态连铸技术 取得了巨大发展，申报了多项专利【3 9 4 。 图1 4m e r t o nc f l e m i n g s 研制的半固态连铸机示意图 f 培1 4s c h e m a t i c e ws h o w i n gam e a n sf o r s e m i s o l i dc o n t i n u o u s l y c a s t j n gi n v e n t e db ym e r t o nc f l e m i n g s 6 第1 覃绪论 黑色金属的半固态连铸难度较大，研究工作开始较晚。1 9 9 5 年 j a m e se k c l l v 等人研制了适用于黑色金属的半固态逢铸机【4 2 】，如图 1 5 ，该机采用电磁搅拌制备半固态浆料，在搅拌室2 6 和结晶器3 4 的 外围安装有电磁搅拌线圈，搅拌室和结晶器内的磁感应强度为4 0 0 3 0 0 0 g ，搅拌频率可达6 0 h z ，特制的结晶器材料使其磁场渗透率达5 0 以上。 日本本田公司2 0 0 2 年开发了适用于黑色金属的触变成形工艺，用 于生产一种油泵盖【4 3 1 ，图1 6 即为其半固态坯料的连续铸造示意图。该 工艺首先采用连铸方法制得铁合金的半固态坯料，然后重加热到1 2 0 0 后再进行压力加工成形，可获得细小的非枝晶组织，且有效提高了金 属收得率。 图1 5j a m e se k e l l y 等发明的半固态连铸机示意图 f i g1 5 s k e t c ho fs e m i s o l i dc o n t i n u o u sc a s t e ri n v e n t e db y j a m e s e k e l l y 北京交通大学工学硕士学位论文 图1 6 日本本田公司采用的水平连铸示意图 f i g1 6 s k e t c ho fh o i i z o n t a lc 叨血u o u sc 醛t e ra d o p t e db yh o n d a 日本m o t e 西等研究了斜坡冷却法连续铸造半固态铝合金【3 1 3 3 1 。其 将铝合金熔体通过倾斜冷却板使之产生大量的初生n 晶粒，然后采用水 平连铸方式铸成半固态坯料，该坯料直径为6 0 m m ，长度1 0 0 0 m m ，连 铸速度为1 2 0 2 4 0 舢n m i n ，采用6 0 。、1 6 0 m m 长的斜坡时，以 2 4 0 m m m i n 的连铸速度可以获得最佳晶粒尺寸。 国内半固态连铸技术研究起步较晚，目前只有北京交通大学、北京 科技大学、东北大学、清华大学、有色金属研究总院、上海大学等单位 开展了一定的研究开发，还都未实现工业规模的应用。 北京科技大学毛卫民、赵爱民等开展了越s i 7 m g 铝合金的半固态 连铸研究【“，4 5 1 ，采用的设备如图1 7 所示，连铸坯直径为5 0 1 0 0 m m ，连铸速度6 0 3 0 0 m m m i n ，采用电磁搅拌，其研究结果表明： 电磁搅拌功率是重要的影响因素，搅拌功率越大，球状的初生a a 1 端 部形态越圆整，蔷薇状的初生a a l 越少，尺寸越小，连铸坯表层的枝 晶层越薄，连铸坯料中出现大量球状初生a a l 是蔷藏状初生a a l 二次臂熔断的结果。 第1 章绪论 图1 7 电磁搅拌连铸装置示意图 f i g 1 7s c h e m a t i c0 ft h ec o n t i n u o u sc a s 血ge q u i p m e n tw i t h e l c c t m m 呼l e t i cs t i r i n gd c v i c e 邢书明、曾大本、胡汉起等对半固态连铸过程的稳定性进行了研 究，并且提出了连铸过程稳定性的三个判据：裂口的形成位置、裂口的 填充、裂口的焊合【4 6 舶l ；此外，在他们的对半固态连铸过程中滞留层尺 寸的预测研究中1 4 9 1 ，提出了初期滞留层尺寸的预测模型及定量计算方 法，其研究结果表明：在通常范围内增加结晶器直径或减少其长度，提 高凝固系数或提高结晶器内的纵向温度梯度、减少拉坯速度、降低制浆 室高度、改善结晶器润滑都可以提高初期裂口的形成位置，减少滞留层 尺寸，进而有利于提高半固态连铸过程的稳定性。 东北大学的董杰、崔建忠、路贵民等研究了液相线法半固态连铸 【5 2 ，其连铸示意图如图1 8 ，其结果表明，合金熔体在常规铸造温度 下浇注获得的锭坯边部和中心部位的组织都是粗大的技晶，极不均匀； 在略高于液相线温度保温3 0 i n 后的铸造组织边部是细小枝晶组织， 中心部位是均匀的近球形晶粒组织：在液相线温度保温后进行半连续铸 造获得的锭坯中心和边部组织均是均匀、细小的近球形组织，晶粒的平 均等积圆直径为2 5 3 5 “m ，平均圆度为1 7 5 2 。另外，一次冷却强度 0 的降低、二次冷却强度的增大和铸造速度的减少有利于均匀、细小的近 球形组织的形成。 谶 缩照嚣 秭墨内衬 图1 8 液相线连铸示意图 f i 9 1 8 s c h e m a t i co fl i q u i d u ss e m i c o n t j n u o l l sc a s t i n g 图1 9 电磁搅拌法半固态连铸示意图 f i g 1 9 t h ec o n t i u o u sc a s t i n gp f o c e s sw i t he l e c t r o m a g n e t i cs t j r r i n g 北京有色金属研究总院的张奎、刘国钧等也开展了对铝合金的半固 态连铸研究【5 3 ，5 4 】，采用的设备如图1 9 所示，其采用电磁搅拌连续铸造 装置，制各具有触变性非枝晶组织的半固态铝合金圆棒，坯料直径为 7 2 i i l i n 至1 1 0 m m 。其研究结果表明，棒料内部组织形貌为具有类圆形轮廓 的初生相晶粒浸润在细共晶体中，与传统的凝固枝晶组织有显著差异， 第1 覃绪论 半固态非枝晶组织是在晶体正常的形核和长大过程中，受彻体力强烈的 混合抑制作用而形成的；同时也对半固态非枝晶组织的演化机理进行了 探讨，结果表明处于交变电磁场中的金属液体，可视为导电介质流，它 与磁场交互作用，在导电介质流中产生彻体力。 北京交通大学自2 0 0 2 年以来也开展了对半固态成形技术的研究， 并成立了半固态成形实验室，其主要的研究方向包括半固态流变性能等 理论研究【8 1 】和半固态连铸、压铸、液态模锻等应用技术的研究【8 2 8 3 】 综上所述，目前对半固态连铸技术的研究主要是针对铝合金等低 熔点合金为主，国外已开始了半固态铝合金连铸技术的工业化应用，并 产生了很大的经济效益，而国内主要还处于实验研究阶段，尚存在拉坯 速度慢、连铸过程的稳定性较低、生产率低等问题，要达到工业化应用 水平需要进一步的研究。对于黑色金属的半固态连铸技术研究开展较 晚，目前国外也少见有成规模工业应用的报道，国内则还处于在对浆料 制备、浇注等技术进行实验研究的阶段，半固态浆料的连续浇注的工艺 条件还需要大量的研究。 1 3 本论文的研究任务和意义 1 3 1 研究目标和意义 从上文的分析可知，半固态连铸技术在国外已达到工业应用的水 平，并产生了很大的经济效益，证明半固态连铸技术存在广阔的工业应 用前景。但国内半固态连铸技术还主要处于实验研究阶段，其中铝合金 的半固态连铸技术研究相对较多，也较接近于工业应用，但目前尚存在 拉坯速度较慢、生产坯料局限于圆柱形、缺乏系统的半固态连铸工艺理 论等问题，半固态；黑色金属的半固态连铸还主要针对浆料制备、浇注 等技术的实验研究，半固态浆料连续浇注的工艺条件还需要系统的研 究。因此本课题的研究目标确定为： 一1 1 j 塞至垄丕主三兰堡圭量堡鎏兰 1 ) 研制一种具有工业应用前景的适用于黑色金属的半固态浆料制 备及连续铸坯实验装置。 2 ) 研究半固态连铸中关键工艺参数对连铸过程的影响，为工艺设 计与控制提供必要的依据。 1 3 2 主要研究内容 为实现所制定的研究目标，必须开展以下的研究： 1 )半固态连铸实验设备的研制。 由于目前还没有定型的半固态连铸机和实验装置，因此根据实 验要求研制所需的实验设备是研究工作的基础。 2 )关键工艺参数对半固态连铸过程影响规律的研究。 研究浇注温度、拉坯速度、开拉时间等工艺参数对半固态连铸 过程稳定性的影响，通过这一研究，可为半固态连铸工艺设计 和控制提供理论指导。 1 - 3 3 技术路线 要实现半圆态连续铸坯，半固态浆料的制备和连续浇注是关键的问 题。如前文所述，半固态浆料的制备方法有多种方法，本研究分别采用 电磁搅拌法和倾斜冷却法制备半固态浆料，采用预结晶器和终结晶器上 下相联的双结晶器式结构，并借助连铸铸锭的原理来实现连续浇注。 采用这一技术路线具有如下几个优点： 1 )电磁搅拌为非接触式搅拌，不会发生合金液污染。 2 )双结晶器式结构易于实现快速制备半固态浆料和连续生产。 3 )倾斜冷却具有工艺简单、设备成本低的优点。 第1 章绪论 1 4 本章小结 有色合金的半固态连铸技术在国外已经达到工业应用的程度，并 产生了很大的经济效益，黑色金属的半固态连铸也在近年获得很大发 展。我国许多单位也开展了半固态连铸技术的研究工作，但尚存在拉 坯速度慢、生产率低、连铸过程的稳定性较差等问题，产业化步伐缓 慢，尚需要对半固态连铸的工艺条件进行系统的研究，以尽快实现我 国半固态连铸技术的工业化应用。 北京交通大学工学硕士学位论文 第2 章矩形坯半固态连铸机研制 2 1 总体设计 半固态连铸机的结构随工艺方案和机型不同而存在很大差异，因此 半固态连铸机的总体设计包括半固态浆料制备方法、工艺方法、特征参 数、机型设计及控制系统的选择与设计等几方面。尤其是半固态浆料制 备等设计更加重要。 2 1 1 工作原理和工艺流程 半固态连铸的工作原理是将熔炼合格的液态合金在适当的温度下注 入预结晶器中( 也称半固态浆料制备室或制浆室) ，并在其中受到连续 冷却和强烈搅拌，逐步形成具有良好流变性能的半固态浆料，这种半固 态浆料在重力或外加作用力下转入结晶器，然后在结晶器的强制冷却下 凝固成一定形状的固体坯料，由拉坯机构连续不断地拉出。 厂1 歪雨f 。丁 _ 一 厂甄( 蒇毓苞 厂丽丽话藤辱 广一。丁广一 厂磊汪预菊丽露雨翮 图2 1 半固态连铸工艺流程 f i g2 1 f l o wo f t h es e m i s o l i dc o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s 一1 4 一 蓟睾委厂!一 第2 苹矩形坯半崮态连铸机研制 根据半固态连铸的工作原理，设计半固态连铸的工艺流程如图 2 1 。从图2 1 可以看出，在半固态连铸中合金液的凝固过程经由预结 晶和终结晶两个过程，并且在预结晶时还受到不断的搅拌作用。由于半 固态浆料的保温运输工艺复杂，因此这里设计的工艺采用预结晶器和终 结晶器直接上下相联的双结晶器工艺。采用这一工艺，预结晶器内制备 好的半固态浆料可以在重力作用下直接流入终结晶器，可以节省半固态 浆料的运输环节。 2 1 2 半固态浆料制备方法的选择 半固态浆料的制备方法研究一直是人们研究的重点。如前文所 述，经过几十年的发展，目前有如下一些方法：机械搅拌法、电磁搅拌 法、倾斜冷却法和斜管法、变形诱变激活法、超声振动法、单辊旋转 法、液相线铸造法、紊流效应法、合金熔体混和法、喷射沉积法、粉末 冶金法等。 其中机械搅拌法是最早使用的浆料制备方法，美国的m e n o nc f l e m i n g s 在早期研制的半固态连铸机即采用这种方法，见图1 5 。但显 然机械搅拌法存在一系列缺点：如搅拌器直接受到侵蚀，因此寿命低， 还会对熔体产生污染；半固态浆料的固相率一般在3 0 6 0 范围内， 固相率小于3 0 时，破碎的树枝晶颗粒在凝固过程中会粗化，倾向于 向枝晶发展，固相率大于6 0 时，浸在半固态金属浆料中的回转搅拌 器有停止或破损的危险。因此，目前采用机械搅拌法制取半固态浆料的 方法在半固态连铸中很少用，尤其在黑色金属的半固态连铸中目前未见 有使用。 电磁搅拌法由于具有不污染金属液、控制方便等许多优点，目前应 用最多，在采用变频器调节搅拌速度和搅拌器的输入电压，可以方便地 实现对搅拌力大小和搅拌频率地调节。因此这里也采用电磁搅拌方式制 各半固态浆料。 一1s 一 北京交通大学工学硕士学位论文 倾斜冷却制备半固态浆料的方法自日本学者提出以来，己获得广泛 的重视【1 吣5 1 。该方法具有设备简单、投资少、见效快等优点，因此这里 也同时采用了该方法制备半固态浆料，倾斜冷却式半固态连铸机的设计 在本章2 3 小节内专门介绍。 2 1 3 工艺方案的选择 1 ) 浇注方式的选择 考虑到工业生产条件下，合金液的出炉温度可以控制在一个比较稳 定的范围，这里采用直接浇注的方式。 2 ) 结晶器冷却方式 现代连铸技术的冷却方式一般是结晶器采用水冷水套，出结晶器后 采用喷淋式二冷水圈进行冷却。这里借鉴现代连铸的成功经验，采用内 冷式水冷结晶器，坯料出结晶器后采用喷淋二冷水圈进一步冷却。 3 ) 结晶器的振动 从现代连铸经验可知，结晶器的振动是实现稳定连铸的重要措施之 一，通过结晶器的振动，可以使铸坯得到脱摸的效果，大大减少连铸拉 断、拉漏事故。因此这里也采用了结晶器的振动技术 4 ) 拉坯方式 连铸的重要特征就是有拉坯机构使冷却的坯料得以连续拉出，形成 连续铸造。现代连铸中一般采用辊轮压紧坯料，依靠辊轮与坯料之间的 摩擦力来实现拉坯，这里也采用这种方式进行拉坯。 2 1 4 机型设计 半固态连铸机的机型目前还没有成为最重要的问题引起人们的重 视。从现代连铸机的角度来看，现有半固态连铸机的机型都是比较原始 的，只有立式和水平两大类，至今未见有弧形半固态连铸机的报道。即 使这两类机型中多数也都还是半连续模式，既不能连续不断地生产，而 1 6 第2 章矩形坯半固态连铸机研制 是断续生产。 从上一章的半固态连铸现状综述中，可以看出，立式机型是目前应 用最为成熟的机型，它具有坯料组织的均匀性好、可靠性高等优点，这 里采用立式机型。 2 1 5 特征参数设计 1 ) 最大拉坯长度 最大拉坯长度是立式半固态连铸机特有的一个技术参数，它是指由 于受到设备高度的限制，一次拉坯所能得到的最大坯料长度。对于水平 连铸及配有同步切割设备的连续式立式连铸机来说，最大拉坯长度是没 有意义的。 由于最大拉坯长度是由结晶器出口以下的空间高度决定的，而结晶 器又不适宜安装过高，同时考虑到本设备是试验设备，能够稳定拉出一 定长度即可达到实验的目的，因此这里取最大拉坯长度为2 0 0 0 m m 。 2 ) 坯料横截面形状 本设备是针对黑色金属材料而设计，从钢材使用来看，方坯或矩形 坯的应用最广，其中的小方坯截面形状一般为1 0 0 1 0 0 m m 至1 5 0 1 5 0 m m ，矩形坯的截面形状则依据需要尺寸形状较多。因此，目前的 连铸机以方坯或矩形坯连铸机最多。为更容易实现工业应用，同时考虑 设备的体积，这里也采用矩形坯，坯料截面形状为1 0 0 6 0 m m 。 3 ) 最大搅拌速度 半固态连铸机的最大搅拌速度是指预结晶器中搅拌器的同步搅拌速 度，而不考虑预结晶器内合金熔体的实际转速。设搅拌线圈的极对数为 d ，根据电机学理论可知最大搅拌速度为 = 3 0 0 0 p( 2 1 ) 在用电机定子作为搅拌器的情况下，使用二极电机的最大搅拌速度 为3 0 0 0 r p m ，使用四极电机则为1 5 0 0 r p m 。事实上，为了便于调节搅拌 j i 塞銮翌盔兰三堂堡主芏垡笙奎 速度，多数搅拌器都配有调速装置。搅拌器的调速装置可以是调压器， 也可以是变频器。调压器调速是通过调整搅拌线圈的输入电压来调整转 速，而变频器调速则是通过调整搅拌线圈的频率来调整转速。实际使用 经验证明，变频器调速比调压器调速更可靠，本设计采用变频器调速。 4 ) 最高工作温度 半固态连铸机的最高工作温度取决于预结晶器与熔体直接接触的容 器的耐火度，一般根据所加工半固态坯料的液相线确定半固态连铸机的 最高工作温度。本设备适用于钢铁材料，因此本设计的最高工作温度为 1 6 0 0 。 5 ) 最大拉坯速度 半固态连铸速度目前尚远低于普通连铸速度，随着半固态浆料制备 技术的不断发展，半固态浆料的制备速度也在不断提高，因此提高半固 态连铸速度是完全可能的。从现有的半固态连铸机的数据来看，对于直 径8 0 m m 的坯料来说，已经达到的最大拉坯速度为1 0 0 0 m m m i n 【5 6 1 。本 设计由于采用了变频调速的驱动电机，拉坯速度的调整范围较大，因此 设计的理论最大拉坯速度为2 0 0 0 m m m i n ，这样可以在较大范围内考察 拉坯速度对半固态连铸过程的影响。 2 1 6 总体结构 根据半固态连铸工艺流程，设计的半固态连铸机包括有保温浇包、 预结晶器、终结晶器、拉坯机构、振动机构、控制系统等部件，其总体 结构如图2 2 所示。 第2 章矩形坯半固态连铸机研制 图2 2 半固态连铸机总体结构示意图 f i g2 2 s k e t c ho fc o n t i n u o u sc a s t e r 1 保温浇包2 预结晶器3 终结晶器4 控制柜5 振动机构 6 拉坯机构 2 2 关键零部件设计 2 2 1 保温浇包设计 合适的浇注温度是顺利实现连铸的基础，也是获得良好铸坯质量的 基础。由现代连铸经验可知，低过热度浇注对稳定连铸生产、实现高拉 速、生产无缺陷的高质量坯起着至关重要的作用【5 ”。保温浇包的作用 是使金属液在整个浇注过程中保持在一个基本恒定的温度范围，顺利实 现低过热度浇注，相当于现代连铸中的可加热中间包。 1 q 北京交通大学工学硕士学位论文 2 2 1 1 加热方式的选择 目前连铸中间包常用的加热方式有等离子加热和感应加热等方式。 其中等离子加热过程是通过将气体电离后再复合，将电能转化为热 能，通过直接和间接的热辐射实现对钢液加热的过程，它是一种洁净无 污染的钢水加热方法，其加热效率大约为6 0 一7 0 ，其中来自加热 室墙壁的间接热辐射要占到5 0 以上，采用等离子加热装置可实现低 过热度浇注，中间包内钢液温度可控制在4 5 。 等离子加热在国外，特别是在钢铁工业发达的国家，如日本、美 国、德国等都在积极研究、推广和使用该技术。而在我国等离子加热技 术起步较晚，衡阳钢管厂、武汉钢铁公司、宝山钢铁股份有限公司、唐 山钢铁公司及抚顺钢铁公司等先后引进了等离子加热技术，但使用效果 不理想( 5 8 】：存在的主要问题是中间包耐火材料的熔损较严重，尤其是造 成中间包盖耐火材料的剥落甚至导致中间包盖的坍塌事故，对连铸过程 十分不利。 电磁感应加热是使处于交变磁场中的金属内部由于电磁感应作用， 产生涡流，涡流在金属内部做功，从而使金属温度不断升高。由于金属 电阻很小，因此产生的涡流很大，感应加热的速度相应较快，同时由于 电磁感应使中间包内形成的上升钢流促进了夹杂物的上浮，有利于净化 钢水。由于具有诸多优点，电磁感应加热被广泛的应用于金属熔炼、透 热、锻造、淬火及表面热处理等。因此本设计也采用中频感应加热方 式。 2 。2 。l ，2 加热功率的确定 保温浇包的总体结构如图2 3 所示，其内衬采用由铝矾土浇注料打 制的耐火坩埚，感应线圈与坩埚之间填充铝矾土细沙以提高保温能力和 坩埚强度；其浇口采用塞棒结构控制开关，塞棒外层为耐火材料，内层 为钢芯，且通气冷却。 设最大拉坯长度为l 。，坯料截面积为s 。，则要求保温