銅及銅合金管坯水平電磁連續(xù)鑄造技術(shù)研究.pdf

1、近年來隨著工業(yè)及國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對銅及銅合金管材的需求數(shù)量日益增多，并對其質(zhì)量和生產(chǎn)效率也提出了越來越高的要求。管坯連續(xù)鑄造技術(shù)被認為是管材生產(chǎn)更深層次的近終形制備技術(shù)，具有生產(chǎn)效率高以及金屬利用率高等眾多優(yōu)勢。但目前采用水平連續(xù)鑄造技術(shù)所生產(chǎn)的管坯存在凝固組織粗大且周向分布不均勻、表面質(zhì)量差等缺陷。因此，如何生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的銅及銅合金管坯，使其能夠滿足后續(xù)加工要求，是提高生產(chǎn)效率、獲得高質(zhì)量管材的技術(shù)關(guān)鍵。電磁場在材料加工領(lǐng)域的大量研

2、究及應用為制備高質(zhì)量的銅及銅合金管坯提供了契機。
　　 本文以制備高質(zhì)量銅及銅合金管坯為目的，研究了紫銅和BFe10-1-1白銅管坯水平電磁連續(xù)鑄造技術(shù)，論文主要包括以下內(nèi)容：
　　 采用ANSYS軟件計算了Ф90x25 mm紫銅管坯水平電磁連續(xù)鑄造過程中，結(jié)晶器壓板和法蘭材料對電磁發(fā)生器作用效果和磁感應強度分布的影響。并將ANSYS和FLUENT軟件相結(jié)合，計算了在紫銅管坯水平連續(xù)鑄造過程中，電磁場對紫銅管坯凝固過程，

3、包括速度場、溫度場、液相率分布的影響；以及電流強度和鑄造速度對電磁場作用下紫銅管坯凝固過程的影響。結(jié)果表明，結(jié)晶器壓板和法蘭材料對電磁發(fā)生器作用效果有著強烈的影響。當壓板和法蘭均為強導磁材料時，電磁場的作用效果幾乎被屏蔽；當壓板和法蘭均為弱導磁材料時，對電磁發(fā)生器的作用效果幾乎沒有影響，并且法蘭對電磁發(fā)生器作用效果的影響要強于壓板。電磁場顯著的改變了管坯內(nèi)金屬液的流動方式，使其在管坯橫截面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，當電流頻率為50 Hz，電流強度為

4、50 A，鑄造溫度為1150℃，鑄造速度為250 mm/min時，最大切向速度可達到0.233 m/s；并且金屬液在管坯縱截面形成環(huán)流。電磁場強烈的均勻了管坯內(nèi)部金屬液的溫度場，使溫度梯度由748 KJm降低到196 K/m，使液穴深度由48.8 mm降至29.0 mm，并顯著的擴大了固液兩相共存區(qū)。隨著電流強度的增加，管坯橫截面金屬液的切向速度顯著提高，液穴內(nèi)溫度場和液相率分布變均勻。溫度梯度和液相率梯度極大的降低，固液兩相共存區(qū)明顯

5、增大，液穴深度顯著變淺。隨著鑄造速度的增加，管坯橫截面金屬液的切向速度略有增加，溫度梯度和液相率梯度降低較小。固液兩相共存區(qū)略有擴大，液穴深度略微變淺。
　　 采用Sn-3.5％Pb做為模擬合金，研究了在管坯外結(jié)晶器施加旋轉(zhuǎn)磁場時，電磁場對管坯內(nèi)金屬液運動行為以及凝固過程的影響，結(jié)果表明，電磁場均勻了管坯內(nèi)金屬液的溫度場，降低了溫度梯度；電磁場也降低了管坯內(nèi)金屬熔體的液穴深度，均勻了液穴的形狀，與數(shù)值模擬結(jié)果一致。
　　

6、 將紫銅管坯水平電磁連續(xù)鑄造技術(shù)應用到工業(yè)生產(chǎn)中，突破了結(jié)晶器結(jié)構(gòu)，磁場發(fā)生器設計、安裝等難題。進行了Ф90x25 mm紫銅管坯水平電磁連續(xù)鑄造在線實驗，系統(tǒng)研究了磁感應強度、磁場施加模式對紫銅管坯凝固組織及性能的影響，并探索了鑄造速度、鑄造溫度、冷卻水強度對電磁場作用效果的影響，結(jié)果表明，隨著磁感應強度的增加，管坯的凝固組織不斷細化，但當電流強度高于50 A時，由感應電流產(chǎn)生的Joule熱過大，凝固組織開始變粗；間歇磁場與連續(xù)磁場對管

7、坯凝固細化效果相同。提高鑄造速度有利于電磁場對管坯凝固組織的細化作用；降低鑄造溫度，增大冷卻強度不利于電磁場對凝固組織的細化作用。當電流頻率為50Hz，電流強度為50A，鑄造溫度為1150℃，鑄造速度為250 mm/min，冷卻水量為1 m3/h時，管坯的凝固組織細化效果相對較好，等軸晶比例達到98％以上，消除了水平連續(xù)鑄造紫銅管坯凝固組織的各向異性，平均抗拉強度提高了15.9％，平均延伸率提高了63.8％。紫銅管坯的密度由8.9123

8、 g/cm3提高到8.9372g/cm3，并延長了石墨模具的使用壽命。同時降低了制備冷凝管時的平均傷點數(shù)。
　　 對BFe10-1-1白銅管坯水平連續(xù)鑄造中常見的鑄造缺陷進行了研究，在此基礎上對電磁連續(xù)鑄造工藝參數(shù)進行優(yōu)化，從而開發(fā)出了Ф83x21 mm BFe10-1-1白銅管坯水平電磁連續(xù)鑄造新工藝。并系統(tǒng)研究了電磁場作用下管坯宏觀、微觀凝固組織的演變規(guī)律；電磁場對管坯表面質(zhì)量、溶質(zhì)元素分布、富Ni相的偏聚狀態(tài)及生長形貌、力

9、學性能的影響，結(jié)果表明，電磁場使BFe10-1-1白銅管坯宏觀凝固組織顯著細化，微觀凝固組織呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律。并有效抑制了Ni、Fe、Mn元素的偏析，改變了富Ni相的分布。當電流頻率為50 Hz，電流強度為120 A，鑄造溫度為1230℃，鑄造速度為350 mm/min，冷卻水量為1.8 m3/h時，管坯的凝固組織最佳，平均晶粒尺寸達到0.56 mm，消除了管坯凝固組織的各向異性，管坯的抗拉強度提高了20.3％，延伸率提高了65.7％